間接張力控制系統的優化

陳杰金++霍覽宇

摘 要：間接張力的控制方法又被稱之為補償控制法，它其實是通過影響張力穩定因素的參數進行調節，從而來補償動態張力可能出現的變化，以間接的保持張力的平衡與穩定，即只用給出張力的固定值，不需要采用任何設備來檢測張力的實際數值也無需對張力采用閉環的控制法，只用對電動機的電流和電壓來進行控制，并且還能間接的控制住張力的平衡，確保電動機的扭轉力矩不發生改變，從而保證卷取產品的張力固定值。

關鍵詞：間接張力；控制系統；優化

項目基金：湖南省2013年度教育廳科學研究項目，課題編號：13C254。

人們生活中使用的電線電纜在生產過程中需要做絕緣加塑，其中對張力的控制是一個非常重要的生產加工環節，能夠良好的控制張力可以大大提高產品的質量以及生產過程中的效率。在20世紀70年代末時期，就有學者大膽提出間接張力控制的算法，能夠簡優化間接張力控制。該控制方法的計算方法比較簡單，只需要少數的參數，計算的系統能夠與相似的參數模型匹配，所以，讓系統的設計和所控制的對象沒有關聯，多用于多變量系統和非線性系統以及單變量系統中，在生產和加工中被廣泛的運用和推廣[1-2]。

一、間接張力控制系統的理論和原理

間接張力控制方法又稱為補償的控制方法。它是通過影響張力穩定因素的參數實現對它的調節補償，進而補償張力可能出現的變化，從而間接的保證整理的穩定。但是這種控制方法是屬于張力的開環控制，所以，控制的精度不夠高，那么對動態的干擾以及調節能力也都比較差。當系統在起動的時候，也就是在張力構建的過程中，通過使用間接張力的控制方法能夠起到很好的補償作用。

二、間接張力控制的方法

（一）最大力矩控制法。最大力矩控制法的原則就是當電動機保持基本速度階段時，維持磁通和滿磁方法在高速度階段時保持電壓的滿壓法，讓電動機的力矩能力能夠得到有效地發揮。這種控制系統其實就是電樞的電流隨著卷徑的正反比例來變化的，磁通始終保持著不變，所以說明磁通的改變并不是隨著卷徑的正反比例而變化的，而是由于勵磁的回路來根據電機的工作情況來改變的。這種控制的方法有以下幾點優點：①電動機工作時的弱磁倍數和卷徑是沒有任何關系的，所以，在選用電動機的時候可以選擇弱磁倍數較小的電動機，這樣對電動機的制造更有利；②在基本速度以下時電動機在滿磁的環境下運行，所以不光是起動，制動的時候過度的過程會隨之加快，可以充分的輸出最大的扭轉力矩，同時還大大增加了過載的能力；③在電動機有效利用的同時，由于電動機能在基本的速度下輸出最大的扭轉力矩，在基本的速度以上時能夠有效的輸出最大功效；④當電動機在起動和制動時，卷取機出現的無功沖擊負荷力相對較小。

（二）電流電勢復合控制法。電流電勢復合控制法通常都是由磁場控制和電流控制兩大部分構成。該方法的優點主要是電樞的電流和張力是成正比，DB和Φ成正比，所以控制起開更加直觀。電流電勢復合控制法在應用過程中也存在一定的缺點，其缺點主要包括：①卷曲過程中，Φ/DB必須保持為常數，也就是電動機的勵磁通必須隨著卷徑的改變而改變，只有當卷徑在最大時的時候，卷筒電動機才在正常磁下工作，其它時候都在若磁下工作。尤其是剛開始卷曲時，卷徑數值最小，電動機在最弱磁狀態。當電動機卷曲結束后，卷筒直徑DB數值最大，此時的電動機是滿磁狀態，所以電動機力矩無法充分利用；②在整個卷曲過程中，由于Φ/DB必須保持為常數，所以在對卷筒傳電動機進行選擇時，電動機的弱磁倍數必須最少要和卷徑變化的倍數一致，且其倍數超過卷徑變化的倍數更好。針對卷徑變化倍數大及其相對應的弱磁倍數也大的環境，使用間接張力控制的方式，會增大傳動電機的體積，那么系統的慣量也會隨之增大，同時其價格也會有所上漲。并且，我國國內市場上電動機的最大弱磁倍數大約是4倍，這使得卷徑變化的倍數遭到了限制。

三、間接張力控制系統的補償優化方法

卷曲機在加速和減速的過程中，會受到一定的機械慣性影響，產生動態力矩MJ，且MJ的數值通常都比較大，因此不可忽略。為了保持恒定的張力，必須對其進行補償，以進一步優化間接張力控制系統。

根據電動機的原理得出表達式：

（1）

由此得出電機軸上的飛輪慣量表達式：

（2）

式中GD2A代表線卷飛輪慣量；GD2m代表機械傳動機構和卷筒的飛輪慣量；GD2D代表轉子的飛輪慣量。其中，GD2A的數值根據線卷的直徑變化而變化，而GD2m和GD2D可以當做固定量。則： （3）

式中：i代表卷取到電機軸機械的傳動比；B代表線材的寬度；D代表瞬時卷徑；D0代表最小的卷筒直徑；Y代表拉制線材的比重；ρ代表卷材占積率。

因此，得出表達式：

將該式帶入（5）式中得出表達式：

（4）

式中， 是常數。

則，加速和減速過程中，張力損失Fg的表達式為：

（5）

式中，2MJ·j代表卷軸上的轉矩，將（8）式帶入（9）式得出表達式：Fg=C1/D2 （6）

式中，C1=2iA1A2，C2=2iA1B1都是常數。

該函數表達式的關系說明，在檢測出線速度變化率 和瞬時卷徑D的情況下，可以對張力直接進行補償。

結束語：張力控制系統在電纜電線的制造和生產過程中是一個十分重要的環節，在整個加速過程中，只有在牽引、收線以及控制防線的生產環節需要平衡的張力作用，這樣才能保證生產過程中銅芯不堆擠、銅芯不被拉扯斷裂，保證松緊程度適中、卷取排列整齊等，然而要想解決卷材的張力控制問題就必須把劵繞過程中的速度以及卷徑還有其它能夠對張力產生干擾的因素降低。所以，對于張力的控制研究意義重大，且其被運用的前景非常廣泛。在控制的理論發展上和實際的操作運用當中還是存在著以下兩方面差距和問題：①通過各式各樣的智能控制計算犯非法的不斷創新與提出，并在理論以及實際的仿真操作試驗中得到了驗證；②在當前的實際生產過程中還是在運用

PID這種比較傳統的控制方式。隨著當今的生產技術的不斷發展和日益更新換代，生產工藝也逐漸復雜化，PID這種比較傳統的控制方式已經不能滿足現在的生產需求，它的各種性能以及指標被當今的生產工藝所淘汰，目前比較先進的控制方法是間接張力控制法。間接張力控制法可以提高控制的能力，實現把理論和生產過程相結合的目的。對張力的控制必須要從整體的系統出發，朝著更高標準、高工藝、高水平、高智能的方向去發展，此次的研究分析有著重要且深遠的意義。

參考文獻：

[1] 徐敏.張力控制系統在變頻造紙設備中的應用研究[J].價值工程，2014，（23）：78-79.

[2] 孫珺如，劉惠康，吳遠航，等.卷取系統的張力模糊控制優化研究[J].機械設計與制造，2013，（12）：192-194，197.