基于內?？刂频木砑垯C恒張力控制系統設計

馬文明 陳鑫

摘要：紙機張力具有模型不固定，速度和張力耦合強，受干擾因素多等特點，傳統的PID控制不能滿足生產要求，針對卷紙機的收卷提出了一種張力內?？刂疲↖MC）法。根據IMC算法對卷紙機的收卷段張力設計了控制器，并用MATLAB進行仿真。結果表明，采取IMC法對張力進行控制要比傳統PID控制性能更優越，可實現卷紙機張力穩定，同時能夠克服外界干擾的影響。

關鍵詞：卷紙機；張力控制；內?？刂?/p>

中圖分類號：TS734+.7

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.12.011

在造紙生產過程中，張力是重要的參數[1]，它對成紙質量、生產效率和生產成本都有重要的影響，因此在造紙生產過程中要對張力進行控制。卷紙過程中，紙幅張力和速度之間存在強耦合，并且隨著紙卷半徑的增大，張力受到影響，故紙幅張力控制是個純滯后、強耦合、非線性、慣性大、干擾多的時變控制。由于卷紙機張力控制具有上述特點，對卷紙機張力的控制難度比較大，常規PID達不到要求，需要尋找更好的控制方法去實現。內?？刂疲↖MC）具有良好的跟蹤性能和抗干擾能力，并對模型失配有一定魯棒性，本課題對卷紙機的張力控制采用IMC進行實現。

1張力模型的建立

1.1張力的產生

在卷紙機的收卷過程中，為了滿足造紙生產過程中張力的要求，在紙幅上要施加一定的摩擦力，通過磁粉離合器對卷紙機的收卷輥傳遞動力力矩，同時也可以通過改變磁粉離合器的勵磁電流大小來控制收卷輥的力矩大小[2]。為了使造紙生產過程中紙幅間的張力恒定，就要使卷紙機線速度和紙機出紙線速度保持同步，如果速度不同步，則紙幅的張力就會發生變化，紙幅張力變化與線速度差的關系模型如圖1所示[3]。

（1）檢測裝置：直接張力控制需要對張力進行實時檢測以獲得反饋信息，構成閉環控制。除了對張力進行檢測外，還需要對速度進行檢測，將檢測到的速度作為控制系統的輔助信號。本課題張力控制系統采用軸承式張力傳感器，這種傳感器由優質彈簧和高精度差動變壓器組成，檢測輥和導向輥安裝時呈三角分布。張力傳感器如圖3所示。

（2）控制裝置：由于卷紙機的張力具有動力學模型大、耦合強、非線性、干擾多等特點，并且在整個控制中還包括很多的執行機構，PLC具有集成化程度高、模塊化強、抗干擾能力強、通用性好、兼容性和擴展性強的特點，所以在這里采取PLC作為卷紙機張力控制系統的控制器。

（3）執行裝置：卷紙機在收卷過程中的執行裝置一般采用磁粉離合器或者電機，由于前者具有控制精度高、穩定性強等優點，所以在這里采用磁粉離合器作為執行裝置。

2張力控制系統方案及模型建立

2.1張力控制系統方案

在卷紙機運行過程中，隨著收卷半徑不斷增大使得卷紙輥的轉動慣量、角速度等一直在變化，卷紙機收卷張力控制系統原理如圖4所示。

由圖4可知，卷紙機收卷張力的控制是以張力控制器為核心，張力檢測器把檢測到的紙幅張力信號送

給張力變送器，經過張力控制器進行運算，將得到控制信號傳遞給磁粉離合器，磁粉離合器與卷紙機的卷紙輥相連，將轉矩傳遞給卷紙輥，從而使卷紙機的張力控制為閉環控制系統，達到紙幅張力恒定控制。在紙機的生產中紙卷半徑不斷增大，所以在控制系統中增加了卷紙輥半徑實時檢測裝置。為了提高卷紙機張力控制精度，降低紙幅速度和張力之間的耦合，在張力控制器內設置內?？刂破?。整個張力閉環控制流程為：經過變送器放大的張力反饋值與張力設定值進行比較后將其差值送入控制器，經過IMC運算處理后輸出控制信號，再經過功率放大環節后，通過控制磁粉離合器輸出轉矩達到控制紙幅張力的目的。利用速度檢測對紙機運轉進行預測和補償。

2.2張力控制系統模型建立

卷紙機收卷系統結構如圖5所示。設紙幅間張力為T，卷紙輥的半徑為R，上一單元M1運行紙幅線速度為V1，卷紙輥M2的線速度為V2。在紙機啟動運行穩定后，假定紙幅的線速度V1是定值，只有當V2>V1時，紙幅間才能產生一定的張力，當紙幅的張力達到要求后，及時調節卷紙輥的動力機構使線速度V2穩定，這樣，紙幅收卷就可以在該張力下穩定運行。

對圖10仿真結果進行比較可以發現，常規PID和IMC都沒有超調量，但常規PID達到穩態的時間比IMC長，而IMC系統的響應速度很快，調節時間比較短，其控制性能明顯優于PID，并且能達到卷紙機收卷張力的要求。

4.2.2有干擾時的仿真與分析

在生產中外界干擾影響控制效果，仿真時借助噪聲作為干擾信號，看系統抗干擾的能力是否能達到工藝要求范圍之內。在20～25 s間加入噪聲，噪聲強度±20 N左右，在PID和IMC的作用下，其仿真結果如圖11所示：

由圖11可以看出，當生產過程中存在±20 N的外界干擾時，PID調節速度慢且效果不好，并且張力變化范圍較大，且重新達到穩定所需時間也比較長，比較而言，當IMC受外界干擾吋，張力變化范圍小，而當干擾消除時，能使張力迅速達到穩定，滿足工藝要求，所以IMC的抗擾性能比PID要好一些。

5卷紙機張力控制系統總體設計與應用

本控制系統選用S7300PLC作為控制系統核心，用來接收采集的數據，然后對數據進行控制算法的運行得到控制信號的輸出，上位機完成張力給定值的設定，報警和對運行狀態的監視和修改，PLC輸出的控制信號可以通過變頻器調節驅動電機，然后電機編碼器的反饋構成閉環，實現對電機速度的控制，由張力傳感器采集到的是實時張力值，經PLC內部運算后控制磁粉離合器力矩的輸出，控制收卷輥的運行，實現對張力的控制。卷紙機張力控制系統總體結構如圖12所示[7]。

該張力控制系統以可編程控制器PLC為控制核心，張力設定值與經過變送器放大的張力反饋值比較后，其差值通過A/D轉換后送到PLC，控制器經過IMC算法運行處理后輸出控制信號，再通過D/A轉換后，調節磁粉離合器，從而改變電機的輸出轉矩，來調節紙幅間的張力穩定。該控制系統已應用于浙江某造紙企業中小型紙機的改造，取得良好的控制效果。改造前后設備運行性能對比如表1所示。

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（責任編輯：馬忻）