基于線性自抗擾控制的放卷張力控制系統(tǒng)

馬宏帥 趙世海

摘要：由于連續(xù)軋染機放卷系統(tǒng)具有時變性、非線性和耦合性等特點，常規(guī)PID控制效果不良。針對恒張力控制問題，結(jié)合自抗擾控制方法提出一種放卷張力控制的方法。根據(jù)放卷運行機理，對放卷過程進行數(shù)學建模，推導靜、動態(tài)解耦模型，設計線性自抗擾控制器（LADRC）。對該控制器與常規(guī)PID控制進行對比仿真實驗，結(jié)果表明：該控制器能夠使織物的張力在放卷過程中保持恒定，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。

關鍵詞：卷徑;張力控制;線性自抗擾;抗干擾

中圖分類號：TP195.3

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）01-0087-06

放卷單元是連續(xù)軋染機關鍵部分，放卷是織物在連續(xù)軋染上運行的第一步，其對張力控制的精度要求很高，如果放卷過程中張力出現(xiàn)波動，將會對后續(xù)加工的各個階段造成影響，以至于影響織物的加工質(zhì)量[1]。由于放卷過程中卷徑不斷變化，引起放卷輥轉(zhuǎn)動慣量的變化，導致織物受到的張力也不斷變化[2]。放卷系統(tǒng)是一個典型的時變性、非線性的耦合系統(tǒng)。因此設計一個能夠解耦并且具有良好抗干擾性能的控制器是至關重要的。

隨著織物染整工藝的復雜化和多樣化，對連續(xù)軋染機的加工質(zhì)量要求越來越高。對放卷系統(tǒng)的張力控制器提出了更高的要求。常規(guī)PID控制器已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代織物的加工要求。

李革等[3]提出模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制方法，應用于帶材的卷繞張力控制系統(tǒng)，使張力控制系統(tǒng)有較好的自適應性。李坤全等[4]提出自適應模糊PID控制方法，應用于瓦楞紙放卷張力控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)張力的穩(wěn)定控制。張永勝等[5]提出模糊理論，用于同步帶恒張力控制系統(tǒng)中，取得了較好的張力控制效果。但這些方法都要求建立精確的數(shù)學模型，對于復雜系統(tǒng)來說，影響因素多，建立精確數(shù)學模型比較困難。

本文提出采用線性自抗控制方法[6—7]，不需要知道被控系統(tǒng)的精確模型和內(nèi)外部擾動規(guī)律，利用張力擴張狀態(tài)觀察器，對被控系統(tǒng)的內(nèi)外擾動進行估計并補償。該方法不僅具有自抗擾控制器的功能，而且克服了自抗擾控制算法參數(shù)難整定的問題[8—11]，便于應用于實際工中。

1放卷系統(tǒng)數(shù)學建模

放卷系統(tǒng)由放卷輥和卷徑測量裝置組成，放卷輥由變頻器電機驅(qū)動，通過PLC發(fā)送指令控制變頻，實現(xiàn)放卷輥的控制。放卷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.4常規(guī)PID產(chǎn)生誤差波動分析

經(jīng)過仿真對比實驗分析，常規(guī)PID控制器在解耦、抗干擾方面的控制效果都沒有LADRC控制器的控制效果好。在實際運行過程中，放卷張力系統(tǒng)具有非線性、時變性、耦合性的特點，使得在對系統(tǒng)分析的過程中很難確定準確的數(shù)學模型。常規(guī)PID控制器在運行過程中，它的3個參數(shù)設定是根據(jù)明確的被控對象數(shù)學方程設定的，無法實現(xiàn)自適應整定。當放卷系統(tǒng)卷徑、轉(zhuǎn)動慣量和角速度等參數(shù)發(fā)生變化時，常規(guī)PID的3個參數(shù)不會隨系統(tǒng)的變化做出改變，因此系統(tǒng)會出現(xiàn)超調(diào)，不穩(wěn)定等現(xiàn)象。而當放卷系統(tǒng)放卷單元的張力發(fā)生突變時，常規(guī)PID控制器對突變情況不能做出及時的補償，導致對后續(xù)單元張力的影響。

常規(guī)PID控制器雖然結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應效果好，但是對被控系統(tǒng)參數(shù)變化敏感，只要系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，就需要重新整定它的3個參數(shù)，否則就會影響控制效果。

4結(jié)語

針對連續(xù)軋染機放卷張力系統(tǒng)對張力穩(wěn)定性的要求，本文提出采用LADRC控制的方法，解決了因放卷張力與牽引張力的耦合以及參數(shù)擾動和外界干擾引起的張力變化的問題，使放卷系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。由于LADRC中引入線性擴張狀態(tài)觀察器，從對比仿真實驗可知，在動態(tài)響應方面，LADRC不占優(yōu)勢，但是該控制器在抗干擾和解耦方面比PID控制器的控制效果更好。該控制器不僅具有較強的魯棒性和解耦效果，而且具有參數(shù)便于調(diào)整的特點，具有一定的實用價值。

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