恒張力牽伸控制系統的研究

張田龍，雷志偉，宮 哲，李玉霞

(河北省自動化研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著時代的發展和科技的進步，我國制造業的發展越來越快，如冶金、造紙、塑料薄膜、金屬箔、紡織、印染、塑膠以及各種線材的生產行業，在生產和包裝過程中，產品需要保持恒定的張力，以避免在生產過程中的速度或張力突變導致線材忽緊忽松，降低產品的品質。因此,如何更好地控制系統隨動軸的平穩運行,使其對主動軸的速度變化做出及時響應，就成為保持恒張力控制功能實現的關鍵。恒張力控制的方案主要包括力矩電機張力控制、磁粉制動器/離合器張力控制、重力緩沖輥張力控制和直接張力閉環控制等。而直接張力閉環控制因其具備張力控制平穩、響應速度快、控制精度高等優勢，在一些特殊場合應用較為廣泛。本文設計搭建了一套恒張力控制模型，并通過計算、優化相關參數，實現了線材生產過程的恒張力和全自動運行。

1 張力控制

1.1 直接張力控制

直接張力控制，就是不借助任何輔助機構(如重錘、彈簧、氣壓缸、液壓缸、浮動輥、緩沖器等)建立的張力測量系統，而是直接通過張力傳感器檢測張力值，系統設置主動軸的運行速度，并實時采集張力傳感器的反饋值，通過控制器內部的PID控制算法，計算并調整隨動軸的運行速度，從而使得主動軸和隨動軸之間的張力值始終保持恒定。

1.2 直接張力控制系統組成

直接張力控制系統主要由主動軸、隨動軸、輔助放卷軸、輔助收卷軸、張力傳感器和角度傳感器等部分組成，系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 直接張力控制系統組成示意圖

主動軸：主動軸的運行速度為整套系統運行的參考速度，其他各軸的運行速度均以主動軸速度為基準進行調節。

隨動軸：根據主動軸的運行速度和位于主動軸與隨動軸之間張力傳感器的張力值，對隨動軸進行閉環反饋調節，最終保證張力傳感器的張力值恒定。

輔助放卷軸：根據設置在輔助放卷軸上的角度傳感器的位置值，調節輔助放卷軸的放卷速度，保證主動軸上經過的線材始終保持一定的張緊力。

輔助收卷軸：根據設置在輔助收卷軸上的角度傳感器的位置值，調節輔助收卷軸的收卷速度，保證線材在一定張力下均勻緊密地纏繞在收卷軸上，保持纏繞的花形。

2 恒張力控制系統

2.1 控制系統方案

該系統選用西門子S7-300系列的PLC(CPU 315-2DP)作為控制和運算核心，執行器選用臺達伺服驅動器ECMA-C10807SS及臺達伺服電機ASD-A2-0721-M，電機控制方式為速度模式；張力信號反饋部分選用金諾張力傳感器LZ-ZL-L1-50N，標準4 mA～20 mA輸出信號；輔助放卷軸和輔助收卷軸設計有角度傳感器LW128B-360，通過角度反饋值控制對應驅動的運行；上述執行器和檢測傳感器共同組成線材恒張力控制系統。恒張力控制系統結構如圖2所示。圖2中，r(t)為給定值,e(t)為偏差值,u(t)為PID控制器的輸出和被控對象的輸入,y(t)為實際輸出值。

圖2 恒張力控制系統結構

2.2 控制系統框圖

恒張力控制系統就是在沒有人參與的情況下使執行器的輸出值準確地隨著給定值的預期規律變化而變化，在存在外部擾動和內部參數變化的條件下，也能使系統的輸出準確地跟蹤參考輸入。根據系統的結構，建立了恒張力控制系統的數學模型，控制系統組成框圖如圖3所示。系統設計有內環速度調節環和外環張力調節環兩個閉環，速度環保證執行器按照給定的速度值準確輸出并保持，張力環通過調節執行器的運行狀態，保證線材在拉伸過程中維持張力值準確和恒定。

圖3 控制系統組成框圖

系統采用PID控制算法。其中比例環節(P)的作用是使輸出量能夠無失真、無滯后地按一定的比例復現輸入量；積分環節(I)的作用是輸出量對輸入量在時間上的積分；微分環節(D)的作用是輸出量對輸入信號在時間上的微分，預示輸入信號的變化趨勢，監視其動態行為。

2.3 程序編寫

根據控制要求，使用TIA Portal V16軟件編寫系統的PLC控制程序。在OB35組織塊中，調用工藝對象CONT_C，并建立對應的背景數據塊。根據CONT_C功能塊各引腳參數的定義，填寫各個實參，CONT_C功能塊如圖4所示。

圖4 CONT_C功能塊

CONT_C功能塊的引腳定義如下：MAN_ON為啟用/禁用手動控制模式；P_SEL為啟用/禁用P參數的作用；I_SEL為啟用/禁用I參數的作用；D_SEL為啟用/禁用D參數的作用；CYCLE為PID功能塊的采樣時間；SP_INT為“內部設定值”，輸入用于指定設定值；PV_IN為在“過程值輸入”處，可以將參數分配給調試值，或者互連浮點格式的外部過程值；GAIN為比例增益；TI為積分時間；TD為微分作用時間；DEADB_W為死區寬度，輸入用于確定死區的大小；LMN_PER為I/O格式的調節值在“調節值I/O”輸入中與控制器互連。

2.4 系統調試及PID參數整定

PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。根據被控過程的特性，確定PID參數控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。

程序編制完畢后，啟動系統并打開調試仿真功能，開始進行系統調試及參數整定。PID參數的整定過程采用實驗的方法，PID參數的確定需要反復進行測試并調整，直至出現較為理想的曲線。在系統運行過程中，經過多次調整和修改控制器的PID參數，最終確定，當比例因子Kp=0.55、積分時間常數TI=200 s、微分時間常數TD=0 s時，系統的張力反饋值曲線較為理想，仿真結果如圖5所示。圖5中，X軸為時間軸，單位ms；Y軸為SP_INT(給定值)、PV(過程值)、LMN(輸出值)的百分比值。

圖5 PID仿真曲線

3 結束語

本系統設計有速度環和張力環兩個閉環，采用PID控制算法，通過計算、調整和優化PID參數，提高了張力控制系統的控制精度、響應速度和穩定性，從而保證了線材生產的穩定性和一致性，提高了線材產品的質量和品質，提升了線材生產的自動化程度。