無張力傳感器的卷繞過程V-F協(xié)調控制

陳德傳，屠鴻斌

(杭州電子科技大學智能控制與機器人研究所，浙江杭州310018)

0 引言

塑料薄膜等卷繞物的生產設備由若干個加工生產環(huán)節(jié)組成，在生產中，首先要求張力與線速度要穩(wěn)定，目前常用的牽引－收卷控制方案之一是:牽引軸的控制采用變頻調速系統(tǒng)［1，2］，并以此決定該工序的生產速度，收卷軸采用以磁粉離合器為執(zhí)行機構［3］的張力控制系統(tǒng)，而磁粉離合器的輸入軸與牽引軸同步聯結，以簡化系統(tǒng)的組成結構，張力的在線檢測一般由一根浮動式導輥與分別安裝在其兩端的兩只張力傳感器等組成，造價高［4］。該方案存在的主要問題是:磁粉離合器力矩響應慢，不適于高速生產的場合，且在收卷過程中隨著卷徑的增大，磁粉離合器的滑差功耗也增大，即耗能增大、也加劇了磁粉離合器的發(fā)熱［5，6］。此外，在多數的卷繞物收卷過程中，主要要求多電機間的速度要同步協(xié)調、張力穩(wěn)定，而對張力的絕對誤差要求不是非常高［7］。為此，本文針對上述問題所研究的適于卷繞物高速收卷且可便捷地獲取張力估計值的無需張力傳感器的V-F協(xié)調控制系統(tǒng)具有重要的意義。

1 系統(tǒng)的建模與控制算法

1.1 系統(tǒng)的建模分析

本文提出的無需張力傳感器的新型V-F協(xié)調控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。V-F協(xié)調控制器則根據張力、速度的設定值，以及PG1、PG2發(fā)出的脈沖信號估計收卷卷徑與張力值，進而實現無張力傳感器及可適應卷徑大范圍變化的卷繞過程V-F協(xié)調控制。

式中，R0為收卷軸半徑(m)，r為牽引軸半徑(m)，J20為收卷電機慣量與收卷軸慣量之和，L1與1分別為從牽引點到收卷點間的卷繞物有效長度(m)與運行時間(s)。

圖2 卷繞過程V-F協(xié)調控制系統(tǒng)的數學模型框圖

1.2 收卷半徑估計算法與張力錐度控制算法

設圖1中的PG1、PG2輸出的脈沖頻率及其當量分別為f1(Hz)、f2(Hz)、α1(m/P)、α2(r/P);收卷張力的錐度系數為λ，其取值范圍是0.1～0.9，F、F、Rmax分別為初始張力設定值(N)、當前卷徑下的張力設定值(N)、最大收卷半徑(m)。則當前的卷繞半徑R與收卷張力設定值F的錐度為:

1.3 收卷張力軟檢測算法

收卷張力由式1的定積分關系決定，因為在高速生產中，1=L1/V1很小，且在1時間內，可認為V1、V2基本不變，故式1也可近似為相對速差關系，由此作為張力的軟檢測算法。

1.4 最高速度約束下的收卷自整定控制算法

圖2中收卷子系統(tǒng)控制器的算法結構框圖如圖3所示，WAFR(p)、WASR(p)為收卷電機分別在力矩方式與調速方式下的控制器傳遞函數。在運行中，要使收卷電機的V2＜K0V，以防止收卷電機的“飛車”:在正常運行時，開關S1→a，該控制器工作在張力軟檢測的張力閉環(huán)的力矩控制方式;而當異常時，收卷子系統(tǒng)的線速度可能超出由牽引速度決定的允許最高值，即V2＞K0V時，開關S1→b，則該控制器工作在由牽引速度決定的最高收卷速度的速度控制方式，以上的切換控制均由圖3中的判斷選擇環(huán)節(jié)完成。

圖3 收卷子系統(tǒng)控制器的算法結構框圖

圖3中主要算法如式6－10所示。式中，Kr為收卷張力錐度環(huán)節(jié)，R為平均收卷半徑(m)，調節(jié)器的參數整定采用基于卷繞半徑R的自整定PI調節(jié)律［8，9］，γ為控制器比例參數的自整定系數(γ=/R)，kt0、kn0分別為兩個調節(jié)器按收卷半徑為時設置的比例系數，t、n分別為積分時間常數(s)，t0、n0分別為濾波時間常數(s)。

1.5 牽引速度的控制

圖1中的牽引調速系統(tǒng)宜采用帶PG閉環(huán)的矢量變頻調速系統(tǒng)以穩(wěn)定整機運行線速度，在此基礎上，V-F協(xié)調控制器只要根據設置的運行線速度V1*要求發(fā)出調速指令U*c1，但其升、降速過程必須遵循“S形”運動軌跡，以降低升、降速過程可能對張力產生的擾動。

2 系統(tǒng)的仿真分析

2.1 仿真條件

利用Matlab進行仿真，其涉及的參數為:(1)牽引電機的額定轉速為940r/min、額定轉矩為22.35Nm;收卷電機的額定轉速為960r/min、額定轉矩為54.71Nm;不用減速器(2)塑料薄膜材料參數厚度為0.06mm、密度為0.9g/cm3、門幅為1.3m、彈性模量為30×106;(3)相關的系統(tǒng)對象參數為Ks=10.94 Nm/V、Ts=0.05s、R0=0.05m;J20=0.357 Nm2;(4)張力調節(jié)器參數為kt0=0.133，t=0.06s，t0=0.01s;(5)因牽引調速系統(tǒng)工作于穩(wěn)速狀態(tài)，V1的升降速遵循S形規(guī)律，在仿真中設其穩(wěn)態(tài)值為400m/min，升速與降速時間均為5s;(6)收卷張力初始值設為200N、錐度為0.5。

2.2 仿真結果

在R=0.05m，R=0.15m，R=0.5m的3個收卷半徑點下的仿真結果如下(限于篇幅，略去響應曲線圖):(1)張力控制效果:收卷張力階躍響應的動態(tài)最大超調量分別為3.31%、3.53%、3.32%，過渡過程時間分別為0.391s、0.394s、0.388s;(2)速度協(xié)調效果:牽引單元線速度與收卷單元線速度間的動態(tài)最大相對速差分別為:4.55%、4.28%、4.44%。仿真結果表明，本文提出的控制方法及其初始參數整定方法能有效克服卷徑大范圍變化對系統(tǒng)性能的影響。

3 V-F協(xié)調控制器的實現方案

實現上述功能的無張力傳感器的卷繞物收卷過程V-F協(xié)調控制器主要由主控電路板與人機交互操作界面電路板等組成，其中:(1)主控電路板以嵌入式CPU(MCF52235)為核心，實現所有的測控算法，其輸入接口電路的作用是將外控的速度、張力及張力錐度指令轉化為與該CPU的A/D口相適應的信號，而輸出接口電路的作用是將兩個PWM輸出信號分別轉換成圖1中牽引電機矢量變頻器VC1和收卷電機矢量變頻器VC2要求的模擬量輸入電壓指令信號，模擬量I/O接口電路均以高性能的rail to rail型運放(TLC2264、TLC2262等)為主;開關量I/O接口信號主要有:系統(tǒng)“工作//停止”的使能輸入開關信號(W//S=1:工作，W//S=0:停止)、及故障報警輸出環(huán)節(jié);(2)人機交互操作界面電路板主要由一個192×64點陣式LCD顯示屏、若干個功能鍵、及若干各用于指示系統(tǒng)運行方式及其狀態(tài)的發(fā)光二級管等組成。

4 結束語

本文提出的無張力傳感器的收卷過程的V-F協(xié)調控制方法與技術實現方案，具有系統(tǒng)結構簡單、收卷張力穩(wěn)定、V-F協(xié)調控制性能好且基本不受收卷卷徑大范圍變化的影響等特點，已在塑料薄膜軟包裝材料加工生產中獲得成功應用，具有良好的推廣應用前景。

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