間接張力控制系統(tǒng)的優(yōu)化

陳杰金++霍覽宇

摘 要：間接張力的控制方法又被稱之為補(bǔ)償控制法，它其實(shí)是通過影響張力穩(wěn)定因素的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而來補(bǔ)償動(dòng)態(tài)張力可能出現(xiàn)的變化，以間接的保持張力的平衡與穩(wěn)定，即只用給出張力的固定值，不需要采用任何設(shè)備來檢測張力的實(shí)際數(shù)值也無需對(duì)張力采用閉環(huán)的控制法，只用對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流和電壓來進(jìn)行控制，并且還能間接的控制住張力的平衡，確保電動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)力矩不發(fā)生改變，從而保證卷取產(chǎn)品的張力固定值。

關(guān)鍵詞：間接張力；控制系統(tǒng)；優(yōu)化

項(xiàng)目基金：湖南省2013年度教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目，課題編號(hào)：13C254。

人們生活中使用的電線電纜在生產(chǎn)過程中需要做絕緣加塑，其中對(duì)張力的控制是一個(gè)非常重要的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，能夠良好的控制張力可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)過程中的效率。在20世紀(jì)70年代末時(shí)期，就有學(xué)者大膽提出間接張力控制的算法，能夠簡優(yōu)化間接張力控制。該控制方法的計(jì)算方法比較簡單，只需要少數(shù)的參數(shù)，計(jì)算的系統(tǒng)能夠與相似的參數(shù)模型匹配，所以，讓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和所控制的對(duì)象沒有關(guān)聯(lián)，多用于多變量系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)以及單變量系統(tǒng)中，在生產(chǎn)和加工中被廣泛的運(yùn)用和推廣[1-2]。

一、間接張力控制系統(tǒng)的理論和原理

間接張力控制方法又稱為補(bǔ)償?shù)目刂品椒āＫ峭ㄟ^影響張力穩(wěn)定因素的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)它的調(diào)節(jié)補(bǔ)償，進(jìn)而補(bǔ)償張力可能出現(xiàn)的變化，從而間接的保證整理的穩(wěn)定。但是這種控制方法是屬于張力的開環(huán)控制，所以，控制的精度不夠高，那么對(duì)動(dòng)態(tài)的干擾以及調(diào)節(jié)能力也都比較差。當(dāng)系統(tǒng)在起動(dòng)的時(shí)候，也就是在張力構(gòu)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(bǔ)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(dāng)電動(dòng)機(jī)保持基本速度階段時(shí)，維持磁通和滿磁方法在高速度階段時(shí)保持電壓的滿壓法，讓電動(dòng)機(jī)的力矩能力能夠得到有效地發(fā)揮。這種控制系統(tǒng)其實(shí)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(lì)磁的回路來根據(jù)電機(jī)的工作情況來改變的。這種控制的方法有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的弱磁倍數(shù)和卷徑是沒有任何關(guān)系的，所以，在選用電動(dòng)機(jī)的時(shí)候可以選擇弱磁倍數(shù)較小的電動(dòng)機(jī)，這樣對(duì)電動(dòng)機(jī)的制造更有利；②在基本速度以下時(shí)電動(dòng)機(jī)在滿磁的環(huán)境下運(yùn)行，所以不光是起動(dòng)，制動(dòng)的時(shí)候過度的過程會(huì)隨之加快，可以充分的輸出最大的扭轉(zhuǎn)力矩，同時(shí)還大大增加了過載的能力；③在電動(dòng)機(jī)有效利用的同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)能在基本的速度下輸出最大的扭轉(zhuǎn)力矩，在基本的速度以上時(shí)能夠有效的輸出最大功效；④當(dāng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，卷取機(jī)出現(xiàn)的無功沖擊負(fù)荷力相對(duì)較小。

（二）電流電勢(shì)復(fù)合控制法。電流電勢(shì)復(fù)合控制法通常都是由磁場控制和電流控制兩大部分構(gòu)成。該方法的優(yōu)點(diǎn)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(shì)復(fù)合控制法在應(yīng)用過程中也存在一定的缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)主要包括：①卷曲過程中，Φ/DB必須保持為常數(shù)，也就是電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁通必須隨著卷徑的改變而改變，只有當(dāng)卷徑在最大時(shí)的時(shí)候，卷筒電動(dòng)機(jī)才在正常磁下工作，其它時(shí)候都在若磁下工作。尤其是剛開始卷曲時(shí)，卷徑數(shù)值最小，電動(dòng)機(jī)在最弱磁狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)卷曲結(jié)束后，卷筒直徑DB數(shù)值最大，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)是滿磁狀態(tài)，所以電動(dòng)機(jī)力矩?zé)o法充分利用；②在整個(gè)卷曲過程中，由于Φ/DB必須保持為常數(shù)，所以在對(duì)卷筒傳電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇時(shí)，電動(dòng)機(jī)的弱磁倍數(shù)必須最少要和卷徑變化的倍數(shù)一致，且其倍數(shù)超過卷徑變化的倍數(shù)更好。針對(duì)卷徑變化倍數(shù)大及其相對(duì)應(yīng)的弱磁倍數(shù)也大的環(huán)境，使用間接張力控制的方式，會(huì)增大傳動(dòng)電機(jī)的體積，那么系統(tǒng)的慣量也會(huì)隨之增大，同時(shí)其價(jià)格也會(huì)有所上漲。并且，我國國內(nèi)市場上電動(dòng)機(jī)的最大弱磁倍數(shù)大約是4倍，這使得卷徑變化的倍數(shù)遭到了限制。

三、間接張力控制系統(tǒng)的補(bǔ)償優(yōu)化方法

卷曲機(jī)在加速和減速的過程中，會(huì)受到一定的機(jī)械慣性影響，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力矩MJ，且MJ的數(shù)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(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，以進(jìn)一步優(yōu)化間接張力控制系統(tǒng)。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的原理得出表達(dá)式：

（1）

由此得出電機(jī)軸上的飛輪慣量表達(dá)式：

（2）

式中GD2A代表線卷飛輪慣量；GD2m代表機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和卷筒的飛輪慣量；GD2D代表轉(zhuǎn)子的飛輪慣量。其中，GD2A的數(shù)值根據(jù)線卷的直徑變化而變化，而GD2m和GD2D可以當(dāng)做固定量。則： （3）

式中：i代表卷取到電機(jī)軸機(jī)械的傳動(dòng)比；B代表線材的寬度；D代表瞬時(shí)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(dá)式：

將該式帶入（5）式中得出表達(dá)式：

（4）

式中， 是常數(shù)。

則，加速和減速過程中，張力損失Fg的表達(dá)式為：

（5）

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

式中，C1=2iA1A2，C2=2iA1B1都是常數(shù)。

該函數(shù)表達(dá)式的關(guān)系說明，在檢測出線速度變化率 和瞬時(shí)卷徑D的情況下，可以對(duì)張力直接進(jìn)行補(bǔ)償。

結(jié)束語：張力控制系統(tǒng)在電纜電線的制造和生產(chǎn)過程中是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，在整個(gè)加速過程中，只有在牽引、收線以及控制防線的生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要平衡的張力作用，這樣才能保證生產(chǎn)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?qū)埩Ξa(chǎn)生干擾的因素降低。所以，對(duì)于張力的控制研究意義重大，且其被運(yùn)用的前景非常廣泛。在控制的理論發(fā)展上和實(shí)際的操作運(yùn)用當(dāng)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(jì)算犯非法的不斷創(chuàng)新與提出，并在理論以及實(shí)際的仿真操作試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證；②在當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)過程中還是在運(yùn)用

PID這種比較傳統(tǒng)的控制方式。隨著當(dāng)今的生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和日益更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝也逐漸復(fù)雜化，PID這種比較傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的生產(chǎn)需求，它的各種性能以及指標(biāo)被當(dāng)今的生產(chǎn)工藝所淘汰，目前比較先進(jìn)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(shí)現(xiàn)把理論和生產(chǎn)過程相結(jié)合的目的。對(duì)張力的控制必須要從整體的系統(tǒng)出發(fā)，朝著更高標(biāo)準(zhǔn)、高工藝、高水平、高智能的方向去發(fā)展，此次的研究分析有著重要且深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)：

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