基于內(nèi)?？刂频木砑垯C(jī)恒張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬文明 陳鑫

摘要：紙機(jī)張力具有模型不固定，速度和張力耦合強(qiáng)，受干擾因素多等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的PID控制不能滿足生產(chǎn)要求，針對(duì)卷紙機(jī)的收卷提出了一種張力內(nèi)?？刂疲↖MC）法。根據(jù)IMC算法對(duì)卷紙機(jī)的收卷段張力設(shè)計(jì)了控制器，并用MATLAB進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，采取IMC法對(duì)張力進(jìn)行控制要比傳統(tǒng)PID控制性能更優(yōu)越，可實(shí)現(xiàn)卷紙機(jī)張力穩(wěn)定，同時(shí)能夠克服外界干擾的影響。

關(guān)鍵詞：卷紙機(jī)；張力控制；內(nèi)?？刂?/p>

中圖分類號(hào)：TS734+.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

在造紙生產(chǎn)過程中，張力是重要的參數(shù)[1]，它對(duì)成紙質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本都有重要的影響，因此在造紙生產(chǎn)過程中要對(duì)張力進(jìn)行控制。卷紙過程中，紙幅張力和速度之間存在強(qiáng)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(gè)純滯后、強(qiáng)耦合、非線性、慣性大、干擾多的時(shí)變控制。由于卷紙機(jī)張力控制具有上述特點(diǎn)，對(duì)卷紙機(jī)張力的控制難度比較大，常規(guī)PID達(dá)不到要求，需要尋找更好的控制方法去實(shí)現(xiàn)。內(nèi)?？刂疲↖MC）具有良好的跟蹤性能和抗干擾能力，并對(duì)模型失配有一定魯棒性，本課題對(duì)卷紙機(jī)的張力控制采用IMC進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1張力模型的建立

1.1張力的產(chǎn)生

在卷紙機(jī)的收卷過程中，為了滿足造紙生產(chǎn)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(duì)卷紙機(jī)的收卷輥傳遞動(dòng)力力矩，同時(shí)也可以通過改變磁粉離合器的勵(lì)磁電流大小來控制收卷輥的力矩大小[2]。為了使造紙生產(chǎn)過程中紙幅間的張力恒定，就要使卷紙機(jī)線速度和紙機(jī)出紙線速度保持同步，如果速度不同步，則紙幅的張力就會(huì)發(fā)生變化，紙幅張力變化與線速度差的關(guān)系模型如圖1所示[3]。

（1）檢測(cè)裝置：直接張力控制需要對(duì)張力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)以獲得反饋信息，構(gòu)成閉環(huán)控制。除了對(duì)張力進(jìn)行檢測(cè)外，還需要對(duì)速度進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的速度作為控制系統(tǒng)的輔助信號(hào)。本課題張力控制系統(tǒng)采用軸承式張力傳感器，這種傳感器由優(yōu)質(zhì)彈簧和高精度差動(dòng)變壓器組成，檢測(cè)輥和導(dǎo)向輥安裝時(shí)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(jī)的張力具有動(dòng)力學(xué)模型大、耦合強(qiáng)、非線性、干擾多等特點(diǎn)，并且在整個(gè)控制中還包括很多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，PLC具有集成化程度高、模塊化強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、通用性好、兼容性和擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以在這里采取PLC作為卷紙機(jī)張力控制系統(tǒng)的控制器。

（3）執(zhí)行裝置：卷紙機(jī)在收卷過程中的執(zhí)行裝置一般采用磁粉離合器或者電機(jī)，由于前者具有控制精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在這里采用磁粉離合器作為執(zhí)行裝置。

2張力控制系統(tǒng)方案及模型建立

2.1張力控制系統(tǒng)方案

在卷紙機(jī)運(yùn)行過程中，隨著收卷半徑不斷增大使得卷紙輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角速度等一直在變化，卷紙機(jī)收卷張力控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

由圖4可知，卷紙機(jī)收卷張力的控制是以張力控制器為核心，張力檢測(cè)器把檢測(cè)到的紙幅張力信號(hào)送

給張力變送器，經(jīng)過張力控制器進(jìn)行運(yùn)算，將得到控制信號(hào)傳遞給磁粉離合器，磁粉離合器與卷紙機(jī)的卷紙輥相連，將轉(zhuǎn)矩傳遞給卷紙輥，從而使卷紙機(jī)的張力控制為閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到紙幅張力恒定控制。在紙機(jī)的生產(chǎn)中紙卷半徑不斷增大，所以在控制系統(tǒng)中增加了卷紙輥半徑實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置。為了提高卷紙機(jī)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(nèi)設(shè)置內(nèi)?？刂破?。整個(gè)張力閉環(huán)控制流程為：經(jīng)過變送器放大的張力反饋值與張力設(shè)定值進(jìn)行比較后將其差值送入控制器，經(jīng)過IMC運(yùn)算處理后輸出控制信號(hào)，再經(jīng)過功率放大環(huán)節(jié)后，通過控制磁粉離合器輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到控制紙幅張力的目的。利用速度檢測(cè)對(duì)紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。

2.2張力控制系統(tǒng)模型建立

卷紙機(jī)收卷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。設(shè)紙幅間張力為T，卷紙輥的半徑為R，上一單元M1運(yùn)行紙幅線速度為V1，卷紙輥M2的線速度為V2。在紙機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定后，假定紙幅的線速度V1是定值，只有當(dāng)V2>V1時(shí)，紙幅間才能產(chǎn)生一定的張力，當(dāng)紙幅的張力達(dá)到要求后，及時(shí)調(diào)節(jié)卷紙輥的動(dòng)力機(jī)構(gòu)使線速度V2穩(wěn)定，這樣，紙幅收卷就可以在該張力下穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)圖10仿真結(jié)果進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)PID和IMC都沒有超調(diào)量，但常規(guī)PID達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間比IMC長(zhǎng)，而IMC系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，調(diào)節(jié)時(shí)間比較短，其控制性能明顯優(yōu)于PID，并且能達(dá)到卷紙機(jī)收卷張力的要求。

4.2.2有干擾時(shí)的仿真與分析

在生產(chǎn)中外界干擾影響控制效果，仿真時(shí)借助噪聲作為干擾信號(hào)，看系統(tǒng)抗干擾的能力是否能達(dá)到工藝要求范圍之內(nèi)。在20～25 s間加入噪聲，噪聲強(qiáng)度±20 N左右，在PID和IMC的作用下，其仿真結(jié)果如圖11所示：

由圖11可以看出，當(dāng)生產(chǎn)過程中存在±20 N的外界干擾時(shí)，PID調(diào)節(jié)速度慢且效果不好，并且張力變化范圍較大，且重新達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間也比較長(zhǎng)，比較而言，當(dāng)IMC受外界干擾吋，張力變化范圍小，而當(dāng)干擾消除時(shí)，能使張力迅速達(dá)到穩(wěn)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(jī)張力控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與應(yīng)用

本控制系統(tǒng)選用S7300PLC作為控制系統(tǒng)核心，用來接收采集的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制算法的運(yùn)行得到控制信號(hào)的輸出，上位機(jī)完成張力給定值的設(shè)定，報(bào)警和對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和修改，PLC輸出的控制信號(hào)可以通過變頻器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，然后電機(jī)編碼器的反饋構(gòu)成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制，由張力傳感器采集到的是實(shí)時(shí)張力值，經(jīng)PLC內(nèi)部運(yùn)算后控制磁粉離合器力矩的輸出，控制收卷輥的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的控制。卷紙機(jī)張力控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖12所示[7]。

該張力控制系統(tǒng)以可編程控制器PLC為控制核心，張力設(shè)定值與經(jīng)過變送器放大的張力反饋值比較后，其差值通過A/D轉(zhuǎn)換后送到PLC，控制器經(jīng)過IMC算法運(yùn)行處理后輸出控制信號(hào)，再通過D/A轉(zhuǎn)換后，調(diào)節(jié)磁粉離合器，從而改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，來調(diào)節(jié)紙幅間的張力穩(wěn)定。該控制系統(tǒng)已應(yīng)用于浙江某造紙企業(yè)中小型紙機(jī)的改造，取得良好的控制效果。改造前后設(shè)備運(yùn)行性能對(duì)比如表1所示。

參考文獻(xiàn)

[1]HUANG Junyong. Research and Application of Fuzzy Control Algorithm for Multimachine Tension[D]. Changsha： Central South University， 2006.

黃俊勇. 復(fù)合機(jī)張力的模糊控制算法研究與應(yīng)用[D]. 長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)， 2006.

[2]LIU Jianjian， CHEN Zhuping. Magnetic powder clutch and its application[J]. Electromechanical technology， 2010（4）： 63.

劉建建， 陳祝平. 磁粉離合器及其應(yīng)用[J]. 機(jī)電技術(shù)， 2010（4）： 63.

[3]XIAO Zhongjun， MENG Yanjing， LIU Yu. Research on Tension Control in Paper Machine Drive Control System[J]. Microcomputer information， 2005， 21（4）： 111.

肖中俊， 孟彥京， 劉玉. 張力控制在紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息， 2005， 21（4）： 111.

[4]ZHANG Chi， YANG Lin. Paper Machine Tension Control System Based on PLC and Frequency Converter[J]. China Pulp & Paper， 2010， 29（9）： 53.

張池， 楊琳. 基于PLC與變頻器的造紙機(jī)張力控制系統(tǒng)[J]. 中國(guó)造紙， 2010， 29（9）： 53.

[5]PENG Libiao， ZHAO Hui. Tuning PID parameters based on internal model control principle[J]. Journal of Tianjin University of Technology， 2009， 25（5）： 83.

彭利標(biāo)， 趙輝. 基于內(nèi)?？刂圃碚≒ID參數(shù)[J]. 天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 25（5）： 83.

[6]WEN Xinning， ZHANG Jinggang， WANG Jianguo. Multimodel internal model control[J]. Journal of Taiyuan University of Science and Technology， 2001， 28（4）： 270.

文新寧， 張井崗， 王建國(guó). 多模型內(nèi)?？刂芠J]. 太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007， 28（4）： 270.

[7]HUI Hongzhong， CHEN Lian， XIAO Mingyun. Paper Machine Direct Tension Control Based on S7400[J]. Electric drive， 2009， 39（11）： 68.

惠鴻忠， 陳蓮， 肖明運(yùn). 基于S7400的造紙機(jī)直接張力控制[J]. 電氣傳動(dòng)， 2009， 39（11）： 68.CPP

（責(zé)任編輯：馬忻）