張力控制試驗平臺及監測系統的研究

作者：時(shí)間：2013-07-03 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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張力控制技術(shù)，是工業(yè)生產(chǎn)中具有共性的基礎技術(shù)，在線(xiàn)切割、拉膜、拉絲、包裝、紡織、印刷、冶金等工業(yè)生產(chǎn)中有著(zhù)廣泛應用。

工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的張力控制是一個(gè)大時(shí)變、非線(xiàn)性的系統，具有變參數、變負載、強擾動(dòng)等一系列特點(diǎn)［1］。傳統的基于線(xiàn)性模型的控制策略在應用于實(shí)際生產(chǎn)中會(huì )產(chǎn) 生很大的控制誤差。如何針對張力控制的特點(diǎn)，建立優(yōu)化的動(dòng)力學(xué)模型，及針對模型非線(xiàn)性提出有效的控制策略是解決張力控制問(wèn)題的關(guān)鍵。

為了配合高速、高精度張力控制器的研制、調試和考核，并對張力控制策略?xún)?yōu)化，研制了一個(gè)接近實(shí)際控制對象并具有類(lèi)似負載特性的試驗平臺，及基于此試驗平臺和張力控制器調試要求的張力試驗參數采集監測分析系統。

1 試驗平臺機械方案

如圖1所示。試驗平臺的機械部分主要由開(kāi)卷機構、測量輥機構、卷繞機構等部分組成。試驗平臺中，對張力段的分割采用機械式S輥來(lái)實(shí)現。試驗平臺上2個(gè)S輥將生產(chǎn)線(xiàn)分為3個(gè)張力段。

1）開(kāi)卷張力段：用于將帶材展平；
2）中間張力段；用于實(shí)現不同生產(chǎn)工藝對張力控制要求；
3）卷繞張力段：按一定的張力要求將帶材成卷。

張力測量輥機構的設計對張力測量的精度有很大的影響，實(shí)際生產(chǎn)中常用的有兩種形式的測量機構——負載測量型（Load cell）和舞蹈輥測量型（Dancer arm）。為了對兩種測量輥機構的測量精度及響應速度進(jìn)行分析研究，在試驗平臺的不同張力段分別安裝了這兩種形式的測量機構。

1.1負載測量型［3、4］

此種測量型式適應比較重的材料和有限的空間。張力傳感器直接測量帶張力的大小，并反饋控制。測量過(guò)程中測量輥固定不動(dòng)。因此，對于此種類(lèi)型，測量輥的安裝精度是控制的關(guān)鍵。其缺點(diǎn)是由于測量輥固定，不能吸收張力峰值波動(dòng)，因此，此類(lèi)生產(chǎn)線(xiàn)設備運行的加減速不可太快。

1.2舞蹈輥測量型

舞蹈輥測量型是一種間接張力測量系統，其實(shí)質(zhì)是位置測量。它由3個(gè)輥組成，兩邊為固定輥，中間為擺動(dòng)式浮動(dòng)輥。在擺臂上有一個(gè)可調整壓力的汽缸，還有一個(gè)測量擺臂的位移傳感器。浮動(dòng)輥上帶材的張力大小是由汽缸的壓力和浮動(dòng)輥的自重所決定的。

舞蹈輥測量張力系統在張力有發(fā)生變化趨勢時(shí)就去調整前后級的速度差。通過(guò)浮動(dòng)輥的位置移動(dòng)，來(lái)迅速保持張力的恒定。這比力傳感器式張力測量系統在檢測到張力變化后再作調整快捷的多。浮動(dòng)輥式系統還有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)，其本身就是一個(gè)儲能機構，利用其自身的冗余作用，對大范圍的張力跳變具有吸收緩沖作用。此種類(lèi)型的測量機構在小張力控制系統應用的較多。

2 控制與監測系統方案

2.1 控制與監測系統需求分析

張力控制需要采集被控對象的張力狀態(tài)、卷繞和開(kāi)卷伺服電機的轉速及位置信號，輸出電機的轉速值和張力設定值等。另外，為了便于在調試階段優(yōu)化控制策略，全面評價(jià)張力控制器的性能，還應采集過(guò)程數據，記錄伺服電機的輸出轉矩、張力－時(shí)間曲線(xiàn)等一系列參數。

根據上述分析，試驗系統采用上、下位機結構：上位機主要用于完成智能算法的運算、傳真和實(shí)驗數據的監測、分析等功能；下位機主要完成張力控制等功能。上位機和下位機同步監視和記錄試驗過(guò)程數據。它們之間的數據交換通過(guò)串行通訊得到。

2.2 控制與監測系統硬件組成

2.2.1監測計算機

實(shí)驗系統中計算機主要有兩個(gè)用途，其一是實(shí)時(shí)監測實(shí)驗過(guò)程數據。工控機安裝有專(zhuān)門(mén)為系統開(kāi)發(fā)的數據采集、分析、處理應用程序，可為試驗數據建立各種動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，完成對實(shí)驗數據的分析、評定等工作。

另一個(gè)用途就是利用其高速運算、處理能力，實(shí)現及優(yōu)化先進(jìn)控制算法。研究人員在IPC上完成算法的演算及優(yōu)化后，通過(guò)JTAG接口（基于IEEE1149.1標準）把仿真調試和算法程序下載到張力控制器DSP芯片的FLASH中。

采用上述結構，試驗過(guò)程中可隨時(shí)察看CPU內部及外設的工作情況，為程序的調試和控制策略的優(yōu)化帶來(lái)極大方便。

2.2.2張力控制器

自主研制的張力控制器的系統結構如圖2所示，主控制芯片選用型號為T(mén)MS320LF2407A的DSP芯片，由它完成對各種實(shí)時(shí)輸入信號的處理，及由上位機處理后的智能控制算法實(shí)現。

控制器工作時(shí)，實(shí)時(shí)采集被控對象的張力信號，經(jīng)模擬處理電路（主要由電壓放大、濾波和V/F轉換電路構成）后，傳輸給DSP芯片。DSP芯片的捕捉計數模塊的CAP4通道對該脈沖信號計數，在定時(shí)中斷處理程序中把計數值與設定值比較，系統根據差值由控制算法進(jìn)行處理，算出相應數目和頻率的脈沖以改變電機的轉速。

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