張力控制試驗(yàn)平臺(tái)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究
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時(shí)間：2013-07-03
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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(chǔ)技術(shù)，在線切割、拉膜、拉絲、包裝、紡織、印刷、冶金等工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)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、非線性的系統(tǒng)，具有變參數(shù)、變負(fù)載、強(qiáng)擾動(dòng)等一系列特點(diǎn)［1］。傳統(tǒng)的基于線性模型的控制策略在應(yīng)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(duì)張力控制的特點(diǎn)，建立優(yōu)化的動(dòng)力學(xué)模型，及針對(duì)模型非線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(diào)試和考核，并對(duì)張力控制策略?xún)?yōu)化，研制了一個(gè)接近實(shí)際控制對(duì)象并具有類(lèi)似負(fù)載特性的試驗(yàn)平臺(tái)，及基于此試驗(yàn)平臺(tái)和張力控制器調(diào)試要求的張力試驗(yàn)參數(shù)采集監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。
如圖1所示。試驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械部分主要由開(kāi)卷機(jī)構(gòu)、測(cè)量輥機(jī)構(gòu)、卷繞機(jī)構(gòu)等部分組成。試驗(yàn)平臺(tái)中，對(duì)張力段的分割采用機(jī)械式S輥來(lái)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)平臺(tái)上2個(gè)S輥將生產(chǎn)線分為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(xiàn)不同生產(chǎn)工藝對(duì)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(cè)量輥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)張力測(cè)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(cè)量機(jī)構(gòu)——負(fù)載測(cè)量型（Load cell）和舞蹈輥測(cè)量型（Dancer arm）。為了對(duì)兩種測(cè)量輥機(jī) 構(gòu)的測(cè)量精度及響應(yīng)速度進(jìn)行分析研究，在試驗(yàn)平臺(tái)的不同張力段分別安裝了這兩種形式的測(cè)量機(jī)構(gòu)。
1.1負(fù)載測(cè)量型［3、4］
此種測(cè)量型式適應(yīng)比較重的材料和有限的空間。張力傳感器直接測(cè)量帶張力的大小，并反饋控制。測(cè)量過(guò)程中測(cè)量輥固定不動(dòng)。因此，對(duì)于此種類(lèi)型，測(cè)量輥的安裝精度是控制的關(guān)鍵 。其缺點(diǎn)是由于測(cè)量輥固定，不能吸收張力峰值波動(dòng)，因此，此類(lèi)生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行的加減速不可太快。
1.2舞蹈輥測(cè)量型
舞蹈輥測(cè)量型是一種間接張力測(cè)量系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是位置測(cè)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(diào)整壓力的汽缸，還有一個(gè)測(cè)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(cè)量張力系統(tǒng)在張力有發(fā)生變化趨勢(shì)時(shí)就去調(diào)整前后級(jí)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(cè)量系統(tǒng)在檢測(cè)到張力變化后再作調(diào)整 快捷的多。浮動(dòng)輥式系統(tǒng)還有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)，其本身就是一個(gè)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，利用其自身的 冗余作用，對(duì)大范圍的張力跳變具有吸收緩沖作用。此種類(lèi)型的測(cè)量機(jī)構(gòu)在小張力控制系統(tǒng) 應(yīng)用的較多。
2 控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案
2.1 控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求分析
張力控制需要采集被控對(duì)象的張力狀態(tài)、卷繞和開(kāi)卷伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速及位置信號(hào)，輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速值和張力設(shè)定值等。另外，為了便于在調(diào)試階段優(yōu)化控制策略，全面評(píng)價(jià)張力控制器 的性能，還應(yīng)采集過(guò)程數(shù)據(jù)，記錄伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、張力－時(shí)間曲線等一系列參數(shù)。
根據(jù)上述分析，試驗(yàn)系統(tǒng)采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)：上位機(jī)主要用于完成智能算法的運(yùn)算、傳真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、分析等功能；下位機(jī)主要完成張力控制等功能。上位機(jī)和下位機(jī)同步監(jiān)視和記錄試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)。它們之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)串行通訊得到。
2.2 控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成
2.2.1監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)主要有兩個(gè)用途，其一是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)。工控機(jī)安裝有專(zhuān)門(mén)為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理應(yīng)用程序，可為試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立各種動(dòng)態(tài)曲線，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)的分析、評(píng)定等工作。
另一個(gè)用途就是利用其高速運(yùn)算、處理能力，實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)）把仿真調(diào)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(jié)構(gòu)，試驗(yàn)過(guò)程中可隨時(shí)察看CPU內(nèi)部及外設(shè)的工作情況，為程序的調(diào)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主控制芯片選用型號(hào)為T(mén)MS320LF2407A的DSP芯片，由它完成對(duì)各種實(shí)時(shí)輸入信號(hào)的處理，及由上位機(jī)處理后的智能控制算法實(shí)現(xiàn)。
評(píng)論