張亞鋒

（常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，江蘇常州213002）

0 引言

在紙張放卷過程中，都不同程度地存在著斷紙問題，一旦出現(xiàn)斷紙，需要立即停止生產(chǎn)，重新接紙，既降低了生產(chǎn)效率，又加大了生產(chǎn)成本。斷紙的根本原因是因?yàn)榉啪硌b置是通過手工操作進(jìn)行調(diào)節(jié)，張力控制完全是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，通過配重塊進(jìn)行張力估計(jì)，當(dāng)原紙所受到的張力超過其本身抗拉強(qiáng)度的極限值而手工又沒有調(diào)節(jié)時(shí)，原紙就會(huì)發(fā)生斷裂，因此設(shè)備上通常需要配置恒張力控制系統(tǒng)。氣壓傳動(dòng)具有防火、節(jié)能、高效、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，因此氣壓傳動(dòng)是實(shí)現(xiàn)張力控制的理想方法之一，氣缸常被作為執(zhí)行元件來使用。在目前的一些放卷或收卷系統(tǒng)中多采用“減壓閥+節(jié)流閥”，氣缸的排氣口徑極小，易使紙張被拉斷，為了解決這個(gè)問題，有的系統(tǒng)還配上張力傳感器，但在實(shí)際使用過程中，收效甚微，主要體現(xiàn)在：①增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；②傳感器所測(cè)壓力信號(hào)只是局部，不能真實(shí)反映全幅紙張壓力，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；③調(diào)試不方便，對(duì)不同的材料，壓力設(shè)定值不同，給調(diào)試帶來一定的難度。另外傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制器算法不合理，對(duì)張力的調(diào)節(jié)只是通過對(duì)設(shè)定值進(jìn)行簡(jiǎn)單地比較獲取控制信號(hào)，而且控制信號(hào)為一定值，當(dāng)紙卷直徑變化時(shí)，無(wú)法滿足剎車制動(dòng)力相應(yīng)變化的要求。而且又多以PLC為主控制器，控制參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜，系統(tǒng)調(diào)試費(fèi)時(shí)。

因此，本研究以51單片機(jī)為核心，氣動(dòng)控制為主要手段，采用變速積分PID控制算法，設(shè)計(jì)一套智能放卷氣動(dòng)張力控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖1所示。由顯示器設(shè)定目標(biāo)位置值傳輸給單片機(jī)，該值即為FESTO DNC氣缸4的中位，此時(shí)張力為氣缸中的恒壓力。當(dāng)受到收卷裝置速度變化和放卷輥?zhàn)铀俣茸兓叩挠绊憰r(shí)，滾輪5 DNC氣缸4向左推離中位，此時(shí)位移傳感器的反饋信號(hào)大于設(shè)定的目標(biāo)值，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)比例流量閥MPYE出口氣壓使氣動(dòng)剎車制動(dòng)力降低，放卷輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速增加，從而滾輪5上紙張拉力降低，使DNC氣缸往右移向中位；同理如果張力變小，DNC氣缸4向右偏離中位，此時(shí)位移傳感器的反饋信號(hào)小于設(shè)定的目標(biāo)值，單片機(jī)會(huì)輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)比例流量閥MPYE出口氣壓使氣動(dòng)剎車制動(dòng)力增大，從而滾輪5上紙張拉力增加，使DNC氣缸向左方向移回中位。這樣，在紙張放卷過程中，DNC氣缸4根據(jù)外界的速度干擾在中位附近移動(dòng)，保證了張力的恒定。系統(tǒng)原理實(shí)質(zhì)是通過控制放卷的速度來間接控制紙張的張力。

圖1 放卷氣動(dòng)張力控制系統(tǒng)原理

1.2 張力恒定

系統(tǒng)的目標(biāo)張力通過DNC氣缸4和精密減壓閥2組合得到。系統(tǒng)工作前，應(yīng)首先調(diào)節(jié)精密減壓閥2使DNC氣缸4的后腔中的壓力達(dá)到相應(yīng)值，DNC氣缸4的前腔排空。一旦系統(tǒng)工作，由于外界的撓動(dòng)，導(dǎo)致紙張或布匹的張力變化，就會(huì)打破初始狀態(tài)時(shí)的力學(xué)平衡，導(dǎo)致DNC氣缸移動(dòng)。當(dāng)DNC氣缸4后退時(shí)，為了確保后腔氣壓維持在設(shè)定壓力，后腔氣體必須快速排出；同樣，DNC氣缸1前進(jìn)時(shí)，后腔中必須迅速充氣，以維持后腔中壓力恒定，即輸出張力恒定。因此，在選擇減壓閥2時(shí)，其通氣口徑要遠(yuǎn)大于普通減壓閥，以保證快速充排氣，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和響應(yīng)頻率，使執(zhí)行元件的壓力調(diào)節(jié)迅速，有效避免出現(xiàn)張力長(zhǎng)時(shí)間過大或過小的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

放卷裝置在線原紙張力智能測(cè)控裝置的硬件框圖如圖2所示。它能對(duì)原紙所受到的張力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，且安裝容易，使用方便。氣動(dòng)剎車［3］系統(tǒng)現(xiàn)多用于軋鋼、造紙、紡織等行業(yè)，是針對(duì)卷繞軸實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)張力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。由電控氣動(dòng)比例閥控制輸出氣壓的大小來控制調(diào)節(jié)制動(dòng)氣剎的松緊程度，從而調(diào)節(jié)放卷輥軸的制動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的自動(dòng)控制。為了讓氣動(dòng)剎車系統(tǒng)能夠快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)變送器傳輸至MCS-51的浮輥中位的偏移量信號(hào)，應(yīng)采用響應(yīng)頻率高的比例流量閥，比例流量閥在方向、速度、流量及壓力控制中得到了廣泛的應(yīng)用［4-5］。該設(shè)計(jì)采用了響應(yīng)頻率達(dá)100 Hz的MPYE比例流量閥，其快速動(dòng)態(tài)性能和單片機(jī)控制算法保證了不管外界干擾如何變化，DNC氣缸都能夠?qū)⒏≥伩刂圃谥形桓浇》秶鷥?nèi)活動(dòng)。這就要求氣動(dòng)方向比例流量閥能靈活控制氣剎的松緊度，防止控制過程中的過松或過緊的大波動(dòng)現(xiàn)象。由于比例閥在其零位附近存在流量不敏感區(qū)域，導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)滯后、動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程長(zhǎng)等問題，編程時(shí)常采用在輸出控制量上預(yù)加常值信號(hào)以避開不靈敏區(qū)，即對(duì)閥的輸入輸出特性進(jìn)行補(bǔ)償［6］。

圖2 硬件框圖

根據(jù)Festo公司提供的MPYE-5-1/8HF-420-B流量特性的樣本，在閥中位（電流為12 mA）附近，流量出現(xiàn)不敏感區(qū)域，即不靈敏帶，大約為11.8 mA～12.2 mA；在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，研究者對(duì)閥的輸入/輸出特性要進(jìn)行補(bǔ)償，即在程序中的比例閥輸入信號(hào)中加入相應(yīng)的常值電流（氣缸左移加負(fù)0.2 mA，氣缸右移加0.2 mA），這樣閥的實(shí)際電流不會(huì)落入11.8 mA～12.2 mA之間，避開閥的不靈敏區(qū)。

單片機(jī)系統(tǒng)組成框圖如圖3所示，本研究采用了通用鍵盤/顯示器接口芯片8279，用于參數(shù)的整定和參數(shù)的顯示。A/D轉(zhuǎn)換器是12位逐次比較型AD574，用于轉(zhuǎn)換位移傳感器模擬量信號(hào)4 mA～20 mA，D/A轉(zhuǎn)換器是12位的DAC1208芯片，用于將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量控制MPYE比例流量閥。

2 控制算法及程序設(shè)計(jì)

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)組成框圖

當(dāng)一卷原紙剛開始時(shí)（稱為上紙階段），由人工調(diào)節(jié)張力的大小，此時(shí)選擇開關(guān)位于手動(dòng)檔，并相應(yīng)打開減壓閥、比例閥和位移傳感器，在顯示器上設(shè)置減壓閥壓力值和比例閥輸出壓力值，控制系統(tǒng)只在其上檢測(cè)、顯示張力、比例閥流量及壓力和位移傳感器反饋電信號(hào)，系統(tǒng)并不放卷運(yùn)行，也不調(diào)節(jié)張力。比例閥輸出壓力值由放卷速度決定，減壓閥壓力值由所需張力決定。這些初始設(shè)置值在程序中以指定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元保存，這是系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)行的一個(gè)重要條件。上紙結(jié)束后，人工按“自動(dòng)/手動(dòng)”轉(zhuǎn)換鍵和控制選擇鍵，系統(tǒng)控制方框圖模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制框圖

由于系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)或其他外界沖擊性干撓因素出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)偏差往往較大，此時(shí)PID控制中的積分項(xiàng)應(yīng)減弱甚至是不起作用，當(dāng)偏差小時(shí)則加強(qiáng)積分作用。另外為了避免PID輸出的積分飽和作用，本研究采用變積分PID算法。盡管有很多的先進(jìn)PID算法，如模糊自適應(yīng)PID控制［7-9］得到了廣泛的應(yīng)用，但考慮到采用了普通的51單片機(jī)及系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行特點(diǎn)，采用變積分PID算法完全滿足要求，其算法表達(dá)式［10］為：

式中：參數(shù)kP，kI，kD—PID比例項(xiàng)系數(shù)、積分項(xiàng)系數(shù)和微分項(xiàng)系數(shù)。

系數(shù)f[e(k)]在區(qū)間［0，1］內(nèi)變化，其表達(dá)式為：

由于系統(tǒng)中部分未知的數(shù)學(xué)模型，本研究在參數(shù)整定時(shí)，將圖5中的控制選擇鍵選擇整定檔，脫離反饋系統(tǒng)，采用現(xiàn)場(chǎng)湊試法［11］確定PID比例項(xiàng)系數(shù)kP和積分項(xiàng)系數(shù)kI，微分項(xiàng)系數(shù)系統(tǒng)中設(shè)為0。

軟件流程圖如圖5所示。手動(dòng)設(shè)置比例閥輸出壓力值時(shí)，在顯示器上由人工按“加1”、“減1”標(biāo)識(shí)對(duì)減壓閥進(jìn)行微調(diào)，即微調(diào)張力。按上啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行，并自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)顯示浮輥在中位附近波動(dòng)大小，開始自動(dòng)調(diào)節(jié)張力的大小。當(dāng)一卷原紙運(yùn)行結(jié)束時(shí)，由人工按一下“自動(dòng)/手動(dòng)”轉(zhuǎn)換按鈕，又會(huì)回到“上紙”的階段。為了區(qū)別“上紙”和“運(yùn)行”兩個(gè)不同的階段，在“運(yùn)行”階段時(shí)顯示器上顯示一個(gè)特定的標(biāo)志。程序中A D、D A轉(zhuǎn)換分別指減壓閥、比例閥反饋信號(hào)、位移傳感器反饋信號(hào)采集和減壓閥、比例閥壓力電信號(hào)數(shù)/模轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖5 程序流程圖

在紙張放卷過程中，只有保持紙張的張力恒定才能保證放卷的順利進(jìn)行，而要張力恒定，就必須使得放卷裝置的放卷線速度和收卷裝置的收卷線速度等速匹配。但系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，放卷輥和收卷輥都會(huì)因紙張卷徑的變化而導(dǎo)致載荷的變化，使得收放卷的線速度產(chǎn)生差異，或其他外界不可知因素造成線速度差異。傳統(tǒng)的測(cè)速、測(cè)張力難以控制，以氣動(dòng)裝置、單片機(jī)、位移傳感器為硬件支撐，采用安裝于氣缸上面的浮動(dòng)輥位移的變化來間接檢測(cè)紙張中的張力變化，則變得簡(jiǎn)單易行。通過現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行及數(shù)據(jù)記錄，系統(tǒng)在反復(fù)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，浮輥絕對(duì)值偏差達(dá)到12 mm，但系統(tǒng)很快平穩(wěn)運(yùn)行，在平穩(wěn)運(yùn)行的過程中，浮輥絕對(duì)值偏差穩(wěn)定在4 mm之內(nèi)。

系統(tǒng)的成功運(yùn)行需要注意以下幾點(diǎn)：①減壓閥須采用通氣孔徑遠(yuǎn)大于普通減壓閥的精密減壓閥；②電控氣動(dòng)比例閥須采用比例流量閥，且線性度及靈敏度高；③氣缸往復(fù)回程靈敏，摩擦系數(shù)小；④紙張放卷過程中，在上紙階段和紙張放卷快結(jié)束時(shí)，張力波動(dòng)較大，導(dǎo)致浮輥位移偏差較大，綜合考慮積分飽和現(xiàn)象，應(yīng)采用變速積分PID控制算法。

系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，在對(duì)紙張放卷運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)定可靠，張力易調(diào)試設(shè)定，動(dòng)態(tài)性能好，張力穩(wěn)定，克服了紙張放卷過程中的斷裂、跑偏等現(xiàn)象，尤其是氣剎能適時(shí)跟蹤浮輥位置偏移量信號(hào)，靈敏度高，控制性能好，浮輥的位置偏移量只在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，其控制過程表現(xiàn)為很好的智能性，可以在多種型號(hào)的接紙機(jī)上使用，大大提高了生產(chǎn)效益。

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