張力控制試驗平臺及監(jiān)測系統(tǒng)的研究
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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)實際生產(chǎn)過程中的張力控制是一個大時變、非線性的系統(tǒng)，具有變參數(shù)、變負(fù)載、強擾動等一系列特點［1］。傳統(tǒng)的基于線性模型的控制策略在應(yīng)用于實際生產(chǎn)中會產(chǎn) 生很大的控制誤差。如何針對張力控制的特點，建立優(yōu)化的動力學(xué)模型，及針對模型非線性提出有效的控制策略是解決張力控制問題的關(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，并對張力控制策略優(yōu)化，研制了一個接近實際控制對象并具有類似負(fù)載特性的試驗平臺，及基于此試驗平臺和張力控制器調(diào)試要求的張力試驗參數(shù)采集監(jiān)測分析系統(tǒng)。
如圖1所示。試驗平臺的機械部分主要由開卷機構(gòu)、測量輥機構(gòu)、卷繞機構(gòu)等部分組成。試驗平臺中，對張力段的分割采用機械式S輥來實現(xiàn)。試驗平臺上2個S輥將生產(chǎn)線分為3個張力段。
1）開卷張力段：用于將帶材展平；
2）中間張力段；用于實現(xiàn)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(gòu)的設(shè)計對張力測量的精度有很大的影響，實際生產(chǎn)中常用的有兩種形式的測量機構(gòu)——負(fù)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(gòu)的測量精度及響應(yīng)速度進行分析研究，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(gòu)。
1.1負(fù)載測量型［3、4］
此種測量型式適應(yīng)比較重的材料和有限的空間。張力傳感器直接測量帶張力的大小，并反饋控制。測量過程中測量輥固定不動。因此，對于此種類型，測量輥的安裝精度是控制的關(guān)鍵 。其缺點是由于測量輥固定，不能吸收張力峰值波動，因此，此類生產(chǎn)線設(shè)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(tǒng)，其實質(zhì)是位置測量。它由3個輥組成，兩邊為固定輥，中間為擺動式浮動輥。在擺臂上有一個可調(diào)整壓力的汽缸，還有一個測量擺臂的位移傳 感器。浮動輥上帶材的張力大小是由汽缸的壓力和浮動輥的自重所決定的。
舞蹈輥測量張力系統(tǒng)在張力有發(fā)生變化趨勢時就去調(diào)整前后級的速度差。通過浮動輥的位置移動，來迅速保持張力的恒定。這比力傳感器式張力測量系統(tǒng)在檢測到張力變化后再作調(diào)整 快捷的多。浮動輥式系統(tǒng)還有一個最大的優(yōu)點，其本身就是一個儲能機構(gòu)，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。此種類型的測量機構(gòu)在小張力控制系統(tǒng) 應(yīng)用的較多。
2 控制與監(jiān)測系統(tǒng)方案
2.1 控制與監(jiān)測系統(tǒng)需求分析
張力控制需要采集被控對象的張力狀態(tài)、卷繞和開卷伺服電機的轉(zhuǎn)速及位置信號，輸出電機的轉(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，全面評價張力控制器 的性能，還應(yīng)采集過程數(shù)據(jù)，記錄伺服電機的輸出轉(zhuǎn)矩、張力－時間曲線等一系列參數(shù)。
根據(jù)上述分析，試驗系統(tǒng)采用上、下位機結(jié)構(gòu)：上位機主要用于完成智能算法的運算、傳真和實驗數(shù)據(jù)的監(jiān)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(jiān)視和記錄試驗過程數(shù)據(jù)。它們之間的數(shù)據(jù)交換通過串行通訊得到。
2.2 控制與監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成
2.2.1監(jiān)測計算機
實驗系統(tǒng)中計算機主要有兩個用途，其一是實時監(jiān)測實驗過程數(shù)據(jù)。工控機安裝有專門為系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理應(yīng)用程序，可為試驗數(shù)據(jù)建立各種動態(tài)曲線，完成對實驗數(shù) 據(jù)的分析、評定等工作。
另一個用途就是利用其高速運算、處理能力，實現(xiàn)及優(yōu)化先進控制算法。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)，試驗過程中可隨時察看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為TMS320LF2407A的DSP芯片，由它完成對各種實時輸入信號的處理，及由上位機處理后的智能控制算法實現(xiàn)。
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