恒张力控制系统优化设计

1系统现状及原理

1．1系统现状武钢硅钢厂卷取张力控制系统目前主要存在如下问题：1）系统张力装置部分采用张力垫摩擦张紧带钢的工作方式，依靠摩擦片的压下力进行张力调节，设备结构简单，但其压下力度由上支撑梁的11个螺杆人工调节，劳动强度大，且张力控制不稳定。2）恒张力控制中模型精度不高，张力不足。卷取过程中出现张力波动甚至失张现象，造成卷形较差，对成品质量和成材率有较大影响。1．2系统原理张力控制，即卷取时对材料张紧度的控制，是实际工业生产中带线材控制的重要环节之一。过大的张力会导致带材拉伸变形甚至断裂，张力过小又会因松弛使带材跑偏。因此，保证张力控制效果至关重要，需尽可能在卷取机工作过程中保持最佳张力恒定不变。卷取过程中，带钢在张力作用下被拉伸，若其形变量在弹性范围内，则两端的张力遵循胡克定律：T＝δEl∫t0（V1－V2）dt（1）式中E———带材弹性模量／MPaδ———带材截面积／mm2l———卷筒与张力辊之间距离／mV1———转向辊线速度／m／sV2———卷取机线速度／m／st———卷取机构建立张力的时间／s由式（1）可知，带钢所受张力T的产生原因是卷取机线速度V2与转向辊线速度V1之间存在转速差。实际工业生产中，转向辊线速度V2和卷取电机转速n2通常为稳定值，而带钢卷径D在卷绕过程中不断增大，则卷取张力T及卷绕力矩M的变化情况为：DπDn2＝V2TTD＝M（2）因此，要保持张力恒定，需要保持转向辊和卷取机的相对转速差值V2－V1恒定，即将张力控制转换为速度控制，同时要考虑卷径变化。

2系统优化

2．1系统改造方案带钢的恒张力控制方法中，利用张力辊、张力传感器和张力控制器构造的直接张力控制具有最理想的控制效果。但成套张力辊设备成本高，占地面积大。本文在尽可能压缩改造成本，使改造效果尽可能接近直接法的前提下对原系统进行优化。卷取张力控制系统实际应用改造如图1所示。保留张力垫摩擦张紧带钢的工作方式，下支承梁、下摩擦片、上摩擦片等装置保留不变，摩擦片压紧板和上支承梁等部分重新设计制造，以适应张力自动调节装置的组装和工作。新设计的摩擦片压紧板改为整体结构（原手动调节摩擦片压紧板为多个分离结构），由液压缸驱动。为防止整体式摩擦片压紧板下压过程中倾斜、歪扭，在上支承梁箱体中增设压紧板两端导向装置，即导向杆的导向轴承装置，使压紧板只能在垂直方向上跟随液压缸一起运动，保证对摩擦片施加的作用力均匀有效。增加液压缸、控制阀、配套显示和保护元件，设计施加最大压紧力达15000N以上，张力波动值小于±5％。在转向辊上安装速度传感器，在卷取变频器中增加T400工艺模板。2．2间接恒张力控制的实现系统为转速、电流双闭环调速系统，采用T400SPW420卷取控制软件虚构张力外环，通过控制转速实现恒张力控制，其卷取张力控制系统结构框图如图2所示。T400工艺板采用的32位SMADYN－D处理器，具有强大的计算能力和极高的运算速度，最快执行周期小于0．8ms。T400通过双口RAM和传动装置交换数据，比其他方式效率高，适用于要求驱动器高速控制和高精度运算的场合。T400控制技术核心是卷径计算和张力控制，安装在6SE70内部，直接用传动装置控制卷取机张力，实现速度控制与转矩控制的平滑切换。线速度给定值采用转向辊的线速度实际值，图3中的张力设定值Tset，线速度设定值Vset，均由自动化TDC传送给T400。卷筒转速实际值由CUVC的脉冲编码接口检测，并通过dualportRAM传给T400。T400计算出的转速给定值、转动变量的可变部分、转矩的正负限幅值通过dualportRAM传送CU－VC。T400接收处理控制字、张力给定、转向辊线速度、卷取机线速度等数据，内部采用速度比的方法，用带钢线速度Vset和卷筒转速n计算卷径D，再用张力设定值Fset和卷径D计算所需转矩M，从而实现CUVC传动系统的分合闸、启动运行、速度设定及转矩限幅等控制：接收到投张信号前，系统为速度环控制，速度调节器根据卷取电机的速度反馈，完成速度给定的自动调节。接收到投张信号后，速度调节器迅速饱和，由速度控制转换为张力控制。初始阶段带钢卷径很小，因此带钢卷取速度很高，卷取电机在基速以上运行，为弱磁阶段，电机反电势E恒定，随卷取电机线速度V增大，电机电枢电流Id增大，实现基速以上的恒张力卷取。随卷径D增大，卷取电机转速降低，电动机工作在额定转速以下，Φ＝Φe不变，Id增大，实现基速以下的恒张力卷取。

3模糊自适应PID控制

由于间接张力控制系统无张力传感，且多数为时变、强耦合、多干扰的复杂系统，难以精确确定控制对象的模型，常规PID控制不能实时调整参数，很难将控制系统品质指标保持在最佳范围内。本系统引入模糊控制策略，根据系统实际响应情况，应用模糊自适应PID控制器，通过模糊推理实现对控制量的实时调整，不仅能保持PID控制的优点，还能提高系统的鲁棒性，消除参数变化和环境影响带来的张力波动，且具有更大的灵活性、适应性和更高的控制精度。模糊自适应PID控制器主要由参数可调整的PID控制器和模糊推理器组成，利用模糊规则在线对PID参数进行修改，其结构如图4所示。由图可知，模糊推理器以偏差e和偏差变化率ec作为输入，经过模糊化处理后分别得到模糊量E和EC，以此为依据进行模糊推理。输出变量为常规PID控制器的3个参数Kp，Ki，Kd，采用模糊推理自动实现对参数Kp，Ki，Kd的最佳调整，能满足不同时刻偏差e和偏差变化率ec对PID参数自调整的要求，从而保证被控对象良好的动、静态性能［5］。PID参数模糊自整定，即找出PID3个参数与e、ec之间的模糊关系。参数Kp的作用是加快系统响应速度，提高调节精度；Ki的作用是消除系统稳态误差；Kd的作用是抑制偏差变化并提前预报。在不同的e和ec下，需要对参数Kp，Ki，Kd进行整定。1）若e较大，取较大Kp加快响应速度，取较小Kd获得良好跟踪性能，为避免初期可能出现的积分饱和现象以防止较大超调，应对积分作用加以限制，取Ki＝0。2）若e和ec中等大小，取较小Kp以使系统超调较小，Ki适当取值。此时，Kd对系统有较大影响，取值要适中以保证系统响应速度。3）若e较小，即接近设定值，应适当取较大的Kp和Ki。为避免出现振荡，应增强系统的抗干扰性能，ec较小，可适当增大Kd；ec较大，可适当减小Kd。将系统误差e和误差变化率ec的变化范围定义为模糊集上的论域，e，ec＝｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6），其模糊子集为e，ec＝｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，对应｛负大，负中，负小，0，正小，正中，正大｝。设定输出量u＝｛－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6，7），其模糊子集为｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝。恒张力控制系统在线运行时，要求系统对各种扰动迅速反应，检测往往在毫秒级，相应的参数调节也要尽可能快。适当建立模糊规则，可直接进行结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自校正，从而达到快速响应的目的。综上分析，得出对参数Kp，Ki，Kd的自整定控制规则表，以Kp为例，其控制规则如表1所示［6］。本系统的e、ec和Kp，Ki，Kd均取服从正态分布，可得各模糊子集的隶属度，查表得出修正参数并代入模糊自调整算式Kp＝K′p＋｛ei，eci｝p，Ki＝K′i＋｛ei，eci｝i，Kd＝K′d＋｛ei，eci｝d。其工作流程如图5所示。

4系统仿真用

MATLAB中的FuzzyBox工具箱对模糊自适应PID控制系统进行仿真。张力控制基准信号的基准值为1的阶跃信号，仿真时间30s，常规PID控制和模糊自适应PID控制的张力响应曲线如图6所示。常规PID系统的超调量为15％，调节时间为4s，而模糊控制器在不延长上升时间的前提下，系统的超调量几乎为0，调节时间约为2s。可见，模糊自适应PID控制比传统PID控制的上升速率快，调节时间短，无超调，无余差，且系统精度达到预期要求，有明显优势。

5结论

1）分析张力控制的组成和原理，采用T400工艺板虚构张力外环，完成武钢硅钢厂卷取张力控制原系统的电气自动化改造。应用模糊自适应PID控制实现系统优化，既融入了专家经验，又保持了传统PID控制器结构简单的优点。2）经过现场运行，系统各项性能指标均满足带钢生产工艺的要求。在恒速状态下，最大压紧力可达15000N。给定卷取张力6000N时，实际张力波动±50N以内，张力控制精度＜1％，电流运行波动范围＜5％，动态响应时间≤100ms，系统恢复时间≤500ms。3）改造完成后，近几个月的运行，系统稳定，故障率降低40％，备件消耗大幅降低，松套跑偏现象大为减少，卷取质量大大提高。

作者：孙珺如 刘惠康 单位：武汉科技大学 信息科学与工程学院