间接张力控制系统的优化

陈杰金++霍览宇

摘 要：间接张力的控制方法又被称之为补偿控制法，它其实是通过影响张力稳定因素的参数进行调节，从而来补偿动态张力可能出现的变化，以间接的保持张力的平衡与稳定，即只用给出张力的固定值，不需要采用任何设备来检测张力的实际数值也无需对张力采用闭环的控制法，只用对电动机的电流和电压来进行控制，并且还能间接的控制住张力的平衡，确保电动机的扭转力矩不发生改变，从而保证卷取产品的张力固定值。

关键词：间接张力；控制系统；优化

项目基金：湖南省2013年度教育厅科学研究项目，课题编号：13C254。

人们生活中使用的电线电缆在生产过程中需要做绝缘加塑，其中对张力的控制是一个非常重要的生产加工环节，能够良好的控制张力可以大大提高产品的质量以及生产过程中的效率。在20世纪70年代末时期，就有学者大胆提出间接张力控制的算法，能够简优化间接张力控制。该控制方法的计算方法比较简单，只需要少数的参数，计算的系统能够与相似的参数模型匹配，所以，让系统的设计和所控制的对象没有关联，多用于多变量系统和非线性系统以及单变量系统中，在生产和加工中被广泛的运用和推广[1-2]。

一、间接张力控制系统的理论和原理

间接张力控制方法又称为补偿的控制方法。它是通过影响张力稳定因素的参数实现对它的调节补偿，进而补偿张力可能出现的变化，从而间接的保证整理的稳定。但是这种控制方法是属于张力的开环控制，所以，控制的精度不够高，那么对动态的干扰以及调节能力也都比较差。当系统在起动的时候，也就是在张力构建的过程中，通过使用间接张力的控制方法能够起到很好的补偿作用。

二、间接张力控制的方法

（一）最大力矩控制法。最大力矩控制法的原则就是当电动机保持基本速度阶段时，维持磁通和满磁方法在高速度阶段时保持电压的满压法，让电动机的力矩能力能够得到有效地发挥。这种控制系统其实就是电枢的电流随着卷径的正反比例来变化的，磁通始终保持着不变，所以说明磁通的改变并不是随着卷径的正反比例而变化的，而是由于励磁的回路来根据电机的工作情况来改变的。这种控制的方法有以下几点优点：①电动机工作时的弱磁倍数和卷径是没有任何关系的，所以，在选用电动机的时候可以选择弱磁倍数较小的电动机，这样对电动机的制造更有利；②在基本速度以下时电动机在满磁的环境下运行，所以不光是起动，制动的时候过度的过程会随之加快，可以充分的输出最大的扭转力矩，同时还大大增加了过载的能力；③在电动机有效利用的同时，由于电动机能在基本的速度下输出最大的扭转力矩，在基本的速度以上时能够有效的输出最大功效；④当电动机在起动和制动时，卷取机出现的无功冲击负荷力相对较小。

（二）电流电势复合控制法。电流电势复合控制法通常都是由磁场控制和电流控制两大部分构成。该方法的优点主要是电枢的电流和张力是成正比，DB和Φ成正比，所以控制起开更加直观。电流电势复合控制法在应用过程中也存在一定的缺点，其缺点主要包括：①卷曲过程中，Φ/DB必须保持为常数，也就是电动机的励磁通必须随着卷径的改变而改变，只有当卷径在最大时的时候，卷筒电动机才在正常磁下工作，其它时候都在若磁下工作。尤其是刚开始卷曲时，卷径数值最小，电动机在最弱磁状态。当电动机卷曲结束后，卷筒直径DB数值最大，此时的电动机是满磁状态，所以电动机力矩无法充分利用；②在整个卷曲过程中，由于Φ/DB必须保持为常数，所以在对卷筒传电动机进行选择时，电动机的弱磁倍数必须最少要和卷径变化的倍数一致，且其倍数超过卷径变化的倍数更好。针对卷径变化倍数大及其相对应的弱磁倍数也大的环境，使用间接张力控制的方式，会增大传动电机的体积，那么系统的惯量也会随之增大，同时其价格也会有所上涨。并且，我国国内市场上电动机的最大弱磁倍数大约是4倍，这使得卷径变化的倍数遭到了限制。

三、间接张力控制系统的补偿优化方法

卷曲机在加速和减速的过程中，会受到一定的机械惯性影响，产生动态力矩MJ，且MJ的数值通常都比较大，因此不可忽略。为了保持恒定的张力，必须对其进行补偿，以进一步优化间接张力控制系统。

根据电动机的原理得出表达式：

（1）

由此得出电机轴上的飞轮惯量表达式：

（2）

式中GD2A代表线卷飞轮惯量；GD2m代表机械传动机构和卷筒的飞轮惯量；GD2D代表转子的飞轮惯量。其中，GD2A的数值根据线卷的直径变化而变化，而GD2m和GD2D可以当做固定量。则： （3）

式中：i代表卷取到电机轴机械的传动比；B代表线材的宽度；D代表瞬时卷径；D0代表最小的卷筒直径；Y代表拉制线材的比重；ρ代表卷材占积率。

因此，得出表达式：

将该式带入（5）式中得出表达式：

（4）

式中， 是常数。

则，加速和减速过程中，张力损失Fg的表达式为：

（5）

式中，2MJ·j代表卷轴上的转矩，将（8）式带入（9）式得出表达式：Fg=C1/D2 （6）

式中，C1=2iA1A2，C2=2iA1B1都是常数。

该函数表达式的关系说明，在检测出线速度变化率 和瞬时卷径D的情况下，可以对张力直接进行补偿。

结束语：张力控制系统在电缆电线的制造和生产过程中是一个十分重要的环节，在整个加速过程中，只有在牵引、收线以及控制防线的生产环节需要平衡的张力作用，这样才能保证生产过程中铜芯不堆挤、铜芯不被拉扯断裂，保证松紧程度适中、卷取排列整齐等，然而要想解决卷材的张力控制问题就必须把劵绕过程中的速度以及卷径还有其它能够对张力产生干扰的因素降低。所以，对于张力的控制研究意义重大，且其被运用的前景非常广泛。在控制的理论发展上和实际的操作运用当中还是存在着以下两方面差距和问题：①通过各式各样的智能控制计算犯非法的不断创新与提出，并在理论以及实际的仿真操作试验中得到了验证；②在当前的实际生产过程中还是在运用

PID这种比较传统的控制方式。随着当今的生产技术的不断发展和日益更新换代，生产工艺也逐渐复杂化，PID这种比较传统的控制方式已经不能满足现在的生产需求，它的各种性能以及指标被当今的生产工艺所淘汰，目前比较先进的控制方法是间接张力控制法。间接张力控制法可以提高控制的能力，实现把理论和生产过程相结合的目的。对张力的控制必须要从整体的系统出发，朝着更高标准、高工艺、高水平、高智能的方向去发展，此次的研究分析有着重要且深远的意义。

参考文献：

[1] 徐敏.张力控制系统在变频造纸设备中的应用研究[J].价值工程，2014，（23）：78-79.

[2] 孙珺如，刘惠康，吴远航，等.卷取系统的张力模糊控制优化研究[J].机械设计与制造，2013，（12）：192-194，197.