基于内模控制的卷纸机恒张力控制系统设计

马文明 陈鑫

摘要：纸机张力具有模型不固定，速度和张力耦合强，受干扰因素多等特点，传统的PID控制不能满足生产要求，针对卷纸机的收卷提出了一种张力内模控制（IMC）法。根据IMC算法对卷纸机的收卷段张力设计了控制器，并用MATLAB进行仿真。结果表明，采取IMC法对张力进行控制要比传统PID控制性能更优越，可实现卷纸机张力稳定，同时能够克服外界干扰的影响。

关键词：卷纸机；张力控制；内模控制

中图分类号：TS734+.7

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.12.011

在造纸生产过程中，张力是重要的参数[1]，它对成纸质量、生产效率和生产成本都有重要的影响，因此在造纸生产过程中要对张力进行控制。卷纸过程中，纸幅张力和速度之间存在强耦合，并且随着纸卷半径的增大，张力受到影响，故纸幅张力控制是个纯滞后、强耦合、非线性、惯性大、干扰多的時变控制。由于卷纸机张力控制具有上述特点，对卷纸机张力的控制难度比较大，常规PID达不到要求，需要寻找更好的控制方法去实现。内模控制（IMC）具有良好的跟踪性能和抗干扰能力，并对模型失配有一定鲁棒性，本课题对卷纸机的张力控制采用IMC进行实现。

1张力模型的建立

1.1张力的产生

在卷纸机的收卷过程中，为了满足造纸生产过程中张力的要求，在纸幅上要施加一定的摩擦力，通过磁粉离合器对卷纸机的收卷辊传递动力力矩，同时也可以通过改变磁粉离合器的励磁电流大小来控制收卷辊的力矩大小[2]。为了使造纸生产过程中纸幅间的张力恒定，就要使卷纸机线速度和纸机出纸线速度保持同步，如果速度不同步，则纸幅的张力就会发生变化，纸幅张力变化与线速度差的关系模型如图1所示[3]。

（1）检测装置：直接张力控制需要对张力进行实时检测以获得反馈信息，构成闭环控制。除了对张力进行检测外，还需要对速度进行检测，将检测到的速度作为控制系统的辅助信号。本课题张力控制系统采用轴承式张力传感器，这种传感器由优质弹簧和高精度差动变压器组成，检测辊和导向辊安装时呈三角分布。张力传感器如图3所示。

（2）控制装置：由于卷纸机的张力具有动力学模型大、耦合强、非线性、干扰多等特点，并且在整个控制中还包括很多的执行机构，PLC具有集成化程度高、模块化强、抗干扰能力强、通用性好、兼容性和扩展性强的特点，所以在这里采取PLC作为卷纸机张力控制系统的控制器。

（3）执行装置：卷纸机在收卷过程中的执行装置一般采用磁粉离合器或者电机，由于前者具有控制精度高、稳定性强等优点，所以在这里采用磁粉离合器作为执行装置。

2张力控制系统方案及模型建立

2.1张力控制系统方案

在卷纸机运行过程中，随着收卷半径不断增大使得卷纸辊的转动惯量、角速度等一直在变化，卷纸机收卷张力控制系统原理如图4所示。

由图4可知，卷纸机收卷张力的控制是以张力控制器为核心，张力检测器把检测到的纸幅张力信号送

给张力变送器，经过张力控制器进行运算，将得到控制信号传递给磁粉离合器，磁粉离合器与卷纸机的卷纸辊相连，将转矩传递给卷纸辊，从而使卷纸机的张力控制为闭环控制系统，达到纸幅张力恒定控制。在纸机的生产中纸卷半径不断增大，所以在控制系统中增加了卷纸辊半径实时检测装置。为了提高卷纸机张力控制精度，降低纸幅速度和张力之间的耦合，在张力控制器内设置内模控制器。整个张力闭环控制流程为：经过变送器放大的张力反馈值与张力设定值进行比较后将其差值送入控制器，经过IMC运算处理后输出控制信号，再经过功率放大环节后，通过控制磁粉离合器输出转矩达到控制纸幅张力的目的。利用速度检测对纸机运转进行预测和补偿。

2.2张力控制系统模型建立

卷纸机收卷系统结构如图5所示。设纸幅间张力为T，卷纸辊的半径为R，上一单元M1运行纸幅线速度为V1，卷纸辊M2的线速度为V2。在纸机启动运行稳定后，假定纸幅的线速度V1是定值，只有当V2>V1时，纸幅间才能产生一定的张力，当纸幅的张力达到要求后，及时调节卷纸辊的动力机构使线速度V2稳定，这样，纸幅收卷就可以在该张力下稳定运行。

对图10仿真结果进行比较可以发现，常规PID和IMC都没有超调量，但常规PID达到稳态的时间比IMC长，而IMC系统的响应速度很快，调节时间比较短，其控制性能明显优于PID，并且能达到卷纸机收卷张力的要求。

4.2.2有干扰时的仿真与分析

在生产中外界干扰影响控制效果，仿真时借助噪声作为干扰信号，看系统抗干扰的能力是否能达到工艺要求范围之内。在20～25 s间加入噪声，噪声强度±20 N左右，在PID和IMC的作用下，其仿真结果如图11所示：

由图11可以看出，当生产过程中存在±20 N的外界干扰时，PID调节速度慢且效果不好，并且张力变化范围较大，且重新达到稳定所需时间也比较长，比较而言，当IMC受外界干扰吋，张力变化范围小，而当干扰消除时，能使张力迅速达到稳定，满足工艺要求，所以IMC的抗扰性能比PID要好一些。

5卷纸机张力控制系统总体设计与应用

本控制系统选用S7300PLC作为控制系统核心，用来接收采集的数据，然后对数据进行控制算法的运行得到控制信号的输出，上位机完成张力给定值的设定，报警和对运行状态的监视和修改，PLC输出的控制信号可以通过变频器调节驱动电机，然后电机编码器的反馈构成闭环，实现对电机速度的控制，由张力传感器采集到的是实时张力值，经PLC内部运算后控制磁粉离合器力矩的输出，控制收卷辊的运行，实现对张力的控制。卷纸机张力控制系统总体结构如图12所示[7]。

该张力控制系统以可编程控制器PLC为控制核心，张力设定值与经过变送器放大的张力反馈值比较后，其差值通过A/D转换后送到PLC，控制器经过IMC算法运行处理后输出控制信号，再通过D/A转换后，调节磁粉离合器，从而改变电机的输出转矩，来调节纸幅间的张力稳定。该控制系统已应用于浙江某造纸企业中小型纸机的改造，取得良好的控制效果。改造前后设备运行性能对比如表1所示。

参考文献

[1]HUANG Junyong. Research and Application of Fuzzy Control Algorithm for Multimachine Tension[D]. Changsha： Central South University， 2006.

黄俊勇. 复合机张力的模糊控制算法研究与应用[D]. 长沙： 中南大学， 2006.

[2]LIU Jianjian， CHEN Zhuping. Magnetic powder clutch and its application[J]. Electromechanical technology， 2010（4）： 63.

刘建建， 陈祝平. 磁粉离合器及其应用[J]. 机电技术， 2010（4）： 63.

[3]XIAO Zhongjun， MENG Yanjing， LIU Yu. Research on Tension Control in Paper Machine Drive Control System[J]. Microcomputer information， 2005， 21（4）： 111.

肖中俊， 孟彦京， 刘玉. 张力控制在纸机传动控制系统中的研究[J]. 微计算机信息， 2005， 21（4）： 111.

[4]ZHANG Chi， YANG Lin. Paper Machine Tension Control System Based on PLC and Frequency Converter[J]. China Pulp & Paper， 2010， 29（9）： 53.

张池， 杨琳. 基于PLC与变频器的造纸机张力控制系统[J]. 中国造纸， 2010， 29（9）： 53.

[5]PENG Libiao， ZHAO Hui. Tuning PID parameters based on internal model control principle[J]. Journal of Tianjin University of Technology， 2009， 25（5）： 83.

彭利标， 赵辉. 基于内模控制原理整定PID参数[J]. 天津理工大学学报， 2009， 25（5）： 83.

[6]WEN Xinning， ZHANG Jinggang， WANG Jianguo. Multimodel internal model control[J]. Journal of Taiyuan University of Science and Technology， 2001， 28（4）： 270.

文新寧， 张井岗， 王建国. 多模型内模控制[J]. 太原科技大学学报， 2007， 28（4）： 270.

[7]HUI Hongzhong， CHEN Lian， XIAO Mingyun. Paper Machine Direct Tension Control Based on S7400[J]. Electric drive， 2009， 39（11）： 68.

惠鸿忠， 陈莲， 肖明运. 基于S7400的造纸机直接张力控制[J]. 电气传动， 2009， 39（11）： 68.CPP

（责任编辑：马忻）