基于线性自抗扰控制的放卷张力控制系统

马宏帅 赵世海

摘要：由于连续轧染机放卷系统具有时变性、非线性和耦合性等特点，常规PID控制效果不良。针对恒张力控制问题，结合自抗扰控制方法提出一种放卷张力控制的方法。根据放卷运行机理，对放卷过程进行数学建模，推导静、动态解耦模型，设计线性自抗扰控制器（LADRC）。对该控制器与常规PID控制进行对比仿真实验，结果表明：该控制器能够使织物的张力在放卷过程中保持恒定，提高系统的稳定性和抗干扰性。

关键词：卷径;张力控制;线性自抗扰;抗干扰

中图分类号：TP195.3

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）01-0087-06

放卷单元是连续轧染机关键部分，放卷是织物在连续轧染上运行的第一步，其对张力控制的精度要求很高，如果放卷过程中张力出现波动，将会对后续加工的各个阶段造成影响，以至于影响织物的加工质量[1]。由于放卷过程中卷径不断变化，引起放卷辊转动惯量的变化，导致织物受到的张力也不断变化[2]。放卷系统是一个典型的时变性、非线性的耦合系统。因此设计一个能够解耦并且具有良好抗干扰性能的控制器是至关重要的。

随着织物染整工艺的复杂化和多样化，对连续轧染机的加工质量要求越来越高。对放卷系统的张力控制器提出了更高的要求。常规PID控制器已经无法满足现代织物的加工要求。

李革等[3]提出模糊神經网络的PID控制方法，应用于带材的卷绕张力控制系统，使张力控制系统有较好的自适应性。李坤全等[4]提出自适应模糊PID控制方法，应用于瓦楞纸放卷张力控制系统中，实现张力的稳定控制。张永胜等[5]提出模糊理论，用于同步带恒张力控制系统中，取得了较好的张力控制效果。但这些方法都要求建立精确的数学模型，对于复杂系统来说，影响因素多，建立精确数学模型比较困难。

本文提出采用线性自抗控制方法[6—7]，不需要知道被控系统的精确模型和内外部扰动规律，利用张力扩张状态观察器，对被控系统的内外扰动进行估计并补偿。该方法不仅具有自抗扰控制器的功能，而且克服了自抗扰控制算法参数难整定的问题[8—11]，便于应用于实际工中。

1放卷系统数学建模

放卷系统由放卷辊和卷径测量装置组成，放卷辊由变频器电机驱动，通过PLC发送指令控制变频，实现放卷辊的控制。放卷系统结构图如图1所示。

3.4常规PID产生误差波动分析

经过仿真对比实验分析，常规PID控制器在解耦、抗干扰方面的控制效果都没有LADRC控制器的控制效果好。在实际运行过程中，放卷张力系统具有非线性、时变性、耦合性的特点，使得在对系统分析的过程中很难确定准确的数学模型。常规PID控制器在运行过程中，它的3个参数设定是根据明确的被控对象数学方程设定的，无法实现自适应整定。当放卷系统卷径、转动惯量和角速度等参数发生变化时，常规PID的3个参数不会随系统的变化做出改变，因此系统会出现超调，不稳定等现象。而当放卷系统放卷单元的张力发生突变时，常规PID控制器对突变情况不能做出及时的补偿，导致对后续单元张力的影响。

常规PID控制器虽然结构简单，动态响应效果好，但是对被控系统参数变化敏感，只要系统参数发生变化，就需要重新整定它的3个参数，否则就会影响控制效果。

4结语

针对连续轧染机放卷张力系统对张力稳定性的要求，本文提出采用LADRC控制的方法，解决了因放卷张力与牵引张力的耦合以及参数扰动和外界干扰引起的张力变化的问题，使放卷系统能够稳定运行。由于LADRC中引入线性扩张状态观察器，从对比仿真实验可知，在动态响应方面，LADRC不占优势，但是该控制器在抗干扰和解耦方面比PID控制器的控制效果更好。该控制器不仅具有较强的鲁棒性和解耦效果，而且具有参数便于调整的特点，具有一定的实用价值。

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