一种分层递阶张力控制方法及系统与流程

本发明涉及一种分层递阶张力控制方法及系统，属于张力控制技术领域。

背景技术：

张力控制系统在印刷、造纸、包装等设备中广泛使用。传统的张力控制系统一般采用磁粉制动器和磁粉离合器产生张力，其主要存在两个缺点：一是功耗大，磁粉制动器产生热量大，需要冷却；二是不具备动态调整能力，无法通过控制磁粉制动器实现对张力的动态调整。

目前，在该领域内新的研究主要集中在伺服型张力控制系统。与传统的磁粉制动型张力控制器不同，伺服型张力控制器采用交流伺服电机控制开卷机构和收卷机构，收卷交流伺服电机拉动带材，又通过带材拖动开卷伺服电机运行。收卷伺服电机工作于速度控制模式，开卷伺服电机工作于转矩控制模式，通过控制收卷交流伺服电机的速度，可以控制收卷辊处的带材的线速度；通过控制开卷交流伺服电机的转矩可以控制开卷辊处带材的张力。为了保证张力生产线所加工的带材的性能要求，需要在张力生产线的中间位置测量带材的线速度和张力，并对其进行有效的控制。中间位置上带材的张力与开卷交流伺服电机转矩及收卷交流伺服电机的速度都有关，在中间位置上带材的线速度也是与开卷交流伺服电机转矩及收卷交流伺服电机的速度这两个因素相关。由于存在这样的耦合关系，只有先行解耦才能实现对张力和线速度的各自独立分别控制，但是目前。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种分层递阶张力控制方法及系统，以解决现有技术中伺服型张力控制系统由于张力与速度之间存在强耦合，无法对系统进行解耦补偿，因而影响了其控制性能的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种分层递阶张力控制方法，包括如下步骤：

获取张力控制系统的实际输出速度vc、实际输出张力fc；

基于实际输出线速度vc、实际输出张力fc以及预设的给定量，对张力控制系统的实际输出线速度vc、实际输出张力fc进行解耦控制，获取解耦后的控制信号。

进一步地，解耦后的控制信号包括张力控制系统的收卷辊处线速度v1和开卷辊处张力f2；

所述解耦控制的方法，包括：

求取实际输出线速度vc、实际输出张力fc与预设值的控制偏差；

基于控制偏差求取线速度和张力的解耦补偿信号；

将解耦补偿信号输入预设的解耦传递函数，获取张力控制系统的收卷辊处线速度v1和开卷辊处张力f2。

进一步地，所述解耦传递函数，其计算公式如下：

式中，s为复频率，v1(s)为收卷辊处线速度v1的频域象函数，f2(s)为开卷辊处张力f2的频域象函数，h11(s)、h12(s)、h21(s)、h22(s)为解耦传递函数，u1、u2为解耦补偿信号，u1(s)为u1的频域象函数，u2(s)为u2的频域象函数。

进一步地，所述控制偏差包括线速度误差和张力误差，其计算公式如下：

式中，ef为速度误差，ev为张力误差，为给定量。

进一步地，基于控制偏差求取线速度和张力的解耦补偿信号，包括：

将速度误差ef和张力误差ev输入pid补偿器中，获取线速度和张力的解耦补偿信号。

进一步地，所述张力控制系统为伺服型张力控制系统，所述伺服型张力控制系统包括开卷辊和收卷辊；

所述解耦补偿信号，其计算公式如下：

式中u1、u2为解耦补偿信号，kp1、ti1、td1为控制收卷辊处线速度的pid参数，kp2、ti2、td2为控制开卷辊处张力的pid参数。

进一步地，所述收卷辊传动连接有工作于速度控制状态的收卷伺服电机，所述开卷辊传动连接有工作于转矩控制状态的开卷伺服电机，所述收卷伺服电机和开卷伺服电机对应连接有交流伺服驱动器；

在获取解耦后的控制信号之后，还包括：

将收卷辊处线速度v1输入与收卷伺服电机对应连接的交流伺服驱动器，得出收卷伺服电机的转速控制量；

将开卷辊处张力f2输入与开卷伺服电机对应连接的交流伺服驱动器，得出开卷伺服电机的转矩控制量。

为达到上述目的，本发明还提供了一种分层递阶张力控制系统，包括张力、线速度解耦层，所述张力、线速度解耦层包括：

张力传感器：用于获取张力控制系统的实际输出张力fc；

速度传感器：用于获取张力控制系统的实际输出速度vc；

解耦子模块：用于基于实际输出线速度vc、实际输出张力fc以及预设的给定量，对张力控制系统的实际输出线速度vc、实际输出张力fc进行解耦控制，获取解耦后的控制信号。

进一步地，解耦后的控制信号包括张力控制系统的收卷辊处线速度v1和开卷辊处张力f2；所述解耦控制的方法，包括：求取实际输出线速度vc、实际输出张力fc与预设值的控制偏差，所述控制偏差包括速度误差ef和张力误差ev；

所述解耦子模块包括：

信号运算单元：用于将速度误差ef和张力误差ev输入pid补偿器中，获取线速度和张力的解耦补偿信号；

解耦控制器：用于将解耦补偿信号输入预设的解耦传递函数，获取张力控制系统的收卷辊处线速度v1和开卷辊处张力f2。

进一步地，所述张力控制系统为伺服型张力控制系统，所述伺服型张力控制系统包括开卷辊和收卷辊；所述收卷辊传动连接有工作于速度控制状态的收卷伺服电机，所述开卷辊传动连接有工作于转矩控制状态的开卷伺服电机，所述收卷伺服电机和开卷伺服电机对应连接有交流伺服驱动器；

所述解耦子模块还包括：

卷辊半径解算单元：用于将收卷辊处线速度v1输入与收卷伺服电机对应连接的交流伺服驱动器，得出收卷伺服电机的转速控制量；

将开卷辊处张力f2输入与开卷伺服电机对应连接的交流伺服驱动器，得出开卷伺服电机的转矩控制量。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明方法及系统基于预设的给定量对张力控制系统的实际输出速度和实际输出张力进行解耦控制。解耦控制利用分层递阶结构，先将实时获取的实际输出速度和实际输出张力输入耦合传递函数以获取期望输出速度和期望输出张力，再对期望输出速度和期望输出张力与给定量分别求差以获取控制偏差，再将控制偏差输入鲁棒pid控制器中进行pid参数的整定并进行对角矩阵解耦以获取解耦后的控制信号，最后将控制信号输入与开卷交流伺服电机和收卷交流伺服电机对应连接的交流伺服驱动器，从而实现解耦控制的过程。本发明方法及系统建立贴近工程实际情况的速度张力模型的机理模型，确定了对角矩阵解耦作为系统的解耦控制，同时利用鲁棒pid控制结构设计调节器，实现速度和张力的解耦控制，控制结构简单，系统稳定性高，工业应用广泛。

附图说明

图1是本发明系统实施例的结构示意图；

图2是本发明系统实施例的控制结构图；

图3是本发明系统实施例中解耦子模块的原理结构图；

图4是本发明方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明具体实施方式提供了一种分层递阶张力控制方法及系统，本发明方法基于本发明系统加以实现。本发明方法及系统采用分层递阶结构，建立贴近工程实际的速度-张力控制系统的机理模型，并确定了pid补偿解耦的方式，实现了带材线速度与张力的协调控制，提高张力控制系统的控制性能和稳定性。

首先，对本发明具体实施方式提供的一种分层递阶张力控制系统进行详细阐述。如图1所示，是本发明系统实施例的结构示意图，本实施例中，该系统在伺服型张力控制系统的基础上，增加了张力、线速度解耦层，用于对伺服型张力控制系统的实际输出线速度vc、实际输出张力fc进行解耦控制。

伺服型张力控制系统包括开卷辊和收卷辊，所述开卷辊由开卷交流伺服电机，所述收卷辊由收卷交流伺服电机，所述开卷交流伺服电机和收卷交流伺服电机对应连接有交流伺服驱动器。开卷交流伺服电机为永磁同步伺服电机，工作于转矩控制模式，用于提供负载转矩从而形成张力；收卷交流伺服电机亦采用永磁同步伺服电机，工作于速度控制模式。所述张力和线速度解耦层包括张力传感器c1、速度传感器c2、解耦控制子模块。本实施例中，选取生产线上开卷辊与收卷辊之间的位置作为控制输出点c，两个传感器安装于该控制输出点c，可实时检测伺服型张力控制系统带材的实际输出线速度vc和实际输出张力fc。系统的解耦子模块用于基于实际输出线速度vc、实际输出张力fc以及预设的给定量，对张力控制系统的实际输出线速度vc、实际输出张力fc进行解耦控制，获取解耦后的控制信号，所述解耦后的控制信号包括张力控制系统的收卷辊处线速度v1和开卷辊处张力f2，解耦子模块包括以下单元：

信号运算单元：根据vc和fc以及预设的线速度给定量和张力给定量可计算控制偏差。所述控制偏差包括速度误差ef和张力误差ev，对速度误差ef和张力误差ev进行pid运算，得到线速度和张力的解耦补偿信号u1和u2；

解耦控制器：用于对解耦补偿信号u1和u2进行解耦，获取解耦后的控制信号v1和f2；

卷辊半径解算单元：实时测量收卷辊的半径r1(t)，根据收卷辊的半径r1(t)和收卷辊处线速度的控制量v1，得出收卷交流伺服电机的转速控制量ω(t)，实时测量开卷辊的半径r2(t)，根据开卷辊的半径r2(t)和开卷辊处张力的控制量f2，得出开卷交流伺服电机的转矩控制量t(t)。具体如图2和图3所示，分别是本发明系统实施例的控制结构图和解耦子模块的原理结构图。

下面，对本发明具体实施方式提供的一种分层递阶张力控制方法进行详细阐述，并结合本发明方法实施例对前述发明系统的工作原理作进一步说明。如图4所示，是本发明方法实施例的流程示意图，包括如下步骤：

步骤一，选择生产线上开卷辊与收卷辊之间的传感器安装位置，作为期望的控制输出点c，在控制输出点c上布设张力传感器c1、速度传感器c2，用以实时检测该位置的速度和张力大小，即伺服型张力控制系统的实际输出速度vc和实际输出张力fc。

步骤二，基于线速度给定值和实测值vc、张力的给定值和实测值fc分别求取控制偏差，并对控制偏差进行pid运算，求取线速度和张力的解耦补偿信号u1和u2，公式如下：

步骤三，构建检测点的张力和线速度与被控制点的张力和线速度速度的关系，其计算公式如下：

令：

式中，s为复频率，vc(s)和fc(s)是检测点的线速度值vc和张力值fc的频域象函数，v1(s)是收卷辊处线速度v1的频域象函数，f2(s)是开卷辊处张力f2的频域象函数，g是表征张力和线速度相互耦合关系的传递函数矩阵，可通过建立张力生产线的物理模型得到；diag为对角矩阵，是按系统性能要求而设定的解耦后的控制模型，diag的对角元素d11(s)是解耦后的线速度控制对象的频域数学模型，d22(s)是解耦后的张力控制对象的频域数学模型；h是解耦矩阵，可通过求解矩阵方程得出，矩阵方程是：

gh＝diag。

步骤四，基于控制偏差对张力控制系统的控制信号进行解耦，获得收卷辊处线速度控制量v1和开卷辊处张力控制量f2，包括：

即：

式中，v1(s)是收卷辊处线速度v1的频域象函数，f2(s)是开卷辊处张力f2的频域象函数，u1(s)和u2(s)分别是u1和u2的频域象函数，以此可以计算出收卷辊处线速度v1和开卷辊处张力f2。

步骤五，实时测量收卷辊的半径r1(t)和开卷辊半径r2(t)，计算收卷交流伺服电机转速制量ω和开卷交流伺服电机的转矩控制量t，计算公式如下：

步骤六，将收卷辊转速控制量ω输送到与收卷交流伺服电机对应连接的交流伺服驱动器，将开卷辊转矩控制量t输送到与开卷交流伺服电机对应连接的交流伺服驱动器。实现对开卷交流伺服电机和收卷交流伺服电机的实时控制，从而对张力控制系统的实际输出速度vc、实际输出张力fc进行解耦控制。

本发明方法及系统基于预设的给定量对张力控制系统的实际带材线速度和张力进行解耦控制。解耦控制利用分层递阶结构，在上层(解耦层)解耦层实现线速度和张力的解耦，基于解耦的输出并通过实时检测开卷辊和收卷辊的半径来以得到收卷交流伺服电机的速度控制量和开卷卷交流伺服电机的转矩控制量，再将控制量传送到与开卷交流伺服电机和收卷交流伺服电机对应连接的交流伺服驱动器，实现了完整的解耦控制过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。