發布日期：2022-04-17 點擊率：36
摘要：論述了張力控制試驗平臺及監測系統的硬件配置及軟件組成。詳細說明了該系統過程數據的測量、多檔張力的控制、數據的監測與采集等問題，并給出了基于此平臺完成的單神經元自適應PID控制策略及其優化實驗。
關鍵詞：張力控制；試驗平臺；監測分析系統
The study of a tension control testbed and its monitor syst em
GUO Shuai，HE Yongyi，YAO Zhiliang，FANG Minglun
(School of Mechanical Engineering & Automation under Shanghai Uni versity,Shanghai 200072,China)
Abstract：This paper describes the hardware configuration of a tension control testbed a nd its monitor and analyzing system,and analyzes the process data measurement,mu ltileveltension control,supervisory and data acquisition.Finally,a neural cell PID control strategy and its optimization process are verified though experimen ts on this test bed.
Key words：tension control;testbed;monitor analyzing system
0 引言
張力控制技術，是工業生產中具有共性的基礎技術，在線切割、拉膜、拉絲、包裝、紡織、印刷、冶金等工業生產中有著廣泛應用。
工業實際生產過程中的張力控制是一個大時變、非線性的系統，具有變參數、變負載、強擾動等一系列特點［1］。傳統的基于線性模型的控制策略在應用于實際生產中會產 生很大的控制誤差。如何針對張力控制的特點，建立優化的動力學模型，及針對模型非線性提出有效的控制策略是解決張力控制問題的關鍵。
為了配合高速、高精度張力控制器的研制、調試和考核，并對張力控制策略優化，研制了一個接近實際控制對象并具有類似負載特性的試驗平臺，及基于此試驗平臺和張力控制器調試要求的張力試驗參數采集監測分析系統。
1 試驗平臺機械方案
如圖1所示。試驗平臺的機械部分主要由開卷機構、測量輥機構、卷繞機構等部分組成。試驗平臺中，對張力段的分割采用機械式S輥來實現。試驗平臺上2個S輥將生產線分為3個張力段。
1）開卷張力段：用于將帶材展平；
2）中間張力段；用于實現不同生產工藝對張力控制要求；
3）卷繞張力段：按一定的張力要求將帶材成卷。
張力測量輥機構的設計對張力測量的精度有很大的影響，實際生產中常用的有兩種形式的測量機構——負載測量型（Load cell）和舞蹈輥測量型（Dancer arm）。為了對兩種測量輥機 構的測量精度及響應速度進行分析研究，在試驗平臺的不同張力段分別安裝了這兩種形式的測量機構。
1.1負載測量型［3、4］
此種測量型式適應比較重的材料和有限的空間。張力傳感器直接測量帶張力的大小，并反饋控制。測量過程中測量輥固定不動。因此，對于此種類型，測量輥的安裝精度是控制的關鍵 。其缺點是由于測量輥固定，不能吸收張力峰值波動，因此，此類生產線設備運行的加減速不可太快。
1.2舞蹈輥測量型
舞蹈輥測量型是一種間接張力測量系統，其實質是位置測量。它由3個輥組成，兩邊為固定輥，中間為擺動式浮動輥。在擺臂上有一個可調整壓力的汽缸，還有一個測量擺臂的位移傳 感器。浮動輥上帶材的張力大小是由汽缸的壓力和浮動輥的自重所決定的。
舞蹈輥測量張力系統在張力有發生變化趨勢時就去調整前后級的速度差。通過浮動輥的位置移動，來迅速保持張力的恒定。這比力傳感器式張力測量系統在檢測到張力變化后再作調整 快捷的多。浮動輥式系統還有一個最大的優點，其本身就是一個儲能機構，利用其自身的 冗余作用，對大范圍的張力跳變具有吸收緩沖作用。此種類型的測量機構在小張力控制系統 應用的較多。
2 控制與監測系統方案
2.1 控制與監測系統需求分析
張力控制需要采集被控對象的張力狀態、卷繞和開卷伺服電機的轉速及位置信號，輸出電機的轉速值和張力設定值等。另外，為了便于在調試階段優化控制策略，全面評價張力控制器 的性能，還應采集過程數據，記錄伺服電機的輸出轉矩、張力－時間曲線等一系列參數。
根據上述分析，試驗系統采用上、下位機結構：上位機主要用于完成智能算法的運算、傳真和實驗數據的監測、分析等功能；下位機主要完成張力控制等功能。上位機和下位機同步監視和記錄試驗過程數據。它們之間的數據交換通過串行通訊得到。
2.2 控制與監測系統硬件組成
2.2.1監測計算機
實驗系統中計算機主要有兩個用途，其一是實時監測實驗過程數據。工控機安裝有專門為系統開發的數據采集、分析、處理應用程序，可為試驗數據建立各種動態曲線，完成對實驗數 據的分析、評定等工作。
另一個用途就是利用其高速運算、處理能力，實現及優化先進控制算法。研究人員在IPC上完成算法的演算及優化后，通過JTAG接口（基于IEEE1149.1標準）把仿真調試和算法程序下載到張力控制器DSP芯片的FLASH中。
采用上述結構，試驗過程中可隨時察看CPU內部及外設的工作情況，為程序的調試和控制策 略的優化帶來極大方便。
2.2.2張力控制器
自主研制的張力控制器的系統結構如圖2所示，主控制芯片選用型號為TMS320LF2407A的DSP芯片，由它完成對各種實時輸入信號的處理，及由上位機處理后的智能控制算法實現。
控制器工作時，實時采集被控對象的張力信號，經模擬處理電路（主要由電 壓放大、濾波和V/F轉換電路構成）后，傳輸給DSP芯片。DSP芯片的捕捉計數模塊的CAP4通道對該脈沖信號計數，在定時中斷處理程序中把計數值與設定值比較，系統根據差值由控制算法進行處理，算出相應數目和頻率的脈沖以改變電機的轉速。
外部數據RAM主要用來進行外部仿真調試用。掉電保護RAM主要用來存放系統需要存儲的一些重要參數。另外，張力控制器板上還有脈沖編碼四倍頻電路、故障診斷及保護電路、外部擴展接口、RS232通訊接口等電路。
2.2.3轉矩采集卡
系統采用PI900轉矩采集卡對開卷伺服電機的轉矩進行測量，其最小采樣間隔為10 ms。使用時將采集卡插入工控機ISA插槽，并分別將3塊卡的I/O地址配置為300H～31FH、340H～35FH 和380H～39FH，中斷號配置為IRQ10、IRQ11和IRQ12。
2.2.4差動電容式傳感器［2］
差動電容式傳感器是張力測試裝置的核心器件，其工作原理如圖3所示。在張力為零時，初始極距δ1=δ2，S=δ1+δ2；當被控對象張力作用于導向輪上時，動極片上下移動，距離發生變化Δδ，電容量也相應發生變化ΔC，其相對變化量為ΔC/C，當距離的變化量Δδ很小時，可以認為電容的變化量ΔC與Δδ近似成線性關系。該距離變化量通過圖3b所示的電橋電路轉換為電量，再經后面的配套裝置處理，顯示或記錄被控對象張力。
2.3控制與監測系統軟件設計
數據監測、分析軟件可為試驗者提供簡單快捷的數據分析工具，以及實時及歷史數據曲線，系統所使用的應用程序主要包括：監控圖形系統、故障信息系統、數據記錄系統、報表系統等。
實驗者可以利用數據分析和處理軟件對實時采集的數據進行分析，對控制策略進行評定，進一步優化控制策略、改變控制環節參數以獲得不同的實驗結果。
3 張力控制策略及試驗
3.1張力控制原理
如圖1所示，張力控制系統采用三反饋環的交流伺服控制結構，其分別為伺服電機的速度環、位置環和張力閉環。
下面對張力反饋環作進一步分析：浮動輥、汽缸、固定輥及精密電容式張力傳感器構成張力 檢測系統。如圖1所示，浮動輥安裝在可沿A點作上下擺動的懸臂上，懸臂與汽缸相連。當設定開卷張力參數后，控制器給出電信號至電氣壓力轉換器（E/P），由其提供一定壓力的壓縮空氣到汽缸，產生向上支撐力，把浮動輥推向下方，張緊薄膜，完成開卷張力的設定。
當由于某種原因（開卷軸直徑變化、被控對象材料不均、材料的彈性塑性變形、擾動等因素影響）開卷和收卷電機速度不同步時，浮動輥在汽缸的作用下，向上方或下方移動，浮動輥的上下擺動使得精密電容式張力傳感器（如圖3b所示）的動極片跟著上下滑動，因此，從電容器輸出端的電壓信號發生變化，反饋電壓和設定電壓值比較后，張力控制器改變輸出脈沖的頻率，從而使開卷伺服電機速度發生相應的變化，維持張力的恒定，使得生產得以順利進行。
3.2張力控制策略及實現
試驗平臺上可完成多種復雜張力控制算法（神經網絡、進化算法、模糊理論、DNA生物軟計算等）的研究。文中采用基于單神經元的自適應PID控制算法［5］進行試驗。
單神經元自適應PID控制器結構框圖如圖4所示。圖中轉換器的輸入為張力設定值r（k）和實測值y(k)，輸出為神經元學習控制所需要的狀態量x1、x2、x3。神經元PID控制器的輸出為：
式中：u(k)為第k次采樣計算機的輸出值；k為神經元的比例系數，k>0；wi(k)為對應于xi(k)的加權系數。
在單神經元控制器中引入輸出誤差平方的二次型性能指標J，通過修改神經元控制器的加權系數wi（k），使性能指標趨于最小，從而實現自適應PID的最優控制。
設二次型性能指標函數為：
使加權系數wi(k)的修正沿著J的減小方向，即對wi（k）的負梯度方向搜索調整。wi( k)的調整量為：
式中，ηi(i=I、P、D)為學習率。
對上述算法進行規范整理后，可得學習算法如下：
任意選取。
3.3試驗結果分析
試驗監測系統所得的監測數據曲線分別如圖5、圖6、圖7所示。
由圖分析可知，K值不能選取過大，過大容易引起系統響應超調過大；K值也不能過小，過小則使過渡過程加長。因此，可先確定一個合理的增益K，再根據實控結果進行調整；由于采用了規范化學習算法，學習速率ηp、ηI、ηD可取大些。如果過程從超調趨向平穩的時間過長，可增加ηp、ηD而不采用ηI。
利用具有自學習和自適應能力的單神經元來構成單神經元自適應PID控制器，不僅結構簡單，學習算法物理意義明確，計算量小，而且能適應環境變化，具有較強的魯棒性。
4 結論
筆者所設計的張力控制試驗平臺已經建成并投入試驗應用。實驗表明，其能夠模擬工業多種生產實際情況，它的構建為解決工業生產中高速、高精度張力控制策略的研究提供試驗條件；為張力控制器的開發、調試、優化、考核提供了一種經濟而高效的手段。
參考文獻
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［5］陶永華.新型PID控制及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2002.
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