田鳳志

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一種基于變頻器PID控制的卷料勻拉力輸送裝置的應(yīng)用

田鳳志

(常德煙草機械有限責(zé)任公司, 研究所, 湖南 常德, 415000)

通過對卷料輸送能力和材料拉伸強度的分析, 應(yīng)用變頻器內(nèi)置的PID控制功能, 設(shè)計了一種卷料勻拉力輸送裝置, 該裝置采用變頻器PID控制、卷心驅(qū)動的方式, 實時跟蹤主驅(qū)動線速度, 同步精度高, 同時保證材料不會因拉伸變形、拉斷, 圖案不失真. 該裝置已在煙草包裝機械上驗證, 使用方便, 性能可靠.

變頻器; PID控制; 卷料;勻拉力;輸送裝置

在煙草卷煙和包裝技術(shù)中, 卷料輸送和張力控制方法多種多樣, 且技術(shù)很先進. 但都只適應(yīng)不會因拉伸而變形或拉斷的材料, 同時很多卷料因為無圖案而不需要縱向糾偏. 但隨著煙草行業(yè)的發(fā)展, 出現(xiàn)了很多個性化的包裝需求, 特別是卷料特性差異大, 有的帶圖案、有的張力特性不均勻, 而在傳統(tǒng)的煙草卷煙和包裝技術(shù)中, 卷料輸送和張力控制方法很多不能滿足此要求. 為了克服以上問題, 以煙草包裝中的外包薄膜為例, 介紹一種基于變頻器PID控制的卷心驅(qū)動卷料勻拉力輸送裝置, 該裝置適用薄膜易拉伸變形、拉斷、需縱向糾偏、薄膜卷外圓不圓等情況, 其使用方便, 性能穩(wěn)定可靠.

1 勻拉力輸送裝置的結(jié)構(gòu)和控制

薄膜勻拉力輸送裝置采用變頻器PID控制、卷心驅(qū)動的方式, 主要由主驅(qū)動、卷心驅(qū)動和位于這兩者之間的緩沖機構(gòu)組成, 具體結(jié)構(gòu)見圖1. 圖中: 1—主制動單元; 2—主變頻器; 3—主電機; 4—固定輥; 5—位移檢測器; 6—薄膜盤; 7—從變頻器; 8—從制動單元; 9—從電機; 10—放卷軸; 11—分力滑塊; 12—浮動輥; 13—直線導(dǎo)軌; 14—主驅(qū)動輥; 15—薄膜. 該裝置的勻拉力體現(xiàn)在薄膜(15)張力等于3個浮動輥和分力滑塊的重力的1/6.

卷心驅(qū)動的特點是卷料輸出線速度穩(wěn)定, 但由于卷料直徑不斷變小, 從電機的轉(zhuǎn)速需跟隨增大.

當(dāng)主驅(qū)動輥(14)拉動薄膜(15)加速運行, 薄膜(15)拉動浮動輥(12)使分力滑塊(11)沿著導(dǎo)軌(13)向上移動, 分力滑塊(11)與位移檢測器(5)的距離變小, 位移檢測器(5)的電流輸出值變小, 從變頻器(7)根據(jù)反饋信號驅(qū)動從電機(9)加速轉(zhuǎn)動(電流輸出值越小卷心驅(qū)動電機加速度越大), 薄膜盤(6)加速退放薄膜. 當(dāng)薄膜(15)線速度大于主驅(qū)動輥(14)的線速度時, 分力滑塊(11)慢慢回落, 位移檢測器(5)的電流輸出值慢慢變大, 直到分力滑塊(11)到達恒定位置后電流值穩(wěn)定, 這時薄膜(15)的線速度與主驅(qū)動輥(14)的線速度同步.

當(dāng)主驅(qū)動輥(14)拉動薄膜(15)勻速運行, 分力滑塊(11)沿著導(dǎo)軌(13)做細微的上下運動, 位移檢測器(5)檢測這細微位置變化, 從變頻器(7)不斷根據(jù)反饋信號作PID調(diào)節(jié).

當(dāng)主驅(qū)動停止時, 分力滑塊(11)立即下降, 停止在最低位置. 位移檢測器(5)發(fā)出最低位置信號, 從電機(9)馬上通過外部制動緊急停止, 防止薄膜放卷冗余.

圖1 薄膜勻拉力輸送裝置構(gòu)成

2 變頻器PID控制方式和參數(shù)配置

2.1 PID控制方式

PID 控制, 就是在一個閉環(huán)控制系統(tǒng)中, 使被控物理量能夠迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近于控制目標(biāo)的一種手段. 欲使卷薄膜拉力輸送裝置薄膜輸送速度穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值上, 變頻器的 PID 功能將反饋信號與目標(biāo)信號不斷地進行比較, 并根據(jù)比較結(jié)果來實時地調(diào)整輸出頻率和電動機的轉(zhuǎn)速, 該裝置的PID控制如圖2所示.

圖2 薄膜勻拉力輸送裝置PID控制圖

薄膜勻拉力輸送裝置PID控制的傳遞函數(shù)為:

, (1)

式中:p為比例增益;i為積分時間;d為微分時間. 由判斷線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性方法[1]可知, 4d/i< 1.

2.2 參數(shù)配置

2.2.1 材料張力特性配置

設(shè)計適合的分力滑塊、配重塊和浮動輥數(shù)量需考慮不同材料的最大拉伸強度[2-3]:

式中:為材料最大拉伸強度;為分力滑塊和浮動輥質(zhì)量;為浮動輥數(shù)量; 系數(shù)根據(jù)材料特性選擇, 一般取0.6～0.8;為材料橫截面積.

在該薄膜勻拉力輸送裝置中, 浮動輥為3個,為3 kg左右, 使用材料一般為PE、PP、PET等, 以最大拉伸強度較小的PE膜(最大拉伸強度一般在15～28 MPa)計算, 該配置符合要求.

2.2.2 放卷驅(qū)動配置

在不同的放卷線速度要求時, 可能需要放卷驅(qū)動配置, 主要指配置放卷驅(qū)動的最大扭矩和最高轉(zhuǎn)速. 最大扭矩即啟動扭矩, 可根據(jù)卷料(直徑最大時)和傳動軸的質(zhì)量與結(jié)構(gòu)計算出轉(zhuǎn)動慣量, 然后選擇合適的電機. 當(dāng)卷料直徑最小時, 放卷線速度最大, 即電機轉(zhuǎn)速最高.

2.2.3 從變頻器參數(shù)配置

在該薄膜勻拉力輸送裝置中將從變頻器設(shè)置為PID閉環(huán)過程調(diào)節(jié)、速度負(fù)反饋(電流)、重新啟動為存儲參考值(模擬電位器)、外部制動方式[4], 根據(jù)這些功能確定從變頻器參數(shù), 應(yīng)特別選擇好與PID相關(guān)參數(shù), 如本機參考值(目標(biāo)值)、比例系數(shù)、積分時間、微分時間, 當(dāng)使用不同卷料時, 可根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用效果適當(dāng)調(diào)節(jié)這些參數(shù).

3 現(xiàn)場調(diào)試

3.1 參數(shù)設(shè)置

以德國丹佛斯公司的VLT2800變頻器和倍加福公司的F90系列位移傳感器(輸出信號為4～20 mA)為例, 根據(jù)所用功能配置從變頻器參數(shù), 設(shè)置方法詳見《丹佛斯VLT2800變頻器使用說明書(2006)》, 具體參數(shù)設(shè)置見表1, 其它參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值.

表1 變頻器參數(shù)表

3.2 PID調(diào)試

目標(biāo)值的給定與反饋信號直接相關(guān), 最終反應(yīng)在分力滑塊的穩(wěn)定位置(穩(wěn)定位置比停止位置抬高30 mm左右最佳)上, 根據(jù)監(jiān)視的反饋信號和經(jīng)驗, 目標(biāo)值(003)的范圍在1 800～1 980之間.

PID參數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗調(diào)法進行如下細調(diào):

確定比例系數(shù)(440). 先將積分時間、微分時間都設(shè)為0, 比例系數(shù)由0逐漸增大, 直到輸出信號(分力滑塊的位置)出現(xiàn)振蕩, 再反過來逐漸減小, 直到振蕩剛好消失, 發(fā)現(xiàn)此時比例系數(shù)在0.9～1.2左右, 根據(jù)經(jīng)驗先設(shè)60%, 暫設(shè)0.7.

再確定積分時間(441). 先給441輸入較大值20, 再逐漸減小, 直到輸出信號出現(xiàn)振蕩, 再反過來逐漸增大, 直到振蕩剛好消失, 發(fā)現(xiàn)此時積分時間在6～12ms左右, 根據(jù)經(jīng)驗先設(shè)150%, 暫設(shè)9.

最后確定微分時間(442). 先給442輸入0, 再逐漸增大, 直到輸出信號出現(xiàn)振蕩, 再反過來逐漸減小, 直到振蕩剛好消失, 發(fā)現(xiàn)此時微分時間在0.6～1.0 ms左右, 根據(jù)經(jīng)驗先設(shè)30%, 暫設(shè)0.2.

根據(jù)現(xiàn)場帶實物調(diào)節(jié)情況, 選定參數(shù)目標(biāo)值(003) = 1 950、比例系數(shù)(440) = 0.6、積分時間(441) = 8 ms、微分時間(442) = 0.2 ms.

4 穩(wěn)定性分析

該薄膜勻拉力輸送裝置的PID控制系統(tǒng)目標(biāo)值為常數(shù), 且無其它干擾輸入, 那么反饋信號的穩(wěn)定性決定PID控制的穩(wěn)定性, 即只要分力滑塊的位置能穩(wěn)定在同一高度做細微位置變化, 則位移檢測器的電流輸出值變化非常小, 也就是反饋信號穩(wěn)定.

根據(jù)PID參數(shù)4×0.2/8 = 0.1 < 1, 達到線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件. 為進一步驗證該裝置的性能, 采用MATLAB仿真或者采用示波器觀察位移檢測器的輸出電流曲線, 均可觀察其性能, 本文采用示波器觀察位移傳感器的輸出電流曲線來說明其性能.

該裝置PID控制系統(tǒng)測試圖如圖3所示, 位移傳感器的輸出電流曲線如圖4所示. 圖4中, X1、X2分別為薄膜加速度為1.1 m/s2和0.6 m/s2時, 電流的輸出曲線.

圖3 PID控制系統(tǒng)測試圖

圖4 位移傳感器的輸出電流曲線圖

根據(jù)圖4可知, 主驅(qū)動輥加速度越快, 位移檢測器的輸出值電流過調(diào)量越大, 達到穩(wěn)定時間越長. 主驅(qū)動輥加速度為0時, 分力滑塊沿著導(dǎo)軌作細微的上下運動, 位移檢測器輸出值電流做細微振蕩, PID控制穩(wěn)定, 與現(xiàn)場實驗驗證結(jié)果相同.

由圖4還可知, 該PID控制的穩(wěn)定時間稍長(穩(wěn)定時間不僅與PID調(diào)節(jié)相關(guān), 還與主驅(qū)動的速度上升時間相關(guān))、過調(diào)量稍大, 但這對薄膜輸送影響很小.

5 結(jié)語

在設(shè)計放卷易拉伸變形材料的裝置時, 材料的拉伸強度是考慮的重點. 本文通過對卷料輸送能力和材料拉伸強度的分析, 應(yīng)用分力滑塊和變頻器內(nèi)置的PID控制功能, 解決了材料易拉伸變形或拉斷的問題. 在放卷不同的材料時, 該勻拉力輸送裝置具有很強的適應(yīng)性, 有較大的應(yīng)用價值, 不僅可應(yīng)用于煙草設(shè)備的薄膜輸送中, 還可應(yīng)用在其它卷料輸送及包裝行業(yè)中.

該裝置性能穩(wěn)定, 結(jié)構(gòu)簡單, 使用方便, 雖然通過穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)該PID控制的穩(wěn)定時間稍長, 但這對卷料輸送影響很小, 可做模糊PID控制進一步深入研究.

[1] 張愛民. 自動控制原理[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006: 62-116.

[2] 薛增泉. 薄膜材料物理[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 1991:32-51.

[3] 劉鴻. 材料力學(xué)[M]. 北京: 4版. 高等教育出版社, 2011: 19-21, 235-243.

[4] 孫傳森. 變頻器技術(shù)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009: 20-54.

A kind of coil uniform tensionconveying installation based on inverter PID control

TIAN Feng-zhi

(Changde Tobacco Machinery Co., Ltd., Changde 415000, China)

By the analysis of coil conveying capacity and material tensile strength, using the inverter PID control function, a kind of coil uniform tension conveying installation was designed, which concluded inverter PID control and cabbage drive, can track the coil speed real-time of the main drive with high synchronization accuracy, and has no tensile deformation, pattern distortion. The equipment has been verified in tobacco packaging machinery, which shows that it is easily operated, high reliabilabe.

inverter; PID control; coil; uniform tension; conveying installation

10.3969/j.issn.1672-6146.2011.03.025

TH 13; TH 43

1672-6146(2011)03-0088-04

2011-08-26

田鳳志(1983-), 工程師, 主要從事煙草、紙業(yè)包裝機械的設(shè)計與開發(fā). E-mail: tianfz@ccdtm.com

(責(zé)任編校:江 河)