陳杰金++霍覽宇

摘 要：間接張力的控制方法又被稱之為補(bǔ)償控制法，它其實(shí)是通過(guò)影響張力穩(wěn)定因素的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而來(lái)補(bǔ)償動(dòng)態(tài)張力可能出現(xiàn)的變化，以間接的保持張力的平衡與穩(wěn)定，即只用給出張力的固定值，不需要采用任何設(shè)備來(lái)檢測(cè)張力的實(shí)際數(shù)值也無(wú)需對(duì)張力采用閉環(huán)的控制法，只用對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流和電壓來(lái)進(jìn)行控制，并且還能間接的控制住張力的平衡，確保電動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)力矩不發(fā)生改變，從而保證卷取產(chǎn)品的張力固定值。

關(guān)鍵詞：間接張力；控制系統(tǒng)；優(yōu)化

項(xiàng)目基金：湖南省2013年度教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目，課題編號(hào)：13C254。

人們生活中使用的電線電纜在生產(chǎn)過(guò)程中需要做絕緣加塑，其中對(duì)張力的控制是一個(gè)非常重要的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，能夠良好的控制張力可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)過(guò)程中的效率。在20世紀(jì)70年代末時(shí)期，就有學(xué)者大膽提出間接張力控制的算法，能夠簡(jiǎn)優(yōu)化間接張力控制。該控制方法的計(jì)算方法比較簡(jiǎn)單，只需要少數(shù)的參數(shù)，計(jì)算的系統(tǒng)能夠與相似的參數(shù)模型匹配，所以，讓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和所控制的對(duì)象沒(méi)有關(guān)聯(lián)，多用于多變量系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)以及單變量系統(tǒng)中，在生產(chǎn)和加工中被廣泛的運(yùn)用和推廣[1-2]。

一、間接張力控制系統(tǒng)的理論和原理

間接張力控制方法又稱為補(bǔ)償?shù)目刂品椒?。它是通過(guò)影響張力穩(wěn)定因素的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)它的調(diào)節(jié)補(bǔ)償，進(jìn)而補(bǔ)償張力可能出現(xiàn)的變化，從而間接的保證整理的穩(wěn)定。但是這種控制方法是屬于張力的開(kāi)環(huán)控制，所以，控制的精度不夠高，那么對(duì)動(dòng)態(tài)的干擾以及調(diào)節(jié)能力也都比較差。當(dāng)系統(tǒng)在起動(dòng)的時(shí)候，也就是在張力構(gòu)建的過(guò)程中，通過(guò)使用間接張力的控制方法能夠起到很好的補(bǔ)償作用。

二、間接張力控制的方法

（一）最大力矩控制法。最大力矩控制法的原則就是當(dāng)電動(dòng)機(jī)保持基本速度階段時(shí)，維持磁通和滿磁方法在高速度階段時(shí)保持電壓的滿壓法，讓電動(dòng)機(jī)的力矩能力能夠得到有效地發(fā)揮。這種控制系統(tǒng)其實(shí)就是電樞的電流隨著卷徑的正反比例來(lái)變化的，磁通始終保持著不變，所以說(shuō)明磁通的改變并不是隨著卷徑的正反比例而變化的，而是由于勵(lì)磁的回路來(lái)根據(jù)電機(jī)的工作情況來(lái)改變的。這種控制的方法有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的弱磁倍數(shù)和卷徑是沒(méi)有任何關(guān)系的，所以，在選用電動(dòng)機(jī)的時(shí)候可以選擇弱磁倍數(shù)較小的電動(dòng)機(jī)，這樣對(duì)電動(dòng)機(jī)的制造更有利；②在基本速度以下時(shí)電動(dòng)機(jī)在滿磁的環(huán)境下運(yùn)行，所以不光是起動(dòng)，制動(dòng)的時(shí)候過(guò)度的過(guò)程會(huì)隨之加快，可以充分的輸出最大的扭轉(zhuǎn)力矩，同時(shí)還大大增加了過(guò)載的能力；③在電動(dòng)機(jī)有效利用的同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)能在基本的速度下輸出最大的扭轉(zhuǎn)力矩，在基本的速度以上時(shí)能夠有效的輸出最大功效；④當(dāng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，卷取機(jī)出現(xiàn)的無(wú)功沖擊負(fù)荷力相對(duì)較小。

（二）電流電勢(shì)復(fù)合控制法。電流電勢(shì)復(fù)合控制法通常都是由磁場(chǎng)控制和電流控制兩大部分構(gòu)成。該方法的優(yōu)點(diǎn)主要是電樞的電流和張力是成正比，DB和Φ成正比，所以控制起開(kāi)更加直觀。電流電勢(shì)復(fù)合控制法在應(yīng)用過(guò)程中也存在一定的缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)主要包括：①卷曲過(guò)程中，Φ/DB必須保持為常數(shù)，也就是電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁通必須隨著卷徑的改變而改變，只有當(dāng)卷徑在最大時(shí)的時(shí)候，卷筒電動(dòng)機(jī)才在正常磁下工作，其它時(shí)候都在若磁下工作。尤其是剛開(kāi)始卷曲時(shí)，卷徑數(shù)值最小，電動(dòng)機(jī)在最弱磁狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)卷曲結(jié)束后，卷筒直徑DB數(shù)值最大，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)是滿磁狀態(tài)，所以電動(dòng)機(jī)力矩?zé)o法充分利用；②在整個(gè)卷曲過(guò)程中，由于Φ/DB必須保持為常數(shù)，所以在對(duì)卷筒傳電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇時(shí)，電動(dòng)機(jī)的弱磁倍數(shù)必須最少要和卷徑變化的倍數(shù)一致，且其倍數(shù)超過(guò)卷徑變化的倍數(shù)更好。針對(duì)卷徑變化倍數(shù)大及其相對(duì)應(yīng)的弱磁倍數(shù)也大的環(huán)境，使用間接張力控制的方式，會(huì)增大傳動(dòng)電機(jī)的體積，那么系統(tǒng)的慣量也會(huì)隨之增大，同時(shí)其價(jià)格也會(huì)有所上漲。并且，我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上電動(dòng)機(jī)的最大弱磁倍數(shù)大約是4倍，這使得卷徑變化的倍數(shù)遭到了限制。

三、間接張力控制系統(tǒng)的補(bǔ)償優(yōu)化方法

卷曲機(jī)在加速和減速的過(guò)程中，會(huì)受到一定的機(jī)械慣性影響，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力矩MJ，且MJ的數(shù)值通常都比較大，因此不可忽略。為了保持恒定的張力，必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，以進(jìn)一步優(yōu)化間接張力控制系統(tǒng)。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的原理得出表達(dá)式：

（1）

由此得出電機(jī)軸上的飛輪慣量表達(dá)式：

（2）

式中GD2A代表線卷飛輪慣量；GD2m代表機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和卷筒的飛輪慣量；GD2D代表轉(zhuǎn)子的飛輪慣量。其中，GD2A的數(shù)值根據(jù)線卷的直徑變化而變化，而GD2m和GD2D可以當(dāng)做固定量。則： （3）

式中：i代表卷取到電機(jī)軸機(jī)械的傳動(dòng)比；B代表線材的寬度；D代表瞬時(shí)卷徑；D0代表最小的卷筒直徑；Y代表拉制線材的比重；ρ代表卷材占積率。

因此，得出表達(dá)式：

將該式帶入（5）式中得出表達(dá)式：

（4）

式中， 是常數(shù)。

則，加速和減速過(guò)程中，張力損失Fg的表達(dá)式為：

（5）

式中，2MJ·j代表卷軸上的轉(zhuǎn)矩，將（8）式帶入（9）式得出表達(dá)式：Fg=C1/D2 （6）

式中，C1=2iA1A2，C2=2iA1B1都是常數(shù)。

該函數(shù)表達(dá)式的關(guān)系說(shuō)明，在檢測(cè)出線速度變化率 和瞬時(shí)卷徑D的情況下，可以對(duì)張力直接進(jìn)行補(bǔ)償。

結(jié)束語(yǔ)：張力控制系統(tǒng)在電纜電線的制造和生產(chǎn)過(guò)程中是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，在整個(gè)加速過(guò)程中，只有在牽引、收線以及控制防線的生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要平衡的張力作用，這樣才能保證生產(chǎn)過(guò)程中銅芯不堆擠、銅芯不被拉扯斷裂，保證松緊程度適中、卷取排列整齊等，然而要想解決卷材的張力控制問(wèn)題就必須把劵繞過(guò)程中的速度以及卷徑還有其它能夠?qū)埩Ξa(chǎn)生干擾的因素降低。所以，對(duì)于張力的控制研究意義重大，且其被運(yùn)用的前景非常廣泛。在控制的理論發(fā)展上和實(shí)際的操作運(yùn)用當(dāng)中還是存在著以下兩方面差距和問(wèn)題：①通過(guò)各式各樣的智能控制計(jì)算犯非法的不斷創(chuàng)新與提出，并在理論以及實(shí)際的仿真操作試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證；②在當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中還是在運(yùn)用

PID這種比較傳統(tǒng)的控制方式。隨著當(dāng)今的生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和日益更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝也逐漸復(fù)雜化，PID這種比較傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的生產(chǎn)需求，它的各種性能以及指標(biāo)被當(dāng)今的生產(chǎn)工藝所淘汰，目前比較先進(jìn)的控制方法是間接張力控制法。間接張力控制法可以提高控制的能力，實(shí)現(xiàn)把理論和生產(chǎn)過(guò)程相結(jié)合的目的。對(duì)張力的控制必須要從整體的系統(tǒng)出發(fā)，朝著更高標(biāo)準(zhǔn)、高工藝、高水平、高智能的方向去發(fā)展，此次的研究分析有著重要且深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)：

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