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张力控制试验平台及监测系统的研究
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0 引言
张力控制技术，是工业生产中具有共性的基础技术，在线切割、拉膜、拉丝、包装、纺织、印刷、冶金等工业生产中有着广泛应用。
工业实际生产过程中的张力控制是一个大时变、非线性的系统，具有变参数、变负载、强扰动等一系列特点［1］。传统的基于线性模型的控制策略在应用于实际生产中会产 生很大的控制误差。如何针对张力控制的特点，建立优化的动力学模型，及针对模型非线性提出有效的控制策略是解决张力控制问题的关键。
为了配合高速、高精度张力控制器的研制、调试和考核，并对张力控制策略优化，研制了一个接近实际控制对象并具有类似负载特性的试验平台，及基于此试验平台和张力控制器调试要求的张力试验参数采集监测分析系统。
如图1所示。试验平台的机械部分主要由开卷机构、测量辊机构、卷绕机构等部分组成。试验平台中，对张力段的分割采用机械式S辊来实现。试验平台上2个S辊将生产线分为3个张力段。
1）开卷张力段：用于将带材展平；
2）中间张力段；用于实现不同生产工艺对张力控制要求；
3）卷绕张力段：按一定的张力要求将带材成卷。
张力测量辊机构的设计对张力测量的精度有很大的影响，实际生产中常用的有两种形式的测量机构——负载测量型（Load cell）和舞蹈辊测量型（Dancer arm）。为了对两种测量辊机 构的测量精度及响应速度进行分析研究，在试验平台的不同张力段分别安装了这两种形式的测量机构。
1.1负载测量型［3、4］
此种测量型式适应比较重的材料和有限的空间。张力传感器直接测量带张力的大小，并反馈控制。测量过程中测量辊固定不动。因此，对于此种类型，测量辊的安装精度是控制的关键 。其缺点是由于测量辊固定，不能吸收张力峰值波动，因此，此类生产线设备运行的加减速不可太快。
1.2舞蹈辊测量型
舞蹈辊测量型是一种间接张力测量系统，其实质是位置测量。它由3个辊组成，两边为固定辊，中间为摆动式浮动辊。在摆臂上有一个可调整压力的汽缸，还有一个测量摆臂的位移传 感器。浮动辊上带材的张力大小是由汽缸的压力和浮动辊的自重所决定的。
舞蹈辊测量张力系统在张力有发生变化趋势时就去调整前后级的速度差。通过浮动辊的位置移动，来迅速保持张力的恒定。这比力传感器式张力测量系统在检测到张力变化后再作调整 快捷的多。浮动辊式系统还有一个最大的优点，其本身就是一个储能机构，利用其自身的 冗余作用，对大范围的张力跳变具有吸收缓冲作用。此种类型的测量机构在小张力控制系统 应用的较多。
2 控制与监测系统方案
2.1 控制与监测系统需求分析
张力控制需要采集被控对象的张力状态、卷绕和开卷伺服电机的转速及位置信号，输出电机的转速值和张力设定值等。另外，为了便于在调试阶段优化控制策略，全面评价张力控制器 的性能，还应采集过程数据，记录伺服电机的输出转矩、张力－时间曲线等一系列参数。
根据上述分析，试验系统采用上、下位机结构：上位机主要用于完成智能算法的运算、传真和实验数据的监测、分析等功能；下位机主要完成张力控制等功能。上位机和下位机同步监视和记录试验过程数据。它们之间的数据交换通过串行通讯得到。
2.2 控制与监测系统硬件组成
2.2.1监测计算机
实验系统中计算机主要有两个用途，其一是实时监测实验过程数据。工控机安装有专门为系统开发的数据采集、分析、处理应用程序，可为试验数据建立各种动态曲线，完成对实验数 据的分析、评定等工作。
另一个用途就是利用其高速运算、处理能力，实现及优化先进控制算法。研究人员在IPC上完成算法的演算及优化后，通过JTAG接口（基于IEEE1149.1标准）把仿真调试和算法程序下载到张力控制器DSP芯片的FLASH中。
采用上述结构，试验过程中可随时察看CPU内部及外设的工作情况，为程序的调试和控制策 略的优化带来极大方便。
2.2.2张力控制器
自主研制的张力控制器的系统结构如图2所示，主控制芯片选用型号为TMS320LF2407A的DSP芯片，由它完成对各种实时输入信号的处理，及由上位机处理后的智能控制算法实现。
外部数据RAM主要用来进行外部仿真调试用。掉电保护RAM主要用来存放系统需要存储的一些重要参数。另外，张力控制器板上还有脉冲编码四倍频电路、故障诊断及保护电路、外部扩展接口、RS232通讯接口等电路。
2.2.3转矩采集卡
系统采用PI900转矩采集卡对开卷伺服电机的转矩进行测量，其最小采样间隔为10 ms。使用时将采集卡插入工控机ISA插槽，并分别将3块卡的I/O地址配置为300H～31FH、340H～35FH 和380H～39FH，中断号配置为IRQ10、IRQ11和IRQ12。
2.2.4差动电容式传感器［2］
差动电容式传感器是张力测试装置的核心器件，其工作原理如图3所示。在张力为零时，初始极距δ1=δ2，S=δ1+δ2；当被控对象张力作用于导向轮上时，动极片上下移动，距离发生变化Δδ，电容量也相应发生变化ΔC，其相对变化量为ΔC/C，当距离的变化量Δδ很小时，可以认为电容的变化量ΔC与Δδ近似成线性关系。该距离变化量通过图3b所示的电桥电路转换为电量，再经后面的配套装置处理，显示或记录被控对象张力。
数据监测、分析软件可为试验者提供简单快捷的数据分析工具，以及实时及历史数据曲线，系统所使用的应用程序主要包括：监控图形系统、故障信息系统、数据记录系统、报表系统等。
实验者可以利用数据分析和处理软件对实时采集的数据进行分析，对控制策略进行评定，进一步优化控制策略、改变控制环节参数以获得不同的实验结果。
3 张力控制策略及试验
3.1张力控制原理
如图1所示，张力控制系统采用三反馈环的交流伺服控制结构，其分别为伺服电机的速度环、位置环和张力闭环。
下面对张力反馈环作进一步分析：浮动辊、汽缸、固定辊及精密电容式张力传感器构成张力 检测系统。如图1所示，浮动辊安装在可沿A点作上下摆动的悬臂上，悬臂与汽缸相连。当设定开卷张力参数后，控制器给出电信号至电气压力转换器（E/P），由其提供一定压力的压缩空气到汽缸，产生向上支撑力，把浮动辊推向下方，张紧薄膜，完成开卷张力的设定。
当由于某种原因（开卷轴直径变化、被控对象材料不均、材料的弹性塑性变形、扰动等因素影响）开卷和收卷电机速度不同步时，浮动辊在汽缸的作用下，向上方或下方移动，浮动辊的上下摆动使得精密电容式张力传感器（如图3b所示）的动极片跟着上下滑动，因此，从电容器输出端的电压信号发生变化，反馈电压和设定电压值比较后，张力控制器改变输出脉冲的频率，从而使开卷伺服电机速度发生相应的变化，维持张力的恒定，使得生产得以顺利进行。
3.2张力控制策略及实现
试验平台上可完成多种复杂张力控制算法（神经网络、进化算法、模糊理论、DNA生物软计算等）的研究。文中采用基于单神经元的自适应PID控制算法［5］进行试验。
单神经元自适应PID控制器结构框图如图4所示。图中转换器的输入为张力设定值r（k）和实测值y(k)，输出为神经元学习控制所需要的状态量x1、x2、x3。神经元PID控制器的输出为：
在单神经元控制器中引入输出误差平方的二次型性能指标J，通过修改神经元控制器的加权系数wi（k），使性能指标趋于最小，从而实现自适应PID的最优控制。
设二次型性能指标函数为：
对上述算法进行规范整理后，可得学习算法如下：
张力控制技术，是工业生产中具有共性的基础技术，在线切割、拉膜、拉丝、包装、纺织、印刷、冶金等工业生产中有着广泛应用。
工业实际生产过程中的张力控制是一个大时变、非线性的系统，具有变参数、变负载、强扰动等一系列特点［1］。传统的基于线性模型的控制策略在应用于实际生产中会产 生很大的控制误差。如何针对张力控制的特点，建立优化的动力学模型，及针对模型非线性提出有效的控制策略是解决张力控制问题的关键。
为了配合高速、高精度张力控制器的研制、调试和考核，并对张力控制策略优化，研制了一个接近实际控制对象并具有类似负载特性的试验平台，及基于此试验平台和张力控制器调试要求的张力试验参数采集监测分析系统。
如图1所示。试验平台的机械部分主要由开卷机构、测量辊机构、卷绕机构等部分组成。试验平台中，对张力段的分割采用机械式S辊来实现。试验平台上2个S辊将生产线分为3个张力段。
1）开卷张力段：用于将带材展平；
2）中间张力段；用于实现不同生产工艺对张力控制要求；
3）卷绕张力段：按一定的张力要求将带材成卷。
张力测量辊机构的设计对张力测量的精度有很大的影响，实际生产中常用的有两种形式的测量机构——负载测量型（Load cell）和舞蹈辊测量型（Dancer arm）。为了对两种测量辊机 构的测量精度及响应速度进行分析研究，在试验平台的不同张力段分别安装了这两种形式的测量机构。
1.1负载测量型［3、4］
此种测量型式适应比较重的材料和有限的空间。张力传感器直接测量带张力的大小，并反馈控制。测量过程中测量辊固定不动。因此，对于此种类型，测量辊的安装精度是控制的关键 。其缺点是由于测量辊固定，不能吸收张力峰值波动，因此，此类生产线设备运行的加减速不可太快。
1.2舞蹈辊测量型
舞蹈辊测量型是一种间接张力测量系统，其实质是位置测量。它由3个辊组成，两边为固定辊，中间为摆动式浮动辊。在摆臂上有一个可调整压力的汽缸，还有一个测量摆臂的位移传 感器。浮动辊上带材的张力大小是由汽缸的压力和浮动辊的自重所决定的。
舞蹈辊测量张力系统在张力有发生变化趋势时就去调整前后级的速度差。通过浮动辊的位置移动，来迅速保持张力的恒定。这比力传感器式张力测量系统在检测到张力变化后再作调整 快捷的多。浮动辊式系统还有一个最大的优点，其本身就是一个储能机构，利用其自身的 冗余作用，对大范围的张力跳变具有吸收缓冲作用。此种类型的测量机构在小张力控制系统 应用的较多。
2 控制与监测系统方案
2.1 控制与监测系统需求分析
张力控制需要采集被控对象的张力状态、卷绕和开卷伺服电机的转速及位置信号，输出电机的转速值和张力设定值等。另外，为了便于在调试阶段优化控制策略，全面评价张力控制器 的性能，还应采集过程数据，记录伺服电机的输出转矩、张力－时间曲线等一系列参数。
根据上述分析，试验系统采用上、下位机结构：上位机主要用于完成智能算法的运算、传真和实验数据的监测、分析等功能；下位机主要完成张力控制等功能。上位机和下位机同步监视和记录试验过程数据。它们之间的数据交换通过串行通讯得到。
2.2 控制与监测系统硬件组成
2.2.1监测计算机
实验系统中计算机主要有两个用途，其一是实时监测实验过程数据。工控机安装有专门为系统开发的数据采集、分析、处理应用程序，可为试验数据建立各种动态曲线，完成对实验数 据的分析、评定等工作。
另一个用途就是利用其高速运算、处理能力，实现及优化先进控制算法。研究人员在IPC上完成算法的演算及优化后，通过JTAG接口（基于IEEE1149.1标准）把仿真调试和算法程序下载到张力控制器DSP芯片的FLASH中。
采用上述结构，试验过程中可随时察看CPU内部及外设的工作情况，为程序的调试和控制策 略的优化带来极大方便。
2.2.2张力控制器
自主研制的张力控制器的系统结构如图2所示，主控制芯片选用型号为TMS320LF2407A的DSP芯片，由它完成对各种实时输入信号的处理，及由上位机处理后的智能控制算法实现。
外部数据RAM主要用来进行外部仿真调试用。掉电保护RAM主要用来存放系统需要存储的一些重要参数。另外，张力控制器板上还有脉冲编码四倍频电路、故障诊断及保护电路、外部扩展接口、RS232通讯接口等电路。
2.2.3转矩采集卡
系统采用PI900转矩采集卡对开卷伺服电机的转矩进行测量，其最小采样间隔为10 ms。使用时将采集卡插入工控机ISA插槽，并分别将3块卡的I/O地址配置为300H～31FH、340H～35FH 和380H～39FH，中断号配置为IRQ10、IRQ11和IRQ12。
2.2.4差动电容式传感器［2］
差动电容式传感器是张力测试装置的核心器件，其工作原理如图3所示。在张力为零时，初始极距δ1=δ2，S=δ1+δ2；当被控对象张力作用于导向轮上时，动极片上下移动，距离发生变化Δδ，电容量也相应发生变化ΔC，其相对变化量为ΔC/C，当距离的变化量Δδ很小时，可以认为电容的变化量ΔC与Δδ近似成线性关系。该距离变化量通过图3b所示的电桥电路转换为电量，再经后面的配套装置处理，显示或记录被控对象张力。
数据监测、分析软件可为试验者提供简单快捷的数据分析工具，以及实时及历史数据曲线，系统所使用的应用程序主要包括：监控图形系统、故障信息系统、数据记录系统、报表系统等。
实验者可以利用数据分析和处理软件对实时采集的数据进行分析，对控制策略进行评定，进一步优化控制策略、改变控制环节参数以获得不同的实验结果。
3 张力控制策略及试验
3.1张力控制原理
如图1所示，张力控制系统采用三反馈环的交流伺服控制结构，其分别为伺服电机的速度环、位置环和张力闭环。
下面对张力反馈环作进一步分析：浮动辊、汽缸、固定辊及精密电容式张力传感器构成张力 检测系统。如图1所示，浮动辊安装在可沿A点作上下摆动的悬臂上，悬臂与汽缸相连。当设定开卷张力参数后，控制器给出电信号至电气压力转换器（E/P），由其提供一定压力的压缩空气到汽缸，产生向上支撑力，把浮动辊推向下方，张紧薄膜，完成开卷张力的设定。
当由于某种原因（开卷轴直径变化、被控对象材料不均、材料的弹性塑性变形、扰动等因素影响）开卷和收卷电机速度不同步时，浮动辊在汽缸的作用下，向上方或下方移动，浮动辊的上下摆动使得精密电容式张力传感器（如图3b所示）的动极片跟着上下滑动，因此，从电容器输出端的电压信号发生变化，反馈电压和设定电压值比较后，张力控制器改变输出脉冲的频率，从而使开卷伺服电机速度发生相应的变化，维持张力的恒定，使得生产得以顺利进行。
3.2张力控制策略及实现
试验平台上可完成多种复杂张力控制算法（神经网络、进化算法、模糊理论、DNA生物软计算等）的研究。文中采用基于单神经元的自适应PID控制算法［5］进行试验。
单神经元自适应PID控制器结构框图如图4所示。图中转换器的输入为张力设定值r（k）和实测值y(k)，输出为神经元学习控制所需要的状态量x1、x2、x3。神经元PID控制器的输出为：
在单神经元控制器中引入输出误差平方的二次型性能指标J，通过修改神经元控制器的加权系数wi（k），使性能指标趋于最小，从而实现自适应PID的最优控制。
设二次型性能指标函数为：
对上述算法进行规范整理后，可得学习算法如下：
[p]
任意选取。
3.3试验结果分析
试验监测系统所得的监测数据曲线分别如图5、图6、图7所示。
由图分析可知，K值不能选取过大，过大容易引起系统响应超调过大；K值也不能过小，过小则使过渡过程加长。因此，可先确定一个合理的增益K，再根据实控结果进行调整；由于采用了规范化学习算法，学习速率ηp、ηI、ηD可取大些。如果过程从超调趋向平稳的时间过长，可增加ηp、ηD而不采用ηI。
利用具有自学习和自适应能力的单神经元来构成单神经元自适应PID控制器，不仅结构简单，学习算法物理意义明确，计算量小，而且能适应环境变化，具有较强的鲁棒性。
4 结论
笔者所设计的张力控制试验平台已经建成并投入试验应用。实验表明，其能够模拟工业多种生产实际情况，它的构建为解决工业生产中高速、高精度张力控制策略的研究提供试验条件；为张力控制器的开发、调试、优化、考核提供了一种经济而高效的手段。
参考文献
［1］G.F.Franklin,J.David Powell.Michael Workman,Digital Con trol of Dynamic Systems［M］.Addison瞁esley,1998．
［2］庾在海，吴文英，陈瑞琪.纺织过程中的纱线张力测试方法［J］.传感器世界，2004，（1）：28-29.
［3］N.A.Ebler，R.Arnason，G Michaelis.Tension Control:Dancer Rolls or Load Cells［J］.IEEE Trans.on Industry Applications,1993，29(4)：727-739.
［4］史步海，丁川，李向阳.铜带气垫炉生产线小张力控制的研究［J］.制造业自动化，2004，（4）：47-49.
［5］陶永华.新型PID控制及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2002.(end)
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