摘要：論述了張力控制試驗平臺及監(jiān)測系統(tǒng)的硬件配置及軟件組成。詳細說明了該系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)的測量、多檔張力的控制、數(shù)據(jù)的監(jiān)測與采集等問題，并給出了基于此平臺完成的單神經(jīng)元自適應PID控制策略及其優(yōu)化實驗。
關(guān)鍵詞：張力控制；試驗平臺；監(jiān)測分析系統(tǒng)

The study of a tension control testbed and its monitor syst em
GUO Shuai，HE Yongyi，YAO Zhiliang，F(xiàn)ANG Minglun
(School of Mechanical Engineering & Automation under Shanghai Uni versity,Shanghai 200072,China)
Abstract：This paper describes the hardware configuration of a tension control testbed a nd its monitor and analyzing system,and analyzes the process data measurement,mu ltileveltension 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(shù)，是工業(yè)生產(chǎn)中具有共性的基礎(chǔ)技術(shù)，在線切割、拉膜、拉絲、包裝、紡織、印刷、冶金等工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛應用。

工業(yè)實際生產(chǎn)過程中的張力控制是一個大時變、非線性的系統(tǒng)，具有變參數(shù)、變負載、強擾動等一系列特點［1］。傳統(tǒng)的基于線性模型的控制策略在應用于實際生產(chǎn)中會產(chǎn) 生很大的控制誤差。如何針對張力控制的特點，建立優(yōu)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(guān)鍵。

為了配合高速、高精度張力控制器的研制、調(diào)試和考核，并對張力控制策略優(yōu)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(diào)試要求的張力試驗參數(shù)采集監(jiān)測分析系統(tǒng)。

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(gòu)、測量輥機構(gòu)、卷繞機構(gòu)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(xiàn)。試驗平臺上2個S輥將生產(chǎn)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(xiàn)不同生產(chǎn)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(gòu)的設(shè)計對張力測量的精度有很大的影響，實際生產(chǎn)中常用的有兩種形式的測量機構(gòu)——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(gòu)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(gòu)。

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(guān)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(chǎn)線設(shè)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(tǒng)，其實質(zhì)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(diào)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(tǒng)在張力有發(fā)生變化趨勢時就去調(diào)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(tǒng)在檢測到張力變化后再作調(diào)整 快捷的多。浮動輥式系統(tǒng)還有一個最大的優(yōu)點，其本身就是一個儲能機構(gòu)，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(gòu)在小張力控制系統(tǒng) 應用的較多。

2 控制與監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.1 控制與監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

張力控制需要采集被控對象的張力狀態(tài)、卷繞和開卷伺服電機的轉(zhuǎn)速及位置信號，輸出電機的轉(zhuǎn)速值和張力設(shè)定值等。另外，為了便于在調(diào)試階段優(yōu)化控制策略，全面評價張力控制器 的性能，還應采集過程數(shù)據(jù)，記錄伺服電機的輸出轉(zhuǎn)矩、張力－時間曲線等一系列參數(shù)。

根據(jù)上述分析，試驗系統(tǒng)采用上、下位機結(jié)構(gòu)：上位機主要用于完成智能算法的運算、傳真和實驗數(shù)據(jù)的監(jiān)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(jiān)視和記錄試驗過程數(shù)據(jù)。它們之間的數(shù)據(jù)交換通過串行通訊得到。

2.2 控制與監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

2.2.1監(jiān)測計算機

實驗系統(tǒng)中計算機主要有兩個用途，其一是實時監(jiān)測實驗過程數(shù)據(jù)。工控機安裝有專門為系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理應用程序，可為試驗數(shù)據(jù)建立各種動態(tài)曲線，完成對實驗數(shù) 據(jù)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(xiàn)及優(yōu)化先進控制算法。研究人員在IPC上完成算法的演算及優(yōu)化后，通過JTAG接口（基于IEEE1149.1標準）把仿真調(diào)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(jié)構(gòu)，試驗過程中可隨時察看CPU內(nèi)部及外設(shè)的工作情況，為程序的調(diào)試和控制策 略的優(yōu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)。

控制器工作時，實時采集被控對象的張力信號，經(jīng)模擬處理電路（主要由電 壓放大、濾波和V/F轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成）后，傳輸給DSP芯片。DSP芯片的捕捉計數(shù)模塊的CAP4通道對該脈沖信號計數(shù)，在定時中斷處理程序中把計數(shù)值與設(shè)定值比較，系統(tǒng)根據(jù)差值由控制算法進行處理，算出相應數(shù)目和頻率的脈沖以改變電機的轉(zhuǎn)速。

外部數(shù)據(jù)RAM主要用來進行外部仿真調(diào)試用。掉電保護RAM主要用來存放系統(tǒng)需要存儲的一些重要參數(shù)。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(zhuǎn)矩采集卡

系統(tǒng)采用PI900轉(zhuǎn)矩采集卡對開卷伺服電機的轉(zhuǎn)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(fā)生變化Δδ，電容量也相應發(fā)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(guān)系。該距離變化量通過圖3b所示的電橋電路轉(zhuǎn)換為電量，再經(jīng)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(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析軟件可為試驗者提供簡單快捷的數(shù)據(jù)分析工具，以及實時及歷史數(shù)據(jù)曲線，系統(tǒng)所使用的應用程序主要包括：監(jiān)控圖形系統(tǒng)、故障信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、報表系統(tǒng)等。

實驗者可以利用數(shù)據(jù)分析和處理軟件對實時采集的數(shù)據(jù)進行分析，對控制策略進行評定，進一步優(yōu)化控制策略、改變控制環(huán)節(jié)參數(shù)以獲得不同的實驗結(jié)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(tǒng)采用三反饋環(huán)的交流伺服控制結(jié)構(gòu)，其分別為伺服電機的速度環(huán)、位置環(huán)和張力閉環(huán)。

下面對張力反饋環(huán)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(gòu)成張力 檢測系統(tǒng)。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(shè)定開卷張力參數(shù)后，控制器給出電信號至電氣壓力轉(zhuǎn)換器（E/P），由其提供一定壓力的壓縮空氣到汽缸，產(chǎn)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(shè)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(fā)生變化，反饋電壓和設(shè)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(fā)生相應的變化，維持張力的恒定，使得生產(chǎn)得以順利進行。

3.2張力控制策略及實現(xiàn)

試驗平臺上可完成多種復雜張力控制算法（神經(jīng)網(wǎng)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(jīng)元的自適應PID控制算法［5］進行試驗。

單神經(jīng)元自適應PID控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。圖中轉(zhuǎn)換器的輸入為張力設(shè)定值r（k）和實測值y(k)，輸出為神經(jīng)元學習控制所需要的狀態(tài)量x1、x2、x3。神經(jīng)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(jīng)元的比例系數(shù)，k>0；wi(k)為對應于xi(k)的加權(quán)系數(shù)。

在單神經(jīng)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(jīng)元控制器的加權(quán)系數(shù)wi（k），使性能指標趨于最小，從而實現(xiàn)自適應PID的最優(yōu)控制。

設(shè)二次型性能指標函數(shù)為：

使加權(quán)系數(shù)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(diào)整。wi( k)的調(diào)整量為：

式中，ηi(i=I、P、D)為學習率。
對上述算法進行規(guī)范整理后，可得學習算法如下：

任意選取。

3.3試驗結(jié)果分析

試驗監(jiān)測系統(tǒng)所得的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(tǒng)響應超調(diào)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(jù)實控結(jié)果進行調(diào)整；由于采用了規(guī)范化學習算法，學習速率ηp、ηI、ηD可取大些。如果過程從超調(diào)趨向平穩(wěn)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(jīng)元來構(gòu)成單神經(jīng)元自適應PID控制器，不僅結(jié)構(gòu)簡單，學習算法物理意義明確，計算量小，而且能適應環(huán)境變化，具有較強的魯棒性。

4 結(jié)論

筆者所設(shè)計的張力控制試驗平臺已經(jīng)建成并投入試驗應用。實驗表明，其能夠模擬工業(yè)多種生產(chǎn)實際情況，它的構(gòu)建為解決工業(yè)生產(chǎn)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(fā)、調(diào)試、優(yōu)化、考核提供了一種經(jīng)濟而高效的手段。

參考文獻
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