一种自动纠偏控制装置
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参考文献 1 杨 位钦, 谢锡祺. 自动控制 原理. 北京: 电子工 业出版 社,
1 99 5 2 卢春 生. 光电探 测技 术及 应用. 北 京: 机械 工业 出版 社,
19 92 3 刘道楚. 工业仪表与自动化装置, 1986, 3: 26 4 晨钟. 包装科技, 1983, 3: 32
( 上接第34页)
带材在传输中的横向偏移由光电传感器4检测, 产生一个与偏移量成比例的电信号将其 送给放大
1999年第2期 工业仪表与自动化装置
·2 9·
器, 并通过门电路变为所需要的脉冲控制信号再经 过 功率 放 大送 至 步 进电 机 8 使其 正 转、停 或反 转 。步 进电机轴端连有丝杆10, 丝杆带动固连在滚动导轨 11 上的 螺 母9 使 滚动 导 轨上 的 收 卷 辊朝 跑 偏 的相 反 方向横向移动, 从而达到纠偏的目的。该系统不是去
( 4) 闭环控制系统由于组成系统的元件惯性、传 动链间隙等因素的存在, 会引起反馈控制系统的振 荡, 如果配合不当, 甚至使系统不能稳定工作。如丝 杆和螺母之间的配合间隙就应尽量小。
( 5) 本文研究的是收卷辊纠偏问题, 只能保证收 卷辊上的带材跑偏量在需要的范围内, 但由于中间 导向辊以及其他因素的影响, 带材在运行过程中还 是可能会产生跑偏的, 根据需要可在带材运行中间 或放卷处加纠偏控制装置。
纠正带材的跑偏, 而是使传感器始终跟踪带材边缘, 从而达到收卷辊带材边缘齐整的目的。还有一种放 卷辊纠偏形式, 这种纠偏形式适用于加工和处理卷 得不规则料卷的作业。
图2—2 收卷辊自动纠偏控制系统
2. 1 跑偏信号的测取 带材位移信号的连续、快速、准确可靠地测取是
2. 2 驱动部分 本系统最后执行纠偏任务的是步进电机。控制
·28·
工业仪 表与自动化装置 1999年第2期
一种自动纠偏控制装置
李开林
广东省机械研究所 广州: 510635
摘 要 带材跑偏是带材传输中很普遍的现象。本文介绍了一种小型自动纠偏装置, 对其原 理、结构作了阐述。
关键词 跑偏 纠偏 Abstreact Web dev iat ion is ver y comm om in t he oper at ion of t aken-up w eb. T his paper present s a sm all -size sel f-correct ing w eb position cont rol sy st em including it s w orking principle and st ruct ure Keyword Web deviat ion Deviat io n co rrect ion
( 2) 在系统中, 还要考虑传感器的安装位置。X 2 越大, 延迟时间就越长, 系统就越不稳定。所以传感 器应尽量放在离收卷辊的前一辊近的地方, 如把传 感器安装在收卷辊与其前一辊之间处, 由于带材卷 辊直径会变化, 带材上下移动比较大, 对传感器的安 装以及纠偏信号的拾取不利。
( 3) 由 T 1= L 1/ V 可知, 当 L 1一定时, V 越大, T 1 越小, 控制系 统就越稳 定。但 V 过大, 机器振动 也 大, 这也会影响控制系统的性能。
1 前言
在分切机、塑料印刷机、复卷机等机器上, 带材 跑偏是很普遍的现象。
所谓带材跑偏是指诸如纸张、塑料等可挠性带 材在运行中可能受到不可控制力的作用, 不能保持 直线运行而使其幅宽中心线偏离基准中心线。带材 在传输中一般经过3个环节, 即放卷、通过中间过渡 辊、收卷。由于其经过的环节多, 带材发生跑偏的机 会也多。带材产生跑偏有诸多原因, 如传动辊之间的 轴线不平行、传动辊表面不呈圆柱形、表面加工缺陷 以及带材张力不稳定等。通过机器本身来保证带材 跑偏在所要求的范围内就比较困难, 通常利用外加 一套自动纠偏系统来实现跑偏的自动纠正。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
N(X)=
4M PX
1-
(
$ X
)2
-
N
1 (X
)
=
-
PX 4M
1 1- ( $/ X ) 2
因 X 2 与 L2 相比较小, 可省略1/ ( T 2õX 2/ L 2 õS +
线。由图中可看出, 不管 T 1, K 1 , K 2 , $ , M 等于任何 值, 两者不能相交, 因而不会出现极限环, 这时系统 是稳定的。
值越大, 则自振的幅值越大。所以应尽量减小 S, 这
就要求配合间隙及元件惯性小。
4 试验结果与问题讨论
4. 1 试验结果 本自动纠偏控制系统经过了试验运行, 所用带 材为计算机打印用纸, 宽220mm, 带卷直径100mm, 带材 运行速度 为0～100m/ s, 可无级 调速, 一 般为 60m / s。步进电机转数在每分钟0～400转之间, 可以 调节。丝 杆螺距为3mm , 故纠偏速率在0～20mm / s 范围内。
本系统设计为用户提供了输入用对话框, 以便 于用户操作。
信息还可以存盘方式由软盘长期储存。
5 结束语
本系统在某企业已投入运行两年多, 得到了满 意的效果。这种在 Window s 环境下单机方式的后台 测量之设计思想对于各种工业现场的多种参数测量 控制与信息管理系统普遍适用。能大大提高微机的 利用率, 使一机多用成为可能。
在上面的分析中未考虑机械缺陷以及传动元件
和控制元件惯性的影响, 而这种影响往往是存在的。 这种影响对系统有一种延迟作用, 其传递函数可表 示为 e- ( SS) , 间隙越大, S越大, S为延迟时间。
如考虑延迟作用, 则 G( j X) 为:
1999年第2期 工业仪表与自动化装置
图2—4 步进电机驱动部分框图
3 系统理论分析
为了得到稳定的自动纠偏效果, 需要对系统作 理论分析。
收卷纠偏系统理论分析: 收卷纠偏系统的控制 框图见图3—1。
·30·
工业仪 表与自动化装置 1999年第2期
图3—1 收卷纠偏系统控制框图
通过对系统各组成环节传递函数的定性分析, 方框中, 整理后可得图3—2。 分别求得各环节的传递函数, 并填入图3—1的相应
4 信息管理功能
水流量实时信息管理软件有丰富的统计与打印 功能。既可通过选择打印菜单命令打印当前记录值、 日报表、月报表, 也可定时打印当前值。为提供用户 使用的灵活性, 打印日报表时, 由用户输入日报日期 和累计水量起始日期, 便可依据给定的日期从数据 文件中查找相应数据, 予以统计并进行打印。打印月 报表, 由用户输入若干指定数据项, 程序将根据数据 文件及用户给定数据打印月报表。
1) 项, 图3—2可进一步简化为图3—3形式。
图3—3
先讨论1/ ( T 1S + 1) 项, 这一项是稳定的。对于
后一项:
G( j X) =
K2 jX
其中 T 1 = L 1/ V , L 1 为收卷辊至上一辊的距离,
V 为带材运行速度, $ 为死区宽度, K 1为传感器的放
图3—4 G ( j X) 和- 1/ N ( X ) 曲线
·3 1·
G( j X) =
K e- ( Sj X) 2 jX
作出其- 1/ N ( X ) 和 G ( j X) 曲线, 如图3—4中
的 A 曲线和 C 曲线( S= 0. 1秒) 。
从图中看出- 1/ N( X) 和 G( j X) 曲线相交。可见
当系统存在延时元件 e- ( SS ) 时, 会引起系统的自振, S
现在采用的自动纠 偏控制装置主要有以下类 型:
气动( 位移传感器的形式) - 液压式( 执行机构 部分的形式) ; 电子- 液压式; 全电子式等。
气动位移传感器与电子位移传感器相比结构简 单, 能检测透明物体, 但响应稍差, 并且需要一套气 源。液压驱动与电力驱动相比, 功率大, 无须减速, 也 不需将旋转变为直线运动, 但有泄露问题, 并且费用 高。
( 1) 在带材运行中, 让带材维持一定的张力是非 常必要的。如带材在传动导向辊打滑, 会使纠偏效果
变坏, 因为带材在传动导向辊上打滑等于增加延迟 时间。张力大小的确定以使带材不打滑, 又使带材不 塑性变形为原则。而带卷直径在运行过程中会变化, 其带材张力会随带卷直径变化而改变, 所以纠偏控 制系统与自动张力控制系统结合起来使 用效果更 好。
保证系统正常工作的前提, 本装置采用了非接触反 步进电机运转的是脉冲信号, 而由传感器输出的是
射式光电传感器。其结构如图2—3。
模拟连续信号。所以要把放大器输出的连续信号通 过电压比较器与门电路变成所要求的脉冲信号。步
进电机作为驱动器, 其步距不受电压波动、负载变化
和环境条件的影响。同时其惯性很小, 快速性较好,
本文介绍一种全电子式自动纠偏控制装置, 结 构简单, 成本低, 非常适合于小型机器的纠偏需要。
2 自动纠偏系统
一个纠偏系统基本上是一个闭环反馈系统, 如 图2—1所示。
图2—1 闭环反馈系统
位移传感器检测带材位置, 并与给定量比较, 如 有偏移, 则令执行机构去纠正偏移直至在给定量要 求之内。由于中心位置的偏移难以测量, 因此通常取 材料的边缘位置作为控制信号的基准。自动纠偏控 制系 统的 结构如 图2 —2所 示。 所用试 验带材为打印用卷筒纸, 宽220mm , 承 受张力较小, 不允许出现折皱和卷边现象。带材由放 卷辊1经过中间导向辊3到收卷辊6, 收卷辊由直流电 机7带动, 可无级调速。磁粉离合器2用作加载, 使带 材具有一定的张力, 张力大小由施加给磁粉离合器 的励磁电流无级调节。
它的转速与脉冲频率成正比, 它能按照控制脉冲信
号的要求, 迅速起动、反转、制动、正转、无级调速。因
是脉冲信号控制, 所以很适合计算机的数字程序控
制。
驱动 部分框 图见 图2 —4。
图2—3 位移传感器结构
由光源1发出稳定直流光源, 经过透镜2变成平 行光, 经半透半反镜7后分成两束, 即直射光和反射 光, 反射光被参考光敏管6接收, 直射光射向反光镜 9, 再按原路返回, 经半透半反镜反射后再通过透镜3 聚焦成一点, 投射到测量光敏管4上, 当带材8在光轴 附近移动时, 测量光敏管4的照度发生与带材移动规 律有关的变化, 并发出相应的电信号。传感器输出的 电信号很小, 此电信号需用放大器进行放大。放大器 组成差动输入组态, 能双极性输入、输出。
图3 —2 传递函数框图
由中间电路输到步进电机驱动电源的控制信号 大倍数, K 2为电机、放大器及丝杠至螺母的总放大
为脉冲数字信号, 故应把本系统看作是非线性系统。 倍数, T 1为时间常数。
由控制理论可得有死区的三位继电器的描述函数
求出本系统的有关参数代入上式, 可作出- 1/
为:
N ( X ) 和 G( j X) 曲线, 如图3—4中的 A 曲线和 B 曲
在带材运行之前, 自动纠偏控制系统能自动地 将带材边缘维持在传感器光环内的某点上。当直流 电机开动而带动带材运行时, 步进电机根据传感器 信号将其带材边缘保持在传感器光环内的某一小区 间内。
试验结果表明当放卷辊带材边缘不齐量在小于 ± 25mm 时, 本系 统能 将收 卷辊 跑偏 量 控制 在± 0. 25mm 的范围内, 纠偏效果明显。该系统经多次反 复运转, 证明性能稳定可靠。 4. 2 问题讨论 一个纠偏控制系统能否正常工作涉及很多因 素, 下面对一些影响纠偏控制系统工作的问题进行 讨论。
1 99 5 2 卢春 生. 光电探 测技 术及 应用. 北 京: 机械 工业 出版 社,
19 92 3 刘道楚. 工业仪表与自动化装置, 1986, 3: 26 4 晨钟. 包装科技, 1983, 3: 32
( 上接第34页)
带材在传输中的横向偏移由光电传感器4检测, 产生一个与偏移量成比例的电信号将其 送给放大
1999年第2期 工业仪表与自动化装置
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器, 并通过门电路变为所需要的脉冲控制信号再经 过 功率 放 大送 至 步 进电 机 8 使其 正 转、停 或反 转 。步 进电机轴端连有丝杆10, 丝杆带动固连在滚动导轨 11 上的 螺 母9 使 滚动 导 轨上 的 收 卷 辊朝 跑 偏 的相 反 方向横向移动, 从而达到纠偏的目的。该系统不是去
( 4) 闭环控制系统由于组成系统的元件惯性、传 动链间隙等因素的存在, 会引起反馈控制系统的振 荡, 如果配合不当, 甚至使系统不能稳定工作。如丝 杆和螺母之间的配合间隙就应尽量小。
( 5) 本文研究的是收卷辊纠偏问题, 只能保证收 卷辊上的带材跑偏量在需要的范围内, 但由于中间 导向辊以及其他因素的影响, 带材在运行过程中还 是可能会产生跑偏的, 根据需要可在带材运行中间 或放卷处加纠偏控制装置。
纠正带材的跑偏, 而是使传感器始终跟踪带材边缘, 从而达到收卷辊带材边缘齐整的目的。还有一种放 卷辊纠偏形式, 这种纠偏形式适用于加工和处理卷 得不规则料卷的作业。
图2—2 收卷辊自动纠偏控制系统
2. 1 跑偏信号的测取 带材位移信号的连续、快速、准确可靠地测取是
2. 2 驱动部分 本系统最后执行纠偏任务的是步进电机。控制
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工业仪 表与自动化装置 1999年第2期
一种自动纠偏控制装置
李开林
广东省机械研究所 广州: 510635
摘 要 带材跑偏是带材传输中很普遍的现象。本文介绍了一种小型自动纠偏装置, 对其原 理、结构作了阐述。
关键词 跑偏 纠偏 Abstreact Web dev iat ion is ver y comm om in t he oper at ion of t aken-up w eb. T his paper present s a sm all -size sel f-correct ing w eb position cont rol sy st em including it s w orking principle and st ruct ure Keyword Web deviat ion Deviat io n co rrect ion
( 2) 在系统中, 还要考虑传感器的安装位置。X 2 越大, 延迟时间就越长, 系统就越不稳定。所以传感 器应尽量放在离收卷辊的前一辊近的地方, 如把传 感器安装在收卷辊与其前一辊之间处, 由于带材卷 辊直径会变化, 带材上下移动比较大, 对传感器的安 装以及纠偏信号的拾取不利。
( 3) 由 T 1= L 1/ V 可知, 当 L 1一定时, V 越大, T 1 越小, 控制系 统就越稳 定。但 V 过大, 机器振动 也 大, 这也会影响控制系统的性能。
1 前言
在分切机、塑料印刷机、复卷机等机器上, 带材 跑偏是很普遍的现象。
所谓带材跑偏是指诸如纸张、塑料等可挠性带 材在运行中可能受到不可控制力的作用, 不能保持 直线运行而使其幅宽中心线偏离基准中心线。带材 在传输中一般经过3个环节, 即放卷、通过中间过渡 辊、收卷。由于其经过的环节多, 带材发生跑偏的机 会也多。带材产生跑偏有诸多原因, 如传动辊之间的 轴线不平行、传动辊表面不呈圆柱形、表面加工缺陷 以及带材张力不稳定等。通过机器本身来保证带材 跑偏在所要求的范围内就比较困难, 通常利用外加 一套自动纠偏系统来实现跑偏的自动纠正。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
N(X)=
4M PX
1-
(
$ X
)2
-
N
1 (X
)
=
-
PX 4M
1 1- ( $/ X ) 2
因 X 2 与 L2 相比较小, 可省略1/ ( T 2õX 2/ L 2 õS +
线。由图中可看出, 不管 T 1, K 1 , K 2 , $ , M 等于任何 值, 两者不能相交, 因而不会出现极限环, 这时系统 是稳定的。
值越大, 则自振的幅值越大。所以应尽量减小 S, 这
就要求配合间隙及元件惯性小。
4 试验结果与问题讨论
4. 1 试验结果 本自动纠偏控制系统经过了试验运行, 所用带 材为计算机打印用纸, 宽220mm, 带卷直径100mm, 带材 运行速度 为0～100m/ s, 可无级 调速, 一 般为 60m / s。步进电机转数在每分钟0～400转之间, 可以 调节。丝 杆螺距为3mm , 故纠偏速率在0～20mm / s 范围内。
本系统设计为用户提供了输入用对话框, 以便 于用户操作。
信息还可以存盘方式由软盘长期储存。
5 结束语
本系统在某企业已投入运行两年多, 得到了满 意的效果。这种在 Window s 环境下单机方式的后台 测量之设计思想对于各种工业现场的多种参数测量 控制与信息管理系统普遍适用。能大大提高微机的 利用率, 使一机多用成为可能。
在上面的分析中未考虑机械缺陷以及传动元件
和控制元件惯性的影响, 而这种影响往往是存在的。 这种影响对系统有一种延迟作用, 其传递函数可表 示为 e- ( SS) , 间隙越大, S越大, S为延迟时间。
如考虑延迟作用, 则 G( j X) 为:
1999年第2期 工业仪表与自动化装置
图2—4 步进电机驱动部分框图
3 系统理论分析
为了得到稳定的自动纠偏效果, 需要对系统作 理论分析。
收卷纠偏系统理论分析: 收卷纠偏系统的控制 框图见图3—1。
·30·
工业仪 表与自动化装置 1999年第2期
图3—1 收卷纠偏系统控制框图
通过对系统各组成环节传递函数的定性分析, 方框中, 整理后可得图3—2。 分别求得各环节的传递函数, 并填入图3—1的相应
4 信息管理功能
水流量实时信息管理软件有丰富的统计与打印 功能。既可通过选择打印菜单命令打印当前记录值、 日报表、月报表, 也可定时打印当前值。为提供用户 使用的灵活性, 打印日报表时, 由用户输入日报日期 和累计水量起始日期, 便可依据给定的日期从数据 文件中查找相应数据, 予以统计并进行打印。打印月 报表, 由用户输入若干指定数据项, 程序将根据数据 文件及用户给定数据打印月报表。
1) 项, 图3—2可进一步简化为图3—3形式。
图3—3
先讨论1/ ( T 1S + 1) 项, 这一项是稳定的。对于
后一项:
G( j X) =
K2 jX
其中 T 1 = L 1/ V , L 1 为收卷辊至上一辊的距离,
V 为带材运行速度, $ 为死区宽度, K 1为传感器的放
图3—4 G ( j X) 和- 1/ N ( X ) 曲线
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G( j X) =
K e- ( Sj X) 2 jX
作出其- 1/ N ( X ) 和 G ( j X) 曲线, 如图3—4中
的 A 曲线和 C 曲线( S= 0. 1秒) 。
从图中看出- 1/ N( X) 和 G( j X) 曲线相交。可见
当系统存在延时元件 e- ( SS ) 时, 会引起系统的自振, S
现在采用的自动纠 偏控制装置主要有以下类 型:
气动( 位移传感器的形式) - 液压式( 执行机构 部分的形式) ; 电子- 液压式; 全电子式等。
气动位移传感器与电子位移传感器相比结构简 单, 能检测透明物体, 但响应稍差, 并且需要一套气 源。液压驱动与电力驱动相比, 功率大, 无须减速, 也 不需将旋转变为直线运动, 但有泄露问题, 并且费用 高。
( 1) 在带材运行中, 让带材维持一定的张力是非 常必要的。如带材在传动导向辊打滑, 会使纠偏效果
变坏, 因为带材在传动导向辊上打滑等于增加延迟 时间。张力大小的确定以使带材不打滑, 又使带材不 塑性变形为原则。而带卷直径在运行过程中会变化, 其带材张力会随带卷直径变化而改变, 所以纠偏控 制系统与自动张力控制系统结合起来使 用效果更 好。
保证系统正常工作的前提, 本装置采用了非接触反 步进电机运转的是脉冲信号, 而由传感器输出的是
射式光电传感器。其结构如图2—3。
模拟连续信号。所以要把放大器输出的连续信号通 过电压比较器与门电路变成所要求的脉冲信号。步
进电机作为驱动器, 其步距不受电压波动、负载变化
和环境条件的影响。同时其惯性很小, 快速性较好,
本文介绍一种全电子式自动纠偏控制装置, 结 构简单, 成本低, 非常适合于小型机器的纠偏需要。
2 自动纠偏系统
一个纠偏系统基本上是一个闭环反馈系统, 如 图2—1所示。
图2—1 闭环反馈系统
位移传感器检测带材位置, 并与给定量比较, 如 有偏移, 则令执行机构去纠正偏移直至在给定量要 求之内。由于中心位置的偏移难以测量, 因此通常取 材料的边缘位置作为控制信号的基准。自动纠偏控 制系 统的 结构如 图2 —2所 示。 所用试 验带材为打印用卷筒纸, 宽220mm , 承 受张力较小, 不允许出现折皱和卷边现象。带材由放 卷辊1经过中间导向辊3到收卷辊6, 收卷辊由直流电 机7带动, 可无级调速。磁粉离合器2用作加载, 使带 材具有一定的张力, 张力大小由施加给磁粉离合器 的励磁电流无级调节。
它的转速与脉冲频率成正比, 它能按照控制脉冲信
号的要求, 迅速起动、反转、制动、正转、无级调速。因
是脉冲信号控制, 所以很适合计算机的数字程序控
制。
驱动 部分框 图见 图2 —4。
图2—3 位移传感器结构
由光源1发出稳定直流光源, 经过透镜2变成平 行光, 经半透半反镜7后分成两束, 即直射光和反射 光, 反射光被参考光敏管6接收, 直射光射向反光镜 9, 再按原路返回, 经半透半反镜反射后再通过透镜3 聚焦成一点, 投射到测量光敏管4上, 当带材8在光轴 附近移动时, 测量光敏管4的照度发生与带材移动规 律有关的变化, 并发出相应的电信号。传感器输出的 电信号很小, 此电信号需用放大器进行放大。放大器 组成差动输入组态, 能双极性输入、输出。
图3 —2 传递函数框图
由中间电路输到步进电机驱动电源的控制信号 大倍数, K 2为电机、放大器及丝杠至螺母的总放大
为脉冲数字信号, 故应把本系统看作是非线性系统。 倍数, T 1为时间常数。
由控制理论可得有死区的三位继电器的描述函数
求出本系统的有关参数代入上式, 可作出- 1/
为:
N ( X ) 和 G( j X) 曲线, 如图3—4中的 A 曲线和 B 曲
在带材运行之前, 自动纠偏控制系统能自动地 将带材边缘维持在传感器光环内的某点上。当直流 电机开动而带动带材运行时, 步进电机根据传感器 信号将其带材边缘保持在传感器光环内的某一小区 间内。
试验结果表明当放卷辊带材边缘不齐量在小于 ± 25mm 时, 本系 统能 将收 卷辊 跑偏 量 控制 在± 0. 25mm 的范围内, 纠偏效果明显。该系统经多次反 复运转, 证明性能稳定可靠。 4. 2 问题讨论 一个纠偏控制系统能否正常工作涉及很多因 素, 下面对一些影响纠偏控制系统工作的问题进行 讨论。