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“科学指南”网站中国航空杂志266-271 20(2007) 艾斯维尔公司网站基于PLC的张力控制系统的发展REN Sheng-le*, LU Hua, WANG Yong-zhang, FU Hong-ya中国哈尔滨工业大学机械工程学系接收于2006年5月22日；2006年11月22日接受摘要：在直接影响缠绕型产品质量好坏的复合材料成型工艺中，纤维缠绕张力是一种很重要的因素，张力控制是纤维缠绕的关键技术。

本文介绍了用可编程逻辑控制器作为控制核心，交流（AC）伺服电机作为执行元件和radius-following设备功能模块（PLC）的闭环张力控制系统，实现实时半径补偿。

这就分析了张力控制系统的结构，建立了数模。

进而对卷曲半径的补偿技术进行分析。

实验结果表明，该系统具备着非常高的控制精度和非常快反应速度。

关键词：张力控制、可编程控制器、数控绕线机、交流伺服电机的数字复合材料纤维缠绕的组件具有低重量，高强度，高耐腐蚀等优点，并已广泛运用在航空航天工业中。

许多研究表明，不适当的或不稳定的张力会导致纤维缠绕强度成分20％-30％的损失。

一个理想的张力控制系统应提供在缠绕过程稳定和张力可调节的环境中[1-3]。

到目前为止，绕线机、张力控制器经过三年的发展，即经历了机械张力控制器，张力控制器，电气和计算机张力控制器阶段[4-5]。

随着电子技术的发展和高性能微处理器的出现，电脑张力控制器开始使用。

微处理器成为控制系统的核心，从而减少了电子控制系统的电路，大大简化了系统，提高了可靠性，尽量应用先进的控制方法。

因此，这种类型的控制器被广泛应用[6-7]。

在一些发达国家的不断改善中，张力控制技术日趋成熟和规范。

然而，中国的纤维缠绕产业起步较晚，与西方国家相比仍然被甩在身后。

国产的机械张力应用设备大多响应速度慢、精度低，不能满足紧张的市场需求。

因此，本文提出了一种基于PLC的张力控制系统。

1 系统设计1.1系统的构造一个缠绕张力控制系统一般包括三个主要部分，即退绕机、加工机和卷绕机，也可能会包含测量和控制部分，附加运输设备和压力传感器。

在退绕机和卷绕机这两种类型中，可能一个为内部驱动，一个为外部驱动。

外部驱动是指卷轴或皮带在卷绕的材料表面上运动时的驱动力，这种驱动力是由摩擦力产生的。

内部驱动是指在卷轴中装一个驱动装置，在卷轴上的线速度和纤维缠绕张力是随缠绕物的半径的变化而变化的，导致所谓的“缠绕厚度”[8]。

这种“缠绕厚度”现象让张力控制变得非常复杂，但由于内部驱动有很强适应性，内部驱动模式被广泛应用。

1.2 张力控制方案的设计该系统采用了内部驱动和向外拖拉纤维的配置方案。

因为交流数字伺服电机输出转矩与纤维张力和缠绕物半径成正比，所以为了恒定的纤维张力，输出转矩兼缠绕物半径应适当地减小。

缠绕物半径的变化可以用半径跟随器来测量与取样，然后再通过数字模拟转换器发送到PLC。

通过阅读张力的期望值，半径和张力可以用预调计算的算法来估计。

发送控制转速和转矩的指令，再将这种指令数模转换成模拟电压信号输出来控制伺服驱动器。

这种伺服驱动器以控制转速和输出转矩来控制纤维的张力。

用脉冲编码器和霍尔元片来分别测量伺服电机的转速和转矩，再把它反馈给PLC，这样就一起构成了一个闭环系统。

该系统的机制如图1所示：系统的主要组成部分包括：（1）松下可编程控制器（FP0 - C10RS），12位FP0 - A80和FP0 - A04V辅助转换模块。

（2）松下数字交流伺服驱动器和伺服电机。

（3）一个半径跟随器，包括一个半径跟随臂和一个旋转电位器。

2 数学模型在纤维缠绕中，纤维张力的有效控制是很必要的。

由于核心和卷绕的形态不断变化，纤维的线速度很难保持不变，而且这形态变化的原理也极其复杂。

因此，线速度在张力上的影响，应考虑在被控对象的力学分析上。

PLC与作为控制系统核心的功能模块和所需的张力可以从通过在PLC和上位机之间的串行通信的人机界面来设定。

半径值，转矩反馈和速度反馈的输入，预设计算算法的运行和系统的输出都由PLC与功能模块来完成。

退绕时，动转矩平衡方程的表示，如下：其中T是纱线张力，R(t)是实时滚动半径，M(t)为交流伺服电机的抗性时间，是粘性摩擦力矩，ω(t)是滚动的角速度，是滚动和纱辊的转动惯量，是干摩擦时间。

式（1）所示，滚动半径，抗性时间，退绕的角速度和滚动的转动惯量都是关于时间的功能，因此该系统是一个时间复杂多变的系统。

根据以下规则，和经典控制理论实现了转矩平衡公式的简化：（1）干摩擦力矩和粘滞摩擦力矩很小，可能会被忽略。

（2）在张力中的影响可以被忽略，因为惯性的瞬时变化非常小。

（3）滚动半径被半径跟随器实时测量和反馈。

式（1）就简化成了：因此，滚动直径和角速度的变化就成了纱线张力主要的影响因素。

3 滚动半径的补偿滚动时半径的变化导致滚动时间的变化，即式(2)中TR(t)的变化。

半径跟随臂的一端接触滚轴，另一端经过传送放大后连接到旋转电位器，从而把转轴半径的变化转变为电压的变化，如图2所示：由于L>>AB，则有：整理，得：其中L为半径跟随臂的长度，是缠绕物的最大半径，为瞬时缠绕半径。

假设传动比为，那么微传动角为：对于电位器：其中U是旋转电位器的输出电压，是旋转电位器电源电压，为旋转电位器总角度。

整理，得：4 系统的软件开发软件开发充分利用了FP0-C10RS、I/OＤＡ模块和ＰＣ电脑的软硬件的功能。

ＡＤ或ＤＡ转换的精度取决于ＡＤ转换器和ＤＡ转换器的位数。

FP0 - A80和FP0 - A04V都是12位，当输出和输入范围为（- 10V～+10 V）时，分辨率为1 / 4 000，而FP0为16位，所以该系统的控制精度可以放心。

每个基本指令的运算速度为0.9微秒/步，因此500步的程序只需要0.5毫秒，而FP0 - A80和FP0 - A40V 的转换速度都是1毫秒/频，因此该系统的控制速度也可以放心。

整个控制程序的前前后后都应用了PLC的梯形图。

然而，参数输入不直观，也不是张力和滚动半径的实时显示。

为了解决这个问题，对关于操作员能执行参数输入和实时张力、速率和滚动半径显示的界面主机的控制程序进行了开发。

所有FPPLC的程序编制端口都支持OPEN MEWTOCOL PROTOCOL。

上位机发送一个ASCLL字符串指令到PLC，PLC就自动返回基于这个指令的响应。

％：这是一个固定的字符，意味着下一个指令的开头。

当PLC收到“％”时，先前所有未完成的文本字符串都被忽略。

＃，$，！：说明哪些是指令（＃）、反应（$）或错误响应（！）。

该系统的输入是半径跟随装置的电压反馈，数字交流伺服电机的转矩反馈和速率反馈。

系统的输出的是数字交流伺服电动机转矩和速度的电压。

这个张力控制系统的软件控制的流程，如图3所示：5仿真和实验结果张力控制在实际缠绕情况中的实验研究是通过模拟实际工作环境去检验它的可行性和控制精度来实现的。

当张力设置为10 N时，模拟和实验条件下的恒定张力曲线可以取成近似恒定张力，分别如图4和图5所示。

为了了解当张力变化时交流伺服电机的工作状态，张力从5N变到10N时，在模拟和实验条件下的曲线变化如图6和图7所示，其中超调量和波动宁愿很小，也不让响应时间大于0.3秒。

图4 模拟中张力随时间的变化图5 实验中张力随时间的变化图6 模拟中张力随时间的变化（5N~10N）图7 实验中张力随时间的变化（5N~10N）5.1 静态误差率的分析静态差异率是评估该系统的性能非常重要的指标。

它可以表示为:其中，是最大张力，是最小张力，Tm为平均紧张。

张力静态误差率的分析如表1所示：从上面的分析看出，系统的静态误差小于4％，达到了所要求的性能指标。

5.2 波动率的分析张力波动率是否符合要求是评估所设计的张力控制系统性能的关键指标。

制定了初始化的纱线张力，计算补偿后，输出。

然后，测试实际张力，并找出最大和最小的张力。

计算波动率δ'的方程式如下：张力波动率的分析如表2所示：6 结论模拟和实验的结果表明：用PLC作为核心，AC数字伺服电机作为执行元件和用半径跟随器完成半径补偿的系统是可行的。

该系统的特点包括：（1）松下FP系列PLC和功能模块作为控制核心。

体积小、高集成、高可靠、控制能力卓越和成本低廉让系统在高可靠和高精度方面变得紧凑和方便。

（2）纱线重取装置可以被忽略，因为伺服电机也可以执行同样的功能。

（3）模块化的软件设计易于构造的扩充和客户的二次开发。

（4）松下FPWIN_GR软件融洽的编程环境封装了在线编程的性能。

可以在线改变参数，而且其控制的效果可以视为是瞬间完成的。

参考文献：[1] Leng X W. 纤维缠绕原理。

山东：山东科学技术出版社1990.【中国】[2] Wang Q S. 基于PLC张力控制系统精度的基础和实验研究。

博士论文，哈尔滨：哈尔滨工业大学2005.【中国】[3] Wang C X, Wang Y Z, Lu H.使用磁粉离合器作为元件的张力控制系统。

机械与电子1999；（3）：5-7. 【中国】[4] Lossie M, Brussel H V.纤维缠绕的设计原则。

复合材料制造1994;5（1）：5-13.[5] Miller G A.纺织物缠绕张力的控制。

机械电子学1995；5（2）：117-131.[6] Dudzinski M.理解内部驱动缠绕机第一部分。

动力传输设计1995；37（4）：27-31.[7] Gerd V, Kurt H.张力控制的价值与方法。

电气电子绝缘会议的章程1997 IEEE。

NJ，USA：Piscata方式，1997；517-524.[8] Johnayers缠绕控制的奥秘获取。

动力传输设计1988；30（4）：27-34.传记：REN Sheng-le出生于1979年。

2000年哈尔滨工程大学学士，2002年哈尔滨工业大学硕士，2002年哈尔滨工业大学哲学博士候选人。

现在，他的研究兴趣包括数控绕线机和张力控制系统。

E-mail: renshengle@LU Hua生于1954年。

哈尔滨工业大学硕士导师、高级工程师。

他已经完成了超过18项科研项目，并且在近几年已经发表了超过20篇学术论文。

现在，他的研究兴趣包括计算机控制NC技术。

E-mail: nc-mach@WANG Yong-zhang生于1941年。

哈尔滨工业大学教授，博士生导师。

他完成了22个科研项目和5个科研专著，并且在近几年发表了超过70篇学术论文。

现在，他的研究兴趣包括NC技术，计算机在机械制造上的应用和现代制造系统的设计、制造和控制。

E-mail: nc-mach@FU Hong-ya生于1963年。

哈尔滨工业大学教授，博士生导师。

他完成了10多个科研项目，并且在近几年发表了超过30篇学术论文。