张力控制系统分析

20世纪60年代，特别是80年代以来，随着电力电子技术、现代控制理论、计算机技术和微电子技术的发展，逐步形成了集多种高新技术于一身的现代电气传动技术。高精度、高可靠性的变频调速系统，凸显了交流异步电动机结构简单、价格便宜、工作可靠和维护方便等优点，为冶金处理线的张力控制技术的发展提供了强有力的保证。

2 带钢张力的作用

采用张力控制防止带钢堆拉现象发生，同时，张力在生产过程中也发挥着十分重要的作用，主要表现在以下几个方面[1]：

2.1 防止带钢跑偏

在实际生产过程中，由于各种因素的影响，带钢在运行过程中容易发生跑偏，而且会随着运行而越来越严重。为了防止跑偏，可以采用纠偏辊或八字辊，但这两种方法都有一定的时滞，有一定的局限性。而适当调节张力值，维持张力稳定，带钢可以在一定的张力作用下平稳的运行，张力反映迅速，无时滞，所以是防止带钢跑偏的有效方法。

2.2 有利于控制带钢的板形

板形是衡量带钢质量的重要指标，板形良好指的就是带钢的平制度好，如边部起浪，中部浪皱等，这主要是由于变形不均匀，使带钢中的残余应力超出了稳定所允许的拉应力。当采用微张力控制时，使带钢沿宽度方向上的拉力不超过所允许的拉应力，由此来保持带钢板形的平直。

2.3 有利于控制加热面积的控制

炉区的入口段是预热炉，里面没有炉棍，是一段悬空的带钢。两边喷嘴加热带钢。利用张力可以调节带钢的悬垂度，保证在预热炉内的带钢充分加热。此外，张力在煅烧过程中可以适当调节张力辊电机的负荷。可见张力控制对于正常生产是非常重要的的保证。而通过张力产生的原理分析，我们可以找出控制或影响张力的有关原因。

3 带钢张力控制方案

以冶金处理线的控制为例，介绍具体控制方案。

图 1表示了一条简单处理线的主要传动设备，由开卷机、卷取机、活套和若干张力辊组成。开卷机，卷取机，活套分别建立各段张力，张力辊根据工艺需要分断上下游张力。处理段br2参与tm1(张力计)的直接张力控制，其他张力辊作为各速度区域(活套将全线分成入口、中部、尾部三段)的速度基准[2]。图上红色表示主速度辊。针对不同的控制对象，我们采取不同的传动方案。

图1 带钢处理线

3.1 主速度辊控制

主速度辊控制如图2所示。转速设定与编码器负反馈比较后，经过速度环pi调节，作为转矩给定输入电机模型，电机模型再通过矢量控制法对马达进行控制。其中 a为附加转矩，b为转矩限幅。以br1为例，它需要分断开卷张力和活套张力，而且是入口段的速度基准。因为主要任务是保证入口速度按设定运行，它应采取纯速度控制方案。见图1：其中a处附加转矩可以作为预设值放在速度调节器的后面，使得马达启动时按我们计算的转矩运行，速度调节器再此基础上微调，保证速度的精确性。在实际应用中，我们可以将加速度、摩擦力等损失以及上下游张力差经过计算后作为预设值。这样可以大幅度提高生产线启动过程的

图2 主速度辊控制

3.2 直接张力控制

根据带钢上下游速度差产生张力，直接张力控制系统如3所示。在基本的速度调节方案的基础上，将张力设定值与实际张力比较，经过pi调节产生速度差，附加到速度调节器上。这样，我们就通过控制张力辊与生产线的速度差达到精确控制张力的效果。就拿br2为例，如果tm1检测到的张力小于设定张力，br2减速，反方向扯紧带钢，以增加张力。这样，br2与tm1就形成了闭环张力控制。a处附加转矩的作用上文已经提到，在此做类似处理即可。

图3 直接张力控制系统

3.3 间接张力控制

间接张力控制如图4所示。开卷机、卷取机、活套需要建立张力，而此区域并无张力计。我们只能采用开环张力控制，即间接张力控制。与方案2类似，将张力设定值换算成转矩，与实际转矩比较，经过pi调节产生速度差，附加到速度调节器上。不难看出，间接张力控制的实际控制对象是转矩。

图4 间接张力控制

3.4 其它张力控制技术

除了利用速度差控制转矩，还有别的转矩控制方案吗？

直接转矩控制。即将速度环旁通，直接把设定转矩加在速度调节器后面，马达模型会直接按给定转矩运行。很多厂家的变频器还设计了速度环自动激活的功能，也就是在速度反馈超过限幅后，速度调节器自动激活，防止飞车。不过，这种保护能对付飞车，却对付不了

打滑。下面介绍转矩限幅的控制方式，如图5所示。

图5 转矩限幅的控制

我们在速度设定值的基础上附加一个固定的超速，让控制对象始终与生产线的速度不符，速度调节器将处于饱和状态，我们通过改变速度调节器输出(即转矩给定) 的限幅(b)来控制转矩。如果我们需要正转矩，则让速度环处于正饱和状态，超速给正值，反之亦然。由于速度环的p一般在20左右，超速给到10%，速度调节器就能瞬间输出200%的转矩了。这样，我们能够得到很快的转矩相应。在打滑的情况下，带钢限制不了控制对象的速度，传动对象的速度将按照给定速度(主速度给定加超速)运行，因为超速只有10%左右，打滑造成的摩擦不会太明显。至于速度环达不到饱和，转矩乃至张力无法控制，光靠电气的控制，就无能为力了，因为辊子与钢带产生的摩擦力无法满足实际工艺的要求，只能从机械方面想办法了。

方案3和方案4都能满足间接张力控制的需要，各自有其优劣。

方案3中，为了实现输出转矩的稳定，速度环和附加的转矩环都要精调，而且即使这两个环调的很好，也无法保证马达的转矩和设定完全一样。

方案4中，速度环已经饱和，只要有足够的p，就能正常工作了，相比前者，调试省了很多麻烦。但是由于速度调节器在饱和状态，它对外界速度的扰动就没有反应了。如果控制区域的钢带很长(如活套)，钢带的弹性就可能造成速度的振荡，而饱和了的速度调节器对此近乎无视。

3.5 软化张力控制

以上介绍了生产线上的主要设备的控制方案。一些相对较小的线上设备(如多个炉辊)要想和生产线速度保持完全同步，需采用软化张力控制。因为哪怕很小的速度差，也会由速度调节器积分产生很大的力矩，这既容易打滑，又容易损坏电气和机械设备。软化张力控制的特点就是让控制对象的机械特性软一点，跟着其他设备一起出点力就好。

如图6所示，软化张力控制其实和方案3差不多，只是外加的转矩环只有p。我们的目的只是让控制对象跟大部队保持一致，消除速度差，并不一定要它精确的按我们设定的转矩跑，大概出那么多力就行。实际应用中，c处可以设0，也可以根据需要给点力，用于损失补偿，或拉紧带钢。

图6 软化张力控制