一种新型捻股机放卷恒张力控制策略
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
， ， ， ［］ ＨＵ Ｚ Ｙ ＬＩＵ Ｊ ＬＩ Ｃ Ｆ ｅｔ ａｌ． Ａ Ｎｅｗ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ Ｕｎｗｉｎｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｓｔｒａｎｄｅｒ Ｊ ． Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ＆ ， ， （）： Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０２０ ３９ ４ ９２ － ９６．
一种新型捻股机放卷恒张力控制策略
·９３·
ＰＩＤ 控制等。理论上，这些算法在一定程度上弥补了
ＭＪ ＝ Ｊα
传统ＰＩＤ 控制调节不及时、稳定性不够好等问题。但 是在实际工程应用上，尽管算法复杂程度提高，但由于 未充分考虑其他影响因子的变化，仅根据输出误差进 行调控，导致其控制存在低精度、高时延的问题，故这 些算法与传统ＰＩＤ 控制策略相比优势并不明显，因此 目前工业上仍以ＰＩＤ 控制为主。本文建立了一种新型
置处的钢帘线线圈半径，其关系式为
选取结构为３ × ７ × ０． １７５ ＨＥ 的钢帘线为测试对
（ （ ） ） （ （ ） ） ｒｓｓ ｎｗ ｒｄｎ － １ ＋ ｋ ＝ ｒｓｆ ｎｗ ｒｄｎ － １ ＋ ｋ －
象，直径为１． ２ ｍｍ［１８］。即测试对象钢帘线结构为：由
（ （ ） ） ｋｆｃ ｅ
２π
ｎｗ
ｒｄｎ － １
＋ｋ
补式ｎ与ｗ（偿中实ｒｄ调，时ｎｒｒｓｆ整走ｓ（－ｆ 为ｎ１得线ｗ）（初ｒ到位＋ｄｎ次ｋ的置＋为１计更相）根新算对－ ｋ据半应得＋走１径；到）ｒ线ｓ值＝ｓ的为ｒ规ｓ，ｓ半（对用则ｎｗ径应于（计ｒｄ位值对ｎ算置－，下出１右处）一的＋侧完圈ｋ运）括成同－行号放ｒ位ｄ匝中线置数后处的，
３ 股钢丝捻制而成，每股由公称直径为０． 来自百度文库７５ ｍｍ 的７ 根单丝构成，属高伸长型钢帘线。钢帘线直径为１． ２ ｍｍ，且允许偏差±５％ 。按抗拉强度登记划分，该型号 钢帘线属于普通强度钢帘线，最小破断力为１１５０ Ｎ。
钢帘线是轿车轮胎、轻型卡车轮胎、载重型卡车轮 影响很大，会导致钢帘线产品提前报废或在低于许用 胎、工程机械车轮胎和飞机轮胎及其他橡胶制品的骨 应力下破断，从而造成重大事故。合适的张力控制系 架材料，是多根或多股钢丝组合而成的结构。捻股机 统能够在物料的动态处理中保持恒定的张力，使产品 是钢帘线生产的重要设备之一，是一种将若干钢丝或 不因张力变化波动而引起加工质量问题，同时能够保 钢帘线按一定的捻距和捻向绞拧成股的机器［１－３］。在 证系统的正常运行［４－ 。７］ 钢帘线的捻股、成绳等中间加工过程中，保证张力大小 传统恒张力控制方式以ＰＩＤ 控制为主，目前国内 和均匀对提高产品质量至关重要。捻股、成绳过程中， 外较新颖的控制方式，均是在ＰＩＤ 控制基础上加以改 钢帘线受力不均会导致实际承载能力差，对产品质量 进，如带调整因子的模糊自适应ＰＩＤ 控制、神经网络
·９２·
测控技术
２０２０ 年第３９ 卷第４ 期
计算机与控制系统
一种新型捻股机放卷恒张力控制策略
胡舟逸，刘 剑，李春峰，万慧雯
（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 ２１１１０６）
摘要：针对捻股机生产加工钢帘线的放卷过程中张力不恒定的问题，对放卷过程传动系统进行动态转动
分析，建立恒张力控制的数学模型，并提出一种基于放线工字轮半径实时前馈辅以比例控制的新型控制
设定仿真的条件参数如表１ 所示，验证张力控制 效果。
半数径；ｒｄ进ｎ 行为重钢新帘预线测线；圈ｎｗ从为外放层线开工始字行轮经每的层层钢数帘；线ｋ 为的当匝 上前，层每放两线层方间向的行平经均的间匝距数。；ｒｄ 为在放线工字轮纵切面
考虑半径前馈为恒张力控制的主要方面，增加变 系数的比例控制做微调补偿。比例控制的输入是给定 （张在力以值下Ｆ公ｒｅｆ式和中实，际ｋ输代出表值运行Ｆ（过ｋ）程构中成的的总控匝制数偏）。差ｅ（ｋ）
图１ 放卷系统示意简图
放卷系统主要由牵引轮、放线轮、动力源电机、恒 张力控制系统执行器及其中若干捻股作用机构组成。 在实际捻制过程中，钢帘线张力是由于牵引轮电机和 放线轮制动设备相互作用形成的，笔者采用磁粉离合 器式张力控制装置作为制动设备，通过控制磁粉离合 器的电流给定，控制其转矩输出。
张式 输力中 出以。，与ＫＰＰＭＩ为Ｄｆ 、Ｍ比控Ｊ例制（ｋ的系）方共数式同；Ｋｊ ＝，形０Ｉ控为成制积总电分转枢系电矩数流Ｍ；量ＫＴ （Ｄ，ｋ为控），微制从分Ｍ而ｍ系ａ控ｇ数（ｋ制。） ２． ２ 改进的控制策略
牗 Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ牞 Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ牞 Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１０６牞 Ｃｈｉｎａ牘
Ａｂｓｔｒａｃｔ牶 Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｕｎｗｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ牞 ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ牞 ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｔｈｅ ｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ牞 ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｎ ｐａｙｉｎｇｏｆｆ ｓｐｏｏｌｓ ｒｅａｌｔｉｍｅ ｒａｄｉｕｓ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎ ｔｒｏｌ牞 ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆａｃｔｏｒ牞 ｉ．ｅ． 牞 ｐａｙ ｉｎｇｏｆｆ ｓｐｏｏｌｓ ｒａｄｉｕｓ ｆｏｒｅｃａｓｔ牞 ｉｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ牞 ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ牞 ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ牞 ａｎｄ ａｎｔｉ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｕｔｐｕｔ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ牞 ｓｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｄ ｕｎｗｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ牶 ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｄ牷 ｕｎｗｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ牷 ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ牷 ｒｅａｌｔｉｍｅ ｒａｄｉｕｓ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ
Ａ
１０００ － ８８２９ ２０２０ ０４ － ００９２ － ０５
： ｄｏｉ １０． １９７０８ ／ ｊ． ｃｋｊｓ． ２０２０． ０４． ０１９
Ａ Ｎｅｗ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ Ｕｎｗｉｎｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｓｔｒａｎｄｅｒ
ＨＵ Ｚｈｏｕｙｉ牞 ＬＩＵ Ｊｉａｎ牞 ＬＩ Ｃｈｕｎｆｅｎｇ牞 ＷＡＮ Ｈｕｉｗｅｎ
策略。仿真分析表明，相较于传统ＰＩＤ 张力控制，该新型控制策略能有效提高恒张力控制中的关键控制
因子———放线半径预测的准确性，改善张力输出精度，提高张力输出的动态稳定性和抗干扰能力，实现
钢帘线放卷过程中恒张力控制的预想效果。
关键词：钢帘线加工；放卷过程；恒张力控制；半径实时前馈
： ： ： （ ） 中图分类号 文献标识码 文章编号 ＴＰ２７３
１． １ 放卷系统原理 捻股设备的放卷系统示意简图如图１ 所示。
将偏差的比例ｅＰ（、ｋ积）＝分ＦｒｅＩｆ －和Ｆ（微ｋ）分Ｄ 通过线性组合 构成控制量，对被控对象———恒张力控制系统执行器
电枢电流进行控制，其控制规律为
（） （） （） ［（） （ ）］ ｋ
∑ Ｉ ｋ ＝ ＫＰ ｅ ｋ ＋ ＫＩ ｅ ｊ ＋ ＫＤ ｅ ｋ － ｅ ｋ － １
Ｍｍａｇ ＝ Ｆｒ
进行调整。
·９４·
《测控技术》２０２０ 年第３９ 卷第４ 期
针对钢帘线捻股机放卷系统，根据仿真验证，与传 系统，模糊自适应ＰＩＤ 控制策略相较于常规ＰＩＤ 控制 统ＰＩＤ 控制算法相较，自适应模糊ＰＩＤ 控制算法的控 无明显优势。 制效果无明显优势。其主要原因是工字轮上钢帘线排 因此考虑设计模型自适应调节的改进的张力控制 线不规律，某些层存在钢帘线的多排或欠排，这些问题 策略。由于模型估计不准，积分微分在控制中作用极 导致双捻机的数学模型无法准确定义。模糊自适应 小，设计半径前馈辅以比例控制的恒张力控制策略，如 ＰＩＤ 控制针对前一时刻的输出偏差及偏差变化率自适 图４ 所示。控制策略以半径前馈修正为主，结合纯比 应调节参数的算法，对于不精确数学模型中的参数突 例控制，对开环受控电流不足的问题做出补偿，更准确 变，其控制具有滞后性。因此，针对钢帘线捻股机放卷 地给出电流的估计值，从而获得更好的张力控制效果。
： 收稿日期２０１９ － ０５ － ０３ 作者简介：胡舟逸（１９９４—），女，硕士研究生，主要研究方向为计算机测控技术；［通信作者］刘剑（１９８２—），男，博士，讲师，主要研
究方向为自适应信号处理；李春峰（１９９５—），男，硕士研究生，主要研究方向为自适应信号处理。 引用格式：胡舟逸，刘剑，李春峰，等． 一种新型捻股机放卷恒张力控制策略［Ｊ］． 测控技术，２０２０，３９（４）：９２ －９６．
由于传统ＰＩＤ 控制策略无法对控制系数进行自适 应调整，影响控制效果，首先考虑应用先进ＰＩＤ 控制策 略———模糊自适应ＰＩＤ 控制策略，其控制系统框图如 图３ 所示。
１． ２ 动态转动分析
根据张力与转矩的数学关系，张力控制即转矩控
制。外放线型双捻机组整个传动系统的动态转矩平衡
方程为
的式制中静动，Ｍ阻转Ｔ 为转矩动矩；Ｍ力是Ｊ 为由源Ｍ动机电Ｔ态械机＝ Ｍ转连转ｍａ矩接ｇ矩＋；间；ＭＭＭＪ的ｆ ＋ｍ为ａＭ摩ｇ为静ｆ 擦阻磁力转粉产矩离生。合的器，产视生为
图３ 模糊自适应ＰＩＤ 控制原理图
模糊自适应ＰＩＤ 控制策略，是以模糊控制器为系 统实现核心，将实际输出与要求输出之间的偏差ｅ 及
一个常数。磁粉离合器产生的制动转矩和动态转矩的 偏差变化率ｅｃ 作为输入，设计模糊控制器，实时更新
计算公式如下［１４］：
ＰＩＤ 控制系数作为模糊控制器输出，结合ＰＩＤ 控制器
在钢帘线放卷过程中，放线工字轮线轴半径、钢丝
２． １ 传统ＰＩＤ 张力控制策略 在张力控制系统中，ＰＩＤ 控制的应用最为广
泛［１５ － 。］１６ ＰＩＤ 控制器是一种线性控制器，在张力控制 中的具体控制策略如图２ 所示。
绳重量、放线工字轮转速等都在实时变化。要维持钢
帘线合股用各根钢丝线速度恒定，即钢丝张力恒定，则
必须分析双捻机放卷系统运行过程中各装置运行状况
及其受力条件，按照相应的变化规律来设计恒张力控
制系统［１２ － １３］。因此，需要研究张力控制系统的数学模 型及控制策略，并进行仿真验证。
１ 张力控制系统建模
图２ 传统ＰＩＤ 张力控制策略
Ｆ（ｋ）Ｐ构ＩＤ成控偏制差器：根据给定张力Ｆｒｅｆ 与实际张力输出
（ ） Ｊ ＝
π ２
ｄρ
ｒ４ － ｒ４０
α
式中，Ｆ 为所需控制张力；ｒ 为放线半径；Ｊ 为转动惯
量；α 为放线工字轮角加速度。分析张力控制数学模
型可知，放线半径的估计是张力控制的重要影响因子。
２ 控制策略研究设计
张力控制数学模型，从显著影响张力输出计算结果的 影响因子———放线工字轮半径着手，对其理论值进行 在线辨识与误差补偿，及时精确地控制恒张力输 出 。 ［ ］ ８ －１１
图４ 改进的张力控制策略
图４ 中，半径前馈的自适应调节方法为：比较张力 而对下一匝控制电流起到自适应高效补偿的作用。
实测值与给定值，由于钢帘线的拉伸与张力偏差呈线 补性偿关此系时，因钢此帘将线张线力圈偏半差径ｅ，（同ｋ）时与预调测整下系一数圈ｋ同ｆｃ做一乘匝积位，
３ 仿真结果及分析
３． １ 仿真条件及效果评价方法
一种新型捻股机放卷恒张力控制策略
·９３·
ＰＩＤ 控制等。理论上，这些算法在一定程度上弥补了
ＭＪ ＝ Ｊα
传统ＰＩＤ 控制调节不及时、稳定性不够好等问题。但 是在实际工程应用上，尽管算法复杂程度提高，但由于 未充分考虑其他影响因子的变化，仅根据输出误差进 行调控，导致其控制存在低精度、高时延的问题，故这 些算法与传统ＰＩＤ 控制策略相比优势并不明显，因此 目前工业上仍以ＰＩＤ 控制为主。本文建立了一种新型
置处的钢帘线线圈半径，其关系式为
选取结构为３ × ７ × ０． １７５ ＨＥ 的钢帘线为测试对
（ （ ） ） （ （ ） ） ｒｓｓ ｎｗ ｒｄｎ － １ ＋ ｋ ＝ ｒｓｆ ｎｗ ｒｄｎ － １ ＋ ｋ －
象，直径为１． ２ ｍｍ［１８］。即测试对象钢帘线结构为：由
（ （ ） ） ｋｆｃ ｅ
２π
ｎｗ
ｒｄｎ － １
＋ｋ
补式ｎ与ｗ（偿中实ｒｄ调，时ｎｒｒｓｆ整走ｓ（－ｆ 为ｎ１得线ｗ）（初ｒ到位＋ｄｎ次ｋ的置＋为１计更相）根新算对－ ｋ据半应得＋走１径；到）ｒ线ｓ值＝ｓ的为ｒ规ｓ，ｓ半（对用则ｎｗ径应于（计ｒｄ位值对ｎ算置－，下出１右处）一的＋侧完圈ｋ运）括成同－行号放ｒ位ｄ匝中线置数后处的，
３ 股钢丝捻制而成，每股由公称直径为０． 来自百度文库７５ ｍｍ 的７ 根单丝构成，属高伸长型钢帘线。钢帘线直径为１． ２ ｍｍ，且允许偏差±５％ 。按抗拉强度登记划分，该型号 钢帘线属于普通强度钢帘线，最小破断力为１１５０ Ｎ。
钢帘线是轿车轮胎、轻型卡车轮胎、载重型卡车轮 影响很大，会导致钢帘线产品提前报废或在低于许用 胎、工程机械车轮胎和飞机轮胎及其他橡胶制品的骨 应力下破断，从而造成重大事故。合适的张力控制系 架材料，是多根或多股钢丝组合而成的结构。捻股机 统能够在物料的动态处理中保持恒定的张力，使产品 是钢帘线生产的重要设备之一，是一种将若干钢丝或 不因张力变化波动而引起加工质量问题，同时能够保 钢帘线按一定的捻距和捻向绞拧成股的机器［１－３］。在 证系统的正常运行［４－ 。７］ 钢帘线的捻股、成绳等中间加工过程中，保证张力大小 传统恒张力控制方式以ＰＩＤ 控制为主，目前国内 和均匀对提高产品质量至关重要。捻股、成绳过程中， 外较新颖的控制方式，均是在ＰＩＤ 控制基础上加以改 钢帘线受力不均会导致实际承载能力差，对产品质量 进，如带调整因子的模糊自适应ＰＩＤ 控制、神经网络
·９２·
测控技术
２０２０ 年第３９ 卷第４ 期
计算机与控制系统
一种新型捻股机放卷恒张力控制策略
胡舟逸，刘 剑，李春峰，万慧雯
（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 ２１１１０６）
摘要：针对捻股机生产加工钢帘线的放卷过程中张力不恒定的问题，对放卷过程传动系统进行动态转动
分析，建立恒张力控制的数学模型，并提出一种基于放线工字轮半径实时前馈辅以比例控制的新型控制
设定仿真的条件参数如表１ 所示，验证张力控制 效果。
半数径；ｒｄ进ｎ 行为重钢新帘预线测线；圈ｎｗ从为外放层线开工始字行轮经每的层层钢数帘；线ｋ 为的当匝 上前，层每放两线层方间向的行平经均的间匝距数。；ｒｄ 为在放线工字轮纵切面
考虑半径前馈为恒张力控制的主要方面，增加变 系数的比例控制做微调补偿。比例控制的输入是给定 （张在力以值下Ｆ公ｒｅｆ式和中实，际ｋ输代出表值运行Ｆ（过ｋ）程构中成的的总控匝制数偏）。差ｅ（ｋ）
图１ 放卷系统示意简图
放卷系统主要由牵引轮、放线轮、动力源电机、恒 张力控制系统执行器及其中若干捻股作用机构组成。 在实际捻制过程中，钢帘线张力是由于牵引轮电机和 放线轮制动设备相互作用形成的，笔者采用磁粉离合 器式张力控制装置作为制动设备，通过控制磁粉离合 器的电流给定，控制其转矩输出。
张式 输力中 出以。，与ＫＰＰＭＩ为Ｄｆ 、Ｍ比控Ｊ例制（ｋ的系）方共数式同；Ｋｊ ＝，形０Ｉ控为成制积总电分转枢系电矩数流Ｍ；量ＫＴ （Ｄ，ｋ为控），微制从分Ｍ而ｍ系ａ控ｇ数（ｋ制。） ２． ２ 改进的控制策略
牗 Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ牞 Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ牞 Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１０６牞 Ｃｈｉｎａ牘
Ａｂｓｔｒａｃｔ牶 Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｕｎｗｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ牞 ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ牞 ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｔｈｅ ｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ牞 ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｎ ｐａｙｉｎｇｏｆｆ ｓｐｏｏｌｓ ｒｅａｌｔｉｍｅ ｒａｄｉｕｓ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎ ｔｒｏｌ牞 ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆａｃｔｏｒ牞 ｉ．ｅ． 牞 ｐａｙ ｉｎｇｏｆｆ ｓｐｏｏｌｓ ｒａｄｉｕｓ ｆｏｒｅｃａｓｔ牞 ｉｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ牞 ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ牞 ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ牞 ａｎｄ ａｎｔｉ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｕｔｐｕｔ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ牞 ｓｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｄ ｕｎｗｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ牶 ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｄ牷 ｕｎｗｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ牷 ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ牷 ｒｅａｌｔｉｍｅ ｒａｄｉｕｓ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ
Ａ
１０００ － ８８２９ ２０２０ ０４ － ００９２ － ０５
： ｄｏｉ １０． １９７０８ ／ ｊ． ｃｋｊｓ． ２０２０． ０４． ０１９
Ａ Ｎｅｗ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ Ｕｎｗｉｎｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｓｔｒａｎｄｅｒ
ＨＵ Ｚｈｏｕｙｉ牞 ＬＩＵ Ｊｉａｎ牞 ＬＩ Ｃｈｕｎｆｅｎｇ牞 ＷＡＮ Ｈｕｉｗｅｎ
策略。仿真分析表明，相较于传统ＰＩＤ 张力控制，该新型控制策略能有效提高恒张力控制中的关键控制
因子———放线半径预测的准确性，改善张力输出精度，提高张力输出的动态稳定性和抗干扰能力，实现
钢帘线放卷过程中恒张力控制的预想效果。
关键词：钢帘线加工；放卷过程；恒张力控制；半径实时前馈
： ： ： （ ） 中图分类号 文献标识码 文章编号 ＴＰ２７３
１． １ 放卷系统原理 捻股设备的放卷系统示意简图如图１ 所示。
将偏差的比例ｅＰ（、ｋ积）＝分ＦｒｅＩｆ －和Ｆ（微ｋ）分Ｄ 通过线性组合 构成控制量，对被控对象———恒张力控制系统执行器
电枢电流进行控制，其控制规律为
（） （） （） ［（） （ ）］ ｋ
∑ Ｉ ｋ ＝ ＫＰ ｅ ｋ ＋ ＫＩ ｅ ｊ ＋ ＫＤ ｅ ｋ － ｅ ｋ － １
Ｍｍａｇ ＝ Ｆｒ
进行调整。
·９４·
《测控技术》２０２０ 年第３９ 卷第４ 期
针对钢帘线捻股机放卷系统，根据仿真验证，与传 系统，模糊自适应ＰＩＤ 控制策略相较于常规ＰＩＤ 控制 统ＰＩＤ 控制算法相较，自适应模糊ＰＩＤ 控制算法的控 无明显优势。 制效果无明显优势。其主要原因是工字轮上钢帘线排 因此考虑设计模型自适应调节的改进的张力控制 线不规律，某些层存在钢帘线的多排或欠排，这些问题 策略。由于模型估计不准，积分微分在控制中作用极 导致双捻机的数学模型无法准确定义。模糊自适应 小，设计半径前馈辅以比例控制的恒张力控制策略，如 ＰＩＤ 控制针对前一时刻的输出偏差及偏差变化率自适 图４ 所示。控制策略以半径前馈修正为主，结合纯比 应调节参数的算法，对于不精确数学模型中的参数突 例控制，对开环受控电流不足的问题做出补偿，更准确 变，其控制具有滞后性。因此，针对钢帘线捻股机放卷 地给出电流的估计值，从而获得更好的张力控制效果。
： 收稿日期２０１９ － ０５ － ０３ 作者简介：胡舟逸（１９９４—），女，硕士研究生，主要研究方向为计算机测控技术；［通信作者］刘剑（１９８２—），男，博士，讲师，主要研
究方向为自适应信号处理；李春峰（１９９５—），男，硕士研究生，主要研究方向为自适应信号处理。 引用格式：胡舟逸，刘剑，李春峰，等． 一种新型捻股机放卷恒张力控制策略［Ｊ］． 测控技术，２０２０，３９（４）：９２ －９６．
由于传统ＰＩＤ 控制策略无法对控制系数进行自适 应调整，影响控制效果，首先考虑应用先进ＰＩＤ 控制策 略———模糊自适应ＰＩＤ 控制策略，其控制系统框图如 图３ 所示。
１． ２ 动态转动分析
根据张力与转矩的数学关系，张力控制即转矩控
制。外放线型双捻机组整个传动系统的动态转矩平衡
方程为
的式制中静动，Ｍ阻转Ｔ 为转矩动矩；Ｍ力是Ｊ 为由源Ｍ动机电Ｔ态械机＝ Ｍ转连转ｍａ矩接ｇ矩＋；间；ＭＭＭＪ的ｆ ＋ｍ为ａＭ摩ｇ为静ｆ 擦阻磁力转粉产矩离生。合的器，产视生为
图３ 模糊自适应ＰＩＤ 控制原理图
模糊自适应ＰＩＤ 控制策略，是以模糊控制器为系 统实现核心，将实际输出与要求输出之间的偏差ｅ 及
一个常数。磁粉离合器产生的制动转矩和动态转矩的 偏差变化率ｅｃ 作为输入，设计模糊控制器，实时更新
计算公式如下［１４］：
ＰＩＤ 控制系数作为模糊控制器输出，结合ＰＩＤ 控制器
在钢帘线放卷过程中，放线工字轮线轴半径、钢丝
２． １ 传统ＰＩＤ 张力控制策略 在张力控制系统中，ＰＩＤ 控制的应用最为广
泛［１５ － 。］１６ ＰＩＤ 控制器是一种线性控制器，在张力控制 中的具体控制策略如图２ 所示。
绳重量、放线工字轮转速等都在实时变化。要维持钢
帘线合股用各根钢丝线速度恒定，即钢丝张力恒定，则
必须分析双捻机放卷系统运行过程中各装置运行状况
及其受力条件，按照相应的变化规律来设计恒张力控
制系统［１２ － １３］。因此，需要研究张力控制系统的数学模 型及控制策略，并进行仿真验证。
１ 张力控制系统建模
图２ 传统ＰＩＤ 张力控制策略
Ｆ（ｋ）Ｐ构ＩＤ成控偏制差器：根据给定张力Ｆｒｅｆ 与实际张力输出
（ ） Ｊ ＝
π ２
ｄρ
ｒ４ － ｒ４０
α
式中，Ｆ 为所需控制张力；ｒ 为放线半径；Ｊ 为转动惯
量；α 为放线工字轮角加速度。分析张力控制数学模
型可知，放线半径的估计是张力控制的重要影响因子。
２ 控制策略研究设计
张力控制数学模型，从显著影响张力输出计算结果的 影响因子———放线工字轮半径着手，对其理论值进行 在线辨识与误差补偿，及时精确地控制恒张力输 出 。 ［ ］ ８ －１１
图４ 改进的张力控制策略
图４ 中，半径前馈的自适应调节方法为：比较张力 而对下一匝控制电流起到自适应高效补偿的作用。
实测值与给定值，由于钢帘线的拉伸与张力偏差呈线 补性偿关此系时，因钢此帘将线张线力圈偏半差径ｅ，（同ｋ）时与预调测整下系一数圈ｋ同ｆｃ做一乘匝积位，
３ 仿真结果及分析
３． １ 仿真条件及效果评价方法