横切飞剪控制系统分析

横切飞剪控制系统分析
1.飞剪剪切过程控制
在横切飞剪控制系统中, 飞剪的剪切过程可分为四个阶段: 启动、加速、同步(剪切) 和回零。

飞剪剪切周期及飞剪速度控制曲线见图1:
图1 飞剪速度控制曲线
(1) 剪切开始
飞剪剪刃在0°位置, 速度为0。

此时喂料辊以Vs 机列线速度送料。

在飞剪控制器计算的启动控制下, 飞剪开始启动, 进入加速阶段, 以一个恒定加速度A 加速到与机列线速度Vs 同步, 进入同步阶段, 保持剪刃速度与机列线速度Vs 同步, 即在160°～200°区保持Vs 速度, 在180°时剪刃重合剪切。

过200°以后进入回零阶段, 进行剪刃回原点控制, 原点时剪刃速度为零, 此时飞剪完成一个剪切周期。

(2) 剪切启动控制
在控制系统中, 剪刃开始启动, 加速到与机列线速度同步, 剪刃的加速度是一个恒定不变的量A ,所以对于相同的机列线速度V s, 加速所需的时间t是相等的, 也即是对于不同的板材长度剪切, 飞剪何时启动是一个关键量, 可直接影响成品板材的剪切精度, 飞剪的启动点是一个用长度来描述的量。

(3) 飞剪加速控制
在控制系统中, 飞剪的加速控制是整个剪切过程控制系统的核心。

加速过程是指从剪刀以零速度启动, 以一个恒定的加速度A 加速到与机列速度V s 同步,
在工艺上要求刀刃重合时的剪刃线速度也就是剪切速度VBCU T 必须与机列线速度V s 相等。

在加速控制中采用的是速度控制和位置控制的综合控制, 也就是在速度目标值的基础上附加上对位置偏差的调节, 从而有效地提高了剪刀的控制精度, 提高了板片的剪切精度。

(4) 飞剪同步控制
其控制思想在剪刃位置到达160°以前与加速控制过程相似, 只在控制参数方面有所不同; 进入剪切前后(160°～200°) 在同步控制上采用的方式是保持原有的速度目标值, 只进行速度控制, 取消附加电流, 目的仍是保持剪刃线速度与机列速度同步,180°时, 上下剪切重合为剪切点。

(5) 飞剪回零控制
剪刃位置过200°之后, 剪刃以-A的加速度减速。

重要的控制在回零, 剪刃减速到零速度时, 通过剪刃位置编码器(安装在刀轴上的脉冲发生器) 测出停止点与零点位移, 如果位移为正, 剪刃向后回零;如果位移为负, 剪刃向前为零, 然后剪刃在零位等待下一次剪切。

回零控制比较简单, 是单纯的位置控制。

在飞剪的整个控制过程中, 有两个脉冲发生器起着重要作用。

一个是测量辊脉冲发生器, 一个是剪刀位置脉冲发生器。

测量辊脉冲发生器用于带材长度的测量(Z2) ; 剪刀位置脉冲发生器用于表明剪刀在剪切周期中的实际位置(Z1)。

用于飞剪控制的三个主要参数为: SL (设定板材长度) , SBR (剪切后到减速斜坡停止点带材走过的距离, 单位为mm ) , VBCUT (剪切速度)。

3 飞剪过程控制的数学模型
飞剪过程控制的主要算法有三个:
(1) 飞剪启动点的计算;
(2) 飞剪加速控制算法;
(3) 飞剪同步控制算法。

为了便于讨论, 本文中所采用的符号定义如下:
SL: 设定的板材长度(mm ) ;
SBR: 剪切后到减速斜坡停止点, 带材走过的距离(mm ) ;
VBCUT: 剪切速度(mmö sec) ; (在工艺上要求VBCU T = V s) 带
材线速度, 所以为简明起见, 文中的VBCUT均为Vs代换) ;
L: 剪刃圆周运行轨迹周长;
l: 剪刃从静止以 A 恒定加速度加速到机列线速度Vs, 其剪刃所运行的轨迹弧长;
Vk: 剪刃运行线速度, V km 为其最大速度, 剪切点时Vk =VBCU T;
Vs: 带材的线速度,Vsm 为其最大速度, 一个剪切周期中Vs是不变的, Vs= VBCUT;
Z1: 剪刃位置脉冲数值;
Z2: 测量辊脉冲数值
A: 剪刃加速度
3. 1 飞剪启动点的计算
飞剪启动点的计算是非常重要的, 其数学模型的好坏直接关系到飞剪剪切的一个重要指标—剪切精度。

图2 飞剪控制曲线
控制程序计算飞剪启动点有两次, 一是第一次启动时的计算, 二是第一次之后的计算。

第一次启动计算时, 由喂料辊处的光电限位开关信号判定, 计算用的板材长度SL 是实际设定板材长度SL 加上894mm ,
即: SL ’= SL + 894mm
这样计算是对带材头从测量辊到剪刃距离的补偿。

在第二次启动点计算时扣除894mm , 有新数据SL、SBR、VBCUT 送入时重新进行启动点的计算。

启动点SP (剪刀剪切以后, 到下一次加速启动点, 带材所走过的距离。

) : SP=SL-L/2-1
具体的推导如下:
SP= Vs[SL/Vs-Vs/A-(L/2-1)/Vs]
= SL-Vs2/A-L/2 +1
∵Vs2= 2Al ∴Vs2/A = 2l
所以SP = SL- 2l- L/2+1 = SL- L/2-l
由此, 可以得出结论: 启动点是一个与设定板长SL 和剪切速度(VBCUT=Vs) 相关的量, SL 越长, 剪刃在零点等待的时间就越长, Vs越大,等待时间就越短。

3. 2 飞剪加速控制算法
我们通过一个流程图来说明飞剪的加速度控制, 流程图如下:
3. 2. 1 SB 的计算:
SB 的物理意义是剪刀以A 加速度加速启动后, 带材走过的长度。

SB= Z
2-SP = -(SL-Z
2
-L/2-l)
其中, Z
2
是来自测量辊的脉冲计算, 表示当前通过测量辊的带材长度。

3. 2. 2 SK 的计算:
SK 的物理意义是剪刀“期望位置”与“实际位置”的比较求和, 是过程控制中进行位置控制的量。

假设剪刀以A 加速度运行之后, 时间t 内运行的轨迹弧长为lx, 也是剪刀加速启动后所期望的位置, 由牛顿第二定律有: lx= A t2/2 ⋯⋯⋯ (1)
t时间内带材以Vs 速度运行走过的长度为SB
SB = Vs*t ⋯⋯⋯ (2)
∴t= SB/V s ⋯⋯⋯ (3)
将(3) 式代入(1) 式中得出:
lx= SB2*A/2Vs2
所以SK= lx- Zl = SB2*A/2Vs2-Zl
其中, Zl是来自剪刀位置的脉冲计数, 反映的是剪刀的当前位置, 即实际位置。

3. 2. 3 Vramp的计算:
Vramp 的物理意义是按恒定的加速度A , 在时间t 应达到的线速度, 即是速度目标值。

Vramp = A * t
将上面的(3) 式代入, 得到:
Vramp = A * SB/Vs
3. 2. 4 速度目标值NMSOLL 的输出
NMSOLL = K (Vramp + Vcontrol)
其中, Vramp 是按恒定的加速度 A 在t 时刻达到的线速度。

Vcontrol 是SK 经PI 调节器后的输出值,也即是对位置偏差调节的补偿值。

Vramp 与
Vcontrol 的求和即是速度控制与位置控制相综合的控制, 也就是在速度理论值的基础上附加对位置偏差的调节。

K 为线速度转换为角速度的转换系数, 并且考虑了转动比的因素, 所输出的NMSOLL 即是飞剪电机的转速目标值, 经MMC216 模拟输出模块AA PB 送入飞剪传动控制系统SIMOREG 控制电机的转速。

3. 2. 5 附加电流Iadd 的输出:
Iadd= C*dv/100
dv= (Vcontrol –V’control) * F
V
是SK 经PI调节器后的输出值,F 为电流偏移量的增益系数, C 为CONTROL
MMC216 内部产生的一个数字输出上限值(2047)。

输出的附加电流作为电流给定送入SIMOREG 的电流调节器里, 附加电流的介入可有效地提高加速过程中系统的反应速度。

由飞剪的加速控制算法的整个过程算法可以得出这样的结论:
其控制思想的先进性在于速度控制的基础上同时引入了位置控制, 并且加入了一个附加电流, 无论是速度/位置综合控制的飞剪转速目标值的输出,还是提高系统反映速度的附加电流的输出, 其最终的目的是为了提高飞剪系统的精度, 为了得到高精度的板片剪切质量。

3. 3 飞剪的同步控制算法
其标准的控制流程与飞剪加速控制流程相似,飞剪加速控制流程中开关K合向Vs 即是同步控制算法的控制流程图, 但其中SK 的计算公式以及PI参数、DV/Dt 的计算系数与加速度过程不同。

SK 的计算:
飞剪到达同步时, 带材到定尺SL 剩余量为:
L/2+l-SB ⋯⋯⋯①
剪刃离剪切点剩余弧长为:
L/2-Zl ⋯⋯⋯②
②式- ①式得:
SK= SB-l-Zl
可见SK 的物理意义是剪刃位置与带材位置相比的偏差。

剪切前后(160°～200°) 同步控制算法, 取消附加电流, 将0→Iadd, 保持原有的速度目标值不变即NMSOLL 不变。

由以上的算法我们可以看出飞剪的同步控制算法仍然体现了速度/位置的控制思想。

在同步控制过程中, 剪刀的刀刃要重合剪切, 而且所剪切的带材要精确地在剪刃重合点走过设定带材长度SL。

4 SIMOREG 调节系统分析
原理框图如图4 所示:
图4 SIMOREG 原理框图
4. 1
5 结论
通过以上对飞剪过程控制的数学模型的论述、推算, 可以得结论: 飞剪的启动点计算、飞剪的加速控制算法、飞剪的同步控制算法, 其根本的控制指导思想均是提高飞剪的剪切精度, 特别是其中的速度/位置综合控制思想和附加电流控制的引入代表了高水平的控制思想。