数字PID算法在张力盘头机中的应用 尚国定.docVIP

电工技师论文 数字PID算法在张力盘头机中的应用 作者： 尚国定 摘要 为了满足我公司印染生产的需要，由本人研发制作张力盘头机终于问世了，它用于生产橡根带。这台机器采用内置PID算法的张力控制器控制张力，用伺服系统进行张力调节，设计结构合理，功能齐全，效果明显。PID算法是当今世界工业自动控制领域应用十分广泛的一项控制模式，应用PID算法到这台机器上使这种算法的优点得到很好的体现。通过这台机器的研发，使我对PID算法在工业自动控制领域的应用有了新的认识，同时也为自己今后利用这种算法设计相关产品提供了很好的经验基础和理论依据，很有收获。的用于生产橡根带的 关键词 ：PID算法 伺服驱动器 伺服电机 张力传感器 前言 我公司是一家大型印染纺织企业，有一万多人，主要产品有布匹、橡根带等，属印染纺织行业，厂里有很多技改项目。我们部门是橡根机械厂电气组，主要负责一些机器设备的研发，改造，完善和调试工作。我们厂的主打产品是橡根带，也许大家不知道，橡根的生产工程中对张力的要求很严格和苛刻。要求的张力在80~90牛顿力之间。不能有太大的误差。否则生产出来的橡根就会因不符合要求成为残次品。以前我们厂里是利用纯机械的方式取得恒张力的，但张力大小不可控制，生产的产品客户不满意。为了生产的迫切需要，本人利用张力传感器作为采样工具，用张力控制器做数字PID运算，并且输出一定幅值的电压，此电压送给伺服驱动器，伺服驱动器根据输入电压的大小输出相应大小的信号驱动电机作一定角度的运转，从而达到控制张力的目的。 经过一个多月的努力专研，参考厂里其它一些机台的功能和特点，本人制作调试了一台张力盘头机。这种张力盘头机市面价格是4万元左右，我研制的这台张力盘头机用元件和人工算下来不到2万，明显低于市场价，公司现已经批量生产了10台用于生产，共为公司节约资金20万元，可谓效果显著，值得推广。 现在我把构思研制调试的整个过程写出来供大家参考。 研制张力盘头机的背景 由于以前的机械式的盘头机控制张力方面精度在60牛顿到100牛顿范围之内，范围过大，生产的橡根带张力精度不合格。来为解决这一精度带来的问题，我们自行研制张力盘头机。 张力盘头机的设计要求和控制原理 2.1设计要求 公司提出的设计要求是：张力要在85牛顿上下不超过3牛顿，并且设计有点动 功能，方便操作员试机和调试。制作成本在2万元以内。研制期限为一个月。占地面 积在2平方米以内。 控制原理 闭环控制的原理框图如图1所示： 图1 闭环控制的原理框图 注：各符号含义如下： 　　u(t)：控制器的输出值。 R(t)：控制器的输出值 　　e(t)：控制器输入与设定值之间的误差。 　　Kp：比例系数。 　　Ti：积分时间常数。 　　Td：微分时间常数。 　　T：调节周期。 可以得出一个结论，就是控制器在整个机器中占有重要的位置。在这里我有必要向大家介绍一下张力盘头机中用到的张力控制器的工作原理：张力传感器直接测定卷料的张力，根据实测张力和设定的目标张力的变化经PID运算后自动改变输出的励磁电流，从而获得恒定的张力。张力控制器输出的励磁电流送给伺服驱动器，伺服驱动器内部有电流环、速度环、位置环的闭环伺服系统，具备良好的自适应能力，结合伺服电机可以实现精密控制张力的目的。 2.3 设计方案选型 目前控制张力机有步进控制和伺服控制，为合理设计方案，现将两方案比较如下表1所示： 表1：伺服控制系统和步进控制系统的比较 步进电机系统 伺服电机系统 力矩范围 中小力矩（一般在20Nm以下） 小、中、大，全范围 速度范围 低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM） 高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达1~2万转/分 控制方式 主要是位置控制 多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式 平滑性 低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善） 好，运行平滑 精度 一般较低，细分型驱动时较高 高（具体要看反馈装置的分辨率） 矩频特性 高速时，力矩下降快 力矩特性好，特性较硬 过载特性 过载时会失步 可3~10倍过载（短时） 反馈方式 大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步 闭环方式，编码器反馈 续表： 编码器类型 - 光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型 响应速度 一般 快 耐振动 好 一般（旋转变压器型可耐振动） 温升 运行温度高 一般 维护性 基本可以免维护 较好 价格 低 较高 通过以上分析比较，伺服控制系统在力矩范围、速度范围等十余项性能指标均优于步进控制系统，所以选用伺服系统比较理想，因此本张力盘头机采用伺服控制