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间接张力控制--收放卷应用
收放卷间接张力控制系统中,卷积计算方法
1.直接张力控制的定义：
在卷材的生产加上中比如成卷薄膜或纸张或线材等的印刷、涂布、绕线设备中，有放卷、收卷等有关卷取操作的工序，卷材张力在动态地变化。在卷取操作工序中卷筒的直径是变化的直径韵变化会引起卷材张力的变化：张力过小卷材会松弛起皱，在横向也会走偏。张力过大。会导致卷材拉伸过度，在纵向上会出直纹或斜拉纹，在膜卷的表面上会出现隆起的筋条，甚至会使卷材变形断裂。影响张力控制的主要因素有机械损耗、被加工材料拉伸弹性率、加减速时膜卷惯性引起的张力变化、卷取电机和驱动装置的特性等。为保证生产效率和卷材的生产质量在卷取过程中，保持恒定的张力是十分必要的；按控制原理基本上可以分为间接张力控制（开环控制）和直接张力控制（闭环控制）两种。
间接张力控制就是在控制系统中，没有张力检测装置和反馈环节，或者只有检测装置而没有反馈环节的控制形式，该方式通常采用力矩控制模式，直接控制电机转矩，控制过程中需要对机械损耗、静态惯量、动态惯量、加减速等做补偿，控制精度和稳定性相对于直接控制而言效果稍差。使用间接张力控制时，建议速度基准辊采用带编码器的速度闭环，以提高速度精度和稳定性；张力辊选择减速比小的高效减速箱与电机配套，以提高转矩控制的精度；同时电机输出扭矩换算到负载侧需要满足在卷径最大时的扭矩输出要求，故在选型时请注意在扭矩控制精度和最大输出扭矩两者之间寻找到一个平衡。
直接张力控制就是具有检测装置和反馈环节的控制系统。闭环控制的随机性很强，具有较高的控制精度，闭环控制的反馈方式很多，常用的有压力（或称重）传感器和浮动辊式张力传感器两种。通常采用伺服或矢量控制模式，直接控制电机转速或转矩。张力控制系统图如下图所示：
图1
2.直接张力控制
张力闭环控制按张力反馈的不同可分为张力传感器闭环控制和跳舞辊闭环控制，同时按控制电机转矩的方式不同又可分为转矩限幅控制和速度调整控制。
控制电机的转矩可以有两种方式，即调整速度和转矩限幅。
转矩限幅的方式是使速度环饱和电机处于转矩限幅的状态，通过直接调整转矩限幅值来控制电机的输出转矩。
图2
速度调整的方式是使速度环不饱和，电机处于正常运行的状态。调整速度给定后由于材料的耦合实际速度没有改变，而使速度环的积分部分相应调整，进而调整电机的输出转矩。但这种调整方式只能用于张力闭环的控制。为了更好的解释这种调整方式，以收卷为例描述一下调整的过程。
实际张力比设定张力小-------张力PID 输出一个正附加速度------实际速度不变使速度环积分增加-------电机输出转矩增加-------实际张力增加--------张力PID 输出减小---------实际张力与设定张力相等-------张力PID 输出为零。
2.1 使用带张力传感器的直接张力控制
2.1.1 使用转矩限幅修正的直接张力控制
张力闭环控制是在间接张力控制的基础上增加一个张力反馈，与张力给定经PID 控制器输出调整信号。如果采用“转矩限幅”的方式控制张力，则PID 输出附加到转矩预控和转矩限幅上。如果采用“速度调整”的方式控制张力，则PID 的输出附加到速度给定上。同时饱和速度设为零。因为“速度调整模式”下卷取轴的速度环不是饱和的，而是通过附加一定的速度来调整电机的转矩。
与间接张力控制相比，张力闭环控制可以通过PID 调整消除张力误差。误差来自以下几个方面：
- 直径计算不准。如采用厚度累加法时，由于厚度值不准确而产生累积误差。
- 摩擦测量不准。系统的摩擦受很多情况影响，如润滑、保养等。
- 转动惯量不准。材料的转动惯量受材料的密度影响最大，而减速机和卷筒的转动惯量无论是
计算得出还是测量得出都可能有一定的误差。功能图3 所示：
图3
对于使用转矩修正的直接张力控制，该方式使用了一个固定的张力检测装置，用于将张力实际值与设定值做比较，然后张力控制器的输出值叠加在转矩限幅值上。这种控制方式适用于当开环张力控制不再满足精度要求时，同样也适用于当扭矩控制范围比较宽或者收卷张力扰动比较大的场合。
材料张力直接由张力传感器测得，并成正相关性地输入到张力控制器，作为实际张力的反馈信号。这意味着张力控制器被激活，并直接控制物料张力。正如间接张力控制方式，收卷轴同样工作在速度环饱和状态下，驱动器工作在扭矩限幅状态，转矩限幅由以下几方面构成：叠加在附加扭矩上的惯量补偿（加速预控）、张力锥度以及摩擦特性补偿。
由此闭环控制系统结构我们可以看出，此控制工艺实现了张力预控的目的，即使张力控制器未做优化，仍能使受控张力异常稳定。
2.1.2 使用速度修正的直接张力控制
对于具有速度校正的张力控制，使用静态测量装置，测量系统张力，并且与作为测量变量的张力设定值进行比较。张力控制器输出然后校正设定点速度。张力控制的特殊类型通常用于弹性材料；它对来自张力测量装置的实际信号的质量提出特别高的要求。与具有扭矩校正的张力控制相反，张力控制器必须明显更快，因为单独的预控制不会导致稳定的卷绕器行为。此外，利用该控制模式，张力传感器测量张力，该张力作为实际值被发送到张力控制器。然而，在这种情况下，张力控制器输出用作速度控制器上的速度校正值。加速扭矩，摩擦扭矩和张力是预先控制的。这种带有张力传感器的控制模式对于被缠绕的材料没有储存功能。
一般来说，该控制模式仅适用于弹性幅材，否则通过转矩限制的张力传感器的直接张力控制是优选的选择。
2.2 张力传感器直接张力控制性能特点
- 需要张力测量设备
- 材料速度由速度基准辊决定
- 转矩预控通过附加转矩给定
- 要求张力测量设备对负载张力反应灵敏
- 要求精确的转动惯量补偿和摩擦补偿
- 张力比为20:1
- 材料速度可达到2000m/min
- 适用于纸制品，薄膜等材料
使用直接张力控制时，张力控制精度高，但要求系统响应快，系统容易振荡，抗扰性差，因此需要对机械和驱动进行精确的协调控制优化。另外，使用转矩限幅的直接张力控制，张力控制精度较高，稳定速度运转时张力较稳定，但加减速时需要进行精确的转矩补偿；使用速度给定值修正的直接张力控制 ，控制结构简单，易于进行速度控制，张力精度高但稳定性低，受材料特性影响较大.
2.3.1 跳舞辊闭环控制
控制上与张力闭环控制相似，只不过张力的反馈是通过跳舞辊以位置的形式表达。位置设定值一般设定在50%左右，即保证跳舞辊在整个活动空间的中间上下波动，这样系统会有一定的缓冲。张力的给定通常通过一个比例阀控制的汽缸向跳舞辊施加一个压力来实现。
比例阀的模拟量给定与跳舞辊的压力P 之间的影响因数有系统的气压以及汽缸的缸径。当改变张力时，可将张力以附加转矩的形式通过张力设定值给到开卷曲轴上，使张力改变时系统可以快速的达到平衡，减少PID 调节时间。功能图如下：
图5
跳舞辊是利用弹簧或气压、重锤等在一定方向上施加一定大小的力，不管其位置是否变动始终使材料保持恒定的张力。
使用跳舞辊时，环控制，跳舞辊位置实际值与设定值得偏差由位置调节器输出，来保证张力恒定。这种张力控制方式具有过渡误差可以在机械侧被吸收的优点，所以用简单的V/F 控制也可以。
此方式可以充分发挥在机械侧能吸收过渡误差的优点，不加复杂控制就可以在短时间同步加减速。但是根据所吸收误差的大小，调节辊的行程也需要相匹配。另一方面，与其他张力控制方式比较张力的给定和变更不能用电气方法进行，必须依赖弹簧压或气压等机械部分的调整，张力精度也取决于气压和机械机构等。
跳动辊用于跳动辊位置控制 - 位置控制测量系统。使用合适的位置传感器/传感器确定张力辊位置，并与位置设定值进行比较。张力仅由张力调节辊确定。如果张力改变，则张力调节辊的位置也改变。通过改变相应的速度给定，张力辊位置控制校正该位置偏移。短暂的速度波动影响跳动辊位置，但它们几乎不影响系统张力。只要松紧调节辊没有移动到终端位置就没有限制。
跳舞辊位置控制的优点在于，通过跳舞辊的材料储存功能来补偿短暂的张力变化。跳舞辊位置控制极限主要由张力调节辊的机械设计及其相关的动态特性限定。
材料在经过跳舞辊，跳舞辊试图用限定的力使材料偏转。使用电位计（例如电位计）确定跳舞辊偏转。材料张力取决于跳舞辊辊悬架的力。张力实际值进一步受到物理布置（到可能存在的其它反转辊的距离）和跳舞辊自身的重量的影响。然而，通过适当智能的设计，可以消除或最小化这些效果。
跳舞辊控制器（作为速度控制器的上级控制器）校正张力辊位置实际值以与位置设定点（例如，跳舞辊中心位置）相匹配。位置控制器向速度控制器输入速度校正设定值。通常，位置设定值不是从外部输入的，而是参数化为固定值。
对于具有气动，液压或电机驱动的可调支撑力的跳舞辊，可以使用绕线硬度特性实现降低的绕线硬度。可以自由使用绕线硬度特性输出信号。使用跳舞辊作为实际值传感器具有的优点是，跳舞辊（当行程被选择为足够高时）可以同时用作材料本身的存储系统。因此，它已经是一个“张力控制器”。尽管舞蹈者滚动控制相对复杂，但它们提供了无与伦比的控制响应。
2.3.2 跳舞辊张力控制性能特点
- 需要位置测量设备
- 材料速度由速度基准辊决定
- 张力控制由附加速度给定修正
- 跳舞辊影响材料输送路径
- 转矩预控通过附加转矩给定
- 张力比受位置测量设备影响
- 材料速度可达到2000m/min
- 适用于冶金，橡胶，线缆，纺织，纸制品，胶片等材料
使用跳舞辊张力控制时，张力控制平稳，有张力贮能功能，但要求系统响应快，机械设备较复杂、局限于线材等。
2.3.3 常用的张力控制方式比较：
