由张力控制到电机控制

华丽转身

之前八爷说过，连续过程生产线的总体控制逻辑是，全线先定一个基准速度，一般定在最重要的轧辊处，这个由工艺决定，其它轴都是跟踪或者跟随。连续过程生产线轴与轴之间的关系一般分为两种，一种是速比关系，一种是张力关系。速比关系就是相邻两轴之间有个百分比的速度比例关系，两轴以转速控制为主，同时自动协调两轴之间的张力。张力关系就是相邻两轴之间保持一定的张紧力，电机轴以扭矩控制为主，同时自动协调两轴之间的转速。



目前很多产线两种控制方式都有，但是以张力控制为主。张力控制分为开环控制和闭环控制。开环控制就是不带张力反馈，所以精度很低，基本上被淘汰了。闭环控制就是带有张力反馈的，张力反馈一般有两种方式，一种是张力计，其实里面就是一个应变片，料带的张力反映到应变片上，再转成电信号传给控制器。张力计需要校正和去毛重，就是把惰性辊的重量去掉，纯粹测料带张力。另一种张力反馈是跳舞辊，料带的张力作用到跳舞辊上，跳舞辊后面一般带有比例阀或者线性编码器。跳舞辊有个好处就是可以吸收张力波动，可以使控制更稳定。一般重要的地方，空间又允许的话，都会用跳舞辊。



总的来说一个典型的张力闭环控制系统可以由电机-变频器-PLC-跳舞辊或者张力计构成，要注意的是张力一定是两根轴之间的张力，一根轴是没办法形成张力的，一只手是没办法拉紧料带的。具体说，比如现在系统检测到实际张力和设定张力出现偏差，那么程序会自动计算这个偏差，输入到PID控制器中，控制器得出一个输出值，这个值往往是电机的电流值，因为不管是交流电机还是直流电机，电流就对应电机扭矩，只不过交流电机多了一些坐标变换的步骤将电流解耦成dq轴，将与电机转矩相关的电流分量给单独拎出来了。控制器输出的其实是一系列开关信号，这些开关信号由载波和正弦波信号通过电压比较器得来。控制器里面有三角波发生器和正弦波发生器，其实就是LC电路通过选频，自激振荡得来的，为啥需要载波呢？这和无线电通讯道理是一样的，控制信号频率较低，往往发不出去，需要高频的载波把它给送出去。载波和正弦波相交得出的是一系列SPWM信号。这个SPWM信号控制着IGBT的开关，从而控制变频器的直流母线和电机之间的通断。通过调制SPWM信号的幅值和频率就可以控制电机的扭矩。此时电机的速度是自动变化的，其速度由上下游轴的转速相关。可以不用管它。



PID往往计算慢，张力控制会很不稳定，目前市面上出现了PID闭环控制+前馈控制的方式，据说效果不错，具体前馈控制的算法目前还没有搞懂，我估计就是一个表格，根据历史经验或者长期调试的经验形成在不同工艺条件下的一些对应关系。或者说通过数学建模硬算，具体就不得而知了。



上面说的张力控制是除了收放卷之外的轴的张力控制，如果是收放卷的话还多了个麻烦事，就是在产线启动，停止，加速，减速过程中张力很不稳定，这是因为需要考虑材料卷转动惯量的变化，收放卷时，材料卷卷径变大或者变小从而使得转动惯量不是一个常数。目前常用的做法是，在满卷时，定好一个PID参数，在空卷时，定好另一个PID参数，中间过程靠插补的方法去定PID值。在采用扭矩控制的方式控制张力时，需要在放卷的时候设定速度限定值，因为万一张力计出现故障了，控制系统得到错误的张力反馈值，一直在加扭矩，会导致电机转飞了。另外在收卷的时候，有一个锥度收卷的概念，这是因为材料卷越卷越大的时候，卷心的材料收到越来越大的压力，最后会出现竹笋状的问题，所以随着卷径变大，我们控制的张力目标值需要逐渐调小，反映到张力-时间的曲线上，就是一条向下的曲线。



另外还想多说两句电机控制里面扭矩-转速-位置三者之间的关系，扭矩是最底层的，转速居中，位置处在最高层。因为扭矩决定了加速度，加速度决定了速度，速度决定了位置。想单独控制其中任何一种都可以，其它参数都会自动协调的。比如控制速度，那么这时候系统会自动协调扭矩和位置，比如控制位置，系统也会自动协调扭矩和转速。这是一种物理上的关系，可以形成直觉，以利于我们理解。

浅风无影

现在基本都是SVPWM了

2266998

行，念书了，有了控制过程的概念

Harry

2DOF PID  feedforward是抗扰的概念， pid是跟踪问题。

风声1923

PID是“事后诸葛”，滞后是最大问题。前馈是“神机妙算”，先知先觉，难点是模型难得。

engine

首先明确一点，通常情况下不是PID慢，是执行机构慢，PID是很简单的算法，不考虑其它焊几片运放都能搞定的东西。你感觉慢那是参数配置的问题，你以为P是干什么的，就是调相位的。张力控制的重点是超调量和响应时间的平衡，对于稳定的产线来说PID基本够用，更别说现在的PID控制器智能的多。在印刷行业很长一段时间用比例阀加气缸，利用气缸的柔性控制张力辊。所以当觉得响应慢腾腾的时候要从系统上找问题，撕传函，光调PID解决不了问题。

Harry

反馈控制是根据输入与输出差值作为参考输入给控制器，调节P比例环节，加大增益，但容易输出超调。前馈是一种开环控制方式，这个在astrom的书有介绍，比如说阀控缸的方框图，负载是以扰动形式作用作用在油缸，通过前馈把扰动补偿。