张力控制系统分析

20世纪60年代，特别是80年代以来，随着电力电子技术、现代控制理论、计算机技术和微电子技术的发展，逐步形成了集多种高新技术于一身的现代电气传动技术。

高精度、高可靠性的变频调速系统，凸显了交流异步电动机结构简单、价格便宜、工作可靠和维护方便等优点，为冶金处理线的张力控制技术的发展提供了强有力的保证。

2 带钢张力的作用
采用张力控制防止带钢堆拉现象发生，同时，张力在生产过程中也发挥着十分重要的作用，主要表现在以下几个方面[1]：
2.1 防止带钢跑偏
在实际生产过程中，由于各种因素的影响，带钢在运行过程中容易发生跑偏，而且会随着运行而越来越严重。

为了防止跑偏，可以采用纠偏辊或八字辊，但这两种方法都有一定的时滞，有一定的局限性。

而适当调节张力值，维持张力稳定，带钢可以在一定的张力作用下平稳的运行，张力反映迅速，无时滞，所以是防止带钢跑偏的有效方法。

2.2 有利于控制带钢的板形
板形是衡量带钢质量的重要指标，板形良好指的就是带钢的平制度好，如边部起浪，中部浪皱等，这主要是由于变形不均匀，使带钢中的残余应力超出了稳定所允许的拉应力。

当采用微张力控制时，使带钢沿宽度方向上的拉力不超过所允许的拉应力，由此来保持带钢板形的平直。

2.3 有利于控制加热面积的控制
炉区的入口段是预热炉，里面没有炉棍，是一段悬空的带钢。

两边喷嘴加热带钢。

利用张力可以调节带钢的悬垂度，保证在预热炉内的带钢充分加热。

此外，张力在煅烧过程中可以适当调节张力辊电机的负荷。

可见张力控制对于正常生产是非常重要的的保证。

而通过张力产生的原理分析，我们可以找出控制或影响张力的有关原因。

3 带钢张力控制方案
以冶金处理线的控制为例，介绍具体控制方案。

图 1表示了一条简单处理线的主要传动设备，由开卷机、卷取机、活套和若干张力辊组成。

开卷机，卷取机，活套分别建立各段张力，张力辊根据工艺需要分断上下游张力。

处理段br2参与tm1(张力计)的直接张力控制，其他张力辊作为各速度区域(活套将全线分成入口、中部、尾部三段)的速度基准[2]。

图上红色表示主速度辊。

针对不同的控制对象，我们采取不同的传动方案。

图1 带钢处理线
3.1 主速度辊控制
主速度辊控制如图2所示。

转速设定与编码器负反馈比较后，经过速度环pi调节，作为转矩给定输入电机模型，电机模型再通过矢量控制法对马达进行控制。

其中 a为附加转矩，b为转矩限幅。

以br1为例，它需要分断开卷张力和活套张力，而且是入口段的速度基准。

因为主要任务是保证入口速度按设定运行，它应采取纯速度控制方案。

见图1：其中a处附加转矩可以作为预设值放在速度调节器的后面，使得马达启动时按我们计算的转矩运行，速度调节器再此基础上微调，保证速度的精确性。

在实际应用中，我们可以将加速度、摩擦力等损失以及上下游张力差经过计算后作为预设值。

这样可以大幅度提高生产线启动过程的
图2 主速度辊控制
3.2 直接张力控制
根据带钢上下游速度差产生张力，直接张力控制系统如3所示。

在基本的速度调节方案的基础上，将张力设定值与实际张力比较，经过pi调节产生速度差，附加到速度调节器上。

这样，我们就通过控制张力辊与生产线的速度差达到精确控制张力的效果。

就拿br2为例，如果tm1检测到的张力小于设定张力，br2减速，反方向扯紧带钢，以增加张力。

这样，br2与tm1就形成了闭环张力控制。

a处附加转矩的作用上文已经提到，在此做类似处理即可。

图3 直接张力控制系统
3.3 间接张力控制
间接张力控制如图4所示。

开卷机、卷取机、活套需要建立张力，而此区域并无张力计。

我们只能采用开环张力控制，即间接张力控制。

与方案2类似，将张力设定值换算成转矩，与实际转矩比较，经过pi调节产生速度差，附加到速度调节器上。

不难看出，间接张力控制的实际控制对象是转矩。

图4 间接张力控制
3.4 其它张力控制技术
除了利用速度差控制转矩，还有别的转矩控制方案吗？
直接转矩控制。

即将速度环旁通，直接把设定转矩加在速度调节器后面，马达模型会直接按给定转矩运行。

很多厂家的变频器还设计了速度环自动激活的功能，也就是在速度反馈超过限幅后，速度调节器自动激活，防止飞车。

不过，这种保护能对付飞车，却对付不了
打滑。

下面介绍转矩限幅的控制方式，如图5所示。

图5 转矩限幅的控制
我们在速度设定值的基础上附加一个固定的超速，让控制对象始终与生产线的速度不符，速度调节器将处于饱和状态，我们通过改变速度调节器输出(即转矩给定) 的限幅(b)来控制转矩。

如果我们需要正转矩，则让速度环处于正饱和状态，超速给正值，反之亦然。

由于速度环的p一般在20左右，超速给到10%，速度调节器就能瞬间输出200%的转矩了。

这样，我们能够得到很快的转矩相应。

在打滑的情况下，带钢限制不了控制对象的速度，传动对象的速度将按照给定速度(主速度给定加超速)运行，因为超速只有10%左右，打滑造成的摩擦不会太明显。

至于速度环达不到饱和，转矩乃至张力无法控制，光靠电气的控制，就无能为力了，因为辊子与钢带产生的摩擦力无法满足实际工艺的要求，只能从机械方面想办法了。

方案3和方案4都能满足间接张力控制的需要，各自有其优劣。

方案3中，为了实现输出转矩的稳定，速度环和附加的转矩环都要精调，而且即使这两个环调的很好，也无法保证马达的转矩和设定完全一样。

方案4中，速度环已经饱和，只要有足够的p，就能正常工作了，相比前者，调试省了很多麻烦。

但是由于速度调节器在饱和状态，它对外界速度的扰动就没有反应了。

如果控制区域的钢带很长(如活套)，钢带的弹性就可能造成速度的振荡，而饱和了的速度调节器对此近乎无视。

3.5 软化张力控制
以上介绍了生产线上的主要设备的控制方案。

一些相对较小的线上设备(如多个炉辊)要想和生产线速度保持完全同步，需采用软化张力控制。

因为哪怕很小的速度差，也会由速度调节器积分产生很大的力矩，这既容易打滑，又容易损坏电气和机械设备。

软化张力控制的特点就是让控制对象的机械特性软一点，跟着其他设备一起出点力就好。

如图6所示，软化张力控制其实和方案3差不多，只是外加的转矩环只有p。

我们的目的只是让控制对象跟大部队保持一致，消除速度差，并不一定要它精确的按我们设定的转矩跑，大概出那么多力就行。

实际应用中，c处可以设0，也可以根据需要给点力，用于损失补偿，或拉紧带钢。

图6 软化张力控制
4 结束语
在工业生产的很多行业，诸如造纸、印刷印染、包装、电线电缆、纺织、皮革、金属箔加工、纤维、橡胶、冶金等行业都要进行精确的张力控制，保持张力恒定，以保证产品的质量。

以plc结合变频器组成的各种张力控制系统得到广泛应用。

本文以粗线条的形式讨论的冶金处理线中应用到的几种典型的传动方案，希望能给读者在实战中慢慢体会各种方案的特点，找到最优的控制思路提供帮助。

作者简介
李祥(1981-) 男助理工程师/工程硕士，冶金自动化系统集成方向。

参考文献
[1] 冷轧带钢张力及其控制工艺探讨. 特钢技术,2001年第3期
[2] 肖白. 我国冷轧板带生产技术进步20年及展望[j]. 轧钢,2004,21(6):15-1.。