一种多股张力均衡的自适应控制系统及方法与流程

本发明属于钢缆捻制设备张力控制领域，尤其涉及一种钢缆捻制过程中各丝股捻制张力均衡自适应的控制系统及方法。

背景技术：

钢丝绳以优异的力学性能与柔性结构被广泛应用于机械、矿业、航天等行业。其关键力学性能不仅与结构相关，与生产工艺也密切相关。通过控制捻制放线过程中丝股张力，保证捻制运动中的每股张力均衡，可以有效提高钢丝绳的承载能力、运动性能和使用寿命。研究钢丝绳捻制过程中钢丝与股绳张力的控制技术，以此来保证钢丝绳捻制过程中各钢丝或股张力一致，使钢丝绳在使用过程中各钢丝与股都能够均匀承担载荷，从而充分发挥钢丝绳的承载能力，具有重大意义。

丝股捻制运动时，存在旋转、行进等运动的叠加，运动状态复杂，干扰因素多。实际生产过程中，放线轮的阻力矩通常依靠操作工人的经验判断给定，且多股的放线阻力矩均相同。但各股放线轮位置不同，受捻丝股经过不同的路程与不同数目的导孔。丝股经过导孔时存在动摩擦力，每经过一个导孔丝股张力就会因此产生变化。因此在相同阻力矩给定的情况下多股丝股到达压线模时的张力就存在较大偏差，无法达到均衡统一的要求。

工业中张力控制系统多采用pid控制，其拥有稳定、快速的调节性能。但是，在扰动因素影响下，很难用数学模型直接描述其特性，这就要求在张力控制系统中，pid参数整定不依赖于对象模型而且能够在线调整，以满足实时张力控制的要求。与传统pid控制相比较，自抗扰控制器(adrc)的方案是合力提取输入信号的“微分”状态从而形成“跟踪微分器”利用两个惯性环节输出之差来实现微分功能，降低噪声的放大效应。不同于传统pid的对反馈信号直接微分，adrc加入输入信号的安排过度过程，根据目标和对象的承受能力进行调整，是解决“超调”和“快速性”矛盾的有效处理方式，也能增加鲁棒性。非线性反馈控制率将反馈信号以数量级的方式抑制扰动，而不是简单的增益反比的方式，对模型和扰动的控制独立。将外部扰动统一的视为未知的扩张状态变量，关键在被扩张的状态变量的观测，是作用于积分器串联型系统的各种扰动的综合作用(包括建模、未建模动态和外扰)。这样整个控制问题就变成了简单的误差反馈问题了。如果外部扰动有一部分已知，则可以更精确的进行反馈控制。

对于线缆捻制设备的股张力控制缺乏有效方法来解决大张力、高精度的股张力均衡控制问题。针对绳股捻制的运动特性建立等效丝股轴向行进索动力学模型，分析丝股捻制运动时引起张力波动的影响因素，提出多股放线的自适应张力均衡控制方案，并仿真验证实际工况下钢丝捻制张力控制方案的有效性。

技术实现要素：

为了克服现有钢缆捻制设备无法实现捻制张力自适应调节、多丝股张力不均匀的问题，本发明提出了一种多股张力均衡的自适应控制系统及方法，实现钢缆捻制时多丝股的张力协调均匀可控。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多股张力均衡的自适应控制系统，包括形成丝股张力的执行机构、用于计算消除误差的控制机构和用于检测丝股张力的检测机构；所述执行机构与所述控制机构通讯连接，所述控制机构用于接收由所述检测机构提供的所述丝股的张力信息以计算其与张力设定值的偏差；所述控制机构与所述执行机构通讯连接，所述控制机构根据计算偏差得出补偿值，输入张力执行机构进行调控；所述执行机构包括用以提供阻力矩的磁滞制动器、磁滞制动器控制器；所述检测机构包括用以检测丝股实时张力的张力传感器和用以传输张力信号的发射装置；所述控制机构包括用以接收张力信号的接收装置和用以计算阻力矩补偿值的可编程控制器。

进一步，所述执行机构中，一组磁滞制动器安放在放线架中，每一个放线架装配一个磁滞制动器，由滑环接入供电；磁滞制动器通过同步带轮机构与放线轮连接，工作状态中放线轮转速变化不会影响磁滞制动器的输出阻力矩，而磁滞制动器由于其电控特性可实时控制其输出阻力矩。

优选的，捻制装备启动时，所有丝股的放线阻力矩设定为统一值，为提供稳定的放线张力，且方便低速运行中的调试、换丝工序；捻制装备进入正常工作状态，磁滞控制器根据可编程控制器输入的调节信号对磁滞制动器输出阻力矩进行调控。

进一步，所述检测机构位于分线盘处，所述检测机构的张力传感器分别与每一股丝股对应，将检测到的张力值信号传输给张力信号发射器；所述检测机构的张力信号发射器通过一路总线集合多股线的张力信号，并通过蓝牙无线发射器作为数据包发射到张力信号接收端。

进一步，控制丝股行进速度与捻制转速的双电机系统由编码器将转速信号输入可编程控制器中，通过基于相邻耦合误差的双电机控制系统来提升双电机运行稳定性，从而提高丝股进给速度和捻制转速的稳定性，提高捻制张力的稳定性。

进一步，所述控制机构的张力信号接收器和可编程控制器位于捻制设备控制柜中，集中处理捻制设备信号；可编程控制器首先输入张力预设值，为启动调试阶段提供阻力矩；可编程控制器切换至张力自适应模式，输入期望张力值，为得到期望的压线模前的捻制张力，通过控制器计算传感器张力值与期望值之间的偏差，并为张力执行机构输入调节信号。

优选的，所述可编程控制器采用自抗扰控制方法，该方法用于捻制设备能够避免传统控制器对建立模型的依赖，并且对于已知干扰和未知干扰具有统一处理、从优处理的效果，能够有效地调节张力信号。

进一步，所述可编程控制器集合用户定义的各股张力设定值、用户定义的各股张力期望值与张力传感器传递的张力检测值，比较各股张力检测值与期望值的偏差；根据不同股的不同大小的偏差，利用自抗扰控制器计算出相应的调节值，运用统一的期望值来规范各丝股的初始张力，以达到各股检测值均衡的目的。

一种多股张力均衡的自适应控制方法，包括以下步骤：

(1)获得丝股运动状态空间方程：根据丝股参数及工程要求确定丝股捻制初始张力t0、捻制转速ω、进给速度v、捻制半径r以及丝股粘性阻尼系数c、丝股线密度ρ、动摩擦系数f；

(2)设定磁滞制动器阻力矩，形成初始张力：根据丝股进给速度v与放线轮参数，计算形成给定初始张力需要形成的阻力矩mr；

(3)设定期望张力，多股张力均衡：各股初始张力相同时，检测张力由于不同路径产生的摩擦而不同；各丝股位于分线盘处均采用张力传感器进行张力信号采集，每一股的张力传感器与每一股放线端的磁滞制动器对应，联合可编程控制器中的自抗扰控制器组成张力闭环控制系统；每一股的张力控制闭环采用自抗扰控制器实时调节，自抗扰控制器的输入设为期望张力值ts，将各股的传感器检测张力值作为输出观察值，返回到自抗扰控制器中的扩张状态观测器；

(4)采用双电机同步控制耦合策略，提高张力的稳定性：产生进给速度v的电机1的转速跟踪误差e1与产生捻制转速ω的电机2的转速跟踪误差e2通过基于相邻耦合误差的同步控制策略相关联，获得混合误差矩阵eh，并构建自抗扰控制律。

进一步，所述步骤(1)中，多丝股运动状态空间方程为

其中，un表示第n段跨度丝股的位移，η表示从驱动电机到执行机构的传动比，t0为丝股捻制初始张力，ω为捻制转速，v为进给速度，r为捻制旋转半径，c为丝股粘性阻尼系数、ρ为丝股线密度、f为动摩擦系数，z为丝股微元与一端导孔之间的距离。

再进一步，所述步骤(2)中，根据丝股进给速度v与放线轮参数，计算形成

给定初始张力需要形成的阻力矩mr，

其中rr为放线半径，jr为放线轮转动惯量，b为放线轮转动阻尼系数，ωr为放线转速。

更进一步，所述步骤(4)中，双电机转速直接影响丝股进给速度v和捻制转速ω。产生进给速度v的电机1的转速跟踪误差e1与产生捻制转速ω的电机2的转速跟踪误差e2通过基于相邻耦合误差的同步控制策略相关联，获得混合误差

其中eh为混合误差矩阵，a1、a2分表表示电机1、电机2的转速同步比，即ω1/a1＝ω2/a2，并构建adrc自抗扰控制律

其中eij为电机i的自抗扰反馈控制律中的第j阶误差，xij为电机i的非线性跟踪器产生的j阶期望跟踪信号，zij为电机i的扩张状态观测器产生的j阶输出跟踪信号，β为输出误差校正增益，α为非线性因子，δ为线性区间。

本发明的技术构思为：分线盘处的丝股张力状态与捻制成绳的钢缆中各股应力最为相近，因此分线盘处最适合放置张力传感器。张力传感器收集的信号通过蓝牙无线传输，能够避免捻制设备旋转状态下布线难的问题。分线盘后丝股捻制成绳，其运动状态相对稳定，不宜改变，且捻制运动占用空间小，不便于二次控制；放线轮处于放线架中，放线架内可用空间大、易改装，采用放线轮施加阻力矩的方式不会对丝股造成直接的干扰，且结构简单，不需要工人多次手工操作；磁滞制动器的输出阻力矩可调，且不会因转速波动而改变。自抗扰控制器不依赖控制模型建立，具有强鲁棒、快反应等优点，避免传统pid控制的模型依赖、参数整定等繁琐过程。多丝股张力的均衡控制能避免丝股之间的独立，设定统一的目标并同时做出调节，是最理想的提高钢缆质量的手段。

本发明的有益效果主要表现在：

1)对钢缆捻制过程中丝股捻制张力进行在线监测，并通过对放线阻力矩的调节实现丝股张力自适应。

2)多丝股统一调控，实现捻制张力均衡，提高捻制成绳的质量。

3)多丝股捻制张力通过adrc双电机控制系统，提高了张力输出的稳定性。

附图说明

图1是本发明步骤的示意图；

图2是各机构组成示意图；

图3是各机构安装位置的示意图；

图4是张力执行机构示意图；

图5是张力检测机构示意图；

图6是张力调节自抗扰控制器原理示意图；

图7是双电机转速同步控制器示意图；

图8是多股检测张力控制效果图；

图9是多股放线张力控制效果图；

图10是采用双电机同步控制的稳态效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图10，一种多股张力均衡的自适应控制系统，包括形成丝股张力的执行机构、用于计算消除误差的控制机构和用于检测丝股张力的检测机构；所述执行机构与所述控制机构通讯连接，所述控制机构用于接收由所述检测机构提供的所述丝股的张力信息以计算其与张力设定值的偏差；所述控制机构与所述执行机构通讯连接，所述控制机构根据计算偏差得出补偿值，输入张力执行机构进行调控；所述执行机构包括用以提供阻力矩的磁滞制动器、磁滞制动器控制器；所述检测机构包括用以检测丝股实时张力的张力传感器和用以传输张力信号的发射装置；所述控制机构包括用以接收张力信号的接收装置和用以计算阻力矩补偿值的可编程控制器。

所述控制机构包括可编程控制器101和张力信号接收器102；所述张力信号接收器102与所述可编程控制器101相连。

所述执行机构包括磁滞控制器201和磁滞制动器202；所述磁滞控制器201与磁滞制动器202相连；所述磁滞控制器201与所述可编程控制器101相连；所述磁滞制动器202通过同步带轮机构6与放线轮5相连，位于每一股放线轮放置的放线架4中，由滑环接入线供电，参照图4。

所述检测机构包括一组张力传感器301、张力信号发射器302；所述张力传感器301与所述张力信号发射器302相连，所述张力信号发射器通过蓝牙无线射频通讯与所述张力信号接收器102相连；所述一组张力传感器301布置于分线盘7中，张力传感器串联，并通过信号收集器6共同输入到所述张力信号发射器中；张力信号发射器通过2.4ghz无线蓝牙传输技术传输张力数据。

进一步，所述执行机构中，一组磁滞制动器安放在放线架中，每一个放线架装配一个磁滞制动器，由滑环接入供电；磁滞制动器通过同步带轮机构与放线轮连接，工作状态中放线轮转速变化不会影响磁滞制动器的输出阻力矩，而磁滞制动器由于其电控特性可实时控制其输出阻力矩。

优选的，捻制装备启动时，所有丝股的放线阻力矩设定为统一值，为提供稳定的放线张力，且方便低速运行中的调试、换丝工序；捻制装备进入正常工作状态，磁滞控制器根据可编程控制器输入的调节信号对磁滞制动器输出阻力矩进行调控。

进一步，所述检测机构位于分线盘处，所述检测机构的张力传感器分别与每一股丝股对应，将检测到的张力值信号传输给张力信号发射器；所述检测机构的张力信号发射器通过一路总线集合多股线的张力信号，并通过蓝牙无线发射器作为数据包发射到张力信号接收端。

进一步，控制丝股行进速度与捻制转速的双电机系统由编码器将转速信号输入可编程控制器中，通过基于相邻耦合误差的双电机控制系统来提升双电机运行稳定性，从而提高丝股进给速度和捻制转速的稳定性，提高捻制张力的稳定性。

进一步，所述控制机构的张力信号接收器和可编程控制器位于捻制设备控制柜中，集中处理捻制设备信号；可编程控制器首先输入张力预设值，为启动调试阶段提供阻力矩；可编程控制器切换至张力自适应模式，输入期望张力值，为得到期望的压线模前的捻制张力，通过控制器计算传感器张力值与期望值之间的偏差，并为张力执行机构输入调节信号。

优选的，所述可编程控制器采用自抗扰控制方法，该方法用于捻制设备能够避免传统控制器对建立模型的依赖，并且对于已知干扰和未知干扰具有统一处理、从优处理的效果，能够有效地调节张力信号。

进一步，所述可编程控制器集合用户定义的各股张力设定值、用户定义的各股张力期望值与张力传感器传递的张力检测值，比较各股张力检测值与期望值的偏差；根据不同股的不同大小的偏差，利用自抗扰控制器计算出相应的调节值，运用统一的期望值来规范各丝股的初始张力，以达到各股检测值均衡的目的。

一种多股张力均衡的自适应控制方法，包括以下步骤：

(1)获得丝股运动状态空间方程：根据丝股参数及工程要求确定丝股捻制初始张力t0、捻制转速ω、进给速度v、捻制半径r以及丝股粘性阻尼系数c、丝股线密度ρ、动摩擦系数f；

(2)设定磁滞制动器阻力矩，形成初始张力：根据丝股进给速度v与放线轮参数，计算形成给定初始张力需要形成的阻力矩mr；

(5)设定期望张力，多股张力均衡：各股初始张力相同时，检测张力由于不同路径产生的摩擦而不同；各丝股位于分线盘处均采用张力传感器进行张力信号采集，每一股的张力传感器与每一股放线端的磁滞制动器对应，联合可编程控制器中的自抗扰控制器组成张力闭环控制系统；每一股的张力控制闭环采用自抗扰控制器实时调节，自抗扰控制器的输入设为期望张力值ts，将各股的传感器检测张力值作为输出观察值，返回到自抗扰控制器中的扩张状态观测器；

(6)采用双电机同步控制耦合策略，提高张力的稳定性：产生进给速度v的电机1的转速跟踪误差e1与产生捻制转速ω的电机2的转速跟踪误差e2通过基于相邻耦合误差的同步控制策略相关联，获得混合误差矩阵eh，并构建自抗扰控制律。

进一步，所述步骤(1)中，多丝股运动状态空间方程为

其中，un表示第n段跨度丝股的位移，η表示从驱动电机到执行机构的传动比，t0为丝股捻制初始张力，ω为捻制转速，v为进给速度，r为捻制旋转半径，c为丝股粘性阻尼系数、ρ为丝股线密度、f为动摩擦系数，z为丝股微元与一端导孔之间的距离。

再进一步，所述步骤(2)中，根据丝股进给速度v与放线轮参数，计算形成

给定初始张力需要形成的阻力矩mr，

其中rr为放线半径，jr为放线轮转动惯量，b为放线轮转动阻尼系数，ωr为放线转速。

更进一步，所述步骤(4)中，双电机转速直接影响丝股进给速度v和捻制转速ω。产生进给速度v的电机1的转速跟踪误差e1与产生捻制转速ω的电机2的转速跟踪误差e2通过基于相邻耦合误差的同步控制策略相关联，获得混合误差

其中eh为混合误差矩阵，a1、a2分表表示电机1、电机2的转速同步比，即ω1/a1＝ω2/a2，并构建adrc自抗扰控制律

其中eij为电机i的自抗扰反馈控制律中的第j阶误差，xij为电机i的非线性跟踪器产生的j阶期望跟踪信号，zij为电机i的扩张状态观测器产生的j阶输出跟踪信号，β为输出误差校正增益，α为非线性因子，δ为线性区间。

本实施例的工作过程为：

设备调试启动阶段，所述可编程控制器101输入用户定义的各股张力设定值，所述可编程控制器101对所述磁滞控制器下达励磁指令，所述磁滞控制器201对所述磁滞制动器输入励磁电流，使所述张力执行机构中每股的磁滞制动器都产生相同的恒定阻力矩，使每一股的放线张力保持一致，便于调试工作进行。

设备进入稳定运行阶段，所述张力传感器301由滑环接入线供电；所述张力传感器301按照捻制筒体布线规则排列，与分线盘上的丝股一一对应，参照图5，捻制筒体匀速旋转条件下稳定检测张力数据；张力传感器使用五头线，通过张力信号收集器6实现串联连接，并将所有丝股张力数据汇集到所述张力信号发射器302中；所述张力信号发射器由滑环接入线供电，将采集的所有丝股张力信号ad转换，通过蓝牙自定义通讯协议传输到张力控制机构中，避免其他工业信号的干扰。

设备进入稳定运行阶段，所述张力传感器301检测到所有丝股的张力信号，发送至所述张力信号接收器102中；所述张力信号接收器102将张力信号da转换，输入到所述可编程控制器101中；所述可编程控制器101需要用户输入期望张力值，并将所有丝股检测张力值与期望张力值对比，通过控制策略求出控制信号。

所述可编程控制器101包含张力调节自抗扰控制器，如图6所示。所述自抗扰控制器包含信号跟踪器、非线性反馈控制律与扩张状态观测器；所述自抗扰控制器能够统一观测系统的内外扰动并加以补偿，不依赖具体控制模型的建立，并采用特定的非线性反馈误差控制律实现跟踪误差的快速收敛，具有很好的动、静特性。

所述可编程控制器101包含基于相邻耦合误差的双电机同步控制器，如图7所示。所述双电机控制器通过混合误差综合矩阵定义电机转速误差，输入自抗扰控制器以获得良好的同步性和鲁棒性。

所述可编程控制器101统一处理各丝股张力信号，若某一丝股张力值异于期望张力值，则所述可编程控制器101产生调节信号，发送至所述磁滞控制器201中；所述磁滞控制器201根据相应的调节信号调节励磁电流，改变所述磁滞制动器202的输出阻力矩，并通过同步带轮将阻力矩输出到放线轮中。如图6、7所示，是张力检测信号与磁滞制动器输出阻力矩的变化曲线图。取4股丝股作为参考，ti为各股张力检测值，ts为各股张力设定值；m0为各股张力设定值对应的阻力矩，mi为编号为i的丝股在经过自适应调节以后的输出阻力矩；在运行时间1s时对各丝股张力进行调控。由图8、9可知，多丝股在相同放线阻力矩的条件下输出不同张力，且存在较大差异，各丝股在各机构配合下能较快速调节，实现各股张力均衡自适应；由图10可知，多丝股在基于adrc的双电机同步控制策略下实现了稳定的张力输出。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。