（机械工程专业论文）jt200型卷纸筒机恒张力控制系统的研究.pdf

l 0 一 r e s e a r c ho fc o n s t a n t - t e n s i o nc o n t r o ls y s t e m i nj t 2 0 0 p a p e r t u b em a c h i n e b y l i a oz h i y u a n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 1 9 9 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gw e n g e r e s e a r c hf e l l o wz e n gx i a w e n s e p t e m b e r ， 2 010 2 洲5m 580 9m 1 肌y 1， 1 l ft 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 储繇请把 日期：加脾7 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密由。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日 日 q，7 月月 口，q， 年年 o p 勘 如 期期 。 日日 r1i-、-n 工程硕士学位论文 摘要 卷纸筒机恒张力的控制是纸筒生产工艺中很重要的一个环节，张力不稳定将 导致所卷纸筒紧实度不一致，外径大小不一；引起纸带跑偏，使纸筒表面起折皱、 。端面呈宝塔状，从而导致纸筒报废。 本文以j t 2 0 0 型卷筒纸机为原型，深入研究了纸带在卷筒过程中张力变化的 规律，阐明了卷纸筒机张力控制系统原理及控制方式，建立了纸卷放卷过程中纸 带张力控制系统的数学模型，并进行了详细的分析与推导，得出了张力变化的表 达公式，论证了纸带的线速度与纸卷的半径是引起张力波动的两个主要干扰量。 本文探讨了p i d 控制基本算法的理论及各参量的作用，指出由于纸卷的卷径、角 速度随时都在变化，张力控制系统是一个大时变系统，p i d 控制基本算法一般不 能满足要求，常常需要在其基础上进行改进，分析了积分分离p i d 算法、变速积 分p i d 算法、微分先行p i d 算法及输入滤波p i d 算法的优点。结合j t 2 0 0 型卷筒 机特性，选择积分分离p i d 算法作为其张力控制算法控制系统张力大小，并给出 了p i d 控制参数在工程实际中常用的整定方法。 本文阐述了常见张力控制的执行机构，并介绍了机器中选用的执行机构一一 磁粉制动器的工作特性。 本文完成了卷纸筒机张力控制系统的张力控制器的研制，它是以3 2 位高性能 单片机a r m 7l p c 2 3 7 8 为主控单元，以磁粉驱动器作为张力控制的元件，使用张 力传感器作为测力方式实时采集张力信号，并与给定值进行比较后，按照一定的 控制策略进行对数据处理，实时调整控制信号，通过放大环节，最后控制执行元 件，达到控制纸带张力的目的。 本文最后阐述了j t 2 0 0 型卷筒机中张力控制器现场标定额定张力的方法，并 按照p i d 参数整定的方法，给出j t 2 0 0 型卷筒机p i d 参数整定的一个过程。 关键词：卷纸筒机张力控制磁粉制动器p i d 控制器 i y j t 2 0 0 型卷纸筒机恒张力控制系统的研究 a b s t r a c t t h ec o n s t a n t - t e n s i o nc o n t r o li np a p e rt u b em a c h i n ei sav e r yi m p o r t a n ta s p e c to f p a p e rt u b ep r o d u c t i o np r o c e s s f o rp a p e rt u b e ，t h eu n s t a b l e t e n s i o nl e a d t ot h e 奇c o n s i s t e n t o fc o m p a c t i o na n dd i 锄e t e rs i z e s ，b r i n ga b o u ts u r f a c ew r i n k l e so r p a g o d a s h a p e de n db yt h em o v e m e n tb i a sf o rp a p e rt a p e ，w h i c hw i l li n c r e a s ew a s t e r a t eo fp a p e rt u b e t h i st h e s i si n d e p t hr e s e a r c ht h el a wo ft h et a p et e n s i o nc h a n g e sa n dc l a r i f i e s t e n s i o nc o n t r o ls y s t e mt h e o r ya n dc o n t r o lm e t h o di np a p e rt u b em a c h i n ea sj t 2 0 0 t y p ep a p e rt u b em a c h i n e i ti se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e t a p et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m i ns c r o l l u n w i n d i n ga s w e l la sd e t a i l a n a l y s i sa n d d e d u c t i o na r ec a r r i e do u t t h ee x p r e s s i o no ft e n s i o nf o r m u l aa r eo b t a i n e d ，a n di ti s a l s od e m o n s t r a t e dt h a tt a p el i n e a rs p e e da n ds c r o l lr a d i u sa r et w om a jo ri n t e r f e r e n c e w h i c hc a u s et e n s i o nf l u c t u a t i o n s t h i st h e s i sd i s c u s st h et h e o r ya n dt h er o l eo fv a r i o u s p a r a m e t e r so fb a s i cp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n dp o i n to u tt h a tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi s al a r g et i m e - v a r y i n gs y s t e mb e c a u s eo ft h ec h a n g i n ga l lt h et i m eo fs c r o l ld i a m e t e r a n da n g u l a rv e l o c i t y b a s i cp i dc o n t r o la l g o r i t h mc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t sa n d i tn e e dt ob ei m p r o v e do ni t sb a s i s t h em e r i t so fi n t e g r a l s e p a r a t i o np i da l g o r i t h m ， s p e e d c h a n g i n gi n t e g r a lp i da l g o r i t h ma n dd i f f e r e n t i a lf o r w a r dp i da l g o r i t h ma n d i n p u tf i l t e r i n gp i da l g o r i t h ma r ea n a l y z e d 。c o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co f j t 2 0 0t y p ep a p e rt u b em a c h i n e ，t h ei n t e g r a l s e p a r a t i o np i da l g o r i t h mi sa d o p t e dt o c o n t r o lt h et e n s i o nf o r c ea n dt h en o r m a la d a p t i v em e t h o d so fp i dc o n t r o li ne n g i n e e r a p p l i c a t i o n t h en o r m a lt e n s i o nc o n t r o la c t u a t o ri se x p a t i a t e da n dt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c i o ft h em a g n e t i cp o w d e rb r a k ei si n t r o d u c e d t h ed e s i g no ft e n s i o nc o n t r o l l e rf o rt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi np a p e rt u b em a c h i n e i s c o m p l e t e du s i n g3 2 b i th i g h - p e r f o r m a n c ec o n t r o l l e ra r m 7l p c 2 3 7 8a s m a i n c o n t r o lu n i t u s i n gm a g n e t i cp o w d e ra c t u a t o ra st h ec o m p o n e n to ft h et e n s i o n c o n t r o l l e r ，t h et e n s i o nf o r c ed e t e c t i o ns i g n a lf r o mt h et e n s i o ns e n s o ri sc o m p a r e dw i t h t h er e f e r e n c es i g n a l ，a f t e rd a t ap r o c e s s i n ga d o p t i n gc e r t a i nc o n t r o ls t r a t e g yt oa a j u s t t h ec o n t r o ls i g n a li nr e a lt i m ef o rt h ep u r p o s eo fc o n t r o l l i n gt h ep a p e rt e n s i o n a tl a s t ，t h ew a yo fd e m a r c a t i n gt h er a t i n gt e n s i o nf o rt h et e n s i o nc o n t r o l l e ro f t y p ej t 2 0 0p a p e rt u b em a c h i n ei si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ep i dp a r a m e t e r i i i ，1 ， 工程硕士学位论文 a d ju s t i n gw a y , o n ep r o c e d u r ei sg i v e n k e yw o r d s ：p a p e rt u b em a c h i n e t e n s i o nc o n t r o l m a g n e t i cp o w d e rb r a k e p i d ，f、 j t 2 0 0 型卷纸筒机恒张力控制系统的研究 目录 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论1 1 1 张力控制技术研究的现状1 1 1 1 张力控制方式1 1 1 2 张力控制策略2 1 2 卷纸筒机原有的张力控制方式3 1 3 本课题研究的主要内容及其意义4 第2 章张力控制系统5 2 1 张力控制系统原理及控制方式5 2 2 张力检测器6 2 3 控制张力的执行机构6 2 3 1 磁粉制动器的基本结构和工作原理7 2 3 2 磁粉制动器的工作特性8 2 3 3 磁粉制动器的选型9 2 4 张力控制器1 q 第3 章张力控制系统的数学模型及p ld 控制1 l 3 1 纸卷放卷过程的数学建模及分析1 1 3 2 张力系统p i d 控制1 3 3 2 1p i d 控制：1 3 3 2 2 张力p i d 采样数字控制1 5 3 2 3 张力系统的p i d 控制算法的改进1 7 3 2 4 张力系统的p i d 控制参数的整定1 9 第4 章张力控制器的硬件和软件设计2 3 4 1 引言2 3 4 2 张力控制系统的设计方案2 3 4 3 张力控制器系统总体设计2 3 4 4 张力控制器各个模块的功能电路设计2 4 4 4 1m c u 模块的选择和基本电路2 4 4 4 2 张力信号的检测和信号调理2 8 v 工程硕士学位论文 4 4 3 磁粉制动器的控制3 2 4 5 张力控制器软件模块的功能设计3 4 4 5 1 系统主程序3 4 4 5 2a d 转换子程序3 5 4 5 3 数据过滤子程序3 6 4 5 4 张力闭环控制子程序3 6 4 5 5 张力给定子系统程序3 7 第5 章张力控制器的现场参数调试3 9 5 1 张力控制器量程标定3 9 5 2 张力控制器p i d 参数现场整定3 9 5 3 张力控制器现场调试结果分析4 l 结论与展望4 3 参考文献4 5 致谢4 8 v i 工程硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 张力控制技术研究的现状 张力控制在国民经济很多行业中取着非常重要的作用。纺织织物生产过程中 若张力过大，可能造成织物网格增大或因应力过大而降低使用寿命，若张力过小， 可能使织物过松而引起皱褶或者跑偏。在造纸行业中，张力过大可能使纸张撕 裂或者过薄，影响产品质量，而过小则可能引起纸张起皱和材质不匀口1 。在纸张 的放卷和收卷这两道关键的工序中，纸卷要求内紧外松，即在不同半径时要求不 同的张力口3 。在都可能引起纸带张力的变化，造成走纸不稳，印品皱褶，重影， 套色不准，甚至发生纸张断裂或堵塞等严重问题h 。在带钢轧制过程中，张力波 动直接影响成品的板形及厚度公差拍1 。 张力控制技术的巨大经济和社会效益引起人们不断对其深入研究，研究重点 主要集中在张力控制方式和张力控制策略两方面，目前己取得令人满意的成果。 1 1 1 张力控制方式 张力控制方式有很多种，从控制原理来讲，主要有3 种： 1 直接张力控制 采用张力检测元件直接测量被控对象的张力，并将信号反馈给控制器，控制 器将其与预先设定的张力值对比，按照一定的控制策略进行数据处理，输出控制 信号，然后再驱动执行部件，使被控对象的张力达到设定值。直接张力控制就是 闭环控制，它控制精度高，系统运行平稳，能显著提高产品的质量，因此得到了 广泛的应用1 。 2 间接张力控制 针对现场的各种干扰因数，通过改变执行机构的电气参数来间接控制张力。 比如通过测量卷径或卷材角速度来间接控制张力。间接张力控制也即开环控制， 由于现场干扰因数较多，影响比较复杂，系统不可能对它们都作出动态补偿，因 此控制精度不高 1 。 3 复合张力控制 它是将直接张力控制和间接张力控制结合在一起的控制方式呻3 。 根据执行机构的不同，张力控制方式还可以分为以下几种： 1 机械张力控制 通过机械装置保持被控对象表面线速度恒定，从而保持被控对象张力恒定凹1 。 j t 2 0 0 型卷纸筒机恒张力控制系统的研究 2 气动张力控制 气动制动器与卷辊相连，根据卷材直径的变化，控制阀调节进入气动制动器 的压缩空气压力，利用阻力制动矩的变化控制张力n 们。 3 电液张力控制 液压马达驱动卷辊，根据卷材直径的变化，采用电液比例控制或电液伺服控 制或二者相结合，调节液压马达转速来控制张力n 。 4 电机张力控制 根据电机类型不同一般有直流电机控制、伺服电机控制和交流变频电机控制， 这些电机都与卷辊相连。 直流电机控制时，电机是被转动的状态，处于“发电状态，这时电机实际 产生的是阻力制动力矩，而不是驱动转矩。调节励磁电流即可实现电机的转速控 制，通过速度差实现张力控制n 幻。 伺服电机控制时，电机驱动卷辊，调节励磁电流即可实现电机的转速控制， 通过速度差实现张力控制n 鲥。 交流变频电机控制是利用卷径或转速检测装置，通过变频器控制电机的转速， 从而控制张力。交流电机结构简单可靠，并具有节能效果，因此交流电机调速在 大张力控制领域运用最广泛n 们。 5 磁粉制动器( 或离合器) 张力控制 磁粉制动器( 或离合器) 与卷辊相连。通过改变励磁线圈中的电流来改变磁 场的强度，使磁粉之间的剪切力发生变化来调节输出转矩，从而实现张力控制n 钉。 1 1 2 张力控制策略 张力控制策略主要有传统的p i d 控制算法，改进型p i d 控制算法，基于遗传 算法的p i d 控制参数优化，模糊控制算法，神经网络控制算法等。 传统的p i d 控制算法简单，具有可以改善系统的动态特性和静态特性的优点， 只要正确地设定其参数便可以实现其控制作用，如果采用合理的方法，获得好的 整定参数，其控制是比较稳定的，因而该方法被广泛地应用于张力控制系统中n 引。 在一些张力控制系统中，p i d 的基本算法不能满足要求，所以常常需要在p i d 基本算法的基础上作些改进，并且通过改变p i d 控制结构也可改善控制过程中的 静动态性能。这其中有积分分离p i d 算法，变速积分p i d 算法，微分先行p i d 算 法，输入滤波p i d 算法等“ 。 基于遗传算法的p i d 控制的参数优化，寻优简单，易于并行化，还具有较好 的鲁棒性和稳定性。是p i d 参数优化的较理想方法n 引。模糊控制算法是根据人的 经验、智慧总结提炼成模糊规则，再通过模糊推理，将输入量变换为模糊控制输 出量。它无需建立精确的数学模型，只需确立一个“模糊模型”就能达到良好的 2 工程硕士学位论文 控制效果。模糊控制的核心是在于它用具有模糊性的语言条件语句，作为控制规 则去执行控制。模糊控制方法尤适用于参数具有时变性、系统结构具有严重非线 性和不确定性的复杂系统。此方法较传统p i d 控制算法不仅反应速度快，而且抗 干扰能力强h 引。 神经网络控制算法可以不依赖被控对象的数学模型，且不需任何先验知识， 用于任何不确定系统。也可以很好地解决由于系统参数间的耦合而造成系统性能 不好的问题。当应用于卷绕张力控制系统时，用带有反向传播训练算法的人工神 经网络可以克服传统p i 控制方法的缺点，可以有效地减弱张力控制系统中速度和 张力之间的耦合作用口们。 在张力控制系统中，可以根据具体的控制对象和张力变化的规律，选择相应 的张力控制策略，来获得较好的控制结果。 1 2 卷纸筒机原有的张力控制方式 j t 2 0 0 型卷纸筒机是一种把成卷纸带卷成一个个纸筒的设备。它是针对引进 的国外卷纸筒设备所存在的结构复杂、能耗高、以及当纸张厚薄不匀时，无法精 确控制纸筒外径等几大问题，而被开发出的新一代卷纸筒机。它由放卷、输纸、 切纸、上胶、卷筒、退筒等几部份组成。纸卷装在放卷部件上，输纸辊把其上的 纸带送入芯轴进行卷筒，当纸筒外径达到一定值时，外径检测器立即发出一个电 信号，切刀迅速把纸切断，然后退筒机构把纸筒推出芯轴。该机所卷纸简要求外 径偏差小( 不大于0 2 毫米) 、强度高，表面平整、两端齐平。 在卷纸简机中，纸卷的放卷没有单独的电机驱动，而是靠输纸辊对纸带的拉 动来驱动的。由于纸卷的半径不断变小，纸卷的转动惯量也不断变小，而且纸带 在稳定运行过程中，其线速度保持恒定，纸卷的角速度将不断增大，这些变化必 然引起纸带张力的波动。为了减少纸带张力的变化，该卷纸筒机原来装有简单的 制动器，适时地对纸卷进行制动。其制动方式可分为两类，一种是纸卷轴芯制动， 如图1 1 ( a ) 所示。制动带作用在与纸卷轴芯相连的制动轮上，产生一个制动力矩， 这个制动力矩是固定的，不能随纸带张力的波动而发生变化。一种是纸卷圆周制 动，如图1 1 ( b ) 所示。制动带作用在纸卷圆周上，制动力是固定的，但制动力矩 随着半径减少而变小。这两种制动方式对稳定纸带张力虽有一定作用，但都不理 想。 a 纸卷芯轴制动b 纸卷圆周制动 图1 1 纸卷制动的2 种方式 h ”2 0 0 型卷纸筒机恒张力控制系统的研究 1 3 本课题研究的主要内容及其意义 张力的不稳定首先将直接导致所卷纸筒紧实度不一致，张力大时卷得很紧， 张力小时卷得很松。其次将使纸筒外径大小不一，偏差大。另外张力的波动将引 起纸带跑偏，使纸筒表面起折皱，端面呈宝塔状。这些都将使纸筒报废，造成经 济损失。 本文从理论角度出发，研究了纸带张力变化的规律，建立了纸卷放卷的数学 模型，研究其影响张力控制的外部因素，通过p i d 控制策略，控制其影响其张力 的因素，从而彻底解决了j t 2 0 0 型卷纸筒机张力的不稳定的难题，大幅度提高了 产品质量，取得了很好的经济效益。 4 。0 j 工程硕士学位论文 第2 章张力控制系统 2 1 张力控制系统原理及控制方式 在卷筒过程中，纸卷的拉动力是不断发生变化的，为保证纸带张力的恒定性， 必须使纸卷制动力能够根据纸带张力的波动情况自动地随机进行调整，因此，在 纸卷放卷到纸带送入芯轴进行卷筒时，必须对纸带张力大小进行控制。从张力控 制原理来讲，有开环和闭环两种控制方式： 1 开环式张力控制系统 开环式张力控制系统，就是没有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。如卷径检测张力控制就是一个开环式张力控制系统。 因为卷轴每转一圈，卷径减少两倍纸带厚度，该控制系统就用安装在卷轴处的接 近开关、检测出卷轴的转速，并通过纸卷直径初始值和纸带厚度，累积计算求得 纸卷当前的直径及相应卷径的变化，输出控制信号，以控制放卷制动转矩，从而 调整纸带的张力。这种张力控制系统的精度较差。 2 闭环式张力控制系统 它是由张力传感器直接测定纸带的实际张力值，然后把实际张力值转换成张 力信号反馈给张力控制器，通过此信号与张力控制器预先设定的张力值对比，进 行p i d 运算，直接输出控制信号，自动控制执行机构，以使张力稳定。它是目前 较为先进的张力控制方法。本次在该卷纸筒机上采用的就是闭环式张力控制系统。 如图2 1 所示。该张力控制系统整体可以分为三部分：a ) 张力检测器，b ) 张力控制器，c ) 执行机构一磁粉制动器。 图2 1 卷简机张力控制系统结构 张力检测器实时检测纸带的张力，张力控制器则将张力检测装置采集的信号 5 j t 2 0 0 型卷纸筒机恒张力控制系统的研究 与事先给定的控制指标进行对比，按照一定的控制策略进行数据处理，实时调整 控制信号，再通过放大环节来控制执行机构完成对张力的调整。 2 2 张力检测器 目前，张力检测方式基本上分三种： 1 张力传感器检测方式 它是对张力直接进行检测。通常两个传感器配对使用，将它们装在检测导辊 两侧的端轴上，纸带通过检测导辊施加负载，使张力传感器敏感元件产生位移或 变形，从而检测出实际张力值，并将此张力数据转换成张力信号反馈给张力控制 器，最终实现张力闭环控制。张力传感器的类型较多，经常采用的有板簧式微位 移张力传感器，应变电阻片张力传感器和压磁式张力传感器等等。其优点是检测 范围宽，响应速度快，线性好，缺点是当张力变化较大时不能吸收其峰值。 2 浮辊式张力检测方式 它是一种间接的张力检测方式，实质上是一种位置控制。当张力稳定时，纸 带上的张力与同浮辊相连的气缸作用力保持平衡，使浮辊处于中央位置。当张力 发生变化时，张力与气缸作用力的平衡被破坏，浮辊位置会上升或下降，从而通 过一摆杆带动浮辊电位器一起转动。这样，浮辊电位器准确地检测出浮辊位置的 变化，它将以位置信号反馈给张力控制器，控制器经过计算并输出控制信号，控 制伺服驱动系统进行纠偏。然后浮辊恢复到原来的平衡位置。由于浮辊式张力检 测装置本身是一种储能结构，对大范围的张力跳变有良好的吸收缓冲作用。但此 系统要求气缸磨擦系数小，响应速度快，气源稳定，浮辊和摆杆的重量轻，动作 灵活。 3 浮辊反馈复合式张力检测方式 它可同时检测由浮辊电位器输出的浮辊位置信号和张力传感器输出的张力信 号，从而可向系统提供更高精度的张力控制。它不但具有浮辊式张力检测对大范 围张力跳变的吸收或缓冲功能，而且还具有张力传感器闭环控制的高精度、高重 复性的特点，但其价格昂贵。 由于张力传感器具有检测范围宽，响应速度快，线性好以及性价比较高的特 点，本次设计最终采用了张力传感器检测方式。 2 3 控制张力的执行机构 目前应用最为广泛的张力控制执行机构有两种： 一种为变频电机，它是通过变频器控制其转速，从而实现张力的恒定。它主 要应用于对速度和张力都有较高要求的大规模工业系统中，如钢铁行业，电缆制 造业等。 6 工程硕士学位论文 另一种就是磁粉制动器( 离合器) ，它主要用于低张力控制。磁粉制动器是一 种比较新型的自动化控制元件，它采用高磁化磁粉作为转矩的传动介质，通过改 变励磁线圈中的电流来改变磁场的强度，使磁粉之间的剪切力发生变化来调节输 出转矩。 磁粉制动器具有以下特点： 1 在5 一9 6 的额定转矩内，励磁电流与转矩成线性关系。只要交更励磁电 流便可在较大范围内改变转矩的大小，因此能用简单方法实现力矩的精密控制； 2 在某一恒定的励磁电流下，具有良好的恒转矩特性，并且与转子的转速无 关，也与滑差速度无关； 3 断开励磁电流时剩余转矩非常小，因此在断开时不会发生明显的延迟回转 现象； 4 可在滑差状态下长期工作； 5 响应速度快，启动、运行平稳，无噪音，可靠性高； 6 体积小，重量轻，耗电小，控制相对简单，性价比较高。 磁粉制动器由于具有以上优良的力矩控制特性，因而是张力控制系统中理想 的执行部件。 2 3 1 磁粉制动器的基本结构和工作原理 磁粉制动器的结构框图如图2 2 所示。磁粉制动器主要由转子、定子等几部 分组成。在转子和定子之间有工作间隙，其中充填一定数量的磁粉。定子中嵌有 励磁线圈，磁粉和线圈组成磁路。在线圈不通电的情况下( 无励磁状态) ，当转子 旋转时，由于离心力的作用，磁粉被压在定子的内壁，磁粉与转子之间有间隙， 制动器几乎不产生空转转矩，因而也几乎不产生热量。当线圈通电的时候，在磁 路中就建立了磁场，转子和定子之间的磁粉连接成链状，这时由于存在磁粉间的 连接力及转子、定子和磁粉之间的摩擦等，就可以传递转距。励磁电流增大，则 磁感应强度增大，电磁吸力加大，传递的转矩变大。反之，励磁电流减小，则传 递的转矩变小。调节励磁电流的大小，则能调节传递转距的大小。当励磁电流断 开时，则磁粉迅速恢复为无励磁状态，解脱对制动器的控制。 在磁粉制动器中，决定其特性的一个很关键的要素就是磁粉性能的好坏。磁 粉的导磁率越高并且剩磁越少，磁粉制动器的控制特性就越好。磁粉导磁率越高， 则通电时候磁通建立得越迅速，转子和定子之间的力矩传递也更加快捷。剩磁越 少，则相应的断电瞬间力矩释放越快，更能实现快速的控制效果。此外，由于磁 粉制动器的转子是作高速运转的，必将产生很大的热量，因而要求磁粉要有较好 的耐热性和耐磨性能。 7 j t 2 0 0 型卷纸筒机恒张力控制系统的研究 图2 2 磁粉制动器结构 1 一转子轴套2 、5 一定子3 一励磁线圈4 - ! i f - 磁性圆盘6 一磁粉7 一转子圆筒8 一风扇 2 3 2 磁粉制动器的工作特性 为了进一步的掌握磁粉制动器，必须了解其工作特性： 1 静特性 当磁粉制动器转子转速恒定，励磁电流和输出转矩之间的关系称作静特性。 而励磁电流单向由小到大( 上升曲线) ，再由大到小( 下降曲线) 变化所得到的励 磁电流和转矩的关系曲线称作静特性曲线。 当磁粉制动器励磁线圈没有通电流的时候，由于主动旋转部件和静止部件之 间不存在磁的耦合，故只有一个初始的空载转矩m o 。当线圈通以励磁电流，这就 在主动部件和静止部件之间很快的形成一种磁的耦合，因而产生转矩。其电流转 矩特性曲线如图2 3 所示。 图2 3 磁粉制动器的静特性曲线 从图中，可以看到，磁粉制动器的转矩曲线可以分为三个部分：非线性段、线 性段和饱和段。当磁粉制动器励磁线圈未通电时候，存在一个初始的空载转矩m 。， 这是由于轴承，密封摩擦以及剩磁等综合作用的结果。线性段是最好的工作区， 8 工程坝士学位论文 由于此区间的转矩和励磁电流成近似的线性关系，就可以用励磁电流来控制转矩， a m k = 而且其调节范围较宽。从图中，可以看到线性区间的斜率i 。饱和段的出现 是由于当励磁电流过大时( 励磁电流i i 。) 时，磁粉制动器力矩输出不再随励磁 电流的增大而线性增加，这是由于磁性材料的饱和而形成的。当励磁电流下降的 时候，转矩则沿着略高于初始上升曲线的另一条曲线下降，这是导磁材料有剩磁 和磁滞特性而引起的。 2 动特性 磁粉制动器的动特性主要是指励磁线圈加阶跃电压之后的励磁电流，磁通以 及转矩等随时间变化的过渡过程。励磁电流的过渡过程是由于励磁回路中存在着 线圈电阻，电源的内阻以及线圈本身的电感量。当励磁线圈加一个阶跃的电压之 后，由于本身电感的存在，励磁电流不可能一下子发生突变，所以有一个逐渐增 大的过程。一般电流增大得越快，制动器的快速性就越好。快速上升时间t 由励 磁线圈电感量l 和串联电阻r 共同决定，并满足关系式t = l r 。磁通的过渡过程 是指当励磁线圈加以电流之后，在励磁线圈的周围也随之建立起磁场，磁通通过 工作间隙产生电磁吸引力来传递力矩。在磁粉制动器中的磁路中建立磁场的过程 就是从电能转化为磁能的过程。磁路中的磁通不能突变，并且如果磁路基本上是 线性的，不饱和的，则可以想象，磁通的过渡过程和励磁电流的过渡过程极为相 似，是伴随着电流的增大而慢慢增长：转矩的过渡过程虽然在磁通建立初始，由于 漏磁以及静特性的非灵敏区的影响，有一段时间增长缓慢，但是其后就随着电流、 磁通的增长近似于指数规律增长。此外，动特性还包括从磁粉填充的过渡过程， 动转矩的过渡过程，温升的过渡过程等。 2 3 3 磁粉制动器的选型 磁粉制动器的选型一般以其最大制动转矩和最大滑差功率来确定。在无变速 机构的情况下纸带所需的最大张力与最大卷绕半径的乘积应不超过额定转矩。同 时应保证制动器的实际滑差功率小于允许滑差功率，余量大点更能延长使用寿命。 实际滑差功率为： p = 2 丌m n 6 0 = t v ( w )( 2 1 ) 其中： p 一实际滑差功率( w ) m 一制动转矩( n m ) n 一滑差转速( r m i n ) t 一张力( n ) v 一线速度( m s ) 9 j t 2 0 0 型卷纸筒机恒张力控制系统的研究 2 4 张力控制器 因为选择的执行机构是磁粉制动器，而它的转矩与励磁电流在很大的范围内 成线性关系，所以张力控制器只需要控制磁粉制动器的励磁电流，就控制了磁粉 制动器的制动转矩，从而也就控制了纸带张力。 张力控制器首先将张力传感器检测到的非常微弱的信号进行放大，经a d 转 换器转换，然后微处理器将其与预先设定的目标张力值进行对比，按照一定的控 制策略进行数据处理，输出控制信号，再通过放大环节来控制磁粉制动器制动转 矩的大小，最终保证张力恒定。 下面第4 章将专门对张力控制器的设计作详细论述。 1 0 丁程硕士学位论文 第3 章张力控制系统的数学模型及p ld 控制 3 1 纸卷放卷过程的数学建模及分析 纸卷放卷过程中纸带张力的变化规律非常复杂，建模时如果考虑所有影响因 素必将得出一个难于应用实际的多变量非线性数学模型。为此可作如下假定： 1 纸带各处物理特性完全一致，其比重，弹性模量及厚度为常量，其变形为 遵守胡克定律的弹性变形。纸卷具有理想的圆度、圆柱度； 2 左纸带的宽度方向上应力分布均匀，纸带的横截面积和厚度在其纵向变形 时变化很小，可以忽略不计； 3 纸带张力发生变化时，纸张的弹性形变是在瞬间完成的，该时间相对纸张 本身的运动速度可以忽略不计； 4 纸带在卷筒过程中，张力不受空气的温度和湿度的影响，不受卷筒机各零 件的加工及装配误差的影响； 5 纸卷轴所受滚动摩擦阻力忽略不计。 纸卷的放卷没有单独的电机驱动，而是靠输纸辊对纸带的拉动来驱动的。由 于纸卷的半径不断变小，纸卷的转动惯量也不断变小，而且纸带在稳定运行过程 中，其线速度保持恒定，纸卷的角速度将不断增大，这些都必然引起纸带张力的 波动。因此，纸带张力的控制是一个复杂的系统。 图3 1 纸卷动力学分析示意 设纸带所受张力为t ，线速度为v ，纸卷半径为r ，角速度为，纸卷的转 动惯量为j l ，纸卷轴的转动惯量为j o ，纸卷及纸卷轴总的转动惯量为j ，磁粉制 动器对纸卷轴的阻力矩为m ：，纸卷轴所受滚动摩擦阻力忽略不计，则根据动量矩 定律有： t r m + j z - d ( j m ) - - 0 3 d _ j do)dt d t d t f 3 1 ) 而j = j l + j o ，下面先求出纸卷的转动惯量j l 的表达式。设纸卷内孔半径为r o ， 纸卷的宽度为b ，纸卷的密度为p 。在纸卷任意半径r 处取一厚度为d r 的空心薄 园筒，其体积d v = 2 b n r d r ，其质量d m = p d v = 2 p b x r d r ，则该纸卷的转动惯量为： j t 2 0 0 型卷纸筒机恒张力控制系统的研究 因此有： 而： 故： r = 2 n p b i r 3 d r k = t n p b ( r 4 - r 0 4 ) 崇= 掣嘲p b r 3 百d rd td t d t v = r 幽一d 普 d td t rd v v d r 一 d td t r 。 1d vvd r rd tr 2d t ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 卷筒时，纸卷每卷一圈，其半径减少一个纸带厚度6 。设纸卷初始半径为r l ， 在卷筒某时刻t ，其瞬时卷角为0 ，则该时刻纸卷半径为： r ：r 一旦6 2 n 等式两边对时间t 求导： d r8d o d t2 nd t 6 = 一 2 n 6 v 2 n r 把式( 3 6 ) 代入式( 3 5 ) 得： d o1d v6 v 2 百2 莨i + 2 n r 3 把式( 3 6 ) 代入式( 3 3 ) 得： 鲁一p b s r 2 v 1 2 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) rm r， = l 工程硕士学位论文 把式( 3 4 ) 、( 3 7 ) 、( 3 8 ) 代入式( 3 1 ) 得： 因此： t r m 塑+j塑z=日o d td t = 一p b 6 r v 2 + ( j l + j o ) ( 百1 面d v + 丽8 v 2 ) = j 。+ 竽c n 的 丧警+ 丽j 0 6 v 2 一半一警9 ) t = 警+ j 0 + 警( r 4 - r ：，! d v + ( j 瓦0 8 一华，f v 2 一半 这就是纸卷放卷过程的动力学模型。从式中可看出纸带的线速度与纸卷的半 径是引起张力波动的两个主要干扰量，因此在设计张力控制系统时，要使系统不 仅对速度的冲击具有较强的抵抗能力，同时对纸卷的变化也要具有较强的鲁棒性。 d v ：0 在卷筒机稳定工作时，纸带的线速度保持恒定，d t，式( 3 1 0 ) 变为： t ：堕+ 拦一p b s r ：) 罢一3 p b s v 2 r、2 7 c4 。r 44 ( 3 1 1 ) 3 2 张力系统p id 控制 3 2 1pid 控制 p i d 控制是一种在各行业中得到广泛应用的控制方法，它动态和静态特性优 良，可靠性高，适应性强，算法简单，参数整定方便，具有较强的鲁棒性。特别 是对于那些数学模型不易精确求得、参数变化较大、或不能通过有效的测量手段 获得参数的系统，往往能得到满意的控制效果。据调查，有近9 0 的过程控制系 统采用p i d 控制技术。 p i d 控制的基本原理框图如图3 2 。 由图可见，p i d 控制器是通过对误差信号e ( t ) 进行比例、积分和微分运算， 将其结果的代数和作为控制器的输出u ( t ) ，也即控制对象的控制值。 而误差信号e ( t ) 是给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 之差，即： e ( t ) = r ( t ) 一c ( t )( 3 1 2 ) 图3 2pid 控制的基本原理 p i d 控制器的数学表达式为： u c t ，= k ， e c t ，+ 击卜c t ，a t + t dd e m ( t ) 其传递函数： 盼k ，( + 去+ l 式中： k p 为比例系数； t i 为积分时间常数； t d 为微分时间常数。 p i d 三个控制环节的作用如下： 1 比例控制( 9 ) 环节 比例控制是一种最简单的控制方式。 关系。 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 其控制器的输出与输入误差信号成比例 实际控制中一方面希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满 足调节的精度：另一方面，又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏 度。解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大，k d 为差值信号的放大系 数。比例控制( p ) 环节是p i d 控制中必不可少的环节。 比例控制对系统稳定性的影响很大，比例系数k 。太小，会使系统的响应速度 缓慢。加大k p ，系统的动作灵敏，速度加快，其稳态误差减小，控制精度提高。 但无论怎样却不能完全消除稳态误差( 系统输出稳态值与期望值之差) 。k p 太大， 由于系统存在惯性环节或滞后环节，会导致超调，振荡次数变多，调节时间反而 加长，甚至系统失稳。因此一般在调整比例系数k d 时要由小到大逐步调整。 k 。可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。 如果k 口的符号选择不当，系统输出值就会离控制目标的设定值越来越远。 1 4 1 ：程硕士学位论文 以j t 2 0 0 型卷纸筒的传感器、执行机构和控制对象为例来说，纸张在运行过 程中张力变化较为缓慢，在选用比例参数时，初始值应该为较小的值。 2 积分控制( i ) 环节 在积分控制环节中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。其作 用是消除系统的稳态