（电机与电器专业论文）凹印机收放卷张力控制系统研究.pdf

塑垩查兰堡主堂堡丝壅 a b s t r a c t t e n s i o nc o n t r o li sav e r yi m p o r t a n tp a r to fp r o c e s sc o n t r o li np r i n t i n g a n d p a c k i n gs e r v i c e g o o dt e n s i o nc o n t r o li m p r o v e sp r o d u c tq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t y m a i ns u b j e c td i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nt h eu n w i n d i n go rw i n d i n g t e n s i o nc o n t r o lf o rt h eg r a v u r ep r e s sm a c h i n e aw e bt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mf e a t u r e sg r e a td y n a m i c sc h a n g e ，s t r o n gc o u p l i n g b e t w e e nw e bv e l o c i t ya n dt e n s i o n ，a n dm a n ys o u r c e so fd i s t u r b a n c e i nt h i sas y s t e m ， t r a d i t i o n a lp ic o n t r o lc a nn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fc o n t r o lp r e c i s i o na n ds y s t e m s t a b i l i t y s ow em u s tm o d i f yt h ec o n t r o ls t r a t e g y t om e e tt h en e e d s f i r s t ， i n t e g r a l s e p a r a t i o n p i dc o n t r o l s t r a t e g y i su s e dt oe l i m i n a t et h e i n t e g r a l a c c u m u l a t i o ne r r o r st h a tm a yb ei n t r o d u c e db ys u c hp r o c e s s e sa sn m n i n go rs t o p p i n g m a i nm a c h i n e ，s u d d e na c c e l e r a t i o no rd e c e l e r a t i o n ，e t c s e c o n d ，t h ef e e d f o r w a r d c o n t r o ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v e sd i s t u r b a n c er e j e c t i o np e r f o r m a n c ea n ds y s t e ms t a b i l i t y t h i r d ，an e ws t r u c t u r eo fp i dc o n t r o lr e d u c e st h ed a m p i n gr a t i oo ft h ec o n t r o l s y s t e m f i n a l l y , t h ea u t h o rd e d u c e san e wm a t h e m a t i cm o d e la n do b t a i n sad i f f e r e n t c o n c l u s i o nf r o mo t h e rp a p e r s t h ea u t h o rh a sf i n i s h e dt h ed e s i g no fat e n s i o nc o n t r o l l e rf o rt h eu n w i n d i n g p r o c e s so ft h eg r a v u r em a c h i n ea n do fa d r i v e rf o rm a g n e t i cp o w d e rb r a k e i n c l u d i n g ： ( 1 ) f i n i s h i n gat e n s i o nc o n t r o l l e rb a s e do nam i c r o p r o c e s s o r ；( 2 ) d e s i g n i n ga c o n s t a n tc u r r e n td r i v e rf o rt h em a g n e t i cp o w d e rb r a k ew h i c hh a sag o o dr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s ；( 3 ) c o m p l e t i n gt h ep r o g r a md e s i g nw h i c hh a sp e r f e c tc o n t r o lf u n c t i o n ； ( 4 ) d e s i g n i n gt h eo p e r a t i o nc u r v e sf o rt h ep r a c t i c a lp r o c e s s ，o p t i m i z i n gt h et e n s i o n c o n t r o l l e rp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：t e n s i o n ，t e n s i o nc o n t r o l ，g r a v u r ep r e s sm a c h i n e ，u n w i n d i n g ，w i n d i n g ， w e b ，w e bt e n s i o n 第一章绪论 1 1 张力控制系统的概述 张力控制广泛应用于各种卷壳及滚筒组成的加工生产线上，如造纸厂、印 刷厂、纺织漂染厂、食品厂等。这些生产线在处理纸张、薄片、丝、线、布等 长尺寸材料的过程中，必须有一定的张力。以卷筒纸为例，为了使印刷过程稳 定，必须保持纸带张力恒定不变并且有适当地大小。张力太小会导致皱褶、套 印不准等弊病；张力太大会无谓增加机器负荷并容易使纸带断裂；而张力不稳 定会使纸带发生跳动，也会导致套印不准、重影等问题。因此为了保持生产的 品质，效率及可靠性，一套功能完备的张力控制系统是必需的条件【。论文讨 论的张力控制系统集中在卷绕机构的张力控制方面。 1 2 张力控制系统的应用 在纱线、织物和化学纤维的加工过程中，张力也是一个重要的影响因素。 例如在化纤纺丝工艺上所需求的不同拉伸比，就需要相应的张力来实现。为了 使织物的质量稳定，张力在整个过程中应该保持稳定，波动过太就会影响产品 的质量。若张力过大，可能造成化纤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，大大降低了产品的质量【2 1 。 在造纸行业中，张力是一个主要的影响参数。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的不均匀，降低其 质量。在纸张生产过程中，纸张的放卷和收卷是两道关键的工序，在此过程中 由于卷筒的半径在随时变化，不同半径时对张力的要求又不一样，要求内紧外 松，这给纸张在收放过程中的张力控制增添了很大的难度。纸页张力的自动控 制是造纸过程、纸张再加工( 浸渍、涂布、复合、轧花、套色印刷等) 和纸张 的整饰过程( 复卷、分切、超轧等) 中必不可少的电气自动化配备装置。近年 来我国的造纸工业迅猛发展，造纸和加工设备向高速、高质量、高效益发展。 为了适应工业发展的需要，许多单位逐渐引进了国外的一些先进技术和设备， 在这些先进的造纸机和涂布机上均配备了纸页张力的自动控制装置。张力自动 控制可称为近代先进造纸设备的特征之一。纸页的张力自动控制直接影响着纸 机的车速提高，纸页再加工的质量；能减少损纸，增加产量；能进行合理地收 卷、放卷；提高纸张的成品率及提高纸机实际运行效率：特别是当前纸张市场 竞争激烈，要提高纸机的车速，提高生产力，使用纸页张力自动控制装置可在 原来纸机的设备情况下提高纸机车速。在高速纸机上，张力自动控制的作用就 更重要了，其经济效益和社会效益就更加明显【”。 在纤维缠绕工艺中，缠绕张力不仅关联到树脂含量的控制，更重要的是缠 绕张力的大小、各束纤维间张力均匀性及各缠绕层间纤维张力的量级变化对制 品强度影响极大【4 1 。大量研究证明，张力选择不当或张力控制不稳定，可使纤 维绕制品的强度损失2 0 3 0 t 5 1 。 在印染行业中，织物在印染过程中对印染机械的主要技术要求在于织物在 染料中的时间要求均等，实际上就是速度保持恒定，这样才能使织物得到相同 的印染，色泽均匀【6 】。但由于织物在印染过程中的速度无论是采用何种方式控 制，绝大多数织物的印染速度都受到了在卷染过程中织物张力的严重影响( 速 度和张力存在耦合关系) ，因此要对张力和速度进行联合控制。 在纸张的印刷生产过程中，张力控制系统的稳定性也影响到印刷产品的质 量，卷筒纸轮转印刷机工作时，由于纸卷的外径不断变化，同时还有纸卷不圆、 纸卷重心不与旋转轴重合，或者更换纸卷，改变机器工作速度等原因，都可能 引起纸带上的张力变化，造成走纸不稳，印品皱褶、重影，甚至发生纸张断裂 或堵塞等严重问题。特别是对于高速卷筒纸胶印机，张力的波动和变化对印刷 套准精度影响更大【7 1 。所以如何使纸张在印刷过程中保持张力恒定，是设计人 员的重要课题。 在带钢轧制过程中，张力波动直接影响着成品的板形及厚度公差。因此， 生产线上突出的问题是在轧制过程中要求卷取机的控制系统不仅在稳速轧制过 程中保持张力恒定，而且在加减速的动态过程中也应保持张力恒定8 1 。对于高 精度的冷轧机来讲，张力稳定是一个非常重要的性能指标。 近几年通迅事业迅猛发展，电信业、光电业对通迅电缆、光缆的需求不断 增加，产品的性能要求也越来越高，各个生产厂商都在不断的提高技术水平以 追赶飞速发展的r r 产业。目前城市住房小区宽带进户主要使用的4 号线和5 号 线，它们的产品性能主要是由绕线的节距决定的，而绕线节距的质量是由生产 过程中张力的稳定性控制的。传统的通讯电缆不能满足宽带网络的发展，世界 各国都在大力发展光通讯，目前我国的光纤生产远远落后于发达国家。主要是 受制于光纤预制棒的生产瓶颈上。由于在材料和张力控制技术上水平不过关， 我国的主要的光纤生产产家仍需要进口大量光纤预制棒。提高张力控制技术的 要求严峻的摆在了内资企业的面前。张力控制问题也在海底缆线的敷设过程中 碰到。 随着工业控制技术水平的提高，尤其是微电子技术的迅猛发展，微处理器 与可编程控制器等大规模集成电路的广泛应用，将它们与传统工业控制方式相 结合，加速了工业自动化水平的提高。越来越多的工业控制过程在使用计算机 控制技术，并在实时控制方面取得了很好的效果。由于客户对产品性能的要求 不断提高，对企业的加工要求也更高，使用传统的控制方法已经很难生产出满 足客户要求的产品。许多厂商己将计算机控制技术运用到张力控制系统上【9 1 。 计算机技术使得更高级、更智能的控制策略得以运用，并进一步推动了控制理 论的发展。采用较先进的控制策略对传统的控制方法进行改进，往往能够取得 立竿见影的效果。 1 3 张力控制系统原理简介 在本文中我们将主要研究如何更加有效的对张力进行控制。本文所讨论的 张力控制技术主要是指卷绕机构的张力控制技术，通过具体的项目凹印机的张 力控制系统来说明张力控制的具体实现方法和技术特点。 无论多么复杂的系统，其张力控制原理上总是大同小异，因此可以用一个 简化的卷绕机构来说明张力控制的原理，如图1 1 所示。张力控制装置整体可 以分为三部分，1 ) 张力，速度检测装置2 ) 控制装置3 ) 执行机构及驱动器。张 力，速度传感器根据不同的场合和控制要求进行选择。执行机构又分为收卷机构 和放卷机构，两者在有的系统中可以互换。控制器是系统的控制核心，它将速 度、张力等传感器采集来的信号进行处理，通过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，通过放大环节来 控制执行机构，最终完成对张力和速度的调整。根据执行机构的不同张力控制 方式可以分为电机张力控制系统，电液张力控制系统，磁粉张力控制系统，以 及其他的如杠杆摇摆式等。 在实际生产中，实现卷绕机构的张力控制方式主要有3 种 岛垮 图1 1 卷绕机构张力控制系统示意图 1 采用张力传感器直接测量加工物的张力，构成张力闭环，或者直接检测加工 物的线速度，构成线速度闭环。称为直接法： 2 由于引起张力f 或者线速度v 变化的主要扰动量是卷径d 的变化，所以 可以采用扰动补偿控制。称为间接法； 3 复合控制，结合以上两种方法。 不管采用那种控制方案，都必须设置检测装置，构成控制闭环。这在实际生 产中常常带来许多困难，即使采用扰动补偿控制也是如此】。 1 4 张力控制的常用方式 现在较为常见的传动控制方法主要有以下几种，或是几种互相结合应用： 1 机械式自动控制 图示是一种机械式张力控制机构，它的工作原理是：开始印刷前，先上好 卷筒纸，经旋转张力手轮1 ，通过螺杆4 作旋转调节，使上制动块3 和下制动 块6 给纸卷轴芯施以预紧制动力矩m b 。开始印刷时，通过旋转螺母1 8 使之沿 过杆1 9 作轴向移动并压缩压簧1 7 ，给钢球1 4 与撑杆1 3 以弹簧力f 。经过上述 手动调节选得合适的张力后，摆动联纸辊1 6 在弹簧力f 和纸带张力t 的共同 作用下处于平衡位置上。在印刷过程中，如果由于机器的转速发生变化，纸卷 半径的大小变化或其他原因使纸带张力t 增大( 或减小) ，固定在摆杆上的棍1 6 浙江大学硕士学位论文 就会离开平衡位置，绕其支点大联纸辊1 2 偏转一个角度，由摆杆1 1 、速杆l o 、 连臂9 带动偏心轴8 给上制动杆2 一个向上( 或向下) 的力，使作用在纸卷轴5 的制动力矩m b 相应减小( 或增大) ，纸带张力t 随m b 减小( 或增大) ，使纸张张 力t 恢复到原来的大小，摆动联纸辊迅速回到原来的平衡位置，从而保证了印 刷过程中的纸带张力基本恒定。 图1 2 一种机械式张力控制系统【l 】 2 气动式自动控制 图1 3 所示是一种卷简随动式张力控制装置。该装置能够用连接到控制阀的 随动臂来调节。控制阀依照退卷辊半径大小，调节进入制动器的压缩空气的压 力。 图1 3 一种气动式张力控制装置 浙江大学硕士学位论文 3 液压传动控制j 液压控制技术已经相当成熟，并广泛应用于工程实际中。液压传动又分为 电液伺服控制和电液比例控制，比较而言电液比例控制的动力传递方便，输出 功率大，控制精度高和相应特性好。目前，国内外均将液压控制技术应用于各 类卷绕机构上，尤其是在轧钢等大功率生产线中占有重要地位，取得了良好的 控制效果。在这一领域电液比例控制和电液伺服控制相结合，获得了广泛应用。 3 电气自动控制 电气自动控制是目前应用较为普遍的一种。其控制系统方框图如图1 4 所 示。长期以来，直流电动机在卷绕机构传动控制中占据相当重要的地位，在变 频调速技术出现以前主要以直流电机传动来实现卷绕机构的速度调节和张力控 制，在传动控制方面有一定的优越性。为保证产品的加工质量，一般要求在卷 绕过程中张力和速度均为恒定，但根据工艺要求可以进行调节。在线速度恒定 时，卷取辊的转速与转径成反比，因此调节卷取辊的直流电机就可以实现加工 物的速度控制；加工物的张力控制通过调节卷取辊所联结的直流电机，产生一 个与加工物传送方向相反的制动力矩。该电机是被加工物拖着转的，工作在发 电制动状态，张力与退卷辊转速成双曲线关系，故其受加工物速度和卷径的干 扰。加工物线速度控制只要利用一卷径检测装置构成速度闭环控制系统，调节 励磁电流即可实现速度控制。直流电动机虽然解决了速度和张力控制问题，体 现出一定的优点，但是机械式换向器这一致命弱点限制了它的应用。交流变频 调速技术的发展，使交流电机能担负起直流电机的调速功能，交流电机结构简 单可靠，并具有节能效果，因此交流电机变频调速技术迅速得到广泛的应用。 图1 4 电气控制系统方框图 4 磁粉离合器的传动控带i 6 1 磁粉离合器用作卷绕机构的传动控制，是一种较新的控制方式，控制框图 浙江大学硕士学位论文 同图1 4 ，把执行电机换为磁粉离合肺0 动器。磁粉离合器的主要工作原理是磁 粉在激磁线圈通电时，使间隙内的磁粉在从动件与主动件间成链状链接，从而 将转矩由输入端传给从动件，从动件即可驱动机器运转。磁粉离合器所能传递 转矩的大小，随激励电流增大而增大。本文采用的也正是这种传动方式，关于 磁粉离合器的详细资料，可参考下一章。采用磁粉离合器，既有明显的优点， 也不可避免的存在缺点，如响应速度慢，耗能大。磁粉离合器主要具有以下优 良特性： a 激磁电流与转矩成线性关系。一般而言，在5 1 0 0 的额定转矩内，激 磁电流与传达转矩成线性关系。只要变更激磁电流便会在较大的范围内容易的 改变控制转矩的大小，因此能用简单方法来实现力矩的精密微调。 b 在某一特定励磁电流下，力矩与滑差速度无关，大体上是一恒定值，所 以连接时完全没有振动；只需调整激磁电流便能准确的控制传达转矩。 c 断开激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。由此可见，磁粉离合器在一定的励磁电流下所能传递的力矩是一定的， 可以通过改变励磁线圈中的电流量来改变磁场的强度，使磁场之间的剪切力发 生变化来调节输出扭矩大小，从而调节卷绕过程中加工物的张力。 1 5 张力控制系统的控制策略 1 5 1 控制系统 采用计算机及数字电路控制器具有传统控制无法比拟的优点，最主要的一 点是可以采用一些复杂的控制算法，控制器更趋向于智能化。数字控制器一般 有常见的实现形式，一种是采用通用型微型计算机。它具有很强的浮点运算能 力，更宽的数据总线，提供更多的系统内存。另一种是采用i n t d 、p h i l i p s 、n e c 、 t i 等公司的嵌入式微处理器，如m c s 5 1 系列，或者运算能力更强的d s p 控制 芯片。微处理器通常比通用型计算机具有更大的灵活性。【4 5 】【5 6 】 就张力控制系统而言，小型的分散的张力控制通常用微处理器来控制；而 大型的集成的张力控制通常用工控机或者p l c ；或者采用不同的组态，如上下 位机方式，下位机采用微处理器，上位机则采用用集成能力更强的工控机或者 p l c 来统一调度，协调控制。在印刷包装行业中，分散的小规模的控制更加常 浙江大学硕士学位论文 见，所以设计基于微处理器的张力控制器，通过改良控制策略，来提高控制的 精度和性能具有极高的商业价值。 1 5 2 张力控制系统的特点 印刷包装行业中，卷绕机械张力控制系统有其自身的特点。主要的体现是 动力模型变化大，随着卷绕的进行，料辊的半径不断发生变化，从而系统惯量 不断增加或者减小，卷绕开始和结束，往往可以达到几十倍的变化，而与此相 矛盾的是控制参数只能在某些工作点上整定，这样控制器在某些工作区域内就 面临性能降低甚至失败的命运。 其次，强耦合性。张力控制系统控制的是材料的张力。张力是材料在受到 外力作用时的内应力，该应力与材料的弹性系数有关，弹性系数在很多情况下 也是一个可变量，在受到过大的拉力下，将超过材料的弹性极限甚至导致材料 断裂。材料在卷绕时，在材料的不同部分，材料有不同的运动状态，通常表现 为粘滞的和滑动的。材料的卷绕要靠一定的牵引力，为便于处理需要维持一定 的速度，而有时为了工艺的需要，速度要产生变化，而这种变化有时是极其突 然的。在这样一个系统中，速度的变化必将引起张力的变化，反之张力变化也 会影响速度。因此速度和张力是耦合的。在一般的控制中，通常把速度作为张 力的干扰来处理。 再次，多干扰。如果把张力作为控制对象，那么首当其冲的就是来自速度 的干扰，表现最为强烈的就是突然的启动和停止，突然的加速和减速。特别是 在精细材料的加工过程中，微小的速度抖动将引起张力的极大变化。还有来自 机械的，如卷筒不圆，板辊偏心等都将引起材料的抖动，从而影响张力。【3 1 【3 2 】【4 0 1 5 3 控制策略 p i d 控制因为鲁棒性强，实施简单，适应性广等特点，在工业控制场合获得 广泛的应用，同样适用于张力控制领域。但是张力控制系统毕竞是一个模型不 确定的，强耦合，多干扰的系统，当这些特征比较突出时，单纯的p i d 控制将 失去威力。面对这种情况，我们首先想到的是对传统的p i d 进行改造，例如前 馈控制可以有效的抑制干扰，提高系统的动态稳定性。又如积分分离的p i d 可 以减小积累误差，抑制超调；还可以通过改变p i d 控制的结构来改善控制性能。 近些年，模糊控制获得突飞猛进的发展，有人也把它应用到了张力控制领 浙江大学硕士学位论文 域。模糊控制在时变的非线性系统中有独特的优势，而张力控制系统恰恰就是 这样一种系统，引进模糊控制是必然的。其他的自适应控制，智能控制及自学 习控制等，也接踵而至。 + 既然系统表现为一个多输入多输出的系统，我们没有理由一定要按照单输 入单输出系统的方法来思考。系统模型是不确定的，可以考虑模型改造，把导 致模型改变的量纳入增益参数；系统是强耦合的，考虑解耦，h 无穷大控制可 以有效的解决张力和速度的耦合问题。这样可以在更广阔的思维空间中解决控 制系统的鲁棒性问题。 3 1 1 一 4 2 1 ， 4 3 】【4 7 】 1 6 课题意义 本课题来源于一家专业生产印刷机的厂家。与其产品配套的张力控制器无 论开卷，供料还是收卷都是日本三菱( m i t s u b i s h i ) 张力控制器，不但价格昂 贵，在某些方面还不能很好的满足要求。我们承担的就是研制出一种更实用的 张力控制器以替代原先采用的三菱张力控制器。 当前，我国包装印刷产品的档次不断提高，新型的包装材料和更精美的包 装制品对印刷包装机械提出了更高的要求。如多色组合式凹印机已向高速、自 动对版方面发展，此种印刷机的张力自动控制要求更灵活、快速和准确。此时 的张力控制不但用于收卷、放卷，而且也用于色与色之间，目前国内产品还满 足不了要求。又如对于高速印刷和分切p e 膜等材料，要求张力小而准确，稳定 性要高，对张力控制器提出了更高的要求。 这几年，国内对张力控制系统的研究越来越多，并提出了种种问题及其解 决方案，市面上也有各种型号的张力控制器，但一般控制精度较低，功能单一， 其产品的档次仍然不能与国外的同类产品相媲美。当务之急是要吸收和借鉴日 本及欧美国家当今最新型张力控制器的优点和设计方法，结合当前最新的研究 成果，设计出在性能和可靠性方面可以与国外同类产品相媲美的张力控制器。 在承担了这个任务后，本文开展了如下工作。 1 首先对张力控制系统的数学模型进行了研究和分析，在此基础上对传统 的p i 控制策略进行了改进，探讨了的积分分离型p i d ，带前馈的p i d ， 变结构p i d 等控制策略；研究了张力控制系统模型的分析方法，针对张 力控制系统的特点对更高级的控制策略作出预测和探讨。 2 完成了一个用于分散控制的张力控制器和磁粉离合器的稳流驱动电路。 具体体现在：完成了以微处理芯片为核心的张力控制器的硬件设计，利 用软件编程实现了作者的控制策略，体现了作者对数字控制系统的理解 和把握：设计了一个用于驱动磁粉离合制动器的稳流源电路，在该电路 中有作者独特的设计：实验记录和分析以及运行补偿曲线的设置等。 1 7 论文章节安排 第一章绪论对张力控制系统进行概述，对张力控制系统的应用场合，工作 原理，常用控制方式，控制策略等进行了阐述，最后揭示了课题意义和研究内 容。 第二章对张力控制系统的机构和控制组态进行了阐述。分别阐述了控制系 统的总体实现，各个组成环节的结构和原理，重点介绍了磁粉离合器和张力检 测器，并分析了它们的传递函数。 第三章受力分析和控制策略。首先从一个简化的张力控制系统的物理模型 出发进行了受力分析，并指出了影响张力控制的因素；在分析传统p i d 控制的 基础上，对控制策略做了调整，提出了改进型p d 控制策略；考虑通常分析时 一些忽略的因素重新建立一个了一个相对精确的数学模型，提出了下一步控制 策略研究的方向，并进行了理论阐述和推导。 第四章从实践上介绍了作者研制的张力控制器和磁粉稳流驱动器。对作者 的设计思路，实际的调试记录，编程的经验总结，控制策略的实践实施，等有 比较详细的阐述；对仿真结果和实验波形也结合具体的电路进行了分析：分析 和总结了运行时各种补偿曲线的设置，用于提高控制器性能。 第五章对本论文进行了总结，指出了几个不足之处，并对进一步的研究方 向和张力控制的发展趋势作了进一步的展望。 第二章张力控制系统结构 2 1 控制系统的基本环节 通常，卷绕机械的张力控制不止一个环节。图2 1 表达了凹板印刷机张力 控制系统的基本环节，一个完整的印刷机张力控制系统包括放卷张力控制系统， 进纸牵引张力控制系统，出纸张力控制系统和收卷张力控制系统，这四个控制 系统可以分别控制( 分散张力控制器) ，也可以做成一个整体( 集中张力控制器) 。 我们这次承担的任务是凹印机的收放卷张力控制，因此介绍的重点是放卷张力 控制系统和收卷张力控制系统。 图2 1 凹印机张力控制的基本环节 放卷张力控制系统：制动机构有机械刹车，电磁刹车，磁粉制动器，直流 马达，交流马达( 大部分是伺服驱动，有的采用普通电机加变频器方式) 。在今 天的印刷设备上，最常用的是磁粉制动器和直流马达( 虽然交流马达的应用越 来越多) 。磁粉制动器的控制现对简单，是一种比较新型的自动化控制元件。而 且现在的磁粉制动器，由于采用了体积足够小的磁粉粒子( 高磁化磁粉，例如 4 0 微米) 作为转矩的传动媒介，激磁电流与转矩成良好的线性关系，有稳定的 转矩差，并且有效的防止了由滑差及啮合摩擦所致的发热现象。而采用能正反 转的直流马达的好处也是很明显的：张力的控制范围变大了；避免了由于摩擦 而产生的张力变化及发热；张力的控制更加细腻，对于某些易拉伸的材料( 如 浙江大学硕士学位论文 某些薄膜) 的张力控制亦能得心应手；卷筒纸的交接更加便于控制。缺点是控 制相对复杂。磁粉制动器和伺服马达( 直流和交流) 各有优缺点，要视具体的 情况来选择。磁粉制动器和伺服马达，具体有怎样的性能，能实现怎样的控制 效果，它们之间( 磁粉制动器，直流马达，交流马达) 如何取舍，便成为研究内 容之一。我们的控制系统最终选择了磁粉制动器。 收卷张力控制系统同放卷张力控制系统是很类似的，不同的是没有采用制 动器而是离合器。另外放卷和收卷对于某些材料来说是要有差别的。放卷和收 卷，通常是恒张力控制。而研究表明对于柔性材料，特别是对张力敏感的薄型 材料，若采用恒张力卷取，将导致卷筒内部纸张张力严重不均，内层纸张张力 远小于外层纸张张力，甚至某些部位出现负值而处于松驰状态，使该部位纸张 产生褶皱等不良现象，严重影响产品质量。建议随着卷绕半径的增大，卷绕张 力应逐渐减小( 锥张力控制) 。 2 2 收放卷张力控制系统结构 收卷和放卷的控制结构是类似的，我们以放卷为例。张力检测器检测负载 张力，经过张力放大送到以微处理器为核心的控制器，控制器综合给定和反馈 张力，输出控制信号，经稳流电源驱动磁粉制动器作用到卷轴，形成张力闭环 控制系统。利用速度检测可以对机器运转作出预测和补偿。 图2 2 放卷张力控制系统结构 就张力控制系统而言，小型的分散的张力控制通常用微处理器来控制；而大型 的集成的张力控制通常用工控机或者p l c ；或者采用不同的组态，如用基于微 处理器的控制器控制执行机构，上位机采用集成能力更强的工控机或者p l c 来 浙江大学硕士学位论文 统一调度，协调控制。在印刷包装行业中，分散的小规模的控制更加常见，所 以设计基于微处理器的张力控制器，通过改良控制策略，来提高控制的精度和 性能具有极高的商业价值。 2 3 磁粉离合器 磁粉离合器的主要工作原理是磁粉在激励线圈通电时，使间隙内的磁粉在 从动件与主动件成链装链接，从而将转矩由输入端传给从动件，从动件即可驱 动机器运转。磁粉离合器所能传递转矩的大小，随激励电流增大而增大。 磁粉离合器的结构如图2 _ 3 所示，嵌装着线圈的主动件和被动件之间装有轴 承。两者之间形成了一个同心的圆柱形气隙。在此气隙中，放入导磁率高、耐 热性好的不锈钢磁粉，当主动件回转而线圈不通电励磁时，气隙中的磁粉由于 离心力作用被压附在主动件的内壁上，因此被动件处于完全脱离状态。若线圈 通电励磁，则将有磁场产生，磁粉在磁场作用下立即把两个回转体连接在一起， 由磁场间的磁性结合力和磁粉与两运动件的摩擦力来传递力矩。由此可见，磁 粉离合器具有三种工作状态： 励磁姥 盈糟 主动件 从动件 图2 3 磁粉离合器结构图【6 】 a 当磁粉离合器励磁电流足够大时，从动件与主动件转速相同，处于“同 步”工作状态； b 当磁场离合器励磁电流逐渐减少到一定值时，磁场离合器虽仍能传递扭 浙江大学硕士学位论文 矩，但从动件转速低于主动件转速，磁粉离合器处于“滑差”工作状态； c 当磁粉离合器励磁电流小于某一数值时，磁粉离合器所能传递的力矩小 于负载力矩，从动件转速为零。 磁粉离合器主要具有以下优良特性： a 激磁电流与转矩成线性关系。一般而言，在5 i 0 0 的额定转矩内，激 磁电流与传达转矩成正比线性关系。只要变更激磁电流便会在较大的范围内容 易的改变控制转矩的大小，因此能用简单方法来实现力矩的精密微调，如图2 4 所示 棠 鼎 辩 蚓 迎 宅 矩 j 一1 0 c内 与趔滥电 厂 ， 流成正比 2 06 01 0 0 激磁电流( ) 图2 4 传动转矩和激磁电流的关系 b 在某一特定励磁电流下，力矩与滑差速度无关，大体上是一恒定值，所 以连接时完全没有振动；只需调整激磁电流便能准确的控制传达转矩。 c 断开激磁电流时剩余转矩非常小，因此在断开时不会发生延迟回转现象。 由此可见，磁粉离合器在一定的励磁电流下所能传递的力矩是一定的，可以通 过改变励磁线圈中的电流量来改变磁场的强度，使磁场之间的剪切力发生变化 来调节输出扭矩大小，从而调节卷绕过程中加工物的张力。 磁粉离合器的磁通增长速度取决于励磁线圈的电感量，但是磁通建立后，磁 粉由离散状态到形成横过间隙的磁粉链时有一个延时过程，而且加工物由于其 自身的伸展性也会延迟张力的建立，这使磁粉离合器还带有滞后的特性。因此， 磁粉离合器的传递函数应为： 等2 面了石i k 两m i 丽，式中，i k t 为控制电流( a ) ， 1 女、u1 ，、1 扪1 ， k m 为静态电流一力矩系数( 蚝m a ) ，i 为减速比t l 和t i n 分别为电磁和机电 塑垩奎堂堡圭堂焦丝奎一 时间常数( s ) ，s 为微分算子。 2 4 张力检测器 如图所示为张力检测器的原理图。该张力检测器是通过滚轮施加负载，使 板簧如下图位移，然后通过差接变压器检出张力。由于板簧的位移量极小，大 约只有_ 2 0 0 u r n ，所以又称为微位移型张力检测器。 图2 5 轴测式张力检测器原理图和张力变送器 由于用了许多检测辊，即使张力为零，张力检测器实际也受到了负载。此 负载并非一成不变的，而是随着机械侧因素的变化而变化，如受到检测辊的质 量，检测器的安装角等的影响。而且由于各种机械类型及材料的不同与检测辊 角度各异，这样就有必要调整张力控制器侧的设定，此称为零位调整或跨度调 整。实现零位调整是通过消除等值予检测辊负载的电压，而此时材料并未施加 予检测辊。而跨度调整是沿材料传送路线负载已知重量，来修正设定值。 张力检测器在整定以后，基本是线性关系，但是由于机械的作用，不可避 免的有延迟现象。因此，张力检测器的传递函数可以用一个一阶延迟环节来表 示赤其中，。为张力变送比例系数，t o 为张力检测器延迟时间系数，s 为微分算子。 浙江大学硕士学位论文 第三章受力分析和控制策略的研究 3 1 受力分析及影响张力控制的因素 为定性分析张力的影响因素，简化张力系统，建立物理模型如图所示。此 时为放卷。 图3 1 张力简化模型 图3 ，l 中f t ：张力变送器：f c ：控制器；m b ：磁粉制动嚣；v ：车速( m s ) ：r d ：卷芯半径( m ) ；r ：带卷半径( m ) ：i ：减速比；( - ) ：带卷转速：t ：磁 粉制动器的输出力距( k g m ) ；i k ：控制电流( a ) 。图3 1 系统的工作原理为：当膜 料的张力值与设定值不一致时，控制器经调节律的运算后输出相应的控制电流 i k ，改变磁粉制动器输出制动力矩t ，以达到控制张力的目的。 当卷筒匀速运转时，根据扭矩平衡公式 f r t = 励( 3 1 ) 得到静态张力方程 f ：业 r 当卷筒受到其他干扰因素影响，速度和张力发生变化时产生加速度 平衡方程 f r r ：幻+ j 童鲁 ( 3 2 ) 得到动态 ( 3 3 ) 浙江大学硕士学位论文 推导出 t + 8 + j 丝 f ： 建 r ( 3 4 ) 其中f 为张力，r 为卷筒实时半径，为卷芯半径，t 为控制扭矩，b 为摩擦 阻尼系数。u 为转速，j 为卷筒的转动惯量，j o 为卷芯惯量，由式( 3 2 ) 可知系 统在匀速状态下张力与扭矩t ，速度c o 成线性关系，只需保持t + ub 随半径r 成比例变化即可保证张力稳定，比较容易控制。 在动态过程中如式( 3 4 ) 可知，此时影响张力变化的因素增多，并且是非线 性变化。其中惯量j ，转速m ，加速度dc o d t ，半径r ，都对张力产生影响。增 大了系统的控制难度。以下分项讨论。由于卷简绕完一周需要一定的时间，故 可将半径r 在一段时间内看作定值，假设j 值稳定，先讨论速度对张力的影响。 求角加速度d d t ：设在时间增量d t 内，长度增量为d l ，半径增量为d r ，料厚 为h ，运动线速度为v ，则卷筒端面面积增量为 d s = d l h = 2 r c r d r = v b d t ，即 d rv h i 2 丽( 3 - - 5 ) 根据圆周运动角速度公式u = v r ，则有角加速度： 等= 篆警= 素羔一斋( 3 - - 6 ( 3 - - 6 )虿。鬲i 万蕊2 一五万 d & iv 2 h d t 互鬲( 3 - - 7 ) 将( 3 - 7 ) 代入( 3 - 3 ) 后得到 融- t = - j 2 v 石2 r h ，+ p v r 式中，= 吉m r 2 = 吉n ：r 4 p ( p 为占积率) ，代入上式得到 f r - t = - 疗r h p v 2 h j + 8 v r = 一r h 2 p + 2 2 r c r4 8 v r 。 3 7 广 ，= 三一1 4 h 2 v 2 二+ 印 即当速度和张力开环控制时，张力f 与线速度v 之间的关系式。 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 一i o ) 此式表明，当 其他条件不变时，织物的线速度增大则其张力也增大，反之亦然，但二者的影 响大小j v - - f 4 ，即两个控制变量之间的相互影响又是不对称的，线速度对张力 的作用远大于张力对线速度的影响，每当速度有较小的变化，都会引起张力的 较大变化。 以上的分析是在忽略半径r 的变化，并假设转动惯量j 值稳定的情况下。 下面继续就在r 随时间变化的情况下进步讨论。一切的卷绕机构在张力控制 的问题上都会遇到r 实时变化这个问题以及它带来的其他问题如惯量j 值的变 化。 在图3 1 中，令j o 为卷芯转动惯量，j 为实时转动惯量，可推导出 儿) = 厶+ 掣( r 4 ( f ) 一e 1 ) ( 3 - - 1 1 ) 其中，b 为料膜宽度，p 为料膜的体密度。 将( 3 1 1 ) 代入( 3 8 ) 中得到 聊) 一丁叫厶+ 字( 哟一删4 丽v 2 h + 哪) ( 3 - - 1 2 ) 推出 n 南粕+ 字( 一砌高钠( 3 - - 1 3 ) 化简公式令岛= 半，k 2 ：尝得到 肛高也州( f ) 瑚) 斋呐( 3 - - 1 4 ) 由公式( 3 一1 4 ) 中可以看出，当考虑到实时半径r ( t ) 的变化和速度的变化时， 张力f 的所受的影响还与卷筒初始转动惯量、初始半径及卷筒上的料膜的密度 有关。如果卷筒的初始转动惯量较大并且半径较大，那么张力受实时半径r ( t ) 变化的影响相对要小，而速度对张力的影响仍然比较大。 根据上面分析知道对于卷绕机构的张力控制系统，半径的变化和速度的干 扰是影响张力控制的最主要因素。因此在设计张力控制系统时应该着重考虑对 半径的鲁棒以及克服速度冲击带来的干扰。 浙江大学硕士学位论文 3 2 p i d 控制算法 数字p i d 控制在生产过程中是一种普遍采用的控制方法，在各行业中得到 了广泛的应用。随着计算机控制技术的发展，产生了各种数字p i d 控制的变形。 下面首先介绍一下p i d 控制的基本原理。 3 2 1p i d 控制原理 常规p i d 控制的系统原理框图如图3 2 所示。系统由p i d 控制器和被控对 象组成。 图3 2 基本p i d 控制原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构 成控制偏差 e ( t ) = r ( t ) 一c ( t ) ( 3 1 5 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控 对象进行控制，故称为p i d 控制器。其控制规律为 砸) = k p m f ) + 砉出+ 墨笋】 ( 3 _ 1 6 ) 或者写成传递函数形式 g = 等洲1 + 去哪) ( 3 - - 1 7 ) 式中k ，比例系数： 浙江大学硕士学位论文 t i 积分时间常数； t d 微分时间常数。 简单说来，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 1 比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e ( t ) ，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 2 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决 于积分时问常数t i ，t i 越大，积分作用越弱，反之增强。 3 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变 的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速 度，减小调节时间。 由于计算机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量， 因此上面式( 3 一1 6 ) 中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。 1k甲 “( | 】 ) = 砗 p ( 尼) + 軎g ( ，) 丁+ ；掣p ( | | ) 一e ( i 一1 ) ( 3 1 8 3 1 ，j = l 1 式中，t 为采样周期，k 为采样序列，k = 1 , 2 ，3 ， 5 4 1 。 3 2 2 积分分离p i d 控制算法 在计算机控制系统中，p i d 控制规律是用计算机程序来实现的，因此它具有 更大的灵活性。一些在模拟p i d 控制器中较难实现的问题，在引入了计算机后， 就可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法，以满足不同控制系统的需要。 图3 3 积分分离p i d 浙江大学硕士学位论文 在普通的p i d 数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、 提高精度。但在过程的启动、结束或者大幅度增值时，短时间内系统输出有很 大的偏差，会造成p i d 运算的积分积累，致使算得的控制量超过执行机构可能 最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的 振荡，这是某些生产过程中绝对不允许的。引进积分分离p i d 控制算法，既保 持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。如图3 3 ，其 具体实现为： ( 1 ) 根据实际情况，认为设定一阀值 0 。 ( 2 ) 当ie ( k ) e | 时，也即偏差值le ( k ) i 比较大时，采用p d 控制，可 避免过大的超调，又使得系统有较快得响应。 ( 3 ) 当ie ( k ) ei 时，也即偏差值ie ( k ) i 较小时，采用p i d 控制，可 保证系统的控制精度。 利用图3 3 中的非线性环节进行“积分一惯性”的软切换能有效地限制动态 积分分量，能大幅度地减少系统的超调，以改善动态特性，对系统的建模误差 也有良好的补偿作用。 3 2 3 自动增益调整 当对应的控制对象有所改变时，能够自动整定p i d 参数对张力控制器来说 具有重要意义。根据齐格勒一尼柯尔斯法则f 4 钔，对s 型系统( 图3 6 ) ，控制器的 p i d 参数可以根据系统的阶跃响应曲线来整定。如果能够使得采样周期足够小， 或者相对于阶跃响应的稳定时间足够小，我们总可以使输出转矩瞬时增大而测 量并记录阶跃响应的波形曲线，依次为根据对p i d 参数作出调整。为保证数据 的稳定性，多次测量是必要的。 输 出 图3 4 自动增益调整测量曲线 测量原则是在不使材料严重变形或断裂的前提下，尽量提高阶跃幅度，使 测量的相对误差减小。 3 3 变结构p i d 目前用在卷筒纸加工设备上的张力控制系统产品，基本上都是基于p i 律控 制策略的。由于卷筒纸在退卷过程中，卷径变化范围大，一般可达几十倍，即 在一个加工周期内，系统的前向增益变化高达几十倍，是个典型的大时变、非 线性过程，促使基于p i 律的控制效果难以满足要求。实践早已证明了这一点， 为解决这样的问题，理论上可采用基