（机械制造及其自动化专业论文）卷绕张力系统鲁棒控制策略的研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：班z 上海大学工学博士学位论文 卷绕张力系统鲁棒控制策略的研究 作 导 者 师 何金保 方明伦教授 何永义研究员 学科专业机械制造及其自动化 上海大学机自学院 2 0 0 9 年7 月 a s t u d y o nr o b u s tc o n t r o ls t r a t e g i e sf o r w i n d i n g t e n s i o ns y s t e m c a n d i d a t e ：h ej i n b a o s u p e r v i s o r ：f a n gm i n l u n ，h ey o n g y i m a j o r - m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g & a u t o m a t i o n s c h o o lo fm e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n s h a n g h a iu n i v e r s i t y j u l y ，2 0 0 9 - 上海大学工学博上学位论文 摘要 卷绕张力系统广泛应用于纺织、造纸、印刷、高速高精的线切割等制造行 业中，由于高速卷绕张力系统中存在的张力与速度耦合、卷径参数时变以及外 在干扰等问题，严重地影响到加工效率和产品质量。如何解决卷绕张力系统控 制存在的问题，实现张力在线实时调节，保证系统的准确性、稳定性、快速性 是当前张力系统研究的重要课题。 本论文以典型的高速精密卷绕张力系统多线切割机切丝张力系统为主 要研究对象，对多线切割机切割机理和切丝运动模型分析，建立了切丝张力系 统模型。针对张力系统中存在的张力与速度耦合、系统卷径参数时变等问题， 研究了张力鲁棒控制策略，并进行了仿真及实验。 针对多线切割机切丝张力系统的特点，分析了收放卷、张力检测等主要机 构部件，建立了系统主要部件动力学模型。研究了切丝张力系统的建模方法， 应用虎克( h o o k e ) 定理、哥伦布( c o u l o m b ) 定理、质量守恒定理以及卷轴速度方 程，建立了切丝张力系统数学模型。 分析了切丝张力系统卷径时变引起结构参数变化，以及切丝张力与速度之 间的耦合关系。为了解决张力系统存在的内外在干扰、张力与速度耦合等问 题，提出了基于超代遗传( h g g a ) 的张力自寻优鲁棒控制。研究了张力系统加权 函数与鲁棒性能之间的联系，根据张力误差和误差变化率确定系统当前运行状 态，进而在线搜索张力鲁棒控制器的最优参数。张力自寻优鲁棒控制算法抑制 了卷径时变以及外在干扰的影响，实现了张力控制器的在线调节，保证了收放 卷子系统张力稳定。 针对切丝张力系统的特点，构建了张力系统实验平台，对本论文所提出的 张力控制策略进行了实验研究。通过对实验数据对比分析，应用张力自寻优鲁 棒控制方法算法的张力控制系统，具有较小的张力静差率和张力波动率。表明 张力自寻优鲁棒控制有效，达到了预期目标。 论文为卷绕张力系统控制提供了一种新的思路，研究成果为解决张力控制 问题提供了理论依据和应用基础，尤其对卷绕类线型小张力系统的设计具有实 际意义。 关键词：多线切割机；张力系统；鲁棒控制；自寻优；超代遗传算法 上海大学工学博士学位论文 a bs t r a c t t e n s i o ns y s t e mi sw i d e l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n gi n d u s t r ys u c h 舔t e x t i l e ， p a p e r m a k i n g ，p r i n t i n ge q u i p m e n t ，a n dw i r es a w b e c a u s et h e r ea r ec o u p l i n gb e t w e e n t e n s i o na n dv e l o c i t y ，p a r a m e t e ru n c e r t a i n t i e s ，o u t s i d ed i s t u r b a n c e si nt h et e n s i o n s y s t e m ，t h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t ya r ei n f u e n c e ds e v e r e l y s oi ti s v i t a li s s u et h a th o wt os o l v et h ea b o v e - m e n t i o n e dp r o b l e m st oi n s u r et h es t a b i l i t y ， p r e c i s i o na n do n l i n er e g u l a t i o no ft e n s i o nc o n t r o l ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp r o j e c tt o b e d e v e l o p e d t h ew i r es y s t e mo fm u l t iw i r es a w ( m w s ) i st h et y p i c a lh i g h v e l o c i t ya n d h i g h - p r e c i s i o nw i n d i n gt e n s i o ns y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e st h ew i r es u b s y s t e mo fm w s 嬲a ne x a m p l ea n ds t u d i e s w i n d i n gt e n s i o n c o n t r o lt e c h n o l o g y t h ei n c i s i n g m e c h a n i s mo fm u l t iw i r es a wa n dt h em o v e m e n to fi n c i s i n gw i r ea r ea n a l y z e d ，t h e n t h em o d e lo fi n c i s i n gw i r ei ss e tu p f o rt h ep a r a m e t e ru n c e r t a i n t i e sa n do u t s i d e d i s t u r b a n c e s ，t h et e n s i o nr o b u s tc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e d t h ef e a s i b i l i t yh a s b e e nv e r i f i e db ys i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s f o rt h ec h a r a s t i c so fm w s ，t h ek e yp a r t so fw i r et e n s i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d s u c ha sw i n d i n gs u b s y s t e m ( u n w i n d i n gs y s t e m ) ，d a n c i n ga r ma n dt h e s em o d e l ss e tu p t h em e t h o do nm o d e l i n go f i n c i s i n gw i r ei ss t u d i e d u s i n gt h ep r i n c i p l eo fh o o k e ，t h e p r i n c i p l eo fc o u l o m b ，t h ep r i n c i p l eo fm a s sc o n s e r v a t i o na n ds p e e de q u a t i o n ，t h e m o d e lo ft e n s i o ns y s t e mi ss e tu p t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f i n c i s i n gw i r es y s t e ma r ec h a n g e db yr o l l i n gd i a m e t e r a n dt h ec o u p l i n gb e t w e e nb e t w e e nt e n s i o na n dv e l o c i t yi ss t r o n g ，w h i c hr e l a t i o n sa r e a n a l y z e d b e c a u s et h e r ea r ep a r a m e t e ru n c e r t a i n t i e s ，o u t s i d ed i s t u r b a n c e si nt h em u l t i w i r es a wt e n s i o ns y s t e m ，t e n s i o ns e l f - o p t i m i z i n gr o b u s tc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do n h y p e rg e n e r a t i o ng e n e t i ca l g o r i t h m ( h g g a ) i sp r o p o s e d t h er e l a t i o nb e t w e e nr o b u s t p e r f o r m a n c ea n dw e i g h t i n gf u n c t i o ni ss t u d i e d i nt e r m so fe r r o ra n de r r o rc h a n g e r a t i oo ft e n s i o n ，t h es t a t eo ft e n s i o ns y s t e mi sc o n f i r m e d ，a n dt h e nt h eo p t i m i z i n g p a r a m e t e r so ft e n s i o nr o b u s tc o n t r o l l e rc a nb eo b t a i n e du s i n gh g g a t h er o b u s t c o n t r o lm e t h o dp r o p o s e dc a nr e s t r a i ni n t e r f e r e n c e ，r e a l i z et h eo n l i n er e g u l a t i o no f t e n s i o nc o n t r o ll e ra n dk e e pt h ew i n d i n g ( u n w i n d i n g ) s u b s y s t e ms t a b l e f i n a l l y ，f o rt h ec h a r e s t i c so fi n c i s i n gw i r e ，t h et e n s i o ns y s t e mp l a t f o r mi sb u i l du p a n dt h ea l g o r i t h m sa b o v ea r et e s t e di nt e n s i o np l a t f o r m t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no f e x p e r i m e n t sr e s u l t s ，t h eb e r e rt e n s i o ns t a t i cd i f f e r e n c er a t i oa n dt e n s i o nf l u c t u a t i o n r a t i oc a nb eo b t a i n e di nt e n s i o ns y s t e mt h a tt h et e n s i o ns e l f - o p t i m i z i n gr o b u s tc o n t r o l i i 上海大学工学博士学位论文 s t r a t e g yb a s e do nh g g aa l g o r i t h mi sa d o p t e d t h et e n s i o ns e l f - o p t i m i z i n gr o b u s t c o n t r o ls t r a t e g ya c h i e v e st h er e q u i r e m e n tf o rt e n s i o nc o n t r o la n dt h ee x p e c t e dg o a l s t h i ss t u d yl a y san e wm e t h o df o rt h et h e o r i e sa n da p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ft h e c o m p l e xw i n d i n gt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m s t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sc o u l db eu s e d a sat h e o r e t i c a if o u n d a t i o na n da p p l i e dt os o l v et h ep r o b l e mo fw i n d i n gt e n s i o n c o n t r o ls y s t e m i ti se s p e c i a l l yv a l u a b l ef o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h es m a l l t e n s i o na n dw i r ew i n d i n gs y s t e m k e yw o r d s ：m u l t i - w i r es a w ；t e n s i o ns y s t e m ：r o b u s tc o n t r o l ；s e l f - o p t i m i z i n g a l g o r i t h m ：h y p e rg e n e t i cg a i i i 上海大学工学博士学位论文 摘 目录 a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 卷绕张力系统的组成2 1 3 国内外研究现状3 1 3 1 多线切割机研究进展3 1 3 2 张力控制技术j 6 1 4 张力控制待解决的问题1 l 1 5 课题研究的意义1 2 1 6 论文主要内容1 3 参考文献1 4 第二章多线切割的张力系统1 9 2 1 多线切割加工机理1 9 2 2 切丝运动学分析2 3 2 2 1 切丝切割力模型2 3 2 2 2 切丝振动模型2 4 2 3 切丝行进路线2 6 2 4 多线切割张力子系统间关系2 8 2 5 多线切割的张力控制2 9 2 5 1 切丝张力系统主要影响因素2 9 2 5 2 多线切割的张力控制原理3 0 2 6 本章小结3 1 参考文献3 2 第三章张力系统的数学模型3 4 3 1 张力产生的机理3 4 i v 上海大学工学博士学位论文 3 2 张力系统部件模型分析3 4 3 2 1 收放卷机构3 4 3 2 2 张力检测3 5 3 3 张力系统数学模型的建立3 7 3 3 1 两相邻卷轴介质的张力方程3 7 3 3 2 卷轴力矩平衡方程3 8 3 3 3 张力系统数学模型3 9 3 4 张力系统主要参数计算及修正4 0 3 5 本章小结4 2 参考文献4 2 第四章张力系统的鲁棒控制技术4 4 4 i 引言4 4 4 2 鲁棒控制原理4 5 4 2 i 基本定理4 5 4 2 2 基于混合灵敏度的鲁棒控制4 6 4 2 3 加权函数的选择4 8 4 3 张力模糊化鲁棒控制4 9 4 3 1 张力模糊化4 9 4 3 2 仿真实验5 0 4 4 张力自寻优鲁棒控制5 7 4 4 1 在线遗传优化( h g g a ) 5 7 4 4 2 仿真实验6 0 4 5 本章小结6 2 参考文献6 2 第五章张力控制系统的实现6 5 5 1 张力系统的设计6 5 5 i 1 张力系统的方案6 5 5 1 2 张力系统的控制方式6 7 5 1 3 自动排线装置6 9 5 2 张力数据采集7 0 5 。2 1 张力传感器7 0 v 上海大学工学博士学位论文 5 2 2 传感器标定7 1 5 3 张力软件系统设计7 1 5 3 1 下位机软件7 1 5 3 2 上位机软件7 3 5 4 张力系统参数辨识7 6 5 4 1 最小二乘法原理7 6 5 4 2 系统模型参数辨识实现7 9 5 5 本章小结8 2 参考文献8 3 第六章张力系统鲁棒控制的实验研究8 4 6 1 张力模糊化鲁棒控制8 4 6 1 1 鲁棒控制实验8 4 6 i 2 模糊化鲁棒实验研究8 5 6 2 张力自寻优鲁棒控制实验研究8 9 6 3 张力实验结果计算与分析9 2 6 4 本章小结9 6 参考文献9 7 第七章总结及展望9 8 7 i 总结9 8 7 2 展望9 9 附录a ：攻读博士期间科研成果1 0 1 附录b ：发明专利授权证书1 0 3 致谢1 0 4 v i 上海大学工学博士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 卷绕张力系统广泛应用于纺织、造纸、化纤、印刷、i c 弗l j 造、高速高精的 线切割等制造行业中，在这类机电设备稳定、高效运行的背后，无不有高精度 的卷绕张力系统支撑。张力控制技术直接关系到产品质量，是这类工业设备的 基础技术之一【l 】。由于张力系统是多输入多输出的不确定性系统，卷径及转动 惯量是时变参数，而且速度和张力存在耦合关系，造成系统的动力学模型十分 复杂。张力系统的控制一直以来是控制中的难点，严重制约了相关制造业发 展。 在印刷行业，印刷设备向高速、高质量、高效益发展，纸页的张力自动控 制技术水平直接影响着印刷设备速度的提高以及产品的质量。纸页的张力太 小，会产生皱褶、套印不准等弊病：而张力太大，则增加机器的负荷并容易使 纸页断裂。而且要求张力要随卷径的变化而变化，卷径越大，纸对纸心的拉力 越大，复卷的效果是里松外紧，要保证纸层之间的均匀性，就要实现锥度的张 力控制。张力不稳定导致纸页发生跳动，致使套印不准、重印等问题的产生， 特别是在高速印刷设备上，张力自动控制技术显得尤为重要。 在纺织行业的织造过程中，经纱张力松弛，引起织口位置的漂移，并最终 导致开车痕的形成。经纱张力的周期性变化，特别是其中的高频部分，会引起 经纱抖动，使得纱线解体、断头。经纱张力的波动会引起纬纱弯曲程度的改 变，使得织物的门幅发生变化。在打纬时，经纱张力的下降会使打纬不紧，影 响高纬密织物的生产。影响国内织机车速提高的主要因素就是经纱张力控制问 题，目前国内生产的高档织机必须配备进口的电子送经卷取装置。 电火花线切割加工技术作为一种特种加工技术，已经广泛应用于医学、航 空、汽车、电子及轻工业等生产领域，该技术的发展已成为一个国家工业化发 达程度的重要标志之一【4 】。慢走丝线切割机( l s w e d m ) 运丝张力系统对产品质 量产生较大影响，尤其是高精度l s w e d m 。台湾中央大学施瑞荛【o j 经过实验研 究了慢走丝线切割机运丝系统张力、速度等因素对加工质量和加工速度的影 响。图1 1 和图1 2 分别是表面粗糙度和扩槽量与张力的关系，图中实线和虚线 上海大学工学博士学位论文 分别表示未旋转和旋转线电极。在加工过程保持较大张力时，张力波动5 ，表 面粗糙度r 最大影响达到0 0 6 8 t m ；张力波动4 ，足最大影响达到 o 0 5 4 , u m ；张力波动3 ，足影响最大达到0 0 4 2 9 m 。在高精度l s w e d m 中， 张力是影响产品质量的重要因素。 图1 1 表面粗糙度与张力的关系图1 2 扩槽量与张力的关系 随着半导体产业的不断发展，尤其是太阳能对大面积薄硅片的需求量不断 增加，传统的内圆切割加工方式满足不了加工需求，因此晶片多线切割技术近 年来迅速崛起。光电池技术要求硅片厚度越来越小，从1 9 9 0 年的4 0 0 m 到2 0 0 5 年的2 4 0 m ，同时单片的面积从l o o c m 2 增加到2 4 0 c m 2 ，光电池的效率从1 0 增 加到1 3 【8 1 。随着3 g 技术的进一步发展，对超薄( 4 0 # m 左右) 硅片需求量也将 逐步增加。作为衬底的硅单晶片尺寸越来越大，其线宽已从o 1 8 , u m 到o 1 3 2 m ， 逐渐向0 1 0 p m 9 1 以下发展。多线切割机( m u l t iw i r es a w ) 可以高效率地切割大直 径、薄硅片，是目前硅片切割最常用的方法。多线切割机是典型的机电张力系 统，其在高负荷运行时，柔性体间强力交互作用，特别是切丝张力、速度的变 化及振动、摩擦等因素影响，严重制约了系统切割速度、控制精度的提高。而 多线切割机各个部分间耦合后的动力学模型极其复杂，而且实际工况下，外在 干扰很强，这给高速、高精度系统的张力控制带来了一定难度。 以上种种情况说明，张力控制技术作为关键技术，严重制约了我国相关装 备制造业的发展。因此，对张力控制问题深入的研究势在必行。 1 2 卷绕张力系统的组成 一个完整的卷绕张力系统由放卷机构、收卷机构、张力检测装置、控制装 置以及辅助装置组成。实际应用中，卷绕张力系统也可由其中的部分组成，卷 绕系统的张力是基于速度差原理产生的。 2 上海大学工学博士学位论文 放卷机构和收卷机构是卷绕张力系统的主要机构，在大部分系统中两者是 可以互换的。张力检测装置是实时检测张力信号，并反馈给控制器，在高精度 张力控制场合，张力采用闭环控制，此时，张力检测装置十分重要。控制装置 是系统的核心，根据控制性能要求对张力、速度传感器信号进行处理，输出控 制信号，完成系统的控制过程。辅助装置包括自动排线机构、牵引等装置，可 提高张力系统稳定性和精度。 多线切割机系统中主要使用的是交流电机，从目前国际市场上看，几乎所 有的新产品都是交流伺服电机，交流电机取代直流电机是发展趋势。在工业发 达国家，交流伺服电机的市场占有率已经超过8 0 。永磁伺服系统具有优良的 低速性能，调速范围宽，而且不需要励磁电流，显著提高功率因素，减少了定 子电流和定子电阻损耗。因此，永磁伺服电机在工业自动化领域中的应用越来 越广泛，已成为交流伺服系统的主流。 多线切割机切丝张力系统是典型的卷绕张力控制系统，由于多线切割机是 机、电、液多变量系统，工作时状况复杂，环境恶劣，影响因素众多，其张力 控制十分复杂。本文以多线切割机切丝张力系统为主要对象，来研究卷绕张力 系统的控制技术，为卷绕张力系统的开发提供理论基础和借鉴。无特别说明， 以下张力系统均指卷绕张力系统。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 多线切割机研究进展 国外多线切割机生产厂家主要有日本t a k a t o r i ( 高鸟) 公司、m a s y a s u k o j i m a 公司、不二越机械工业株式会社、n t c 公司( 日平外山公司) 以及瑞士的 m & b 公司、h c t 公司。瑞士的两家公司生产的线切割机产品技术水平较高，尤其 是h c t 公司。 日本的m a s y a s uk o j i m a 采用单向行程切丝进行高速、高精度切断加工研究， 较好解决了( p 1 0 ”大口径硅片的高精度、高效率切断加工问题，其所研制的多线 切割设备切割速度高达1 0 0 0 m m i n 【l3 】以上。t a k a t o r i 公司产品主要有m w s 一 4 8 s d 、m w s 一6 1 0 、m w s 一6 1 0 s d 三种，可用于1 0 0 m m - 2 0 0 m 之间半导体材料切 割。该公司其他一些线切割设备主要用于截面尺寸较小的磁性材料、光电材料 的切割。n t c 公司主要提供3 0 0 m m 晶圆片线切割机m n m 4 4 4 b 和m w m 4 5 4 b 两种。三轴 ( 导轮) 驱动形式，存线长度达4 0 0 k m 1 2 】。 3 上海大学工学博士学位论文 瑞士h c t 是成立于1 9 8 4 年的专业生产多线切割机的公司，技术先进，加工 精度高，可同时切割4 条晶棒，金属丝直径 o 0 8 m m 的切割机，是目前世界上 最先进的太阳能级多线切割机。h c t 公司生产的线切割机主要有e 4 0 0 s d 、 e 5 0 0 s d 、e s 0 0 e d - - b 、e 4 0 0 e - - 1 2 四种，其中e 4 0 0 s d 、e 5 0 0 s 主要适用于太阳能 级硅片加工，最大加工到1 5 0 m m 。e 5 0 0 e d - - 8 适用于加工2 0 0 m m 半导体圆片， e 4 0 0 e - - 1 2 适用于加工3 0 0 m m 半导体圆片为【1 2 】。h c t 公司与m & b 公司线切割机设备 主要以四轴( 导轮) 驱动形式设计，这样可以增大工作台的面积，增大切割能 力。图1 3 是h c t 公司推出的e 5 0 0 s d - b 5 多线切割机。瑞士m e y e r b u r g e r 公司的 生产的d s2 6 2 c 参数【1 4 】，线长6 4 0 k m ( 直径0 1 6 r a m ) ，ll o o k m ( 直径0 1 2 r a m ) ，其 它主要参数见表1 1 。 国内方面，多线切割机的研究在本世纪初，起步不久。据不完全统计国内 已购买至少1 5 台大型多线切割机投入使用，还有相当数量的国外二手设备在运 行。国内没有的研究机构专业研究多线切割机，只有极少公司和研究所研究， 装备较先进的多线切割设备及控制系统基本上靠国外引进。图1 4 是是上海日进 机床公司推出的最新多线切割机n w s - 6 x 2 ，它采用等腰三角形形式的导线轮，实 现自上而下的切割硅片。计算机控制金属线从放卷轴、导线轮、切割轮到收卷 轴，分别由伺服电机驱动。其参数【1 6 】：切割槽轮外径术槽宽水车由数2 5 0 m m * 3 0 0 m m * 3 轴；供线轮存线量3 0 k g ；工作台升降距离2 3 5 m m ：其它参数见表1 i 。益阳新瑞 机器有限公司推出了型号为d q a 1 3 0 的多线切割机【1 7 】。先后试切材料有水晶、 玻璃、磁性材料等，厚度有1 5 m m 、0 s m m 、0 4 m m 、0 2 m m ，切片厚度误差 0 0 1 m m ，片平行度误差0 0 1 m m ，表面粗糙度达到了0 8 0 4 岬。工作台的进 给采用了高精度伺服定位技术，精度达到0 o l n u n 。 图1 3h c t 多线切割机e 5 0 0 s d b 5 1 5 1图1 4 日进多线切割机n w s 6 x 2 【1 6 】 4 上海大学工学博士学位论文 目前，国外多线切割机已经发展到了第四代产品，国内正在研发第三代多 线切割机。表1 1 是国内外多线切割机产品主要参数的比较，其中国外产品是 瑞士m e y e r b u r g e r 公司的生产的d s2 6 2 c ，国内产品是上海日进机床公司最新多 线切割机n w s 一6 x 2 。 从表1 1 可以看出，在最大加工尺寸、线径线速、伺服进给速度、张力控 制精度等参数上，国内多线切割机产品与国外产品还有差距，而且在切片质 量、切割效率、系统运行稳定性以及智能化方面，国内外也存在较大差距。 表1 1 国内外多线切割机产品主要参数的比较 国内外多线切割机理论研究主要集中在切割机理、浆料特性、切割工艺、 以及机械结构等方面的研究。多线切割机有磨料游离型和磨料固着型两种，文 献 1 9 2 0 研究认为游离的磨料在切丝的“滚压入”的压力下，使硅片表面产 生塑性变形以及横向裂纹和中间裂纹，从而不断去除硅。文献 2 1 研究了“滚 压入 和“滑擦压入”两种去除硅的方式，并建立了游离磨料切割模型。文献 2 2 通过对多线切割机切割工艺过程中失效机理的分析研究，研究了锯丝断线 的主要原因和砂浆磨粒丧失切削力的过程，并提出了相应的预防改进措施。文 献 2 3 作者通过有限元方法先计算出单个磨粒的切割情况，然后计算出单个结 块的和整个锯片的切割力。砂浆是金刚石粉、碳化硼、碳化硅等磨料粉溶液的 搅拌混合物，砂浆加工时随线网运动，它有切削、冷却、润滑的功能，能有效 降低硅片表面损伤应力，减小硅片的切割损伤层，提高切削速度。文献 2 4 和 文献 2 5 分别研究了砂浆供应量的大小对加工质量的影响和气泡对切割效率及 表面质量的影响。固着磨料切丝加工过程中，切丝上的金刚石直接接触硅材 料，其加工效率是游离磨料切丝效率数倍以上。因此固着磨料切丝制造方法也 是一个研究重要方面，目前固着磨料切丝制造方法主要有电镀法、树脂粘结 5 上海大学工学博士学位论文 法、机械镶嵌法、钎焊法等。文献 9 分析了切削变形分力和摩擦力引起的锯 切力以及锯切力与工件的厚度、工件进给速度、锯丝的锯切速度等的关系。 以上表明，公开的资料中，对于多线切割机的理论研究主要集中在切割工 艺、机械系统方面，而多线切割机控制系统文献资料不多。目前最完整的研究 多线切割机张力控制技术的是文献 9 ，该文献建立了多线切割机系统的耦合模 型及神经网络解耦控制策略，理论上解决了多线切割机的建模问题。 1 3 2 张力控制技术 多线切割机涉及机械、电子、控制、液压等多学科领域，本课题重点对其 张力系统的控制策略进行研究。控制策略在系统中发挥着至关重要的作用，优 良的控制策略不但可以弥补硬件设计方面的不足，而且能进一步的提高系统的 性能。由于常规控制策略很难满足高性能系统的控制要求，结合现代控制理论 新的发展，引进一些先进的控制策略，以改进控制器性能是当前发展高性能系 统的一个主要途径。 图1 5 收放卷机构图1 6 切丝加工装置 图1 5 和图1 6 分别是多线切割机收放卷机构和切丝加工装置【3 ，均是张 力系统重要组成部分，图1 6 中1 是加工工件，2 - 5 是导线轮。多线切割机的 张力控制是核心技术，国外公开的文献很少，是作为专利技术保护，如文献 3 2 3 3 均为多线切割机专利。 近年来，张力控制技术引起了各国重视。美国r o c k w e l la u t o m a t i o n 、3 m 、 m i t s u b i s h ip o l y e s t e rf i l m 、m e t s op a p e ru s 等公司 9 1 ，联合成立张力技术研究中 心。日本组建“超大型硅研究所”( s s i ) ，共同研发4 0 0m l n 及以上硅片关键加工 技术。国外已举办了多届张力控制专题的国际学术会议i w h c ( i n t e r n a t i o n a lw e b h a n d l i n gc o n f e r e n c e ) ，推动了张力控制技术的发展。 6 上海大学工学博士学位论文 目前研究的张力控制方法主要有p i d 控制3 4 - 3 6 j 、鲁棒控制【3 7 - 4 0 、解耦控制 【9 】【4 5 - 4 8 、遗传算法 5 0 - 5 7 】、模糊控制和神经网络控制 6 0 - 6 8 】、其它控制策叫6 9 m 1 以 及调速技术【7 3 刁6 1 等。表1 2 是近十年来，张力研究成果文献，重点关注卷绕张 力领域。 ( 1 ) p i d 控制 7 上海大学工学博士学位论文 日本丰桥科技大学t a k a s h ii m a m u r a 、t e t s u y ak u r o i w a 等【3 4 】设计了一种碳纤 维张力控制系统，该系统使用交流伺服电机作为执行件，使用了p i d 控制策略， 并用环爆破试验来检测张力控制的有效性。文献 3 5 针对复贴机卷绕机构张力 控制，提出了一种串级p i d 控制策略，运用计算机仿真调试，结果表明系统技术 性能指标符合要求。文献 3 6 针对织机送经卷取系统的张力控制问题，研究了 模糊p i d 张力控制算法，并研制基于微控制器张力控制器，较好的解决了高速对 象( 织机送经卷取系统) 的张力控制问题。从国内外文献中可以看到，对于p i d 算 法的改进研究也较多。 p i d 算法是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可 靠性高，被广泛应用于各种工业控制领域，p i d 算法可以较好的满足一般机电张 力系统控制需求。由于机电张力系统是典型的非线性、强耦合、不确定性系 统，因此经典的p i d 控制算法应用于高性能的机电张力系统时往往无法得到理想 的控制效果。 ( 2 ) 鲁棒控制 鲁棒控制就是使闭环系统稳定并且对控制对象参数摄动及外界干扰具有一 定的抑制作用，保证系统输出对受到的干扰不敏感或具有足够的不敏感性。以 控制以外界干扰与系统输出之间传递函数的鼠泛数作为度量工具，控制目标是 使受扰动系统最“坏”情况的输出误差达到最小。法国斯特拉斯堡第一大学的 d o m i n i q u e k ，l a r o c h ee 等【3 7 】针对在工业环境中的卷绕轴开卷轴转动惯量的 变化，结合状态反馈精确线性化方法和线性巩控制理论，提出了一种鲁棒非线 性控制的设计方法，并且依照该方法设计了鲁棒非线性调速器，完成了二自由 度的以控制算法。德国西门子h a k a nk 等【3 8 】针对弹性材料收放卷对象张力控制 的问题，结合鲁棒控制和l p v 控制，在不同工作点来试验，抵抗系统干扰以及半 径惯量的变化。由于卷筒半径和惯量变化较大，变增益的鲁棒控制补偿了半径 的变化。文献 3 9 应用非线性坐标变换将三阶简化模型表示的非线性张力系统 变换成一个具有未知平衡点的线性不确定系统，然后用l y a p u n o v 直接设计非线 性鲁棒控制规律，由此得到多机系统的鲁棒解耦控制规律和不依赖于系统的平 衡点的拓扑结构。文献 4 0 提出了巩控制器参数设计，比最优调节器更加直 接。 与其他控制策略相比鲁棒控制策略在降低速度与张力之间的耦合作用方面 有优势。虽然国内外学者对也控制在张力系统中的应用做了一定的研究，但是 还存在一些理论问题没有解决，而且大部分的研究是针对特定问题，仅仅在实 8 上海大学工学博士学位论文 验室条件下仿真实验验证。以控制理论的许多研究成果已被编入到m a t l a b 等商 业软件中，这些应用软件为也控制理论在机电张力控制系统中的广泛应用提供 了有力支撑。 ( 3 ) 解耦控制 在机电张力系统内各子系统间存在着大量的强耦合问题，在多线切割机系 统中，不仅有工作层面上的物理行为的耦合，而且张力子系统间的张力和速度 也存在耦合，因此国内外学者对张力控制系统的解耦进行研究。目前解耦方法 包括补偿解耦、极点配置解耦、以解耦、最优控制解耦等。基本原理相似，即 寻求解耦网络或解耦矩阵将对象的耦合矩阵转换成对角阵或对角占优阵，这些 解耦方法需要建立对象精确数学模型，并且要求对象的耦合矩阵是非奇异的， 因此在实际应用中常常会遇到困难。上海大学的郭帅【9 】研究了机电张力系统全 局耦合建模方法及神经网络解耦控制，针对张力系统大范围动态建模中存在纯 机理建模模型精度低和辨识模型外推性能差等问题，提出了基于机理知识的耦 合建模技术框架。北京科技大学的傅剑等【4 6 】提出一种基于l m i 的输入输出巩解 耦控制方法，该方法综合考虑了耦合通道和控制通道的控制效果，将解耦问题 视为干扰抑制和多自由度跟踪的复合控制问题，并将该解耦方法应用于热连轧 高度和张力控制系统。文献 4 7 提出了基于开环的多变量系统神经网络解耦控 制方法，通过对时域响应曲线的学习，对神经网络进行训练，并用该神经网络 构成开环解耦器以达到广义对象开环解耦目的。另外，有学者把微分几何理论 应用于非线性系统解耦控制中，通过非线性变换和非线性状态反馈，实现对象 精确线性化并同时实现解耦，这种线性化具有能将非线性系统在大范围内甚至 全局范围实现线性化解耦的优点。 ( 4 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 由美 m i c h i g a n 大学的j o h nh o l l a n d 教授 于19 7 5 年提出的【5 0 1 ，它是一种模拟遗传选择和生物进化过程的随机搜索与全局 智能优化算法。遗传算法的本质是一种高效、并行、全局搜索方法，它能在搜 索过程中自动获取和积累有关搜索空间的知识，并自适应地控制搜索过程以求 得最优解。由于遗传算法使用随机规则全方位搜索，具有全局收敛性，因此可 以很快搜索到最优解。目前遗传算法主要是复合其它控制策略，尤其是模糊控 制等。 9 上海大学工学博士学位论文 国内学者何致远【5 1 】运用基于经验学习的遗传优化技术，对开卷张力模糊控 制器隶属度函数的局部动态优化问题作了一些尝试性的研究，提高了张力控制 器动态性能。文献 5 2 】提出了分段切换因子模糊控制方法，运用实值遗传算法 选取模糊控制器的分段切换因子，仿真结果表明：其性能优于传统二次型最优 控制。文献 5 3 5 4 1 1 5 5 1 研究了模糊控制器的隶属函数和控制规则的遗传优化方 法。文献 5 6 1 提出了遗传算法进行参数调节，构造最佳切换函数，最终应用到 印刷机上。台