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硕士论文流涎薄膜收卷机组张力控制技术研究 摘要 流涎薄膜成型的过程是连续的，生产过程中薄膜必须及时收卷成膜卷，才能保证薄 膜的平整，提高生产效率。而收卷张力控制系统结构复杂，影响因素众多，具有非线性、 多干扰、强耦合等特点，使得张力控制变得十分困难。论文以高速收卷为目标，对收卷 张力控制的相关问题进行了研究，并设计开发了相应的控制系统。 首先针对流涎薄膜收卷过程进行分析，根据张力产生机理建立了张力力学模型、收 卷机构动力学模型；根据弹性力学原理重点分析了锥度张力收卷数学模型，结合实际案 例设计优化了锥度收卷初始张力曲线；在此基础上提出了张力控制的动态补偿办法。 其次通过对常规p i d 控制及其参数整定方法的研究，结合模糊控制与神经网络理论 各自的优势，引入先进的智能控制算法一模糊神经网络算法进行张力控制器的设计，并 在m a t l a b 进行仿真。 最后对收卷机组张力控制系统的软硬件实现进行了研究，设计开发了张力控制系统 的硬件结构和软件功能，并对所设计收卷张力控制系统进行了实验验证。研究结果表明， 所优化的初始锥度张力曲线正确有效；所提出的模糊神经网络p i d 控制算法稳定性高， 张力波动小；所设计的张力控制系统控制具有较高的精度和稳定性，对改善膜卷的品质 和收卷机组整体动态性能，提高收卷速度有着重要意义。 关键词：流涎薄膜；收卷机；张力控制；模糊神经网络；p i d 控制 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t a st h ef o r m i n gp r o c e s so fc a s t i n gf i l mi sc o n t i n u o u s t h ef i l mm u s tb er o l l e dt i m e l yt o g u a r a n t e es m o o t ha n di m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y b u tt h ew i n d i n gt e n s i o nc o n t r o l s y s t e mi sc o m p l i c a t e da n da f f e c t e db ym a n yf a c t o r s i t sn o n l i n e a r , s t r o n g l yc o u p l e da n dm u l t i i n t e r f e r e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c sm a k e st h et e n s i o nc o n t r o lv e r yd i f f i c u l t f o rt h eg o a lo fh i g h w i n d i n gs p e e d ，t h ep r o b l e m sr e l a t e dw i t hw i n d i n gt e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma r es t u d i e d ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , t h ew i n d i n gp r o c e s sf o rt h ec a s t i n gf i l mw a sa n a l y z e d 。t h et e n s i o nm e c h a n i c s m o d e la n dd ) ，1 1 a m i cm o d e lo ft h ew i n d i n gd e v i c ew e r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h et e n s i o n f o r m i n gm e c h a n i s m t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft a p e rt e n s i o nw i n d i n gw a sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ee l a s t i cm e c h a n i c st h e o r y , a n dt h ei n i t i a lt e n s i o nc u r v ef o rt h et a p e rr o l l i n g w a so p t i m i z e dc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lc a s e o nt h i sb a s i s ，t h ed y n a m i cc o m p e n s a t i o n m e t h o d so ft h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mw e r ep u tf o r w a r d s e c o n d l y , b a s e do nt h er e s e a r c ho fc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o la n di t sp a r a m e t e rs e t t i n g m e t h o d ，c o m b i n e dw i t ht h ea d v a n t a g e so ft h ef u z z yc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r kt h e o r y , t h e a d v a n c e di n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m f u z z yn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m ，w a si n t r o d u c e dt o d e s i g nt e n s i o nc o n t r o l l e ra n dp u ti n t os i m u l a t i o ni nm a t l a b f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h ew i n d i n gu n i tt e n s i o nc o n t r o l s y s t e mw a ss t u d i e d ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ef u n c t i o no ft h et e n s i o nc o n t r o l s y s t e mw e r ed e s i g n e d ，a n dt h ew i n d i n gt e n s i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g n e dw a sv e r i f i e db y e x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m i z e di n i t i a lt a p e rt e n s i o nc u r v ew a sa c c u r a t ea n d e f f e c t i v e ；t h ep r o p o s e df u z z yn e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o la l g o r i t h mh a dh i g hs t a b i l i t y , a n dt h e t e n s i o nf l u c t u a t i o nw a ss m a l l ；t h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g n e dh a dh i g ha c c u r a c ya n d s t a b i l i t y t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rh a dg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h ef i l mr o l lq u a l i t y , t h e w i n d i n gu n i td ) ，1 1 a m i cp e r f o r m a n c ea n dr o l l i n gs p e e d k e yw o r d ：c a s t i n gf i l m ；w i n d i n gu n i t ；t e n s i o nc o n t r o l ；f u z z yn e u r a ln e t w o r k ；p i d c o n t r 0 1 】j 硕士论文 流涎薄膜收卷机组张力控制技术研究 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 1 绪论。1 1 1 选题背景及研究意义1 1 2 流涎薄膜生产工艺简介2 1 2 1 流涎薄膜生产工艺流程2 1 2 2 流涎薄膜收卷机组简介4 1 3 张力控制技术研究现状5 1 3 1 张力控制系统概述5 1 3 2 张力控制系统的发展5 1 3 3 张力控制策略研究现状6 1 4 研究内容与组织结构8 2 流涎薄膜收卷张力控制系统力学建模研究1 0 2 1 流涎薄膜收卷张力的力学模型1o 2 1 1 张力控制系统的难点1 0 2 1 2 薄膜收卷张力力学模型的建立1 0 2 2 流涎薄膜收卷机构动力学模型13 2 - 3 流涎薄膜锥度张力收卷数学模型15 2 3 1 膜卷内张力分布的分析计算15 2 - 3 2 三种收卷模型条件下的内张力分布18 2 3 3 锥度张力收卷的外张力优化2 1 2 3 4 锥度张力收卷的实施例2 2 2 4 流涎薄膜收卷张力控制补偿策略2 4 2 5 本章小结2 5 3 流涎薄膜收卷张力控制算法研究。2 6 3 1 常规p i d 控制2 6 3 1 1 常规p i d 控制的基本原理2 6 3 1 2p i d 参数整定2 7 3 2 智能p i d 控制算法比较2 8 3 2 1 模糊p i d 控制理论基础2 8 i i i 目录 硕士论文 3 2 2 神经网络p i d 控制理论基础2 9 3 2 3 模糊控制与神经网络结合的背景3 0 3 3 模糊神经网络p i d 控制3 1 3 3 1 模糊神经网络结构3 1 3 3 2 模糊神经网络学习算法3 3 3 4 基于f n n 的张力p i d 控制器的设计3 4 3 5 收卷张力控制仿真实验3 7 3 6 本章小结3 9 4 流涎薄膜收卷张力控制系统设计4 0 4 1 流涎薄膜收卷张力控制基本原理4 0 4 2 流涎薄膜收卷张力控制系统硬件设计4 1 4 2 1 张力控制系统硬件结构4 1 4 2 2p l c 选型4 1 4 2 3 张力传感器选型4 2 4 2 4 卷径测量传感器选型4 4 4 2 5 主要执行机构选型4 5 4 2 6 触摸屏选型4 6 4 2 7 控制系统硬件组态及网络配置4 6 4 3 流涎薄膜收卷张力控制系统软件设计4 7 4 3 1p l c 程序逻辑关系设计4 7 4 3 2 输入输出参数点数设计4 8 4 3 3 流涎薄膜收卷张力监控系统设计4 9 4 4 张力控制系统整体通讯设计5 0 4 4 1 现场总线技术5 0 4 4 2 触摸屏与p l c 通讯5 1 4 4 3p l c 与变频器通讯5 1 4 5 本章小结5 2 5 系统调试与实验验证。5 3 5 1 系统调试5 3 5 2 实验验证5 4 5 3 本章小结5 6 6 总结与展望5 7 6 1 研究总结5 7 i v 硕士论文流涎薄膜收卷机组张力控制技术研究 6 2 研究展望5 7 致谢5 9 参考文献6 0 附录6 4 v 硕士论文 流涎薄膜收卷机组张力控制技术研究 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 生产塑料薄膜主要有吹塑成型、拉伸成型、流涎成型等多种方法，其中多层共挤流 涎薄膜生产技术因其独特的优势在现阶段被广泛采用u 之j 。它是采用多台挤出机，通过 一个多流道的复合机头，将熔体挤出后流涎骤冷成型的一种薄膜生产技术。与其他薄膜 成型方法相比，其特点是：成型速度快，生产成本低；薄膜热封性好，纵横向性能均匀， 透明性好、厚度均匀【3 j ；可以根据薄膜的不同用途和功能要求，选用不同原材料和添加 剂，生产出多层结构的塑料薄膜。 流涎成型的过程是连续的，生产过程中薄膜必须及时收卷成膜卷，以保证薄膜的平 整性。由于流涎薄膜具有薄而宽的特点，对张力波动非常敏感，并且收卷过程中随着膜 卷直径的增大，薄膜张力一直处在不断变化的状态下。另外，收卷速度提高后，各种附 加载荷的作用也会随之增大，这将使薄膜张力更加难以保持恒定。膜卷作为流涎生产线 的最终产品，除了薄膜的物理力学性能以及表面质量外，膜卷的整体质量也是整条生产 线的主要技术指标之一【4 j 。一般要求膜卷应平整、不起皱，松弛恰当，端面整齐，这对 流涎薄膜收卷机组的运动精度、动作的协调性以及张力的控制精度均有较高的要求。 流涎薄膜收卷机组是典型的卷绕张力控制系统，在其高速运行时，薄膜与辊筒之间 紧贴在一起，强力交互作用，卷径和辊筒速度在不断变化，再加上系统振动、摩擦等不 确定因素的影响，使得系统收卷速度和张力控制精度难以提高。而张力、速度、卷径、 摩擦以及振动等各个因素耦合后，收卷机组的动力学建模变得更加复杂，使得高速、高 精度的张力控制变得更加困难【5 6 】。目前，世界知名厂商如德国的莱芬豪舍、巴顿菲尔， 意大利的道尔奇、奥地利的兰精，日本的三菱重工等公司都非常重视张力控制问题，已 经推出非常成熟的收卷机、分切机等技术产品。如奥地利兰精公司的w i n d e r 2 0 0 0 系 列全自动薄膜收卷机，其张力辊采用超轻碳纤维辊，使薄膜张力控制更加灵敏；并设计 添加了一个行星辊调节收卷张角，以控制并调节给定膜卷上各层薄膜间夹带空气的多少 和膜卷的硬度，其最高收卷速度可达6 0 0 8 0 0m m i n 。国内主要的薄膜生产商所采用的 比较高端的流涎设备大都高价从国外进口。而我国白行研制的流涎设备，由于产品设计 和制造精度的落后，与国外先进技术产品相比，在智能化控制，薄膜的收卷速度、厚度 误差等关键指标方面，仍存在一定的差距【7 j ，其中张力控制问题一直是制约其发展的核 心技术问题之一。 张力控制问题不是薄膜生产中独有的，在纺织、造纸、印刷、镀膜、冶金等其他相 关行业都有存在【8 。1 。在印刷行业中，需要一定的张力将材料张紧进入印刷单元，并在 1 1 绪论硕士论文 启停、运行等过程中保证张力稳定，以保证各种颜色套印准确。若材料张力的变化波动 较大，会出现套印重影、材料褶皱、跑偏、断裂等问题，极大地影响了凹印机的套印精 度和印刷速度。在纤维缠绕工艺中，缠绕张力与制品的强度以及疲劳性关系紧密，张力 不稳定可能会导致产品强度的降低，极易发生纤维扯断等问题。一般来讲，卷绕系统中 张力控制效果的好坏将直接影响到最终产品质量的优劣。 而张力控制系统的构成又十分复杂，一般涉及机械、电气、摩擦等多门学科，是典 型的多输入、多输出、非线性、多干扰、强耦合系统。实际生产中，系统的温度、摩擦、 机械装配误差等都会对张力控制精度造成影响；卷径的实时变化、材料的不均匀性以及 弹塑性变形等也会造成系统参数的改变；此外，高速运行时各种附加载荷的影响也是控 制过程中需要解决的一大难题。目前常用的建模方法和控制策略往往忽略一些结构不稳 定因素，难以正确反映出系统内各参数间的关系，建立起来的模型往往也因为缺乏准确 性而难以反映出系统内这种交叉分布、相互影响、非线性负反馈的规律。相应的控制系 统在实时性、准确性以及自适应性等方面也有较大的不足。 对张力系统的建模和控制策略的研究在国外由来已久，也十分受到重视。典型的如 美国的三菱聚酯薄膜、罗克韦尔、美卓造纸、3 m 等大公司，都有自己专门的张力控制 技术研究部门，为其设备在实际生产中碰到的张力控制难题提供技术支持。而在国内， 由于对张力控制技术的研究起步较晚，随着大量国外卷绕设备的引进，才开始有学者对 张力控制问题加以关注，并开始针对具体设备的实际控制特点加以研究，主要采用一些 先进智能算法如模糊p i d 控制算法、神经网络p i d 控制算法等改进张力控制器，以提高 张力控制精度【1 1 1 3 1 。目前国内学者对张力控制问题还缺乏深层次的理论研究，还需加强 研究力度。由于张力控制问题的理论及技术水平的落后，我国相关产业如薄膜、造纸机 械、印刷、冶金等行业的发展已经受到了严重制约。 选题流涎薄膜收卷机组张力控制技术研究正是在这一背景下提出来的，选题以 流涎薄膜收卷机组为主要研究对象，从系统的控制角度出发，对薄膜收卷过程中出现的 张力控制问题加以研究，以提高薄膜收卷质量和生产效率。该选题横跨机械、电气、控 制和计算机等多门学科多门技术，是一个多学科交叉的前沿课题，具有较高的科研价值 和实际意义。 1 2 流涎薄膜生产工艺简介 1 2 1 流涎薄膜生产工艺流程 一台完整的流涎薄膜生产线主要包括挤出、流涎、测厚、电晕及收卷等五大部分。 某型号流涎机生产线如图1 1 所示。 2 硕士论文流涎薄膜收卷机组张力控制技术研究 图1 1 某型号生产线的实物图 其基本生产工艺流程为：在挤出部分，上料机构将树脂原料吸入料斗，经混合、搅 拌、干燥后进入挤出机的料筒，料筒采用外电加热使原料温度上升，再加上料筒内的螺 杆转动，使原料在机筒内一边向前输送，一边由于剪切和摩擦产生大量的热而逐步塑化 熔融，并在一定的压力下经过滤网、分配器，最后从模具唇口挤出薄片状熔料，并流涎 至平稳转动的流涎辊上。在流涎部分，流涎辊内通有大量冷却水道，可快速冷却薄膜； 并且装有正压风刀和负压风箱装置，正压风刀在外侧把压缩空气吹向薄膜表面，负压风 箱从内测吸走薄膜与流涎辊之间的空气，两者共同作用，使薄膜迅速贴辊以减少变形 4 1 川。在测厚部分，使用非接触式的射线测厚仪在线测厚，并自动调节模唇间隙以控 制薄膜的厚度偏差【l * 1 7j 。在电晕部分，将薄膜牵引通过电晕机进行电晕处理，以增大薄 膜表面张力，提高薄膜的印刷性能和粘合强度【l 黔1 9 j 。最后在收卷部分，薄膜经过摆幅机 构、多级牵引机构、切边机构及收卷机构等，卷取成为膜卷产品。其具体工艺流程如图 1 2 所示。 送 料 破 碎 新叫茹fh 竺坐忙竺h 竺 叫覆附黜斟罴廿篡 叫料ll 卜一一卜一卜 l 机1o 叫挤出机c 叫换网器h 连接器 外倭 霆h 霉h 霾h 季h 霉h 霪h 蠢h 裂h 鎏h 鎏 l 收 薄l l 卷 膜hs i t i 构 图1 2 流涎薄膜生产的工艺流程图 正 负 压 风 清 洁 韩 硕士论文流涎薄膜收卷机组张力控制技术研究 直方向快速运动切断薄膜，并利用静电吸附功能使切断的断头迅速卷入到新的收卷辊芯 轴上，完成自动换卷。这种切断方式被称为“砍刀断膜”。 随着新型树脂材料的诞生和挤出工艺的发展，高速生产的瓶颈问题已经不再是挤出 问题，而是收卷问题【2 引，因此开发研制出高速高精度、高自动化程度的收卷机组将有力 推动薄膜生产效率的提高。 1 3 张力控制技术研究现状 1 3 1 张力控制系统概述 张力控制问题多存在于各式各样的卷绕系统当中，但其控制系统的总体结构和基本 原理都基本相同。一般而言张力控制系统主要由张力检测装置、张力控制器以及执行机 构三大部分组成【2 5 j 。 ( 1 ) 张力检测装置：也称为张力传感器，其主要作用是在线测量基材的张力，并反 馈给系统的张力控制器，一般还需要辅助的速度检测装置以实时测量卷绕辊筒的速度和 卷径测量装置以在线计算膜卷实时卷径。目前应用较多的是轴承式张力传感器，机械式 的张力检测装置如浮动辊式位置传感器因控制精度低应用越来越少。 ( 2 ) 张力控制器：张力控制器主要用来接收张力传感器、卷径测量传感器和速度传 感器等的反馈信号，并与设定的张力控制指标进行比较，从而调整输出信号，并输送给 外围执行机构，以实现对基材张力、辊筒速度的精确控制。一般选择单片机、p l c 或 d s p 等作为常用的张力控制器。 ( 3 ) 执行机构：执行机构接收张力控制器的指令信号，改变辊筒速度进而实现对张 力的控制。通常有磁粉离合器n 动器、力矩电机及驱动器、伺服电机或矢量变频电机等。 张力控制的主要目的有【2 6 - 2 7 j ： ( 1 ) 保证生产过程中基材走料的平稳性，防止基材跑偏、侧向滑动等； ( 2 ) 保证基材张力的稳定以避免变形，如断裂、缠绕或褶皱等； ( 3 ) 保证最终产品的尺寸精度，如基材的宽度、厚度等指标； ( 4 ) 对薄膜收卷张力控制系统来说，要保证最终膜卷的收卷质量，膜卷需两端齐整， 不褶皱、不错位，还要保证膜卷的紧密度要求。 1 3 2 张力控制系统的发展 按照张力控制器发展的先后顺序以及执行机构的不同，张力控制系统可以分为机械 式张力控制系统、电控式张力控制系统和计算机式张力控制系统三种【2 8 | 。 ( 1 ) 机械式张力控制系统，是指仅通过机械结构来实现系统张力的调整，其主要优 点是结构简单，成本低，缺点是张力值不能自动设置，控制精度低，常用在对张力精度 气 1 绪论硕士论文 要求不高的设备中。 ( 2 ) 电控式张力控制系统，是指采用张力控制器、张力传感器加上执行机构( 常用 磁粉离合器佛0 动器或电液阀元件等) 的组合系统。张力控制器由电子元器件组成，是一 种模拟电子控制系统。系统工作时，张力传感器对张力进行检测，张力控制器接收到张 力传感器的实时反馈信号，再将张力设定值与反馈值进行比较、校正后，输出控制信号， 通过执行机构对张力的变化进行补偿，使张力调整到设定值的范围内。电控式张力控制 系统的优点是可以实时调节系统中张力以保证张力的稳定性，控制精度比机械式张力器 有所提高，缺点是张力设定值一旦设定，在系统运行中无法自适应更改，且由于外界环 境对模拟电路的干扰，张力容易产生波动。目前市场上比较有代表性的电控式张力控制 产品是日本三菱公司的张力控制器、张力检测器以及磁粉离合器制动器等一系列产品。 ( 3 ) 计算机式张力控制系统，也是采用张力控制器、张力传感器加上执行机构的组 合系统，其中张力控制器采用数字式控制方式，如d s p 、p l c 等。其基本工作原理是与 电控式张力控制器基本相同，不同的是数字式张力控制器还可运用先进的智能控制算 法，实现系统张力的白适应调整。计算机式张力控制系统的优点是张力控制器功能强大， 可采用各种先进有效的张力智能控制算法，使系统具有较强的抗干扰能力，实现系统张 力的最优稳态控制和自适应控制；缺点是系统控制结构复杂，设备成本较高，一般适应 于比较复杂的现代卷绕设备系统。 根据流涎薄膜收卷机组的实际特点，为实现收卷张力系统的先进智能化控制，本论 文也采用计算机式张力控制系统，并设计基于先进智能控制算法的张力控制策略。 1 3 3 张力控制策略研究现状 薄膜收卷是一个典型的时变性、强耦合、多干扰的非线性卷绕系统，而且收卷过程 中平台的移动、机架的翻转、卷径的增大以及薄膜的砍断等各个环节都有许多不可测因 素，而且各种附加载荷的影响以及各个影响因素的相互耦合，使张力控制变得更加困难。 因此设计正确的张力控制策略也显得非常重要。目前常用的张力控制策略主要有常规 p i d 控制、鲁棒控制、解耦控制以及基于智能控制算法的模糊控制和神经网络控制等。 随着现代卷绕设备的张力系统越来越复杂，其张力控制要求也越来越高，选用计算 机式张力控制方式并采用先进的智能控制算法作为张力控制策略来实现张力控制已经 成为一种趋势。 ( 1 ) 常规p i d 控制 常规p i d 控制因其具有较强的鲁棒性，而且结构简单、成本低廉、稳定性好以及易 于实现等优点，受到广泛应用。但对于控制精度要求较高的张力控制系统，常规p i d 控 制已经无法满足控制要求。从国内外文献中可以看出，目前的研究大多集中于对p i d 控 6 硕士论文 流涎薄膜收卷机组张力控制技术研究 制算法的改进性研究【2 9 。3 1 1 ，即通过利用一些先进的控制算法对常规p i d 控制参数进行整 定。改进后的p i d 控制算法仍具有较高的响应性和稳定性，可以较好的满足一般机电张 力系统控制需求。 ( 2 ) 鲁棒控制 鲁棒性是指控制系统在外界环境的干扰或一定的参数摄动下仍能继续保持某些性 能特征的特性。鲁棒控制就是选择控制规律，使系统在受到干扰时仍能保持稳定，以保 证系统的输出不受干扰。所以鲁棒控制一般应用于以稳定性和可靠性为首要目标的情况 下，而且要求过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估，比如飞机的控制 系统。法国的d o m i n i q u ek 和l a r o c h ee 【3 2 j 教授把线性玑控制理论运用到对卷绕系统中 卷轴转动惯量变化问题的研究中，得到了二自由度的日，控制算法，并按照鲁棒非线性 控制的方法设计了鲁棒非线性控制器。德国的h a k a nk 3 3 】等运用鲁棒控制方法和线性变 参数( l p v ) 控制方法，针对卷绕系统在不同工作情况下的张力控制问题，进行了一系列 试验，提出了变增益的鲁棒控制思想，所设计的张力控制器能有效抵抗因膜卷卷径和辊 筒转动惯量变化而带来的张力扰动。 鲁棒控制策略的主要优势在于它可以降低系统中张力与速度及卷径之间的耦合作 用【3 4 。3 5 j ，所以受到国内外学者的格外重视，在卷绕张力控制系统中也得到了一些运用。 国内外学者对以控制理论的研究还在继续，在张力控制系统应用中遇到的一些深层次 的理论问题还有待于解决。 ( 3 ) 解耦控制 如前所述，收卷张力控制系统中由于被控参数及其影响因素众多而存在一些强耦合 问题，因此相应的张力控制系统的解耦问题【3 o j 也受到国内外很多学者的关注。解耦控 制的基本原理是设计一个解耦补偿器，使其与被控对象的传递函数矩阵变为非奇异的对 角阵，从而把一个多变量控制系统变为多个无耦合的单变量控制系统。其主要缺点是对 系统参数的变动很敏感，且严重依赖被控对象的精确数学模型。而以模糊理论、神经网 络等先进控制算法为基础的智能解耦方法，因其较强的自适应性和解决非线性问题的独 特优势而越来越受重视。上海大学的郭帅 4 1 】对多线切割机张力控制系统全局耦合建模方 法进行了研究，针对传统的模型参数辨识建模方法中存在的建模模型精度低和模型外推 性能差等问题，设计了基于r b f 神经网络的解耦控制算法，实现了张力系统的动态在 线解耦。北京科技大学的傅剑 4 2 】等人对带钢热连轧连续生产线中活套高度和张力的相互 耦合问题进行了研究，从玩解耦控制的角度出发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，并使用线性矩阵不等式( l m i ) 来设计控制器，取得了良好的解耦 效果和控制特性。 ( 4 ) 模糊控制和神经网络控制 l 绪论 硕士论文 模糊控制和神经网络控制是当前两种主要的智能控制方法，它们都能模拟人的智能 行为，能够解决许多复杂的、非线性控制问题，而且易于用硬件或软件来实现。模糊控 制是通过模仿人的近似推理和综合决策过程，对一些无法用精确数学模型描述的对象进 行控制。神经网络控制是通过模拟人脑的神经网络结构及对信息的记忆和处理功能，对 复杂的多变量非线性系统模型进行辨识与预测，进而实现系统的自适应控制。 日本的k e n j i 4 3 】等针对张力控制系统参数的时变性特点，基于模糊控制理论提出了 一种自适应性张力控制策略，通过调节输出量化因子来确保系统张力的稳定性。国内的 陈兴建m 】等人将模糊理论用于数控纤维缠绕机的张力控制系统，减少了纤维缠绕过程中 的张力波动，提高了系统的响应速度和控制精度。何致远【4 5 】等人将模糊控制策略应用于 织物的开卷张力控制系统，与常规p i d 控制器相比，所设计的模糊控制器超调量更小， 鲁棒性更强。曾梓航【4 6 】等在研究复合材料缠绕成型工艺时设计了基于b p 神经网络的 p i d 控制器，用来控制纤维缠绕张力，并通过仿真验证了缠绕张力系统良好的动态及静 态性能。王春香【47 】等为克服传统p i 控制参数无法在线自整定等缺点，提出了一种新的 神经网络算法，该算法带有反向传播训练功能，使张力控制系统具有较强的鲁棒性。 随着张力控制理论的不断丰富和智能控制算法的不断发展，张力控制策略还有很 多，如基于遗传算法的p i d 控制等。每一种控制策略都有各自的优缺点，因此需要根据 特定张力控制问题的实际情况选择合适的控制策略，以提高控制系统的整体性能。 由于流涎薄膜生产设备越来越大型化、高速化、精密化与智能化，收卷机组也面临 着提高膜卷质量与生产效率的要求，需要更加精确、稳定、高效的张力控制系统。目前 一些控制装置、控制策略大多在模型建立和仿真过程中对一些难以确定的影响因素做了 简化，导致现阶段的文献研究成果普适性较低。因此，针对特定机构特定工况下的系统 特点和影响因素，需要综合各种控制方案，取长补短，提出合适的张力控制方法。 1 4 研究内容与组织结构 本论文以南京理工大学课题组与某公司产、学、研合作项目为背景，以先期研发的 国产第一代多层共挤流涎薄膜机组s d l z 系列产品为基础，以高速收卷为目标，针 对收卷机组中的张力控制问题进行了研究，主要的研究内容为： ( 1 ) 收卷机组张力控制系统力学建模研究 分析张力产生原理及收卷机构动力学模型，根据弹性力学原理，重点分析研究了锥 度张力收卷数学模型，结合实际案例设计优化了锥度收卷初始张力曲线，并在此基础上 提出了张力控制的动态补偿办法。 ( 2 ) 薄膜高速收卷时的张力控制算法研究 设计了薄膜收卷张力控制系统，通过控制牵引辊与收卷辊速度差形成速度闭环对张 8 硕士论文流涎薄膜收卷机组张力控制技术研究 力进行间接控制，同时采用模糊神经网络p i d 控制器调节收卷辊转速，形成张力闭环， 对张力进行直接控制，并针对系统特有的机械特性对电机转速进行补偿，从而维持系统 在整个收换卷过程中的张力稳定。 ( 3 ) 收卷张力控制系统的实现技术研究 对收卷机组控制系统的软硬件实现进行了研究，设计开发了收卷机组控制系统的硬 件结构和软件功能，并进行了实验验证，结果表明所设计的张力控制系统具有较高的精 确度和稳定性，能有效改善膜卷质量和收卷机组整体动态性能，这对提高收卷速度有着 重要意义。 本文以收卷机组为研究对象，在充分分析收卷张力产生机理及力学模型的基础上， 得出收卷张力与收卷速度、膜卷卷径之间的变化规律，并基于先进智能控制算法设计且 实现了收卷张力控制系统，全文主要内容如下： 第一章阐述了本论文的研究背景和意义，介绍了流涎薄膜的生产工艺流程以及收 卷机组的组成，对收卷张力控制技术的研究现状进行了综述，最后简要介绍了论文的主 要研究内容及组织结构。 第二章介绍了薄膜张力产生机理及其力学模型、收卷机构动力学模型，根据弹性 力学原理重点分析研究了锥度张力收卷数学模型，结合实际案例设计优化了锥度收卷初 始张力曲线，并在此基础上提出了张力控制的动态补偿办法。 第三章通过对p i d 控制器参数整定方法的研究，引进先进的智能控制算法一模糊 神经网络算法进行张力控制器的设计，并运用m a t l a b 进行了仿真。仿真结果表明， 本文提出的张力控制方法具有良好的控制效果，所设计的模糊神经网络p i d 控制算法， 稳定性高，张力波动小，仿真效果优于常规的p i d 算法 第四章对收卷机组控制系统的软硬件实现进行了研究，设计开发了收卷机组张力 控制系统的硬件结构和软件功能。 第五章在第四章基础上，对所设计收卷张力控制系统进行了实验验证，结果表明 本文所提出的控制算法具有较高的精度和稳定性，这对改善膜卷的品质和收卷机组整体 动态性能具有重要意义。 第六章对全文主要工作和研究成果进行总结，同时指出了流涎薄膜收卷张力控制 系统有待于继续改进与完善的几个方面，指出了进一步的研究方向。 9 2 流涎薄膜收卷张力控制系统力学建模研究硕士论文 2 流涎薄膜收卷张力控制系统力学建模研究 张力是针对弹性柔幅材料而言的，它是由于连续生产过程中材料在长度方向上存在 速度差，使得材料的不同部分产生微小的相对位移而形成的张应力，它存在于材料内部， 是一种内应力。 实际收卷过程中，薄膜张力、线速度、膜卷卷径及电机转速等相互关联，共同构成 一个复杂的机电耦合系统。由于材料的特殊性，薄膜对张力波动比较敏感，且随着膜卷 直径增大，收卷速度和薄膜张力也会不断变化。在膜卷内部，薄膜每收卷一层，都会对 前面已收卷的各层产生放松作用，导致膜卷内部各层张力下降【4 8 1 。若采用恒张力收卷， 将会引起膜卷内部张力分布不均，内小外大，严重时甚至会在膜卷内部产生褶皱等不良 现象，严重影响膜卷质量。 所以，在实际张力控制系统中，多采用锥度张力进行收卷，收卷张力随着卷径的增 大而逐渐减小，从而减少对已收卷各层的放松作用，实现膜卷内部张力均匀分布。因此， 需要设计与这一过程相适应的张力衰减补偿策略以及研究实现它的精确控制方法。而建 立正确的力学模型是解决这些难题的首要前提。 2 1 流涎薄膜收卷张力的力学模型 2 1 1 张力控制系统的难点 流涎薄膜收卷张力控制系统同样涉及到机械、电气、控制等多个学科，内部结构也 十分复杂，其难点主要在于【4 9 】： ( 1 ) 在实际生产过程中，存在平台的移动、机架的翻转、薄膜的切断等过程动作， 相互联动，使得系统动态过程十分复杂，在控制精度和响应速度方面容易出现顾此失彼 的现象。 ( 2 ) 系统存在较多的工艺环节，薄膜厚度的不均匀性、牵引和拉伸造成薄膜的弹塑 性变形以及温度、湿度、摩擦、辊筒的圆柱度和机械装配误差等许多不可测因素都会影 响张力控制精度。 ( 3 ) 在收卷过程中，膜卷卷径实时变化，且随着膜卷直径增大，薄膜张力也在不断 变化。它们的变化会对其他生产因素产生影响。 2 1 2 薄膜收卷张力力学模型的建立 由张力概念可知，牵引辊与收卷辊间速度差异的变化将会引起薄膜收卷张力的变 化，收卷张力的力学模型推导如下： 1 0 2 流涎薄膜收卷张力控制系统力学建模研究硕士论文 进而可以求得： 将式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 代入式( 2 4 ) 得： d a = 三三 1 + s1 + 占+ d c = 字( + s ) ( 1 如) z 譬( + 占) 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由于由薄膜张应力盯引起的弹性变形占 1 ，故予以忽略不计，贝0 上式司以简化为： d s = ：d l 由此收卷辊与牵引辊的速度之差d v 为： d v = = 罢= 哮= i l i d c r 上式可以变换成： i d c r = 鱼l ( v 2 一v 1 )防 、 表示成积分形式为： 仃：孚r ( v 2 一v 1 ) a t ( 2 7 ) 仃= 一liu v 1l l 么，j 三 l 、 、7 由( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可得： r = 竿r ( v 2 一h ) 击 ( 2 8 ) 、。 ”、7 ：半 亿9 ， 上式( 2 8 ) 完全验证了张力的概念，即张力是由相邻辊间的速速差产生的。由式( 2 8 ) 还可以看出，薄膜的张力t 实际上是一个积分的积累过程，要控制薄膜张力，只要对薄 膜牵引辊与收卷辊的速度差进行控制即可。所以张力控制系统实质上也是一个线速度跟 踪系统，通过张力控制器调节收卷辊与牵引辊的转速差，使薄膜维持在一个相对稳定的 线速度上。 惫垫岫 裁一 ， = 翻 群m 2 流涎薄膜收卷张力控制系统力学建模研究 硕士论文 j r = f o d ( m r 2 ) = ：p g ，d ( v ，) = 【o o r 2 p 咖( 2 万r 纠 = 吉矽驴( ，4 一鬈) ( 2 1 2 ) 0 9 = 丝胛 (2160 3 ) = 胛 z jj 、 m e 一弓，i 一吩= 丢( ，国) = 国等+ j 鲁 = 徽印驴、掣d t + 塾6 0 抄d tl 黜4 一叫亿 = 斋胛1 z p g b ，3 去+ 斋罢i 以+ 厶+ 三矽驴( ，4 一o ) i 、7 嗡n r 3 去屿卜圭榭( ，4 r u ，j , 4 、l d 衍n 式中k = 吾( 2 印驴) ，k 2 = 斋。 式( 2 1 4 ) 中右边两项为动态转矩，第一部分是由半径变化7 1 起，第二部分是由转速 变化引起，为确保张力的稳定，在进行张力控制时应该对这些动态转矩进行相应的补偿。 通常在一般情况下流涎薄膜的厚度很薄，式( 2 1 4 ) 中l 去| l 害l ，通常情况下堡d t 0 0 0 0 1 州j ， 所以式( 2 1 4 ) 的右边第一项也可以忽略不计，这样有： 丝一乃一吩瑙卜”； r p g b ( ，4 一疗) 怯 ( 2 1 5 ) 由此可得收卷张力t 与膜卷卷径r 、电机转速n 之1 4 的关系为： r ：丝一丝一坐二：二圭竺鲨二剑塞亿 由式( 2 1 6 ) 可知，薄膜张力大小主要与薄膜宽度、密度、卷径、收卷辊的主动力矩、 摩擦力矩、转动惯量及收卷电机转速等有关。当收卷电机采用恒转矩控制时，m e 恒定， m f 可忽略不计。因此，对特定的收卷系统和薄膜材料，收卷张力t 的实时值主要受卷 径r 和收卷转速n 的影响，可对卷径值和转速值进行实时测量，并通过调节收卷转速来 对张力t 进行精确控制。 1 4 硕士论文 流涎薄膜收卷机组张力控制技术研究 2 3 流涎薄膜锥度张力收卷数学模型 锥度张力控制是指在收卷过程中随着膜卷半径的增加而逐渐减少收卷张力的一种 张力控制方法【50 | 。张力初始值的设定是设计张力控制系统的难题之一，所以必须建立正 确的膜卷力学模型，掌握准确的张力变化规律。 考虑到收卷时内芯多采用刚性芯轴，本文忽略内芯变形，根据弹性力学原理，充分 考虑外层张力对内层张力的放松效应，推导出收卷外张力与剩余内张力的