（机械电子工程专业论文）透气膜流延线控制系统设计及其模糊pid控制策略研究与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着透气膜市场的不断发展，现在对其生产设备的需求越来越大，该种设 备的国产化也变得日益紧迫。本论文介绍了一种先进的基于p l c 控制技术、上 位机监控技术、变频调速技术的高透气性薄膜流延生产线控制系统的设计和开 发过程；随后本文针对普通p i d 与模糊p i d 两种控制策略在张力控制系统上的 应用进行了探讨，并通过实验将两种控制策略的控制效果和优缺点进行了比较。 实验证明了模糊p i d 在p l c 与变频器组成的控制系统上的适用性和智能控制策 略的优越性。 本论文共分为六章。 第一章，综合阐述了高透气性薄膜流延生产线的机械结构，介绍了目前张 力控制系统的应用发展现状，及其常用的控制方式与控制策略。最后指明了本 课题的主要研究方向和内容。 第二章，详细叙述了流延线控制系统的整体设计方案。首先介绍了控制系 统使用到的控制技术；随后对拉伸控制系统、张力控制系统、温度控制系统进 行了设计；最后对主要元器件进行选型并设计了主要供电回路，将电控设备安 装完成。 第三章，详细叙述了系统的硬件连接框架，以及p l c 、变频器和界面组态 软件程序的编写，主要工作内容包括：系统逻辑状态控制程序、挤出机温度控 制程序、速度同步控制程序、张力控制程序、上位机监控界面程序。最后在张 力系统上进行p i d 控制实验。 第四章，分析了流延线上张力波动的原因，并针对收卷段张力系统设计了 模糊p i d 控制器。首先对张力的波动原因进分析，并根据流延线张力控制系统 的特点，一步步设计出模糊p i d 变参数控制系统。 第五章，以p l c 和变频器组成的流延线张力控制系统为平台，在收卷段实 现了模糊p i d 控制。同时以实验结果为基础，将模糊p i d 变参数控制与普通 p i d 控制进行了比较分析。最后验证了模糊p i d 控制能大大改进张力控制系统 的性能。 第六章，总结了本论文的研究内容，本项目中涉及的工作，并对课题中需 要进一步研究、完善的重点进行了探讨、分析和展望。 关键词：透气膜流延线p l c 变频器组态张力控制控制策略模糊 p i i ) 变参数 浙江大学硕士学位论文 a bs t i 认c t w i t ht h eb r e a t h a b l ef i l mm a r k e tc o n t i n u e st od e v e l o p ，i t sp r o d u c t i o ne q u i p m e n t n o wg r o w i n gd e m a n df o r t h ek i n d so fd o m e s t i ce q u i p m e n th a sb e c o m ei n c r e a s i n g l y u r g e n t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ec o n t r o ls y s t e m o fb r e a t h a b l ef i l mp r o d u c t i o ni i n e t h ec o n t r o l s y s t e m i sb a s e do np l c c o n t r o l ，t o p m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , a n df r e q u e n c yi n v e r t e rt e c h n o l o g y t h e nt h i s p a p e rc o m p a r e do r d i n a r yp i dw i t hf u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yi nt h ee x p e r i m e n to f t h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n dd i s c u s s e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e t w oc o n t r o ls t r a t e g i e s t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ef u z z yp i d c o n t r o ls t r a t e g yo nt h es y s t e mc o m p o s i t i o no fp l ca n df r e q u e n c yi n v e r t e r t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s c h a p t e r1 , i td e s c r i b e dt h ei n t e g r a t e dm e c h a n i c a ls t r u c t u r eo f t h eb r e a t h a b l ef i l m p r o d u c t i o nl i n e ，t h ep a p e rp r e s e n t st h es t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n to ft h et e n s i o n c o n t r o ls y s t e m ，a n dt h ec o m m o nc o n t r o ls t r a t e g i e s f i n a l l yp o i n t e do u tt h em a i n s u b j e c to f t h er e s e a r c hd i r e c t i o na n dc o n t e n t c h a p t e r2 ，i td e s c r i b e dt h ec o n t r o ls y s t e m so v e r a l ld e s i g no f t h ep r o d u c t i o nl i n e i nd e t a i l f i r s ti n t r o d u c e dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g i e si n v o l v e di nt h ec o n t r o ls y s t e m a n dd e s i g n e dt h es t r e t c hc o n t r o ls y s t e m ，t e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m f i n a l l y , s e l e c t e dt h em a j o rc o m p o n e n t sa n dd e s i g n e dt h em a i np o w e rs u p p l y c i r c u i t s ，a n di n s t a l l e dt h ec o n t r o le q u i p m e n t c h a p t e r3 ，i td e s c r i b e dt h eh a r d w a r ef r a m e w o r ki nd e t a i l ，a n dp r o g r a m m e dt h e p l c ，f r e q u e n c yi n v e r t e ra n dh m ip r o g r a mi nt h ep r e p a r a t i o n , t h ep r i n c i p a lt a s k s i n c l u d e ：s y s t e ml o g i cc o n t r o lp r o c e d u r e s ，e x t r u d e rt e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o c e d u r e s ， s p e e dc o n t r o lp r o c e d u r e s ，t e n s i o nc o n t r o lp r o g r a m ，h m im o n i t o r i n gp r o c e d u r e s f i n a l l y , t h ep a p e ra c h i e v e dt h ee x p e r i m e n to f t h ep i dt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m c h a p t e r4 ，t h ep a p e rd e s c r i b e d t h ea n a l y s i so ft h er e a s o n sf o rt e n s i o n f l u c t u a t i o n , a n dd e s i g n e daf u z z yp i dc o n t r o l l e rf o rd a n c e rt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m c h a p t e r5 ，b a s e do nt h ep l a t f o r mc o m p o s e do fp l ca n df r e q u e n c yi n v e r t e r , t h e p a p e ra c h i e v e dt h ee x p e r i m e n to ff u z z yp i dt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m a tt h es a m e t i m e ，b a s e do nt h er e s u l t so ff u z z yp i de x p e r i m e n t ，t h ep a p e rc o m p a r e dt h ef u z z y p i da n dg e n e r a lp i dc o n t r o ls t r a t e g i e s f i n a l l y , t h ep a p e rp r o v e dt h ef u z z yp i d c o n t r o lc a ng r e a t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft e n s i o nc o n t r o ls y s t e m c h a p t e r6 ，w es u m m e du pt h ec o n t e n t so f t h i sp a p e r , t h i sw o r ki n v o l v e di nt h e p r o j e c t ，a n di s s u e so ft h en e e df o rf u r t h e rr e s e a r c h ，t h ei m p r o v e o ft h e 咖d y k e y w o r d s ：b r e a t h a b l ef i l mf l o w - c a s t i n gl i n e p l c f r e q u e n c yi n v e r t e r c o n f i g u r a t i o n t e n s i o n c o n t r o lc o n t r o l s t r a t e g yf u z z y - p i d v a r i a b l e p a r a m e t e r n 一 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谢意。 学位论文作者签名：汤海签字日期：二口。缉月上2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权逝姿盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：汤渗 签字日期：z o 阵月z 2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 聊躲洱融 签字日期：防年6 月少日 电话： 邮编： 新丈学硕十学位论空 第1 章绪论 1l 流延膜生产线系统组成 整个流延线系统按照工艺需求和机械构造卜分为：挤出机单元、拉伸机单 元、印刷机单元、收卷机单元四部分。各个单兀的作用如下： 挤出机单兀。将母料加入到料斗中，再经过料斗对进入挤出机8 个加热缸， 这几个加热缸将母料熔化。一个由大型直流电机驱动的螺杆，依靠旋转时产生 的纵向推进力将熔融状态的母料挤出到模头。模头是由1 9 对模头加热模块( d i e s h e a t e r ) ，以及一个颈部j 川热器和个唇部加热器组成。最后通过模唇将物料以 片材的形状挤出。挤出的片村经过两个冷却辊后即可进入下一道工艺。 镰 图1 - 1 挤出机结构图 拉伸机单元。如图1 - 1 所示在经过挤出机单元后，为了满足透气不透水的 要求，需要对片材进行延展，利用薄膜的弹性，将原来母料中的碳酸钙微粒脱 落下来，剩下些压纳米级的微孔。拉伸单元由1 4 个拉伸辊组成。_ 般辊中都 有7 0 8 0 c 0 的高温油，用束对拉伸的薄膜进行预热。其中有三个辊通过一定的 速度差对薄膜进行拉伸，过后进入冷却辊、压纹辊。 新 ￥硬学位论文 图i - 2 拉伸机结构示意图 印刷单元。如图1 2 所示，印刷单元对拉伸好的流延膜进行印刷加工，此 处采用的柔性印刷技术。在印刷过后，对薄膜上的油墨进行烘干，所以印刷单 元的主体是个大型的烘箱，它是一个恒温控制系统，由温控仪表控制的加热 器和冷却风机组成。在这个单元中，还有一个重要的工艺参数，就是张力。在 印刷环节中，为了保证印刷后的薄膜的花纹不会因为张力过大导致变形或张 力过小产生物料褶皱在印刷时花纹印刷不出来，所以印刷段要保持恒张力控制。 收卷单元。在经过印刷后，进入最后一道丁序“收卷”。系统中采用的是双 工位收卷方式，当其中一个膜卷达到收卷的设定长度时，双i 位转塔开始旋转， 转动1 8 0 度后，在一旁的气动切到将薄膜切断，另一个空辊开始收卷。在收卷 中张力的控制影响到了产品的质量。张力过小将导致膜卷收卷不整齐，张力过 大会导致卷芯内部被压皱。 2 浙江大学硕士学位论文 图1 3 印刷与收卷环节结构示意图 1 2 张力控制系统的概述 张力是十分重要的一个生产工艺指标。在许多生产过程如冶金、化纤、印 染中张力控制都是非常重要的内容，张力控制的效果将直接影响到产品的好坏。 从控制的角度来说，较先引入张力概念的是冶金行业，热轧和冷轧过程需要对 带钢实施张力控制。 张力是由于物料长度方向上存在速度差，使得物料的不同部分产生相对位 移( 或者称为形变) 而产生张应力，它存在于物料内部，是一种内力。 由于薄膜生产过程的特殊性，张力的地位尤为重要。物料要进行正常印刷， 分切，复卷必须保证物料间建立正常的张力，张力过大会造成物料的塑性变形， 将直接影响产品质量，或者造成薄膜拉断；张力过小，不仅可能造成薄膜跑偏， 还可能缠上辊筒影响生产。由此可见，张力控制不仅是薄膜流延生产控制的必 要组成，而且是核心部分，张力控制的效果直接关系到产品质量的优劣。适当 的走料张力应该使料膜不产生飘动，又不产生纵向褶皱或拉断为限度。 从控制形式上，张力控制系统可分为直接张力控制和间接张力控制系统。 间接张力控制系统不采用张力控制器，而是检测与张力有关的量，间接的反映 张力，进而进行控制。正如上面介绍的那样，张力是由于物料长度方向上存在 速度差，而引起伸长量产生的。在本系统中，摆辊的位置间接反映张力的大小， 张力恒定，实际上是通过协调控制各环节的速度使摆辊处于垂直位置来完成的。 由此可以看出，间接的张力控制系统实际上是位置控制系统i l j 。 1 3 常用张力控制传动方式 在工业生产过程中卷绕机构恒速恒张力的传动控制，主要应该考虑卷辊的 - - 3 - 浙江大学硕士学位论文 转速因素，即卷辊上卷时的转速随卷辊直径增大而应逐渐减小，以保证加工物 恒线速度通过，另一因素是退卷辊还应以张力要求形成适当的制动力矩，是加 工物张力达到一定的技术要求，现较为常用的传动控制方法主要有以下几种， 或是几种互相结合应用。 一、机械式自动控制【2 】 图1 4 机械式自动控制装置的一种 图1 - 4 所示是一机械式张力控制机构，由齿轮7 输入一个转速n h ，根据工 艺要求分解为卷辊1 和卷辊2 两个转速。在卷绕过程中，卷辊l 和2 上加工物 的表面速度必须相等。卷辊1 的转速随着退卷而增大，卷辊2 的转速随着卷取 要相应减少，利用图中这种混合轮系即可满足这个要求。 二、气动式自动控制【3 j 图1 5 所示是一卷筒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。 一4 一 浙江大学硕十学位论文 气源 图1 5 气动式张力控制装置 三、电气自动控制1 3 j 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 - 6 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；加工物的张力控制方式是：通过调节卷取辊所连接的直流电机， 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l 石电气自动控制系统方框图 一5 一 浙江大学硕士学位论文 四、磁粉离合器的传动控制【4 j 磁粉离合器用作卷绕机构的传动系统，是一种较普遍的张力控制方式。同 图1 - 6 ，把执行电机换为磁粉离合n 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问成链状链接，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。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。 五、液压传动技术1 4 j 液压控制技术己经相当成熟，并广泛应用于工程实际中。液压传动分为电 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。 1 4 张力控制系统的控制策略 1 4 1 张力控制系统的特点 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 e l 、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。 6 1 1 7 1 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、p l c 或者采用不同的组态方式，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 一6 一 浙江大学硕士学位论文 见，大型的集成的张力控制相对要少见些，因此对大型张力控制的智能控制研 究也比较少见。 薄膜生产行业中，卷绕机械张力控制系统有其自身的特点。 1 ) 张力系统模型具有时变性。随着卷绕的进行，收卷料辊的半径不断发生 变化，从而料辊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。 2 ) 张力系统具有强耦合性。张力控制系统控制的是物料的张力。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，将超过物料的弹性极限甚至 导致物料断裂。物料在卷绕时，在物料的不同部分，物料有不同的运动状态， 通常表现为粘滞的和滑动的。物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。因此速度和张力是强耦合的。在一般的控制中，通常把 速度作为张力的干扰来处理。 3 1 张力系统存在很多干扰。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加速和减速。特别是在像薄膜 这种为张力控制的加工过程中，微小的速度抖动将引起张力的极大变化。还有 来自机械的，如收卷料辊不圆，牵引辊不圆，压紧辊的动作等都将引起物料的 张力波动。 1 4 2 张力控制策略 一、p i d 控制 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单及可靠性高， 被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定 性系统。但是张力控制系统毕竟是一个时变，强藕合，多干扰的系统。因此， 传统的p i d 控制将达不到很好的控制效果。对于这种情况，我们首先想到的是 对传统的p i d 进行改造，因此可以采用前馈控制可以有效的抑制干扰，提高系 统的动态稳定性。又可采用智能控制如模糊控制等，以抑制超调，减少调整时 间：还可以通过改变p i d 控制的结构来改善控制性能。 在工业控制中，目前8 5 - - 9 0 的控制系统采用p i d 控制方法。常规p i d 控制系统原理框图如下图所示。系统由常规p i d 控制器和被控对象组成。 一7 一 浙江大学硕士学位论文 图4 - 4p i d 控制系统框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值x 与实际输出值y 构成控制 偏差：e = x y 。将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对 象进行控制，因此被称为p i d 控制。 p i d 控制器的表达式为： 础m m 卅扣啪+ 巧警】 ( 4 1 ) 它的传递函数为： g 2 鬻= t ( 1 + 去哪) ， 式中：k 广比例系数： t i 积分时间常数； t d 微分时间常数。 二、模糊控制 近些年，模糊控制获得突飞猛进的发展，模糊控制是以模糊集合论、模糊 语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1 9 6 5 年美国的扎 德创立了模糊集合论，1 9 7 3 年，他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。 1 9 7 4 年英国的m a m d a n i 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它用于锅 炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功，这一开拓性的工作标志着模糊控制论 的诞生。 模糊控制主要是模拟人的思维、推理和判断的一种控制方法，它将人的经 验、常识等用自然语言的形式表达出来，建立一种适用于计算机处理的输入输 出过程模型，是智能控制的一个重要研究领域。从信息技术的观点来看，模糊 控制是一种基于规则的专家系统。从控制系统技术的观点来看，模糊控制是一 种普遍的非线性特征域控制裂引。 相对传统控制( 包括经典控制理论与现代控制理论) ，模糊控制能避开对象 的数学模型( o n 状态方程或传递函数等) ，它力图对人们关于某个控制问题的成 一8 一 浙江大学硕：上学位论文 功与失败和经验进行加工，总结出知识，从中提炼出控制规则，用一系列多维 模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型，应用c r i 等各类模糊推理方法， 可以得到适合控制要求的控制量，可以说模糊控制是之种语言变量的控制【8 1 。 模糊控制具有以下特点 9 q 0 j ： ( 1 ) 模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发 点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对 象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便 于应用； ( 2 ) 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊 控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常 适用； ( 3 ) 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同， 容易导致较大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这 些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器； ( 4 ) 模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于 模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能 水平； ( 5 ) 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大 减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 除此，模糊控制还有比较突出的两个优点】。 第一，模糊控制在许多应用中可以有效且便捷地实现人的控制策略和经验； 第二，模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制，这是 因为被控对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入、输出模糊集及模糊规则中。 模糊控制也有缺陷，主要表现在【9 】：1 ) 精度不太高；2 ) 自适应能力有限；3 ) 易产 生振荡现象。 1 5 课题意义与内容 本论文研究依托于绍兴市重点科技项目“高透气性薄膜拉伸机控制系统 。 此项目通过引进韩国先进的透气膜生产关键技术和设备，加以消化吸收，成功 开发和生产了膜重2 0 9 m z ，透湿量为3 0 0 0 9 m 2 2 4 h 的透气膜生产设备。 本课题研制的流延线生产出来的透气膜填补了国内空白，产品可大量替代 进口产品；目前国内生产超薄、高透气膜的设备全部依赖进口，本项目主要通 过自主研发设备生产技术，实现生产超薄、高透气膜的设备的国产化，本项目 的实施可以提高国内超薄微孔透气膜的生产技术水平和研发能力，实现我国自 主知识产权的透气膜生产，替代进口产品，具有十分重要的意义。 在产业化前景方面，同类设备德国产的约五千多万元人民币，韩国产的约 三千多万元人民币，自主开发的设备成本在一千万元人民币，售价可定在一千 五百万人民币以下。据调查，目前国内引进该设备的数目很少，但预计随着国 一9 一 浙江大学硕士学位论文 内各行业对高透气性薄膜产品的需求快速增长，全国范围内对该设备的需求在 数百台之多，产业化前景诱人。 本项目的最终目标是研制出高透气性薄膜流延生产线，以实际生产的高透 气性薄膜质量及设备指标为考核依据。主要的产品质量指标有：白度 7 5 、熔 融指数2 0 - - - - 0 2 9 1 0 m i n 、水分 v 1 ， 则物料将张紧，即物料张力加大；如果v 2 v 1 ，于是物料将 受到拉力而弹性形变。 假设l 0 、l 分别为两连续辊之间未拉伸的物料长度和被伸后的长度，s 形 变率，e 为弹性模量，a 为横截面积，由胡克定律可得【1 6 】： ， t = e a c = e a , - , - , - , o 厶 ( 2 2 ) 式中：t - 瑚料张力； e 物料弹性模量； a 物料横截面积； s 物料形变率； i 矿一物料原始长度； l 物料形变后长度。 又设t 为物料经过相邻两个辊所用的时间，则有： 三= 三一厶2 i ：( 砭一k ) 破 ( 2 3 ) 式中：物料形变量； v 2 第一个辊的线速度； v i 第二个辊的线速度。 再由线速度和角速度的关系可得： ，= ( o r ( 2 - 4 ) 式中：v 转辊线速度： r 转辊半径： 功转辊转速。 综合式2 2 ，式2 3 ，式2 4 得： 一1 9 一 浙江大学硕士学位论文 丁= 等f ( 哆吃吲) a t ( 2 - 5 ) 式中：t - 瑚料张力； e 物料弹性模量。 a 物料横截面积。 i 矿嘞料原始长度； 卜呐料通过相邻两辊的时间； q 第一个辊的转速； r l 第一个辊的半径； 纸第二个辊的转速； r 2 一第二个辊的半径。 由式2 5 可知，张力和线速度差是一个积分环节，而在实际分析时一般用 一阶惯性环节来描述【1 7 棚1 。将上式拉氏变换后得： 丁( s )丁( s ) k v 2 ( s ) 一( s ) w 2 r 2 一，i s + c ( 2 6 ) 式中：k 一丝； 厶 c 时间常数的倒数。 这样，张力控制问题就转化为速度差的控制问题了。 所以，在启动过程中，当物料达到工艺所要求的合适张力后，应该及时调 节使线速度稳定，于是织物就在此张力下稳定运行。显然，在稳定运行中，不 论v 2 或者v l ，有任何波动，都将引起物料张力的波动【2 0 1 。 在实际系统中，一般都是在加工段设定其中一个驱动辊为速度基准辊，加 工段的其他驱动辊以此基准辊的速度为基准进行速度控制，而使得系统达到恒 张力的目的。本系统张力控制系统由压纹辊，印刷辊，出料辊，收卷辊组成。 具体细节在后面会详述到。 由以上分析可以画出流延线张力控制系统压纹驱动辊、印刷辊驱动辊、出 料驱动辊和收卷驱动辊之间的张力结构图如图2 - 9 所示。 一2 0 一 浙江大学硕士学位论文 压纹辊电机卜二叫压纹辊卷径 印刷辊电机卜二二叫印刷辊卷径 出料辊电机l 一生 出料辊卷径出料辊电机卜二叫出料辊卷径 收卷辊电机l j 纠收卷辊卷径 图2 - 9 流延线张力控制系统结构图 而堡垄 而堡垄 图中压纹辊驱动辊的速度为基准速度，当给定了基准转速后，通过调节相 邻两个辊的速度之差即可控制张力的大小。其中由于收卷辊的卷径是时变的， 所以收卷段张力控制环节的张力波动影响因素包括卷径与收卷速度两个方面。 因而对收卷段张力控制在流延线张力控制系统中最具有代表性。 2 2 2 拉伸控制系统 在本透气膜生产线中，各辊速度由生产线设定速度以及各辊各自的微调速 度共同决定，如图所示。对于对薄膜进行纵向拉伸的5 ，6 ，7 号辊而言，影响 其速度的还包括工艺上拉伸比的设定。拉伸比是一个很重要的工艺参数，在本 生产线上市用来形成微孔的必要步骤，拉伸比对拉伸薄膜的物理机械性能影响 很大，但到目前为止，关于拉伸比的概念尚没有一个统一的认识和确切的定义。 只能对拉伸比的公式定性表述如下： v 1 _ v o + k( 2 7 ) 式中，v o _ 一前面转辊的参考速度； v l 当前转辊的指定速度； k 设定的拉伸比。 本系统拉伸段的原理如图2 1 0 所示： 一2 1 一 一(+一一(+一一(+ 浙江大学硕士学位论文 m a s t e rv r 图2 1 0 拉伸单元速度控制系统结构图 在本系统的操作台的操作面板上的m a s t e rv r 电位器( 生产线速度调速 电位器) 和e x t r u d e rv r ( 挤出速度电位器) 以及m a i nv ：r ( 冷却辊电位器) 共 同决定了整条生产线的运行线速度。其中，e x t r u d e rv r 和m a i nv r 设定 值之间的相互关系决定了生产线挤出机的挤出速度与生产线的线速度，最终影 响生产的薄膜的厚度。而操作面板上的撑1s t rv r # 1 4 s t rv r 微调电位器则可 以在较小范围对各辊的速度做微小改动以改进薄膜的生产工艺状况。由图2 1 0 可见，各辊之间速度是以一定的规律通过各变频器的i o 口传递，因而一个辊 的微调速度值通常使其后的某些辊也是有同步影响的。采用这种设计方案可以 使微调时的操作大大简化。 2 2 3 张力控制系统 常见的张力控制有四种：( 1 ) 采用转矩电流控制的张力控制，在此方式中， 如果被加工物断裂，该变频器驱动的电动机有超速的危险。必须对该变频器附 加具有速度限制功能的环节；( 2 ) 采用拉延的张力控制，由于拉延直接决定张力 的大小。故张力的精确控制需要对拉延进行精确的控制。这就需要对两台电机 的转速进行精确控制；( 3 ) 采用张力检出器的张力控制，此控制系统比较复杂， 如果张力精度要求不高时，就不必使用；( 4 ) 采用张力摆辊的张力控制。此类系 统可配用普通型的电压、频率协调控制的通用型变频器。图2 1 1 所示的控制方 一2 2 浙江大学硕七学位论文 式，它具有在张力波动大时吸收过渡误差的优点，根据所吸收误差的大小，相 应地给定张力摆棍的行程。1 2 6 j 本张力控制系统采用的就是张力摆棍控制张力，这是目前应用较为普遍的 一种张力控制方式。其控制系统结构示意图如图2 1 1 所示。图中环形电位器为 比较元件，它能将测量单元测得的被控制量的实际值与平衡值比较，得出偏差 信号。偏差信号一般经放大后输给执行元件，图中的箭头表示信号的传递方向。 图2 1 1 张力摆辊控制系统结构图 由于生产线比较长，故本系统采用的是多段张力控制方式，将张力控制段 分为：印刷段张力系统，出料端张力系统，收卷段张力系统。生产过程为薄膜 拉伸机出来之后，到达压纹辊( 速度基准辊) ，再经过印刷驱动辊，后经过出料 辊，最后由收卷辊收取，进入下一道工序。图2 1 2 为流延线卷绕张力系统的示 意图。 一2 3 浙江大学硕士学位论文 图2 一1 2 流延线多段张力控制系统结构图 放卷段、贴印段和收卷段安装有张力摆棍张力传感器，用来检测薄膜张力 构成反馈；图中小辊为导向辊，它的作用是保持物料经过张力摆棍时角度恒定， 这样，物料张力和作用在测压辊上的压力的代数关系也会保持恒定；每个驱动 辊上方为压紧辊，它们和驱动辊的作用是消除薄膜和拖动辊之间的滑动实现表 面传动以牵引薄膜运行，并且由于驱动辊的半径始终不变，因此线速度与电动 机的转速成固定的关系，这样使得电动机对驱动辊对速度调节简单很多；该系 统是一套交流变频电机拖动的三段张力控制系统。 对于以上三段张力控制系统，由于工艺上的差别，分别需要进行恒张力控 制和锥度张力控制方式。 1 恒张力控制系统 在上图显示的多段张力控制系统中，压纹辊至印刷辊的张力，印刷辊至出 料辊的张力采用的是恒张力控制方式。一般，恒张力控制要求前后两辊的转速 相等，将后一个辊使用负反馈，并用p i d 调节器减少误差e ，进而保持它们之 间物料的张力恒定。其中g l ( s ) 是摆动辊张力检测环节的传递函数，g 2 ( s ) 是该辊 交流电机传动系统的传递函数： 张力设定值 给定线 速度 图2 1 3 负反馈张力控制系统框图 当前辊 输出线 根据i j i 面叙述，系统采用普通负反馈不如采用前馈的动态性能好，因而本 系统采用输入前馈的方式。张力控制系统通过张力摆棍张力传感器检测过程张 力，并以其输出信号作为反馈量，经变频器中的p i d 控制调节所对应的电机转 速，实现整个过程的张力的平稳适度的控制。张力控制策略原理图如图2 1 4 所 一2 4 浙江大学硕士学位论文 不。 前一辊 线速度 图2 1 4 前馈张力控制系统框图 当前辊 输出线 系统中的印刷电机、出料电机和收卷电机，都是以前一个辊的线速度为输 入前馈量，在前馈量的基础上叠加误差纠偏量后，将他们的计算结果作为当前 辊的速度控制量给予当前辊电机。 2 收卷张力控制 由于本系统在收卷段采用了中心卷取方式，随着卷径变化，会引起的张力 变化，在卷绕过程中，卷轴越卷越大，卷绕线速度v ( t ) = ( t ) xr ( t ) ，在6 0 ( t ) 不 变的条件下，则随收卷辊半径的增大而升高，致使张力增大，在工艺上会导致 膜卷内部卷芯的变形甚至压溃，产生暴筋、菊花纹。因此除了保证前后两个辊 之间的速度差保持恒定外，还需对卷径的变化进行补偿。 2 7 i 丰l 前一节所知，若 希望以恒张力收卷，l 应为常数，这说明张力控制系统属线速度跟随系统， 然而，从传递织物长度分析l 为常数，张力控制系统又是位置随动系统。为 满足薄膜在卷绕过程中的特殊要求，确保收卷与送料之间有张力差。应用电流 矢量控制技术，采用变频器控制，使得角速度随着卷径的增大而减小，既锥度 控制。常用的锥度控制方式为，根据收卷轴的卷径与设定好的锥度计算得到当 时的张力值，并将张力值电信号通过电气转化器( e p ) 转化为支撑气缸的气压， 锥度张力控制系统结构图如图2 1 5 。 图2 1 5 收卷张力控制系统结构图 一2 5 浙江大学硕士学位论文 2 2 4 温度控制系统 在流延线上，包括挤出机和印刷机温控系统。 l ，挤出机温控系统 流延线的温度控制系统主要集中在挤出机上，控制8 个加热缸，1 9 个模头 加热器，颈部加热器，模唇加热器等元件的温度。常用的加热器控制方案有： 交流固态继电器( s s r ) 或调压调功器( t r p ) 控制加热器，通过热电偶检测挤出机 被加热的温度反馈到p l c 的温控模块，完成一次控制。 由于加热缸的作用是将加工用的母料熔化，对温度的控制精度要求较低； 而模头和模唇加热器的作用是对将熔化的母料塑造成片材形状，所以模唇温度 的高低直接影响到了流延膜各个部位流延速度，进而影响到了片材厚度的均匀 性。故加热缸选用交流固态继电器控制，其他的采用调压调功器控制。 图2 1 6 挤出机温控系统结构图 2 印刷区温控系统 薄膜在经过印刷辊后会带上新鲜未干的油墨，需要进行烘干，所以印刷区 有一个大烘箱，由三个冷却风机组成。主控制器采用h o n e y w e l l 的d c l 0 3 0 温控仪表，通过检测热电阻传感器的信号对烘箱温度进行控制。 图2 1 7 印刷机温控系统结构图 一2 6 浙江大学硕士学位论文 2 3 主要元件选择与电路设计 2 3 1 控制系统元件选择 1 挤出电机控制元件 本系统挤出机螺杆驱动元件采用的是直流挤出电机，相应的选用欧陆5 9 0 p 直流调速器，欧陆5 9 0 p 系列直流调速器是集成化的系统驱动器，被设计来满 足工业领域里大范围的对于最复杂和最高深的多驱动器应用的要求。所有下面 的功能作为标准都是可用的，而不需要任何其他的硬件。5 9 0 p 的直流调速器主 要有以下功能：功能块编程；软件i o 口设置；高分辨率( 1 2 位) 模拟输入；螺 旋形梯形控制；i r 补偿的开环控制：速度电流的闭环控制；l o a d c e l l ( 张力传感 器) d a n c e r ( 张力摆棍) 过程p i d ：数学函数；逻辑函数；可控磁场电源：s 形斜 坡和数字斜坡等。 2 温度控制元件 s s r ( 固态 加热器 p继电器) 或 工l t r p ( 调压 挤 控 c调功器)出 机温机 控 模 热电偶 块 图2 1 8 温控元件连接示意图 温控环节主要包括挤出机和印刷机温控环节。印刷机的温控主要是通过热 电阻与电加热器组成，元件的选型只要按主要参数选用即可。挤出机的加热部 分由p l c 的温控模块实现其温度的控制。p l c 以热电偶作为反馈信号( p v 当前 温度值) ，以人机界面中的设定温度作为输入值( s p ) ，通过合适的p i d 控制策略， 对各个加热模块实现温度的精密控制与调节。 常见的温度控制元件有固态继电器和调压调功器。固态继电器是通过开断 控制加热器来对被控对象进行加热；调压调功器是通过控加热器的电压或功率 来连续的加热被控对象。本系统中有高精度温控环节如模头的1 9 个加热器、模 头唇部加热器，都可采用能连续控制的调压调功器；其它的如挤出段的8 个熔 融加热缸，都采用固态继电器来控制加热器。 3 速度控制元件 本系统对速度的控制，主要集中在拉伸单元，将拉伸单元的对拉伸区各主 一2 7 浙江大学硬学位论史 动辊在工艺上的主要要求在于其线速度，由于各辊直径己知，因而最终归结于 对各主动辊电机的转速控制问题。因此在参考了国外先进的透气膜生产线后 我们选用欧陆变频器，6 9 0 + 系列交流变频器与5 9 0 直流电机控制器分别作为交 流传动电机和挤出直流电