（检测技术与自动化装置专业论文）模糊pid在高速切纸机张力控制中的应用.pdf

山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 在印刷、包装、造纸等行业中，张力控制是极其重要的一环，良好的张力控 制可以保证产品质量，提高生产效率。本文具体针对1 4 0 0 型高速精密切纸机的放 卷和纸张传动过程中的张力控制展开讨论。 本文从高速切纸机的技术特点以及常用的控制策略、p l c 控制技术、p l c 控 制系统的组成、系统硬件选型与连接、p i d 控制算法及改进、模糊控制、模糊p i d 控制等几个方面，做了全面细致的论述，对在实际工程应用中遇到的问题也提出 了相应的解决办法，并进行了比较，取得了一定的效果。 高性能的控制系统是切纸机高性能工作的关键技术。本文着眼于模糊控制特 别是模糊p i d 控制方法在高速切纸机张力控制中的应用研究，以“1 4 0 0 型高速精 密切纸机 为背景，研制和开发了模糊p i d 控制算法和p l c 及变频技术相结合 的切纸机控制系统。包括系统的总体设计方案、硬件设计、软件设计以及控制算 法的实现等问题，重点论述了模糊p i d 控制算法及其在张力控制中的应用、实现。 利用m a t a l b 语言结合张力控制模型，实现了模糊p i d 控制、常规p i d 控 制和普通模糊控制的计算机仿真。仿真结果的比较表明：模糊p i d 控制器具有算 法简单，控制快速、准确的特点，提高了系统的动、静态特性，使系统获得了更 好的性能。 关键词：模糊p i d ；切纸机；张力控制；p l c ；变频控制；同步控制 山东轻工业学院硕士学位论文 a b s t p 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 ，p a c k i n g s e r v i c ea n dp a p e rm a k i n g 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 d p 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 nt 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 ga n d d r i v i n gp r o c e s st e n s i o n c o n t r o lf o r t h eh i g hs p e e dp a p e rs h e e t i n gm a c h i n e t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dt h ea s p e c t sa b o u tc h a r a c t e ri st i e so fp a p e rs h e e t i n g ， c o n t r o ls t r a t e g yc o m m o nu s e di np a p e rs h e e t i n g ，t e c h n i c a lf l o wo fp a p e rs h e e t i n g ，p l c t e c h n o l o g y ，t h em a k e u po fp l cc o n t r o ls y s t e m ，t h es e l e c t i o na n dc o n n e c t i o no f s y s t e m sh 孤d w a r e ，t h ep i dc o n t r o la r i t h m e t i c ，f u z z yt e c h n o l o g ya n df u z z y p i d t e c h n o l o g y t h i sp a p e rh a sa l s ob r o u g h tf o r w a r dt h es o l u t i o n st ot h ep r o b l e m sw h i l e h a v em e ti np r a c t i c a lp r o j e c ta p p l i c a t i o na n dh a sg o ts o m ea c h i e v e m e m sc o m p a r i n gt o o t h e rm e t h o d s f o rt h ee f f i c i e n tw o r k i n go ft h ep a p e rs h e e t i n gm a c h i n e ，t h eg o o ds y s t e mi st h e k e yt e c h n i c a l i nt h et h e s i s ，ap a p e rs h e e t i n gm a c h i n ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e d o np l ca n df r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gi s d e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，u n d e rt h e b a c k g r o u n do ft h e “1 4 0 0t y p eh i g hs p e e dp r e c i s ep a p e rs h e e t i n gm a c h i n e ”i ti n c l u d e t h em e t h o dd e s i g n ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no fc o n t r o l a r i t h m e t i c a p p l i c a t i o no ff u z z y p i da l g o r i t h mi nt h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mo fp a p e r s h e e t i n gm a c h i n e as i m u l a t i o nm o d e lo ft e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma b o u tf u z z y - p i dc o n t r o l l e r , p i d c o n t r o l l e ra n dc o m m o nf u z z yl o g i cc o n t r o l l e ri sr e a l i z e ds u c c e s s u f l l yw i t hm a t l a b c o m p a r i s o no fs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tf u z z y p i dc o n t r o l l e ri ss i m p e r , m o r er e p i d a n da c c u r a t e ，i th a si m p r o v e dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r o f r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e ma n d h a so b t a i n e dg o o dc o n r t o lq u a l i t y k e y w o r d s ：f u z z y p i d ，p a p e rs h e e t i n gm a c h i n e ，t e n s i o nc o n t r o l ，p l c ，i n v e r t e r c o n t r o l ，s y n c h r o n o u sc o n t r o l 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，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。 论文作者签名： 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，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，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 导师签名： 嗍互孕世月m 日期： 至竺竺呈年月步 山东轻工业学院硕士学位论文 1 1 张力控制系统概述 第1 章绪论 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【l 】。以切纸机为例，为了使切纸过程稳定，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导致纸张浪费； 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，也会直接导致切纸精度下降。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郾】。本文讨论的张力控制系统集中在放 卷机构的张力控制方面。 张力控制系统有模拟量控制方案和数字量控制方案【4 】。早期受限于技术水平和 设备装置，张力控制系统采用的是模拟量控制，控制方法也多是用电流电势复合 控制。通过此种方式实现的系统，由于采用模拟器件，系统的可靠性较差，在进 行实时运算时的计算精度很低，使系统的控制精度低，动态补偿效果差，不能满 足产品日益增长的高精度要求。 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己经很难生产出满足客户要求的产 品。许多厂商已将计算机控制技术运用到张力控制系统上。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，如最优控制，自适应控制，鲁棒控制，神经网络控制等，对传统的 控制方法进行改进，这使控制系统的精度愈来愈高，控制方式也更加灵活多变p o j 。 1 2 张力控制系统的控制策略 1 2 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 第l 章绪论 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 l 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。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 2 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【_ 门。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。 1 2 3 控制策略 张力控制广泛应用于于造纸机械，纺织机械，印刷机械，轧钢机械， 精密缠绕机等工业设备的生产过程中，控制方式多种多样，可选的执行机构种类 繁多，可采用的控制策略也比较广泛，如p m 控制【8 1 、模糊控$ 1 j 9 , 1 0 , i i 、鲁棒控制、 神经网络控制等等。p i d 控制因为鲁棒性强，实施简单，动态和静态特性优良，特 别是对二阶对象模型具有最优调节器的结构特点，在工业控制中占据主要位置， 同样适用于张力控制领域。但是张力控制系统毕竟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，常规p i d 控制器不具备在线参数整定功 2 山东轻工业学院硕士学位论文 能，对系统模型的精确性依赖较强，对于非线性、时变且受随机干扰的系统，一 般难以获得较好的控制性能。而我们的带材张力控制系统，往往就不能建立一个 精确的数学模型，而且卷径、速度和力矩随时都在变化，是一个大时变系统，常 规p i d 调节难以满足精确张力控制的要求。所以有必要对常规的p i d 进行改进， 如前馈控制可以有效抑制干扰，提高系统的动态稳定性；又如积分分离p i d 控制 及变速积分p i d 控制可以减小累积误差，抑制超调；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。 模糊控制方法是上个世纪后期出现的一种新型自动控制方法，它无需建立精 确的数学模型，只需确立一个“模糊模型”就能达到良好的控制效果。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 控制不仅反应速度快，而且抗干扰能力强。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。 1 3 课题研究的内容和任务 通过查阅大量切纸机张力控制系统、p i d 控制、模糊控制以及p l c 和变频调 速控制技术的文献资料，对高速切纸机张力控制系统的设计过程中，努力提高切 纸机的性能。本文主要研究内容和任务如下： ( 1 ) 了解切纸机张力控制系统及控制策略。 ( 2 ) 对切纸机张力控制系统原理和常用控制方式进行介绍，并就切纸机运行中 纸幅张力的产生机理和特点以及放卷过程的动力机理进行详细分析和阐述。 ( 3 ) 详细介绍了本文中用到的切纸机张力控制的两个主要部件：磁粉制动器和 可编程逻辑控制器。 ( 4 ) 通过p i d 常规控制器、模糊控制器和模糊p i d 控制器的设计和仿真，详细 讨论p i d 常规控制器、模糊控制器和模糊p i d 控制器在切纸机张力控制系统中的 控制性能的优缺点。 ( 5 ) 将模糊p i d 控制算法在p l c 上实现，并在实际生产中进行实践检验。 ( 6 ) 最后，对未来切纸机张力控制系统的发展方向进行了展望。 3 山东轻工业学院硕士学位论文 第2 章张力控制系统控制原理 2 1 张力控制系统原理 2 1 1 开环控制原理 在卷绕过程中，若没有将任何量中间量或输出结果进行反馈，则称这种控制 方法为开环控制【1 2 】。由前面论述知道，m = t d 2 ，电机的转速n = v ( 奎d ) ， 其中，v 为卷绕线速度。于是卷绕力矩m 与卷轴的转速的乘积为m * n = t * v ( 2 幸) ， 在卷绕过程中若要想保持线速度和恒定张力，则有m 木n = c = 常数，可得出 n = c m = k d ( 其中k 为常数) ，此关系称为卷绕机构的卷绕特性，是一条双曲线， 如图2 1 所示。 n o 图2 1 卷绕特性 d 有些电动机本身具有这种相似的软机械特性。在要求不高的场合，可以直接 使用具有这种类似特性的电动机来传动卷绕机构，以便获得近似的恒张力控制。 这样的系统属于张力的开环控制系统，目前这样的系统应用得很少。 2 1 2 扰动补偿控制原理 由于引起张力t 或者线速度v 变化的主要扰动量是卷径d 的变化，所以在实 际加工过程中，通过不断检测卷径d 的变化来调节控制信号以保持张力恒定。在 这种情况下，卷径d 的变化是引起张力波动的主要因素，是一种扰动量，所以在 卷绕过程中要按照扰动量的变化不断调节其他电参量，以抵消卷径d 的变化对张 力的影响，这种方式称为扰动补偿控制，又称为间接法张力控制l l 引。但是在实际 卷绕系统中，扰动量不止卷径一个，只有在简单的、要求不高的系统中，才只设 法补偿卷径d 对张力的影响。在要求较高的场合，还需要对其他的扰动量进行补 偿控制。严格来说，这种控制只能是一种近似的恒张力控制。 5 第2 章张力控制系统原理 2 1 3 直接张力闭环控制原理 在实际生产加工过程中，将过程量或输出量进行反馈，构成闭环调节系统， 这样的控制方法称为闭环控制。闭环控制系统不但抗干扰能力强，而且控制精度 高，所以成为人们常用的控制方法。闭环可引入的反馈量很多，如引入速度反馈、 张力反馈等，这两种反馈控制方法称为直接法 1 4 , 1 5 , 1 6 】。这里仅仅讨论将张力引入反 馈的闭环系统，即直接张力闭环调节系统。其原理是将张力即被调量转换成反馈 信号，并与给定张力信号相比较，然后利用其差值经调节器作用到调节对象上， 使偏差尽可能的小，甚至为零，这样，位于张力环内的干扰均可以很好地得到抑 制和补偿。 2 1 4 复合控制原理 为了更好的获得控制精度和更好的动态过程，有时可采用复合控制方法。在 控制过程中，不仅设置有扰动补偿控制，还有张力闭环控制等其他控制方式，这 样的控制效果较一般的单一控制方式而言，效果会好一些，但是由于成本较高， 而且控制起来也很复杂，所以常常使用于要求较高的场合。 2 2 张力控制的常用方式 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【l 7 】以及其他的如杠杆摇摆式张力控制系统等。这里仅 论述电机张力控制系统和磁粉张力控制系统两种。 电机张力控制系统是目前应用最为广泛的一种，其中，执行电机又有直流电 机和交流电机两种。这两种电机都有各自的优点和缺点，到底使用那种电机，这 要根据实际需要来决定，而不能一概而论。但是，不论使用那一种电机，其控制 原理框图均可以用图2 2 来表示： 张力给定 + - _ _ _ _ _ _ _ 卜 张力输出 图2 2 电机张力控制系统方框图 长期以来，直流电机由于具有良好的起制动性能和容易实现大范围内平滑调 速的优点，在卷绕机构传动控制中一直占据着主导地位。直流电机用于卷绕传动 时，由于卷绕过程中一般要求速度和张力均恒定，根据前面的分析知道，卷辊的 6 山东轻工业学院硕士学位论文 转速应该与卷径成反比，这就要求调节带动此辊轴的电机的转速，仅仅只需要调 节器励磁电流即可实现直流调速，实现起来非常简单。但是直流电机也有其自身 致命的弱点机械式换向器，同时直流电机价格也非常昂贵。交流变频技术出 现前，交流调速一直比较困难，不如直流调速控制简单方便，所以限制了交流电 机的大范围应用。 随着变频调速技术的出现，交流电机在传动控制方面的优越性渐渐显露出来， 不但能够取得良好的起制动性能，还能够在一定的范围内实现平滑调速，而且交 流电机较直流电机而言，还具有结构简单、价格便宜、制造方便及维修容易等特 点，所以将会逐渐取代直流电机在卷绕机构的速度调节和张力控制中的主导地位， 成为众多生产厂家的首选调速机械。 磁粉张力控制系统是以磁粉制动器和磁粉离合器为执行器件的张力控制系 统，是一种较新型的张力控制方式。这两种执行器件都是电流励磁型的器件，产 生的转矩与励磁电流在一定范围内成正比，是一种线性调节装置。磁粉张力控制 系统与电机张力控制系统几乎相同，仅仅只需要将电机张力控制系统框图中的执 行电机改换成磁粉制动器或磁粉离合器即可。 在实际生产过程中，根据调节手段分类，常用张力控制方式又可分为三种： 手动控制方式、半自动控制方式和全自动控制方式。 ( 1 ) 手动控制：以收卷或放卷卷径的变化而分阶段调整离合器或制动器的激磁 电流，从而获得一致的张力，用户必须随时检查被控材料的张力，随时调节输出 力矩，所以该方法仅适用于一些低速的复合机、挤出机、纺织机械等张力控制要 求不高的场合。 ( 2 ) 半自动方式：自动检出卷径，从而调整卷材张力。分别测量计米辊和卷筒 辊的角速度，计米辊的半径是恒定的，由此计算出当前卷筒辊的半径，给出输出转 矩。半自动方式，从本质上来讲是一种张力的半闭环控制，它对于卷材和滚筒的 跳动及加减速度的影响，以及材料厚度、松紧度的设定误差都无法很好地解决。 所以也只能适用于一些速度不高、要求一般的场合。但是该方案的实施成本较低， 因此在中档机械中应用广泛。 ( 3 ) 全自动方式：由张力传感器测定卷材的张力，从而自动调整离合器或制动 器的激磁电流来控制卷材张力。这种方式是张力的全闭环控制，原理上来讲，此 种方案控制精度最高且能自动减少转速和滚筒抖动等引起的扰动影响，因此一些 高档的印刷机、高速分切机等机械上大部分采用全自动的张力控制系统。高精度 张力控制器在张力闭环的同时还需要实时检测出卷径，用于模型修正或锥度张力 控制。 本文中以全自动张力控制方式为主要研究对象，给出了整个控制系统的结构 组成和系统的仿真及在p l c 上的实现。 7 第2 章张力控制系统原理 2 3 放卷张力控制系统结构 对于切纸机系统，下面选择放卷部分1 1 8 】的张力控制系统结构作简单的介绍。 其结构图如图2 3 所示： 图2 3 放卷侧张力控制系统结构图 控制过程描述为：张力检测器将检测到的卷材的张力信号送入张力控制器， 在控制器内经过放大，采集，然后再将采集到的信号送入微处理器进行处理，控 制器综合给定张力和反馈张力，输出控制信号，经过开关电路控制磁粉制动器的 驱动电流，从而控制与制动器相连接的辊轴，形成张力闭环系统。 对于张力控制系统而言，小规模的分散的张力控制系统通常用微处理器来控 制。在印刷包装行业中，小规模的分散的张力控制系统更为常见一些，所以，设 计基于微处理器的张力控制器，通过采用合适的控制策略，来提高控制精度，从 而提高生产效率，已成为势在必行的趋势。就本课题而言，我国是一个造纸大国， 无论从生产还是需求等方面，造纸工业都是我国国民经济的重要组成部分，所以 做好切纸机张力控制的研究，提高我国造纸企业的生产效率，是课题研究的意义 之所在。 2 4 张力控制系统的动力分析 2 4 1 张力的产生机理 卷绕机构对控制系统的基本要求是保持卷材的张力恒定，所以有必要知道张 力是怎么产生的，这样才能找到设计恒张力控制系统的正确途径。 图2 4 所示为一卷绕系统【1 9 】。设卷材张力为r ，卷辊直径为d 2 ，前一单元m 。 运行中卷材的线速度为k ，卷绕单元必运行的线速度为k 。如果 k ，则纸张 将被拉伸，纸张的张力产生；如果k k ，以使卷材内产生一定的张力，当卷材达到合适张力后，应该及时调节动力 机构使k 稳定，这样，卷材就在此张力下稳定运行。 2 4 2 放卷过程分析 l 一卜k 一i 图2 5 放卷系统简图 放卷过程口川，启动时必须使 k ，这是张力产生的前提条件。先由牵引电机 带动牵引辊转动，使卷材拉伸，此时要控制好制动器件的制动转矩，当张力丁达到 9 第2 章张力控制系统原理 所需值时，此时应能拉动制动器件转动。可见，放卷部分的卷材张力是主动力。 放卷辊的力矩平衡方程为： d ( d 广l ( 0 1 ) = 丁t o , 一鸩一邑( f ) q ( 2 2 ) 其中：鸩为作用在放卷辊上的等效制动力矩；b 为放卷卷径；q 为放卷辊的角 速度；j 1 为放卷辊的转动惯量( 以= 以k + 以。，以k 为放卷辊上卷材的转动惯量，j l 。 为放卷辊芯轴的转动惯量) ，色( r ) q 为阻尼系数。 在静态时即匀速转动时，同收卷侧分析时一样，在认为总转动惯量恒定和阻 尼系数不变的前提下，可以得到静态力矩方程： 丁t o t m a 一毛( f ) q = 0 ( 2 3 ) 上式变形即可得到张力表达式： 丁：三丝当丝型( 2 4 ) q 所以在静态时，只要控制帆+ 毛( t ) c o l 随卷径日的变化而成比例变化，即可 控制卷材张力丁恒定，控制起来非常简单方便。 放卷过程的这种情况在实际过程中由于受干扰也很难实现。所以，有必要分 析放卷侧的动态力矩平衡方程。类似以k 的推导过程同样可以得到： 以r = 硇( 研一珑) 3 2 ( 2 5 ) 其中，d l 。为放卷辊芯轴直径，p 为卷材密度，b 为卷材宽度。 故可求得： 又有 堕：盟：型堕堕 ( 2 6 ) d td t8d t d c = o l ：2 坦! 型：2a v , 娶堕 ( 2 7 ) d td l d 1d | d m l o 山东轻工业学院硕士学位论文 且亟：一旦丝：一旦k = = 一一l ， d t 死d 1d t 7 r d , 。 将式( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 代入式( 2 1 ) 可得到卷材张力丁的表达式为： 丁= 筹吲d 筹+ 8 万o - 研v l _ _ 2 + 字c 夸4 k 2 ( 2 8 ) + 兰出型g 二盛! 丝3 亟一5 0 - , o t , z( 2 9 ) d d lq 可见，在放卷侧，卷材张力丁受到放卷线速度k 和放卷卷径口的影响，这一 点从前面的公式可以看出。 综合放卷方面的讨论，不难得出这样的结论：放卷侧的张力，受到卷绕线速 度和卷径的影响，而且这种影响程度要远远高于张力对它们的反作用。如果将线 速度和卷径看作是张力控制系统中的两个干扰量，则在设计张力控制系统时应该 着重考虑这两个干扰量对系统产生的作用，要使系统不仅对速度的冲击具有较强 的抵抗能力，同时对卷径的变化也要具有较强的鲁棒性。 山东轻工业学院硕士学位论文 第3 章磁粉制动器和可编程逻辑控制器 3 1 磁粉制动器 磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的。其具有激磁电流和传递 转矩基本成线性关系的特点。在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有 响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点。是一种 多用途、性能优越的自动控制元件。现已被广泛应用于造纸、印刷、塑料、橡胶、 纺织、印染、电线电缆、冶金、压片机以及其他有关卷取加工行业中的放卷和收 卷张力控制。 制动器按照驱动部件分类可以分为机械制动器、气压制动器、液压制动器、 电动制动器和气动制动器；按照功能分类可以分为离合制动器、防暴制动器、防 风制动器；按照工作状态可以分为常开式和常闭式制动器；按照制动部件可以分 为外抱块式制动器、内抱蹄式制动器、带式制动器、盘式制动器、涡流制动器和 磁粉制动器等。在张力控制系统中，磁粉制动器由于其体积小，重量轻，激磁功 率小且具有良好的控制特性，因而得到了广泛的应用。下面就具体的我们项目应 用的磁粉制动器作一个全面的介绍。 3 1 1 制动器的结构和工作原理 磁粉制动器的结构【2 1 】框图如图3 1 所示。磁粉制动器主要由入力轴、出力轴、 固定支撑，磁粉，轴承等几部分组成。在主动转子和从动转子之间有工作间隙， 其中填充着一定数量的软磁性磁粉。磁粉制动器设有励磁线圈，软磁材料和气隙 周围线圈组成磁路。 在制动器线圈不通电的情况下( 无激磁状态) ，当圆柱体旋转时，由于离心力 的作用，磁粉被压在圆柱体的内壁，磁粉与转子之间产生间隙，离合器几乎不产 生空转转矩，因而也几乎不产生热量。 当线圈通电的时候，线圈中就产生了励磁电流，随后在磁路中就建立了磁场， 磁粉在磁场作用下产生硬化现象，立即把两个回转体连接在一起主动件和从动件 之间的磁粉就连接成链状，即由磁粉间的磁性结合力和磁粉与两运动单元之间的 摩擦力来传递力矩这时由于存在磁粉间的连接力及主动件、从动件和磁粉之间的 摩擦等，就可以传递转距。 主动件旋转的时候，磁粉链倾斜成一个角度，电磁吸力分成法向力和切向力 两个分力，各磁路链切向力之和形成了总切向力，该切向力作用于从动转子的半 径上就产生了传递的转矩。激励电流越大，则工作间隙中的磁感应强度增大，电 第3 章m * 制动# 口r 绽程逻辑控制器 磁吸力加大，传递的转矩变大；反之，激励电流减小则传递的转矩变小。调节 激磁电流的大小，则能调节传递转距的大小。当激励电流断丌时，则磁粉迅速恢 复为无激磁状态解脱对制动器的控制。 山轴 图3 l 磁粉制动器结构图 在磁粉制动器中，决定其特性好坏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，磁粉制动嚣的控制特性越好。磁粉导磁率越高， 则通电时候磁通建立的越迅速，主动旋转部件和从动旋转部件之问的力矩传递也 更加完全。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，由于磁粉制动嚣的主动部分是做高速运转的，必将产生很大的热量， 因而要求磁粉要有较好的耐热性和_ | 磨性能。 31 2 磁粉制动器的典型分类 磁粉制动器的结构大致可以按照供电方式气隙形式和励磁线圈的位置来进行 分类。 其中按照供电方式柬分类是基本的分类方法，可以分成线圈回转型和线圈静 止型两类。线圈回转型是用电刷、集电环方式来供电的。这种结构不适宜使用于 周围有油或者水的工作环境中。由于主动部分转动惯量大，起惯性飞轮作用，而 从动部分转动惯量很小，快速性能好。它的主动、支撑、从动三部分同轴套装， 结构紧凑。磁路部分因为没有工作间隙，所以体积小重量轻，用料省，装卸磁 粉方便。其工作间隙部分和线圈都接近壳体表面，而壳体一直旋转，所以对散热 有利。此类砒粉制动器一般应用于航空工业中。线圈静止型磁粉制动器一般广泛 应用于工业中，它通过接线柱直接通电，供电可靠。线圈在外部固定，容易实现 山东轻工业学院硕士学位论文 强迫通风，水冷，油冷。它的转动惯量一般比较大，转动性能差，工作间隙在其 内部，所以散热性能不好。线圈静止型的优点就是供电方式简单，虽然其他方面 还存在一些缺点，但考虑周围环境条件因数，目前绝大多数还是采用线圈静止型 结构。 按照粉末气隙形式分，可以分为单隙式和复隙式两种。单隙式结构简单，目 前的产品几乎全部都是这一种，这种方式也有上述线圈回转型和线圈静止型两种。 复隙式离合器是有双层粉末气隙的结构，相当于多片型摩擦离合器。复隙式的特 点就是能以较小的外形尺寸获得较大的传递力矩，并且可以使输出轴的惯性力矩 设计得小一些，提高制动器的反应快速性。 按照励磁线圈的位置分类，磁粉制动器又可以分为外置线圈型、内置线圈型 和侧置线圈型三种。 3 1 3 磁粉制动器的电气工作特性 为了进一步的掌握和了解磁粉制动器的特性，很有必要就磁粉制动器的电气 工作特性【2 2 乃】展开一定的讨论。 ( 1 ) 转矩和激励电流的关系 磁粉制动器转矩和激励电流的关系一般都称作为静特性。它是磁粉制动器主 动端转速n 恒定，从动端制动时，磁粉制动器的激励电流和输出转矩之间的关系。 当磁粉制动器激励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瓦。当磁粉线圈通以激励电流，这就 在主动部件和静止部件之间很快的形成一种磁的藕合，因而产生转矩。其转矩电 流特性曲线如图3 2 所示。 t h t l 1 r o 非线性段线性段饱和段 图3 2 磁粉制动器的电流转矩曲线 第3 章磁粉制动器和可编程逻辑控制器 从图3 2 中，我们可以看到，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。非线性段就是前述的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，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，由于此区间的转矩和激励电流近似的成线性关系，利用 此特性就可以控制电流来控制转矩，其调节范围较宽，因而很容易应用于工业控 a t 制当中，由图中，我们可以看到线性区间的斜率k = _ a i 。饱和段的出现是由于当 刖 激励电流施加过大的时候，激励电流i j 。时，可以看到磁粉制动器力矩的输出不 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饱和段：当激 励电流下降的时候，转矩则沿着略高于初始上升曲线的另一条曲线下降，这是由 于导磁材料有剩磁和磁滞特性引起的缘故。 ( 2 ) 滑差工作特性 如图3 3 所示，当激励电流i 为某一常数的时候，在一定范围之内，制动器的 转矩基本上与滑差的转速n 无关。这就是制动器的恒转矩特性。磁粉制动器在滑 差运行中，扭矩主要是靠磁粉之间的摩擦力所产生的剪切力来传递的。 滑差工作状态是应用最多的一种特性，由滑差我们也可以设想到磁粉制动器 另外两种工作形式，即“同步 工作状态和“全滑差工作状态。 图3 3 磁粉制动器的力矩一滑差特性 n 所谓的“同步”就是指当磁粉制动器的激励电流到达足够大数值的时候，其 主动件和从动件通过强大的磁链紧密结合在一起，从而转动的时候就能够实现主 动件和从动件的同步。 当激励电流过于弱小时，磁粉制动器传递的扭矩小于负载转矩，此时即使主 动件高速转动，从动件转速为零，实现“全滑差 运行。 ( 3 ) 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激励电流，磁通以 1 6 山东轻工业学院硕士学位论文 及转矩等的过渡过程。激励电流的过渡过程是由于激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。当磁粉线圈加一阶跃的电压之后，由于本身 电感的存在，激励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 般的，电流增大的越快，制动器的快速性就越好。快速上升时间t 由磁粉线圈电感 ， 量和串联电阻共同决定。并满足关系式：f = 导；磁通的过渡过程是指当激磁线圈 k 加以电流之后，在磁粉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，可以想象，磁路的过渡过程是和激励电流的过渡过程极为的相似，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。 3 1 4 优点及其应用 ( 1 ) 制动力矩控制的范围宽，线性度好，控制精度高，能较好的控制传递转矩： ( 2 ) 在某一恒定的激励电流下，具有良好的恒转矩特性，与主动旋转部件和从 动部件的转速无关； ( 3 ) 体积小，重量轻，消耗电能小，断开激励电流时的剩余力矩小，运行启动 平稳决速，无控制和运行噪音，可靠性高。 磁粉制动器由于具有了以上的优良的力矩控制特性，因而在许多的工业场合 得到应用。 磁粉制动器作为张力控制系统的执行部件。在纺织，印刷，造纸等行业中， 都需要在完成一定工序的过程中保持材料表面张力的恒定，并且要求启动平缓， 无冲击。磁粉制动器具有良好的恒转矩特性，并且磁粉制动器输出转矩与磁粉线 圈激励电流优良的线性关系，只要线性调节激励电流，便能实现对现场张力的动 态控制，并且磁粉制动器在转速很低的情况下性能也十分稳定。 磁粉制动器可作为电机启动时显著改善启动性能的速度控制部件。由于电动 机在启动惯性较大的负载的时候，需要很大的启动转矩和启动电流，并且启动时 间也比较长，一方面造成对电网的不利影响，另一方面由于启动电流过大，电机 有被烧坏的危险，因而为了缩短启动时间和延长电机的使用寿命，经常使用大容 量的电机，这不仅仅增大了设备成本，也使电机的功率因数低下，造成电能的浪 费。在实际应用中，在负载与电机之间增加一磁粉制动器。由于磁粉制动器具有 1 7 第3 章磁粉制动器和可编程逻辑控制器 良好的允许滑差功率，启动完成之后可实现主、从动部件的同步运行，无功率损 失，而且可以通过改变激励电流来调整输出转矩，从而调节启动时间。这一方法 一方面可以减少电机启动电流，减小电机容量，节约成本，另一方面也可以减少 动瞬间对电网的影响，减小了启动过程中的冲击，延长了电机的使用寿命。 磁粉制动器也可以作为过载保护的安全器件使用。当磁粉制动器激励电流一 的情况下，输出力矩与负载之间达到一定的平衡，它不向负载方面传递过高的出 力矩，也不向电机方面传递异常的负载。当负载转矩小于制动器输出转矩时，实 现同步运行，当负载转矩大于制动器转矩时，磁粉制动器的转速呈现滑差特性， 自然的吸收过载功率，实现保护现场机械的功能。 此外，磁粉制动器在速度和位罱控制系统中也得到广泛的应用。 3 2 可编程逻辑控制器( p l c ) 可编程逻辑控制器 2 4 , 2 5 i p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是本系统设计的 控制核心，是模糊p i d 控制算法的实现载体，是系统运转的主控单元，p l c 的正 确选择与使用直接关系到系统的功能和性能，本章介绍p l c 的工作原理和特点， 以及本系统选用的s i e m e n s 公司的s 7 2 2 6p l c 的性能。 3 2 1p l c 的定义及结构 可编程控制器是6 0 年代末在美国首先出现，可编程序控制器( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) 是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期 的可编程序控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装 置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程序控 制器，简称p c 。但是为了避免与个人计算机( p e r s o n a l c o m p m e r ) 的简称混淆， 所以将可编程序控制器简称p l c 。 1 9 8 7 年，国际电工委员会( i e c ) 颁布了新的p l c 标准及其标准定义：可编 程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它 采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定 时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种 类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控 制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计 算机。它具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器 产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选 用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 p l c 的型号、规格繁多，图3 4 中给出了它的基本结构框图。它主要由中央处 1 8 山东轻工业学院硕士学位论文 理单元c p u ，存储器，输入，输出等部分组成。图中，各部分之间均采用总线连 接。 图3 4p l c 的基本结构框图 3 2 2p l c 的工作原理 ( 1 ) 工作原理 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置， 但这两者的运行方式是不相同的： 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通 电或断电，该继电器所有的触点( 包括其常开或常闭触点) 在继电器控制线路的哪个 位置上都会立即同时动作。 p l c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出 线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭触点) 不 会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置 各类触点的动作时间一般在l o o m s 以上，而p l c 扫描用户程序的时间一般均小于 l o o m s ，因此，p l c 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。 这样在对于i o 响应要求不高的场合，p l c 与继电器控制装置的处理结果上就没有 什么区别了。 ( 2 ) 扫描技术 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序 执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期 间，p l c 的c p u 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 输入采样阶段 1 9 第3 章磁粉制动器和可编程逻辑控制器 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它 们存入i o 映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷 新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i o 映象区中的相应单 元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度 必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 用户程执行阶段 在用户程序执行阶段，p l c 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序( 梯 形图) 。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫