（检测技术与自动化装置专业论文）钢带缠绕系统张力检测与控制研究.pdf

r e s e a r c ho ft e n s i o nd e t e c t i o na n dc o n t r o li nt h e s t r i pw i n d i n gs y s t e m b y z h a o h u i y u n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f h ef a n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 1 咖4舢0 7，川38舢8iiiii 哪y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：赵盘亟日期：迎! ! 簋五日圣旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：虚酝导师签名：鳢日期：至! ! ：鱼，2 ， 济南大学硕l ：学位论文 i 目录 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论l 1 1 课题研究背景和研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 钢带缠绕预应力模具研究现状2 1 2 2 常见的张力控制系统结构2 1 2 3 常用的张力控制算法6 1 3 主要研究内容8 第二章钢带缠绕控制系统1 l 2 1 钢带缠绕控制系统结构及工作原理1 l 2 1 1 钢带缠绕控制系统的结构1 1 2 1 2 钢带缠绕控制系统的工作过程1 2 2 2 钢带缠绕控制系统数学建模1 3 2 2 1 张力产生原理1 3 2 2 2 钢带缠绕控制系统收卷侧数学建模1 5 2 2 3 钢带缠绕控制系统放卷侧数学建模1 7 2 3 钢带缠绕控制系统驱动设备的选型和计算1 8 2 3 1 收卷侧驱动设备选型1 9 2 3 2 放卷侧主要参数计算1 9 2 4 本章小结2 0 第三章模糊控制在钢带缠绕控制系统中的应用2 1 3 1 模糊控制原理2 1 3 1 1 模糊控制的基本原理2 1 3 1 2 模糊控制的基本构成2 2 3 1 3 模糊p i d 控制器的设计原理2 4 3 2 钢带缠绕控制系统控制策略2 6 3 3 收卷侧的恒线速度控制2 8 钢带缠绕系统张力柃测j 控制研究 3 3 1 恒线速度常规p i 控制策略2 8 3 3 2 恒线速度模糊p i 控制策略3 2 3 4 放卷侧的变张力控制3 5 3 4 1 常规p i d 张力控制策略3 5 3 4 2 带补偿的张力控制策略4 0 3 4 3 带补偿的张力模糊p i 控制4 3 3 5 本章小结4 5 第四章钢带缠绕控制系统硬件及软件设计4 7 4 1 钢带缠绕控制系统硬件设计4 7 4 1 1 控制器的选择4 7 4 1 2 传感器的选择和接线4 7 4 1 3 伺服变频及控制柜信号接线5 0 4 2 钢带缠绕控制系统监控与管理软件的设计5 2 4 3 信号的抗干扰处理5 4 4 3 1 硬件抗干扰措施5 4 4 3 2 软件抗干扰措施一5 5 4 4 本章小结5 7 第五章结论5 9 参考文献6 1 致谢6 5 附录6 7 n 济南人学硕f j 学位论丈 摘要 钢带缠绕预应力模具作为一种新型模具，它具有使用寿命长、制造周期短、 制造成本低、承载能力高等优点，成为模具的重要发展方向。在钢带缠绕预应力 模具的制造过程中，缠绕张力和缠绕速度的控制至关重要。由于钢带缠绕控制系 统是一个多变量、非线性、多干扰的复杂系统，且缠绕张力和缠绕速度之间存在 着强耦合关系，常规p i d 控制策略难以实现缠绕张力和缠绕速度的高精度控制， 严重的影响到缠绕预应力模具的使用寿命和应用强度。因此，如何解决钢带缠绕 控制系统中存在的问题，实现张力和速度的高精度控制，保证缠绕过程平稳、快 速、有效的进行具有重要的理论意义和应用价值。 本论文依托国家自然科学基金项目“钢带缠绕预应力模具变张力设计理论与 实验研究 ( 项目编号：5 0 8 7 5 11 1 ) 。通过大量阅读国内外相关文献，在分析研 究了钢带缠绕控制系统的运动模型的基础上，建立了钢带缠绕控制系统的数学模 型。针对钢带缠绕控制系统中恒速度控制和变张力控制中存在的问题，分别提出 了收卷侧的恒线速度模糊p i 控制策略和放卷侧的变张力带补偿模糊p i 控制策 略，并进行了仿真研究。建立了双电机模式的钢带缠绕控制系统装置，并设计了 钢带缠绕控制系统的监控与管理软件。 在研究了缠绕预应力模具制造工艺的基础上，分析设计了钢带缠绕控制系统 的主要结构和系统的工作过程。进行了钢带缠绕控制系统中收卷侧、放卷侧和张 力检测机构主要部件的动力学分析，建立了钢带缠绕控制系统的数学模型。 针对常规p i 控制器无法实现钢带缠绕控制系统中速度的精确控制问题，应 用模糊理论，设计了模糊p i 速度控制器。基于m a t l a b s i m u l i n k 建立了钢带缠 绕控制系统收卷侧的恒线速度控制的仿真模型。通过仿真研究，分别对比了模糊 p i 控制器和常规p i 控制器的控制性能。研究结果表明，模糊p i 控制下的恒线 速度控制系统具有更高的稳定性和抗干扰能力。 为了解决钢带缠绕控制系统放卷侧的变张力控制中存在张力抖动和静态误 差等问题，提高张力控制精度，应用前馈补偿原理和模糊控制原理，设计了张力 控制器。在m a t l a b s i m u li n k 中建立了钢带缠绕控制系统整体的仿真模型。在仿 真中，分别探讨了传统p i d 控制算法、引入前馈补偿的控制算法和带补偿的模糊 p i 控制算法的控制性能。仿真结果表明，补偿控制对减小张力抖动效果显著， i 钢带缛绕系统张力榆测卜j 捧制研究 同时模糊p i 张力控制器能有效地提高张力控制的快速性和控制精度。 本论文着重研究了钢带缠绕控制系统中恒线速度控制和变张力控制的控制 策略，为解决钢带缠绕控制系统的控制问题提供了一定的理论依据和应用基础。 关键词：钢带缠绕控制系统；模糊p i 控制；变张力控制；前馈补偿控制 i v 济南大学硕l ：学位论文 a b s t r a c t t h es t r i pw i n d i n gp r e s t r e s s e dd i e sh a sl o n g e rl i f e ，s h o r t e rm a n u f a c t u r i n gc y c l e ， l o w e rm a n u f a c t u r i n gc o s ta n dh i g h e rc a r r y i n g c a p a c i t yt h a nt r a d i t i o n a ld i e s ，a n d b e c o m ea ni m p o r t a n td e v e l o p m e n to ft h ed i e s t h ew i n d i n gt e n s i o nc o n t r o la n dt h e w i n d i n gs p e e dc o n t r o la r ee s s e n t i a li nt h e m a n u f a c t u r eo ft h es t r i pw i n d i n g p r e s t r e s s e d d i e s b e c a u s et h es t r i pw i n d i n gc o n t r o ls y s t e mi sam u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a r , m u l t i c o m p l e xs y s t e ma n dt h e r ei sas t r o n gc o u p l i n gb e t w e e nt e n s i o na n ds p e e d ，i ti s d i f f i c u l tf o rc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e rt oa c h i e v e h i g h p r e c i s i o n c o n t r o l p e r f o r m a n c e ，w h i c hi ss e r i o u s l ya f f e c t i n gt h el i f ea n ds t r e n g t ho ft h es t r i pw i n d i n g p r e s t r e s s e dd i e s t h e r e f o r e ，h o wt os o l v et h ep r o b l e mi ns t r i pw i n d i n g c o n t r o ls y s t e m ， t oe n s u r et h es t a b i l i t y , r a p i d i t ya n dp r e c i s i o no ft h ew i n d i n gp r o c e s s ，h a sg r e a t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e s t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n - - s t u d yo fd e s i g no f v a r y i n gt e n s i o no fs t e e ls t r i pp r e s t r e s s e dd i e s i nt h e o r y a n de x p e r i m e n t ( n o 5 0 8 7 5 111 ) b ya n a l y z e dt h em o v e m e n to ft h es t r i pw i n d i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mi ss e tu p f o rt h ep r o b l e mo ft e n s i o na n ds p e e d c o n t r o li ns t r i pw i n d i n gs y s t e m ，c o n s t a n tl i n e a rs p e e df u z z yp ic o n t r o ls t r a t e g ya n d v a r i a b l et e n s i o nf u z z yp ic o n t r o ls t r a t e g yw i t hj i t t e rc o m p e n s a t i o na r es t u d i e d t h e f e a s i b i l i t yi s v e r i f i e db ys i m u l a t i o n s m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts o f t w a r ei s d e s i g n e df o rt h es t r i pw i n d i n gc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h es t u d yo ft h ew i n d i n gp r e s t r e s s e dd i em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h e m a i ns t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h es t r i pw i n d i n gc o n t r o ls y s t e ma r e a n a l y z e da n dd e s i g n e d t h em a i nc o m p o n e n t so ft h es t r i pw i n d i n gc o n t r o ls y s t e ma r e a n a l y z e d ， s u c ha s w i n d i n gs u b s y s t e m ，u n w i n d i n gs u b s y s t e m ，t e n s i o nt e s t i n g o r g a n i z a t i o n s ，a n ds oo n t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es t r i pw i n d i n gc o n t r o l s y s t e mi se s t a b l i s h e d b e c a u s et h ec o n s t a n tl i n e a rs p e e dc o n t r o ls y s t e mu n d e rc o n v e n t i o n a lp i c o n t r o l l e rc a nn o tm e e tt h eh i g hp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t ，t h ef u z z yp is p e e dc o n t r o l l e r i sd e s i g n e db a s e do nf u z z yt h e o r y i nm a t l a b s i m u l i n l qt h es i m u l a t i o nm o d e lo f w i n d i n gs u b s y s t e mi sb u i l t ，a n dt h ec o n s t a n tl i n e a rs p e e dc o n t r o lp e r f o r m a n c eo f f u z z yp ic o n t r o l l e ra n dc o n v e n t i o n a lp ic o n t r o l l e ri sc o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a t v 钢带缠绕系统张力枪测j 控制研究 t h eb e t t e rs t a b i l i t ya n da n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t yc a nb eo b t a i n e di nc o n s t a n tl i n e a r s p e e dc o n t r o ls y s t e mb yf u z z yp ic o n t r o l l e r b e c a u s et h e r ea r em a n yd i s t u r b a n c e s ，p a r a m e t e ru n c e r t a i n t ya n dt e n s i o nj i t t e ri n v a r i a b l et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h ej i t t e rc o m p e n s a t i o ns t r a t e g ya n df u z z yp it e n s i o n c o n t r o ls t r a t e g ya r ep r o p o s e d i nm a t l a b s i m u l i n k ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ew h o l e s y s t e mi sb u i l t t h e nt h et e n s i o nc o n t r o lp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n c ec o n t r o l l e ri s c o m p a r e di ns i m u l a t i o ns u c ha st h et r a d i t i o n a lp i dt e n s i o nc o n t r o l l e r , f e e df o r w a r d j i t t e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e ra n df u z z yp it e n s i o nc o n t r o l l e rw i t hj i t t e rc o m p e n s a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tf e e df o r w a r dc o m p e n s a t i o nc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h et e n s i o n j i t t e r a tt h es a m et i m e ，f u z z yp ic o n t r o l l e rc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h er a p i d i t ya n d p r e c i s i o no f t h et e n s i o nc o n t r 0 1 t h i ss t u d yf o c u s e so nt h ec o n s t a n tl i n e a rs p e e dc o n t r o ls t r a t e g ya n dv a r i a b l e t e n s i o nc o n t r o ls t r a t e g yo ft h es t r i pw i n d i n gc o n t r o ls y s t e m i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a l b a s i sa n da p p l i c a t i o nb a s et os o l v et h ep r o b l e mo ft h er e a lw i n d i n gc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：s t r i pw i n d i n gc o n t r o ls y s t e m ；f u z z yp ic o n t r o l ；v a r i a b l et e n s i o n c o n t r o l ；f e e df o r w a r dc o m p e n s a t i o nc o n t r o l v i 济南大学硕l j 学位论文 第一章绪论弟一早三否 i 匕 1 1 课题研究背景和研究意义 缠绕张力控制系统在很多行业都有广泛应用，按被缠绕品的不同可分为钢丝 缠绕、钢带缠绕、造纸缠绕、纤维缠绕、布带缠绕、复合材料缠绕等。由于应用 场合的不同及缠绕张力和缠绕精度的要求不同，他们有不同的缠绕机构和不同的 控制策略，但缠绕张力的控制都是至关重要耐嵋】。 本课题研究的钢带缠绕控制系统主要是应用于钢带缠绕预应力模具的制造。 钢带缠绕预应力模具是一种新型模具。该种缠绕预应力模具的特点是，以一定的 张力值将高强度薄钢带缠绕到模具表面为模具提供径向预紧力。该径向预紧力与 工作应力相反，可抵消大部分的工作应力，从而提高模具的承载能力。理论分析 表明，钢带缠绕预应力模具具有使用寿命长、制造周期短、制造成本低、承载能 力高等优点【3 4 】。因此，研究和设计制造钢带缠绕预应力模具的装置具有很高的 理论意义和应用价值。 在钢带缠绕控制系统中，钢带缠绕的张力和速度是直接影响到缠绕模具使用 寿命和性能的关键因素。如果缠绕张力达不到期望张力值，那么缠绕预应力模具 就得不到期望的预紧力，缠绕预应力模具的质量就会大打折扣。缠绕速度同样也 要精确控制，缠绕速度的快慢直接影响到产品的生产效率。如果速度过快可能引 起张力波动、张力分布不均等不良现象，模具的品质将受到直接影响【5 1 。但是钢 带缠绕控制系统本身是一个多变量、多干扰、强耦合的非线性系统，张力控制和 速度控制之间存在的强耦合关系给张力和速度的精确控制带来了挑战。因此，为 了使模具得到更好的预应力分布，如何实现钢带缠绕控制系统中缠绕张力和缠绕 速度的精确控制成为最为关键的问题。 本课题来源于国家自然科学基金项目“钢带缠绕预应力模具变张力设计理论 与实验研究”( 项目编号：5 0 8 7 5 1 1 1 ) 。着重研究钢带缠绕控制系统中张力和速度 的检测方法和控制策略。在阅读和分析国内外大量相关文献的基础上，为提高钢 带缠绕控制系统的控制精度，进一步分析研究钢带缠绕控制系统缠绕张力和缠绕 速度的控制策略。利用力控软件为钢带缠绕控制系统建立完善的监控与管理软 件，为今后钢带缠绕控制系统的实验研究打下基础。因此，本课题具有重要的理 论意义和应用价值。 钢雨缉绕糸统张力榆测勺捧制f i j 冗 1 2 国内外研究现状 1 2 1 钢带缠绕预应力模具研究现状 缠绕预应力模具的研究开始于上个世纪4 0 年代。国外的研究主要集中在丹 麦、瑞典等国家【6 一。7 0 年代中期，丹麦成功地将钢带缠绕预应力模具应用到冷 锻件的工业化生产当中。丹麦d a n f o s sa s 公司申请了可用于超硬材料合成的钢 带缠绕式两面顶模具的世界专利w o0 1 5 2 9 7 7a 1 和w o0 1 3 6 0 8 0a 1 8 - 1 0 。但由 于涉及到企业的经济利益，很少有涉及关键技术的文献公开发表。我国开展预应 力缠绕技术的研究主要是针对钢丝的预应力缠绕。2 0 世纪7 0 年代为了提高重型 装备的可制造性，人们将重型机械中的超大零件分成若干中小结构分开制造，再 利用钢丝预应力缠绕技术，将其组装成整体件。此时，钢丝预应力缠绕技术得到 了飞跃发展和广泛应用【】。在理论上，清华大学颜永年等人详细阐述了预应力缠 绕过程中的等切应力缠绕、等剪应力缠绕和等张力缠绕的特点，并分别进行了钢 丝缠绕张力公式的推掣1 2 d 4 l 。在实践中，钢丝缠绕技术已成功应用于多种静压机、 成型机和锻压机等大型设备的制造当中。但对钢带缠绕技术的研究目前还处于理 论研究阶段，在应用方面还处于空白状态。在文献 1 5 】中，朱国辉等人对预应力 钢带缠绕压力容器的设计进行了理论研究，提出了低应力内筒设计方法，并推导 出扁平绕带式压力容器缠绕钢带所需的预拉应力公式。在文献 1 6 和文献【1 7 】中， 来小丽等人为预应力钢带缠绕模具建立了最优缠绕模型，并推导出刚带缠绕时所 需张力值的计算公式。 由于有关预应力模具钢带缠绕装置制造工艺的资料很少，所以只能从相关领 域出发进行研究。钢带缠绕控制系统属于张力控制系统范畴，虽与一般的张力控 制系统有很大不同，但张力的产生和张力的控制原理是一样的。因此本论文从相 关领域出发，探讨常见的张力控制系统结构和常用的张力控制算法。其中张力控 制系统结构又从张力控制实现机构的种类、张力控制常用控制策略和常用张力检 测方法这三方面进行综述。 1 2 2 常见的张力控制系统结构 张力控制的应用非常广泛，主要集中在与缠绕有关的工业生产或设备中，例 如纺织、造纸、轧钢及各种缠绕机等。张力控制的精确度至关重要，它直接影响 缠绕品的质量和使用寿命。在复合材料的缠绕工艺中，如果张力控制的不恰当或 2 济南大学形! 。学位论文 者张力值不稳定，可能会使复合缠绕材料的强度下降2 0 - - 3 0 。如果张力得到 了很好的控制，就可以使纤维树脂在模芯上按规定的线形排列，提高纤维树脂复 合材料的强度1 8 , 1 9 1 。印刷行业对卷材张力控制精度的要求更高，例如在薄膜套色 印刷过程中，为保证套印过程的平稳度和印刷制品的精准度，必须保证卷材进入 印刷装置时张力稳定。一般印刷所用卷材是纸类或薄膜，张力过大会使卷材变形， 甚至崩断，严重影响印品质量；张力过小同样会产生印品处理尺寸不准、收卷不 齐等不良后果；张力控制的稳定程度也至关重要，如果在印刷过程中存在张力抖 动现象，会造成卷材的跳动，从而导致印刷不准确、重影等印刷故障2 毗2 1 。由此 足见张力控制的重要性。因此，为了保证产品的品质及生产的效率和可靠性，就 必须提高张力的控制精度。由于不同张力控制系统的应用场合不同及期望张力和 期望控制精度不同，所以他们有不同的缠绕机构、缠绕张力控制策略和张力检测 方法。 ( 1 ) 张力控制系统结构的种类 在上个世纪八十年代以前，卷取张力的控制系统一般采用模拟器件。这种控 制系统的控制精度不高，且成本昂贵。进入九十年代后，+ 随着机电制造技术、电 力电子技术及自动化检测技术的发展，出现了以数字控制器为核心的专用张力控 制设备。从收集的资料来看，常见的张力控制设备主要分为两种，一是以磁粉离 合器n 动器为基础的张力控制设备，一是以变频器带动的交流电机为基础的张 力控制设备。 以磁粉离合器制动器为基础的张力控制设备是利用磁粉离合器n 动器的励 磁电流和输出转矩的近似线性关系，通过调节磁粉离合器的励磁电流，控制离合 器的输出转矩，最终达到控制卷取张力的目的【2 3 】。磁粉离合器制动器具有寿命 长、耐高温、转矩控制精度高等优点，但由于受到输出转矩大小的限制，磁粉离 合器n 动器主要应用在小张力控制中，如纺织、印刷、造纸、线缆、金属加工 等行业1 2 4 1 。主要代表产品有w a r n e r 公司的张力控制系统、n i r e c o 公司的卷 材张力控制系统、三菱公司的张力控制系统、台湾苏莹( s u i n g ) 磁粉离合器和制 动器、上海佐林张力控制系统、海安宏福的张力控制系统等。 以变频器带动的交流电机为基础的张力控制系统是通过精确控制变频电机 的转速来达到控制卷取张力的目的。主要特点是采用专用的张力控制板来完成张 力控制所需的卷径计算、动态惯性转矩补偿、张力控制算法等功能，通过控制变 3 钢带缏绕系统张力榆测勺捧制研冗 频器的输出转速来实现张力控制。其主要代表产品有s i e m e n s 公司的t 4 0 0 张 力控制板及相应变频器、艾默生t d 3 3 0 0 系列张力控制专用变频器等【2 5 - 2 7 】。另外， 伺服电机因其控制精度高，在张力控制系统中也有广泛应用。 ( 2 ) 常用的张力控制策略 常用的张力控制策略有两种，即张力开环控制和张力闭环控制。目前在很多 生产线上，由于张力控制精度要求不高或由于生产环境和生产成本的限制，采用 张力开环控制的还很多。张力开环控制无需张力传感器，但一般会含有其他量的 检测，如电流、转速、卷径等。利用电机某些参量与卷材张力的关系，通过某些 电机参量的闭环控制，来达到近似恒张力控制的目的。这种控制方式又称为张力 的间接闭环控制，常用方法有电流电势复合控制方式、最大力矩控制方式、卷径 控制方式等【2 8 , 2 9 1 。间接控制中可能涉及到的检测量一般包括收卷辊、放卷辊、张 力辊等棍子的转速检测和卷径检测，驱动电机的电枢电流检测等。转速检测一般 通过编码器实现。卷径检测一般通过简单的半径检测装置或直接通过转速估计得 到【3 0 1 。间接控制方式的优点是节约成本，可实现近似恒张力控制。缺点是控制 系统过于复杂，控制精度没有张力闭环的控制精度高且无法实现变张力控制。 随着对缠绕制品的质量要求越来越高，很多缠绕设备开始采用张力闭环控制 来提高张力控制精度，即直接用张力传感器实时检测张力值，从而构成张力闭环 控制。比如印刷机常使用由气缸控制的摆辊式张力检测装置构成张力闭环控制结 构【3 1 】；布带缠绕机、纤维缠绕机常使用压力传感器来检测张力值，利用张力闭环 控制策略提高系统控制精度【3 2 】。由于钢带缠绕控制系统要求的控制精度比较高， 且要求变张力控制，所以我们选用直接张力闭环控制策略。 ( 3 ) 常用的张力检测方法 在直接张力闭环控制系统中张力检测至关重要，其检测精度直接影响到系统 的控制精度。缠绕张力的检测原理一般是基于三点弯曲法，将张力转化为压力或 弹簧的弹力等，再由相应的传感器检测。常见的张力检测器件有摆滚式张力计、 浮动辊式张力计、压力式张力传感器。 摆滚式张力计和浮动辊式张力计一般用于恒张力控制，它们均有调节张力的 作用。由气缸控制的摆辊式张力计的检测原理如图1 1 所示。图中导向辊l 和2 是固定辊，摆动辊3 受到自身重力、气缸作用力和卷材张力的作用，可上下摆动。 当卷材张力发生变化时，摆动辊3 通过摆杆联动齿轮的中心摆动，将张力变化反 4 济南大学硕f 学位论文 映到电位器上。在摆动辊3 的摆动过程中，卷材张力得到调节。因此摆滚式张力 计对张力扰动有一定的补偿作用。 图1 1 摆滚式张力计检测原理图 摆滚式张力计是利用杠杆原理将张力变化反映到电位器上，而浮动辊式张力 计则是将张力变化转化成弹簧的弹力3 3 1 。其检测原理图如图1 2 所示。这两种检 测方法均利用摆辊的上下摆动对张力扰动有一定的补偿作用，但由于检测中需要 摆辊、摆杆、气缸或弹簧等装置，限制了张力的检测范围。因此这两种张力检测 方式只适用于低成本的小张力检测。 图1 2 浮动辊式张力计检测原理图 压力式张力传感器的检测原理图如图1 3 所示，图中所有的导向辊都是固定 辊。张力检测是利用三点弯曲法将卷材张力变为作用在导辊3 上的压力，然后直 接用压力传感器测量导辊轴3 所受的压力即可得到卷材的张力值3 4 1 。 图1 3 压力式张力传感器检测原理图 5 钢带缛绕系统张力枪测，了摔制研究 压力式张力传感器由于其结构简单，易于安装，具有通用性，所以在很多领 域都得到广泛应用。这种张力传感器的种类很多，根据其外形和安放位置的不同 可为悬臂式、圆饼式、圆筒式、轴台式等。根据其检测原理的不同又分为应变片 式、压电磁式等。当被测卷材是比较宽的带状物的时候，为使张力检测更精确， 一般会采用两个张力传感器，分别安装在受力辊的两边。 1 2 3 常用的张力控制算法 ( 1 ) p i d 控制算法 p i d 控制算法是过程控制中最常见、最成熟的自动控制算法。它具有结构简 单、易于实现、稳定性强等优势，对一阶对象模型和二阶对象模型具有最优调节 结构的特点。但是p i d 控制对被控对象的数学模型依赖性很强，当被控系统发生 变化时，控制效果会变差。因此常规p i d 控制器不适合非线性、强耦合、多变量 的时变系统。而张力控制系统就是一个时变的复杂系统，系统中不仅存在卷径等 内外在干扰，且张力和速度之间存在着强耦合，很难建立精确的数学模型。因此 常规p i d 调节难以实现精确的张力控制，所以在很多张力控制系统中都采用改进 的p i d 控制器作为张力控制器。例如文献【3 5 】利用前馈补偿原理设计了解耦控制 器，有效的抑制了强耦合系统的相互干扰，提高了系统的动态稳定性，成功实现 了电机的转矩控制和调速控制的分别控制。文献 3 6 】针对传统p i d 控制算法在张 力控制时造成控制器积分积累并导致系统被控量超调甚至震荡的问题，提出了采 用积分分离p i d 的控制算法，有效地减小了累积误差，抑制了超调量，提高了系 统控制性能。 ( 2 ) 模糊控制 模糊( f u z z y ) 控制是利用模糊数学的理论，把专家的经验知识或操作人员 的操作模式，整理为“i f 一，t h e n 的计算机语句，让计算机代替人进行实时 操作。模糊控制的核心就是模糊规则，规则的正确度决定了控制器的性能。它的 特点是不依赖于被控对象的数学模型，适用于具有时变、不确定和非线性的复杂 系统【3 7 ，3 8 1 。在文献中常见的模糊控制策略多是和p i d 控制复合使用的。这样不仅 发挥了模糊控制抗干扰能力强、反应快等优点，又吸取了p i d 控制稳定性强、无 静差等优势。如f u z z yp i d 控制器是利用模糊规则依照偏差值和偏差变化率来实 时调整p i d 的三个参数比例岛、积分墨、微分杨的值，其目的是实现变p i d 的 6 济南大学i 面! 卜学位论文 控制器。它的特点是当被控对象是多变的、非线性时，能自动改变p i d 的参数值， 实现高精度控制。文献 3 9 1 将f u z z yp i d 控制策略应用到热轧钢的张力控制中， 文献 4 0 贝j j 将f u z z yp i d 控制应用到回转式磁流变液阻尼器的张力控制中，研究 结果表明，和常规p i d 控制相比，模糊p i d 控制可使张力控制系统取得更好的 控制性能。f u z z y - p i d 控制器则是采用模糊控制器和p i d 控制器相互切换的方式 来控制被控量。它的特点是两控制器切换使用，在误差大时充分发挥模糊控制的 快速性，在误差小时充分发挥p i d 控制的稳定性。文献【4 1 】针对钢带缠绕控制系 统放卷侧负性负载环境的特点，将f u z z y p i 控制应用于放卷侧的速度控制中， 并取得了不错的仿真效果。 ( 3 ) 鲁棒控制 鲁棒控制在一定程度上弥补了现代控制理论对被控对象数学模型过高依赖 的缺陷，使系统输出对外界干扰敏感度降低，能有效提高系统的抗干扰能力。实 践证明鲁棒控制能够减弱张力控制系统中张力和速度的强耦合关系【4 2 埘】。例如文 献 4 5 】针对凹印机的特点，提出了基于h o o 的鲁棒控制的张力控制方法并进行了 仿真研究，研究结果表明，基于h o o 的鲁棒控制比传统p i d 控制不仅可以减弱速 度与张力间的耦合，而且使张力控制系统具有更好的稳定性和快速性。文献 4 6 】 提出了三种鲁棒控制方法，即最优鲁棒控制方法、h o o 矩阵模型匹配设计法和加 权灵敏度设计法，并在四机架冷连轧机张力控制系统中进行了仿真对比分析。文 献1 4 7 针对切丝机张力控制系统的特点，提出了基于h g g a ( 超代遗传) 的张力自 寻优鲁棒控制算法，有效抑制了卷径等干扰量的影响，实现了张力的在线调节， 取得了良好的控制效果。 ( 4 ) 神经网络控制和遗传算法 神经网络控制从仿生学的角度出发，模拟人脑神经元系统，使机器具有类似 人脑的感知、学习和推理功能。遗传算法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的算法【4 8 1 。它和神经网络一样，不依赖被控对象的数学 模型，适用于具有时变、不确定和非线性的复杂系统，因此被广泛应用到张力控 制系统中。文献【4 9 】针对p i 控制张力系统时，系统响应时间长且张力存在较大抖 动等问题，提出了利用反向传播训练算法的人工神经网络( b p n n ) 来减小张力 和速度的交叉耦合。仿真结果表明，b p n n 克服了传统p i 控制器的缺点，削弱 了张力和速度之间的耦合。文献 5 0 】在未知数学模型的布带缠绕机张力控制系统 7 钢带缠绕系统张力柃测勺控制研究 中提出了用遗传算法来实现自整定p i d 的控制方法，并在实践中将其与试凑整定 p i d 参数的方法进行了对比实验，实验证明遗传算法整定p i d 极大地提高了p i d 参数整定精度和效率，具有较高的工程应用价值。 ( 5 ) 解耦控制 针对张力控制系统中张力和速度的强耦合关系，国内外许多学者致力于张力 控制系统的解耦控制。目前的解耦方法有极点配置方法解耦、利用补偿解耦、最 优控制解耦、神经网络解耦、h o o 鲁棒控制解耦等。如文献【5 1 】针对卷筒纸印刷机 的速度张力耦合，依据状态反馈动态解耦控制理论，进行解耦控制，取得了良 好的仿真效果。文献 5 2 提出了基于极点配置的解耦控制策略，并成功应用到平 整机的前张力、后张力和工作辊速度的解耦控制。文献 5 3 】通过对钢丝连续拉丝 机张力控制系统数学模型的分析，提出了自适应p i d 解耦控制算法，并成功应用 到直进式拉丝生产线的张力控制中。文献【5 4 】刘国海等人提出了神经网络广义逆 解耦控制策略，并将该方法成功的应用到两变频调速系统组成的张力控制系统 中。实验证明神经网络广义逆解耦控制策略可以实现多输入多输出系统的线性化 和解耦，而且可以使解耦后的单输入单输出系统具有开环稳定性。一般的，解耦 控制往往需要建立系统精确的数学模型。在此基础上利用先进控制算法寻求解耦 矩阵。解耦控制的精度完全依赖于系统数学模型的准确度，因此在复杂的张力控 制系统中实施起来比较困难。 1 3 主要研究内容 本论文以预应力模具的钢带缠绕控制系统为研究对象，着重研究钢带缠绕控 制系统中缠绕张力和缠绕速度的控制策略及相关量的检测。结合实际的钢带缠绕 控制系统，建立钢带缠绕控制系统的数学模型。钢带缠绕控制系统是一个多变量、 非线性、时变、强耦合的复杂系统，传统的p i d 控制很难达到控制要求。在控制 策略上，我们引入模糊自适应p i d 控制和补偿控制策略，提高张力和速度的控制 精度。钢带缠绕控制系统中需要检测的量有缠绕张力、辊的转速、辊的卷径等， 选择合理的检测方法，并解决各种信号的采集和后续处理问题也是系统设计的关 键点。最后要利用力控软件设计钢带缠绕控制系统的监控与管理软件，为钢带缠 绕控制系统的实验研究做准备。 本论文共分五章。第一章为绪论，详细阐述了本课题的研究背景、研究意义 8 济南大学硕f ：学 p 论文 以及目前国内外的研究现状。最后概述了本论文的主要研究内容和组成部分。 第二章首先对钢带缠绕控制系统的主要结构和工作原理进行研究，然后对钢 带缠绕控制系统中张力的产生、系统收卷侧和放卷侧的主要部件进行动力学分 析，建立钢带缠绕控制系统数学模型，并对系统中的关键器件进行选型计算。 第三章将提出钢带缠绕控制系统的控制策略，包括放卷侧的直接张力闭环控 制策略和收卷侧的恒线速度闭环控制策略。为研究不同控制算法的控制性能，首 先在m a t l a b s i m u l i n k 中建立钢带缠绕控制系统的仿真模型。针对收卷侧的恒线 速度控制问题，提出了模糊p i 控制方法并进行仿真研究。针对放卷侧的变张力 控制控制问题，将在仿真中分别探讨传统p i d 控制算法，引入前馈补偿的控制算 法和带补偿的模糊p i 控制算法的控制性能。 第四章首先着重研究钢带缠绕控制系统的双电机结构装置，并设计了控制器 与相关信号线的电路连接。然后设计钢带缠绕控制系统的监控与管理软件。最后 从硬件和软件两个角度研究工业控制系统中常见的信号抗干扰措施和数据处理 方法。 第五章总结本文的主要研究内容和研究成果，并对下一步的工作方向进行了 展望。 9 钢带缠绕系统张力榆测0 控制研究 1 0 济南人学硕t 学位论文 第二章钢带缠绕控制系统 本章首先将对钢带缠绕控制系统的组成结构和工作原理进行分析研究，在此 基础上，对张力产生机理、系统收卷侧和系统放卷侧的特性进行动力学分析，并 建立它们的数学模型。最后将根据钢带缠绕系统的实际需求，选择合适的驱动设 备。 2 1 钢带缠绕控制系统结构及工作原理 2 1 1 钢带缠绕控制系统的结构 钢带缠绕控制系统和大部分缠绕控制系统一样，是由收卷部分、放卷部分、 控制器、检测装置及其他附属机构组成。但由于应用场合的不同和对缠绕张力和 缠绕速度的控制精度的要求不同，所以不同的缠绕控制系统在系统结构、张力检 测的手段、张力的控制策略等方面都有很