（电气工程专业论文）染整自动线张力控制系统的设计.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 在染整自动线处理工艺过程中，张力控制是一个非常关键的环 节。张力不均是造成染色不均和布匹缩水的主要原因。通过对放卷辊 和收卷辊以及中间级的控制，来保证整个工艺流程卷材的张力恒定。 本课题以常州黑牡丹集团的牛仔布染整自动线为控制对象，以设备改 造为目的，采用单片机控制技术设计了染整自动线张力控制系统，确 保自动线能达到较好的染整效果。 论文主要完成了染整自动线的张力控制器的研制。研究重点主 要放在三个方面：首先，分析了染整自动线的结构、特点以及运行特 性，根据自动线参数的变化特性，确立其结构，针对黑牡丹集团的实 际情况，提出了分段控制方法；其次，设计了以s o c 单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 作为核心的单片机系统。系统分为测控机和显示机两部分，可以实现 信号采集、数据处理、数据显示、键盘控制等功能。同时设计了上位 机软件，实现了三机通信。详细介绍了硬件电路设计和软件程序设计， 并针对系统的硬件和软件方面介绍了一些工程上实用的抗干扰措施； 最后，使用模拟生产线对系统进行仿真，并使用单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 的开发系统在实验室中对系统进行了模拟实验。在模拟负载的情况 下，控制器可以达到设计要求。 本论文将单片机引入染整自动线张力控制系统，改善了原有系 统的控制效果，并设计了以c 8 0 5 1 f 0 4 0 作为核心的张力控制器，简 化了传统控制的结构，降低了成本，为张力控制系统结构优化建立了 基础。在其他诸如：印刷、造纸等张力控制系统中均可应用，有着广 泛的应用前景。 关键词：张力张力控制器c 8 0 51 f 0 4 0 单片机磁粉制动器 i v 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i np r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fd y e i n ga n df i n i s h i n ga u t o - l i n e ，t e n s i o nc o n t r o li sa n e x t r e m e l ye s s e n t i a ll i n k u n e v e nt e n s i o ni st h ep r i m a r yc a u s eo fu n e v e nd y e i n ga n d f a b r i cs h r i n k t h r o u g hc o n t r o lo ft h ew i n d i n gr o l l e r , u n w i n d i n gr o l l e ra n dt h em i d d l e l e v e l ，c o n s t a n tt e n s i o no fe n t i r em a t e r i a li nt e c h n i c a lp r o c e s si sg u a r a n t e e d t h i s r e s e a r c hp r o g r a mt a k e sc h a n g z h o ub l a c kp e o n yg r o u p sj e a nd y e i n ga n df i n i s h i n g a u t ol i n ea ss u b j e c tt a k e st h ee q u i p m e n tt r a n s f o r m a t i o na st h e g o a l u s e st h e s i n g l e c h i pc o n t r o lt e c h n o l o g yt od e s i g ne n t i r ea u t o m a t i cl i n et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m a n dg u a r a n t e eab e r e td y e i n ga n df i n i s h i n ge f f e c t t h ep a p e rm a i n l yc o m p l e t e dt h ed e v e l o p m e n to ft e n s i o nc o n t r o l l e ro fd y e i n ga n d f i n i s h i n ga u t o l i n e e m p h a s e sa 辩m a i n l yp u to nt h r e ea s p e c t s ：f i r s t ，a n a l y z e dt h e s t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i ca n dm o v e m e n tf e a t u r e so fd y e i n ga n df i n i s h i n ga u t o - l i n e ， e s t a b l i s h i n gi t ss t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e rc h a n g ec h a r a c t e r i s t i co fa u t o l i n e p r o p o s e dt h es u b s e c t i o nc o n t r o lm e t h o di nv i e wo ft h eb l a c kp e o n yg r o u p sa c t u a l s i t u a t i o n ；n e x t ，d e s i g n e dt h es i n g l e - c h i ps y s t e mw i t hs o cs i n g l e c h i pc 8 0 5 1f 0 4 0a s t h ec o r e t h es y s t e mc o n s i s t so fo b s e r v a t i o na n dc o n t r o lm a c h i n ea n dt h e d e m o n s t r a t i o nm a c h i n e ，a n dc a na c h i e v ef u n c t i o n so f s i g n a lg a t h e r i n g ，d a t a p r o c e s s i n g , d a t ad i s p l a ya n dk e y b o a r dc o n t r o le t c s i m u l t a n e o u s l y , d e s i g n st h e u p - m o n i t o rs o f t w a r e ，r e a l i z i n gc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h r e em a c h i n e s i n t r o d u c e di n d e t a i l st h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，a n ds o m ep r a c t i c a l a n t i - j a m m i n gm e a s u r e si np r o j e c t sa i m i n ga t h a r d w a r ea n dt h es o t t w a r es y s t e m ； f i n a l l y ，u s es i m u l a t i o np r o d u c t i o n l i n et os i m u l a t et h es y s t e m ，a n du s et h e d e v e l o p m e n ts y s t e mo fs i n g l e c h i pc 8 0 5 1f 0 4 0t oc a r r yo nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i nt h el a b i nt h es i m u l a t i o nl o a d i n gs i t u a t i o n ，t h ec o n t r o l l e rm a ym e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e ds i n g l e - c h i pm a c h i n ei n t oa u t o - l i n et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ， i m p r o v i n gt h es y s t e mc o n t r o le f f e c t ，a n dd e s i g n e dt e n s i o nc o n t r o l l e rw i t hc 8 0 5 1f 0 4 0 a st h ec o r e ，r e p l a c e dt h eo r i g i n a li m p o r tp a r t ，e s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o no fd o m e s t i c p r o d u c t i o no ft e n s i o nc o n t r o ls y s t e m i no t h e rf i e l d ss u c ha sp r i n t i n g ，p a p e r m a k i n g e t c ，t e n s i o nc o n t r o ls y s t e mm a yb ea p p l i e d ，s h o w i n gt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e yw o r d ：t e n s i o n ；t e n s i o nc o n t r o l l e r ；c 8 0 51f 0 4 0s i n g l e - c h i pm a c h i n e ；m a g n e t i c p o w d e rb r a k e v 江苏大学工程硕士学位论 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容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和 汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密日。 学位论文作者签名勒军海 歹，_ 7 年厶 月土7 日 指导教师签名：菇、占吨 弘。夕年易月3 日 江苏大学工程硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用 的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 一繇粝弘 日期：矿1 年眵月厂曰 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源于一家专业纺织染整的厂家，其生产线主要用于牛仔布的染整。 与其产品配套的张力控制器无论开卷，供料还是收卷都是同本三菱( m i t s u b i s h i ) 张力控制器，不但价格昂贵，在某些方面还不能很好的满足要求。我们承担的就 是研制出一种更实用的张力控制器以替代原先采用的三菱张力控制器。 在纺织染整装置中，布匹连续展开并源源不断的进入染整装置，通过对放 卷辊和收卷辊以及中间级的控制，来保证整个工艺流程卷材的张力恒定。张力控 制的精度直接影响染整产品的成品率，因此有必要精确控制卷材张力的恒定。本 文即是针对该课题中张力控制部分进行的探讨和研究。 1 1 2 目的 本课题以在卷绕过程中放卷部分实现恒张力控制而收卷部分实现锥度张力 控制为目标，提高染整过程中的染整质量，特别对于缩水率的控制，确保染整产 品的合格与优良性。 张力控制精度对染整成品的质量有很大的影响，张力过大会造成织品的拉 伸变形：张力过小会使织品的材料的层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐， 或者处理尺寸不准等弊病，影响加工质量；张力大小不稳定会使织品跳动，导致 染整不准或色差等染整故障。因此，为了保证生产的品质、效率及可靠性，必需 要有一套功能完备的张力控制系统来引导产品加工过程。因而，收放卷作业的张 力控制，便成为通用的基础技术。张力控制的作用就是在织品处于动态处理过程 中时，使卷材保持恒定的张力，抑制外来干扰引起的张力抖动。 i i 3 研究意义 当前，我国染整产品的档次不断提高，布匹对染整机械提出了更高的要求。 江苏大学工程硕士学位论文 此时的张力控制不但用于收卷、放卷，而且也用于染整过程中，目前国内产品还 满足不了要求。染整工艺过程大卷装进、落布，前处理与染色的冷轧堆堆置反应， 卷染过程的退卷一收卷，皆需要织物平幅恒张力、恒匀带液卷装，而布轴无论退 卷或收卷，真实的卷径测量控制，是决定其工艺线速度恒定的保证；为织物平幅 恒张力、恒匀带液提供了条件。又如对丝绸等材料，要求张力小而准确，稳定性 要高，对张力控制器提出了更高的要求。 这几年，国内对张力控制系统的研究越来越多，并提出了种种问题及其解 决方案，市面上也有各种型号的张力控制器，但一般控制精度较低，功能单一， 其产品的档次仍然不能与国外的同类产品相媲美。当务之急是要吸收和借鉴r 本 及欧美国家当今最新型张力控制器的优点和设计方法，结合当前最新的研究成 果，设计出在性能和可靠性方面可以与国外同类产品相媲美的张力控制器。 在承担了这个任务后，本文开展了如下工作。 l ，首先，分析了染整自动线的结构、特点以及运行特性，根据自动线参数 的变化特性，确立其结构，针对黑牡丹集团的实际情况，提出了分段控制，集中 管理的方法。 2 ，完成了一个用于分散控制的张力控制器和磁粉离合器的稳流驱动电路。 具体体现在：完成了以c 8 0 5 1 f 0 4 0 微处理芯片为核心的张力控制器的硬件设计， 利用软件编程实现了作者的控制策略，体现了作者对数字控制系统的理解和把 握：设计了一个用于驱动磁粉离合制动器的稳流源电路，在该电路中有作者独 特的设计；实验记录和分析以及运行补偿曲线的设置等。 1 2 张力控制的常用方式 现在较为常见的传动控制方法主要有以下几种，或是几种互相结合应用： l ，机械式自动控制【l 】 用于印刷行业的机械式张力控制机构，它的工作原理是：开始印刷前，先 上好卷筒纸，经旋转张力手轮，通过螺杆作旋转调节，使上制动块和下制动块给 纸卷轴芯施以预紧制动力矩。开始印刷时，通过旋转螺母使之沿过杆作轴向移动 并压缩压簧，给钢球与撑杆以弹簧力f 。经过上述手动调节选得合适的张力后， 摆动联纸辊在弹簧力f 和纸带张力t 的共同作用下处于平衡位置上。在印刷过 2 江苏大学工程硕士学位论文 程中，如果由于机器的转速发生变化，纸卷半径的大小变化或其他原因使纸带张 力t 增大( 或减小) ，固定在摆杆上的棍就会离开平衡位置，绕其支点大联纸辊偏 转一个角度，由摆杆、速杆、连臂带动偏心轴给上制动杆一个向上( 或向下) 的力， 使作用在纸卷轴的制动力矩相应减小( 或增大) ，纸带张力t 随力矩减小( 或增大) ， 使纸张张力t 恢复到原来的大小，摆动联纸辊迅速回到原来的平衡位置，从而保 证了印刷过程中的纸带张力基本恒定。 2 ，气动式自动控制 图1 1 所示是一种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。 图1 i 种气动式张力控制装置 3 ，液压传动控制【1 1 】 液压控制技术己经相当成熟，并广泛应用于工程实际中。液压传动又分为 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。 4 ，电气自动控制 电气自动控制是目前应用较为普遍的一种。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；加工物的张力控制通过调节卷 江苏大学工程硕士学位论文 取辊所联结的直流电机，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。 5 ，磁粉离合器的传动控制【6 】 磁粉离合器用作卷绕机构的传动控制，是一种较新的控制方式，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间成链状链接，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 考第三章。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。 c 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。 1 3 张力控制系统的应用 在纱线、织物和化学纤维的加工过程中，张力也是一个重要的影响因素。 例如在化纤纺丝工艺上所需求的不同拉伸比，就需要相应的张力来实现。为了使 4 江苏大学工程硕士学位论文 织物的质量稳定，张力在整个过程中应该保持稳定，波动过大就会影响产品的质 量。若张力过大，可能造成化纤网格增大或因应力过大而降低使用寿命：若张力 过小，可能使织物过松而引起皱褶或者跑偏，大大降低了产品的质量1 2 】。 在染整行业中，张力是一个主要的影响参数。张力过大可能使布匹撕裂或 者缩水率不稳，影响产品质量，而过小则可能引起色差和材质的不均匀，降低其 质量。在染整生产过程中，稚匹的放卷和收卷是两道关键的工序，在此过程中由 于卷筒的半径在随时变化，不同半径时对张力的要求又不一样，要求内紧外松， 这给布匹在收放过程中的张力控制增添了很大的难度。布匹张力的自动控制是织 布过程、染整加工( 浸渍、涂布等) 和布匹的整饰过程( 复卷、分切等) 中必不可少 的电气自动化配备装置。长期来我国的纺织工业迅猛发展，纺织和加工设备向高 速、高质量、高效益发展。为了适应工业发展的需要，许多单位逐渐引进了国外 的一些先进技术和设备，在这些先进的织布机和染整机上均配备了布匹张力的自 动控制装置。张力自动控制可称为近代先进织布设备的特征之一。布匹的张力自 动控制直接影响着织布机的车速提高，布匹再加工的质量；能减少损纸，增加产 量；能进行合理地收卷、放卷；提高布匹的成品率及提高织布机实际运行效率； 特别是当前纺织市场竞争激烈，要提纺织机的车速，提高生产力，使用布匹张力 自动控制装置可在原来纺织机的设备情况下提高纺织机车速。在高速纺织机上， 张力自动控制的作用就更重要了，其经济效益和社会效益就更加明显 3 1 。 在纤维缠绕工艺中，缠绕张力不仅关联到树脂含量的控制，更重要的是缠 绕张力的大小、各束纤维间张力均匀性及各缠绕层间纤维张力的量级变化对制品 强度影响极大 4 1 。大量研究证明，张力选择不当或张力控制不稳定，可使纤维绕 制品的强度损失2 0 3 0 i 引。 在印染行业中，织物在印染过程中对印染机械的主要技术要求在于织物在 染料中的时间要求均等，实际上就是速度保持恒定，这样才能使织物得到相同的 印染，色泽均匀【6 l 。但由于织物在印染过程中的速度无论是采用何种方式控制， 绝大多数织物的印染速度都受到了在卷染过程中织物张力的严重影响( 速度和张 力存在耦合关系1 ，因此要对张力和速度进行联合控制。 在纸张的印刷生产过程中，张力控制系统的稳定性也影响到印刷产品的质 量，卷筒纸轮转印刷机工作时，由于纸卷的外径不断变化，同时还有纸卷不圆、 江苏大学工程硕士学位论文 纸卷重心不与旋转轴重合，或者更换纸卷，改变机器工作速度等原因，都可能引 起纸带上的张力变化，造成走纸不稳，印品皱褶、重影，甚至发生纸张断裂或堵 塞等严重问题。特别是对于高速卷筒纸胶印机，张力的波动和变化对印刷套准精 度影响更大【7 1 。所以如何使纸张在印刷过程中保持张力恒定，是设计人员的重要 课题。 在带钢轧制过程中，张力波动直接影响着成品的板形及厚度公差。因此， 生产线上突出的问题是在轧制过程中要求卷耿机的控制系统不仅在稳速轧制过 程中保持张力恒定，而且在加减速的动态过程中也应保持张力恒定【8 】。对于高精 度的冷轧机来讲，张力稳定是一个非常重要的性能指标。 近几年通迅事业迅猛发展，电信业、光电业对通迅电缆、光缆的需求不断 增加，产品的性能要求也越来越高，各个生产厂商都在不断的提高技术水平以追 赶飞速发展的i t 产业。目前城市住房小区宽带进户主要使用的4 号线和5 号线， 它们的产品性能主要是由绕线的节距决定的，而绕线节距的质量是由生产过程中 张力的稳定性控制的。传统的通讯电缆不能满足宽带网络的发展，世界各国都在 大力发展光通讯，目前我国的光纤生产远远落后于发达国家。主要是受制于光纤 预制棒的生产瓶颈上。由于在材料和张力控制技术上水平不过关，我国的主要的 光纤生产产家仍需要进口大量光纤预制棒。提高张力控制技术的要求严峻的摆在 了内资企业的面前。张力控制问题也在海底缆线的敷设过程中碰到。 、 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【9 】。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对传统的控制方法进行改进，往往能够取得立竿见影的效 果。 4 4 张力控制的发展及现状 6 江苏大学工程硕士学位论文 + 早期，由于受技术水平及设备装置的限制，大多数张力控制系统采用模拟 量控制，而控制方法也多采用电流电势复合控制。通过此种方式实现的系统，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。随着计算机技术的发展，特别是微处理器技术 的不断成熟，很多企业将数字技术引入到张力控制系统中，于是出现了模拟一数 字混合张力控制系统，采用的控制方法都是外环( 位置环或张力环) 结合速度环 和电流环，对于要求不高的系统，有时只需要外环即可。另外，随着控制理论的 不断发展，一些新的控制思想和控制手段也被引入到张力控制系统中，如最优控 制，自适应控制，鲁棒控制，神经网络控制等，这使控制系统的精度愈来愈高， 控制方式也更加灵活多变。 张力控制在国内外的应用均主要集中于纺织机械，印刷机械，轧钢机械， 拉丝机，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 i d 控制、模糊控制、鲁棒控 制、神经网络控制等等。p i d 控制是一种早期的、较基础的、也是人们所最为熟 悉的一种控制方法。常规p i d 控制器因具有原理简单、鲁棒性较强、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，但常规p i d 控制器不具备在线参数整定功能，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3 】【4 】。鲁棒控制 方法是针对当数学模型存在不确定性( 包括外部干扰和未建模动态) 时，所设计 江苏大学工程硕士学位论文 的控制器仍能使系统保持内稳定性和理想的性能要求，在一定程度上弥补了现代 控制理论对数学模型依赖过高的缺陷，使系统的抗干扰能力大大提高【1 2 1 ；最近有 人在实际张力控制过程中采用了一种新型的两自由度h 鲁棒控制【1 3 】f 6 1 0 1 ，此方 法不仅可以减弱速度与张力间的耦合作用，而且能够分别实现干扰抑制和干扰跟 踪，控制精度也相当高。神经网络控制可以不依赖受控对象的数学模型，能适用 于任何不确定系统，且不需任何先验知识，也可以很好的解决由于系统参数间的 耦合性而造成系统性能不好的问题。当应用于卷绕控制系统时，用带有反向传播 训练算法的人工神经网络可以克服传统p i 控制方法的缺点，可以有效地减弱张 力控制系统中速度和张力之间的耦合作用【1 4 1 。 文献【l o 】采用了模糊控制方法，其工作原理是采用张力传感器将测得的张力 信号转换成电信号，经过a d 转换成数字量后输入计算机，与事先设定的张力 给定值进行比较，所取得的偏差e 与偏差变化率e t 再经过模糊控制器，即经过一 套模糊控制算法，获得所需的控制量u ，再经过d a 转换，控制变频器的输出 电平，以调节细纱机主电机的转速，最终达到控制纺纱张力的目的。文献【i l j 检测 的不是张力，而是整经轴直径d ，由特定的公式算出所要求的电源信号频率值， 根据此频率来控制变频器，进而调整电动机转速为恒定，从而保持纱线张力恒定。 文献【1 2 】对数十家引进的国外( 荷兰和德国) 塑料制品自动化生产线进行了分析， 虽然是八十年代末期的国外产品，但是也可从中窥探国外在张力控制方面的研究 现状，引进的生产线都是模拟控制系统，对张力控制采取的是扰动补偿控制，通 过硬件电路产生两路补偿信号，一路使卷绕过程的张力与卷径无关，另一路使收 卷过程的张力随一定的曲线衰减。文献【l3 】采用直流电机作为执行机构，在保持线 速度和其它参数不变的情况下，调节发电机的励磁电流来控制张力恒定。文献1 1 4 j 提出了一种缠绕机新型张力控制系统，是以电流变流体阻尼器作为张力执行元 件，以微机控制的数控电压源作为控制电路来控制阻尼器的制动力矩，达到控制 张力的目的，所以其“新型主要体现在执行机构方面。文献 1 5 1 介绍了四种张力 控制方法：滑擦片恒张力控制、电机电流恒张力控制、杠杆恒张力控制、动滑轮 恒张力控制，这四种方法主要体现在检测机构的不同，但是都属于线速度跟踪控 制。文献【1 6 】分析了卷绕过程中影响卷绕线速度变化的主要因素：卷径的变化和送 料线速度的变化，采用了直接张力闭环控制，将检测到的张力信号与给定张力信 8 江苏大学工程硕士学位论文 号比较后，经调节器产生脉宽调制信号来控制伺服电机的转速，以维持线速度差 恒定，从而也控制张力恒定。文献【1 7 】【1 8 1 对大卷径变化范围的卷取机采用了直接 检测卷径d 的方法，在不同d 的范围内分别使磁通及电枢电流与卷径的比值( 或 电枢电流及磁通与卷径的比值) 保持恒定，从而使卷取机张力保持恒定。文献【1 9 1 介绍了一种纯模拟实现恒张力的控制系统，计算了速度环和电流环及p i 调节器 各参数，对于实际的纯模拟张力控制系统参数的调整有一定的参考价值。文献f 2 8 l 介绍了一种纯数字张力控制系统，推导了直流电机为执行机构的系统中电流变化 应满足的数学模型，采用了速度反馈和电流反馈，反馈信号全都送入8 0 9 6 单片 机，再按照p i 调节律进行处理。文献【2 l 】介绍了一种间接张力控制系统，输入单 片机的量是直接检测到的角速度和线速度，通过相应的公式计算出卷径和张力补 偿电流，再用常规模拟调节器来实现电流和磁通控制。文献【2 2 l 利用摆杆位置对应 张力，通过控制摆杆角度来控制张力恒定，但是为了提高系统的动态性能指标和 精度，又引入了主扰动量( 线速度) 的顺馈补偿，使线速度差为恒定。文献【2 3 】 介绍了直接张力控制法和间接张力控制法相结合的一种控制方法，在系统中使用 了张力传感器，同时为了提高控制精度，在电机基速以上，采用复合控制，在基 速以下采用最大力矩控制，这样就使磁通、电枢电流与卷径的比值( 或电枢电流、 磁通与卷径的比值) 保持恒定，从而保持张力恒定。文献【2 4 】介绍了全数字控制的 几种典型张力控制方案：间接张力控制和直接张力控制，指出了卷径检测的重要 性和扰动补偿对于恒张力控制的作用，并对不同控制方案的电机选型进行了分 析。文献【2 5 】介绍了速度控制和张力控制的设计思想，速度控制是用检测术端电机 线速度来控制收卷线速度，使速度差恒定，张力控制采用的仍然是最大力矩控制 法来实现恒张力控制。文献【2 6 1 2 7 介绍了一种新型的张力控制系统，执行器件是 磁粉制动器和磁粉离合器，控制思想是通过检测角速度来计算卷径的变化，从而 来改变制动器的励磁电流，达到控制恒张力的目的，“新型 体现在执行器件上。 文献【2 副分析了国外进口压延机的电气结构和张力不稳的原因，并对其进行了改 造，用张力环代替了位置环，所采用的三环控制为张力环、r 速度环、电流环，并 取得了较好的效果。文献【2 9 】一【3 2 】介绍了最大转矩法在张力控制系统中的应用，在 电机基速以上，采用复合控制，在基速以下采用最大力矩控制，这样就使磁通、 电枢电流与卷径的比值( 或电枢电流、磁通与卷径的比值) 保持恒定，从而保持 9 江苏大学工程硕士学位论文 张力恒定。文献1 3 3 】对1 7 6 0 型造纸机进行了分析，并介绍了速度环的p i 调节器参 数整定的依据，对系统设计有一定的参考价值。文献【7 儿”】介绍了以磁粉制动器为 执行器件的张力控制系统，【3 4 】给出了磁粉制动器的励磁电流公式。文献【4 】介绍了 模糊自整定p i d 在张力控制系统中的应用，偏差e 及偏差导数e 为控制器的二维 模糊输入量，控制器输出为按照模糊推理表算出的各参数整定量，精确化后再按 照特定的公式算出p i d 各参数。文献【3 6 】介绍了以磁粉离合器和力矩电机作为执 行器件的两种张力控制系统方案，并分析了各自的优缺点。 1 5 论文章节安排 第一章绪论对课题进行概述，揭示了课题来源、意义和研究内容。对张力 控制系统的应用场合，发展及现状等进行了阐述，最后对论文的章节安排进行了 说明。 第二章对染整自动线张力控制系统方案进行论证，张力控制系统方案部分 通过分析张力的产生机理，建立了卷材张力的数学模型，指出了张力控制的方法 和影响张力变化的几个主要因素，对本文所采用的张力控制系统方案作了详细分 析。 第三章对染整自动线张力控制系统的硬件进行了设计。分别阐述了控制系 统的总体实现，各个组成环节的结构和原理，重点介绍了张力控制器、磁粉离合 器和张力检测器，并分析了它们的传递函数。考虑通常分析时一些忽略的因素重 新建立一个了一个相对精确的数学模型，提出了下一步控制策略研究的方向，并 进行了理论阐述和推导。 第四章染整自动线张力控制器的软件设计。介绍了作者研制的张力控制器 的软件。对作者的设计思路，编程的经验总结，控制策略的实践实施。 第五章进行了一些实验，对实验数据进行了分析。比较详细的阐述：对仿 真结果和实验波形也结合具体的电路进行了分析；分析和总结了运行时各种补偿 曲线的设置，用于提高控制器性能。 第六章总结与展望。对本论文进行了总结，指出了几个不足之处，并对进 一步的研究方向和张力控制的发展趋势作了进一步的展望。 l o 江苏大学工程硕士学位论文 第二章染整自动线张力控制系统方案 2 1 张力控制系统原理简介 ，在本文中我们将主要研究如何更加有效的对染整自动线张力进行控制。本 文所讨论的张力控制技术主要是指卷绕机构的张力控制技术，通过具体的项目染 整自动线的张力控制系统来说明张力控制的具体实现方法和技术特点。 无论多么复杂的系统，其张力控制原理上总是大同小异，因此可以用一个 简化的卷绕机构来说明张力控制的原理，如图2 1 所示。 lib 卷 直流 电机 图2 1 卷绕机构张力控制系统示意图 张力控制装置整体可以分为三部分：1 ) 张力速度检测装置2 ) 控制装置3 ) 执 行机构及驱动器。张力速度传感器根据不同的场合和控制要求进行选择。执行 机构又分为收卷机构和放卷机构，两者在有的系统中可以互换。控制器是系统的 控制核心，它将速度、张力等传感器采集来的信号进行处理，通过与事先给定的 控制指标进行对比，按照一定的控制策略进行数据处理，实时调整控制信号，通 过放大环节来控制执行机构，最终完成对张力和速度的调整。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，以及其他的如杠杆摇摆式等。 在实际生产中，实现卷绕机构的张力控制方式主要有三种： 艾b 厂 o 江苏大学工程硕士学位论文 1 ，采用张力传感器直接测量加工物的张力，构成张力闭坏，或者直接检测 加工物的线速度，构成线速度闭环。称为直接法： 2 ，由于引起张力f 或者线速度v 变化的主要扰动量是卷径d 的变化，所 以可以采用扰动补偿控制。称为间接法： 3 ，复合控制，结合以上两种方法。 不管采用那种控制方案，都必须设置检测装置，构成控制闭环。这在实际 生产中常常带来许多困难，即使采用扰动补偿控制也是如此【1 1 】。 2 2 染整自动线张力模型 张力控制系统实质上是一种输入量按某种可调节的衰减规律而变化的特殊 的随动系统。张力的控制可以说是卷绕系统控制的核心，要实现良好的张力控制， 建立一个数学模型进行分析是必要条件。通常，我们假定卷材在传动辊上没有滑 动摩擦，只有粘滞摩擦，卷材的线速度等于胶辊的线速度。考虑两个连续胶辊， 从前一个胶辊的第一接触点到后一个胶辊的第一接触点之间的张力分布，如图 2 2 所示，该分析对放卷、收卷乃至牵入和牵出过程都是适用的 4 1 1 4 2 】。 图2 2 张力模型 由胡克定律可知，卷材内的张力t ： 丁= 竺li ( 以一k 渺 ( 2 1 ) 式中：o 是卷材的横截面积，是杨氏弹性模量，l 传动点之间的距离， v l 是卷筒l 的线速度，v 2 是卷简2 的线速度，t 是卷材传送时间，t = l v l 。应当 注意的是，弹性模量会随着温度和湿度等环境的影响而改变。 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 可见，卷材在作为张力调节对象时，是一个积分环节。在启动过程中，我 们总是控制令v 2 v l ，以使卷材内产生一定的张力，当卷材达到我们所要求的合 适张力后，应该及时调节动力机构使v 2 稳定，这样，卷材就在此张力下稳定运 行。 实际系统中，卷材上的初始张力是借由轻质浮动辊上相连的弹簧或者低摩 擦的气缸产生，如图2 3 所示： 图2 3 张力的产生 在系统运转之前通过弹簧或者气缸设定卷材上的初始张力值f ，设卷材张力 为t ，浮动辊重力为g ，气缸摩擦力为f ，系统的力平衡方程如下： f = 2 t - g f ( 2 2 ) 当系统加减速时，需要保持卷筒i 和卷筒2 的线速度相等，即v 1 - v 2 ，以 保证卷材不会在过程中由于张力过大而受损。在主电机速度v l 稳定后，通过控 制v 2 的大小使浮动辊保持在设定的初始张力位雹。当由于扰动使得卷材上的张 力产生变化时，浮动辊的力平衡被打破，张力增大时浮动辊会向上方运动，张力 减小时浮动辊会向下方运动。此时只需要保持v l 不变，调整v 2 的大小便可以调 整卷材上的张力大小。调整后的张力又反过来影响浮动辊的力平衡，直至浮动辊 返回原位，即张力为f 时位置，则张力扰动就被消除了。因此张力控制系统实际 上也是线速度跟随系统。 2 3 影响卷绕系统张力的几个因素 以染整机的染整工艺为例，只要张力控制稳定，张力变化小，染整机的染 整精度和废品率就很容易控制。因此，要想确保染整质量和效率必须配备功能完 善的张力控制系统。然而，在染整过程中，使染整机张力产生波动和变化的因素 江苏大学工程硕士学位论文 往往比较复杂，其主要影响因素大致有如下几个方面： ( 1 ) 染整机卷材在收、放卷过程中，收卷和放卷直径是不断变化的，直径的 变化必然会引起卷材张力的变化。放卷在制动力矩不变的情况下，直径减少，张 力将随之增大；而收卷则相反，如果收卷力矩不变时，随着收卷直径增大，张力 将减少。这是引起卷材张力变化的主要因素之一。 ( 2 ) 染整机各主要构件如底座、墙板、导辊等的制造精度和装配精度存在偏 差。例如底座组装的平面度和直线度，墙板与底座组装的垂直度以及各版辊、导 辊组装的水平度和它们相互之间的平行度，它们各自的跳动量偏差、质量动静平 衡偏差等等，都要求十分严格。否则卷材在版辊和众多导辊上运行时，卷材上的 张力就会随之发生微小变化，最终反映到整台设备上，导致张力产生无规律变化。 另外，染整机主传动系统中的各齿轮、减速箱应做到无间隙精密传动，确保各涂 布单元的版辊同步运转，如果染整过程中引起传动同步误差，也势必使各染整单 元的张力产生变化。 ( 3 ) 卷材材质的不均匀性。如卷材弹性模量的波动，卷材厚度沿宽度、长度 方向变化等，卷材的质量偏心，以及生产环境温度、湿度变化，都会对整机的张 力带来影响。 ( 4 ) 染整机在不停机自动接换料过程中，接料和断料都会使整机原已稳定的 张力突然产生较大变化。设备运行速度愈高，干扰就愈大。此时，张力控制系统 应当能迅速地根据卷材张力干扰情况自动地进行调整，使张力及时地恢复原来的 稳定状态。 ( 5 ) 卷材线速度的变化也对卷材张力产生影响。比如系统升速和降速过程中， 或者由于速度控制精度较差而产生的速度波动都会使卷材张力变化。 2 4 张力控制系统的控制策略 2 4 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 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 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。【4 5 】【5 6 】 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。在纺织染整行业中，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。 2 4 2 张力控制系统的特点 纺织染整行业中，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。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