（电力电子与电力传动专业论文）基于软计算的张力控制研究.pdf

a b s t r 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 n p r i n t i n ga n dp a c k i n gs e r v i c e t h ec o n t r o lo ft h es t a b i l i t yt e n s i o ni so n eo f t h ec r u c i a lt e c h n i q u e se n s u r i n gt h ep r o d u c tq u a l i t y t h et e n s i o nc o n t r o l s y s t e mi s an o n l i n e a rs y s t e mw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i e so fm u l t i - i n p u t ， c o u p l i n ga n dt i m ev a r i a b l e ，as a t i s f a c t o r yc o n t r o le f f e c tc a l lh a r d l yb e a t t a i n e df r o mt e n s i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g n e dw i t hc o n v e n t i o n a lc o n t r o l t h e o r y w h i l et h en e u r o f u z z yc o n t r o ls y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f a d a p t i n gt oa n yi n d e f i n i t es y s t e m ，t h et h e o r yo ft h en e u r o - f u z z yi sa p p l i e d o nt h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m i ti sa p p l i e do nt h e j o i n t i n g - p r i n t i n gt e n s i o n c o n t r o ls y s t e m a so n l yf e wr e s e a r c h e so nt h ej o i n t i n g - p r i n t i n gt e n s i o nc o n t r o l s y s t e mo f t h el a m i n a t i n gm a c h i n ea r ep u b l i s h e d ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h e c o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dd y n a m i cm o d e lo ft h e j o i n t i n g p r i n t i n gt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n dh a v ee s t a b l i s h e dt h et e n s i o n c o n t r o ls y s t e m sm o d e l s t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h et e n s i o nc o n t r o l m e t h o db a s e do ns o f tc o m p u t i n gt h e o r y ；t h es t r u c t u r eo ff u z z yn e u r a l n e t w o r ki sb u i l t ；a n di tt u n e sm e m b e r s h i pf u n c t i o n s ，r u l e sa n do p e r a t o r s t oi m p r o v ec o n t r o le f f e c t t h es i m u l a t i o no ft h r e et u n i n gs y s t e m si s c a r r i e do u t ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e da m o n gt h et u n i n g s y s t e m ，n o n - t u n i n gs y s t e ma n dp i ds y s t e m t h e r ea n a l y s e st h o s e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i th a sb e e nt e s t i f i e db yt h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt h ef i e l dp r o d u c e ， t h er e s u l t sp r o v et h a tt h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nn e u r o f u z z y c o n t r 0 1t h e o r ye f f e c t i v e l yo v e r c o m et h ed e f a u l t so ft h ec o n v e n t i o n a l c o n t r o lm e t h o da n di n c r e a s et h e r e s p o n s ev e l o c i t ya n dt h ec o n t r o l s t a b i l i t yo ft h ec o n t r o lp r e c i s i o no ft h ew h o l es y s t e m , t h er u ni s 、r e l i a b l e a n dt h ed e v i a t i o no ft e n s i o ni ss m a l l ，t h u sr e a c ht h er e q u i r e dp r o p e r t y p a r a m e t e ro f t h es y s t e m k e yw o r d ss o f tc o m p u t e r , l a m i n a t i n gm a c h i n e ，t e n s i o nc o n t r o l ， t u n i n g ，n e u r o - f u z z yc o n t r o l n 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：监) 二篁日期：兰竺旦年上月兰日作者签名：盐) 二羔日期：兰竺旦年上月兰日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：避导师签名班日期：盟年工月生日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题背景与意义 第一章绪论弟一早殖y 匕 本课题是项目组的工程应用研究课题，主要研究复合机的张力控制系统。 针对目前复合机张力控制系统大量依赖进口，价格昂贵，维护困难并且不能很好 的满足系统性能要求的现状，这里我们提出一种更适用的张力控制系统以替代原 来的控制系统。随着我国社会的不断高速发展，社会需求量持续增长，推动了印 刷包装行业向高速、精确的方向快速发展，这就对控制系统提出了更高的要求。 回顾控制技术的发展，( i e e ec o n t r o ls y s t e mm a g a z i n e ) ) 的主编h n t s a l k i s 认为，主要有三个方面需求的推动：处理不断复杂的对象的需要；完成不断复杂 的设计的需要；对过程和环境高度不确定情况下进行控制的需要。面对日益复杂 的难以描述的非线性及不确定的对象，却要追求更好的控制效果，使传统控制技 术面临挑战。 张力控制系统是烟箔复合机系统的关键环节。目前印刷包装行业发展迅猛， 而昂贵的设备以及不能令人满意的产品质量成为行业发展的制约因素。因此，在 这一背景下研究此课题具有很大意义。 基于上述情况，为进一步提高设备工作的可靠性和减轻现场操作人员的劳 动强度，提高复合机控制系统的精度，以适应现代化生产的需要，使企业在激烈 的市场竞争中立于不败之地，我们提出一种性能优良的张力控制方法。本课题主 要是以复合机联线张力控制作为主要研究对象，在对复合机联线机构的动力学模 型进行分析后，运用基于软计算的张力控制方法完成张力控制系统的设计和实 现。本课题的研究目的，主要是解决复合机贴纸铝箔的生产过程中张力控制不稳 定的难点，提高复合机的生产效率和张力的控制精度，改善设备的自动化水平， 同时降低设备的成本和维护费用，对于现场生产有极大的实际意义。 1 2 复合机生产工艺概述 我国已是目前世界上最大的香烟生产国和消鼍国。贴纸铝箔是香烟包装的 主导包装材料，约有9 0 的贴纸铝箔用于香烟包装。而国内各大卷烟生产厂家几 乎全部不同程度地进行了设备更新改造，引进了各种机型的包烟机，从而刺激和 促进了卷烟包装材料的发展。 硕士学位论文 第一章绪论 贴纸铝箔( 简称烟箔) 由铝箔和纸料贴合而成，具有高的柔软性、装饰性 和保护性。在香烟的高速包装过程中，烟箔在传送、齿剪、成型、折合过程中， 要承受快速拉、剪、弯、折等较为复杂的应力，因此，烟箔的性能必须与之相适 应。 $ l n 铝箔与衬纸的连续贴合( 也称复合) 常用方法主要有以下三种：湿法 贴合、干法贴合、热融贴合n 嘲。在国内外的烟箔生产中，湿法贴合是目前主流 方法之一。铝箔与纸的湿法贴合采用辊涂法，即把黏合剂均匀、定量地涂布在材 料上后，通过贴合辊将铝箔和衬纸贴合。 复合机( 又称贴合机) 是目前烟箔生产中一类应用很广泛的设备，系统主 要由机械设备和电气控制设备两大部分组成，包括放卷、贴合、印刷、烘干、收 卷以及其它辅助中间环节，系统结构简图如图1 1 所示。 原料座控制箱贴合座控制箱印刷座控制箱主电力控制箱卷取座控制箱 图l 一1 复合机结构示意图 图中箭头代表放料方向。图中：1 一纸料辊；2 一铝料辊；3 一涂布辊；4 一 贴合辊；5 一印刷辊；6 一烘箱辊；7 一收卷辊。 纸料、铝箔从原料辊放出，经过贴合、印刷以及烘干等中间环节，最后由 卷取辊卷取，完成整个复合作业过程。复合机系统的放卷即原料座包括纸料座和 铝料座，采用磁粉制动器做执行元件来控制张力。在复合机系统的贴合、印刷以 及卷取部分则采用直流调速电机做执行元件来实现张力控制，直流调速电机由直 流调速器控制，由操作人员给定速度后，直流调速器按一定的控制规律来控制直 流电机的转速，从而达到调节张力，保证系统稳定运行的目的。 在烟箔的生产过程中涉及到信号采集与调理、张力控制、网络通讯等一系 列技术。国内目前生产的湿式复合机已达到一定水平，生产速度已达至1 1 6 0 m m i n ， 能同时进行贴合、印刷( 着色) 、压花等工艺。在复合机的生产过程中，衬纸、 铝箔和烟箔的张力及温度采用分段自动控制、检测与设定；一般都采用断带自动 2 硕士学位论文第一章绪论 停车、机组速度、烟箔干湿度和长度的自动控制及显示等技术。 1 3 张力控制的特点 张力控制广泛应用于各种卷绕式机构组成的生产线中，如造纸、印刷、纺 织、冶金等，这些生产线在处理纸张、丝线、薄膜、带钢等长尺寸材料的过程中 必须有一定的张力。 在纺线、织物、化学纤维加工和带钢生产的过程中，张力是一个重要的影 响因素曙1 。例如在化纤纺丝工艺上所要求的不同拉伸比，就需要相应的张力来实 现。为了使织物的质量稳定，张力在整个过程中必须保持稳定，波动过大就会影 响产品的质量。若张力过大，可能会造成化纤网格增大或因应力过大而降低产品 的使用寿命；若张力过小，可能使织物过松而引起皱褶或跑偏，大大降低了产品 的质量。 在造纸行业中，张力是一个主要的影响参数h 1 。张力过大可能使纸张撕裂或 者过薄，影响产品质量，而过小则可能引起纸张起皱和材质的不均匀，降低其质 量。在纸张生产过程中，纸张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 给纸张在收放过程中的张力控制增添了很大的难度。纸张张力的自动控制是造纸 过程、造纸再加工( 浸渍、涂布、复合、轧花、套色印刷等) 和造纸的整饰过程 ( 复卷、分切、超轧等) 中必不可少的电气自动化配备装置。近年来我国的造纸 工业迅猛发展，造纸和加工设备向高速、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，在这些先进的造纸 机和涂布机上均配备了纸张张力的自动控制装置。张力自动控制可称为近代先进 造纸设备的特征之一。纸张的张力自动控制直接影响着设备的速度提高，纸张再 加工的质量；能减少损纸，增加产量；能进行合理的收卷放卷；提高纸张的成品 率及提高设备的实际运行效率；特别是当前纸张市场竞争激烈，要提高设备的速 度，提高生产力，使用纸张质量自动控制装置可在原来纸机的设备情况下提高纸 机的速度。在高速纸机上，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。 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。大量研究表明，张力选择不当或张力控制不稳定，可使纤维制品 的强度损失2 0 - 3 0 1 。 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 3 硕士学位论文 第一章绪论 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，色泽均匀口1 。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， 绝大多数的织物的印染速度都受到了在生产过程中织物张力的严重影响，因此要 求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、 纸卷重心不与旋转轴重合，或者更换纸卷，改变机器的工作速度等原因，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 者堵塞等严重问题睛1 。特别是对于高速卷筒纸印刷机，张力的波动和变化对印刷 套准精度影响更大。所以如何使纸张在印刷过程中保持恒定的张力，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对卷取机的控制系统不仅在稳速s l 铝j j 过程中保持张力的恒定，而且在加减速的动态过程中也应保持张力恒定。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。近几年通讯事业迅猛 发展，电信业、光电业对通讯电缆、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四1 。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，我国主要的光纤生产厂家仍需要大量进口光 纤预制棒，提高张力控制技术的要求严峻地摆在了内资企业的面前。 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，使用传统的控制方式已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n 。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，往往能取得立竿见影的效 果。 4 硕士学位论文第一章绪论 1 4 张力控制的发展及研究现状 1 4 1 张力控制的发展 在烟箔的生产过程中，要求对烟箔上的张力进行控制，张力控制的好坏直 接影响到烟箔的质量。为了使烟箔贴印过程稳定，必须使料带张力恒定并保持一 定的大小。同时，由于收、放卷辊的卷径在传动过程中是不断变化的，随着卷材 收卷卷径越来越大，而放卷卷径越来越小，对张力的控制具有一定的难度。因此 张力控制是复合机生产中极其关键的一个环节，为了保证复合机生产过程的有效 进行，控制产品质量，提高生产效率，必须给复合机配备性能可靠的张力控制系 统。随着生产的发展，张力控制系统的发展大致经历了三个发展时期，即机械式 张力控制器、电控式张力控制器、计算机式张力控制器n l q 2 】。 ( 1 ) 机械式张力控制器：机械式张力控制器是通过机械结构来实现张力控 制的。如早期的“c t c ( c o m p e n s a t i v et e n s i o nc o n t r o l l e r ) ，如图1 2 所 示。这是一种平衡式自动补偿张力控制器，其制动力矩是靠刹车带与制动轮之间 的摩擦产生，制动阻力矩的调节由调节刹车弹簧的变形量来实现n 习。若原来力矩 为m ，则张力t = m r ，当纸卷卷径r 减小使纸张张力t 增大时，刹车弹簧的拉伸变 形将会由于曲柄顺时针方向的转动而减少，使张力矩减小，从而保证了恒张力生 产。机械式张力控制器的主要特点是：结构简单，制造容易。但是张力值不能自 动设置，而且控制精度低。 图l 一2 机械式张力控制器 5 硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 电控式张力控制器：自7 0 年代以来，出现了电控式张力控制器，如 图1 3 所示n 棚。其控制器是由电子元件组成的模拟电子系统。这类张力控制器 通常使用应变传感器实时检测纸张张力，然后反馈给控制器，控制器将纸张张力 设定值与反馈值比较、校正后，输出控制信号，经放大后驱动纸卷电机或电磁离 合器，使纸张张力保持在一定的范围内。这种张力控制器的控制能力比较强，可 以自动调节张力，控制精度比机械式张力控制器有所提高。但由于外界环境对模 拟电路的干扰，纸张张力容易产生波动。另外，如果操作者需要现场检测张力值 的变化，则需要另加张力检测输出设备，增大了系统成本。 电 张力传感器 图1 3 电控式张力控制器 ( 3 ) 计算机式张力控制器：随着电子技术的飞速发展，高性能价格比的微 处理器的出现，使计算机式张力控制器达到实用阶段。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，微处理器成为控制系统的核心，减少了电子 控制系统的大量硬件电路，使系统大大简化，可靠性更高，同时也可以采用各种 先进的控制算法，控制器更趋向于智能化。其控制系统方框图如图l 一4 所示。 目前常用的数字控制器主要有工控机、单片机以及p l c 等等。微机张力控制器既 可以单独工作，又可采用不同的组态，如设计成上、下位机的形式，而且纸张的 张力可以被记录、显示和自动设定，因而，这种控制方案得到了广泛的引用n 纠阳。 6 硕士学位论文第一章绪论 图1 4 计算机式控制系统方框图 1 4 2 张力控制的研究现状 复合机的放卷、收卷是一个典型的时变、强耦合、多干扰的非线性卷绕系 统，而且中间生产环节较多，具有许多不可预测的因素，且各机组间又有张力的 相互耦合，因此给张力控制带来了很大的难度n 7 1 。 ； p i d 控制由于具有很强的鲁棒性，且易于实现，因而广泛应用于工业实际上。 然而，面对这样一个时变非线性的多变量系统，要想获得高精度的控制，便出现 了积分分离的p i d 算法，变结构的p i d 算法，p i d 加前馈算法等变形式n 州1 7 1 。 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 作为智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 的重 要分支之一，它的最大特点是针对各类具有非线性、强耦合，不确定性、时变的 多变量复杂系统，可以取得良好的控制效果。在没有得到被控对象精确的数学模 型的前提下，引进模糊控制可以得到良好的效果n 劬。文献 2 0 3 7 中，采用了模 糊自整定p i d 算法来对张力系统进行控制；文献 2 1 j 中，针对放、收卷半径时变 的特点，采用了自适应模糊控制算法；文献 2 2 中，以卷染机为研究对象，研究 了模糊张力控制算法在其中的应用。 自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 是现代控制理论的一个重要分支。当过 程的随机、时延、时变和非线性等特性比较明显时，采用常规p i d 控制器很难收 到良好的控制效果，若采用自适应控制技术，上述问题都能得到圆满的解决嘲。 文献 2 0 中，采用s 5 的p l c 和p r o f i b u s - d p 总线对分切机放卷段进行了自适应 张力控制的研究；文献 2 4 中，采用递推最小二乘法估计参数，对车速突变进行 了自适应前馈补偿的研究，并应用于复卷机中；文献 2 5 中，以四机架冷连轧机 为研究对象，应用最小方差自校正控制器于张力系统中，并进行了现场试验。 神经网络控制( n e u r a ln e t w o r k sc o n t r 0 1 ) 不依赖于对象的数学模型，能 适合于任何不确定性系统，又无需任何先验知识，它本身具有自学习和自适应能 力，针对张力系统的特点，些学者应用神经网络方法同样取得了良好的效果啪1 。 7 硕士学位论文 第一章绪论 文献 2 6 中，针对缠绕系统的放卷机构，应用了b p 神经网络控制，有效的减弱 了张力和速度之间的耦合；文献 2 7 中，在张力系统中应用了单神经元的积分分 离p i d 算法，并进行了m a t l a b 仿真；文献 2 8 中，针对连轧机调节辊进行了神 经网络模糊控制算法的研究，获得了良好的效果。 解耦控制( d e c o u p l i n gc o n t r 0 1 ) 通过设计合适的解耦补偿器，使得一个 有强耦合的多变量系统转化成无耦合的多个单变量系统伫町。卷绕系统中张力和速 度的强耦合使得解耦控制在其中的应用成为可能。文献 3 0 中，以连轧机为研究 对象，设计了张力一速度解耦控制器；文献 3 1 中，分析了平整机的动力学模型， 提出了极点配置的解耦控制，仿真和工业试验都表明了良好的控制效果；文献 3 2 中，以热轧现场数据为依据，提出了b p - r b f 神经网络的自适应解耦控制策略， 对调节辊的高度和张力进行了解祸，仿真结果验证了算法的有效性。 鲁棒控制( r o b u s tc o n t r 0 1 ) 的着眼点在于：如何设计控制器，使得当一 定范围的参数不确定性及一定限度的未建模动态存在时，闭环系统仍能保持稳 定，并保证一定的动态性能品质b 3 】。文献 3 4 3 中，研究了物料传送系统中二自由 度h 无穷鲁棒控制器，并在三电机平台上与一自由度h 无穷鲁棒控制器进行了仿 真比较，结果表明了鲁棒控制器的良好的性能；文献 3 5 中，指出了分散控制是 实现这种多电机系统的实用手段，并在物料传送系统中应用二自由度h 无穷鲁棒 控制器，获得了良好的仿真效果。 1 5 主要研究内容与篇章结构安排 本文从复合机的生产工艺流程入手，对复合机联线张力进行分析，建立其 张力控制系统的数学模型。提出基于软计算的张力控制方法，设计了系统的模糊 神经网络结构，通过对系统隶属函数、规则库、算子的整定改善控制效果，并与 未整定系统、p i d 系统经行对比，并介绍了系统在实际生产中的应用。全文工作 及安排如下： 一 第一章绪论，介绍本文研究背景和意义，复合机的生产工艺，张力控制系 统的发展及张力控制系统的研究现状，并对本文所作的工作做了简要概括。 第二章介绍了通用张力控制系统的组成，并对复合机张力特点进行了简单 分析。重点分析了复合机联线张力控制系统的组成、工作原理及其动力学模型， 并在此基础上引出了复合机联线张力控制的数学模型。 第三章介绍了神经一模糊和软计算的特点，应用及发展前景。提出了复合 机浮动调节辊的张力控制系统结构图，讨论了在复合机浮动调节辊张力控制中应 用神经一模糊控制器的优点。通过对系统隶属函数、规则库、t 算子分别整定改 8 硕士学位论文第一章绪论 善控制效果的方法。 第四章介绍了神经一模糊张力控制系统与m f t f l c 系统( m f s 整定) 、r p t f l c 系统( 规则库整定) 、o t f l c 系统( t 算子整定) 的仿真及结果对比，分析了各种 整定方法的优劣性。最后介绍神经一模糊张力控制系统在实际生产中的应用。 第五章介绍了本文所作的工作，对本文进行系统的总结，分析了基于软计算 方法的张力控制的优缺点，并对今后的工作做了简明介绍。 9 硕士学位论文 第二章张力系统结构及数学模型 第二章张力系统结构及数学模型 印刷包装行业中，复合机张力控制系统有其自身的特点。首先，其主要的 体现是控制过程高度时变性，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，在卷绕的开始和结束，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 了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，反之张力的变化也会影响速度。 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；b n - t - 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，从而影响张力汹儿明1 。 在复合机生产过程中，收放卷张力控制也是极为重要的一个部分。张力的 波动将造成走纸不稳，皱褶甚至撕裂的严重后果。而且由于收、放卷辊的卷径在 传动过程中是不断变化的，随着卷材收卷卷径越来越大，而放卷卷径越来越小， 因此，对张力的控制具有一定的难度。由此可见，张力控制不仅是复合机系统的 必要组成部分，而且是核心部分，张力控制的效果将直接关系到复合机产品质量 的优劣。 在复合机张力控制中，收放卷张力控制结构、原理相似，有很多学者在这 个方面做了详细的研究，但对复合机联线张力控制的研究却很少。本文将就复合 机联线张力控制做详细研究，提出其张力控制模型，进行仿真分析及对比。这一 章将从复合机张力控制系统的结构出发，重点介绍复合机联线张力控制特点及其 结构原理，建立联线张力控制系统的数学模型，为对系统进行更深入研究打下基 础。 1 0 硕士学位论文第二章张力系统结构及数学模型 2 1 通用张力控制系统的组成 张力系统的控制方法按照不同的工艺要求，可分为间接张力控制和直接张 力控制。前者通过控制维持张力恒定的传动系统的电参数来实现张力控制，一般 采用最大力矩控i 副或恒功率控制等方式，一般适用于要求不高的场合，可简单实 现一般的张力控制要求。后者则采用微处理器为控制核心，实现复杂的控制算法， 硬件采用张力传感器构成张力的反馈以实现闭环控制，适用于高精度、高速度的 张力控制场合啪1 。由于贴纸铝箔时刻处于运动过程之中，而且要求张力恒定。因 此，复合机张力控制系统不但要求在稳态运行中保持恒定，还要求在动态，尤其 是加、减速过程中能有效地控制张力。 一般卷取张力控制系统，其张力控制原理总是大同小异，张力控制装置主 要包括三部分：检测装置、控制装置、执行装置h ，其结构原理图参见图l 一 4 ： 1 ) 检测装置：在张力闭环控制系统中，需要实时检测张力以获得反馈信号， 实现闭环控制，某些系统还有速度检测装置作为系统的辅助信号。张力传感器根 据不同的场合和控制要求进行选择，通常采用力传感器的形式，比较常用的有轴 承式张力传感器、浮动辊式张力传感器以及气缸控制摆辊式张力传感器等瞳1 。本 系统中采用轴承式张力传感器作为检测装置，它具有响应速度快、精度高及位移 量小等特点。该张力传感器检测的信号经过张力变送器放大后传给p l c ，因此该 环节可以看成一个简单的比例环节。 2 ) 控制装置：控制器是系统的核心装置，通过对张力速度传感器采集的 信号进行处理，按照一定的控制策略进行运算，实时调整控制信号控制执行机构， 最终完成对张力速度的控制。印刷包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且 有较多的执行元件。相对于单片机、工控机而言，p l c 具有高度集成化，通用性、 兼容性和扩展性强的特点，因此我们采用p l c 作为张力控制系统的主控制器。 3 ) 执行装置：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。常见的系统中放卷采用磁粉制动器为执行装置，控制器输出的控制信号 经过功率放大电路转换、放大后加在磁粉制动器上，达到调节其输出转矩的目的。 该功率放大电路可看成是一个比例环节。 2 2 联线张力原理与分析 在复合机张力系统中，有两种最为常见的张力调节方式，即基于测压传感 器( l o a dc e l l s ) 的张力控制器和基于浮动调节辊( d a n c e rr o l l s ) 的位置调节器。 硕士学位论文 第二章张力系统结构及数学模型 一些学者指出，如果从实际应用的角度来看这两种张力检测元件，并没有本质的 区别。然而，若从最小化滤波的角度考虑，那么基于测压传感器的张力控制略占 优势h 封。另外，在美国市场上，基于浮动调节辊的系统要更为普遍，然而在欧洲 市场，基于测压传感器的系统显得更为常见。从而，一些学者便提出，对于某种 特定的设备，到底哪种方式显得更为合适? 在文献【4 2 】中，有关于浮动辊和测压 传感器的详细讨论。下面将从原理和数学模型的角度对浮动调节辊结构进行分 析。 2 2 1 组成结构 若忽略一些细节的东西，则浮动调节辊的物理结构可以表示成如图2 一l 所 示。由图可知，浮动辊调节张力的整个装置主要由浮动辊、气缸、两个导向辊和 两个固定点( 或机架) 组成。该装置有两种安装形式，垂直安装和水平安装，图 2 1 所示的为水平安装的浮动辊。其中，气缸主要提供一个与物料张力的合力 相反的方向的力，以供浮动辊稳定于某一平衡位置；导向辊的作用是保证浮动辊 在平衡位置时的角度一定以及引导物料的传送；两个固定点的作用是保持段内的 物料几何长度一定。 浮动调节辊 2 2 2 工作原理 图2 1 浮动调节棍的结构示意图 浮动调节辊安装在两个相邻的固定点之间，由于两固定点使得段内的物料 在几何长度上基本一定，因此浮动辊的上、下运动导致了两固定点之间的物料长 1 2 硕士学位论文第二章张力系统结构及数学模型 度发生了改变，从而使得段内的物料拉伸率发生了改变，这样就导致了段内物料 张力的改变。当然，导致浮动辊上、下移动的原因在于前后固定点的辊线速度存 在差值( a v = v l v o 0 ) ，而前后辊的线速度则是由电动机控制的。 这就是说：张力控制的好坏取决于我们对前后电机速度控制，以及浮动调 节辊位置变化的好坏。浮动调节辊和气缸组成的调节装置体现了本段内张力的变 动情况，我们通过观察浮动辊摆动的幅度和频率就可以直观的看到段内张力波动 的情况。这就从定性的角度表述了浮动调节辊的位置和张力波动之间的关系。 下面从定量的角度来描述浮动辊位置与物料张力之间的关系。 为分析简便，我们先假定每段内物料的张力为一定值，以后如果不特别指 明也都遵循这个假设。如图2 1 ，当浮动辊在平衡位置时，对其进行受力分析 得： f = 互2 ( c o s a + c o s , 8 ) + g ( 2 1 ) 对上式变形得： ， t 1 2 - 丽丽f - g ( 2 2 ) 其中，互：为段内物料的张力； ，为气缸向上的支持力； g 为浮动辊产生的重力； 弧分别为物料与竖直方向的左、右夹角。 由式( 2 2 ) 可知：口、的变化可以表达浮动辊的位置变化，若口、增 大，那么( c o s 口+ c o 妒) 的值减小，若气缸的容量足够大，这样可以认为，体 积的微小变化使得它竖直向上的力f 并不改变，而浮动辊的重力g 是常量，因 此要达到新的平衡点肯定是物料张力互，增大了；反过来，若固定点2 的辊线速 突然增大，导致物料张力互，也增大，这样浮辊为了能在竖直方向达到平衡，势 必会向下运动，使得纵增大，这样张力在竖直方向的分量减小，从而达到的 平衡点。 由以上分析可知：段内物料张力的变化直接影响到浮动辊位置的变动，也 是说，浮动辊的位置是段内物料张力的反映，若要控制段内张力恒定，则只需控 制浮动辊的位置即可。因此，基于浮动辊的张力控制系统实质上是一个位置调节 器【2 1 。其控制方式将在下小节具体讨论。 2 2 3 联线张力动力学分析 复合机联线张力系统如图2 2 所示。由以上分析可知，联线张力系统的调 1 3 硕士学位论文 第二章张力系统结构及数学模型 节装置是浮动辊，若能使得浮动调节辊的位置保持不变，则说明联线张力稳定。 由反馈控制原理可知，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入该物理量的负 反馈。因此，我们用一个精密的环形电位器来实时检测浮动辊的位置信息，用电 压的形式反馈到p l c 的模拟量输入口，再与给定的位置电压值进行比较，用偏 差值来调节印刷辊的电机驱动的给定电压。然而，印刷座电机驱动的给定不是由 单纯一个p i d 运算量来决定的，印刷座的给定值是在系统基准速度电压值的基础 上再叠加一个模糊分量构成的，这样就保证了整个系统能在任意基准速度的前提 下进行张力的调节。贴合辊是整个系统的速度基准辊，它并不进行调节，只是给 贴合座电机驱动一个基准速度电压值。这就是联线系统张力的调节原理。 浮动调节辊 图2 2 复合机联线张力系统示意图 辊 基准速度给定 如图2 - - 2 所示。其中，五：和& 分别为放卷段张力和收卷段张力；厶和， 分别为包括贴合压轮和印刷压轮的折算值在内的贴合驱动辊和印刷驱动辊的转 动惯量值；若简单的认为系统减速器的变比为】：1 ；再设摩擦力矩分别为f 和 ，这样分别对贴合、印刷两辊列写转矩平衡方程式得： 。 ，：i d o ) 2 = f 2 + ( 正，一墨2 ) r ：一f 2 。 ( 2 3 ) j 3d 讲r 廿- - - - - a 3 - - l 3 + ( 一) 恐一t 。( 2 - - 4 ) 由以上分析可知，( 2 - - 3 ) 、( 2 - - 4 ) 两式完整的表述了贴合辊和印刷辊的动 1 4 硕士学位论文第二章张力系统结构及数学模型 态过程，其中的可控量为电机的电磁转矩_ ：和乃，被控量为物料张力正，。从中 我们也可以明显的看出，前、后段之间的物料张力是相互耦合的，任意一段张力 的设定值改变了或受到干扰发生了波动，都会影响前一段和后一段张力的波动。 然而，如果我们单独做一个机架的分析时，一般假定前段、后段的张力均为设定 值，即有： 告孥+ ( 一) 足2 嘞 ( 2 _ 5 ) 尺出 、”7 “ 乏警= 州巧喝) r 3 一 ( 2 _ 6 ) 由上可以知道，复合机联线张力控制的实现是通过调节浮动调节辊的位置 变化，给印刷辊电机一个指令调节速度，通过电机速度变化实现张力控制。 2 3 张力控制系统的数学模型 对于复合机这一类型的卷绕机构来说，要实现良好的张力控制，建立一个 合适的数学模型进行分析是很有必要的。由前面的分析可以知道，纸带的张力主 要受到速度、调节辊高度等因素的影响，下面就具体讨论和建立联线环节的模型。 由于系统比较复杂，如果将所有因素都考虑在里面，模型的建立将是一间烦琐而 不必要的工作，因此，在建立系统模型之前，基于忽略次要因素，突出主要因素， 需要作如下几点简化和约定h 叼： 1 同一段张力控制范围内材料的成分完全一致，它的比重，弹性模量为常 量，其变形为弹性变形并遵守胡克定律； 2 在材料的宽度方向上应力分布均匀一致，其横截面和厚度在纵向变形时 变化很小，可以认为是固定不变的； 3 辊筒为实体辊筒，靠一定的传递关系连接在一起，不会发生扭曲和弯曲； 4 料带经过这些辊轴时不发生相对滑动，在接触区承受固定作用力，不发 生拉伸和其它机械变化； 7 5 在改变运动状态时，料带和与其相连的导料辊的质量以及传动中可能发 生的跳动都忽略不计。 张力控制的目的就是为了使生产过程中的张力恒定，但是当贴合驱动辊的 料带线速度与印刷驱动辊的料带线速度不同步时，就会产生张力的变化。这里建 立张力模型的目的就是为了寻求张力变化与浮动调节辊高度的关系模型。 考虑以上因素，为了分析方便，建立张力模型如图2 3 所示。这里，这个 模型主要用于仿真目的。 1 5 硕士学位论文第二章张力系统结构及数学模型 贴合驱动辊印刷驱动辊 图2 3 张力模型示意图 张力由贴合驱动辊的出口速度( ) 与印刷驱动辊的入口速度( m ) 之差 产生。浮动调节辊高度与调节辊存储长度相关，通过质量守恒原理可以经验近似 得到： 肌d2 赢心1 ) 式中，口和取决于调节辊参数并通过经验确定。另外，三( f ) 是存储的条长，通 过速度差对时间的积分获得。 三( f ) = i v 1 ( f ) 一v o ( t ) d t ( 2 8 ) ( f ) 单位m m 。这里取口= 0 0 0 0 1 9 5 5 5 6 7 和= 0 0 2 8 8 4 5 1 4 5 。对于不同的复 合机结构，通过近似测量调节辊高度和条长存储，经验获得口和。通过统计分 析来得到口和的最优值。分析的雅克比公式为：， = 盟= 丽f l 瓣( v i ( t ) 丽- v o ( t 丽) ) o ( a v l ) ( 2 - - 9 )。一2 习丽司雨而 通过上面分析可以知道：对复合机联线张力控制系统，速度变化是主要的 扰动因素。由式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 可知，联线张力控制实际是通过调节辊高度 变化，给印刷辊电机一个指令改变印刷驱动辊速度的控制系统。测量浮动调节辊 高度( h ) ，并且与参考高度( h o ，表明恒定张力) 进行比较，以此得到电机速 度控制的正确指令。通过调节印刷驱动辊电动机速度改变h ，获得一个稳定的调 节辊高度，得到一个恒定的张力状态。 ， 2 4 本章小结 本章介绍了通用张力控制系统的组成，并对复合机各段张力特点进行了简 单分析。重点分析了复合机联线张力控制系统的组成、工作原理及其动力学模型。 1 6 硕士学位论文第二章张力系统结构及数学模型 在此基础上建立复合机联线张力模型，并提出了复合机联线张力控制的数学模 型。 1 7 硕士学位论文第三章基于软计算的张力控制系统设计 第三章基于软计算的张力控制系统设计 3 1 软计算方法介绍 现实世界存在着许多多变量、多参数、非线性的复杂系统。要准确的描述、 预测和控制系统的运行，传统的建模和解析方法是不够的。即使在解决的初期阶 段建立了合适的数学模型，由于解析计算缺乏应有的灵活性，在解决如此复杂和 多变的系统时，会导致很大的误差，而提高精确度要付出很大的代价。 针对此种情况，1 9 6 5 年由美国自动控制专家l a z d a e h 教授提出了一种新 的算法。他在传统的二值逻辑、精确系统、数值分析的硬计算的基础上，推出一 种基于模糊逻辑、神经网络、或然推理的软计算。硬计算具有精确性、确定性； 软计算具有近似性、非确定m 1 。在软计算中，允许误差和不确定是为了获得一种 可接受的解决途径，对于一个多变量非线性系统来说，此种解决途径具有成本低、 可实际操作和较高的智能。 软计算包括三大组成部分：模糊逻辑( f l ) ；神经网络( n n ) ；概率推理。 其中包括遗传算法( g a ) 、混沌理论和部分学习理论以及这些成分之间的交叉与 结合n 引。这三部分互相支持，互为补充。模糊逻辑用于误差分析，神经网络用于 知识学习，概率推理则模仿人类处理数据、知识学习和推理的过程。它与人脑相 对应，具有在不确定及不精确环境中进行推理和学习的卓越能力，在变化的环境 下能够调节自身将学习做得更好，并对怎样做出决策和采取行动进行解释。在解 决实际计算问题时，协同地而不是互斥地采用几种计算技术“6 1 。传统的分析方法 由于它的精确性和定量化而不能处理现实的复杂多变的工业系统。因此用软计算 理论可以较好的处理多变量、非线性系统的问题h 7 1 。 3 1 1 神经一模糊和软计算的特性 软计算以神经一模糊建模为核心，其工作特性可以归纳如下m 1 ： ( 1 ) 人类的专门知识。软计算以模糊i f - t h e n 规则形式及传统的知识表示 形式来使用人类