（机械电子工程专业论文）电液张力控制系统的研究.pdf

塑垩查塑主兰堂茎里堕塑墨缒 全文摘要 张力控制是许多工业生产过程控制中的一个重要的组成环节。它对提高产品 质量、增强系统控制安全等方面起着至关重要的作用。论文采用皇造些型鳖型技 术通过调节液压马达进出口压差，控制其输出扭矩，在完成卷绕机构收放过程中， 对缆或织物的张力控制的方法是可行有效的：电液张力鳖制系统中因系统的阻尼 比较d 、容易引起的系统不稳定等问题，可以通过增加机械结构的阻尼器或者通过 控制程序中p i d 校正环节进行补偿等方法加以解决，提高系统的稳定性与控制精 度。论文针对缆张力控制系统与卷染机张力控制系统的结构组成及控制原理进行 了理论分析与大量的试验研究，建立了系统的较为完善的数学模型并使用 m a t l a b 工具对系统进行了仿真。仿真结果有助于系统结构参数的确定，试验结 果表明系统的数学模型基本能够反映张力控制的动态过程，系统的张力控制是稳 定的可靠的，理论分析及试验所得到的结论对今后的电液比例伺服张力控制系统 的设计及研究具有指导意义。论文内容如下： 第一章绪论，概述了张力控制系统的应用领域；张力控制的几种主要方式： 电液比例控制技术的简介：以及本文主要的研究内容和选题意义。 第二章电液张力控制系统的结构与原理，由两个部分组成，第一部分是缆张 力控制系统，从总体上介绍缆张力控制系统结构与原理，然后分别介绍系统的各 个组成部分，包括液压系统，微机控制系统等。第二部分是卷染机张力控制系统， 简述了卷染机的工作原理与系统结构。最后讨论了在卷绕机构中影响张力控制的 几个主要因素。 第三章是对毯垄焦型环节的分析，本章分别研究两个系统的检测环节，分析 各自的特点。首先建立缆张力检测环节的数学建模，对其进行动静态分析，检验 检测环节的稳定性与准确性。再对卷染机张力检测环节进行研究。最后对两个系 统的张力检测环节进行对比分析。 第四章张力控制系统的仿真和试验分析，第一部分是对缆张力控制系统的仿 真和试验分析。首先完成缆张力控制系统的受力分析，建立了系统的数学模型， 对其进行静动态分析，并根据建立的模型使用m a t l a b 完成系统的动态仿真，探讨 了改善系统性能的控制方法，对系统进行校正，提高系统的稳定性和控制精度。 完成了大量的现场试验研究，解决了张力的标定、滞环校正、改进型p i d 控制算 法、克服信号干扰等几个重要问题。第二部分是建立了卷染机张力控制系统的数 学模型，控制方式及校正方法的分析，完成了卷染机张力控制系统的试验，取得 了有益的结论。 第五章是总结与展望，总结了电液张力控制系统的结论，提出了应用前景和 展望。左 蛰囊强弧。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t c 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 0 1i nm a n yi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s ，a n dp l a y s a l l i m p o r t a n tr o l e i n i m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t y 、e n h a n c i n g s y s t e mc o n t r o ls e c u r i t y a n de t c i nt h i s p a p e r e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l m e t h o d sa r ea p p l i e dt oc o n t r o l 也ee x p o r tt e n s i o no ft h eh y d r a u l i cm o t o ra n da l s ot h e r e l a t e dw i n d i n gm a c h i n eb ym o d u l a t i n gt h ep r e s s u r ed i f i e r e n c eb e t w e e nt h ei n l e ta n d o u t l e to ft h eh y d r a u l i cm o t o r , a n dt l ec o n t r 0 1m e t h o d sa r ep r o v e nf e a s i b l e s y s t e m i n s t a b i l i t yc a u s e db yd a m pr a t i o o ft h ec o n t r 0 1s y s t e mc a nb er e s o l v e db ya d d i n g m e c h a n i c a ld a m p e ro rc o m p e n s a t i n gt h r o u g hp i dc o n t r o ls e g m e n t t h e u r e t i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e do ns y s t e ms t r u c t u r ea n dc o n t r o l 丽n c i p l e so ft h e c a b l et e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma n dt h ei i g g e rt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，m a t h e m a t i cm o d u l e i sb u i l tu pa n dc o r r e s p o n d i n gs i r e u l a t i o nb vm a t l a bi se x e c u t e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa l dt od e c i d et h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e m a t h e m a t i cm o d u l ec a nr e f l e c tt h ed y n a m i cp r o c e s so ft h et e n s i o nc o n t r 0 1 a n dt h e s y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e s ot h e 血e o r e t i c a la n a l y s i sa n d t h ee x p e r i m e n tc o n c l u s i o n s i nt h i sp a p e rc a nb ep r a c t i c a la n dd i r e c t i v et ot h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h el a t e r e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l s e r v oc o n t r o ls y s t e m d e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h ea p p l i e da r e f so ft h et e n s i o nc o n t r o l ，t h em a i n m e t h o d sa p p l i e dp r e s e n t l y , 也ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r 0 1t e c h n o ! o g ya n d s u b j e c t so f t h e t h e s i s t h es e c o n dc h a p t e rd i s c u s s e st h es t r u c t u r ea n d p r i n c i p l e so f t h es y s t e m f i r s tp a r t d i s c u s s e sc a b l et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，b e g i n sw i t hs y s t e ms t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e si n w h o l e 。a n dt h e ni t sc o n s t i t u t e si n c l u d e sh y d r a u l i cs y s t e ma n dm i c r o p r o c e s s o rc o n t r 0 1 s y s t e m s e c o n dp a r td i s c u s s e si i g g e rt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m m a i n l yo ni t sw o r k i n g p r i n c i p l e sa n ds y s t e ms t r u c t u r e s f i n a l l yt h em a l nf a c t o r sw h i c ha f f e c t st e n s i o nc o n t r o l a r ed i s c u s s e d t h et h i r dc h a p t e ra n a l y z e st h ed e t e c ts e g m e n t d e t e c ts e g m e n t so f t h et w os y s t e m s a r eb o t hs t u d i e d f i r s tb u i l du d 也em a t h e m a t i cm o d u l eo ft h ec a b l et e n s i o nc o n t r o l s y s t e m ，a n a l y z ei t ss t a t i ca n dd y n a m i cr e s p o n s e ，t e s t i f yi t ss t a b i l i t ya n dv e r a c i t y s e c o n d s t u d yt h ed e t e c ts e g m e n to f t h e j i g g e rt e n s i o n c o n t r o ls y s t e m f i n a l l yc o m p a r eb e t w e e n t h et w os e g m e n t sa r ep r e s e n t e d t h ef o u r t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sa n a l y s i s f i r s ts t u d y c a b l et e n s i o nc o n t r 0 1s y s t e m b e g i n sw i t ha n a l y s i so ni t sp h y s i c a le n v i r o n m e n t sa n dt h e n m a t h e m a t i cm o d u l ea r eb u i l t u p a c c o r d i n g l y s t a t i ca n d d y n a m i cr e s p o n s e w i t l l m a t l a bt 0 0 1i se x e c u t e dt o i m p r o v e s y s t e ms t a b i l i t y a n dc o n t r 0 1 p r e c i s i o n f i e l d w o r k sa r ep e r f o r m e dt os o l v et h ed e m a r c a t i o n ，r e s o r te m e n d a t i o n , a d v a n c e dp i d c o n t r o la l g o r i t h ma n ds i g n a li n t e r f e r e n c e s e c o n db u i l du pt h em a t h e m a t i cm o d u l eo f t h ei i g g e rt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z ei t sc o n t r o lt y p ea n de m e n d a t i o nm e t h o d s ， p e r f o r me x p e r i m e n t sa n d d r a ws o m ec o n c l u s i o n s t h ef i f t h c h a p t e rg i v e sab r i e fs u m m a r i z eo ne l e c t r o h v d r a u l i ct e n s i o nc o n t r 0 1 s y s t e ma n d a e x p e c t a t i o no n f u t u r ew o r k ri 2 塑垩查兰堡主兰垡堡兰 第一章绪论 1 1 张力控制系统的概述 1 1 1 概论 造纸、纺织、印染和化纤生产中，其加工物都是带状，并且全都卷绕成圆筒 形，为使加工物不断传送，既不能堆叠又不能被拉断，卷绕紧密，整齐，并且保 证产品质量，在卷绕过程中，要求在被加工产品内建立适宜的张力并保持恒定， 这就需要张力控制系统。论文讨论的张力控制系统集中在卷绕机构的张力控制方 面。 张力控制系统广泛应用于工业生产中。在电缆、印染、纺织、轧钢、造纸等 工业生产过程中，张力控制系统已成为不可缺少的重要环节。随着现代工业技术 的不断发展，工业的自动化程度也不断提高。是否能适时对一些主要参数进行控 制和调节将直接影响产品的质量和生产。在造纸、印刷、纺织、印染和食品的生 产过程中产品内部的张力就是这样一个参数，它的大小直接影响着字 的各个 环节i l l 。 1 1 2 张力控制系统的应用 在造纸行业中，张力是一个主要的影响参数。张力过大可能使纸张毋裂或过 薄，影响其书写性能，而过小则可能引起纸张起皱和材质的不均匀，降低其质量吨1 0 在纸张生产过程中，纸张的放卷与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。纸页张力的自动控制是造纸过程、 纸张再加工( 浸渍、涂布、复合、轧花、套色印刷等) 和纸张的整饰过程( 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j n n - 纸设备向高车速、高质量、高效益发展为了适应工业发展的 需要，许多单位都逐渐引进了国外的一些先进技术和设备，在这些先进的造纸执 和涂布机上均配置了纸页张力的自动控制装置张力自动控制装置可称为近代先进 造纸设备的特征之一。纸页的张力自动控制直接影响纸机的车速提高，纸页再加 工的质量；能减少损纸，增加产量；能进行合理地收卷、放卷；提高纸张的成品 率及提高纸机实际运行率；特别是当前纸张市场竞争激烈，要提高纸机的车速， 提高生产力，使用纸页张力自动控制装置可在原来纸机的设备情况下提高纸机车 速。在高速纸执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越 浙江大学硕士学位论文 明显。“1 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。为了使织 物的质量稳定，张力在整个过程中应保持稳定，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张力过大使织物受了过大的应力而降低 其寿命；若张力过小可能使织物过松而引起起皱或跑偏，大大降低了产品的质 量扣。 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1 4 1 。大量研究证明，张力选择不当或张力控制不稳定，可使纤维缠绕 制品的强度损失2 0 一3 0 1 1 3 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”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 大多数织物的印染速度都收到了在卷染过程中织物张力的严重影响，因此只有控 制系统的张力稳定才能可靠的保证速度稳定。 在纸张的印刷生产过程中，张力系统的稳定性也影响到印刷产品的质量，卷 简纸轮转印刷机工作对，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，印品皱摺、重影，甚至发生纸张断裂或堵塞等严 重问题。特别是对于高速卷简纸胶印机，张力的波动和变化对印刷套准精度影响 更大l tj 。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取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1 8 1 。对于高精度的 冷扎机来讲，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、广电业对通讯电缆、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的4 号线和5 号线，它 们的产品性能主要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。传统的通讯电缆已经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还远落后于发达国家。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 2 浙江大学硕士学位论文 光纤生产厂家仍需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 内资企业地面前。张力的控制问题也在海底缆线的敷设过程中碰到。随着通信事 业的飞速发展，寻求一种妥善的解决办法已显得十分迫切。 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 9 1o 电力电子、微电子 及计算机技术的迅速发展，电气自动化技术更是日新月异，出现了以交流异步电 机的变频调速技术代替了具有较多缺陷但在调速领域占统治地位的直流电机调 速，而且具有直流调速所无法达到的优点。液压传动与控制技术的发展，在社会 生产中也日益显现强大的优势，特别是近几来得到快速发展的电液比例技术，实 现了电子控制与液压传动控制的优势互补，使传统工业通过电子技术与计算机技 术联系起来。目前，采用交流变频调速技术、电液比例控制技术和计算机控制技 术相结合，是卷绕机构张力控制设备发展的主要方向之一。 1 2 张力控制的主要方式 1 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，通过两个具体课题项目1 ：卷染机 的张力控制系统2 ：缆张力控制系统分别来说明张力控制的具体实现方法和技术 特点。 如下图中卷绕机构所示，张力控制装置整体可分为三部分，l 张力速度检测 装置2 控制装置3 执行机构。执行机构是两侧的侧卷筒为收卷机构和排卷机构， 两者在有的系统中是可以互换的。下面的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，根 据控制性能要求进行数据处理，在将调整信号发出，通过放大环节来控制执行机 构运动，调整张力和速度，完成控制过程。根据执行机构的不同张力控制方式可 分为电机张力控制系统，电液张力控制系统，磁粉制动张力控制系统，以及其他 的如杠杆摇摆式、卧式储线张力调节等。在许多系统中收卷和放卷机构是可以通 过控制系统的调整发生转换的，进行收卷与放卷功能的互换。 浙江大学硕士学位论文 图1 1 卷绕机构张力控制系统示意图 在实际生产中，实现卷绕机构张力控制方法主要有3 种： 1 采用张力计直接检测加工物的张力，构成张力闭环，或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。0 1 不管采用哪种控制方案，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 2 2 张力控制的常用方式 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 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，使加工物 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。 1 、机械式自动控制 蕊誊鼢巍 4 霹 一u 一 一。l 浙江大学硕士学位论文 图1 2 一种机械式张力自动控制台方式 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l 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 减小，利用图中这种混合轮系即可满足这个要求。 2 、气动式自动控制 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。 气辣 图1 - 3 气动式张力控制装置 3 、电气自动控制 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。 图中。表示比较元件，它能将测量单元测得的被控制量的实际值与给定值比较， 得出偏差信号e = x z 。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。随着交流变频调速技术的迅速发展，异步电动机加变频控制器在卷 染机的控制系统中也得到了广泛的应用。 图1 4 电气控制系统方框图 ti 、 j 浙江大学硕士学位论文 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 方面具有一定的优越性 1 l i 。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，但根据工艺要求可进行调节。而在线速度恒定时，卷取辊的转 速与卷径成反比，因此通过调节卷取辊的直流电机转速即可实现加工物的线速度； 而加工物的张力控制通过调节退卷辊所联接的直流电机，其产生的一个与加工物 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，故其受织物线速度和卷径的干扰。加工物线速 度控制只要利用一卷径测量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 却有其难以克服的缺点。主要在于直流电机由于具有机械式换向器这一致命的弱 点，从而使直流传动在工业应用中带来了一系列的限制，主要为其易于损坏且不 易维修，同时比交流电机结构复杂且价格昂贵，调速系统还是很复杂。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，而且具有控制简单 方便，工作可靠，并具有节能效果，因此交流电机变频调速技术迅速在各工业部 门得到应用。 电机张力控制方式可再细分为电动变阻器张力控制系统、变额器张力控制方 式等等。 4 、粉离合器的传动控制 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。磁粉离合器 的主要工作原理是磁粉在激励线圈通电时，使间隙内的磁粉在从动件与主动件闻 成链状连接，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。 磁粉离合器的结构如图1 - 7 所示。在机座( 定子) 有一组激磁线圈，环绕于外 转子的外侧，通过控制激励电流向离合器的激磁线圈供电。在定子内有两只转子， 一只为外转子，与输入轴联成一体，又称为输入端；另一只为内转子，和输出轴 联成体，称输出轴。内外转子都用低剩磁材料做成，在内外转子之间填入低剩 磁的粉末颗粒，通常叫磁粉。 当激磁线圈未通往电流时，在线圈周围未产生磁场，磁粉未被磁化，但由于离 心力的作用，磁粉分布在外转子的内壁，内外转子处于“离”的状态，这时不传 递转矩。当激磁线圈通入电流时，根据电磁效应，磁粉被磁化，按极性方向“排 队”形成无数个磁粉“链”并与内外转子紧紧联接成一体，使内外转子处于合的 浙江大学硕士学位论文 这样就可传递一定的转矩。通往电流越大，则所能传递的转矩也越大。激磁电流 图1 5 磁粉离合器结构简图 消失，由于内外转予和磁粉都由低剩磁材料做成，所以转矩也随之消失。只要激 磁电流大小不变，所能传递的转矩也不变，即歙超载使风外转子产生滑移时，力 矩值也不改变，所以磁粉离合器在给定的条件下，所能传递的能力仅跟激磁电流 大小有关，跟滑差无关，具有恒转矩特性。 磁粉离合器的某些不足制约了控制精度的提高，主要缺点有： ( 1 ) 制动力矩与线圈电流的线性关系较差。 但) 响应速度慢。磁粉离合器是主要滞后因素。 ( 3 ) 耗能量大。4 1 5 、液压传动控制 液压控制技术己相当成熟，并广泛地应用于工程实际中。与电液伺服控制相 比，电液比例控制系统的动力传递方便，输出功率大，价廉可靠维护方便，控制 精度和响应特性均能满足要求，从而广泛地应用于现代工业设备中。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，取得了良好的传动控制效果。特别是与现代电子技术相结合，使卷 绕机构的控制性能和自动化程度均得到大幅度提高。 1 2 3 电液比例张力控制 本论文研究的两个项目中的张力控制系统( 卷染机张力控制和缆张力控制系 统) 都是使用电液比例技术的张力控制系统。原理简图如图1 1 ：在图1 一】中一 砷蕊巍，“j j 浙江大学硕士学位论文 侧的卷辊由电机驱动，另一侧的卷辊由液压马达驱动。张力大小由液压马达一侧 调节，液压马达的输出扭矩由两端的压力差决定，压力差的大小由电液比例溢流 阀来调节。 缆张力控制实际应用系统中，两个卷辊都有液压马达来控制，在本文中仍处 于项目前期调试阶段，一个卷辊由液压马达驱动，一个卷辊由变频电机驱动。缆 张力系统的目的是根据主动方( 此处指变频电机) 收放缆不同速度、缆长的情况 动态调节张力，使张力跟随变化，满足事先设定的函数关系f = f ( s ，v ) ，f 一张力、s 一缆长、v 一速度。 卷染机控制的目的是在系统运行中，保持织物线速度和张力稳定在设定值。 卷染机主传动一般采用直流电机或交流电机，或磁粉离合器或液压设备，分别驱 动前后卷布辊，并通过一定的控制方式，获得所需的线速度和张力。由于直流电 机的可靠性差，难以适应印染行业在具有潮湿腐蚀的条件下工作的需要，又国内 的磁粉离合器质量不过关，工作不稳定，这些因素影响着卷染机的闭环控制性能。 卷染机采用交流变频传动控制方式，从直流电机的传动控制中脱颖而出，使线速 度控制性能得到很大提高，但张力控制还不够理想。 目前国外先进卷染设备大部分采用液压传动控制方式，特别是电液比例控制 技术，在印染设备中已越来越得到广泛的应用。交流变频调速具有节能与调速控 制方便等优点，其与电液比例控制技术相结合，在传动控制中显示出极大的优越 性。因此，本课题中研究的卷染机张力控制系统是使用电液控制方式。 电液比例控制技术应用在许多张力控制系统中，它与其它传动控制方式相比， 具有以下明显的优点： 1 、良好的调速特性。电机与液压技术的结合，能够在大范围内实现无级调速( 调 速范围可达1 ：2 0 0 0 ) ，并且可以在运行的过程中进行调速。若与交流变频技术 结合，不仅具有较好的调速特性，还能显著地节能降耗。 2 、输出功率大。在同等的条件下，液压传动控制能够输出更大的功率，而且控制 性能不受影响。 3 、易于实现自动化。由于液压传动与电子检测技术和计算机技术结合越来越来紧 密，易对液体的压力、流量和流动方向进行控制和调节，从而实现自动化控制。 4 、易于实现过载保护。当负载过大时，系统压力升得过高，系统安全溢流阀打开， 系统泄油。因此可以通过调节系统安全溢流阀调定系统最高工作压力，来限定 额定工作负载。 5 、容易对张力的控制。通过构成一定的压力控制回路，可以对系统进行压力控制。 浙江大学硕士学位论文 6 、由于系统中充满油液，因此对于各液压元件均能做到自行润滑，不易摩损，经 久耐用。 采用电液传动控制由于比其它传动方式有许多的优点，故本课题中对卷染机 的控制采用电液比例控制技术与交流变频调速技术相结合，其中张力部分的调整 由液压系统来执行。控制器是可编程控制器。在缆张力控制系统中张力调节也是 由液压系统来执行，控制器是微机。 1 3 电液比例控制技术简介 1 3 1 电液控制系统的发展与现状 液压伺服控制系统的发展可以追溯到第一次世界大战，首先作为军舰操舵装 置开始使用。在此以后，火炮稳定系统的控制，自行武器的控制系统，飞行器控 制系统等研究取得了极大的进展，液压伺服控制系统由于其具有动态相应快，控 制精度高，功率一重量比大等优点，在军事上得到了广泛应用。由于电液伺服阀 及电子技术的发展，近年来电液比例控制系统发展迅速。8 0 年代出现的电液比例 控制技术使电液控制系统广泛进入工业控制领域，并与电液伺服控制技术相互融 合渗透，有力地推动了电液伺服控制技术的发展。最主要的成果是工业用廉价伺 服阀地开发及广泛应用。目前，电液比例控制技术与电液伺服控制技术地界限已 经很难严格区分，一些传统的液压伺服控制技术领域中已有用电液比例阀作为主 控制器件。而在电液比例阀及电液比例控制技术中，也广泛采用伺服控制中的深 度负反馈、零开口、高动态相应等概念“”。 1 3 2 电液比例控制器控制元件现状 1 3 2 1 液压元件 比例液压控制元件很大一部分集中在比例阀方面，比例阀是以传统的工业液 压阀为基础，采用可靠、价廉的模拟电液一机械转换器( 比例电磁铁等) 和与之 响应的阀内设计，从而获得对油质要求与一般工业阀相同，阀内压力损失低，性 能又能满足大部分工业控制要求的比例控制原件。从8 0 年代开始，比例元件进入 一个新的发展阶段，比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移 内反馈和动压反馈及校正等手段，使阀的稳度精度、动态响应和稳定性都有了进 一步的提高。比例技术与伺服控制的相互融合，产生了具有伺服阀的动、静态特 性及比例阀的抗干扰、抗油污特性的比例伺服阀，使得工程电冶伺服控制的成本 及适用面扩展到更为广泛的应用领域“”。目前，高性能比例伺服阀采用了内部电 反馈技术，无零位死区，工作频宽可到2 0 - - 4 0 h z ，可满足大部分伺服控制系统的 懿如蛾 9 塑垩查兰堡主兰垡丝苎 需要。 1 3 2 2 传感器 在本论文中所研究的电液控制系统使用的传感器主要是压力传感器、位移传 感器。还有接触开关等。 液压系统中使用的压力传感器种类较多，主要有电容式、电感式、金属应变 式、半导体应变式以及电位计式压力传感器。各种形式的传感器性能相差不大， 但电容式、电感式压力传感器一般用在零漂及抗干扰性能要求较高的化工的行业， 其动态相应较慢，价格也较高。液压系统中一般采用金属应变式传感器。但是金 属应变式压力传感器的输出信号较弱，一般只有l o m v 以下，必须配专用的应变放 大器，抗干扰性能难以保证。电位计式压力传感器价格较低，性能指标及输出信 号也较为理想，但其最大缺点式电位计的触电为接触式输出，寿命及可靠性难以 保证。半导体应变式压力传感器为一种新型传感器，性能与金属应变式压力传感 器相似，但其原始输出信号较大，因而后续放大器电路较为简单，可做到与传感 器一体化安装。半导体应变式压力传感器的缺点是原始零漂较大，但是半导体工 艺及电子电路的改进已基本上解决了零漂补偿问题。在实际系统中应根据系统的 不同要求，选择性价比高的传感器“”。 位移传感器主要有接触式和非接触式。非接触式又分为直线式和旋转式两大 类。本系统采用卷绕机构，所以对速度与位移都采用旋转式传感器。直线式位移 感器的测量长度有严格的规定，特别是大尺寸的直线式位移传感器种类少，价格 高。多圈旋转式位移传感器可以通过设计不同的直线一旋转变换比来适应不同的 测量长度，其绝对测量精度不遂测量总长度变化，易于设计高精度的长行程测量 装置。旋转式位移传感器主要有光电编码盘，旋转脉冲计数器等“”。光电编码盘 精度有1 0 0 - - 5 0 0 0 码转不等，输出为数字脉冲信号，较易与计算机接口。光电编 码盘的输出脉冲信号还可用作速度信号，进而得到加速度信号。 1 3 3 伺服控制器及控制计算机发展现状 伺服控制器的发展与电子技术及控制器件的发展紧密联系在一起。从十八世 纪的蒸气机上的简单的反馈控制及一战中军舰火炮控制器起，经历了机械控制器、 电子管控制器、晶体管控制器、模拟集成电路控制器、数字集成电路及数字计算 机控制器，以及广泛使用的微型计算机、微处理器、可编程控制器等几个过程。 采用计算机及数字电路控制器具有传统控制所无法比拟的优点。一是控制器的设 计简单化，可靠性高。二是采用计算机可以实现智能化控制器设计。三是可以采 用一些复杂的控制算法，如模糊控制、自适应控制、智能p i d 控制及自学习控制 l o 浙江大学硕士学位论文 等，这些控制算法与传统的p i e ) 反馈控制或简单的p 反馈控制算法相比，在相同 条件下可得到较理想的控制性能。 数字计算机控制器一般有两种常见的实现形式，一种是采用i n t e l 、p h i l i p s 、 n e c 、t i 等公司生产的微处理器的嵌入式控制器，如采用m c s 9 6 、m c s 5 1 系列的 单片机，或者运算处理能力较强的d s p 等。另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，而价格却越 来越便宜。目前许多公司都推出针对工业控制专用的工业控制p c 机，在电源、抗 干扰等方面做了专门设计，提供了众多可扩展的专用接口卡及外围电路，极大的 方便了工业控制应用系统的设计。 1 4 本课题的选题意义与研究内容 1 4 1 选题意义 在本文第一节中对张力控制系统在工业生产中的广泛应用已经举了很多例 子，从中可以看出研究张力控制技术对纺织、造纸。轧钢、印染等各行业的重要 性。这些行业基本上都是我国的传统产业，在技术上整体水平与国外同行业差距 较大。2 0 0 1 年我国已经正式加入世贸组织，从2 0 0 2 年元月一日许多的产品的关税 将大幅下调，这意味着我国靠关税来保护内资企业产品的时代将要过去，众多厂 家将直接面临世界级大企业的竞争，压力是前所未有的，因此提高产品竞争力是 国内厂商面临的最严峻的一项任务，提高产品竞争力的主要手段之一就是提高自 身的技术水平，尽快缩小与发达国家的差距，在未来几年内我国入关还有一个缓 冲时期，因此谁能把握住这个机会谁将最终赢得市场。 由于张力控制技术在许多应用方面有较强的通用性，因此本文中研究的张力 控制技术可以比较方便的移植应用到其他生产领域如造纸、印刷等，具有较强的 通用性，有很好的市场应用价值。此外在缆张力控制中研究了机电液一体化与计 算机控制技术结合应用，提高了系统控制精度与响应速度。本文对电液比例技术 与计算机控制技术在工业控制结合应用做了有意义的探讨。 1 4 2 本课题的研究内容 本文在综合各种张力控制系统的控制方法基础上，结合具体的两个实际工程 项目( 缆张力控制系统和卷染机张力控制系统) ，对电液比例张力控制技术进行了 一定的研究，同时在对计算机控制技术方面也作了部分的研究。具体分为以下几 方面： 1 缆张力控制系统结构与卷染机张力控制系统结构 浙江大学硕士学位论文 由于在这两个系统中卷绕机构的收卷缆和放卷缆中卷辊上的织物缆的质量 是时变的，在卷绕过程中织物中的水分在卷筒上并非围绕圆周均匀分布，另外卷 径也在不断变化，所以在转动中卷辊的惯量是在不断变化的，对于本文中的卷绕 机构的张力控制对象是一个大惯量时变对象，这给控制带来很大的麻烦。因此对 卷绕机构张力系统结构的正确分析是实现张力准确控制的首要环节。 缆张力控制系统和卷染机的张力系统有一定的差别。因为缆张力控制设备中 以控制张力跟随缆长变化为主，而卷染机中对速度控制的要求较高，要求速度保 持恒定。缆张力系统复杂度更高，系统更庞大，同时有系统响应有一定的滞后， 因此要建立恰当的系统模型，以便准确实现张力控制性能。 2 张力的检测 从上面的分析可以看出卷绕机构张力控制系统中控制对象惯量的变化很难测 量，难以采用补偿控制( 间接法) 。最好采用直接法。采用张力计直接检测加工物 的张力，构成张力闭环；直接检测加工物的线速度，构成线速度闭环。张力控制 系统中张力的检测也是该课题难点之一。为了检测张力，卷染机和缆张力系统分 别设计了各自的张力检测机构。 3 张力控制器 这方面内容主要是控制器的选用和电路接口的设计。控制器是张力控制系统 的核心部分，根据系统的具体不同要求，卷染机和缆张力系统的控制器分别是可 编程控制器和工控机。应为卷染机系统相对较单一，影响因素少于缆张力，另外 使用与p l c 配套的变频器控制电机转速性能较好，所以使用可编程控制器已经能 够满足系统性能的要求。而缆张力系统中由于需要处理的数据较多，有多路压力 和速度信号需要采集处理，对浮点运算能力要求较高，同时需要控制多个溢流阀 和方向阀，因此对控制部分要求较高，故采用是工控机作为主控制器，p l c 作为 辅助控制器。 4 系统仿真与试验分析 这部分具体介绍张力控制实现的方法、系统数学建模仿真、控制算法的研究、 克服系统误差的方法、对试验数据进行分析处理等。 1 5 本章小节 在本章中通过对张力控制技术应用领域的介绍，阐述了张力控制系统研究的 重要意义。通过对比几种常用的张力控制方式，分析了电液比例控制技术在卷绕 机构中进行张力控制的优点，阐明了之所以在缆张力控制系统与卷染机张力控制 系统中使用电液比例控制技术控制张力的原因。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章：电液张力控制系统的结构与原理 【内容提要】本章将从张力控制目标出发，介绍张力控制系统的各个组成部分，然后对缆 张力控制系统与卷染机张力控制系统的结构与控制原理进行分析。其中先分析缆张力控制系 统，然后对比卷染机张力控制系统，分析他们主要不同之处。最后针对影响张力控制的干扰因 素做了进一步分析。 2 1 缆张力电液控制系统 2 1 1 系统控制目标 缆张力控制系统的控制目标是为了模仿水的阻力，当测试绞车进行收放缆绳 时，缆张力控制系统进行张力自动跟踪调节，通过调节牵引绞车提供不同情况下 的仿真张力，具体是根据预先验算过得的张力函数f = f ( s ，v ) 来跟踪控制的，f 为缆的张力，s 为缆绳排放的长度，v 为缆绳排放速度。在最终系统设计中，测试 绞车与牵引绞车都是液压动力控制的。在本文中仍处于项目前期工作，系统以变 频电机驱动的绞车替代测试液压绞车。根据项目甲方提供的张力控制系统验收主 要要求如下： 1 牵引缆车可在o 一2 1 1 1 s 范围里变速调整。 2 排缆马达能够满足在牵引绞车运转时，随时根据缆绳直径变化改变排缆间 距。 3 缆速在o 一0 5 m s 变化过程中，保持张力( 3 0 0 0 n ) 稳定( 波动值在2 0 0 n 范围内) 4 根据提供的张力函数f = f ( s ，v ) 曲线实现张力跟随控制，此处验收实验 中v 取定值o 3 n g s 和o 5 m s ，张力的波动范围在目标值2 0 0 n 以内。 5 对张力传感器进行准确标定，使用称重传感器对其进行标定。 2 1 2 系统结构 缆张力电液控制系统是以工控机为控制核心的液压伺服控制系统，系统整体 分为专用液压源、控制中心、牵引机构、检测装置和被测系统( 负载装置) 五部 分。本文中着重讨论控制、检测装置、牵引机构三个部分。缆张力电液控制系统 组成如图2 1 所示。 鎏簸”。；4 浙江大学硕士学位论文 l 曩鋈ll 萋鍪l fj厂 v 弋夕 k 、l r i 7。， 工控机陟儿一 加 卜一 转换 _ j d a 转换 排缆速度张力 速度 图2 1 缆张力控制系统框图 本系统中的控制中心是工控机，它负责接受操作命令，采集速度与张力信号， 处理检测信号，发出控制指令，自动调节张力与速度，输出系统运行状况信息。 p l c 作为下位机负责显示压力、流量和稳度信息，控制系统电源和泵站操作，处 理意外情况，同时提供自动与手动两种控制选择，当选择手动时由控制柜中的模 拟器件操纵系统，选择自动挡时系统由工控机来控制。工控