造紙機紙帶張力測控系統(tǒng)設(shè)計

年4月19日造紙機紙帶張力測控系統(tǒng)設(shè)計文檔僅供參考，不當之處，請聯(lián)系改正。造紙機紙帶張力測控系統(tǒng)設(shè)計金松 （機械與汽車工程學院指導教師：高?。┱涸诂F(xiàn)代造紙行業(yè)中，紙頁張力控制是極其重要的一環(huán)，良好的張力控制能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。本論文具體針對在造紙機的紙頁運轉(zhuǎn)過程中收卷放卷張力控制進行討論與研究。論文主要設(shè)計了用于造紙機收放卷部分的張力控制的設(shè)計，主要是以16位COMS類型高性能單片微型計算機80C196KC為主控單元，結(jié)合必要的外圍電路和磁粉制動器驅(qū)動電路，將從張力傳感器采集來得信號進行處理，經(jīng)過與給定值進行比較，按照一定的控制策略進行數(shù)據(jù)處理，實時調(diào)整控制信號，經(jīng)過放大環(huán)節(jié)來控制執(zhí)行機構(gòu)，最終達到控制卷材張力的目的。紙機的卷繞機構(gòu)張力控制由于受力變化大，張力和速度強藕合，干擾多的特點，因此紙機的控制策略在傳統(tǒng)的PID控制不能滿足控制的要求，對其進行了改進。關(guān)鍵詞：張力控制造紙機磁粉制動器PID控制Abstract:Tensioncontrolisaveryimportantpartofprocesscontrolinpaperindustry.Goodtensioncontrolimprovesproductqualityandproductivity.Mainsubjectsdiscussedinthisdissertationfocusonthetensioncontrolinunwindingandwindingprocessesforthepapermachine.Thispaperisdesignedforpapermachinerollsreleasetensioncontrolofthedesign,basedon16typesofhigh-performanceCMOSsingle-chipmicro-computer80C196KCtothecontrolunitwiththenecessaryexternalmagneticbrakecircuitanddrivercircuit,willbecollectingmoretensionsensorsignalprocessing,withagivenvalue,inaccordancewithacontrolstrategyfordataprocessing,real-timeadjustmentofthecontrolsignal,Clickthroughthelinkstocontroltheimplementingagencies,theultimatecontrolmembranetensionpurpose.Thetensioninanyplacewillleadtotensionfluctuationinotherplaces.Tensioncontrolbecomesmoredifficultbecausemodernpapermachinepossessinghighspeedandautomaterial-exchanging.Inthissystem,traditionalPIDcontrolcannotsatisfytherequirementstheprecisionoftensioncontrolandthestabilityofcontrolsystem.Sowemustmodifythecontrolstrategytomeettheneeds.Keywords：TensionControl；PaperMachine；magneticbrake；PIDcontrol第一章緒論1.1概述張力控制廣泛應用于各種卷殼及滾筒組成的加工生產(chǎn)線上，如造紙廠、印刷廠、紡織漂染廠、食品廠等。這些生產(chǎn)線在處理紙張、薄片、絲、線、布等長尺寸材料的過程中，必須有一定的張力。以卷筒紙為例，為了使印刷過程穩(wěn)定，必須保持紙帶張力恒定不變而且有適當?shù)卮笮?。張力太小會導致皺褶、套印不準等弊?。簭埩μ髸o謂增加機器負荷并容易使紙帶斷裂；而張力不穩(wěn)定會使紙帶發(fā)生跳動，也會導致套印不準、重影等問題。因此為了保持生產(chǎn)的品質(zhì)，效率及可靠性，一套功能完備的張力控制系統(tǒng)是必須的條件。論文討論的張力控制系統(tǒng)集中在卷繞機構(gòu)的張力控制方面。在造紙行業(yè)中，張力是一個主要的影響參數(shù)。張力過大可能使紙張撕裂或者過薄，影響產(chǎn)品質(zhì)量，而過小則可能引起紙張起皺和材質(zhì)的不均勻，降低其質(zhì)量。在紙張生產(chǎn)過程中，紙張的放卷和收卷是兩道關(guān)鍵的工序，在此過程中由于卷筒的半徑在隨時變化，不同半徑時對張力的要求又不一樣，要求內(nèi)緊外松，這給紙張在收放過程中的張力控制增添了很大的難度。紙頁張力的自動控制是造紙過程、紙張再加工(浸漬、涂布、復合、軋花、套色印刷等)和紙張的整飾過程(復卷、分切、超軋等)中必不可少的電氣自動化配備裝置。近年來中國的造紙工業(yè)迅猛發(fā)展，造紙和加工設(shè)備向高速、高質(zhì)量、高效益發(fā)展。為了適應工業(yè)發(fā)展的需要，許多單位逐漸引進了國外的一些先進技術(shù)和設(shè)備，在這些先進的造紙機和涂布機上均配備了紙頁張力的自動控制裝置。張力自動控制可稱為近代先進造紙設(shè)備的特征之一。紙頁的張力自動控制直接影響著紙機的車速提高，紙頁再加工的質(zhì)量；能減少損紙，增加產(chǎn)量；能進行合理地收卷、放卷；提高紙張的成品率及提高紙機實際運行效率；特別是當前紙張市場競爭激烈，要提高紙機的車速，提高生產(chǎn)力，使用紙頁張力自動控制裝置可在原來紙機的設(shè)備情況下提高紙機車速。在高速紙機上，張力自動控制的作用就更重要了，其經(jīng)濟效益和社會效益就更加明顯。在紙張的印刷生產(chǎn)過程中，張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性也影響到印刷產(chǎn)品的質(zhì)量，卷筒紙輪轉(zhuǎn)印刷機工作時，由于紙卷的外徑不斷變化，同時還有紙卷不圓、紙卷重心不與旋轉(zhuǎn)軸重合，或者更換紙卷，改變機器工作速度等原因，都可能引起紙帶上的張力變化，造成走紙不穩(wěn)，印品皺褶、重影，甚至發(fā)生紙張斷裂或堵塞等嚴重問題。特別是對于高速卷筒紙膠印機，張力的波動和變化對印刷套準精度影響更大。因此如何使紙張在印刷過程中保持張力恒定，是設(shè)計人員的重要課題。隨著工業(yè)控制技術(shù)水平的提高，特別是微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，微處理器與可編程控制器等大規(guī)模集成電路的廣泛應用，將它們與傳統(tǒng)工業(yè)控制方式相結(jié)合，加速了工業(yè)自動化水平的提高。越來越多的工業(yè)控制過程在使用計算機控制技術(shù)，并在實時控制方面取得了很好的效果。由于客戶對產(chǎn)品性能的要求不斷提高，對企業(yè)的加工要求也更高，使用傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)很難生產(chǎn)出滿足客戶要求的產(chǎn)品。許多廠商己將計算機控制技術(shù)運用到張力控制系統(tǒng)上。計算機技術(shù)使得更高級、更智能的控制策略得以運用，并進一步推動了控制理論的發(fā)展。采用較先進的控制策略對傳統(tǒng)的控制方法進行改進，往往能夠取得立竿見影的效果。1.2張力控制的原理在本文中將主要研究如何更加有效的對張力進行控制。本文所討論的張力控制技術(shù)主要是指卷繞機構(gòu)的張力控制技術(shù)，經(jīng)過具體的項目造紙機的張力控制系統(tǒng)來說明張力控制的具體實現(xiàn)方法和技術(shù)特點。無論多么復雜的系統(tǒng)，其張力控制原理上總是大同小異，因此能夠用一個簡化的卷繞機構(gòu)來說明張力控制的原理，如圖1.1所示。張力控制裝置整體能夠分為三部分：1）張力/速度檢測裝置；2）控制裝置；3）執(zhí)行機構(gòu)及驅(qū)動器。張力/速度傳感器根據(jù)不同的場合和控制要求進行選擇。執(zhí)行機構(gòu)又分為收卷機構(gòu)和放卷機構(gòu)，兩者在有的系統(tǒng)中能夠互換?？刂破魇窍到y(tǒng)的控制核心，它將速度、張力等傳感器采集來的信號進行處理，經(jīng)過與事先給定的控制指標進行對比，按照一定的控制策略進行數(shù)據(jù)處理，實時調(diào)整控制信號，經(jīng)過放大環(huán)節(jié)來控制執(zhí)行機構(gòu)，最終完成對張力和速度的調(diào)整。根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的不同張力控制方式能夠分為電機張力控制系統(tǒng)，電液張力控制系統(tǒng)，磁粉張力控制系統(tǒng)，以及其它的如杠桿搖擺式等。圖1.1卷繞機構(gòu)張力控制系統(tǒng)示意圖在實際生產(chǎn)中，實現(xiàn)卷繞機構(gòu)的張力控制方式主要有3種：1.采用張力傳感器直接測量加工物的張力，構(gòu)成張力閉環(huán)，或者直接檢測加工物的線速度，構(gòu)成線速度閉環(huán)。稱為直接法；2.由于引起張力F或者線速度V變化的主要擾動量是卷徑D的變化，因此能夠采用擾動補償控制。稱為間接法；3.復合控制，結(jié)合以上兩種方法。不論采用那種控制方案，都必須設(shè)置檢測裝置，構(gòu)成控制閉環(huán)。這在實際生產(chǎn)中常常帶來許多困難，即使采用擾動補償控制也是如此。1.3張力控制的常見方式現(xiàn)在較為常見的傳動控制方法主要有以下幾種，或是幾種互相結(jié)合應用：1.電氣自動控制電氣自動控制是當前應用較為普遍的一種。其控制系統(tǒng)方框圖如圖1.2所示。長期以來，直流電動機在卷繞機構(gòu)傳動控制中占據(jù)相當重要的地位，在變頻調(diào)速技術(shù)出現(xiàn)以前主要以直流電機傳動來實現(xiàn)卷繞機構(gòu)的速度調(diào)節(jié)和張力控制，在傳動控制方面有一定的優(yōu)越性。為保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，一般要求在卷繞過程中張力和速度均為恒定，但根據(jù)工藝要求能夠進行調(diào)節(jié)。在線速度恒定時，卷取輥的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)徑成反比，因此調(diào)節(jié)卷取輥的直流電機就能夠?qū)崿F(xiàn)加工物的速度控制；加工物的張力控制經(jīng)過調(diào)節(jié)卷取輥所聯(lián)結(jié)的直流電機，產(chǎn)生一個與加工物傳送方向相反的制動力矩。該電機是被加工物拖著轉(zhuǎn)的，工作在發(fā)電制動狀態(tài)，張力與退卷輥轉(zhuǎn)速成雙曲線關(guān)系，故其受加工物速度和卷徑的干擾。加工物線速度控制只要利用一卷徑檢測裝置構(gòu)成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)勵磁電流即可實現(xiàn)速度控制。直流電動機雖然解決了速度和張力控制問題，體現(xiàn)出一定的優(yōu)點，可是機械式換向器這一致命弱點限制了它的應用。交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使交流電機能擔負起直流電機的調(diào)速功能，交流電機結(jié)構(gòu)簡單可靠，并具有節(jié)能效果，因此交流電機變頻調(diào)速技術(shù)迅速得到廣泛的應用。圖1.2電氣控制系統(tǒng)方框圖2.氣動式自動控制圖1.3所示是一種卷筒隨動式張力控制裝置。該裝置能夠用連接到控制閥的隨動臂來調(diào)節(jié)?？刂崎y依照退卷輥半徑大小，調(diào)節(jié)進入制動器的壓縮空氣的壓力。圖1.3一種氣動式張力控制裝置2.液壓傳動控制液壓控制技術(shù)已經(jīng)相當成熟，并廣泛應用于工程實際中。液壓傳動又分為電液伺服控制和電液比例控制，比較而言電液比例控制的動力傳遞方便，輸出功率大，控制精度高和相應特性好。當前，國內(nèi)外均將液壓控制技術(shù)應用于各類卷繞機構(gòu)上，特別是在軋鋼等大功率生產(chǎn)線中占有重要地位，取得了良好的控制效果。在這一領(lǐng)域電液比例控制和電液伺服控制相結(jié)合，獲得了廣泛應用。1.4論文研究的意義現(xiàn)在國內(nèi)很多造紙企業(yè)，特別是運用高速造紙機的廠家，與其產(chǎn)品配套的張力控制器無論放卷、供料、收卷都是國外大公司研制的張力控制器，不但價格昂貴，而且在某些方面還不能很好地滿足實際要求。課題任務就是設(shè)計出一種更為簡單實用的張力控制系統(tǒng)以取代原來采用的張力控制系統(tǒng)。當前，中國造紙產(chǎn)品的檔次愈來愈高，新型的包裝材料的使用，印刷質(zhì)量的高標準要求，企業(yè)對生產(chǎn)效率的高要求等，使得造紙包裝機械自動化程度愈來愈高。特別是高速造紙機的發(fā)展，這就要求造紙機的張力自動控制要更為靈活、快速和準確。近年來，很多國內(nèi)企業(yè)逐漸參入到張力控制系統(tǒng)的研究中來，而且提出了很多問題和解決方案，市場上也漸漸出現(xiàn)了各種型號的國產(chǎn)張力控制器?？墒谴蟛糠之a(chǎn)品功能較單一，控制精度也不高，買一款物美價廉的張力控制器并非易事。因此，借鑒和吸取日本及歐美國家當今最新型張力控制器的設(shè)計方法和優(yōu)點，結(jié)合當前最新的研究成果，設(shè)計出在性能和可靠性方面滿足自己要求的張力控制器已成為必要。在承擔此任務后，作了如下工作：（1）首先閱讀了大量國內(nèi)外的相關(guān)文獻，了解了張力控制研究當前所處的階段；對張力控制系統(tǒng)的數(shù)學模型進行了了解和分析，在此基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)的PID控制策略進行了分析和改進，探討了積分分離型PID、變速積分PID、變結(jié)構(gòu)PID等控制策略。（2）仔細閱讀了日本三菱公司LE-40MTA-E張力控制器的說明資料，了解了其大致功能，為后期設(shè)計張力控制板做好必要的準備。有了一定的張力控制方面的理論基礎(chǔ)，了解了張力控制的流程，開始設(shè)計了一種基于80C196KC單片機的、功能簡單但力求實用的張力控制器。1.5論文章節(jié)安排第一章緒論對張力控制系統(tǒng)進行概述，對張力控制系統(tǒng)的應用場合，工作原理，常見控制方式等進行了闡述，最后揭示了課題意義和研究內(nèi)容。第二章對現(xiàn)代造紙機抄紙的一般過程進行了闡述。以及對紙機卷繞系統(tǒng)的收卷放卷兩部分進行了詳細的受力分析，并給出了這兩部分卷材張力的表示式，進而分析了卷繞過程中影響張力控制的幾個主要因素。第三章從實踐上介紹了自己設(shè)計的張力控制器的大致構(gòu)成和所采用的各集成塊，給出了最小系統(tǒng)圖及各功能塊原理圖。第四章針對紙機張力控制策略系統(tǒng)的特點分析了普通PID控制的不足，提出了幾種改進的PID控制策略。第五章對本論文進行了總結(jié)，指出了幾點不足之處，并對下一步的研究方向和張力控制的發(fā)展趨勢進行了展望。第二章紙機抄紙過程及動力分析2.1紙機抄紙過程紙機一般是由網(wǎng)部、壓榨部、前烘干部、施膠部、后烘干部、壓光部、卷曲部等分部組成，同時有許多輔助設(shè)備密切配套，這些輔助配套設(shè)備與紙機的正常運行有許多聯(lián)鎖關(guān)系。現(xiàn)代造紙機一般的抄紙過程：打漿車間送來的濃紙漿在混合箱與白水混合稀釋后形成稀紙漿，經(jīng)過除砂裝置去除漿料中的塵埃和漿團，經(jīng)過網(wǎng)前箱流布在銅網(wǎng)上。紙漿在銅網(wǎng)上經(jīng)自然濾水，形成濕紙頁，經(jīng)壓榨部脫水后，連續(xù)經(jīng)過兩組烘缸干燥，最后經(jīng)壓光作為成品紙，上卷筒卷取，其工藝流程圖如下所示圖2.1造紙機工藝流程圖由于紙機各分部傳送著生產(chǎn)過程中的紙張，根據(jù)造紙工藝的要求，各分部間要求達到線速度比例協(xié)調(diào)(相鄰兩個分部間的線速度比值應保持恒定)，高精度地、可靠地保持這個比例系數(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)正常運行的重要條件，任何原因破壞這種比例協(xié)調(diào)，就會降低產(chǎn)品質(zhì)量。同時，紙機的這種速度比例協(xié)調(diào)關(guān)系應在該變車速或停機后重新開機時繼續(xù)保持，而不需重新調(diào)節(jié)，因此紙機傳動系統(tǒng)的控制精度和對紙張的質(zhì)量和紙機的運行有著至關(guān)重要的作用。2.2收放卷張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般，卷繞機械的張力控制不止一個環(huán)節(jié)。這次論文設(shè)計的任務是紙機在收放卷中紙頁的張力控制，因此介紹的重點是放卷張力控制系統(tǒng)和收卷張力控制系統(tǒng)。收卷和放卷的控制結(jié)構(gòu)是類似的，以放卷為例。張力檢測器檢測負載張力，經(jīng)過張力放大送到以微處理器為核心的控制器，控制器綜合給定和反饋張力，輸出控制信號，經(jīng)穩(wěn)流電源驅(qū)動磁粉制動器作用到卷軸，形成張力閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用速度檢測能夠?qū)C器運轉(zhuǎn)作出預測和補償。圖2.2放卷張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1.1張力的產(chǎn)生卷繞機構(gòu)對控制系統(tǒng)的基本要求是保持卷材的張力恒定，因此有必要知道張力是怎么產(chǎn)生的，這樣才能找到設(shè)計恒張力控制系統(tǒng)的正確途徑。圖2.3卷繞系統(tǒng)簡圖圖2.3所示為一卷繞系統(tǒng)。設(shè)卷材張力為T，卷輥直徑為，前一單元運行中卷材的線速度為,卷繞單元運行的線速度為。如果>，則卷材將被拉伸，卷材張力變大；如果<，則卷材將收縮，內(nèi)應力變小，卷材變得松弛。因此，速度和與張力有密切關(guān)系。根據(jù)胡克定律，卷材內(nèi)的張力T為：（2-1）式中：ε為卷材的彈性模量；σ為卷材的截面積；L為傳動點之間的距離；t為機器啟動時間。由上式可見，卷材在作為張力調(diào)節(jié)對象時，是一個積分環(huán)節(jié)?？刂茝埩嶋H就是在控制線速度差-，因此，從某種意義上說，張力控制系統(tǒng)實際上就是一種線速度跟蹤系統(tǒng)。在啟動過程中，假定送料線速度恒定，應該總是控制在>，以使卷材內(nèi)產(chǎn)生一定的張力，當卷材達到合適張力后，應該及時調(diào)節(jié)動力機構(gòu)使穩(wěn)定，這樣，卷材就在此張力下穩(wěn)定運行。2.1.2收卷過程分析在收卷過程中，假定恒定，卷繞線速度,如果電動機的轉(zhuǎn)速不變，則將隨卷徑的增大正比的增大，張力T也成正比的增大，卷繞軸上的卷繞力矩將以更快的速率增大，這樣很容易引起卷繞過程中卷材的過度拉伸而導致卷材變形甚至斷裂。因此，在啟動結(jié)束后應該立即保持不變，使卷材張力恒定，由式知，應隨卷徑的增加而成反比地減小。在收卷過程中，根據(jù)動態(tài)力矩平衡有：（2-2）其中：為作用在收卷輥上的等效拖動力矩;為收卷卷徑;為收卷輥的角速度;為收卷輥的轉(zhuǎn)動慣量（,為收卷筒上卷材的轉(zhuǎn)動慣量，為收卷輥芯軸的轉(zhuǎn)動慣量），為阻尼系數(shù)。由于在卷繞過程中，收卷輥的轉(zhuǎn)動慣量隨時間的變化而變化，即是時間的函數(shù)，對于這種非線性的時變系統(tǒng)又增加了控制難度。對式(2-2)可加以分析，對于薄膜這樣的卷材，如果卷輥勻速轉(zhuǎn)動，且不考慮阻尼系數(shù)的變化，而且在實際生產(chǎn)過程中，卷軸軸心的轉(zhuǎn)動慣量往往要遠遠大于薄膜這樣密度較小的卷材的轉(zhuǎn)動慣量,因此能夠?qū)⒖傓D(zhuǎn)動慣量認為是一個恒定值。由此可得到卷繞系統(tǒng)的靜態(tài)力矩平衡方程：（2-3）式(2-3)變化得到張力表示式：（2-4）因此在靜態(tài)時，只要控制好，使其跟隨卷徑的變化而變化，即可保證卷材張力T為恒定，控制起來簡單方便。顯然，在實際卷繞過程中，總要受到外界因素的干擾，因此，靜態(tài)卷繞只是一種最為理想的情況，在實際過程中很難實現(xiàn)。對于動態(tài)力矩方程，能夠看到影響力矩平衡的因素很多，如卷材質(zhì)量m，實時卷徑，轉(zhuǎn)動慣量，阻尼系數(shù)，轉(zhuǎn)速等，因此有必要作進一步的討論。設(shè)薄膜的密度為，寬度為b，收卷輥軸心直徑為，則有：(2-5)將(2-2)式代入公式得：(2-6)由公式得：(2-7)將公式(2-5)(2-6)(2-7)代入公式(2-2)可得：(2-8)力矩方程(2-8)中包含有線速度和卷徑的微分，顯然，這兩者之間是有密切的聯(lián)系的。設(shè)薄膜厚度為σ，已卷薄膜長為L，由面積相等可得：可推出：能夠得到：(2-9)將(2-9)式代入(2-8)式中，即可得到張力T的表示式：(2-10)對于薄膜這樣的卷材，由于其厚度一般很小，因此在卷繞過程中，卷徑的變化一般不會很快。因此在較短的時間內(nèi)，能夠?qū)⒕韽娇醋魇且粋€常數(shù)，同時在進行動態(tài)分析時，能夠考慮摩擦轉(zhuǎn)矩是一恒定值，則上式表明了卷材張力T與線速度的關(guān)系。由于線速度有平方項和導數(shù)項存在，因此線速度的較小變化必將引起卷材張力T的較大變化，反過來，卷材張力T有較小變化時，線速度的變化不是很明顯，即兩者之間的相互影響力是不一樣的。如果將卷徑的變化考慮在內(nèi)，由式（2-10）能夠看出卷徑對于卷材張力T的影響也較為顯著和激烈。2.1.3放卷過程分析圖2.4放卷系統(tǒng)簡圖放卷過程同收卷過程一樣，啟動時必須使>,這是張力產(chǎn)生的前提條件。先由牽引電機帶動牽引輥轉(zhuǎn)動，使卷材拉伸，此時要控制好制動器件的制動轉(zhuǎn)矩，當張力T達到所需值時，此時應能拉動制動器件轉(zhuǎn)動?？梢?，放卷部分的卷材張力是主動力。放卷輥的力矩平衡方程為：(2-11)其中：為作用在放卷輥上的等效制動力矩;為放卷卷徑;為放卷輥的角速度;為放卷輥的轉(zhuǎn)動慣量（,為放卷輥上卷材的轉(zhuǎn)動慣量，為放卷輥芯軸的轉(zhuǎn)動慣量），為阻尼系數(shù)。在靜態(tài)時即勻速轉(zhuǎn)動時，同收卷側(cè)分析時一樣，在認為總轉(zhuǎn)動慣量恒定和阻尼系數(shù)不變的前提下，能夠得到靜態(tài)力矩方程：(2-12)上式變形即可得到張力表示式：(2-13)因此在靜態(tài)時，只要控制隨卷徑D1的變化而成比例變化，即可控制卷材張力T恒定，控制起來非常簡單方便。放卷側(cè)和收卷側(cè)一樣，放卷過程的這種情況在實際過程中由于受干擾也很難實現(xiàn)。因此，有必要分析放卷側(cè)的動態(tài)力矩平衡方程。類似的推導過程同樣能夠得到：(2-14)其中，為放卷輥芯軸直徑，ρ為卷材密度，b為卷材寬度。故可求得：(2-15)又(2-16)而(2-17)將式(2-14)(2-15)(2-16)(2-17)代入式(2-11)可得到卷材張力T的表示式為：(2-18)可見，在放卷側(cè)同收卷側(cè)一樣，卷材張力T也受到放卷線速度和放卷卷徑的影響，這一點從前面的公式能夠看出。綜合收卷放卷兩方面的討論，不難得出這樣的結(jié)論：放卷側(cè)的張力與收卷側(cè)的張力一樣，受到卷繞線速度和卷徑的影響，而且這種影響程度要遠遠高于張力對它們的反作用。如果將線速度和卷徑看作是張力控制系統(tǒng)中的兩個干擾量，則在設(shè)計張力控制系統(tǒng)時應該著重考慮這兩個干擾量對系統(tǒng)產(chǎn)生的作用，要使系統(tǒng)不但對速度的沖擊具有較強的抵抗能力，同時對卷徑的變化也要具有較強的魯棒性。就張力控制系統(tǒng)而言，小型的分散的張力控制一般見微處理器來控制;而大型的集成的張力控制一般見工控機或者PLC;或者采用不同的組態(tài)，如用基于微處理器的控制器控制執(zhí)行機構(gòu)，上位機采用集成能力更強的工控機或者PLC來統(tǒng)一調(diào)度，協(xié)調(diào)控制。在印刷包裝行業(yè)中，分散的小規(guī)模的控制更加常見，因此設(shè)計基于微處理器的張力控制器，經(jīng)過改良控制策略，來提高控制的精度和性能具有極高的商業(yè)價值。第三章張力控制器硬件設(shè)計在紙機行業(yè)，一般都是較為分散的控制系統(tǒng)，很多廠家使用的張力控制器都是日本三菱公司的產(chǎn)品，雖然功能很齊全，控制精度也很高，可是價格非常昂貴，而且很多功能在現(xiàn)場從來沒有得到使用，這樣雖然成本提高了，可是卻沒有得到充分利用，無形中浪費了資源。3.1張力測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在設(shè)計時采用了Intel公司的高性能16位COMS型微處理器80C196KC和雙端輸出類型的脈沖寬度調(diào)制器TL494，采集芯片采用了MAXIM公司的快速12位模數(shù)轉(zhuǎn)換集成模塊MAX197。因為選擇的執(zhí)行器件是磁粉制動器和磁粉離合器，而它們的轉(zhuǎn)矩與勵磁電流在很大的范圍內(nèi)成線性關(guān)系，因此在控制卷材張力時，只需要控制磁粉制動器和磁粉離合器的勵磁電流，間接地控制了制動轉(zhuǎn)矩，從而也就控制了張力，實現(xiàn)起來非常簡單方便?？刂破髟砜驁D如圖3.1所示：圖3.1張力控制器原理框圖80C196KC是一種高性能而價格低廉的16位單片機，片內(nèi)有帶采樣保持器的八通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，采用逐次轉(zhuǎn)移原理將多至八路的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；片內(nèi)數(shù)據(jù)總線和CPU都是16位，對片外儲器操作時，數(shù)據(jù)總線能夠采用16位，也能夠采用8位；28個中斷源組合成15種不同的中斷，再加上非屏蔽中斷、軟件陷阱中斷、未實現(xiàn)代碼中斷等三個特殊的中斷類型，使得系統(tǒng)處理事務的能力變得尤為強大；特別是片內(nèi)自帶有3路PWM輸出口，使用起來十分方便。由于片內(nèi)自帶的8/10位A/D在10位精度時轉(zhuǎn)換一次所需的時間為168個機器周期，而且一次只能采樣一個通道，當采用16M晶振時采樣一次耗時21μs，當連續(xù)采樣4路張力信號時，耗時約85μs，顯然若CPU要讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須在10位A/D轉(zhuǎn)換器啟動后的21μs時間之外，不能滿足張力控制系統(tǒng)實時性的要求，同時考慮系統(tǒng)控制精度的要求，設(shè)計時沒有采用片內(nèi)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，而是采用了MAXIM公司生產(chǎn)的一種性價比較高的快速12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器——MAX197。僅僅有了張力閉環(huán)還不能達到張力控制精度的要求，設(shè)計時采用PWM模塊TL494和磁粉制動器驅(qū)動電路構(gòu)成電流閉環(huán)，由于電流環(huán)速度要求比較高，實際上這部分由模擬電路來實現(xiàn)電流環(huán)的控制?；?0C196KC的控制系統(tǒng)包括最小系統(tǒng)、信號放大、液晶顯示、RS485、A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出、磁粉制動器驅(qū)動等部分，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖示：圖3.280196KC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2數(shù)據(jù)采集3.2.1張力傳感器信號放大由于張力傳感器送來的信號非常微弱，一般只有幾個毫伏，因此在將張力傳感器傳送來的張力信號送入采集模塊MAX197之前，必須要經(jīng)過信號放大環(huán)節(jié)。這部分的運算放大器采用了OP-07。OP-07是一種低失調(diào)低漂移運放，其輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流也比較小，因此其運放精度也相當高，很適用于微弱信號精密放大。而且這種運放貨源十分充分、價格便宜。放大部分原理圖如圖3.3所示。設(shè)張力傳感器傳送的張力信號為，則經(jīng)過放大后輸出信號為：（3-1）當張力信號在0~10mV范圍內(nèi)波動時，經(jīng)過放大后的張力信號在0~5V之間，因此信號經(jīng)過放大后能夠直接對其進行采樣，在每路信號輸出端用穩(wěn)壓管將放大后的最大電壓限制在采集芯片的允許范圍之內(nèi)，以免外界干擾引起張力信號的突變而損壞采樣芯片。圖3.3張力信號放大原理圖3.2.2光電隔離電路圖3.4光電隔離輸出電路原理圖為了防止強電系統(tǒng)干擾和其它類型的外界干擾經(jīng)過I/0控制回路進入計算機，在控制計算機接口中，經(jīng)常采用光電隔離的輸入輸出電路，外部信號經(jīng)過光電耦合器和計算機發(fā)生聯(lián)系，即計算機和外部信號之間無直接的電氣聯(lián)系，而是以光的形式耦合。光耦合器是一種以光的形式傳遞信號的器件，其輸入端為發(fā)光二極管，輸出端為光敏元件，如光敏三極管或光敏二極管。就其本身的工作方式而言，它是電流傳輸性的器件。當輸入信號無電流，即發(fā)光二極管不導通不發(fā)光時，輸出器件也不導通，輸出電流為零。當輸入回路有電流流動時，發(fā)光二極管導通發(fā)光，激勵輸出端的光敏器件，從而產(chǎn)生相應的輸出電流。輸入端和輸出端無直接電氣連接，經(jīng)過光傳遞信息。本系統(tǒng)采用如圖3.4所示的光電隔離輸出電路。上圖給只出了一相電路的光電隔離原理圖，其它四相和上圖相同。該電路的主要作用是:隔斷光耦合器入出電路的電氣聯(lián)系。入出兩側(cè)各自有獨立的電源，不共地，這樣，強電一側(cè)中的干擾很難進入計算機一側(cè)。此光電耦合器將電壓傳送變?yōu)殡娏鱾魉停瑸榈妥杵骷?，要感應出一定強度的電流信號，外部干擾源必須有相當大的能量。對該系統(tǒng)來說，干擾持續(xù)時間短，能量不大，因此，能夠達到抗干擾的目的。3.2.3A/D轉(zhuǎn)換MAX197美國MAXIM推出的多輸入范圍、多通道12位高速并行A/D轉(zhuǎn)換芯片。它只需單電源—＋5V供電，有8路可獨立編程的模擬輸入通道，其測量范圍為0～5V，0～10V，±5V，±10V。片內(nèi)自帶采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換時間為6us，采樣速率可達100ksps。8位數(shù)字輸出端，可輸出8位或12位數(shù)字量。另外,分別提供內(nèi)部和外部時鐘模式、內(nèi)部參考電壓(=4.096V)和外部參考電壓模式、內(nèi)部和外部采集控制。該芯片提供數(shù)據(jù)讀取并行接口方式，可與任何標準的微處理器簡便聯(lián)接，因此廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。圖3.4為MAX197的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，核心部分是一個采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一個用來切換模擬輸入通道的多路復用器以及輸入信號調(diào)理和過壓保護電路，其內(nèi)部還建有一個2.5V的帶隙基準電壓源。圖3.4MAX197內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖對A/D轉(zhuǎn)換芯片而言，高精度的參考電壓是十分重要的，因為它能夠直接影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度，一般A/D都需要外接參考電壓，而MAX197內(nèi)自帶參考電壓，因另外圍電路十分簡單，考慮到有些設(shè)計需要用統(tǒng)一的參考電壓，因此它提供了兩種參考電壓的設(shè)置方式以供選擇。圖3.5為幾種不同參考電壓的電路接法：圖3.5MAX197采用不同參考電壓時幾種典型外接圖(a)采用內(nèi)部參考電壓，參考電壓值為4.096V；(b)采用外部參考電壓，參考電壓值為4.096V；(c)采用外部參考電壓，參考電壓值為2.5V；在設(shè)計時，采用了內(nèi)部參考電壓，即采用了圖(a)所示電路，MAX197與80C196KC的連接圖如圖3.6所示：其中CH0-CH7為采集輸入通道，當前僅用了其中的4個通道，另外的4個通道在需要采集更多路的張力信號時使用。在調(diào)試時最好將備用的采集通道接地，以免在采集過程中出現(xiàn)通道串擾現(xiàn)象的發(fā)生。圖3.7所示為A/D采用程序?qū)崿F(xiàn)流程圖。圖3.6MAX197與80C196KC連接圖圖3.7A/D采樣程序?qū)崿F(xiàn)流程圖3.3單片機系統(tǒng)最小單片機系統(tǒng)是指能是單片機正常運行且電路最簡單的系統(tǒng)，在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適當增加了一些外圍電路，就構(gòu)成了系統(tǒng)硬件。由于選用的80C196KC單片機片內(nèi)沒有用程序存儲器，因此，在設(shè)計時加上了外接的EPROM。最小系統(tǒng)由單片機80C196KC和外接EPROM、RAM、晶體振蕩器（16M）、復位電路、譯碼電路等組成。圖3.8所示為80C196KC單片機最小系統(tǒng)原理圖（復位電路另外介紹）：圖3.880C196KC單片機最小系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)選用的32K的EPROM27256作為程序存儲器，用于存放控制程序和各種表格；而32K字節(jié)的靜態(tài)RAM62256作為數(shù)據(jù)存儲器，用于存放運行中的狀態(tài)變量等數(shù)據(jù)，從而起到存儲示波器的作用；由于80C196KC采用地址/數(shù)據(jù)復用總線的方式來節(jié)省外部引線，因此必須在片外增加地址/數(shù)據(jù)分離電路，我選用鎖存器74ALS573來實現(xiàn)此功能；復位電路我采用了MAX708芯片，它是一種微處理器電源監(jiān)控芯片，可同時輸出高電平有效和低電平有效的復位信號，復位信號可由VCC電壓、手動復位輸入、或由獨立的比較器觸發(fā)，在設(shè)計時采用了上電復位方式。圖3.9所示為最小單片機系統(tǒng)復位電路原理圖：圖3.9復位電路原理圖系統(tǒng)采用了可編程器件GAL22V10作譯碼電路來實現(xiàn)地址的分配，其輸出引腳作為EPROM、RAM、MAX197、液晶顯示屏的片選信號和液晶顯示數(shù)據(jù)/命令的選擇信號等。3.4串行接口電路串行通訊接口電路采用了MAX485芯片，此芯片是一種差分平衡型收發(fā)器芯片，包含一個驅(qū)動器和一個接收器，采用單＋5V電源供電，工作于半雙工方式，在同一時間只允許一個驅(qū)動器工作，到底那個驅(qū)動器工作由使能端來進行控制。在與PC機進行通訊時，需要RS232-RS485轉(zhuǎn)接器。其電路原理圖如圖3.10所示：圖3.1080C196KC與MAX485接口電路3.5液晶顯示與LED顯示方式相比，液晶顯示器具有工作電壓低、功耗小、顯示信息量大、壽命長、無電磁輻射污染等優(yōu)點，而且還可顯示復雜的文字及圖形。我選用了SMG12232A點陣式圖形液晶顯示模塊，它內(nèi)置2片控制芯片SED1520及其它輔助電路，同時，因為有背光的要求，在設(shè)計時用了獨立的一路電源為其供電。液晶顯示部分如圖3.11所示圖3.11液晶顯接口電路原理圖SMG12232A液晶顯示模塊接口信號包括8位三態(tài)數(shù)據(jù)線D0-D7，命令數(shù)據(jù)線A0，片選信號線/CS1,/CS2，以及讀與寫控制線/RD，/WR等，詳細接口信號端定義如表3-1所示及顯示程序流程圖如圖3.12所示：表3.1接口信號端定義表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地8/RD讀信號（L）2VDD電源正極9/WR寫信號（L）3VLCD液晶顯示偏壓10-17D0-D7DATAI/O4A0數(shù)據(jù)/命令選擇端18RST復位端5/CS1片選IC1信號（L）（1-復位0-正常工作）6/CS2片選IC2信號（H）19BLA背光源正極（+4.2V）7CL外接時鐘頻率（2K）20BLK背光源負極圖3.12顯示流程圖3.6驅(qū)動接口電路3.6.1PWM信號產(chǎn)生電路TL494是美國德州儀器公司生產(chǎn)的電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器，常見作計算機系統(tǒng)中作為開關(guān)電源電路，其輸出三極管可接成共發(fā)射極和射極跟隨器兩種形式，因而能夠選擇雙端推挽電路輸出或單端輸出方式，在推挽輸出方式時，她的兩路驅(qū)動脈相差180度，而在單端方式時，其兩端驅(qū)動脈沖為同頻同相。TL494芯片原理圖如圖3-13所示。圖3.13TL494內(nèi)音區(qū)結(jié)構(gòu)圖TL494的核心部分是脈沖寬度比較器，比較器的反相端接至振蕩器，從該端輸入標準鋸齒波，振蕩器的工作頻率為1KHz－300KHz。比較器的同相輸入端接至誤差放大器的輸出端。芯片內(nèi)部的兩個誤差放大器的結(jié)構(gòu)相同，輸出端用二極管隔離，每個誤差放大器可獨立使用，一般一個放大器用作誤差放大器，另一個可用作過流保護放大器。TL494獨特之處在于設(shè)置了一個獨立的死區(qū)時間控制比較器，同相端接0.1V的電平后引向4腳，利用外控電位能夠改變調(diào)制器的死區(qū)時間。輸出級由觸發(fā)器將PWM脈沖分成兩相脈沖，分別控制兩路晶體管輸出級。觸發(fā)后的輸出方式控制端13可使芯片工作在單端或雙端推挽輸出方式。當該端為高電平時，兩路輸出分別由觸發(fā)器的Q和Q端控制，形成雙端推挽輸出方式，當13腳為低電平時，觸發(fā)器失去作用，兩路輸出同時由PWM比較器后的或門輸出控制，同步工作。當兩路并聯(lián)輸出時，輸出驅(qū)動電流較大。圖4-14為由TL494組成的PWM輸出電路，TL494工作在推挽工作方式，并接成共發(fā)射極方式，由9、10兩腳輸出的脈寬信號來控制后接三極管，使三極管工作于激振蕩狀態(tài)。3腳接一電阻構(gòu)成放大器的負反饋環(huán)節(jié)，5、6腳外接電容和電阻能夠設(shè)置振蕩頻率，4腳為死區(qū)時間控制端子，所有端子定義及實測信號如下所示：1－誤差放大器1的同相端，2.52V；2－誤差放大器1的反相端，2.52V；3－反饋輸出端，3.60V；4－死區(qū)控制端，1.16V；5、6－振蕩器外接端子，振蕩頻率由下面公式可計算出：(3-2)8、11－三極管發(fā)射極，11.28V；12－電源輸入端，11.28V；13－輸出方式控制端子，5.04V；14－參考電源端子，5.04V15－誤差放大器2的反相端，1.30V；16－誤差放大器2的同相端，1.26V；圖3.14TL494外圍電路圖3.6.2磁粉制動器執(zhí)行驅(qū)動電路TL494輸出的波形疊加后類似PWM波，在脈沖的下降沿有類似電容放電的一段波形，原因是電阻R66兩端沒有并聯(lián)穩(wěn)壓電容。磁粉制動器驅(qū)動電路如3.15圖所示。圖3.15磁粉制動器驅(qū)動電路原理圖由于PWM信號的作用，三極管Q6工作在開關(guān)狀態(tài)，穩(wěn)壓管ZD9將Q6的基極最高電壓限定在5.6V；當三極管Q6通時，其集電極的電位V6c=5.6V-0.4V=5.2V，此時流過發(fā)射極的電流I6e=(5.2V-0.3V)/5.1K=0.96mA，實際中Q6集電極電流Icmax=300mA,因此Q6工作在飽和導通狀態(tài)。PNP型三極管Q10的基極電壓V10b=5.2V+I6eR70=10.1V，此時Q10發(fā)射極和基極之間電壓差△V=12V-10.8V=1.2V大于0.7V，Q10飽和導通，集電極電壓V10c=12V-0.7V-0.3V=11V。當Q10飽和導通時，后接互補對稱射隨器電路中的三極管Q12隨著飽和導通，其發(fā)射極的電壓V12e=11V-0.7V=10.3V，而MOSFET管的源極電位幾乎在4V上下波動，因此VGS=6V，此電壓差可控制后接MOSFET管導通，外接電源母線給磁粉制動器供電。在PWM的下降沿，Q6截至，此時其集電極電位迅速回升，三極管Q10的基極電位上升，使發(fā)射極和集電極的電位差小于0.7V，Q10關(guān)斷，集電極電位下降；此時，后接互補對稱射隨器電路中，三極管Q12關(guān)斷，而Q11開始飽和導通，后接的MOSFET管的VGS迅速下降到0V而切斷磁粉制動器供電電源。因此，由Q11和Q12組成的推挽電路在同一時間始終只有一個在工作，其中Q12工作在正半周期內(nèi)，Q11工作在負半周期內(nèi)，這樣在整個周期中管子功耗減小，輸出功率增大，因此推挽電路起到了功率放大的作用。第四章張力控制系統(tǒng)的控制策略4.1張力控制系統(tǒng)采用計算機及數(shù)字電路控制器具有傳統(tǒng)控制無法比擬的優(yōu)點，最主要的一點是能夠采用一些復雜的控制算法，控制器更趨向于智能化。數(shù)字控制器一般有常見的實現(xiàn)形式，一種是采用通用型微型計算機。它具有很強的浮點運算能力，更寬的數(shù)據(jù)總線，提供更多的系統(tǒng)內(nèi)存。另一種是采用Intel,Philips,NEC,TI等公司的嵌入式微處理器，如MCS51系列，或者運算能力更強的DSP控制芯片。微處理器一般比通用型計算機具有更大的靈活性。就張力控制系統(tǒng)而言，小型的分散的張力控制一般見微處理器來控制；而大型的集成的張力控制一般見工控機或者PLC；或者采用不同的組態(tài)，如上下位機方式，下位機采用微處理器，上位機則采用用集成能力更強的工控機或者PLC來統(tǒng)一調(diào)度，協(xié)調(diào)控制。在印刷包裝行業(yè)中，分散的小規(guī)模的控制更加常見，因此設(shè)計基于微處理器的張力控制器，經(jīng)過改良控制策略，來提高控制的精度和性能具有極高的商業(yè)價值。造紙行業(yè)中，卷繞機械張力控制系統(tǒng)有其自身的特點。主要的體現(xiàn)是動力模型變化大，隨著卷繞的進行，料輥的半徑不斷發(fā)生變化，從而系統(tǒng)慣量不斷增加或者減小，卷繞開始和結(jié)束，往往能夠達到幾十倍的變化，而與此相矛盾的是控制參數(shù)只能在某些工作點上整定，這樣控制器在某些工作區(qū)域內(nèi)就面臨性能降低甚至失敗的命運。其次，強藕合性。張力控制系統(tǒng)控制的是材料的張力。張力是材料在受到外力作用時的內(nèi)應力，該應力與材料的彈性系數(shù)有關(guān)，彈性系數(shù)在很多情況下也是一個可變量，在受到過大的拉力下，將超過材料的彈性極限甚至導致材料斷裂。材料在卷繞時，在材料的不同部分，材料有不同的運動狀態(tài)，一般表現(xiàn)為粘滯的和滑動的。材料的卷繞要靠一定的牽引力，為便于處理需要維持一定的速度，而有時為了工藝的需要，速度要產(chǎn)生變化，而這種變化有時是極其突然的。在這樣一個系統(tǒng)中，速度的變化必將引起張力的變化，反之張力變化也會影響速度。因此速度和張力是藕合的。在一般的控制中，一般把速度作為張力的干擾來處理。再次，多干擾。如果把張力作為控制對象，那么首當其沖的就是來自速度的干擾，表現(xiàn)最為強烈的就是突然的啟動和停止，突然的加速和減速。特別是在精細材料的加工過程中，微小的速度抖動將引起張力的極大變化。還有來自機械的，如卷筒不圓，板輥偏心等都將引起材料的抖動，從而影響張力。4.2張力控制策略PID控制因為魯棒性強，實施簡單，適應性廣等特點，在工業(yè)控制場合獲得廣泛的應用，同樣適用于張力控制領(lǐng)域?？墒菑埩刂葡到y(tǒng)畢竟是一個模型不確定的，強藕合，多干擾的系統(tǒng)，當這些特征比較突出時，單純的PID控制將失去威力。面對這種情況，首先想到的是對傳統(tǒng)的PID進行改造，例如前饋控制能夠有效的抑制干擾，提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。又如積分分離的PID能夠減小積累誤差，抑制超調(diào)：還能夠經(jīng)過改變PID控制的結(jié)構(gòu)來改進控制性能。近些年，模糊控制獲得突飛猛進的發(fā)展，有人也把它應用到了張力控制領(lǐng)域。模糊控制在時變的非線性系統(tǒng)中有獨特的優(yōu)勢，而張力控制系統(tǒng)恰恰就是這樣一種系統(tǒng)，引進模糊控制是必然的。其它的自適應控制，智能控制及自學習控制等，也接踵而至。既然系統(tǒng)表現(xiàn)為一個多輸入多輸出的系統(tǒng)，因此沒有理由一定要按照單輸入單輸出系統(tǒng)的方法來思考。系統(tǒng)模型是不確定的，能夠考慮模型改造，把導致模型改變的量納入增益參數(shù)：系統(tǒng)是強藕合的，考慮解藕，H無窮大控制能夠有效的解決張力和速度的藕合問題。這樣能夠在更廣闊的思維空間中解決控制系統(tǒng)的魯棒性問題。4.3PID控制算法理論和實踐證明了在連續(xù)控制系統(tǒng)中，被控對象為一階和二階慣性環(huán)節(jié)或同時帶有滯后時間不大的滯后環(huán)節(jié)時，PID控制是一種較好的方法。微型計算機在PID控制中的應用，又使PID控制得到進一步的發(fā)展。圖4.1為PID控制基本原理框圖：圖4.1PID控制基本原理框圖由上圖可寫出其連續(xù)表示式為：(4-1)(4-2)其中：E(t)——給定值與測量值之間的偏差；Ti——積分時間常數(shù)；Kp——調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)；Td——微分時間常數(shù)；將式(4-1)離散化后得數(shù)字PID位置式算法公式：(4-3)式中，T為采樣時間，n為采樣序列，n＝1，2，3，……;4.3.1PID算法積分項的改進被控對象不同，輸入信號的形式不同，干擾的大小和來源不同以及系統(tǒng)的要求不同等因素，往往使PID的基本算法不能滿足要求，因此常常需要在基本PID算法的基礎(chǔ)上作些改進。下面是兩種常見的抑制積分飽和的方法：1．積分分離法：在PID算法中，當誤差小到進入某誤差帶后才把積分增量累加到積分項中，從而加到輸出U中，否則把積分增量舍棄。這就是積分分離法的設(shè)計思想。這樣既保證了系統(tǒng)無靜差，又使系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定性。圖4.2積分分離PID控制在普通的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差，提高控制精度?？墒窃诰砝@系統(tǒng)中，啟動、結(jié)束、自動換卷時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出會有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，使控制量超過過大，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)振蕩，這是在生產(chǎn)過程中絕對不允許出現(xiàn)的。因此采用積分分離法后，可有效地阻止這種不良情況的發(fā)生。積分分離PID算法一般可寫成下述形式：（4-4）其中：2．變速積分PID算法：積分分離PID算法中，在偏差較大時，積分分量不積累，有利于避免積分飽和，在偏差較小時積分分量累加，有利于消除偏差?？墒沁@種算法是以[E(n)]=ε為邊界改變積分項計算方法，是所謂的“開關(guān)”控制，b是突變的。而變速積分法是在積分分離法的基礎(chǔ)上作了改進，b的改變是緩和的。變速積分PID算法表示式如下：（4-5）其中：采用變速積分PID算法，適當選取和，能夠完全消除積分飽和現(xiàn)象，而且能夠有效地消除系統(tǒng)靜差。這種算法較積分分離PID算法更為優(yōu)越。以放卷過程為例，選取，，薄膜厚度σ=200μm，放卷線速度V=120m/s，初始卷徑D0=0.8m,三種控制策略效果比較，如圖4.3所示。從圖中能夠看出，常規(guī)PID雖然上升時間較快，可是超調(diào)量σ%達到了20％以上，這在實際卷繞過程中會造成卷材的拉伸變形甚至斷裂。積分分離PID超調(diào)較小，上升時間也較快。變速積分PID超調(diào)最小，雖然上升時間較慢，可是卷繞系統(tǒng)的特點是要在嚴格控制超調(diào)的前提下才要求系統(tǒng)的上升時間要盡可能的快，因此變速積分PID控制用于卷繞系統(tǒng)時較前兩種而言更為優(yōu)越。圖4.3三種控制策略效果對比圖4.3.2PID控制器的參數(shù)整定在實際應用過程中，由于控制對象的改變，使得原來的PID參數(shù)不適應新的被動對象的需要，必須對PID控制器的參數(shù)重新進行調(diào)整。根據(jù)Ziegler-Nichols整定法，對于磁粉離合器這樣一階帶有純滯后環(huán)節(jié)的模型，設(shè)可根據(jù)如下公式獲得PID控制器的各個參數(shù)：圖4.4單位階躍響應示意圖其中一階響應的特征參數(shù)，，能夠由圖4.4提取出來，求取這些參數(shù)對實際系統(tǒng)并不困難，首先對該系統(tǒng)進行階躍輸入激勵，得出響應曲線，再根據(jù)曲線得出這些特征參數(shù)。4.4基于PI控制的卷繞系統(tǒng)分析當前用于設(shè)備上的張力控制系統(tǒng)產(chǎn)品，基本上都是基于PI律控制策略的。由于卷輥在收卷、放卷過程中，卷徑變化范圍較大，有時可達幾十倍，即在一個套印周期內(nèi)，系統(tǒng)的前向增益變化高達幾十倍，是個典型的大時變、非線性過程。這樣使得基于PI律的控制難以獲得令人滿意的效果，因此要采取相應的措施來減弱卷徑變化對張力的影響。在實際生產(chǎn)過程中一般經(jīng)過現(xiàn)場測量卷徑來修正系統(tǒng)前向通道的參數(shù)，可是需要增加檢測裝置，增大了投資成本。因此，能否用其它方法來改進這種系統(tǒng)的控制策略，使得不用增加檢測裝置，也可獲得較為滿意的控制效果。下面以放卷側(cè)為例進行分析：磁粉制動器的數(shù)學模型和磁粉離合器樣，可寫成一階帶純滯后的形式：(4-6)其中：I(s)——勵磁電流（A）；M(s)——磁粉制動器轉(zhuǎn)矩(N*m)；τ——磁粉制動器滯后時間常數(shù)(S)；——時間常數(shù)(S)；——磁粉制動器增益；不考慮轉(zhuǎn)動慣量的變化，動態(tài)力矩平衡方程可寫成：(4-7)其中：為作用在放卷輥軸上的等效拖動力矩；為放卷輥半徑；為放卷輥的角速度；為放卷輥的轉(zhuǎn)動慣量；為摩擦力矩；T為卷材張力；依據(jù)(4-6)(4-7)式，在PI控制律下的控制原理圖如圖4.5所示，可求得PI控制律下系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(4-8)圖4.5普通PI控制系統(tǒng)框圖由于滯后時間常數(shù)τ<<<1，因此可將延遲環(huán)節(jié)進行近似處理：，代入式（4-8）中，且令整理得：(4-9)其中：(4-10)這里R*為特征半徑，是用以整定系統(tǒng)參數(shù)的半徑。而實際的卷繞半徑是按照阿基米德螺旋線在變化(4-11)式中：——初始卷繞半徑；R——瞬時卷繞半徑；σ——卷材厚度；——瞬時轉(zhuǎn)角；對式(4-11)求導：(4-12)求解式(4-12)得：(4-13)從上面各式中能夠看出，在放卷過程中，實際半徑R愈來愈小，是時間的非線性函數(shù)。α隨著R的變小愈來愈大，致使系統(tǒng)的阻尼比ζ變小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越來越差。因此，對于用PI控制律的系統(tǒng)很難獲得令人滿意的控制效果，純PI控制律僅用在要求不高的場合。如果在反饋回路加上PD傳遞函數(shù)，即變結(jié)構(gòu)控制，系統(tǒng)控制框圖如圖4.6所示：圖4.6變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)框圖改進后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：(4-14)令由上式可得系統(tǒng)的各個參量為：(4-15)令，則由式(4-15)可求得：令R*/R=α，則(4-15)式可改寫成：(4-16)前面分析了PI律控制時系統(tǒng)阻尼比會隨著卷徑的變化而改變，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。因此總希望在卷繞過程中系統(tǒng)阻尼盡量維持不變，令由(4-16)式可得：(4-17)由式(4-17)可求得：因此有：(4-18)比較改進前后系統(tǒng)阻尼比隨卷徑變化的情況：改進前的阻尼比：改進后的阻尼比：由阻尼變化對比圖4.7能夠看出，改變前阻尼比隨參數(shù)α的變化非常大，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差；而改變后的阻尼比曲線變化相對來說就很緩慢，表明改變控制律后隨著卷徑的變化，系統(tǒng)的阻尼變化不大，系統(tǒng)的動態(tài)性能有了顯著提高。說明這種變結(jié)構(gòu)控制的方法在卷繞系統(tǒng)中是能夠滿足系統(tǒng)要求的，而且實現(xiàn)起來也比較簡單?？墒窃诜答伝芈芬驗橛形⒎猪?，因此必須對送入PD調(diào)節(jié)器的反饋信號進行低通濾波。圖4.7阻尼比變化對比圖4.5張力控制數(shù)學模型的建立圖4.8為不同的變量共同作用于系統(tǒng)G0時的原理圖，其中，線速度主要由主牽引電機控制，卷材張力由收卷電機和放卷電機進行控制。圖4.8分布式張力控制系統(tǒng)原理圖圖中：為給定放卷張力信號，為收卷張力信號,為給定主牽引電機速度信號：分別為放卷、牽引和收卷環(huán)節(jié)的控制信號；(i=1,2,3,4)為各段卷材張力；(i=1,2,3,4,5)為個環(huán)節(jié)的線速度；輸出信號：，V，；分別為放卷和收卷實時卷繞半徑。張力模型是在相連兩輥的受力分布和各環(huán)節(jié)速度分析的基礎(chǔ)上建立起來的，這樣建模很具有代表性，不論卷繞系統(tǒng)中的那個環(huán)節(jié)，都能夠按照這樣的方式建立數(shù)學模型。卷繞系統(tǒng)的數(shù)學模型遵循如下三條定律：1．公式推導(1)胡克定律：張力是形變ε的函數(shù)，(4-19)式中：E——楊氏模量S——卷材橫截面積L——拉伸后的長度——卷材原長ε——形變系數(shù)(2)庫侖定律：圖4.9為卷輥上卷材張力分析簡圖，分析時能夠這么認為：輥軸上的張力是卷材與輥軸之間的摩擦產(chǎn)生的；輥軸上，在弧長為a的范圍內(nèi)卷材張力是恒定的；在弧長為g的范圍內(nèi)，卷材張力是變動的。圖4.9卷輥上的張力分析圖在卷材與前輥的進入接觸點和卷材與后輥的脫離接觸點之間，卷材形變可寫成如下的分段函數(shù)：（4-20）（4-21）(4-22)(3)質(zhì)量守恒定律：卷材在拉伸前的長度為，密度為，拉伸后的長度和密度分別為：L和ρ，由質(zhì)量守恒定律，卷材拉伸后有(4-23)(4)張力-速度關(guān)系：在卷繞系統(tǒng)中，連續(xù)性方程總是成立的：(4-24)其中，V為卷材的線速度，將式(4-22)代入式(4-23)中，并對卷材的體積積分得：