卷绕线张力控制系统的建模与研究_张涛
张力控制系统的研制资料
基于PLC的张力控制系统的研制——任胜乐，卢华，王永章，富宏亚摘要：纤维卷绕张力是在这影响直接卷绕产品的质量复合材料的模制技术的一个重要因素，并且张力控制是在纤维缠绕技术的关键技术。
本文介绍了一种闭环张力控制系统与可编程逻辑控制器（PLC）与功能模块作为控制核心，将交流电（AC）伺服电机作为执行元件和半径，下面的设备来完成实时半径赔偿。
张力控制系统的机理进行了分析和数值模型建立。
涡旋的半径的补偿技术是分析。
实验结果表明，该系统可以很好地胜任具有控制精度高，反应速度快。
关键字：张力控制，PLC，数控绕线机;交流数字伺服电机复合材料纤维的组件绕组具有某些优点如低体重，高强度和高耐腐蚀性，并且它们被广泛应用于航空，航天业。
许多研究表明，不适当的或不稳定的紧张导致的强度损失20％-30％的纤维缠绕组件。
一个理想的张力控制系统应提供稳定，在卷绕过程中张力可调。
与卷绕机的发展，张力控制器有，到目前为止，经历了三个发展阶段，即机械张力控制器，电气张力控制器和电脑张力控制器。
与发展电子技术和的外观微处理器较高的性价比，电脑张力控制器投入使用。
微处理器成为控制系统的核心从而减少了的电路的数目电子控制系统，这大大简化了系统，提高了它的可靠性，并使得有可能先进的控制方法的应用。
因此，这种类型的控制器被广泛使用。
张力控制技术日趋成熟和规范在一些发达国家得到改善。
然而，中国的纤维缠绕产业起步晚，而且与西方国家相比仍然落后。
机械张紧器，具有精度低，响应速度慢，占国产应用张紧器的主要部分，并不能满足张力的要求。
因此，本文提出了一种基于PLC的张力控制系统。
1设置了该系统计划1.1建设系统卷绕张力控制系统一般包括三个主要部分，即退绕，处理器和卷绕器，它也可以包括测量和控制部件，辅助输送装置和一个载荷传感器。
开卷的络筒机和类型可能是其中的两个驱动器类型，表面驱动器或中心的车程。
面的驱动装置，一个涡旋件或皮带被设置卷绕材料的表面上，驱动力通过摩擦产生的。
液位与配比控制系统
置等组 成。配 比通常指几种粉体 （ 液体 ） 按一定 的 比例配 置在
一
起； 或指粉体和液体按一定的 比例配置在一起 。
２ 液位与 配 比工艺
液位 与配比工艺示 意图如 图 １ 所示 。淡碱储罐 中储存 的 是 回收的淡 碱。来 自浓碱运输车的浓碱 由 ｌ泵输送 到低位储 ＃ 罐 ｌ ４ 。根据车 间用碱 工艺单 ， ２ 泵 向高位储罐 ５中注 ＃～ ＃ 由 ＃
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同， 需要在调试过程 中根据实测数 据建立数 据表 ， 在控制 时进
行调 用 。
口 科研设计 成果 口
时地跟随 Ｖ ， 从而减小张力的波动 ， 进一步改善系统的动态性能。
（） ３ 复合张力控制 ａ 张力闭环控 制 ） ， 张力 闭环控制 ， 系指仅仅依靠张力给定与张力反馈之间 的 误差进行控制。这种方案的主要特点是直接检测张力， 张力控制 精度高。控制的难点在于如何保证张力 的平稳性 ， 众多的因素会 影响材料张力的 平稳性 ， 如机件的材质、 机件的加工精度 、 传动副 的间隙、 机构的安装状况 、 材料与导辘包 角中粘附区和滑动区的变 动以及张力传感器本身的特性都会影响张力的平稳性。 在起动 、 停车 、 改变车速 的动态过程 中 ， 绕线速度 Ｖ 对 卷 ： 牵引辊线速度 Ｖ 的跟随性 直接关系 到张力 的平稳性 ， ， ， Ｖ 是对 材料张力 的外部扰 动。在卷绕 过程 中 ， 卷径 半径 ｒ ２的增 大是 对材料张力 的内部扰动 。根据 图 ２ 这两种扰动只有造成张力 ， 偏离设定值后才 能产 生控制作用 。 ｂ 变比值控制 ） ． 根据图 ２ 当改变车速 Ｖ 时 ， ， 如果 Ｖ 不能及时地跟随 Ｖ ， ： 则只有造成 张力偏离给定值并产生误差 ， 再经 Ｐ 运算处理 ， Ｉ 输 出控制信号去改变变频器 的输 出 ， 终使 系统 达到新 的平衡 ， 最 张力恢 复到设定值 。 如果在改变车速 Ｖ 的同时 ， Ｐ 控制器的输 出中叠加与车 在 Ｉ 速成比值的前馈分量 ， 则可以及时地改 变变频器 的输出， Ｖ 及 使 ：
卷绕张力控制系统的建模及张力观测器的设计
卷绕张力控制系统的建模及张力观测器的设计
卷绕张力控制系统的建模：
1. 对于卷绕系统中的驱动和卷取部分，可以建立一个传感器为输入，输出为高精度电机转速和电机转矩的传递函数模型。
2. 对于张力感知系统，可以通过负载单元和力传感器建立一个力传递函数模型，将输出转化为张力信号。
3. 将以上传递函数模型组合在一起，可以建立卷绕张力控制系统的整体传递函数模型，从而实现对系统的建模。
张力观测器的设计：
1. 设计接近式张力传感器：通过安装在卷绕轴承处，测量轴承支撑轮轮轴的位移，进而计算轮轴上的张力值。
2. 设计压电式张力传感器：通过利用压电效应原理，将轴承支撑轮施加的压力转化为电信号，测量轴承支撑轮轴承的张力值。
3. 设计毫米波雷达式张力传感器：通过使用毫米波技术，测量工作区域内物体的距离，并通过信号处理计算出轴承支撑轮上的张力值。
4. 将张力传感器的输出信号与卷绕系统输入信号进行比较，通过PID控制算法实现对张力的精确控制。
恒张力恒速度卷绕控制系统的设计及应用
信号采集，进而通过改变收卷辊和放卷辊的速度及速度 差，实现对卷绕过程中张力和速度的调控，此卷绕控制系 统有望应用到实际生产现场。简化的卷绕控制系统如图 1 所示。
图 1 卷绕控制系统
Techniques of Automation & Applications 19
《自动化技术与应用》 2021 年第 40 卷第 6 期
Key words: winding control system; PLC; tension sensor; rotary encoder; constant tension; constant winding speed
1 引言
卷绕系统往往应用于造纸、纺织、冶金等领域，出于 产品生产工艺的需求，卷绕控制系统往往需要对张力及 卷绕速度进行控制。当张力值过小时，物料带会变得松 弛；当张力值过大时，物料带往往会出现崩断的现象，使 产品质量大大降低[1]。与此同时，改变系统卷绕速度同样 会影响生产效率。为此，必须设计一种基于恒张力、恒卷 绕速度的卷绕控制系统，以使相关生产厂家获得最大的 生产效率、获得最高的经营利润。本文以简化的卷绕控 制系统为分析对象，通过张力传感器和旋转编码器实现
关键词 : 卷绕控制系统；PLC；张力传感器；旋转编码器；恒张力；恒卷绕速度 中图分类号：TP273 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2021)06-0019-04
Design and Application of Constant Tension and Constant Speed Winding Control System
工业控制与应用
Industry Control and Applications
卷绕系统中的张力控制研究
卷绕系统中的张力控制研究摘要：对卷绕系统中的收放卷张力控制进行了概述，针对张力的控制，提出了三种实用的解决方法，即应用张力传感器、超声波模块以及伺服电机，实现料带收放卷时的速度恒定，提高了产品质量。
最后对三种实现张力恒定方法的优缺点进行了比较分析。
关键词：卷绕系统；张力；控制在造纸、印刷、绷带、拉丝、轧钢等很多场合，为了提高产品的质量，要求保持材料张力的恒定，以纸卷为例，需要保持纸的张力恒定，也就是要保持纸的拉力恒定。
早期卷绕系统中的收放卷生产系统存在一些缺点，比如机械结构复杂、控制精度不高等，直接影响到工厂生产的正常效率和产品质量。
必须对卷绕系统的电气控制部分进行改造，使之具有先进可靠的控制和监测功能，以适应高效率安全生产的要求。
1卷绕系统中的张力控制概述张力控制广泛应用于各种卷壳及滚筒组成的卷绕生产线上,特别是印刷包装行业。
对卷绕机械来说,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。
本文首先在物理定律的基础上给出一个比较精确的数学模型。
而对于一个性能优良的张力控制器来说,除了要采用更智能的控制策略外,良好的控制曲线设计可以取得事半功倍的效果,为此还给出了控制器的运行曲线,这些运行曲线在实际的运行中取得了良好的效果。
2张力控制的方法2.1张力传感器检测张力在简单的卷绕控制系统中，假设使用的执行结构是磁粉制动器(放卷侧)和磁粉离合器(收卷侧)，只需手动改变接在线圈两端的电压，磁粉磁化程度发生变化，固定部件与运动部件之间的摩擦力发生变化，引起了运动部件的运动阻力变化，同时卷绕系统的材料张力就得到改变。
当张力的精度要求高时，可通过张力传感器、PID控制器、磁粉制动器(或磁粉离合器)等组成闭环控制系统，或者是张力传感器、PID控制器以及变频器、电动机组成闭环控制系统，另外还可在卷绕系统中加入触摸屏用于全线生产速度和全部工艺参数的设定。
PID控制器可由PLC的内部模块或者PID指令设定。
变频器(Variable－frequencyDrive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
基于卷对卷系统的张力滑模变结构控制
基于卷对卷系统的张力滑模变结构控制作者：杨航王朝立来源：《智能计算机与应用》2020年第03期摘要：张力控制技术在锂电池生产和轧钢等卷对卷设备运行中显得十分重要，是很多控制设备的基础技术之一，其性能直接影响产品的质量和生产的效率。
针对张力控制系统存在的非线性、时变等问题，通过研究张力控制系统的动态特性，建立了卷对卷系统张力的数学模型。
选择了滑模变结构控制策略，结合变速趋近律和指数趋近律的方法设计了一种新的控制律。
削弱了采用一般的滑模变结构控制方法难以避免的系统抖振问题，提高了目标跟踪精度，有效减少了张力误差。
以二轴张力控制系统为研究对象进行仿真分析，在Matlab平台上建立张力控制系统的数学仿真模型，分析了该系统的响应特性和跟踪性能。
仿真结果表明系统可以快速准确地跟踪方波与正弦信号，并能有效抑制简单滑模变结构控制的抖振问题，验证了所设计的控制方法的有效性。
关键词：卷对卷系统; 张力控制; 滑模变结构控制; 计算机仿真【Abstract】 Tension control technology is very important in the operation of roll-to-roll equipment. It is one of the basic technologies of many control equipment. Its performance directly affects the quality of products and the efficiency of production. Aiming at the problems of non-linearity and time-varying in tension control system， the mathematical model of tension in winding system is established by studying the dynamic characteristics of tension control system. The sliding mode variable structure control strategy is selected， and a new control law is designed by combining variable speed reaching law and exponential reaching law. It reduces the chattering problem which is difficult to avoid by using the general sliding mode variable structure control method， and improves the tracking accuracy of the target. The two-axis tension control system is taken as the research object for simulation analysis. The mathematical simulation model of tension control system is established on Matlab， and the response characteristics and tracking performance of the system are analyzed. The results show that the system can track square wave and sinusoidal signal quickly and accurately，and can effectively suppress the chattering problem of simple sliding mode variable structure control， which verifies the effectiveness of the proposed control method.【Key words】 ;roll-to-roll systems; tension control; sliding mode variable structure control; computer simulation0 引言張力控制广泛运用于锂电池生产、轧钢、造纸和纺织等工业生产中，各类卷材中的张力值直接影响产品的质量。
行波管螺旋线缠绕机张力控制系统的设计
制参数 ， 为了提高螺距精度 ， 保证缠绕制品的质量 ，
缠 绕机 必须配 备 性 能 可靠 的张 力控 制 系 统 。本 文 主要论 述张力 控制 系统 的设计 。
计 了张力检 测 装 置 ， 然后 确立数 学模 型 ， 用增 量式数 字 Ｐ Ｄ控 制 器 ， 采 Ｉ 设计 了张 力控 制 器 。通过 仿真证 明能较好地 满足 预期 的控 制要 求。 关 键词 ： 力控制 系统 ； 张 增量 式数 字 Ｐ Ｄ控 制 器 ； 粉 制动 器 Ｉ 磁 中图分 类号 ： Ｐ ７ ． Ｔ ２３ ５ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ２—１ １ （０ ０ １ —０ ５ １７ ６ ６ ２ １ ）９ ０ ３—０ ４
的螺距精度对螺旋线行波管的性能提升至关重要。 螺旋 慢 波结构 的成 型工艺 中 ， 要将不 同规 格 需
的钨带 或钼带 ， 张力 的作 用下 按照 规定 的螺旋 升 在
角、 螺距和匝数缠绕在不同直径的芯杆上。行波管 螺 旋线缠 绕机 即为完 成缠 绕工艺 的 自动化设 备 ， 张
力控 制 系统是行 波 管 螺 旋线 缠 绕 机 的重 要 组 成 部
波 管实现 微波 能量 放 大 的关键 结 构 。螺 距 是 螺旋 线 慢波结 构 的一 个重 要参数 ， 接影 响到螺旋 线慢 直 波结构 的色 散特 性 和 耦 合 阻抗 ３。螺 旋线 慢 波 结
内压的能力 ， 提高其抗疲劳特性 ， 提高螺旋线慢波 结构 的螺距 精度 。如果 张力 过大或 过小 ， 就不 能保
张力 系统结 构如 图 １所 示 。对 于行 波 管 螺旋 线缠绕 机 ， 张力 控 制 的好 坏 直 接影 响产 品 的质 量 。 随着 放线 机构在 放线 过程 中卷径 逐渐 变小 ， 每层所 放 出的钨 带或 钼 带 的长 度是 不 同 的。 当放 线 轮 的 卷径减 小 时 ， 制 动 力 矩 Ｔ 不 变 ， 绕 制 张 力 变 若 则
合股机张力系统建模与控制策略研究的开题报告
合股机张力系统建模与控制策略研究的开题报告一、研究背景合股机作为一种重要的纺织机械，主要用于织造过程中的纱线张力调节，对织造品质有着至关重要的影响。
传统的合股机张力控制主要依靠经验调整，存在控制精度低、生产效率低等问题。
因此，如何研发一种合股机张力控制系统，提高其控制精度，降低生产成本，成为当前的研究热点。
二、研究目的本文旨在建立合股机张力系统的数学模型，分析其特性，并设计合理的控制策略，提高合股机的控制精度和生产效率。
三、研究内容1. 合股机张力系统建模2. 张力控制算法的研究3. 张力反馈控制系统的设计4. 仿真实验和数据分析四、研究方法本文主要采用理论分析和仿真实验相结合的方法。
通过对合股机张力控制系统进行建模，并设计合理的控制算法和策略，最后通过仿真实验来验证算法的可行性和有效性。
五、研究意义合股机张力控制系统是纺织生产中不可或缺的关键技术之一，研发一种高效、精确的合股机张力控制系统具有重要的实际意义。
本文的研究成果将为纺织企业提高生产效率，降低生产成本，提高产品质量和市场竞争力提供参考和指导。
六、预期成果1. 建立合股机张力系统的数学模型，并分析其特性。
2. 研究合股机张力控制算法，设计合理的控制策略和反馈控制系统。
3. 在MATLAB/Simulink软件平台上进行仿真实验，验证算法的可行性和有效性。
4. 对仿真实验结果进行数据分析, 提出优化改进意见。
七、研究计划第一年：宏观调研、文献查阅、合股机张力系统的数学模型建立。
第二年：合股机张力控制算法的研究、张力反馈控制系统的设计。
第三年：仿真实验和数据分析、论文撰写及答辩。
八、预期难点1. 合股机张力系统的数学模型建立。
2. 张力控制算法的研究，特别是在快速扰动下的稳定性问题。
3. 张力反馈控制系统的设计，如何在实际生产过程中合理选择反馈量。
九、参考文献1. 车悦，陈洪波. 合股机张力控制策略的研究[J]. 纺织学报，2013，34(7)：1-5.2. 国家纺织行业标准化技术研究开发中心. 合股机张力控制系统设计指南[S]. 北京：中国标准出版社，2015：1-10.3. 李超，赵明灿. 基于PID控制的合股机张力控制研究[J]. 机械设计与制造，2014，4(3)：25-28.4. 石磊，刘珂. 基于自适应滑模控制的合股机张力控制策略研究[J]. 电力系统自动化，2016，40(24)：1-5.5. 张成伍. 合股机张力控制系统的仿真研究[D]. 北京：煤炭科学研究总院，2017：1-52.。
浅谈纤维缠绕张力控制机构的结构及控制系统设计论文
浅谈纤维缠绕张力控制机构的结构及控制系统设计论文浅谈纤维缠绕张力控制机构的结构及控制系统设计论文1 引言纤维缠绕是玻璃钢生产中的重要成型工艺之一，纤维缠绕工艺是纤维在一定的预张力作用下，浸渍树脂粘结剂后，按照一定的线型有规律地排布在芯模上，在缠绕过程中，提高密实程度，进而提高制品的强度。
在复合材料制品缠绕成型过程中，对纤维材料施加张力并对张力进行精密控制是十分重要的，施加张力可以使纤维拉直、驱除气泡、渗透树脂，使缠绕出的制品更加紧密，同时为了避免因张力过大造成纤维断裂而影响产品的质量。
这又对缠绕张力参数的控制提出了更高的要求。
2 设备机构设计计算机控制缠绕是用纤维预浸树脂通过特定的机械和控制，将已浸过树脂的纤维，按所要求的线型规律缠绕至芯模表面上，其性能水平对缠绕制品的质量和工作性能起着决定作用。
2. 1 缠绕工艺玻璃纤维从带有张力控制的纱架引出，经过树脂浸透，进入安装在行走轨道的缠绕小车上的绕丝嘴，并按一定规律均匀缠绕在旋转的模具上。
缠绕小车延轨道做纵向直线来回运动，绕丝嘴垂直轨道做径向进退运动。
主轴模具1 由伺服电机根据要求通过减速机减速做均匀旋转，其旋转速度由编码器输出反馈; 缠绕小车3 由伺服电机根据所需的要求通过减速机减速延轨道4 做纵向均速来回运动，其行走速度由编码器输出反馈; 绕丝嘴2 由伺服电机根据要求通过减速机减速做径向进退运动，其运动速度由编码器输出反馈。
玻璃纤维5 从带有张力测量反馈装置7 的纤维安装控制8 引出，经过胶槽6 浸透树脂后，进入安装在缠绕小车3 上的绕丝嘴2; 主轴的旋转、小车的纵向运动和绕丝嘴的径向运动组成缠绕机的主运动，由计算机控制。
由于纤维缠绕于模具上的张力直接影响到产品的质量，所以纤维的张力控制是非常重要的。
2. 2 缠绕机结构由于计算机控制纤维缠绕机是将纤维按照一定的规律均匀的缠绕在芯模上而成型的专用设备，组成主体的各部件可实现计算机控制三坐标。
在满足工艺要求的前提下，又考虑结构的紧凑性，为此总体布局将主轴箱、尾座、轨道小车、绕丝嘴设计在一个主体框架上，并根据制品的大小设计成两工位缠绕，如图2。
卷绕张力模糊控制
绕速度 (m /m in) ; V0 - 夹送辊线速度 (m /m in) ; f - 材
料的前滑量 ,前滑量为张力的函数 [ 3 ] 。
设 V0h为带材的机架出口速度 , f为前滑量 ,根据
前滑量关系
Voh = ( 1 + f) V0
(5)
上式中的前滑量是随着张力而变化的 ,通常前滑
量与张力的关系可用直线规律表示
的隶属函数分别被等底缩小 0. 5、0. 5 和 0. 5;最后对
SZ ( s)
=
EB L
△V(Βιβλιοθήκη s)-EB L
f0
S0
V0
Z
(
s)
(8)
1
W ( s)
=
Z( △V
s) ( s)
= 1+
f0 S0 V0 L- 1
= KZ s 1 + TZ s
(9)
EB f0 S0V0
根据式 (9)可得到如图 3所示的张力模型 ,可通
过此数学模型获得张力仿真的张力值 。
1. 3 张力控制结构
在此采用逻辑“与 ”,逻辑“或 ”方法 。首先 , 在
推理前提中取各个条件中隶属度最小的值作为规则
的隶属度 ,以规则 ②为例 : E属于 NS的隶属度为 0.
5, EC属于 ZR 的隶属度为 0. 5,因此取最小的 0. 5为 ΔU = PS的隶属度 ,同理得到 ΔU = ZR 的隶属度为 0. 5;ΔU = NS的隶属度为 0. 5。其次 ,用所得隶属度 乘以推理后隶属函数 ,即 ΔU 属于 ZR、NS和 PS子集
= {NB (负大 ) 、NS (负小 ) 、ZR (零 ) 、PS (正小 ) 、 PB (正大 ) };为使输出精度更高 , 设输出量 ΔU 的模 糊子集为 ΔU = {NB (负大 ) 、NS (负小 ) 、ZR (零 ) 、PS (正小 ) 、PB (正大 ) };将输入量 E、EC 和输出量 ΔU 的大小均量化为 9 个等级 , 则其论域为 { 2 4 , 23 , 2 2 , 2 1 , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 }。输入 、输出量的隶属 函数度图形如图 5、图 6所示 。
开题报告-光纤缠绕张力控制系统建模
3 课题主要研究内容
力矩电机模型：根据力矩电机的电压平衡方程，得到力矩电机的数学模型：
3 课题主要研究内容
张力传感器模型：张力传感器在整定以后，基本实现性的关系，但是由于 机械的作用 不可避免的有延迟现象，因此，张力传感器的传递函数可以用 一个一阶延迟环节来表示：
K0 T0 S 1
其中
K0 为张力变送比例系数; T0 为张力检测器延迟时间常数。
2 课题系统概述
张力控制系统介绍：
光纤缠绕张力控制系统如图所示，主要有三部 分构成，解卷部分、控制部分、检测部分。 （1）解卷部分。这部分由放收线电机构成，采 用直流无刷力矩电机，该电机具有线性的机械特性 曲线，通过调速可以很好的控制输出力矩 ，控制光 纤的走向，使之平稳运动。 （2）控制部分。这部分由舞蹈轮构成，该施力 装置就是张力控制系统中的张力执行元件，起到对 大范围张力跳变的吸收或缓冲功能，它具备快速响 应的动态特性、良好的静特性及控制可靠等特点。 （3）检测部分。这部分由张力传感器构成，张 力传感器安装在靠近收线电机的定滑轮上，可以检 测缠绕时光纤上的张力，发生张力的波动时，及时 进行调整，保证缠绕到绕线管上光纤的张力恒定， 它具有响应速度快、精度高及位移量小等特点。
毕业设计开题报告
指导教师： 姓 名： 学 号：
毕业设计题目
光纤缠绕张力控制系统建模
目录
1 课题研究目的和意义
2 课题系统概述
3 课题主要研究内容 4 研究进度及具体安排 5 主要参考资料
1 课题研究目的和意义
光纤环是光纤陀螺的传感核心,一个长期稳定并且比较小的张力 值是评价光纤环品质高低的最基本的因素。而缠绕张力是缠绕工艺 中重要的参数，其可以有效地提高光纤环的强度、疲劳性能及密实 程度等性能。 为了获得高精度缠绕系统，张力控制系统则是整个光纤缠绕系 统中重要的一个部分，其性能的优劣直接影响光纤缠绕绕组的图样， 由于光纤材料本身和精确缠绕图样的要求缠绕过程中光纤上的张力 必须保持在一定的范围内。因此，工业缠绕中普遍使用的控制系统 已不能满足光纤的特殊性质，需要设计专门用于光纤的高精密缠绕 系统， 这则需要建立精度更高光纤缠绕张力控制系统。
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第 2期
计
算
机
仿
真
2008 年 2 月
文章编号 : 1006 - 9348( 2008) 02 - 0328- 04
卷绕线张力控制系统的建模与研究
张 涛, 臧小惠 , 杨劲松
( 常州大学城轻工学院 , 江苏 常州 213164) 摘要 : 自动卷绕线控制系统中 , 张力控制是十分重要的一环 , 控制的好坏直接影响到产品质量及生产效率的高低。建立张力 控制系统的模型能从理论上对其进行深入地研究 , 为 先进控制 算法的引 入奠定理 论基础。以放 卷张力控 制系统为 研究对 象 , 在深入分析自动卷绕线张力控制系统放卷部分受力情况的基础上 , 推导了放卷张力系统的数学模型 , 并指出张力系统状 态方程的建立方法。在对张力控制系统控制策略研究的基础上 , 利用 S i m u link仿真平台建立了放卷张力 P I D 控制系统的仿 真模型 , 并给出了相应的仿真结果 , 为张力控制系统的分析与研究提供了必要的理论依据。 关键词 : 张力控制 ; 建模 ; 放卷 ; 卷绕线 中图分类号 : TM 921 文献标识码 : B
在建立放卷张力 P ID 控制系统模型的基 础上 , 对 其进行 仿真分析 , 并给出了相应的 仿真波 形。图 6 为 放卷张 力 P I D 控制系统模型的阶跃响 应曲线。
Q
卷的面密度 , P 0 是卷轴 的阻力 矩 , Rm 为 最大 半径 , D为 滚动 摩擦阻力系数 , g 为重力加速度。
4 放卷张力控制系统的建模与仿真
M odeling of Unw inding Tension Control ofW inding Syste m
ZHANG T ao, ZANG X iao- hu,i YANG Jing- song
( Changzhou Institute of L ight Industry , Chang zhou Jiangsu 213164, Ch ina) AB STRACT : T ension contro l is a very i m po rtant part of process contro l in auto m atic w ind ing syste m. T he qua lity of contro l dec ides the quality o f products and the productiv ity . T he tension contro l sy stem can be researched pro found ly if its model is estab lished, and the advanced control a lgor ithm can be used in the tension contro l syste m. Th is pape r analyses thorough ly the unw ind ing tension con tro l syste m and gets a m ath m odel of the s i m p le syste m. It ind icates the w ay for setting up the equation of the dyna m ica l syste m. Based on resea rching the control strategy o f tension contro l syste m, an e m ulating m ode l o f unw inding tension contro l syste m is presented in Si m ulink env ironm en t , and the co rre spond ing w avefor m s of s i m u la tion a re g iven. It prov ides an use fu lm ethod to ana lyze the tension contro l syste m. K EYW ORDS : T ension contro ; l M ode ling ; U nw ind ing ; Au tom atic w ind ing
)
329 )
将式 ( 10 )代入式 ( 7 )得 : T P bQ 4 v 2h F = - (J0 + (R ( t) - r4 ) ) + Bv R ( t) 2 2PR 4 ( t) ( 11 ) 其中 b, Q及 h 为 不变的参数 , 可得 : v 2k T - ( J0 + k1 (R 4 ( t) - r4 ) ) 4 2 + Bv ( 12 ) R ( t) R ( t) PbQ h 其中 : k1 = ,k = 2 2 2P F = 由式 ( 12 )可以看出 , 张力 F 受半 径 R ( t) 和速 度 v 影响 的同时 , 还与卷筒初始 转动 惯量 , 初始 半径 及卷 筒上的 卷材 的密度有关。 31 3 张力扰动 分析 半径的实时变 化和速 度的 干扰是 影响 张力 控制的 最主 要因素。因此在设 计张力 控制 系统时 应该 着重 考虑对 半径 的鲁棒以及克服速度 冲击带来的干扰。 将式 ( 12 )变形 , 可得张力扰动方程 : M R dv T + + f g dt R R M f 和 R 分别为机械阻力矩和带卷半径 : F = BL Mf = R [ ( 13 )
1 引言
自动卷绕线控 制系 统中 , 要使 系统 稳定运 行 , 张力 控制 精度是较为关键的一点。因为许多 因素如 : 收卷和 放卷直径 的不断变化 ; 卷筒纸的质量 ; 环境的 温度湿度 ; 纸带 的速度变 化等都会导致纸张张力不稳定 , 从而使系 统工作技 术指标超 出正常范围。因 此为保 证系 统的工 作品 质、 效率及 可靠 性 , 良好的张力控 制系统 是必 需的 条件 [ 1] [ 2] 。 建立 张力控 制系 统的模型能从理论上对其进行 深入地研究与 分析 , 为先进控 制算法的引入奠定理论基础。针对 上述问题 , 以放 卷张力控 制系统为研究对象 , 在分析张力控制系统 放卷部分 受力情况 的基础上 , 推导放卷张力系统的数学模型 , 并研究 利用 S i m ulink 仿真平台建立放卷张力 P ID 控制系统的仿真模型。
图 3 放卷张力控制系统简化模型
T S 为张力 变送 器 , TC 为 张力 控 制器 , M B 为磁 粉 制动 器 , v 为卷材 走速 ( m / s), r为 卷芯 半 径 ( m ), R 为 卷 带半 径 ( m ), X 为卷带卷速 , T 为磁粉制动器的输 出力矩 ( K g# m ), I 为控制电流。系统的工作原理 为 : 当卷材 的张力值 与设定值 不一致时 , 控制器经运算后输出相应的控制电流 I, 改变磁粉 制动器输出的制动力 矩 T, 以达到控制张力的目 的。 卷筒匀速运转时 , 根据扭矩平衡公式 : FR - T = BX 则静态动力方程为 : F = T+ B X R ( 2) ( 1)
由式 ( 4 )可知 , 惯量 J、 转速 X、 加速度 影响 , 增大了系统的控制难、 半径 R 都对 张力有 dt
31 1 速度 v 对张力的影响 卷筒卷绕一周需要一定时间 , 故可将半径 R 在一 段时间 内看作定值 , 假设 J 值稳定 , 讨论速度对张力的影响。 设在时间增量 dt 内 , 长度增 量为 dl, 半径 增量 为 dR, 料 厚为 h, 线速度为 v, 则卷筒端面面积增量为 : ds = d l @ h = 2PRdR = vhd t 即: dR vh = dt 2PR 根据圆周运动角速度公 式 X = v /R, 则有 : dX d X dR v vh v2 h = =- 2 =dt dR d t R 2PR 2PR 3 把式 ( 6 )代入式 ( 3 )可得 : FR - T = - J 式中 : J = v 2h + B vR 2PR 3 ( 5)
3 放卷系统的受力分析与数学模型
本文对张力控制 系统的放卷部分进行研 究 , 放 卷张力控 制系统的物理模型如 图 3 所示 [ 3] [ 4] [ 5] 。
( 6)
( 7)
1 1 mR 2 = PR 4 hQ , 其中 Q为占积率。 2 2 代入式 ( 7 )可得 : 1 v2 h FR - T = PR 4 hQ + B vR 2 2PR 3 =F = 1 2 Rh Q + B vR 4 ( 8) ( 9)
T 1 2 2 h v Q+ Bv R 4
式 ( 9 )表明 , 当其他条件不变时 , 卷 材的线速度增大则其张力 也增大 , 反之亦然。当 速度 有较小 的变 化 , 都会引 起张 力的 较大变化。 31 2 卷径 R 实时变化对张力的影响 在系统的工作过程 中 , R 实时变化 导致放 卷张力 实时变 化 , 同时放卷辊的转动惯量 J 值也实时变化。 在图 3 中 , 令 J 0 为 卷芯 转 动惯 量 , J 为 实 时 转动 惯 量 , 可得 : P bQ 4 J ( t) = J 0 + (R ( t) - r4 ) ( 10 ) 2 其中 : b 为卷材宽度 , Q为卷材的体密度。
收稿日期 : 2006 - 12- 19 修回日期 : 2007- 02- 07
控制磁粉制动器 , 收卷 张力 控制器 控制 直流 电机的 转速 , 使 前后张力恒定于设定值。为防止所 卷产品纵 向偏移 , 在前后
)
328 )
各安装气液纠偏 装置 和光电 纠偏 装置。系 统电 气原理 图如 图 2 所示。
2 自动卷绕线的构成
张力控制系统 被广 泛应用 于造 纸 , 印刷 , 染织 包装 设备 等生产过程中。自动卷绕线的结 构如图 1 所示。
图 1 自动卷绕线系统结构图
本系统由一台交流 电机和一台直流电机 进行驱动 , 交流 电机转速 由变 频器 控 制。采 用两 个 三菱 张 力 控制 器 LE 40M TA - E 来对放卷和收卷进行张 力控制 , 放 卷张力 控制器