造紙機(jī)紙帶張力測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

年4月19日造紙機(jī)紙帶張力測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔僅供參考，不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正。造紙機(jī)紙帶張力測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)金松 （機(jī)械與汽車工程學(xué)院指導(dǎo)教師：高?。┱涸诂F(xiàn)代造紙行業(yè)中，紙頁(yè)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(duì)在造紙機(jī)的紙頁(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中收卷放卷張力控制進(jìn)行討論與研究。論文主要設(shè)計(jì)了用于造紙機(jī)收放卷部分的張力控制的設(shè)計(jì)，主要是以16位COMS類型高性能單片微型計(jì)算機(jī)80C196KC為主控單元，結(jié)合必要的外圍電路和磁粉制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路，將從張力傳感器采集來(lái)得信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)與給定值進(jìn)行比較，按照一定的控制策略進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終達(dá)到控制卷材張力的目的。紙機(jī)的卷繞機(jī)構(gòu)張力控制由于受力變化大，張力和速度強(qiáng)藕合，干擾多的特點(diǎn)，因此紙機(jī)的控制策略在傳統(tǒng)的PID控制不能滿足控制的要求，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。關(guān)鍵詞：張力控制造紙機(jī)磁粉制動(dòng)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(yīng)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(zhǎng)尺寸材料的過(guò)程中，必須有一定的張力。以卷筒紙為例，為了使印刷過(guò)程穩(wěn)定，必須保持紙帶張力恒定不變而且有適當(dāng)?shù)卮笮?。張力太小?huì)導(dǎo)致皺褶、套印不準(zhǔn)等弊?。簭埩μ髸?huì)無(wú)謂增加機(jī)器負(fù)荷并容易使紙帶斷裂；而張力不穩(wěn)定會(huì)使紙帶發(fā)生跳動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致套印不準(zhǔn)、重影等問(wèn)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(jī)構(gòu)的張力控制方面。在造紙行業(yè)中，張力是一個(gè)主要的影響參數(shù)。張力過(guò)大可能使紙張撕裂或者過(guò)薄，影響產(chǎn)品質(zhì)量，而過(guò)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(guò)程中，紙張的放卷和收卷是兩道關(guān)鍵的工序，在此過(guò)程中由于卷筒的半徑在隨時(shí)變化，不同半徑時(shí)對(duì)張力的要求又不一樣，要求內(nèi)緊外松，這給紙張?jiān)谑辗胚^(guò)程中的張力控制增添了很大的難度。紙頁(yè)張力的自動(dòng)控制是造紙過(guò)程、紙張?jiān)偌庸?浸漬、涂布、復(fù)合、軋花、套色印刷等)和紙張的整飾過(guò)程(復(fù)卷、分切、超軋等)中必不可少的電氣自動(dòng)化配備裝置。近年來(lái)中國(guó)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(yīng)工業(yè)發(fā)展的需要，許多單位逐漸引進(jìn)了國(guó)外的一些先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，在這些先進(jìn)的造紙機(jī)和涂布機(jī)上均配備了紙頁(yè)張力的自動(dòng)控制裝置。張力自動(dòng)控制可稱為近代先進(jìn)造紙?jiān)O(shè)備的特征之一。紙頁(yè)的張力自動(dòng)控制直接影響著紙機(jī)的車速提高，紙頁(yè)再加工的質(zhì)量；能減少損紙，增加產(chǎn)量；能進(jìn)行合理地收卷、放卷；提高紙張的成品率及提高紙機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率；特別是當(dāng)前紙張市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，要提高紙機(jī)的車速，提高生產(chǎn)力，使用紙頁(yè)張力自動(dòng)控制裝置可在原來(lái)紙機(jī)的設(shè)備情況下提高紙機(jī)車速。在高速紙機(jī)上，張力自動(dòng)控制的作用就更重要了，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益就更加明顯。在紙張的印刷生產(chǎn)過(guò)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(jī)工作時(shí)，由于紙卷的外徑不斷變化，同時(shí)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(jī)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(yán)重問(wèn)題。特別是對(duì)于高速卷筒紙膠印機(jī)，張力的波動(dòng)和變化對(duì)印刷套準(zhǔn)精度影響更大。因此如何使紙張?jiān)谟∷⑦^(guò)程中保持張力恒定，是設(shè)計(jì)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(yīng)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(dòng)化水平的提高。越來(lái)越多的工業(yè)控制過(guò)程在使用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，并在實(shí)時(shí)控制方面取得了很好的效果。由于客戶對(duì)產(chǎn)品性能的要求不斷提高，對(duì)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)運(yùn)用到張力控制系統(tǒng)上。計(jì)算機(jī)技術(shù)使得更高級(jí)、更智能的控制策略得以運(yùn)用，并進(jìn)一步推動(dòng)了控制理論的發(fā)展。采用較先進(jìn)的控制策略對(duì)傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行改進(jìn)，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(duì)張力進(jìn)行控制。本文所討論的張力控制技術(shù)主要是指卷繞機(jī)構(gòu)的張力控制技術(shù)，經(jīng)過(guò)具體的項(xiàng)目造紙機(jī)的張力控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明張力控制的具體實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)特點(diǎn)。無(wú)論多么復(fù)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(gè)簡(jiǎn)化的卷繞機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)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(cè)裝置；2）控制裝置；3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)器。張力/速度傳感器根據(jù)不同的場(chǎng)合和控制要求進(jìn)行選擇。執(zhí)行機(jī)構(gòu)又分為收卷機(jī)構(gòu)和放卷機(jī)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(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)與事先給定的控制指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，按照一定的控制策略進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終完成對(duì)張力和速度的調(diào)整。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同張力控制方式能夠分為電機(jī)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(jī)構(gòu)張力控制系統(tǒng)示意圖在實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)卷繞機(jī)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(cè)量加工物的張力，構(gòu)成張力閉環(huán)，或者直接檢測(cè)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(dòng)量是卷徑D的變化，因此能夠采用擾動(dòng)補(bǔ)償控制。稱為間接法；3.復(fù)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(cè)裝置，構(gòu)成控制閉環(huán)。這在實(shí)際生產(chǎn)中常常帶來(lái)許多困難，即使采用擾動(dòng)補(bǔ)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(dòng)控制方法主要有以下幾種，或是幾種互相結(jié)合應(yīng)用：1.電氣自動(dòng)控制電氣自動(dòng)控制是當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的一種。其控制系統(tǒng)方框圖如圖1.2所示。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)在卷繞機(jī)構(gòu)傳動(dòng)控制中占據(jù)相當(dāng)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(jī)傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)卷繞機(jī)構(gòu)的速度調(diào)節(jié)和張力控制，在傳動(dòng)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(guò)程中張力和速度均為恒定，但根據(jù)工藝要求能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)。在線速度恒定時(shí)，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(jī)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(guò)調(diào)節(jié)卷取輥所聯(lián)結(jié)的直流電機(jī)，產(chǎn)生一個(gè)與加工物傳送方向相反的制動(dòng)力矩。該電機(jī)是被加工物拖著轉(zhuǎn)的，工作在發(fā)電制動(dòng)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(cè)裝置構(gòu)成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流即可實(shí)現(xiàn)速度控制。直流電動(dòng)機(jī)雖然解決了速度和張力控制問(wèn)題，體現(xiàn)出一定的優(yōu)點(diǎn)，可是機(jī)械式換向器這一致命弱點(diǎn)限制了它的應(yīng)用。交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使交流電機(jī)能擔(dān)負(fù)起直流電機(jī)的調(diào)速功能，交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，并具有節(jié)能效果，因此交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)迅速得到廣泛的應(yīng)用。圖1.2電氣控制系統(tǒng)方框圖2.氣動(dòng)式自動(dòng)控制圖1.3所示是一種卷筒隨動(dòng)式張力控制裝置。該裝置能夠用連接到控制閥的隨動(dòng)臂來(lái)調(diào)節(jié)?？刂崎y依照退卷輥半徑大小，調(diào)節(jié)進(jìn)入制動(dòng)器的壓縮空氣的壓力。圖1.3一種氣動(dòng)式張力控制裝置2.液壓傳動(dòng)控制液壓控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。液壓傳動(dòng)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(dòng)力傳遞方便，輸出功率大，控制精度高和相應(yīng)特性好。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外均將液壓控制技術(shù)應(yīng)用于各類卷繞機(jī)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(yīng)用。1.4論文研究的意義現(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多造紙企業(yè)，特別是運(yùn)用高速造紙機(jī)的廠家，與其產(chǎn)品配套的張力控制器無(wú)論放卷、供料、收卷都是國(guó)外大公司研制的張力控制器，不但價(jià)格昂貴，而且在某些方面還不能很好地滿足實(shí)際要求。課題任務(wù)就是設(shè)計(jì)出一種更為簡(jiǎn)單實(shí)用的張力控制系統(tǒng)以取代原來(lái)采用的張力控制系統(tǒng)。當(dāng)前，中國(guó)造紙產(chǎn)品的檔次愈來(lái)愈高，新型的包裝材料的使用，印刷質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率的高要求等，使得造紙包裝機(jī)械自動(dòng)化程度愈來(lái)愈高。特別是高速造紙機(jī)的發(fā)展，這就要求造紙機(jī)的張力自動(dòng)控制要更為靈活、快速和準(zhǔn)確。近年來(lái)，很多國(guó)內(nèi)企業(yè)逐漸參入到張力控制系統(tǒng)的研究中來(lái)，而且提出了很多問(wèn)題和解決方案，市場(chǎng)上也漸漸出現(xiàn)了各種型號(hào)的國(guó)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(jià)廉的張力控制器并非易事。因此，借鑒和吸取日本及歐美國(guó)家當(dāng)今最新型張力控制器的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前最新的研究成果，設(shè)計(jì)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(dān)此任務(wù)后，作了如下工作：（1）首先閱讀了大量國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)，了解了張力控制研究當(dāng)前所處的階段；對(duì)張力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了了解和分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)的PID控制策略進(jìn)行了分析和改進(jìn)，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(xì)閱讀了日本三菱公司LE-40MTA-E張力控制器的說(shuō)明資料，了解了其大致功能，為后期設(shè)計(jì)張力控制板做好必要的準(zhǔn)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(jì)了一種基于80C196KC單片機(jī)的、功能簡(jiǎn)單但力求實(shí)用的張力控制器。1.5論文章節(jié)安排第一章緒論對(duì)張力控制系統(tǒng)進(jìn)行概述，對(duì)張力控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，工作原理，常見控制方式等進(jìn)行了闡述，最后揭示了課題意義和研究?jī)?nèi)容。第二章對(duì)現(xiàn)代造紙機(jī)抄紙的一般過(guò)程進(jìn)行了闡述。以及對(duì)紙機(jī)卷繞系統(tǒng)的收卷放卷兩部分進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析，并給出了這兩部分卷材張力的表示式，進(jìn)而分析了卷繞過(guò)程中影響張力控制的幾個(gè)主要因素。第三章從實(shí)踐上介紹了自己設(shè)計(jì)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(duì)紙機(jī)張力控制策略系統(tǒng)的特點(diǎn)分析了普通PID控制的不足，提出了幾種改進(jìn)的PID控制策略。第五章對(duì)本論文進(jìn)行了總結(jié)，指出了幾點(diǎn)不足之處，并對(duì)下一步的研究方向和張力控制的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。第二章紙機(jī)抄紙過(guò)程及動(dòng)力分析2.1紙機(jī)抄紙過(guò)程紙機(jī)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(shí)有許多輔助設(shè)備密切配套，這些輔助配套設(shè)備與紙機(jī)的正常運(yùn)行有許多聯(lián)鎖關(guān)系。現(xiàn)代造紙機(jī)一般的抄紙過(guò)程：打漿車間送來(lái)的濃紙漿在混合箱與白水混合稀釋后形成稀紙漿，經(jīng)過(guò)除砂裝置去除漿料中的塵埃和漿團(tuán)，經(jīng)過(guò)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(yè)，經(jīng)壓榨部脫水后，連續(xù)經(jīng)過(guò)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(jī)工藝流程圖由于紙機(jī)各分部傳送著生產(chǎn)過(guò)程中的紙張，根據(jù)造紙工藝的要求，各分部間要求達(dá)到線速度比例協(xié)調(diào)(相鄰兩個(gè)分部間的線速度比值應(yīng)保持恒定)，高精度地、可靠地保持這個(gè)比例系數(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)正常運(yùn)行的重要條件，任何原因破壞這種比例協(xié)調(diào)，就會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，紙機(jī)的這種速度比例協(xié)調(diào)關(guān)系應(yīng)在該變車速或停機(jī)后重新開機(jī)時(shí)繼續(xù)保持，而不需重新調(diào)節(jié)，因此紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度和對(duì)紙張的質(zhì)量和紙機(jī)的運(yùn)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(jī)械的張力控制不止一個(gè)環(huán)節(jié)。這次論文設(shè)計(jì)的任務(wù)是紙機(jī)在收放卷中紙頁(yè)的張力控制，因此介紹的重點(diǎn)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(cè)器檢測(cè)負(fù)載張力，經(jīng)過(guò)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(hào)，經(jīng)穩(wěn)流電源驅(qū)動(dòng)磁粉制動(dòng)器作用到卷軸，形成張力閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用速度檢測(cè)能夠?qū)C(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)作出預(yù)測(cè)和補(bǔ)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(jī)構(gòu)對(duì)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(jì)恒張力控制系統(tǒng)的正確途徑。圖2.3卷繞系統(tǒng)簡(jiǎn)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(yùn)行中卷材的線速度為,卷繞單元運(yùn)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(yīng)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(dòng)點(diǎn)之間的距離；t為機(jī)器啟動(dòng)時(shí)間。由上式可見，卷材在作為張力調(diào)節(jié)對(duì)象時(shí)，是一個(gè)積分環(huán)節(jié)?？刂茝埩?shí)際就是在控制線速度差-，因此，從某種意義上說(shuō)，張力控制系統(tǒng)實(shí)際上就是一種線速度跟蹤系統(tǒng)。在啟動(dòng)過(guò)程中，假定送料線速度恒定，應(yīng)該總是控制在>，以使卷材內(nèi)產(chǎn)生一定的張力，當(dāng)卷材達(dá)到合適張力后，應(yīng)該及時(shí)調(diào)節(jié)動(dòng)力機(jī)構(gòu)使穩(wěn)定，這樣，卷材就在此張力下穩(wěn)定運(yùn)行。2.1.2收卷過(guò)程分析在收卷過(guò)程中，假定恒定，卷繞線速度,如果電動(dòng)機(jī)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(guò)程中卷材的過(guò)度拉伸而導(dǎo)致卷材變形甚至斷裂。因此，在啟動(dòng)結(jié)束后應(yīng)該立即保持不變，使卷材張力恒定，由式知，應(yīng)隨卷徑的增加而成反比地減小。在收卷過(guò)程中，根據(jù)動(dòng)態(tài)力矩平衡有：（2-2）其中：為作用在收卷輥上的等效拖動(dòng)力矩;為收卷卷徑;為收卷輥的角速度;為收卷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（,為收卷筒上卷材的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為收卷輥芯軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量），為阻尼系數(shù)。由于在卷繞過(guò)程中，收卷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨時(shí)間的變化而變化，即是時(shí)間的函數(shù)，對(duì)于這種非線性的時(shí)變系統(tǒng)又增加了控制難度。對(duì)式(2-2)可加以分析，對(duì)于薄膜這樣的卷材，如果卷輥勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，且不考慮阻尼系數(shù)的變化，而且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，卷軸軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量往往要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于薄膜這樣密度較小的卷材的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,因此能夠?qū)⒖傓D(zhuǎn)動(dòng)慣量認(rèn)為是一個(gè)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(shí)，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(lái)簡(jiǎn)單方便。顯然，在實(shí)際卷繞過(guò)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(shí)際過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于動(dòng)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(shí)時(shí)卷徑，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，阻尼系數(shù)，轉(zhuǎn)速等，因此有必要作進(jìn)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(zhǎng)為L(zhǎng)，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(duì)于薄膜這樣的卷材，由于其厚度一般很小，因此在卷繞過(guò)程中，卷徑的變化一般不會(huì)很快。因此在較短的時(shí)間內(nèi)，能夠?qū)⒕韽娇醋魇且粋€(gè)常數(shù)，同時(shí)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，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(xiàng)和導(dǎo)數(shù)項(xiàng)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(guò)來(lái)，卷材張力T有較小變化時(shí)，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(duì)于卷材張力T的影響也較為顯著和激烈。2.1.3放卷過(guò)程分析圖2.4放卷系統(tǒng)簡(jiǎn)圖放卷過(guò)程同收卷過(guò)程一樣，啟動(dòng)時(shí)必須使>,這是張力產(chǎn)生的前提條件。先由牽引電機(jī)帶動(dòng)牽引輥轉(zhuǎn)動(dòng)，使卷材拉伸，此時(shí)要控制好制動(dòng)器件的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)張力T達(dá)到所需值時(shí)，此時(shí)應(yīng)能拉動(dòng)制動(dòng)器件轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?，放卷部分的卷材張力是主動(dòng)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(dòng)力矩;為放卷卷徑;為放卷輥的角速度;為放卷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（,為放卷輥上卷材的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為放卷輥芯軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量），為阻尼系數(shù)。在靜態(tài)時(shí)即勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同收卷側(cè)分析時(shí)一樣，在認(rèn)為總轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，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(lái)非常簡(jiǎn)單方便。放卷側(cè)和收卷側(cè)一樣，放卷過(guò)程的這種情況在實(shí)際過(guò)程中由于受干擾也很難實(shí)現(xiàn)。因此，有必要分析放卷側(cè)的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程。類似的推導(dǎo)過(guò)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(diǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于張力對(duì)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(gè)干擾量，則在設(shè)計(jì)張力控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該著重考慮這兩個(gè)干擾量對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的作用，要使系統(tǒng)不但對(duì)速度的沖擊具有較強(qiáng)的抵抗能力，同時(shí)對(duì)卷徑的變化也要具有較強(qiáng)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(lái)控制;而大型的集成的張力控制一般見工控機(jī)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(jī)構(gòu)，上位機(jī)采用集成能力更強(qiáng)的工控機(jī)或者PLC來(lái)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(jì)基于微處理器的張力控制器，經(jīng)過(guò)改良控制策略，來(lái)提高控制的精度和性能具有極高的商業(yè)價(jià)值。第三章張力控制器硬件設(shè)計(jì)在紙機(jī)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(jià)格非常昂貴，而且很多功能在現(xiàn)場(chǎng)從來(lái)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(wú)形中浪費(fèi)了資源。3.1張力測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在設(shè)計(jì)時(shí)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?yàn)檫x擇的執(zhí)行器件是磁粉制動(dòng)器和磁粉離合器，而它們的轉(zhuǎn)矩與勵(lì)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(shí)，只需要控制磁粉制動(dòng)器和磁粉離合器的勵(lì)磁電流，間接地控制了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而也就控制了張力，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)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(jià)格低廉的16位單片機(jī)，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(duì)片外儲(chǔ)器操作時(shí)，數(shù)據(jù)總線能夠采用16位，也能夠采用8位；28個(gè)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(shí)現(xiàn)代碼中斷等三個(gè)特殊的中斷類型，使得系統(tǒng)處理事務(wù)的能力變得尤為強(qiáng)大；特別是片內(nèi)自帶有3路PWM輸出口，使用起來(lái)十分方便。由于片內(nèi)自帶的8/10位A/D在10位精度時(shí)轉(zhuǎn)換一次所需的時(shí)間為168個(gè)機(jī)器周期，而且一次只能采樣一個(gè)通道，當(dāng)采用16M晶振時(shí)采樣一次耗時(shí)21μs，當(dāng)連續(xù)采樣4路張力信號(hào)時(shí)，耗時(shí)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(dòng)后的21μs時(shí)間之外，不能滿足張力控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)考慮系統(tǒng)控制精度的要求，設(shè)計(jì)時(shí)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(jià)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(dá)到張力控制精度的要求，設(shè)計(jì)時(shí)采用PWM模塊TL494和磁粉制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成電流閉環(huán)，由于電流環(huán)速度要求比較高，實(shí)際上這部分由模擬電路來(lái)實(shí)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(hào)放大、液晶顯示、RS485、A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出、磁粉制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)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(hào)放大由于張力傳感器送來(lái)的信號(hào)非常微弱，一般只有幾個(gè)毫伏，因此在將張力傳感器傳送來(lái)的張力信號(hào)送入采集模塊MAX197之前，必須要經(jīng)過(guò)信號(hào)放大環(huán)節(jié)。這部分的運(yùn)算放大器采用了OP-07。OP-07是一種低失調(diào)低漂移運(yùn)放，其輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流也比較小，因此其運(yùn)放精度也相當(dāng)高，很適用于微弱信號(hào)精密放大。而且這種運(yùn)放貨源十分充分、價(jià)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(hào)為，則經(jīng)過(guò)放大后輸出信號(hào)為：（3-1）當(dāng)張力信號(hào)在0~10mV范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)放大后的張力信號(hào)在0~5V之間，因此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后能夠直接對(duì)其進(jìn)行采樣，在每路信號(hào)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(hào)的突變而損壞采樣芯片。圖3.3張力信號(hào)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(qiáng)電系統(tǒng)干擾和其它類型的外界干擾經(jīng)過(guò)I/0控制回路進(jìn)入計(jì)算機(jī)，在控制計(jì)算機(jī)接口中，經(jīng)常采用光電隔離的輸入輸出電路，外部信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器和計(jì)算機(jī)發(fā)生聯(lián)系，即計(jì)算機(jī)和外部信號(hào)之間無(wú)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(hào)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(dāng)輸入信號(hào)無(wú)電流，即發(fā)光二極管不導(dǎo)通不發(fā)光時(shí)，輸出器件也不導(dǎo)通，輸出電流為零。當(dāng)輸入回路有電流流動(dòng)時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，激勵(lì)輸出端的光敏器件，從而產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電流。輸入端和輸出端無(wú)直接電氣連接，經(jīng)過(guò)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(dú)立的電源，不共地，這樣，強(qiáng)電一側(cè)中的干擾很難進(jìn)入計(jì)算機(jī)一側(cè)。此光電耦合器將電壓傳送變?yōu)殡娏鱾魉?，為低阻器件，要感?yīng)出一定強(qiáng)度的電流信號(hào)，外部干擾源必須有相當(dāng)大的能量。對(duì)該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，干擾持續(xù)時(shí)間短，能量不大，因此，能夠達(dá)到抗干擾的目的。3.2.3A/D轉(zhuǎn)換MAX197美國(guó)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(dú)立編程的模擬輸入通道，其測(cè)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(shí)間為6us，采樣速率可達(dá)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)的微處理器簡(jiǎn)便聯(lián)接，因此廣泛應(yīng)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(gè)采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一個(gè)用來(lái)切換模擬輸入通道的多路復(fù)用器以及輸入信號(hào)調(diào)理和過(guò)壓保護(hù)電路，其內(nèi)部還建有一個(gè)2.5V的帶隙基準(zhǔn)電壓源。圖3.4MAX197內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片而言，高精度的參考電壓是十分重要的，因?yàn)樗軌蛑苯佑绊憯?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(jiǎn)單，考慮到有些設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)時(shí)，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(dāng)前僅用了其中的4個(gè)通道，另外的4個(gè)通道在需要采集更多路的張力信號(hào)時(shí)使用。在調(diào)試時(shí)最好將備用的采集通道接地，以免在采集過(guò)程中出現(xiàn)通道串?dāng)_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(jī)系統(tǒng)最小單片機(jī)系統(tǒng)是指能是單片機(jī)正常運(yùn)行且電路最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適當(dāng)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(jī)片內(nèi)沒有用程序存儲(chǔ)器，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)加上了外接的EPROM。最小系統(tǒng)由單片機(jī)80C196KC和外接EPROM、RAM、晶體振蕩器（16M）、復(fù)位電路、譯碼電路等組成。圖3.8所示為80C196KC單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖（復(fù)位電路另外介紹）：圖3.880C196KC單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)選用的32K的EPROM27256作為程序存儲(chǔ)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(chǔ)器，用于存放運(yùn)行中的狀態(tài)變量等數(shù)據(jù)，從而起到存儲(chǔ)示波器的作用；由于80C196KC采用地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線的方式來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)此功能；復(fù)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(shí)輸出高電平有效和低電平有效的復(fù)位信號(hào)，復(fù)位信號(hào)可由VCC電壓、手動(dòng)復(fù)位輸入、或由獨(dú)立的比較器觸發(fā)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了上電復(fù)位方式。圖3.9所示為最小單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖：圖3.9復(fù)位電路原理圖系統(tǒng)采用了可編程器件GAL22V10作譯碼電路來(lái)實(shí)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(hào)和液晶顯示數(shù)據(jù)/命令的選擇信號(hào)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(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，采用單＋5V電源供電，工作于半雙工方式，在同一時(shí)間只允許一個(gè)驅(qū)動(dòng)器工作，到底那個(gè)驅(qū)動(dòng)器工作由使能端來(lái)進(jìn)行控制。在與PC機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，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(zhǎng)、無(wú)電磁輻射污染等優(yōu)點(diǎn)，而且還可顯示復(fù)雜的文字及圖形。我選用了SMG12232A點(diǎn)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(shí)，因?yàn)橛斜彻獾囊?，在設(shè)計(jì)時(shí)用了獨(dú)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(hào)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(hào)線/CS1,/CS2，以及讀與寫控制線/RD，/WR等，詳細(xì)接口信號(hào)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(hào)端定義表編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地8/RD讀信號(hào)（L）2VDD電源正極9/WR寫信號(hào)（L）3VLCD液晶顯示偏壓10-17D0-D7DATAI/O4A0數(shù)據(jù)/命令選擇端18RST復(fù)位端5/CS1片選IC1信號(hào)（L）（1-復(fù)位0-正常工作）6/CS2片選IC2信號(hào)（H）19BLA背光源正極（+4.2V）7CL外接時(shí)鐘頻率（2K）20BLK背光源負(fù)極圖3.12顯示流程圖3.6驅(qū)動(dòng)接口電路3.6.1PWM信號(hào)產(chǎn)生電路TL494是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制器，常見作計(jì)算機(jī)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(shí)，她的兩路驅(qū)動(dòng)脈相差180度，而在單端方式時(shí)，其兩端驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)誤差放大器的結(jié)構(gòu)相同，輸出端用二極管隔離，每個(gè)誤差放大器可獨(dú)立使用，一般一個(gè)放大器用作誤差放大器，另一個(gè)可用作過(guò)流保護(hù)放大器。TL494獨(dú)特之處在于設(shè)置了一個(gè)獨(dú)立的死區(qū)時(shí)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(shí)間。輸出級(jí)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(jí)。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(dāng)該端為高電平時(shí)，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(dāng)13腳為低電平時(shí)，觸發(fā)器失去作用，兩路輸出同時(shí)由PWM比較器后的或門輸出控制，同步工作。當(dāng)兩路并聯(lián)輸出時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)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(hào)來(lái)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(fù)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(shí)間控制端子，所有端子定義及實(shí)測(cè)信號(hào)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(jì)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(dòng)器執(zhí)行驅(qū)動(dòng)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(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路如3.15圖所示。圖3.15磁粉制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路原理圖由于PWM信號(hào)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(dāng)三極管Q6通時(shí)，其集電極的電位V6c=5.6V-0.4V=5.2V，此時(shí)流過(guò)發(fā)射極的電流I6e=(5.2V-0.3V)/5.1K=0.96mA，實(shí)際中Q6集電極電流Icmax=300mA,因此Q6工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)。PNP型三極管Q10的基極電壓V10b=5.2V+I6eR70=10.1V，此時(shí)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(dǎo)通，集電極電壓V10c=12V-0.7V-0.3V=11V。當(dāng)Q10飽和導(dǎo)通時(shí)，后接互補(bǔ)對(duì)稱射隨器電路中的三極管Q12隨著飽和導(dǎo)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(dòng)，因此VGS=6V，此電壓差可控制后接MOSFET管導(dǎo)通，外接電源母線給磁粉制動(dòng)器供電。在PWM的下降沿，Q6截至，此時(shí)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(shí)，后接互補(bǔ)對(duì)稱射隨器電路中，三極管Q12關(guān)斷，而Q11開始飽和導(dǎo)通，后接的MOSFET管的VGS迅速下降到0V而切斷磁粉制動(dòng)器供電電源。因此，由Q11和Q12組成的推挽電路在同一時(shí)間始終只有一個(gè)在工作，其中Q12工作在正半周期內(nèi)，Q11工作在負(fù)半周期內(nèi)，這樣在整個(gè)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(jì)算機(jī)及數(shù)字電路控制器具有傳統(tǒng)控制無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，最主要的一點(diǎn)是能夠采用一些復(fù)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(shí)現(xiàn)形式，一種是采用通用型微型計(jì)算機(jī)。它具有很強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)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(yùn)算能力更強(qiáng)的DSP控制芯片。微處理器一般比通用型計(jì)算機(jī)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(lái)控制；而大型的集成的張力控制一般見工控機(jī)或者PLC；或者采用不同的組態(tài)，如上下位機(jī)方式，下位機(jī)采用微處理器，上位機(jī)則采用用集成能力更強(qiáng)的工控機(jī)或者PLC來(lái)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(jì)基于微處理器的張力控制器，經(jīng)過(guò)改良控制策略，來(lái)提高控制的精度和性能具有極高的商業(yè)價(jià)值。造紙行業(yè)中，卷繞機(jī)械張力控制系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn)。主要的體現(xiàn)是動(dòng)力模型變化大，隨著卷繞的進(jìn)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(dá)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(diǎn)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(yùn)。其次，強(qiáng)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(shí)的內(nèi)應(yīng)力，該應(yīng)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(gè)可變量，在受到過(guò)大的拉力下，將超過(guò)材料的彈性極限甚至導(dǎo)致材料斷裂。材料在卷繞時(shí)，在材料的不同部分，材料有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一般表現(xiàn)為粘滯的和滑動(dòng)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(shí)為了工藝的需要，速度要產(chǎn)生變化，而這種變化有時(shí)是極其突然的。在這樣一個(gè)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(huì)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(lái)處理。再次，多干擾。如果把張力作為控制對(duì)象，那么首當(dāng)其沖的就是來(lái)自速度的干擾，表現(xiàn)最為強(qiáng)烈的就是突然的啟動(dòng)和停止，突然的加速和減速。特別是在精細(xì)材料的加工過(guò)程中，微小的速度抖動(dòng)將引起張力的極大變化。還有來(lái)自機(jī)械的，如卷筒不圓，板輥偏心等都將引起材料的抖動(dòng)，從而影響張力。4.2張力控制策略PID控制因?yàn)轸敯粜詮?qiáng)，實(shí)施簡(jiǎn)單，適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，在工業(yè)控制場(chǎng)合獲得廣泛的應(yīng)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(gè)模型不確定的，強(qiáng)藕合，多干擾的系統(tǒng)，當(dāng)這些特征比較突出時(shí)，單純的PID控制將失去威力。面對(duì)這種情況，首先想到的是對(duì)傳統(tǒng)的PID進(jìn)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(dòng)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(guò)改變PID控制的結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)控制性能。近些年，模糊控制獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，有人也把它應(yīng)用到了張力控制領(lǐng)域。模糊控制在時(shí)變的非線性系統(tǒng)中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而張力控制系統(tǒng)恰恰就是這樣一種系統(tǒng)，引進(jìn)模糊控制是必然的。其它的自適應(yīng)控制，智能控制及自學(xué)習(xí)控制等，也接踵而至。既然系統(tǒng)表現(xiàn)為一個(gè)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(lái)思考。系統(tǒng)模型是不確定的，能夠考慮模型改造，把導(dǎo)致模型改變的量納入增益參數(shù)：系統(tǒng)是強(qiáng)藕合的，考慮解藕，H無(wú)窮大控制能夠有效的解決張力和速度的藕合問(wèn)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(wèn)題。4.3PID控制算法理論和實(shí)踐證明了在連續(xù)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象為一階和二階慣性環(huán)節(jié)或同時(shí)帶有滯后時(shí)間不大的滯后環(huán)節(jié)時(shí)，PID控制是一種較好的方法。微型計(jì)算機(jī)在PID控制中的應(yīng)用，又使PID控制得到進(jìn)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(cè)量值之間的偏差；Ti——積分時(shí)間常數(shù)；Kp——調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)；Td——微分時(shí)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(shí)間，n為采樣序列，n＝1，2，3，……;4.3.1PID算法積分項(xiàng)的改進(jìn)被控對(duì)象不同，輸入信號(hào)的形式不同，干擾的大小和來(lái)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(jìn)。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(dāng)誤差小到進(jìn)入某誤差帶后才把積分增量累加到積分項(xiàng)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(jì)思想。這樣既保證了系統(tǒng)無(wú)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(dòng)、結(jié)束、自動(dòng)換卷時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出會(huì)有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，使控制量超過(guò)過(guò)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(guò)程中絕對(duì)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(shí)，積分分量不積累，有利于避免積分飽和，在偏差較小時(shí)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(xiàng)計(jì)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(jìn)，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(dāng)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(guò)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(shí)間較快，可是超調(diào)量σ%達(dá)到了20％以上，這在實(shí)際卷繞過(guò)程中會(huì)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(shí)間也較快。變速積分PID超調(diào)最小，雖然上升時(shí)間較慢，可是卷繞系統(tǒng)的特點(diǎn)是要在嚴(yán)格控制超調(diào)的前提下才要求系統(tǒng)的上升時(shí)間要盡可能的快，因此變速積分PID控制用于卷繞系統(tǒng)時(shí)較前兩種而言更為優(yōu)越。圖4.3三種控制策略效果對(duì)比圖4.3.2PID控制器的參數(shù)整定在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于控制對(duì)象的改變，使得原來(lái)的PID參數(shù)不適應(yīng)新的被動(dòng)對(duì)象的需要，必須對(duì)PID控制器的參數(shù)重新進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)Ziegler-Nichols整定法，對(duì)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(gè)參數(shù)：圖4.4單位階躍響應(yīng)示意圖其中一階響應(yīng)的特征參數(shù)，，能夠由圖4.4提取出來(lái)，求取這些參數(shù)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)并不困難，首先對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行階躍輸入激勵(lì)，得出響應(yīng)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(dāng)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(guò)程中，卷徑變化范圍較大，有時(shí)可達(dá)幾十倍，即在一個(gè)套印周期內(nèi)，系統(tǒng)的前向增益變化高達(dá)幾十倍，是個(gè)典型的大時(shí)變、非線性過(guò)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(yīng)的措施來(lái)減弱卷徑變化對(duì)張力的影響。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中一般經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量卷徑來(lái)修正系統(tǒng)前向通道的參數(shù)，可是需要增加檢測(cè)裝置，增大了投資成本。因此，能否用其它方法來(lái)改進(jìn)這種系統(tǒng)的控制策略，使得不用增加檢測(cè)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(jìn)行分析：磁粉制動(dòng)器的數(shù)學(xué)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)——?jiǎng)?lì)磁電流（A）；M(s)——磁粉制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩(N*m)；τ——磁粉制動(dòng)器滯后時(shí)間常數(shù)(S)；——時(shí)間常數(shù)(S)；——磁粉制動(dòng)器增益；不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化，動(dòng)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(dòng)力矩；為放卷輥半徑；為放卷輥的角速度；為放卷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)間常數(shù)τ<<<1，因此可將延遲環(huán)節(jié)進(jìn)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(shí)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(shí)卷繞半徑；σ——卷材厚度；——瞬時(shí)轉(zhuǎn)角；對(duì)式(4-11)求導(dǎo)：(4-12)求解式(4-12)得：(4-13)從上面各式中能夠看出，在放卷過(guò)程中，實(shí)際半徑R愈來(lái)愈小，是時(shí)間的非線性函數(shù)。α隨著R的變小愈來(lái)愈大，致使系統(tǒng)的阻尼比ζ變小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越來(lái)越差。因此，對(duì)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(chǎng)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(jìn)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(gè)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(shí)系統(tǒng)阻尼比會(huì)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(guò)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(jìn)前后系統(tǒng)阻尼比隨卷徑變化的情況：改進(jìn)前的阻尼比：改進(jìn)后的阻尼比：由阻尼變化對(duì)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(duì)來(lái)說(shuō)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(dòng)態(tài)性能有了顯著提高。說(shuō)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(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較簡(jiǎn)單?？墒窃诜答伝芈芬?yàn)橛形⒎猪?xiàng)，因此必須對(duì)送入PD調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)進(jìn)行低通濾波。圖4.7阻尼比變化對(duì)比圖4.5張力控制數(shù)學(xué)模型的建立圖4.8為不同的變量共同作用于系統(tǒng)G0時(shí)的原理圖，其中，線速度主要由主牽引電機(jī)控制，卷材張力由收卷電機(jī)和放卷電機(jī)進(jìn)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(hào)，為收卷張力信號(hào),為給定主牽引電機(jī)速度信號(hào)：分別為放卷、牽引和收卷環(huán)節(jié)的控制信號(hào)；(i=1,2,3,4)為各段卷材張力；(i=1,2,3,4,5)為個(gè)環(huán)節(jié)的線速度；輸出信號(hào)：，V，；分別為放卷和收卷實(shí)時(shí)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(lái)的，這樣建模很具有代表性，不論卷繞系統(tǒng)中的那個(gè)環(huán)節(jié)，都能夠按照這樣的方式建立數(shù)學(xué)模型。卷繞系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型遵循如下三條定律：1．公式推導(dǎo)(1)胡克定律：張力是形變?chǔ)诺暮瘮?shù)，(4-19)式中：E——楊氏模量S——卷材橫截面積L——拉伸后的長(zhǎng)度——卷材原長(zhǎng)ε——形變系數(shù)(2)庫(kù)侖定律：圖4.9為卷輥上卷材張力分析簡(jiǎn)圖，分析時(shí)能夠這么認(rèn)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(zhǎng)為a的范圍內(nèi)卷材張力是恒定的；在弧長(zhǎng)為g的范圍內(nèi)，卷材張力是變動(dòng)的。圖4.9卷輥上的張力分析圖在卷材與前輥的進(jìn)入接觸點(diǎn)和卷材與后輥的脫離接觸點(diǎn)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(zhǎng)度為，密度為，拉伸后的長(zhǎng)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(duì)卷材的體積積分得：