薄膜卷取恒线速度及恒张力控制系统

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1、薄膜卷取恒线速度及恒张力控制系统阅览次数：5358作者：刘亭单位：北京航空航天大学荣获“2004年度工控及自动化领域优秀论文”有奖评选三等奖【专家点评】：由于吹塑薄膜挤出机生产线上的牵引电机和卷取电机实现协调控制后可使卷取电机的转速能跟随牵引电机的转速，从而可实现薄膜正常卷取。论文作者找出了形成薄膜厚度不均的问题所在，成功地解决了用翻转架电机转速实现PI的闭环控制并以卷取电机转速和张力作为校正信号，从而改善了系统的动态和静态特性，避免因牵引速度和卷取速度不同步造成薄膜厚度不均的弊端。该系统对类似系统的电机速度控制改善产品质量有参考价值。 【作者心得】

2、：中国工控网和中国自动化学会主办的这次征文活动为我们提供了一个自由的学术交流平台。首先向中国工控网和中国自动化学会表示由衷的感谢！同时非常感谢各位专家以及自动化界的朋友对我的支持！本文是对本人的硕士论文《薄膜牵引和卷取同步控制研究》的部分总结，“薄膜牵引和卷取同步控制”本质上是“薄膜卷取恒线速度及恒张力控制”，因而这篇投稿取名为《薄膜卷取恒线速度及恒张力控制系统》，希望能和大家一起交流，当然有些部分还需要继续深入研究和进一步开展工作。1引言　　在吹塑薄膜挤出机生产线上，薄膜卷取是一道非常重要的工序。收卷质量对塑料薄膜的二次加工至关重要。对于薄而易变形

3、的薄膜卷取来说，一个重要的问题就是，在正常卷取和翻转架翻转过程中，要实现薄膜牵引和卷取的恒线速度及恒张力控制。一种较好的解决方案是，在建立正常卷取和翻转过程牵引和卷取的恒线速度及恒张力控制方案的基础上，构成由计算机、可编程控制器、变频器等组成的硬件系统，并进行相应的软件设计，以实现计算机对可编程控制器的监控，从而实现正常卷取和翻转过程中牵引和卷取的恒线速度及恒张力控制。2方案设计　　生产线中的薄膜线速度和张力的调节可以通过牵引电机、卷取电机和翻转架电机的转速和转矩的调节来反映。本文将线速度作为主控制变量，进行综合控制。1.1正常卷取过程分析　　对不同

4、的卷绕过程，薄膜的张力和线速度v随薄膜的材质、规格、厚度、冷却温度及卷径比等因素的不同而不同。而在同一卷取过程中，要求线速度v恒定，显然随着卷绕直径D的逐渐增大要求卷轴转速成反比例地减少；另一方面，又要求薄膜的张力恒定[1]。因此，作用在卷轴上的负载转矩T将正比于卷绕直径D。总之，卷绕过程中要求恒线速度、恒张力传动即恒功率传动。　　由于卷取辊在卷取薄膜时，其卷绕直径D是逐渐增大的，在牵引速度恒定不变的情况下，要维持卷取张力不变，必须使卷取辊的转速随卷绕直径的增大而降低，即保持卷取线速度不变[2]。1.2翻转过程中卷取电机的调速规律　　翻转架翻转时，薄

5、膜的线速度是膜卷切入处的卷取切向速度和翻转切向速度的矢量和，如图1所示。也就是说，薄膜的卷取线速度已经不再等于薄膜的线速度，如果此时不对卷取线速度加以修正，势必影响薄膜线速度控制的稳定性和准确性，进而造成卷取初始时刻出现较大的超调。因此，对翻转过程中卷取电机的调速规律进行分析是非常必要。根据图1可知，卷取电机此时的期望转速(r/s)应为：式中：为与的相角差。可见，除了随卷径D变化而变化外，还随翻转线速度和变化而变化。设翻转引起的卷取线速度变化量为，则通过编写VB6.0程序，可绘制随翻转架对右向水平轴的相角变化的曲线如图2所示。1.3恒线速度和恒张力控

6、制系统的建立　　为了满足正常卷取恒线速度、恒张力同步传动即恒功率传动[1]和翻转过程中传动的要求，控制系统设计如下所述。由薄膜的厚度H(m)、卷取电机轴转过的圈数N、膜卷的初始直径D0(m)和卷取电机到卷轴的传动比，可实时计算出卷径：D(m)=2NH/i+D0(3)　　为了镇定系统的张力，对张力的控制采用过程调节（PI调节）。设张力设定值和张力反馈值之差经过程调节对速度的影响为(m/s)，则有：　　牵引电机转子角频率(rad/s)乘以此时两电机的传动比，并与卷取电机转子角频率相比较，将两者之差反馈给卷取电机定子的期望供电角频率。由此可以完成在设定线速

7、度下，卷取电机的转速随着牵引电机的转速变化而变化。显然，张力的设定和张力的反馈构成张力调节的外环，在卷取转速调节过程中加入张力调节的影响，来满足正常卷取和翻转过程恒线速度和恒张力控制的要求。当翻转过程引起的绝对值变化较大时，会增大系统的稳态偏差，加大系统的超调量。张力变化较大时，张力反馈使得变化较大，从而使卷取电机定子的期望供电角频率变化较大，同样也会增大系统的稳态偏差，加大系统的超调量。为了改善系统的动态性能和减少稳态误差，需要在卷取电机的速度控制环中添加PI调节器，以减小稳态误差和速度跟随误差，改善系统的动态和稳态性能。恒线速度及恒张力控制系统的

8、控制框图如图3所示。3硬件设计　　对于吹塑薄膜自动生产线，一方面电机的数目较多，另一方面电机分布距离一般都比