CN103317653B - 片材挤出机组张力系统控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种片材挤出机组张力系统控制装置及其控制方法，其中装置包括均与控制芯片相连并沿片材收卷方向依次设置的助冷辊控制系统、带有张力辊和张力检测器的夹送辊控制系统、及带有收卷系统张力辊和收卷系统张力检测器的收卷辊控制系统。方法包括以顺序结构执行的均采用自适应模糊PID控制算法的助冷辊控制系统的控制方法、夹送辊控制系统的控制方法和收卷辊控制系统的控制方法，助冷辊和夹送辊控制系统的控制方法采用速度控制模式进行控制，收卷辊控制系统的控制方法采用收卷辊伺服电机的转矩模式进行控制。本发明主要应用于片材挤出机组的高精度张力闭环控制系统，以改善系统运行的稳定性，提高张力控制精度，提高片材质量。

Description

片材挤出机组张力系统控制装置及其控制方法

技术领域

本发明属于张力检测及控制领域，特别涉及一种片材挤出机组张力系统控制装置及其控制方法。

背景技术

片材挤出机组张力系统主要由助冷辊、夹送辊和收卷辊三部分组成。熔融态原料从模头流出后，由挤压辊挤压成型，然后需经过助冷辊助冷，裁切、表面处理，再经由夹送辊，送至收卷辊收卷。在此过程中，各辊中的张力波动对片材质量，包括片材表面质量、尺寸精度、片材强度等，均有一定的影响。如助冷辊系统中，片材表面可能会出现不规则纹路，冷却过程中片材可能会产生变形；夹送辊系统中，片材可能会在夹送辊上打滑影响片材表面质量，夹送过程可能会影响片材尺寸精度；收卷辊系统中，收卷的片材层之间可能会出现间隙，收卷时片材可能会产生褶皱等。因而，保证片材挤出机组各环节能够顺利进行的难点和关键就在于如何来保持片材上张力的稳定。

国内外学者对张力控制系统和控制策略的研究历来十分重视。控制策略上，目前的片材挤出机组张力系统多采用传统PID控制算法，少部分用模糊控制的算法。但是传统PID控制算法依赖于精确的数学模型，很难保持张力恒定；而实际过程中，由于温度、速度波动等造成的片材上张力的波动，阻力转矩的变化，张力反馈和位置反馈系统的时滞，以及其他不确定因素等都将影响数学模型的精确度，因而无法实现高性能的控制；而模糊控制虽然对模型精度要求不高，适应性较好，但不易消除稳态误差（蒋胜、刘惠康，模糊自适应PID控制器在张力控制中的应用[J]，微计算机信息，2006年第22卷第8-1期32-34页）。控制方法上，目前的片材挤出机组张力控制系统，没有直接张力反馈控制系统，多为开环或半闭环控制：多辊之间多通过速度同步间接控制片材张力；对于速度波动较大的收卷辊，则通过液压装置控制张力，或者通过液压装置进行张力的闭环反馈控制；因为不是闭环的直接张力反馈控制，所以张力控制精度不高，难以获得较好的片材质量（李明辉、刘先宝、张洪兴，造纸机纸幅张力控制系统的设计及实现[J]，包装工程，2013年第34卷第3期49-54页）。目前的片材挤出机组张力控制系统，多通过现场观察根据经验调节提高片材质量，自动化程度低，多通过购买国外高端PLC控制器以及高精度交流伺服电机提高控制精度（刘晨，基于模糊PID的卷取张力控制系统研究[D]，西安建筑科技大学，2011）。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺点，提供一种片材挤出机组张力系统控制装置及其控制方法，提高片材挤出机组张力系统的控制精度和片材质量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

片材挤出机组张力系统控制装置，包括用于将片材挤压成型的第一挤压辊和第二挤压辊，沿片材运动方向依次设置的助冷辊控制系统、夹送辊控制系统和收卷辊控制系统，以及设有模糊PID控制器和PID控制器的控制芯片；其中第二挤压辊上设有挤压辊位置传感器；助冷辊控制系统包括助冷辊，助冷辊上设置有助冷辊伺服电机和位置传感器，助冷辊伺服电机上连有助冷辊伺服电机的驱动器；夹送辊控制系统包括沿片材的收卷方向依次设置的夹送辊、张力辊和被动辊，夹送辊上设有夹送辊伺服电机，夹送辊伺服电机上连有夹送辊伺服电机的驱动器，张力辊上连接有张力检测器；收卷辊控制系统包括沿片材的收卷方向依次设置的收卷系统张力辊和收卷辊，收卷系统张力辊上连接有收卷系统张力检测器，收卷辊上设有收卷辊伺服电机，收卷辊伺服电机上连有收卷辊伺服电机的驱动器；助冷辊、夹送辊、张力辊、被动辊、收卷系统张力辊和收卷辊相互平行；

挤压辊位置传感器、助冷辊伺服电机、位置传感器、夹送辊伺服电机、张力检测器、收卷辊伺服电机和收卷系统张力检测器分别与控制芯片的输入端相连，控制芯片的输出端分别与助冷辊伺服电机的驱动器、夹送辊伺服电机的驱动器和收卷辊伺服电机的驱动器相连。

所述的助冷辊伺服电机上连有第一旋转编码器，夹送辊伺服电机上连有第二旋转编码器。

所述的夹送辊、被动辊和收卷辊位于片材的上方并紧贴片材；助冷辊、张力辊和收卷系统张力辊位于片材的下方并紧贴片材；张力辊的高度高于其两侧的夹送辊和被动辊的高度；收卷系统张力辊的高度高于其两侧的被动辊和收卷辊的高度。

所述的夹送辊控制系统在助冷辊控制系统和收卷辊控制系统之间串联的设置多组。

所述的张力辊安装在支撑座上，支撑座上设有张力检测器；收卷系统张力辊安装在收卷系统支撑座上，收卷系统支撑座上设有收卷系统张力检测器。

片材挤出机组张力系统控制方法，包括助冷辊控制系统的控制方法、夹送辊控制系统的控制方法和收卷辊控制系统的控制方法；其具体步骤如下：

1）助冷辊控制系统的控制方法：用控制芯片采集第二挤压辊的位置信号和助冷辊的转速，由模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，再由PID控制器控制助冷辊输出新的转速，循环运行模糊PID控制器和PID控制器，从而实现对助冷辊控制系统中片材张力的控制；

2）夹送辊控制系统的控制方法：用控制芯片采集步骤1）中得到的助冷辊控制系统中片材张力，用张力检测器采集夹送辊的实际张力值，由模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，再由PID控制器控制助冷辊输出新的转速，再转换为夹送辊上的新实际张力值，循环运行模糊PID控制器和PID控制器，从而实现对夹送辊控制系统中片材张力的控制；

3）收卷辊控制系统的控制方法：用控制芯片采集步骤2）中得到的夹送辊控制系统中片材张力，由模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，驱动收卷辊伺服电机输出转矩，从而控制收卷辊输出实际张力值，循环运行模糊PID控制器，从而实现对收卷辊控制系统中片材张力的控制。

所述的模糊PID控制器采用的自适应模糊PID控制算法由模糊控制器和PID控制器两部分组成，自适应模糊PID控制算法的具体步骤如下：

第一步，进入程序入口，采集当前采样值y(k)；

第二步，将被控量的设定值r(k)与当前采样值y(k)做差得到偏差量e(k)，将当前偏差量e(k)和上一次的偏差量e(k-1)做差得到偏差变化量Δe；

第三步，偏差量e(k)和偏差变化量Δe即为模糊控制器的两输入，将两个输入量e(k)、Δe模糊化，然后模糊整定为比例参数Δk_P、积分参数Δk_I、微分参数Δk_D，再经解模糊运算，得到模糊控制器的三个输出，即比例因子k_P、积分因子k_I、微分因子k_D；

第四步，将模糊控制器的三个输出，即比例因子k_P、积分因子k_I、微分因子k_D作为PID控制器的输入，进行PID运算，得到控制量的输出来控制被控对象。

所述的助冷辊控制系统的控制方法包括以下步骤：

第一步，在控制芯片内输入预先设定助冷辊转速值，用控制芯片检测第二挤压辊的位置信号，得到位置偏差，此时控制芯片自动运行自适应模糊PID控制算法，得到速度增量，预先设定助冷辊转速值和速度增量叠加后得到偏差，偏差经PID控制器转化为助冷辊伺服电机的控制电压，通过助冷辊伺服电机的驱动器驱动助冷辊伺服电机，从而控制助冷辊动作，输出助冷辊的实际转速，获得助冷辊当前的位置信号；

第二步，利用第一旋转编码器采集助冷辊的实际转速，位置传感器采集助冷辊当前的位置信号，传递给控制芯片；在控制芯片中，第二挤压辊的位置信号与助冷辊当前的位置信号做差得到新的位置偏差，再次运行自适应模糊PID控制算法，输出新的速度增量，预先设定助冷辊转速值和新的速度增量叠加后减去助冷辊的实际转速得到新的偏差，新的偏差经PID控制器转化为助冷辊伺服电机的新的控制电压；再通过助冷辊伺服电机的驱动器，驱动助冷辊伺服电机控制助冷辊动作，输出助冷辊新的转速，获得新的位置信号；

第三步，重复第二步，不断将位置偏差转化为速度补偿，进行位置修正，从而实现助冷辊控制系统中的片材张力控制。

所述的夹送辊控制系统的控制方法包括以下步骤：

第一步，在控制芯片内输入预先设定夹送辊转速值，控制芯片将检测到的步骤1）中的助冷辊位置信号转化为助冷辊张力，作为夹送辊控制系统的预设张力值，得到张力偏差，此时控制芯片自动运行自适应模糊PID控制算法，得到速度增量，预先设定的夹送辊转速值和速度增量叠加后得到偏差，偏差经PID控制器转化为夹送辊伺服电机的控制电压，通过夹送辊伺服电机的驱动器，驱动夹送辊伺服电机控制夹送辊动作，得到夹送辊转速，再经转换单元，输出夹送辊的实际张力值；

第二步，利用第二旋转编码器采集夹送辊转速，张力检测器采集夹送辊的实际张力值，传递给控制芯片；在控制芯片中，预设张力值与夹送辊的实际张力值做差得到新的张力偏差，再运行自适应模糊PID控制算法，得到新的速度增量，预先设定的夹送辊转速值和新的速度增量叠加后减去夹送辊转速得到新的偏差，新的偏差经PID控制器转化为夹送辊伺服电机的新的控制电压，通过夹送辊伺服电机的驱动器，驱动夹送辊伺服电机控制夹送辊动作，得到夹送辊的新转速，再经转换单元，输出夹送辊上的新实际张力值；

第三步，重复第二步，不断将张力偏差转化为速度补偿，从而实现夹送辊控制系统中的片材张力控制。

所述的收卷辊控制系统的控制方法包括以下步骤：

第一步，控制芯片将检测到的步骤2）中的夹送辊实际张力作为收卷辊控制系统的预设张力值，得到张力偏差，此时控制芯片自动运行自适应模糊PID控制算法，得到收卷辊伺服电机的控制电流；通过收卷辊伺服电机驱动器，驱动收卷辊伺服电机输出转矩，从而控制收卷辊动作，输出收卷辊的实际张力值；

第二步，利用收卷系统张力检测器采集收卷辊的实际张力值，传递给控制芯片；在控制芯片中，预设张力值与收卷辊的实际张力值做差得到新的张力偏差，再运行自适应模糊PID控制算法，得到收卷辊伺服电机的新控制电流；通过收卷辊伺服电机驱动器，驱动收卷辊伺服电机输出新转矩，从而控制收卷辊动作，输出收卷辊的新实际张力值；

第三步，重复第二步，不断通过收卷辊伺服电机的控制电流来控制收卷辊伺服电机的转矩，从而实现收卷辊控制系统中的片材张力控制。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的片材挤出机组张力系统控制装置结构简单，易于实现，成本低，不需要对现有片材挤出机组张力系统做大的改动，并考虑到片材生产过程中片材宽度等因素的影响，只在现有片材挤出机组的夹送辊和被动辊之间安装张力辊，结合张力检测器构建直接张力反馈系统，以实现夹送辊控制系统的张力检测，从而将现有的片材挤出机组张力系统中的夹送辊控制系统的开环或半闭环控制回路变为闭环控制回路，大大减小张力检测误差，有效提高张力控制精度，提高片材质量。本发明还在被动辊和收卷辊之间安装收卷系统张力辊，结合收卷系统张力检测器构建直接张力反馈系统，以实现收卷辊控制系统的张力检测，从而将现有的片材挤出机组张力系统中的收卷辊控制系统的开环或半闭环控制回路变为闭环控制回路，大大减小张力检测误差，有效提高张力控制精度，提高片材质量。

本发明提供的片材挤出机组张力系统控制方法，分为助冷辊控制系统的控制方法、夹送辊控制系统的控制方法和收卷辊控制系统的控制方法三部分；助冷辊控制系统的控制方法和夹送辊控制系统的控制方法均采用自适应模糊PID控制算法，以速度控制模式进行控制，而收卷辊控制系统采用自适应模糊PID控制算法，收卷辊伺服电机的转矩模式进行控制。而现有的片材挤出机组张力控制系统一般采用的是传统PID控制或通过现场观察经验调节控制，自动化程度较低；本发明采用自适应模糊PID控制算法，运用模糊推理，自动在线调整PID参数，实现张力控制，自动化程度高，保证了控制方法的良好模型适应性和快速响应性，消除了控制方法中的稳态误差，显著提高生产效率和产品质量。本发明基于的自适应模糊PID控制算法，将模糊控制和PID控制相结合，既保留PID控制的快速响应和无稳态误差等控制效果上的优点，又具有模糊控制对系统模型精度要求不高的特点。本发明能够使片材挤出机组张力系统运行更高效稳定，提高片材挤出机组张力系统的控制精度和片材质量。

本发明的研究对象为片材挤出机组的张力系统，适用范围广，可应用于造纸、纺织等需要张力控制的生产过程。

附图说明

图1为本发明的片材挤出机组张力系统控制装置的结构示意图；

图2为本发明的片材挤出机组张力系统控制方法的整体简化流程图；

图3为本发明的片材挤出机组张力系统控制方法中的自适应模糊PID控制算法的流程图；

图4为本发明片材挤出机组张力系统控制方法中的助冷辊控制系统的控制方法的流程图；

图5为本发明片材挤出机组张力系统控制方法中的夹送辊控制系统的控制方法的流程图；

图6为本发明片材挤出机组张力系统控制方法中的收卷辊控制系统的控制方法的流程图；

其中：1为片材、2为第一挤压辊、3为第二挤压辊、4为助冷辊、5为夹送辊、6为张力辊、7为支撑座、8为张力检测器、9为被动辊、10为收卷系统张力辊、11为收卷辊、12为收卷系统张力检测器、13为收卷系统支撑座、F为张力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明提供的片材挤出机组张力系统控制装置，包括被第一挤压辊2和第二挤压辊3挤压成型的片材1，沿片材运动方向依次设置的助冷辊控制系统、夹送辊控制系统和收卷辊控制系统，以及设有模糊PID控制器和PID控制器的控制芯片。其中，第二挤压辊上设有挤压辊位置传感器。助冷辊控制系统包括助冷辊4，助冷辊上设置有助冷辊伺服电机和位置传感器，助冷辊伺服电机上连有第一旋转编码器和助冷辊伺服电机的驱动器。夹送辊控制系统包括夹送辊5、被动辊9、及位于夹送辊5和被动辊9之间的张力辊6，张力辊6设置在支撑座7上，支撑座7上设置有张力检测器8，夹送辊上设有夹送辊伺服电机，夹送辊伺服电机上连有第二旋转编码器和夹送辊伺服电机的驱动器。收卷辊控制系统包括收卷辊11、及位于被动辊9和收卷辊11之间的收卷系统张力辊10，收卷系统张力辊10设置在收卷系统支撑座13上，收卷系统支撑座13上设置有收卷系统张力检测器12，收卷辊上设有收卷辊伺服电机，收卷辊伺服电机上连有收卷辊伺服电机的驱动器。夹送辊控制系统在助冷辊控制系统和收卷辊控制系统之间串联的设置多组（20～30组）。助冷辊4、夹送辊5、张力辊6、被动辊9、收卷系统张力辊10和收卷辊11相互平行且沿片材1的收卷方向依次设置。夹送辊5、被动辊9和收卷辊11位于片材1的上方并紧贴片材1；助冷辊4、张力辊6和收卷系统张力辊10位于片材1的下方并紧贴片材1；张力辊6的高度高于其两侧的夹送辊5和被动辊9的高度；收卷系统张力辊10的高度高于其两侧的被动辊9和收卷辊11的高度。挤压辊位置传感器、助冷辊伺服电机、位置传感器、夹送辊伺服电机、张力检测器、收卷辊伺服电机和收卷系统张力检测器分别与控制芯片的输入端相连，控制芯片的输入端分别与助冷辊伺服电机的驱动器、夹送辊伺服电机的驱动器和收卷辊伺服电机的驱动器相连。

考虑到片材生产过程中片材宽度等因素的影响，本发明在现有片材挤出机组的夹送辊与被动辊之间安装张力辊，以实现夹送辊控制系统中张力的检测；在现有片材挤出机组的被动辊与收卷辊之间安装收卷系统张力辊，以实现收卷辊控制系统中张力的检测。第一挤压辊2和第二挤压辊3将熔融态原料挤压为片材1，片材1从第一挤压辊2和第二挤压辊3之间挤压成型，张紧于第二挤压辊、助冷辊、夹送辊、张力辊、被动辊、收卷系统张力辊和收卷辊的各圆柱表面，并随着各辊的转动沿运动方向传送。片材沿助冷辊、张力辊和收卷系统张力辊的上半圆柱表面传送，沿其他各辊的下半圆柱面传送，最后被收卷辊收卷为片材成品。

所述的（收卷系统）张力辊的两端分别安装两个（收卷系统）支撑座来放置（收卷系统）张力辊，在每个（收卷系统）支撑座的下方分别安装一个（收卷系统）张力检测器，从而构成张力检测装置。该张力检测装置的工作原理为：在片材生产过程中，片材上的张力F转化为张力辊对支撑座的压力，张力检测器检测支撑座所受的压力并转化为张力，从而实现片材张力的检测。

参见图2，本发明提供的片材挤出机组张力系统控制方法，包括采用顺序结构并同时执行的助冷辊控制系统的控制方法、夹送辊控制系统的控制方法和收卷辊控制系统的控制方法；其具体步骤如下：

1）助冷辊控制系统的控制方法：用控制芯片采集第二挤压辊的位置信号和助冷辊的转速，由模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，再由PID控制器控制助冷辊输出新的转速，循环运行模糊PID控制器和PID控制器，从而实现对助冷辊控制系统中片材张力的控制；

2）夹送辊控制系统的控制方法：用控制芯片采集步骤1）中得到的助冷辊控制系统中片材张力，用张力检测器采集夹送辊的实际张力值，由模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，再由PID控制器控制助冷辊输出新的转速，再转换为夹送辊上的新实际张力值，循环运行模糊PID控制器和PID控制器，从而实现对夹送辊控制系统中片材张力的控制；

3）收卷辊控制系统的控制方法：用控制芯片采集步骤2）中得到的夹送辊控制系统中片材张力，由模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，驱动收卷辊伺服电机输出转矩，从而控制收卷辊输出实际张力值，循环运行模糊PID控制器，从而实现对收卷辊控制系统中片材张力的控制。

一般情况下助冷辊与第二挤压辊需要相距较近，以便于冷却片材，因而夹送辊控制系统采用多辊相位同步的速度控制模式进行控制。夹送辊控制系统与助冷辊控制系统数学模型类似，也采用速度控制模式进行控制，并在夹送辊与被动辊之间增设张力检测装置，构成闭环的直接张力反馈控制回路。收卷辊随着收卷过程，直径不断增大，而片材线速度恒定，收卷辊转速不断减小，为时变系统，若采用速度控制模式，在速度变化过程中很容易出现较大的速度波动，而导致片材松弛；因此采用收卷辊伺服电机的转矩模式进行控制，并在最后一组夹送辊控制系统的被动辊（离收卷辊最近的一个被动辊）与收卷辊之间增设张力检测装置，构成闭环的直接张力反馈控制回路。

本发明的控制芯片、助冷辊伺服电机的驱动器、夹送辊伺服电机的驱动器和收卷辊伺服电机的驱动器在控制柜中，助冷辊伺服电机的驱动器与助冷辊伺服电机通过串口线连接，夹送辊伺服电机的驱动器与夹送辊伺服电机通过串口线连接，收卷辊伺服电机的驱动器与收卷辊伺服电机通过串口线连接。助冷辊伺服电机一端自带旋转编码器，采集助冷辊的转速，经反馈构成助冷辊转速的闭环控制回路；另一端与助冷辊连接，带动助冷辊旋转。夹送辊伺服电机一端自带旋转编码器，采集夹送辊的转速，经反馈构成夹送辊转速的闭环控制回路；另一端与夹送辊连接，带动夹送辊旋转。片材挤出机组的工作原理为：控制芯片里烧入控制算法，通过串口通信驱动助冷辊伺服电机的驱动器、夹送辊伺服电机的驱动器和收卷辊伺服电机的驱动器，控制助冷辊伺服电机、夹送辊伺服电机和收卷辊伺服电机旋转，从而使片材依次沿着助冷辊、夹送辊、张力辊、被动辊、收卷系统张力辊和收卷辊的圆柱表面传送。本发明的片材挤出机组张力系统控制方法中的助冷辊控制系统的控制方法、夹送辊控制系统的控制方法和收卷辊控制系统的控制方法均采用独立的串口通信的方式与控制芯片实现通信，助冷辊控制系统的控制方法、夹送辊控制系统的控制方法和收卷辊控制系统的控制方法采用顺序结构并同时循环执行，且整个片材挤出机组张力系统控制方法循环执行，其具体过程如下：

第一步，在控制芯片内输入预先设定助冷辊转速值，用控制芯片检测第二挤压辊的位置信号，得到位置偏差，此时控制芯片自动运行自适应模糊PID控制算法，得到速度增量，预先设定助冷辊转速值和速度增量叠加后得到偏差，偏差经PID控制器转化为助冷辊伺服电机的控制电压，通过助冷辊伺服电机的驱动器驱动助冷辊伺服电机，从而控制助冷辊动作，输出助冷辊的实际转速，获得助冷辊当前的位置信号；

第二步，利用第一旋转编码器采集助冷辊的实际转速，位置传感器采集助冷辊当前的位置信号，传递给控制芯片；在控制芯片中，第二挤压辊的位置信号与助冷辊当前的位置信号做差得到新的位置偏差，再次运行自适应模糊PID控制算法，输出新的速度增量，预先设定助冷辊转速值和新的速度增量叠加后减去助冷辊的实际转速得到新的偏差，新的偏差经PID控制器转化为助冷辊伺服电机的新的控制电压；再通过助冷辊伺服电机的驱动器，驱动助冷辊伺服电机控制助冷辊动作，输出助冷辊新的转速，获得新的位置信号；

第三步，重复第二步，不断将位置偏差转化为速度补偿，进行位置修正，从而实现助冷辊控制系统中的片材张力控制。

第四步，在控制芯片内输入预先设定夹送辊转速值，控制芯片将检测到的助冷辊位置信号转化为助冷辊张力（助冷辊控制系统中的片材张力），作为夹送辊控制系统的预设张力值，得到张力偏差，此时控制芯片自动运行自适应模糊PID控制算法，得到速度增量，预先设定的夹送辊转速值和速度增量叠加后得到偏差，偏差经PID控制器转化为夹送辊伺服电机的控制电压，通过夹送辊伺服电机的驱动器，驱动夹送辊伺服电机控制夹送辊动作，得到夹送辊转速，再经转换单元，输出夹送辊的实际张力值；

第五步，利用第二旋转编码器采集夹送辊转速，张力检测器采集夹送辊的实际张力值，传递给控制芯片；在控制芯片中，预设张力值与夹送辊的实际张力值做差得到新的张力偏差，再运行自适应模糊PID控制算法，得到新的速度增量，预先设定的夹送辊转速值和新的速度增量叠加后减去夹送辊转速得到新的偏差，新的偏差经PID控制器转化为夹送辊伺服电机的新的控制电压，通过夹送辊伺服电机的驱动器，驱动夹送辊伺服电机控制夹送辊动作，得到夹送辊的新转速，再经转换单元，输出夹送辊上的新实际张力值；

第六步，重复第五步，不断将张力偏差转化为速度补偿，从而实现夹送辊控制系统中的片材张力控制。

第七步，控制芯片将检测到的夹送辊实际张力（夹送辊控制系统中的片材张力）作为收卷辊控制系统的预设张力值，得到张力偏差，此时控制芯片自动运行自适应模糊PID控制算法，得到收卷辊伺服电机的控制电流；通过收卷辊伺服电机驱动器，驱动收卷辊伺服电机输出转矩，从而控制收卷辊动作，输出收卷辊的实际张力值；

第八步，利用收卷系统张力检测器采集收卷辊的实际张力值，传递给控制芯片；在控制芯片中，预设张力值与收卷辊的实际张力值做差得到新的张力偏差，再运行自适应模糊PID控制算法，得到收卷辊伺服电机的新控制电流；通过收卷辊伺服电机驱动器，驱动收卷辊伺服电机输出新转矩，从而控制收卷辊动作，输出收卷辊的新实际张力值；

第九步，重复第八步，不断通过收卷辊伺服电机的控制电流来控制收卷辊伺服电机的转矩，从而实现收卷辊控制系统中的片材张力控制；

第十步，重复第一步至第九步，从而完成整个片材挤出机组张力系统的张力控制。

如图3所示，本发明的模糊PID控制器采用自适应模糊PID控制算法。自适应模糊PID控制算法由模糊控制器和PID控制器两部分组成，模糊控制器采用两输入三输出的结构，PID控制器采用三输入一输出的结构，则模糊PID控制器为两输入一输出的结构。模糊控制器以被控变量与输入给定值的偏差量和偏差变化量为输入，把操作人员长期现场调节张力控制系统所积累的经验总结成的若干条模糊规则，运用模糊推理，自动在线调整PID控制参数，再将PID的三个控制参数作为PID控制器输入，通过PID控制器实现被控量的最佳控制。

现场调节张力控制系统所积累的主要经验为：（1）当张力偏差较大时，选择较大调节量，以尽快地消除偏差；而当偏差较小时，选择较小的调节量，防止系统超调，以保证系统的稳定性。（2）当张力偏差值为负值时，若偏差变化率为正值，则输出较小的调节量，而变化率为负值时输出较大负值调节量；当张力偏差为正值时，若偏差的变化率为正值，则相应输出较大的正值调节量，而如果变化率为负值则输出较小的调节量。

在PID参数的整定过程中，三个参数的选取按照以下规则：（1）当偏差的绝对值较大时，取较大的比例系数和较小的微分系数，取较小的积分系数，防止大的超调量。（2）当偏差及偏差变化率的绝对值不太大时，比例系数取小点，积分微分取合适的值。（3）当偏差的绝对值小时，要稍微增大微分系数和积分系数，当偏差变化率的绝对值小时，微分系数取的大一点，当误差变化率的绝对值大时，微分系数取小一点。

自适应模糊PID控制算法的具体步骤如下：

第一步，进入程序入口，采集当前采样值y(k)；

第二步，将被控量的设定值r(k)与当前采样值y(k)做差得到偏差量e(k)，将当前偏差量e(k)和上一次的偏差量e(k-1)做差得到偏差变化量Δe；

第三步，偏差量e(k)和偏差变化量Δe即为模糊控制器的两输入，将两个输入量e(k)、Δe模糊化，然后模糊整定为比例参数Δk_P、积分参数Δk_I、微分参数Δk_D，再经解模糊运算，得到模糊控制器的三个输出，即比例因子k_P、积分因子k_I、微分因子k_D；

第四步，将模糊控制器的三个输出，即比例因子k_P、积分因子k_I、微分因子k_D作为PID控制器的输入，进行PID运算，得到控制量的输出来控制被控对象。

如图4所示，助冷辊控制系统的控制方法中采用多辊相位同步以保证控制精度，助冷辊控制系统的控制方法采用助冷辊位置闭环控制回路，助冷辊位置闭环控制回路中包含助冷辊转速闭环控制回路。助冷辊转速闭环控制回路的输入为速度设定值与速度增量的叠加值，输出为助冷辊转速；助冷辊位置闭环控制回路的输入为挤压辊位置信号，输出为助冷辊转速（即助冷辊位置信号）。助冷辊控制系统的控制方法的具体步骤如下：

第一步，在控制芯片内输入预先设定助冷辊转速值n，用控制芯片检测第二挤压辊的位置信号值，则此时位置偏差Δp（包括e(k-1)、Δe两个值）中，e(k-1)=Δe=挤压辊位置信号值；控制芯片自动控制模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，模糊PID控制器是两输入一输出的结构，位置偏差Δp（e(k-1)、Δe）为输入，速度增量Δn为输出，其具体工作流程见上述的“自适应模糊PID控制算法的具体步骤”；将预先设定助冷辊转速值n与速度增量Δn叠加后，送入助冷辊转速闭环控制回路；助冷辊转速闭环控制回路是以偏差E为输入、助冷辊转速N为输出的反馈系统，此时偏差E为（n+Δn）,经PID控制器转化为助冷辊伺服电机的控制电压U，通过串口通信传递给助冷辊伺服电机的驱动器，驱动助冷辊伺服电机输出控制电机转速n₁,从而控制助冷辊输出助冷辊的实际转速N，即助冷辊当前的位置信号（经换算可得到当前的实际张力输出，因而可用助冷辊位置代替张力进行控制）；

第二步，利用第一旋转编码器采集助冷辊的实际转速N，位置传感器采集助冷辊当前的位置信号，位置传感器将输出的助冷辊的实际转速N转化为当前的位置信号，传递给控制芯片；在控制芯片中，第二挤压辊的位置信号与助冷辊当前的位置信号做差得到新的位置偏差Δp（e(k)、Δe），其中，e(k)=预设的位置值-当前位置值，Δe=e(k)-e(k-1)，再次运行自适应模糊PID控制算法，输出新的速度增量Δn，将预先设定助冷辊转速值n与新的速度增量Δn叠加后，送入助冷辊转速闭环控制回路，则此时助冷辊转速闭环控制回路的输入为（n+Δn），减去助冷辊的实际转速N，得到新的偏差E为（n+Δn-N）,经PID控制器转化为新的助冷辊伺服电机控制电压U，再通过串口通信传递给助冷辊伺服电机的驱动器，驱动助冷辊伺服电机输出新的控制电机转速n₁,从而控制助冷辊输出新的助冷辊转速N，即新的助冷辊位置信号；

第三步，重复第二步，不断地通过助冷辊伺服电机和PID控制器将位置偏差转化为速度补偿，进行位置修正，从而实现助冷辊控制系统中的片材张力控制。

如图5所示，夹送辊控制系统的控制方法也采用速度控制模式进行控制，夹送辊控制系统的控制方法采用夹送辊张力闭环控制回路，夹送辊张力闭环控制回路中包含夹送辊转速闭环控制回路。夹送辊转速闭环控制回路的输入为速度设定值与速度增量的叠加值，输出为夹送辊转速；夹送辊张力闭环控制回路的输入为夹送辊张力设定值，输出为夹送辊实际张力。夹送辊控制系统的控制方法的具体步骤如下：

第一步，在控制芯片内输入预先设定的夹送辊转速值n，控制芯片将检测到的助冷辊位置信号转化为助冷辊张力（助冷辊控制系统中的片材张力），作为夹送辊控制系统的预设张力值，则此时张力偏差e（包括e(k-1)、Δe两个值）中，e(k-1)=Δe=预设张力值；控制芯片自动控制模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，模糊PID控制器是两输入一输出的结构，张力偏差e（e(k-1)、Δe）为输入，速度增量Δn为输出，其具体工作流程见上述的“自适应模糊PID控制算法的具体步骤”；将预先设定的夹送辊转速值n与该速度增量Δn叠加后，送入夹送辊转速闭环控制回路，则此时夹送辊转速闭环控制回路的输入为（n+Δn），得到偏差E为（n+Δn）,经PID控制器转化为夹送辊伺服电机的控制电压U，通过串口通信传递给夹送辊伺服电机的驱动器，驱动夹送辊伺服电机输出控制电机转速n₁，从而控制夹送辊输出夹送辊转速N，然后通过转化单元转换为片材张力T。

第二步，张力检测器采集当前的片材张力T，旋转编码器采集当前的夹送辊转速N；在控制芯片中，将预设张力值与采集到的当前片材张力值T进行比较，得到新的张力偏差e（e(k)、Δe），其中，e(k)=预设的张力值-当前张力值，Δe=e(k)-e(k-1)，经模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法后，输出新的速度增量Δn；将速度设定值n与该速度增量Δn叠加，送入夹送辊转速闭环控制回路，则此时夹送辊转速闭环控制回路的输入为（n+Δn），减去当前夹送辊转速N，得到新的偏差E为（n+Δn-N）,经PID控制器转化为新的夹送辊伺服电机控制电压U，再通过串口通信传递给夹送辊伺服电机的驱动器，驱动夹送辊伺服电机输出新的控制电机转速n₁，从而控制夹送辊输出新的夹送辊转速N，再通过转化单元转换为新的片材张力T；

第三步，重复第二步，不断地通过夹送辊伺服电机和PID控制器将张力偏差转化为速度补偿，从而实现夹送辊控制系统中的片材张力控制。

如图6所示，收卷辊控制系统的控制方法中采用收卷辊伺服电机的转矩模式进行控制。收卷辊在收卷过程中，直径不断增大，而片材线速度恒定，收卷辊转速会不断减小，若采用速度控制模式，在速度变化过程中很容易出现较大的速度波动，而导致片材松弛；因此采用收卷辊伺服电机的转矩模式进行控制。

收卷辊控制系统的控制方法的具体步骤如下：

第一步，控制芯片将检测到的夹送辊实际张力（夹送辊控制系统中的片材张力）作为收卷辊控制系统的预设张力值；则此时张力偏差e（包括e(k-1)、Δe两个值）中，e(k-1)=Δe=预设张力值；控制芯片自动控制模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，模糊PID控制器是两输入一输出的结构，张力偏差e（e(k-1)、Δe）为输入，收卷辊伺服电机的控制电流I为输出，其具体工作流程见上述的“自适应模糊PID控制算法的具体步骤”；收卷辊伺服电机的控制电流I通过串口通信传递给收卷辊伺服电机的驱动器，驱动收卷辊伺服电机输出转矩，转矩转化为输出张力T₁,从而控制收卷辊输出片材张力T；

第二步，收卷系统张力检测器采集当前的片材张力T，传递给控制芯片；在控制芯片中，将预设张力值与采集到的当前片材张力值T进行比较，得到新的张力偏差e（e(k)、Δe），其中，e(k)=预设张力值-当前张力值，Δe=e(k)-e(k-1)，经模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法后，输出收卷辊伺服电机的新控制电流I；用收卷辊伺服电机的新控制电流I控制收卷辊伺服电机输出转矩，转矩转化为新的输出张力T₁,从而控制收卷辊输出新的片材张力T；

第三步，重复第二步，不断通过收卷辊伺服电机的控制电流来控制收卷辊伺服电机的转矩，从而实现收卷辊控制系统中的片材张力控制。

Claims (10)

1.片材挤出机组张力系统控制装置，其特征在于：包括用于将片材(1)挤压成型的第一挤压辊(2)和第二挤压辊(3)，沿片材(1)运动方向依次设置的助冷辊控制系统、夹送辊控制系统和收卷辊控制系统，以及设有模糊PID控制器和PID控制器的控制芯片；其中第二挤压辊(3)上设有挤压辊位置传感器；助冷辊控制系统包括助冷辊(4)，助冷辊(4)上设置有助冷辊伺服电机和位置传感器，助冷辊伺服电机上连有助冷辊伺服电机的驱动器；夹送辊控制系统包括沿片材的收卷方向依次设置的夹送辊(5)、张力辊(6)和被动辊(9)，夹送辊(5)上设有夹送辊伺服电机，夹送辊伺服电机上连有夹送辊伺服电机的驱动器，张力辊(6)上连接有张力检测器(8)；收卷辊控制系统包括沿片材的收卷方向依次设置的收卷系统张力辊(10)和收卷辊(11)，收卷系统张力辊(10)上连接有收卷系统张力检测器(12)，收卷辊(11)上设有收卷辊伺服电机，收卷辊伺服电机上连有收卷辊伺服电机的驱动器；助冷辊(4)、夹送辊(5)、张力辊(6)、被动辊(9)、收卷系统张力辊(10)和收卷辊(11)相互平行；

挤压辊位置传感器、助冷辊伺服电机、位置传感器、夹送辊伺服电机、张力检测器(8)、收卷辊伺服电机和收卷系统张力检测器(12)分别与控制芯片的输入端相连，控制芯片的输出端分别与助冷辊伺服电机的驱动器、夹送辊伺服电机的驱动器和收卷辊伺服电机的驱动器相连。

2.根据权利要求1所述的片材挤出机组张力系统控制装置，其特征在于：所述的助冷辊伺服电机上连有第一旋转编码器，夹送辊伺服电机上连有第二旋转编码器。

3.根据权利要求1或2所述的片材挤出机组张力系统控制装置，其特征在于：所述的夹送辊(5)、被动辊(9)和收卷辊(11)位于片材(1)的上方并紧贴片材(1)；助冷辊(4)、张力辊(6)和收卷系统张力辊(10)位于片材(1)的下方并紧贴片材(1)；张力辊(6)的高度高于其两侧的夹送辊(5)和被动辊(9)的高度；收卷系统张力辊(10)的高度高于其两侧的被动辊(9)和收卷辊(11)的高度。

4.根据权利要求1或2所述的片材挤出机组张力系统控制装置，其特征在于：所述的夹送辊控制系统在助冷辊控制系统和收卷辊控制系统之间串联的设置多组。

5.根据权利要求1或2所述的片材挤出机组张力系统控制装置，其特征在于：所述的张力辊(6)安装在支撑座(7)上，支撑座(7)上设有张力检测器(8)；收卷系统张力辊(10)安装在收卷系统支撑座(13)上，收卷系统支撑座(13)上设有收卷系统张力检测器(12)。

6.根据权利要求2所述的片材挤出机组张力系统控制装置的片材挤出机组张力系统控制方法，其特征在于：包括助冷辊控制系统的控制方法、夹送辊控制系统的控制方法和收卷辊控制系统的控制方法；其具体步骤如下：

1)助冷辊控制系统的控制方法：用控制芯片采集第二挤压辊的位置信号和助冷辊的转速，由模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，再由PID控制器控制助冷辊输出新的转速，循环运行模糊PID控制器和PID控制器，从而实现对助冷辊控制系统中片材张力的控制；

2)夹送辊控制系统的控制方法：用控制芯片采集步骤1)中得到的助冷辊控制系统中片材张力，用张力检测器采集夹送辊的实际张力值，由模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，再由PID控制器控制助冷辊输出新的转速，再转换为夹送辊上的新实际张力值，循环运行模糊PID控制器和PID控制器，从而实现对夹送辊控制系统中片材张力的控制；

3)收卷辊控制系统的控制方法：用控制芯片采集步骤2)中得到的夹送辊控制系统中片材张力，由模糊PID控制器运行自适应模糊PID控制算法，驱动收卷辊伺服电机输出转矩，从而控制收卷辊输出实际张力值，循环运行模糊PID控制器，从而实现对收卷辊控制系统中片材张力的控制。

7.根据权利要求6所述的片材挤出机组张力系统控制方法，其特征在于：所述的模糊PID控制器采用的自适应模糊PID控制算法由模糊控制器和PID控制器两部分组成，自适应模糊PID控制算法的具体步骤如下：

第一步，进入程序入口，采集当前采样值y(k)；

第二步，将被控量的设定值r(k)与当前采样值y(k)做差得到偏差量e(k)，将当前偏差量e(k)和上一次的偏差量e(k-1)做差得到偏差变化量Δe；

第三步，偏差量e(k)和偏差变化量Δe即为模糊控制器的两输入，将两个输入量e(k)、Δe模糊化，然后模糊整定为比例参数Δk_P、积分参数Δk_I、微分参数Δk_D，再经解模糊运算，得到模糊控制器的三个输出，即比例因子k_P、积分因子k_I、微分因子k_D；

第四步，将模糊控制器的三个输出，即比例因子k_P、积分因子k_I、微分因子k_D作为PID控制器的输入，进行PID运算，得到控制量的输出来控制被控对象。

8.根据权利要求6或7所述的片材挤出机组张力系统控制方法，其特征在于：所述的助冷辊控制系统的控制方法包括以下步骤：

第一步，在控制芯片内输入预先设定助冷辊转速值，用控制芯片检测第二挤压辊的位置信号，得到位置偏差，此时控制芯片自动运行自适应模糊PID控制算法，得到速度增量，预先设定助冷辊转速值和速度增量叠加后得到偏差，偏差经PID控制器转化为助冷辊伺服电机的控制电压，通过助冷辊伺服电机的驱动器驱动助冷辊伺服电机，从而控制助冷辊动作，输出助冷辊的实际转速，获得助冷辊当前的位置信号；

第二步，利用第一旋转编码器采集助冷辊的实际转速，位置传感器采集助冷辊当前的位置信号，传递给控制芯片；在控制芯片中，第二挤压辊的位置信号与助冷辊当前的位置信号做差得到新的位置偏差，再次运行自适应模糊PID控制算法，输出新的速度增量，预先设定助冷辊转速值和新的速度增量叠加后减去助冷辊的实际转速得到新的偏差，新的偏差经PID控制器转化为助冷辊伺服电机的新的控制电压；再通过助冷辊伺服电机的驱动器，驱动助冷辊伺服电机控制助冷辊动作，输出助冷辊新的转速，获得新的位置信号；

第三步，重复第二步，不断将位置偏差转化为速度补偿，进行位置修正，从而实现助冷辊控制系统中的片材张力控制。

9.根据权利要求6或7所述的片材挤出机组张力系统控制方法，其特征在于：所述的夹送辊控制系统的控制方法包括以下步骤：

第一步，在控制芯片内输入预先设定夹送辊转速值，控制芯片将检测到的步骤1)中的助冷辊位置信号转化为助冷辊张力，作为夹送辊控制系统的预设张力值，得到张力偏差，此时控制芯片自动运行自适应模糊PID控制算法，得到速度增量，预先设定的夹送辊转速值和速度增量叠加后得到偏差，偏差经PID控制器转化为夹送辊伺服电机的控制电压，通过夹送辊伺服电机的驱动器，驱动夹送辊伺服电机控制夹送辊动作，得到夹送辊转速，再经转换单元，输出夹送辊的实际张力值；

第二步，利用第二旋转编码器采集夹送辊转速，张力检测器采集夹送辊的实际张力值，传递给控制芯片；在控制芯片中，预设张力值与夹送辊的实际张力值做差得到新的张力偏差，再运行自适应模糊PID控制算法，得到新的速度增量，预先设定的夹送辊转速值和新的速度增量叠加后减去夹送辊转速得到新的偏差，新的偏差经PID控制器转化为夹送辊伺服电机的新的控制电压，通过夹送辊伺服电机的驱动器，驱动夹送辊伺服电机控制夹送辊动作，得到夹送辊的新转速，再经转换单元，输出夹送辊上的新实际张力值；

第三步，重复第二步，不断将张力偏差转化为速度补偿，从而实现夹送辊控制系统中的片材张力控制。

10.根据权利要求6或7所述的片材挤出机组张力系统控制方法，其特征在于：所述的收卷辊控制系统的控制方法包括以下步骤：

第一步，控制芯片将检测到的步骤2)中的夹送辊实际张力作为收卷辊控制系统的预设张力值，得到张力偏差，此时控制芯片自动运行自适应模糊PID控制算法，得到收卷辊伺服电机的控制电流；通过收卷辊伺服电机驱动器，驱动收卷辊伺服电机输出转矩，从而控制收卷辊动作，输出收卷辊的实际张力值；

第二步，利用收卷系统张力检测器采集收卷辊的实际张力值，传递给控制芯片；在控制芯片中，预设张力值与收卷辊的实际张力值做差得到新的张力偏差，再运行自适应模糊PID控制算法，得到收卷辊伺服电机的新控制电流；通过收卷辊伺服电机驱动器，驱动收卷辊伺服电机输出新转矩，从而控制收卷辊动作，输出收卷辊的新实际张力值；

第三步，重复第二步，不断通过收卷辊伺服电机的控制电流来控制收卷辊伺服电机的转矩，从而实现收卷辊控制系统中的片材张力控制。