CN116281333A - 一种带材张力梯度和卷取密度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，涉及工业控制技术领域。上述张力梯度控制系统的设计方法包括以下步骤：确定生产设备及相关设备的影响因素、建立张力模型的分析和优化选择、在张力夹送辊和卷取机建立卷取段张力控制系统、对采用前馈张力控制进行波动时的补偿，确定张力和材料性能与卷取密度的关系。该张力梯度控制系统的设计方法，从控制角度着手，设置张力梯度控制模型替代机械的恒角度装置，设置卷取密度保证整个卷取塔形度和修边的质量，实现修边的自动化控制，这种方式节省了机械的张力小车，形成等同恒角度卷取的独有技术，即也保证卷取机所需要的初始张力，又保证了带材的卷取质量。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，具体为一种带材张力梯度和卷取密度控制方法。
背景技术
张力控制，指的是对在两个加工设备之间作连续运动或静止的被加工材料所受的张力进行自动控制的技术；这种技术要求原料在设备上被输送的过程中，其伸展程度能够控制在一定范围内，即设备在任何运行速度下都必须保持有效，包括设备的加速、减速和匀速状态；即使在运行的过程中发生紧急停止，也应有能力保证被输送原料不受损；因此，张力控制的稳定性与产品的质量有着直接的关系；若张力不足，原料在输送的过程中容易产生漂移，会出现卷取塔型、错层等现象；若张力过大，则原料容易被拉断受损，出现带卷翻边、塌心，使成品的合格率降低。
我国电力工业输配电变压器上对变压器无氧铜带需求旺盛，年需求量已达6万吨，国内需求量每年以年均10％增长，目前国内只有少数公司可以批量生产，产品带宽窄、产量少，其他80％依赖进口；造成的主要原因，是我国的变压器带边部处理技术还处于研究初期阶段，边部质量完全依靠剪切设备的精度及剪刃调整技术水平，带材边部毛刺大，在铜带制造的过程中，需要借助修边机对其进行相关的修边加工，而修边机进行加工过程中，需要对铜带的张力进行控制，修边和切边只有建立在稳定的张力情况下才能进行，在此以后，为保证带材的二次加工以及运输，需要一定的卷取密度；鉴于此，我们提出了一种带材张力梯度和卷取密度控制方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种带材张力梯度和卷取密度控制系统，解决了上述背景技术提到的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，所述张力梯度和卷取密度控制系统的设计方法包括以下步骤：
S1、确定生产设备及相关设备的影响因素，这是建立在张力开环的控制基础上，并制定解决思路；
S2、建立张力模型的分析和优化选择，分段张力的建立，带材张力恒定和带材修边质量的关系；
S3、在张力夹送辊和卷取机建立卷取段张力控制系统，优化采用速度转矩建张方式；
S4、采用动态补偿方式对张力波动和前馈控制的确定，采用转动惯量的测量方式和前馈控制方式消除消除扰动对被控量的影响，公式如下：
其中TD为动态转矩，速度和张力的耦合，恒速度保证恒张力，在机组做加减速时或者其他情况产生的张力波动，通过前馈控制把张力补偿到相对恒定，消除固定转动惯量的测量误差和减弱摩擦转矩影响，反映并用于张力补偿。
TD动态力矩，Nm；
JF为固定转动惯量，kgm2；
JV为可变转动惯量，kgm2；
i为减速比；
v为机组线速度，m/s；
dv/dt为机组的加速度，m/s2；
S5、张力梯度数学模型和卷取密度的确定，分析和对比机械的恒角度卷取，其公式如下：
W0＝π(D1 2-D0 2)L*ρ ⑷
F为卷取当前张力，单位为N；F0为卷取初始张力，单位为N；k为卷取张力梯度的系数；
δ为卷取密度；H带材硬度N/mm2；
W0按带卷卷径计算的理论重量，其单位为kg；
D0为带卷初始卷径，D1为最终卷径，D为带卷当前卷径，L为带卷宽度，t为带卷厚度，D1、t和L的单位均为m，带卷金属密度单位为kg/m3，Wact表示实际带卷重量，且单位为kg。
卷取密度δ为0.95～0.98较为合适，过大则容易翻边和塌卷，过小则容易松卷。
优选的，S1中所确定的生产设备为修边机，通过修边机对带材进行加工修剪。
优选的，S1中所确定相关设备的影响因素为整个机组切边和修边不同设备之间的基本工作条件存在差异。
优选的，S1中制定解决思路为建立切边和修边的分段张力，并做其他控制方式比较和优化，建立适宜的速度满足切边和修边。
优选的，S1中影响因素包括切边和修边相互之间张力分配、张力耦合、张力波动以及速度变化。
优选的，S2中带材运行中对修边的影响因素包括张力的稳定性、带材的层错、速度的波动和带材本身。
优选的，S3中建立卷取段张力控制系统，根据张力波动情况辅以张力的动态补偿技术进行前馈控制。
优选的，S4中消除扰动对被控量的影响包括速度和转动惯量变化的影响、速度采集误差。
优选的，根据S5中张力梯度和卷取密度的数学模型对带材进行带材张力梯度和卷取密度的控制。
优选的，S5中卷取密度δ为0.95～0.98。
(三)有益效果
本发明提供了一种带材张力梯度和卷取密度控制方法。具备以下有益效果：
(1)、该张力梯度控制系统的设计方法，从控制角度着手，设置张力梯度控制模型替代机械的恒角度装置，保证整个卷取塔形度和修边的质量，实现修边的自动化控制，这种方式节省了机械的张力小车，形成等同恒角度卷取的独有技术。
(2)、该张力梯度控制系统的设计方法，在满足卷取机所需要的初始张力，确定合适带材的卷取密度，分析和比较不同厚度的带材适宜的卷取密度，为料卷塔形度提供了保证，同时也有效保证了带材成品运输不松卷和二次加工基本条件。
附图说明
图1为本发明控制流程示意图；
图2为本发明的电路原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1－图2，本发明提供一种技术方案：一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，所述张力梯度和卷取密度控制系统的设计方法包括以下步骤：
S1、确定生产设备及相关设备的影响因素，并制定解决思路。
确定的生产设备为修边机；确定相关设备的影响因素为整个机组切边和修边不同设备之间的基本工作条件存在差异，影响因素包括切边和修边相互之间张力分配、张力耦合、张力波动以及速度变化。
一般来说切边速度可以达到200米/分钟，主要产品是提供给下游设备生产的。对张力波动要求可以在5％～10％，修边一般是30～60米/分钟，有刀具修边和钢辊压边等方法，速度控制精度1％，张力控制精度3％以内，在张力辊和卷取机之间的修边段保持张力恒定，区分开卷段张力，断开与开卷张力的耦合，速度保持恒定即保证张力恒定，根据实际情况制定解决思路为建立切边和修边的分段张力，并做其他控制方式比较和优化来满足切边和修边质量。
S2、建立张力模型的分析和优化选择，分段张力的建立，带材张力恒定和带材修边质量的关系，优化建立速度转矩建张模式，保证切边的所需的张力，在张力辊和卷取机之间建立卷取段张力，这一段是保证修边的所需的张力，具体装置可以是2辊和3辊等来建立与卷取机形成的张力，有效地提高了带卷卷取密度改善了料卷的塔形，确保运输和下道工序工作质量。
带材运行中对修边的影响因素包括张力的稳定性、带材的层错、速度的波动和带材本身；其中，修边段张力有压下的毛毡和卷取机的建立方式，也有张力夹送辊(电机)和卷取机的方式，采用变频器实现张力控制调整方式相比毛毡精确，稳定，干扰小。其中以速度－转矩模式相比速差模式张力波动小，速度是跟随模式(速度跟随卷取机)，适合于修边。
S3、在张力夹送辊和卷取机建立卷取段张力控制系统，利用以速度－转矩模式建张，根据张力波动情况辅以张力的动态补偿技术进行前馈控制；
具体操作如下：
1、机组加速时
产生较大正张力波动，因此，在给定转矩时需要减去，即
2、机组减速时
时，产生较大负张力波动，因此，在给定转矩时需要加上，即
通过前馈控制能够有效地进行动态补偿，能够及时根据张力波动的情况辅以调整。
S4、采用动态补偿方式对张力波动和前馈控制的确定，采用转动惯量的测量方式和前馈控制方式消除扰动对被控量的影响，消除消除扰动对被控量的影响包括速度和转动惯量变化的影响、速度采集误差，公式如下：
其中TD为动态转矩，速度和张力的耦合，恒速度可以有效地保证恒张力，在机组做加减速时或者其他情况产生的张力波动，通过前馈控制把张力补偿到相对恒定，消除固定转动惯量的测量误差和减弱摩擦转矩影响，可靠地反映并用于张力补偿：
S5、料卷塔形度和张力梯度数学模型及卷取密度的确定，分析和对比机械的恒角度卷取，其公式如下：
W0＝π(D1 2-D0 2)L*ρ ⑷
F为卷取张力，单位为N；T0为卷取初始张力，单位为N；k为卷取张力梯度的系数；
δ为卷取密度；H带材硬度；
W0按带卷卷径计算的理论重量，其单位为kg；
D0为带卷初始卷径，D1为最终卷径，L为带卷宽度，D1和L的单位均为m，带卷金属密度单位为kg/m3，Wact表示实际带卷重量，且单位为kg。以铜带的加工为例；设置卷取密度δ为0.95～0.98较为合适，过大则容易翻边和塌卷，过小则容易松卷。
卷取质量包含带卷不松卷，带卷不塌卷，带卷端部不翻边，随着卷取机的卷径逐渐增大，张力如果恒定则容易造成塌卷，实际操作中是不断减小卷取机张力来控制塌卷，如果安装恒角度卷取装置，工程造价大，因此，从控制角度着手，设置张力梯度控制模型替代机械的恒角度装置，保证整个卷取塔形度和修边的质量，实现修边的自动化控制，这种方式节省了机械恒角度装置，形成等同恒角度卷取的独有技术。
确定了合适带材的卷取密度，分析和比较不同厚度的带材适宜的卷取密度，为料卷塔形度提供了保证，同时也有效保证了带材成品运输不松卷。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，其特征在于：所述张力梯度控制系统的设计方法包括以下步骤：
S1、确定生产设备及材料性能的影响因素，并根据生产设备及材料性能的影响因素制定解决思路；
S2、建立张力模型的分析和优化选择，分段张力的建立，带材张力恒定和带材修边质量的关系；
S3、在张力夹送辊和卷取机建立卷取段张力控制系统，优化采用速度转矩建张方式；
S4、采用动态补偿方式对张力波动和前馈控制的确定，采用转动惯量的测量方式和前馈控制方式消除消除扰动对被控量的影响，公式如下：
其中TD为动态转矩，速度和张力的耦合，恒速度保证恒张力，在机组做加减速时或者其他情况产生的张力波动，通过前馈控制把张力补偿到相对恒定，消除固定转动惯量的测量误差和减弱摩擦转矩影响，反映并用于张力补偿；
S5、建立张力梯度数学模型，建立卷取密度数学模型，分析和对比机械的恒角度卷取，其公式如下：
W0＝π(D1 2-D0 2)L*ρ ⑷。
2.根据权利要求1所述的一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，其特征在于：S1中所确定的生产设备为修边机。
3.根据权利要求1所述的一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，其特征在于：S1中所确定相关设备的影响因素为整个机组切边和修边不同设备之间的基本工作条件存在的差异。
4.根据权利要求1所述的一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，其特征在于：S1中制定解决思路为建立切边和修边的分段张力，并做其他控制方式比较和优化，建立适宜的速度满足切边和修边。
5.根据权利要求1所述的一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，其特征在于：S1中影响因素包括切边和修边相互之间张力分配、张力耦合、张力波动以及速度变化。
6.根据权利要求1所述的一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，其特征在于：S2中带材运行中对修边的影响因素包括张力的稳定性、带材的层错、速度的波动和带材本身。
7.根据权利要求1所述的一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，其特征在于：S3中建立卷取段张力控制系统，根据张力波动情况辅以张力的动态补偿技术进行前馈控制。
8.根据权利要求1所述的一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，其特征在于：S4中消除扰动对被控量的影响包括速度和转动惯量变化的影响、速度采集误差。
9.根据权利要求1所述的一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，其特征在于：根据S5中张力梯度和卷取密度的数学模型对带材进行带材张力梯度和卷取密度的控制。
10.根据权利要求1所述的一种带材张力梯度和卷取密度控制方法，其特征在于：S5中卷取密度δ为0.95～0.98。
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