CN1906104A - 纸幅张力的实时确定和使用位置传感器的控制 - Google Patents

Abstract

使用连接到驱动辊的位置传感器来实时确定经过卷筒纸传输系统的卷筒纸材料中的纸幅张力，该驱动辊定义了张力区的开始和结束。辊上的位置传感器提供这样的信息，即，该信息与添加到张力区以及从存在于张力区中的卷筒纸材料减去的应变卷筒纸材料的量有关。然后，将采样时间周期内添加到张力区的、从张力区中减去的以及存在于张力区中的卷筒纸材料的量转换为卷筒纸材料的非应变量，当将他们相结合时，给出存在于张力区内的非应变卷筒纸材料的当前量的估算。因为张力区的长度固定且已知，所以可根据张力区中的非应变卷筒纸材料的当前量来确定卷筒纸材料中的张力。

Description

纸幅张力的实时确定和使用位置传感器的控制

技术领域

本发明涉及用于在制造过程中确定纸幅张力的技术。

背景技术

连续进料制造系统，诸如用于生产纸、膜、带等的制造系统，经常包括一个或多个由电动机驱动的可旋转的机械部件，诸如辊、圆形铸锭机、滑轮、齿轮、牵引辊、挤压机、齿轮泵等。这些系统常包括电子控制器，该电子控制器输出控制信号以接合电动机并以预定速度驱动电动机。典型控制器经常包括复杂的闭环控制回路，该闭环控制回路监控电动机的速度并调节输出信号以补偿任何检测出的错误。

纸幅张力是基于卷筒纸的产品制造和处理过程中最关键的参数之一。纸幅张力通常与卷筒纸材料穿过连续进料制造系统中的一组驱动辊时的卷筒纸材料的速度变化有关。传统的张力传感装置采用各种类型的应变计，其安装在被加工以在张力负荷之内增强应变变化的物理横梁或结构上。典型的配置采用由卷筒纸以某一角度缠绕的辊，以将纸幅张力转化为结构上的比例力。这些力顺次引起应变计中允许张力测量的应变。

这些张力传感装置在安装方法以及横梁或应变计设计以提高精度的方法上通常不同。对于许多应用，所需的辊缠绕不可实现，因为卷筒纸的特性会要求其不接触辊的表面，这是因为其会导致损伤、损毁、沾污和其他表面涂饰缺陷。另外，小缠绕角度减小表面牵引以及用卷筒纸驱动辊的能力，从而增加材料损伤的可能性。由于传统的张力传感器的辊上的弯曲，层压的产品可以具有因不一致的路径长度而导致的相对层潜伸。厚或多层构成的产品的弯曲能够引起诸如分层等缺陷。

在一些情况下，由于卷筒纸的特性或制造环境的空间限制，实现所需的缠绕的几何形状是不方便的或不可能的。高精度张力传感器的使用可以减小这个角度，但是它仍是一个重大的限制。另外，小缠绕角度减小表面牵引以及用卷筒纸驱动辊的能力，从而增加材料损伤的可能性。

在其他情况下，速度变化已被用于确定连续进料制造系统中的长期的近似平均纸幅张力。通常被称为拉纸控制(draw control)的这个概念，是众所周知的并且已在卷筒纸处理系统中应用多年。尽管拉纸控制能够在足够长的测量期间内并以十分高的卷筒纸速度估算张力，但是它不允许实时确定纸幅张力。同样地，拉纸控制在利用纸幅张力作为控制因子的控制应用中已没有用。另外，拉纸控制固有地是开环策略，即，控制辊的速度，但是张力总是根据拉纸来估算，并且从不以充分的精度基于测量的拉纸来进行控制。具体地，拉纸技术一般作出与卷筒纸材料经过该系统时实际卷筒纸材料速度有关的假设。同样地，得不到当其与速度、张力以及任何其他卷筒纸材料参数有关时与卷筒纸的运动有关的位置信息。由于根据辊和其他系统部件得不到需要的信息，因而可以使用拉纸来确定纸幅张力的非实时估算及其有关参数。本发明试图克服现有技术中的这些局限。

发明内容

通常，本发明涉及用于确定卷筒纸传输系统内感测纸幅张力和模量的技术。更明确地，所描述的技术通过使用高分辨率的位置反馈传感器来实时计算卷筒纸传输系统的一个或多个间距内的各自的纸幅张力。

传统的张力传感器用于物理地测量卷筒纸传输系统内下游间距内的张力。需要最初的直接张力测量，因为来自先前过程的卷筒纸中应变的现有等级通常未知。如果实际应变值已知，其能够被直接使用。基于上游测量的纸幅张力和从位置反馈传感器接收的位置信号，实时计算下游间距内的纸幅张力。具体地，基于上游测量的纸幅张力和从辊内的位置传感器接收的位置信号，实时计算来自张力传感器的两辊下游之间的间距的纸幅张力。控制器例如接收来自位置传感器的位置信号，并且连续确定间距内的卷筒纸量的任何变化。基于材料量的任何变化和上游测量的纸幅张力，控制器计算下游间距的纸幅张力。

控制器可以应用该过程以仅使用单一张力传感器来计算卷筒纸传输系统内的多个下游间距的纸幅张力。此外，高分辨率传感器经常用在用于速度和位置控制的现代卷筒纸传输系统中。因而，在此描述的技术可以允许实时确定纸幅张力，而无需使用额外的硬件，因此节省了与多个商业用张力传感器、可能额外需要的任何辊、卷筒纸路径变型和安装相关联的成本。例如，描述的技术可主要以在卷筒纸传输系统的驱动系统上执行的软件来实现，或者以经由工业网络与驱动系统通信的远程控制器来实现。

另外，该技术可应用于替代配置中，以提供能力来直接计算实时的卷筒纸性能。例如，可应用该技术来计算卷筒纸的性能，诸如模量、厚度、面积或其他性能。

在一个实施方式中，本发明针对一种用于控制卷筒纸传输系统内纸幅张力和模量感测的方法。该方法实时计算一段卷筒纸材料的张力，该段卷筒纸材料是具有长度的张力区，并且控制作为张力函数的第一辊的第一执行器控制信号。

在另一个实施方式中，本发明针对一种用于确定卷筒纸传输系统内纸幅张力和模量感测的方法。该方法确定时间周期内添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量，该时间周期具有开始和结束；确定在时间周期开始时张力区内的卷筒纸材料的非应变量；并且确定在时间周期内从张力区减去的卷筒纸材料的非应变量。该方法然后使添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量、张力区内的卷筒纸材料的非应变量和从张力区减去的卷筒纸材料的非应变量相结合，以确定在时间周期结束时张力区内的卷筒纸材料的量；将时间周期结束时张力区内的卷筒纸材料的量除以张力区的长度，以确定卷筒纸材料的当前应变；并且将卷筒纸材料的应变转换为张力。

在另一个实施方式中，本发明针对一种包含指令的计算机可读介质。该指令使可编程处理器接收对应于第一辊的位置的第一位置；接收对应于第二辊的位置的第二位置；以及使用第一位置和第二位置，实时计算一段卷筒纸材料的张力，该段卷筒纸材料为具有长度的张力区。

在另一个实施方式中，本发明针对一种用于确定卷筒纸传输系统内纸幅张力和模量感测的系统。该系统包括至少两个产生至少两个位置信号的位置传感器和控制器模块，该控制器模块基于两个位置信号实时计算张力区中的卷筒纸材料的张力。该张力区为连接到所述至少两个位置传感器的辊之间的卷筒纸材料，并且每一个位置传感器连接卷筒纸传输系统中的辊。

结合图和下面的描述而给出本发明的一个或多个实施方式的详述。从该描述和图以及从权利要求中将明显得到本发明的其他特征、目的和优点。

附图说明

图1是说明了依照在此描述的技术的基于卷筒纸的制造系统操作的简图。

图2是说明了根据在此描述的技术的基于卷筒纸的制造系统内的单一张力区的代表的简图。

图3是说明了基于卷筒纸的制造系统内的单一张力区的另一代表的简图。

图4是说明了基于卷筒纸的制造系统内的多张力区的代表的简图。

图5是说明了根据本发明的实施方式确定基于卷筒纸的制造系统的纸幅张力的控制器操作的实例模式的流程图。

具体实施方式

图1是说明了根据本发明的原理的基于卷筒纸的制造系统操作的部分的简图。在该特定实例中，示出一般被称作张力区150的一段卷筒纸传输系统，其包含两个驱动辊和许多空转辊，这些辊移动卷筒纸材料100通过卷筒纸传输系统。驱动辊与转动以便以希望的速度移动卷筒纸材料100的驱动电动机连接。控制器模块130从编码传感器收集位置数据，该编码传感器指示辊的角度位置以提供与由辊所产生的旋转量相关的数据。因为辊与经过辊的卷筒纸材料量成正比地旋转，所以可以得到来自这些传感器的指示添加到两个驱动辊101，104之间的张力区150的卷筒纸材料量以及从两个驱动辊101，104之间的张力区150减去的卷筒纸材料量的数据。

在操作期间，卷筒纸材料100从左侧进入张力区150到第一辊101上，第一辊101连接有位置传感器111。第二和第三非驱动辊102-103是空转辊，即，非驱动辊，用于获得通过卷筒纸传输系统的期望的物理卷筒纸路径配置。第四辊104位于该张力区150的出口，并且也具有位置传感器112。这些辊中的任意辊可被驱动，尽管在典型配置中仅进入辊和排除辊会被驱动。另外，这些辊中的任意辊或所有辊可以是空转辊，同时仍旧根据本发明的原理而操作。虽然仅示出两个空转辊102-103，但是可使用任意数量的辊来获得期望的卷筒纸路径配置。

依照在此描述的技术，基于卷筒纸的制造系统的控制器模块130从位置传感器111-112接收位置信号121、122，并且基于这些信号实时计算张力区150内的卷筒纸材料100的各种参数。在此描述的技术的各种实施方式允许精确地实时确定诸如纸幅张力、弹性模量、厚度和宽度等参数。高分辨率位置传感器产生位置信号121-122，该位置信号121-122允许控制器模块130精确地确定从动或非从动卷筒纸传输辊101和104的位置变化。然后，控制器模块130可以精确地确定作为卷筒纸传输系统实时控制使用的反馈数据的卷筒纸参数。

更具体地，基于从位置传感器111-112接收的位置信号121-122，控制器模块130确定在任意给定采样周期期间已添加到张力区150或从张力区150减去的卷筒纸材料100的量。根据先前确定的在采样周期开始时张力区150内的卷筒纸材料100的量，控制器模块130确定在该采样周期结束时张力区内的卷筒纸材料100的量。因为张力区150的间距固定且已知，控制器模块130根据这些数据值确定卷筒纸材料100中应变的量，如下面更详细的讨论。一旦确定卷筒纸应变的当前测量，就可容易地确定诸如纸幅张力、模量、弹性模量、厚度和宽度等其他卷筒纸参数。

基于确定的参数，控制器模块130实时控制执行器控制信号131-132。例如，执行器控制信号131可以控制辊101的驱动电动机(未示出)。类似地，执行器控制信号132可以控制辊104的驱动电动机(未示出)。同样地，控制器模块130可以控制作为机构的辊101以控制张力区150内的卷筒纸材料100中的张力。

以上实施方式利用确定的纸幅张力来控制当卷筒纸材料100经过基于卷筒纸的制造系统时卷筒纸材料100中的张力。在以上基于卷筒纸的制造系统内确定的纸幅张力也能够以其他方式使用。例如，使用上述系统中确定的纸幅张力值可以控制影响纸幅张力的驱动辊101、104的速度和扭矩。类似地，使用确定的纸幅张力值也可以改变解释为两个驱动辊101、104之间的长度的间距长度。最后，通过以上系统确定的纸幅张力值可以显示给操作员，以便操作员改变基于卷筒纸的制造系统的操作参数。当然，根据本发明，可将与基于卷筒纸的制造系统有关的许多其他众所周知的系统参数作为卷筒纸参数的确定的函数来控制。同样地，在一些实施方式中可以看到以上系统作为卷筒纸传感器系统，该卷筒纸传感器系统产生这种系统内任何其他应用中所使用的观测到的卷筒纸材料100中诸如张力或模量的等卷筒纸参数的值。

依照本发明的实例实施方式，控制器模块130是卷筒纸传输控制器中使用的普通可编程处理系统。控制器模块130一般包括可编程处理单元、大容量存储器和与外部设备通信的各种接口模块，这些全部经由内部总线连接。

大容量存储器通常包括RAM、ROM，并且可以包括一个或多个大容量存储设备，诸如例如紧凑式闪存、智能媒体(Smart Media)或安全数码存储卡(Secure Digital memory card)的可移动存储设备。存储设备可以存储用于对控制器模块130的操作进行控制的操作系统。将会意识到：这个部件可以包含如本领域的普通技术人员所知的通用服务器操作系统，诸如UNIX、MAC OS^TM、LINUX^TM或微软WINDOWS^。大容量存储器也存储用于提供卷筒纸传输控制器处理程序的程序代码和数据。卷筒纸传输控制器处理程序包括被运行以执行在此所描述的逻辑的计算机可执行指令。

控制器模块130也可以包含与外部设备通信的输入/输出传感器接口，该外部设备诸如是高分辨率编码器111-112或者图1中未示出的其他输入设备。同样地，控制器模块130还可以包含同样未示出的额外数据存储所需的附加大容量存储设备。

本领域技术人员会意识到：控制器模块130内说明的处理系统可以代表通常会存在于卷筒纸传输控制器或类似的专用处理系统中的一组处理部件。当然，如所附权利要求中讲述的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，根据本发明的各种实施方式，包括通用计算系统的其他处理系统也可以用于实现可编程处理，该通用计算系统包含附加的外围设备和用户接口设备。

也可以用由一个或多个计算机或者其他设备执行的诸如程序模块的计算机可执行指令的一般前后关系来描述本发明。通常，程序模块包括执行特定任务或者实现特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。如各种实施方式中所希望的，可对程序模块的一般功能进行组合或分配。

另外，在此描述的实施方式实现为由可编程处理设备执行的逻辑操作。本发明这些各种实施方式的逻辑操作被实现为：(1)在计算系统上运行的步骤或程序模块实现的计算机序列；和/或(2)相互连接的机械模块或计算系统内的硬件逻辑。所述实现只是依赖于计算系统实现本发明的执行需求的选择问题。因此，可将形成在此描述的本发明的实施方式的逻辑操作以不同名称称作操作、步骤或模块。

图2是基于卷筒纸的制造系统内的单一张力区210的简图。在该图例中，卷筒纸材料200经过由辊201和202形成的张力区210。通常，在此使用的术语“张力区”和“间距”与包含在基于卷筒纸的制造系统的部件(例如辊201和202)之间的一部分卷筒纸有关。如图1中所示，在特定的张力控制区210内通常有附加的空转辊。

卷筒纸材料200以初始应变ε₁和速度V₁从“上游”张力区211进入张力区210。正如将在下面示出的，张力与以卷筒纸模量和卷筒纸材料200的截面积为基础的应变有关。在图2所示的简图中，卷筒纸材料200与第一辊R₁201接触。尽管没有说明简化的原因，通常，卷筒纸材料200以从几度直至大约180度的适当最大值这样的角度来缠绕辊201。卷筒纸材料200的这个缠绕角度通常受适当的和实际的卷筒纸传输几何形状的限制。只要越过辊的张力差小于可利用的牵引，卷筒纸材料200就至少在一点别住辊201，并且点接触是用于分析的合理的近似。纸幅张力、缠绕角度、辊直径、卷筒纸速度、辊表面抛光和卷筒纸性能(粗糙度、孔隙度)也可以影响保持与辊的牢固接触所需的可利用的卷筒纸牵引。如果需要，真空或啮合牵引辊也可以用于增加牵引。

卷筒纸材料200与第一辊R₁201接触，并且卷筒纸材料200初始别住第一辊R₁201。然而，随着卷筒纸材料200接近其退出第一辊R₁201的点，卷筒纸材料200开始也滑动并且改变其应变和速度。具体地，一旦卷筒纸不再接触第一辊R₁201，这些值与下游张力区即张力区210中的速度和应变相配(局部卷筒纸应变不一致性以与声音在材料中的速度相似的速度在自由间距中再分配)。在第二辊R₂202后，卷筒纸材料200离开张力区210，如同前面，卷筒纸材料200以应变ε_Z和张力T_Z初始别住第二辊202。在卷筒纸材料200不再接触第二辊表面后，材料200再次改变速度和应变以与退出的张力区212中的V₂和ε₂相配。

为分析张力区的动力学特性，可以使用弹性模量的广义定义。该弹性模量的广义定义被定义为：

公式1： $E=\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ϵ}}$

公式1指出：张力弹性模量等于卷筒纸材料200中的应力与卷筒纸材料中的应变的比率。应力和应变分别定义为：

公式2A：

和

公式2B：

卷筒纸材料200的应力等于施加的拉长力除以截面积，力的单位通常为Lbs力(SI(国际单位制)牛顿)，面积单位通常为英寸²(SIm²)。因此，作为结果的应力单位通常是lbs每平方英寸或PSI(SI帕斯卡)。应变是施加的力引起的作为结果的长度变化，除以初始的非应变(或零应变)长度。其单位是英寸每英寸，或者无量纲。因此，作为结果的E的单位通常以PSI(SI帕斯卡)表示。

纸幅张力和应变之间的关系可被确定如下：

公式3：

所述面积是卷筒纸横截面积，或卷筒纸材料200的宽度乘以其平均厚度。注意：所述力是瞬时张力：

公式4：T＝E×A×ε或

公式4提供快速方法来推测给定应变的张力，因为模量E和卷筒纸面积通常固定。在诸如纸变潮、膜和钢的退火等一些过程中，材料模量可因该过程而改变。与传统的张力传感器一起，本发明的另一实施方式允许在线测量模量。

估算具有不同速度的卷筒纸区的应变的解析解法可由下式详细说明：

公式5： $\frac{1}{1+{\mathrm{\ϵ}}_2}=\frac{V_1}{V_2}\left(\frac{1}{1+{\mathrm{\ϵ}}_1}\right)+[\frac{1}{1+{\mathrm{\ϵ}}_1\left(0\right)}-\frac{V_1}{V_2}\left(\frac{1}{1+{\mathrm{\ϵ}}_1}\right)]e^{\frac{V_{2}t}{L_2}}$

其中，L₂为间距长度。在此描述的全部公式中，下标1指的是预入口间距，下标2指的是驱动辊之间的间距。

通过对公式5进行数值积分，可得到适合在数字控制器内实时实现的公式5的解。为计算张力区210中的张力，在小的时间间隔内使用公式1的应力-应变关系。最初，进行这样的假设：进入应变和速度保持恒定，退出卷筒纸应变和速度也保持恒定。同样进行这样的假设：张力区210内目前的应变等于上游张力区211的进入应变。这些假设意味着三个张力区210-212具有相等的张力，因为模量和卷筒纸面积相等。

现在让V₂瞬时改变到V₂+ΔV。为计算张力区210内的张力，首先计算瞬时应变。通常，这个可以通过以下步骤计算，如下面更详细的描述：

1.计算添加到张力区210的卷筒纸材料200的非应变长度；

2.计算从张力区210减去的卷筒纸的非应变长度；

3.计算在该区中的非应变卷筒纸材料200的先前长度；

4.基于先前的非应变长度加上添加的非应变长度减去移出的非

应变长度，计算张力区210中的卷筒纸材料200的当前长度；

5.计算出的当前长度除以张力区210的区长度来确定当前应变；以及

6.基于当前应变，使用公式3计算张力区210内的卷筒纸材料200的当前张力。

以上步骤提出两个难题：使用非应变的卷筒纸长度，以及张力区210内的当前应变值变化。为了解决上面指出的第一个难题，使用使非应变长度与已知的参数相关的方法。下面参照图3解决第二个难题，即，变化的当前应变的计算。

为使非应变长度与已知参数相关，再次调用上面在公式2中定义为如下的应变：

公式

这个可被重新公式化为：

公式6：

其中，L是当前长度，L₀是初始非应变长度。这个公式可被重新表示为：

公式7：

或

公式8： $\frac{L}{L_0}=1+\mathrm{\ϵ}$

和

公式9：

注意：ε一般小于1％。使用1-ε代替

误差引起非常小的普通应变的误差(＜0.01％误差)，这在一些实施方式中可被接受。所得到的误差总结在表1中。

表1

非应变长度、当前长度和应变之间的关系现在可被方便地总结为：

公式10：L＝L₀×(1+ε)和L₀＝L×(1-ε)

因为上式指的是张力应变，ε大于0，并且L总是大于L₀。这有助于确保应变的适当符号。需要高应变或高精确性的情况下，也可使用精确的关系代替近似值。

图3是说明根据本发明的实施方式的基于卷筒纸的制造系统内的单一张力区的简图。具体地，使用上式可将图2所示的表示现在更改为包括卷筒纸长度上的应变影响，如图3所示。

为确定张力区310内的张力T_Z，确定三个卷筒纸材料长度。首先，确定添加到张力区310的非应变卷筒纸材料300的长度。具体地，添加的应变卷筒纸材料300的长度是V₁乘以时间间隔Δt。使用公式V₁·Δt·(1-ε₁)确定添加的非应变卷筒纸。其次，确定从张力区310中减去的非应变卷筒纸。减去的应变卷筒纸为V₂乘以时间间隔Δt。使用公式V₂·Δt·(1-ε₂)确定移出的非应变卷筒纸。最后，确定张力区310中的非应变卷筒纸的先前量。使L_ZS代表张力区310中的卷筒纸材料的应变长度。因此，通过公式L_ZS·(1-ε_Z)能够确定非应变长度L_ZU。在当前出现在张力区310中的卷筒纸材料300的总长度被确定之前，可以用任何顺序确定这三个长度。具体地，在时间周期期间，根据先前呈现的卷筒纸材料的量加上添加的卷筒纸材料的量，并减去从张力区310移出的卷筒纸材料的量，确定出现在张力区310中的卷筒纸材料300的当前非应变长度。该值可以被表示为：

公式11：L_T＝{V₁·Δt·(1-ε₁)}-{V₂·Δt·(1-ε₂)}+{L_ZS·(1-ε_Z)}

一旦已知张力区310内的卷筒纸材料的非应变长度，通过将张力区310中的卷筒纸材料的长度除以张力区310的已知固定长度，可确定当前应变值。当前应变的这个值可被表示为：ε₂＝L_T/L_Z。根据当前应变的这个值，可确定张力区310内的当前张力值。根据当前应变而给出存在的当前张力的计算可表述为：T＝E×A×ε。

该过程可容易地结合在控制器模块130中，例如，经由可编程逻辑控制器、驱动系统或其他数字控制计算机中的结合。解的间隔(solution interval)应当被设置为短周期以允许高频率更新(例如10ms或100Hz)，但是对于极快的线速度，该间隔可能需要增大。该过程可使用定点运算以及余数进位来操作，以提供最大可能精度。浮点数学将易于实现，但是可能需要附加的资源，并且导致采样周期减小。适合于线速度的时变系统在低速度会提高精度，但是随之一些复杂性会增大。时变系统将使解的间隔适应于最优的分辨率。在较高速度，短间隔将用于增加更新率同时维持分辨率。在慢速度，长间隔将用于增加分辨率。带宽将变低，但是这在慢速度是可接受的。

几个参数用于实现以上计算。例如，可能需要卷筒纸间距长度和每计数器间隔的卷筒纸距离的换算系数。每计数器间隔的卷筒纸距离是除以辊的圆周的辊每旋转一周的计数。由于所需的应变精度通常会超过0.01％，所以需要极度的圆周精度。该类型的精度通常不可得到，即使使用非常让人生厌的千分尺或pi卷尺。确定该常数的一种方法是在测量间距内临时安装张力负荷元件。本区与上游区的张力比率，与先前定义的等式结合，可以用于确定该间距内的当前应变。根据应变，可以确定辊直径的比率。以类似的方式，对于所有下游卷筒纸间距，步骤可以被重复。仅直径的相对比率需要这样确定；而每一单个辊的绝对值则不需要。

卷筒纸间距长度确定传感器的瞬时响应(参见公式5)。长度值仅确定这样的比率：即，在该比率该解集中于稳态值。同样，在多数情况下不需要极度的精度。对于这些情况，诸如通过卷尺测量的直接测量，或记录卷筒纸上的标记的时间同时维持固定的卷筒纸速度等的简单方法是足够的。当动态响应是必不可少时，对于拉纸步骤变化，测量的张力的时间响应可以用于计算有效的间距长度(公式5)。

极度精确位置传感器可用于提高张力计算的精度。在一个实施方式中，可使用基于正弦编码器的位置传感器。这些设备采用适中的(1000-32000)正弦-余弦信号的自然线计数，而且其内插在控制器或电子设备中。内插可以用于提供另外的精度，经常导致分辨率超过4百万等分(part)辊每旋转一周。经常，这些传感器已安装有高性能驱动系统，并且仅需要附加的软件。也可以使用采用离散求积分信号的高分辨率传感器，但是这些类型的传感器将不会具有基于正弦的方法的分辨率。另外，由于使用高谐波含量的方波信号而可能导致这些传感器速率受限。

也可以在辊的表面涂覆带有刻度的纸带。这些纸带非常易于涂覆到现有的装置，但是具有这样的缺点，即，伴有作为结果的信号丢失，该信号必须由软件寻址。传统的低分辨率传感器可结合脉冲法之间的高精度时间而使用。由于更新率是辊速度的函数，该方法很少可取。

图4是说明根据本发明实施方式的基于卷筒纸的制造系统内的多张力区410-413的简图。如参照图4说明的，上述部件和过程可被用在一组毗邻的张力区410-413中，以确定一个或多个张力区内的卷筒纸材料400的应变、张力和有关的参数。计算第一张力区411的卷筒纸参数的确定，具有用于确定第二张力区412的卷筒纸参数的这个计算的结果。首先在上游张力区411执行这些计算，然后在随后的下游张力区412上重复执行。根据卷筒纸材料400流过卷筒纸传输系统时卷筒纸材料400的方向来确定上游和下游区。

为了执行以上计算，对于时间周期t_i，张力T₁或应变ε₁的值必须已知。使用张力传感器，例如图1的上游张力传感器121，可获得张力T₁或应变ε₁的该值。一旦在卷筒纸传输系统的一个区中，例如张力区410中，张力已知，控制器模块130可以使用该重复过程以确定所有剩余下游区，例如张力区411-413中的应变和张力。

如以上讨论的，在可以确定时间周期t_i期间，使用该已知的应变值ε₁(t_i)可以将非应变的卷筒纸材料400的量添加到张力区411。使用先前时间周期t_i-1内确定的应变ε₁(t_i-1)，可以确定时间周期t_i期间张力区411内非应变的卷筒纸材料400的量。类似地，使用先前时间周期t_i-1内确定的应变ε₁(t_i-1)可以确定在时间周期t_i期间从张力区411减去的非应变的卷筒纸材料400的量。如以上详细讨论的，然后这三个值用于确定时间周期t_i的应变ε₂(t_i)。

对于张力区412，由于以上过程重复，所以新确定的应变值ε₂(t_i)现在用于更新在时间周期t_i期间添加到张力区412的卷筒纸材料的量。如前，使用先前时间周期t_i-1内确定的应变ε₂(t_i-1)可确定在时间周期t_i期间张力区412内的非应变卷筒纸材料400的量。再次，使用先前时间周期t_i-1内确定的应变ε₂(t_i-1)可确定在时间周期t_i期间从张力区412减去的非应变卷筒纸材料400的量。如以上详细讨论的，这三个值然后用于确定时间周期t_i的应变ε₂(t_i)。对于张力区413以及卷筒纸传输系统中的随后的全部张力区，该重复过程重复进行。

图5是说明根据本发明实施方式用于确定基于卷筒纸的制造系统的纸幅张力的控制器模块130的操作的实例模式的流程图。为了示范的目的，参照图1中说明的制造系统来描述图5。

最初，控制器模块130计算添加到特定张力区的非应变卷筒纸材料的量(501)。为了进行计算，根据连接卷筒纸传输系统中用于定义张力区开始的第一辊的位置编码传感器，得到添加到张力区的应变卷筒纸材料的量。第一辊的旋转量定义了沿着第一辊的圆周的距离，其对应于添加到张力区的应变卷筒纸材料的量。使用在上游张力区内的卷筒纸材料的张力和应变的已知值，可将添加到张力区的应变卷筒纸材料的该量转换为希望的非应变量。

使用定义张力区末端的第二辊的位置测量进行相同的计算，以确定从张力区减去的非应变卷筒纸材料的量(502)。如上，来自第二辊的位置信息提供从张力区移出的应变卷筒纸材料的量。使用先前已知的张力区的应变和张力，可将卷筒纸材料的该量由应变的量转换为非应变的量。

使用先前已知的张力区的应变和张力以及已知的张力区的长度，确定张力区内的非应变材料的量的计算(503)。结合以上三个值：张力区中的卷筒纸材料的量、添加到张力区中的卷筒纸材料的量以及从张力区中减去的卷筒纸材料的量，确定张力区中当前的卷筒纸材料的量(504)。

如上非常详细地解释，根据在特定时间点张力区中卷筒纸材料的量，可容易地确定卷筒纸材料中的应变(505)和卷筒纸材料中的张力(506)。同样如上讨论的，根据对于任意特定张力区中的卷筒纸材料所确定的应变和张力，可以容易地确定卷筒纸材料的其他参数。

一旦控制器模块130确定卷筒纸材料中的张力，或者卷筒纸材料的其他任意参数，当需要控制希望范围内的卷筒纸材料中的张力时，控制器模块130可以调节执行器控制信号131(507)以调节辊101或102的速度。如上参照图4讨论的，对于任意数量的毗邻张力区，以上过程可被反复地重复。

已经描述本发明的各种实施方式。虽然本发明的以上实施方式描述了用于确定卷筒纸传输系统中纸幅张力和模量感测的系统和方法，但是本领域技术人员会认识到：使用数据处理系统的特殊计算结构仅仅是本发明的实例实施方式。要理解的是：在不脱离如所附权利要求中讲述的本发明的范围的情况下，可以利用其他实施方式以及可进行可操作的改变。

同样地，为了说明和描述，已经给出本发明的典型实施方式的上述描述。这些并不旨在穷举或将本发明限制在披露的精确形式上。按照以上教导，许多变型和改变是可能的。这意味着：本发明的范围并不受该详细描述的限制，相反而是由在此所附的权利要求来限制。目前，本发明实现为用于确定卷筒纸传输系统中纸幅张力和模量感测的方法和装置。

Claims (43)

1.一种方法包括：

实时计算一段卷筒纸材料的张力，所述段卷筒纸材料为张力区；以及

控制作为所述张力区中的张力的函数的第一辊的第一执行器控制信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：

控制作为所述张力区中的张力的函数的第二辊的第二执行器控制信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述张力区对应于第一辊和第二辊之间的所述段卷筒纸材料；

第一辊由第一执行器控制信号以第一希望速度驱动；以及

第二辊由第二执行器控制信号以第二希望速度驱动。

4.根据权利要求1所述的方法，其中计算一段卷筒纸材料的张力包括：

确定时间周期内添加到张力区的卷筒纸材料的非应变长度，该时间周期具有开始和结束；以及

确定在时间周期结束时卷筒纸材料中的张力，所述张力为添加到张力区的卷筒纸材料的非应变长度的函数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中计算一段卷筒纸材料的张力还包括：

确定在所述时间周期开始时张力区中的卷筒纸材料的非应变量；以及

确定在时间周期结束时卷筒纸材料中的张力，所述张力为添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量和在所述时间周期开始时张力区中卷筒纸的非应变量的函数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中计算一段卷筒纸材料的张力还包括：

确定时间周期内从张力区中减去的卷筒纸材料的非应变量；以及

使用添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量、在所述时间周期开始时张力区中卷筒纸材料的非应变量和从张力区中减去的卷筒纸材料的非应变量，确定在时间周期结束时卷筒纸材料中的张力。

7.根据权利要求6所述的方法，其中确定在所述时间周期结束时卷筒纸材料中的张力包括：

使添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量、在所述时间周期开始时张力区中卷筒纸材料的非应变量和从张力区中减去的卷筒纸材料的非应变量相结合，以确定在时间周期结束时张力区中卷筒纸材料的量；

将时间周期结束时张力区中卷筒纸材料的量除以张力区的长度，以确定卷筒纸材料的当前应变；以及

将卷筒纸材料的应变转换为张力。

8.根据权利要求1所述的方法，其中计算张力还包括：

从位置传感器接收位置信号，其中位置信号指示第一辊的位置；以及

实时计算作为位置信号函数的张力。

9.根据权利要求4所述的方法，还包括：

从位置传感器接收位置信号，其中位置信号指示第一辊的位置；以及

其中，确定卷筒纸材料的非应变量包括如下步骤，即，确定作为第一辊的位置和上游张力区的张力值的函数的添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量。

10.根据权利要求4所述的方法，其中使用先前确定的张力区的张力值来确定张力区中的卷筒纸材料的非应变量。

11.根据权利要求4所述的方法，其中使用第二辊的位置和先前确定的张力区的张力值来确定添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量。

12.根据权利要求4所述的方法，其中在时间周期结束时张力区中的张力用于确定添加到下游张力区中卷筒纸材料的量。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述方法还包括：

通过以下步骤计算毗邻的下游张力区中的卷筒纸材料的张力：

确定在时间周期内添加到毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的非应变量，所述时间周期具有开始和结束；

确定在所述时间周期开始时在毗邻的下游张力区中的卷筒纸材料的非应变量；

确定在时间周期内从毗邻的下游张力区减去的卷筒纸材料的非应变量；

使用添加到毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的非应变量、在毗邻的下游张力区中的卷筒纸材料的非应变量和从毗邻的下游张力区减去的卷筒纸材料的非应变量，确定在时间周期结束时卷筒纸材料中的张力。

14.一种方法，包括：

接收指示卷筒纸材料制造系统中的第一辊位置的位置信号；

基于位置信号，计算由第一辊和第二辊定义的区内的卷筒纸材料的长度变化；以及

基于长度变化，计算卷筒纸材料的性能，并且

输出计算的卷筒纸材料的性能。

15.根据权利要求14所述的方法，其中输出的计算出的性能显示给操作员。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法还包括：

基于计算出的卷筒纸材料的性能，控制执行器控制信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中执行器控制信号改变第一辊的速度。

18.根据权利要求16所述的方法，其中执行器控制信号改变第二辊的速度。

19.根据权利要求16所述的方法，其中执行器控制信号改变第一辊和第二辊之间的间距长度。

20.根据权利要求14所述的方法，其中计算长度变化包括：

基于位置信号，确定整个时间周期内第一辊的位置变化；以及

基于确定的第一辊的位置变化，计算所述区内卷筒纸材料的长度变化。

21.根据权利要求14所述的方法，其中所述性能包括下述之一：卷筒纸材料的张力、卷筒纸材料的模量、卷筒纸材料的宽度或卷筒纸材料的厚度。

22.根据权利要求14所述的方法，其中性能计算包括以下步骤：

确定时间周期内添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量，所述时间周期具有开始和结束；

确定在时间周期开始时张力区内的卷筒纸材料的非应变量；

确定在时间周期内从张力区减去的卷筒纸材料的非应变量；

使添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量、张力区内的卷筒纸材料的非应变量和从张力区减去的卷筒纸材料的非应变量相结合，以确定在时间周期结束时张力区内的卷筒纸材料的量；以及

将时间周期结束时张力区内的卷筒纸材料的量除以张力区的长度，以确定卷筒纸材料的当前应变；并且

将卷筒纸材料的应变转换为性能。

23.根据权利要求22所述的方法，其中使用第一辊的位置和时间周期结束时毗邻的上游张力区的张力值来确定添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量。

24.根据权利要求22所述的方法，其中使用先前确定的时间周期开始时张力区的张力值来确定张力区内的卷筒纸材料的非应变量。

25.根据权利要求22所述的方法，其中使用第二辊的位置和先前确定的时间周期开始时张力区的张力值来确定添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量。

26.根据权利要求22所述的方法，其中时间周期结束时张力区内的张力用于确定添加到毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的量。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述方法还包括：

通过以下步骤计算毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的张力：

确定时间周期内添加到毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的非应变量，所述时间周期具有开始和结束；

确定在时间周期开始时毗邻的下游张力区内的卷筒纸材料的非应变量；

确定在时间周期内从毗邻的下游张力区减去的卷筒纸材料的非应变量；

使用添加到毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的非应变量、毗邻的下游张力区内的卷筒纸材料的非应变量和从毗邻的下游张力区减去的卷筒纸材料的非应变量，确定时间周期结束时卷筒纸材料中的张力。

28.一种计算机可读介质包括使可编程处理器进行下述操作的指令：

接收对应于第一辊的位置的第一位置；

接收对应于第二辊的位置的第二位置；以及

使用第一位置和第二位置，实时计算一段卷筒纸材料的参数。

29.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中计算一段卷筒纸材料的参数包括以下步骤：

确定时间周期内添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量，所述时间周期具有开始和结束；

确定在时间周期开始时张力区内的卷筒纸材料的非应变量；

确定在时间周期内从张力区减去的卷筒纸材料的非应变量；以及

使用添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量、张力区内的卷筒纸材料的非应变量和从张力区减去的卷筒纸材料的非应变量，确定时间周期结束时卷筒纸材料的参数。

30.根据权利要求29所述的计算机可读介质，其中确定在时间周期结束时卷筒纸材料的参数包括以下步骤：

将添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量、张力区中的卷筒纸材料的非应变量和从张力区减去的卷筒纸材料的非应变量相结合，以确定在时间周期结束时张力区中的卷筒纸材料的量；

将时间周期结束时张力区中的卷筒纸材料的量除以张力区的长度，以确定卷筒纸材料的当前应变；以及

将卷筒纸材料的应变转换为参数。

31.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中使用第一辊的位置和在时间周期结束时毗邻的下游张力区的参数值，来确定添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量。

32.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中使用先前确定的时间周期开始时张力区的参数值，来确定张力区中的卷筒纸材料的非应变量。

33.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中使用第二辊的位置和先前确定的时间周期开始时张力区的参数值，来确定添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量。

34.根据权利要求28所述的计算机可读介质，其中在时间周期结束时张力区的参数用于确定添加到毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的量。

35.根据权利要求34所述的计算机可读介质，其中所述方法还包括：

通过以下步骤计算毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的参数：

确定时间周期内添加到毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的非应变量，所述时间周期具有开始和结束；

确定时间周期开始时毗邻的下游张力区内的卷筒纸材料的非应变量；

确定时间周期内从毗邻的下游张力区减去的卷筒纸材料的非应变量；

使用添加到毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的非应变量、毗邻的下游张力区内的卷筒纸材料的非应变量和从毗邻的下游张力区减去的卷筒纸材料的非应变量，确定时间周期结束时卷筒纸材料的参数。

36.一种系统包括：

至少两个产生各自的位置信号的位置传感器，每一位置传感器连接到卷筒纸传输系统中的各自的辊；

控制器模块，其基于所述两个位置信号计算卷筒纸材料的张力，并且基于计算的张力输出执行器控制信号。

37.根据权利要求36所述的系统，其中所述控制器模块计算张力区内的卷筒纸材料的张力，所述张力区由连接至少两个位置传感器的辊形成。

38.根据权利要求36所述的系统，其中所述控制器模块通过以下操作计算卷筒纸材料中的张力：

确定时间周期内添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量，所述时间周期具有开始和结束；

确定时间周期开始时张力区内的卷筒纸材料的非应变量；

确定时间周期内从张力区减去的卷筒纸材料的非应变量；以及

使用添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量、张力区内的卷筒纸材料的非应变量和从张力区减去的卷筒纸材料的非应变量，确定时间周期结束时卷筒纸材料内的张力。

39.根据权利要求38所述的系统，其中确定时间周期结束时卷筒纸材料内的张力包括：

将添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量、张力区中的卷筒纸材料的非应变量和从张力区减去的卷筒纸材料的非应变量相结合，以确定在时间周期结束时张力区中的卷筒纸材料的量；

将时间周期结束时张力区中的卷筒纸材料的量除以张力区的长度，以确定卷筒纸材料的当前应变；以及

将卷筒纸材料的应变转换为张力。

40.根据权利要求39所述的系统，其中使用第一辊的位置和时间周期结束时毗邻的下游张力区的张力值，确定添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量。

41.根据权利要求39所述的系统，其中使用先前确定的在时间周期开始时张力区的张力值，确定张力区内的卷筒纸材料的非应变量。

42.根据权利要求39所述的系统，其中使用第二辊的位置和先前确定的在时间周期开始时张力区的张力值，确定添加到张力区的卷筒纸材料的非应变量。

43.根据权利要求39所述的系统，其中在时间周期结束时张力区中的张力用于确定添加到毗邻的下游张力区的卷筒纸材料的量。

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