定型機(jī)溫度張力控制系統(tǒng)研究＊

譚寶成，陳 超，張立廣

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710021）

室溫下聚酯網(wǎng)特性比較穩(wěn)定，在織物定型過(guò)程中一般采用熱風(fēng)箱（空氣對(duì)流加熱系統(tǒng)）對(duì)聚酯網(wǎng)表面加熱，來(lái)消除纖維分子的內(nèi)應(yīng)力．由聚酯纖維的性質(zhì)可知，在熱風(fēng)箱加熱過(guò)程中，溫度和張力必須保持恒定，不能出現(xiàn)大的波動(dòng)，快速達(dá)到穩(wěn)定，超調(diào)量?。远ㄐ蜋C(jī)對(duì)溫度和張力控制器的性能要求很高．

在先前的定型機(jī)控制系統(tǒng)中大多數(shù)采用傳統(tǒng)PID控制器，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、調(diào)整方便廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中［1-2］．但傳統(tǒng)的PID控制器不能解決無(wú)超調(diào)和快速性之間的矛盾．所以近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者和工程研究了PID控制器的參數(shù)自整定方法，其中最典型的是美國(guó)FOXBORO公司推出的EXACT家式自整定控制器［3］．相比之下，自整定算法很好地抑制PID的超調(diào)，避免溫度大幅度擺動(dòng)，快速穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)恒溫控制，算法簡(jiǎn)單容易操作，并且誤差較?。闹袦囟取埩刂剖钦麄€(gè)系統(tǒng)的核心，如果溫度和張力不匹配，溫度過(guò)高，會(huì)破壞纖維分子結(jié)構(gòu)；過(guò)度牽伸，會(huì)導(dǎo)致聚酯網(wǎng)撕裂，尺寸過(guò)大；張力過(guò)小，則聚酯纖維分子內(nèi)部應(yīng)力不能消除，達(dá)不到規(guī)定的尺寸。因此本系統(tǒng)將專(zhuān)家自整定PID應(yīng)用到溫度張力控制算法中，跟據(jù)溫度和張力的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚酯網(wǎng)的熱定型功能［4］．

1 定型機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

拉幅定型機(jī)主要由主框架、懸臂梁、可移動(dòng)前支架、主動(dòng)輥、主動(dòng)輥傳動(dòng)裝置、拉伸輥、拉伸輥傳動(dòng)裝置、拉伸架、拉伸架傳動(dòng)裝置、拉幅架、拉幅架傳動(dòng)裝置、熱風(fēng)箱等結(jié)構(gòu)組成［3］，結(jié)構(gòu)示意圖如1所示．

圖1 定型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 The schematic of a setting machine

1）主動(dòng)輥部分．主動(dòng)輥部分由主動(dòng)輥、減速箱、變頻器等組成．主動(dòng)輥傳動(dòng)環(huán)狀織物，要求可逆運(yùn)行，主動(dòng)輥的速度在要求的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，所以采用交流調(diào)速方案．

2）拉伸部分．拉伸部分由拉伸輥、拉伸架、雙螺旋錠軸、減速箱、拉伸電動(dòng)機(jī)、拉伸調(diào)速器以及傳感器等組成．在拉伸過(guò)程中要求織物的縱向張力符合工藝要求，拉伸力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致織物被拉斷，拉伸力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致織物過(guò)松，起不到拉伸的作用．主要是控制拉伸的位置，當(dāng)拉伸力的大小達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，停止拉伸．用壓力傳感器測(cè)量縱向拉伸張力．

3）拉幅部分．拉幅部分由底板架、導(dǎo)向軌、拉幅架、拉幅架傳動(dòng)裝置、帶針板的鏈條、鏈條傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)臂傳動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)組成．在定型過(guò)程中，根據(jù)工藝規(guī)定的橫向張力自動(dòng)調(diào)節(jié)拉幅架的位置，以保證織物的定型質(zhì)量．用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量拉幅的程度，壓力傳感器測(cè)量縱向拉幅張力．圖2為拉幅裝置示意圖．

4）加熱部分．加熱部分由電加熱器室、送風(fēng)機(jī)、管道、上熱風(fēng)箱、下熱風(fēng)箱、周波控制器、調(diào)功器以及智能調(diào)節(jié)器等組成．對(duì)加熱系統(tǒng)的要求是升溫快、超調(diào)小及幅向溫度均勻，以保證織物的定型質(zhì)量．

圖2 拉幅裝置示意圖Fig．2 The stracture of a tentering device

2 熱定型理論及溫度張力耦合關(guān)系

2．1 纖維的熱定型理論

為了深刻了解定型機(jī)所起的作用，有必要對(duì)纖維分子的性能和結(jié)構(gòu)做深入研究，化工廠只是對(duì)聚酯纖維進(jìn)行了纖維的延伸熱加工，簡(jiǎn)單的把纖維拉伸到一定的直徑，分子的化學(xué)形態(tài)和晶體鏈取向很不穩(wěn)定，如果溫度升高或者有外力拉伸，纖維分子運(yùn)動(dòng)變快，當(dāng)拉伸力大于分子之間的應(yīng)力時(shí)，分子便會(huì)被激活，使纖維分子做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從而引起織物收縮尺寸和外形變化．在織物的定型過(guò)程中，由于受到大小不均勻的外界作用力，使織物內(nèi)部的各個(gè)單元發(fā)生移動(dòng)．纖維分子間作用力影響位移大小，當(dāng)大分子的剛性越強(qiáng)或者分子間作用力越大時(shí)，由原始狀態(tài)進(jìn)入新的狀態(tài)所跨越的能峰越高，而在新?tīng)顟B(tài)下建立新的分子間結(jié)合，又會(huì)降低新的位谷能峰，使體系難以逆轉(zhuǎn)穩(wěn)定在新的狀態(tài)．這也加劇了纖維內(nèi)部應(yīng)力的不均［4］．在熱定型過(guò)程中熱風(fēng)箱的主要目的是通過(guò)對(duì)聚酯網(wǎng)的熱處理來(lái)消除分子內(nèi)應(yīng)力不均勻?qū)е碌目椢镄巫?，使纖維分子內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)．織物的能級(jí)更低，在新?tīng)顟B(tài)下的形態(tài)和尺寸會(huì)更加的穩(wěn)定．不同的纖維分子有不同的最高燙熨溫度、可塑性開(kāi)始溫度、軟化點(diǎn)溫度、熱定型最適溫度、熱強(qiáng)度等于零溫度和熔融溫度．若溫度過(guò)低，則達(dá)不到定型的目的；若溫度大于熱強(qiáng)度為零溫度，則織物形態(tài)會(huì)更不穩(wěn)定，織物定型的效果會(huì)大打折扣．所以熱定型溫度必須在規(guī)定范圍內(nèi)．這樣定型出來(lái)的織物效果最好，使用時(shí)間最長(zhǎng)．在定型過(guò)程中溫度的連續(xù)穩(wěn)定是非常有必要的，不能有大的跳變，否則影響織物定型效果．圖3為熱定型溫度示意圖．

圖3 熱定型溫度示意圖Fig．3 The diagram of heat setting temperature

2．2 溫度和張力的耦合關(guān)系

熱收縮應(yīng)力和熱拉伸模量采用XRF-2型纖維熱機(jī)械分析儀測(cè)定．

纖維分子在受熱情況下，分子間的相互作用力即熱收縮應(yīng)力．圖4為溫度-熱收縮曲線．通過(guò)提高升溫速率，來(lái)避免松弛對(duì)熱收縮應(yīng)力測(cè)試的影響，收縮應(yīng)力即為熱定型纖維分子的內(nèi)應(yīng)力［5］．從實(shí)際測(cè)得的熱收縮應(yīng)力可以得出結(jié)論：隨著定型溫度的升高，纖維分子內(nèi)應(yīng)力減小．

圖4 內(nèi)應(yīng)力（收縮）Fig．4 Stress（Shrinkage）

在定型過(guò)程中，纖維分子在受熱情況下，會(huì)產(chǎn)生熱收縮應(yīng)力，拉幅張力的作用是通過(guò)外力來(lái)消除纖維分子的熱收縮應(yīng)力．拉伸除了需要克服收縮應(yīng)力外，還需要克服大分子鏈糾纏等動(dòng)力學(xué)阻力，所以拉伸模量要大于熱收縮模量，熱拉伸模量即為拉幅張力．表1為不同溫度下纖維熱收縮模量和熱拉伸模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，此關(guān)系近似為定型過(guò)程中溫度和張力的耦合關(guān)系，即不同溫度下對(duì)應(yīng)的拉幅張力不同．

表1 纖維熱收縮模量和熱拉伸模量Tab．1 The contraction modulas and tensile modulus of fiber

3 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)框圖如圖5所示，它主要是由電加熱管、鼓風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)管、可移動(dòng)上下風(fēng)箱、溫度控制器、傳感器組成［6］．

1）溫控器．采用16位A／D轉(zhuǎn)換．自動(dòng)溫漂、修正零漂移保證儀表具有0．2%的測(cè)量精確度．配有熱電偶冷端補(bǔ)償輸入端子．采用T，K，熱電偶，PT100熱電阻，遠(yuǎn)傳壓力電阻信號(hào)采用電流輸入，輸出模塊可采用繼電器、邏輯電平．通信協(xié)議支持RS-232、RS-485．可與PLC直接通信．

2）周波控制器，晶閘管．周波控制器可以將晶閘管過(guò)零觸發(fā)信號(hào)均勻化．常規(guī)的過(guò)零觸發(fā)由于波形集中，容易產(chǎn)生打表針、設(shè)備老化快、局部電流過(guò)大等毛病，周波控制器將觸發(fā)信號(hào)均勻分布在控制周期中，使得電流比較平均，避免了這些問(wèn)題．

3）溫度采集．溫度采集元件采用 WRNT-202型熱電偶．

圖5 溫度控制系統(tǒng)框圖Fig．5 Block diagram of the temperature control system

4 專(zhuān)家自整定PID張力控制器研究

4．1 專(zhuān)家智能自整定PID算法

當(dāng)前多數(shù)拉幅熱定型采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性組合方法的控制器，但是隨著工藝的提升，控制方式的改變，舊的控制器很難解決無(wú)超調(diào)性和快速性之間的矛盾．為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，本系統(tǒng)采用專(zhuān)家自整定PID控制算法．專(zhuān)家智能控制是指將專(zhuān)家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同控制理論方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專(zhuān)家的智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制．把基于專(zhuān)家控制的原理所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或控制器，分別稱(chēng)為專(zhuān)家控制系統(tǒng)或?qū)＜铱刂破鳎鼘?duì)環(huán)境的變化有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力和自學(xué)習(xí)功能，具有高可靠性及長(zhǎng)期運(yùn)行的連續(xù)性、在線控制的實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)．因此在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來(lái)越為人們所重視，它是智能控制發(fā)展中一個(gè)極有應(yīng)用前途的方向［7］．如圖6所示為專(zhuān)家系統(tǒng)自整定圖．

圖6 專(zhuān)家智能系統(tǒng)自整定原理圖Fig．6 The diagram of self-tuning of the expert intelligent system

（1）由Cohn-Coon公式計(jì)算出受控對(duì)象的特征參數(shù)K、TP、τ．

Cohn-Coon公式為

式中：ΔR為系統(tǒng)階躍輸入；Δy為系統(tǒng)輸出響應(yīng)；t0．28為對(duì)象飛升曲線中對(duì)應(yīng)0．28Δy時(shí)的時(shí)間；t0．632為對(duì)象飛升曲線中對(duì)應(yīng)0．632y時(shí)的時(shí)間；

（2）把相關(guān)的計(jì)算參數(shù)輸入到專(zhuān)家系統(tǒng)整定后，系統(tǒng)將自動(dòng)的搜尋知識(shí)庫(kù)中的相關(guān)參數(shù)，再根據(jù)實(shí)際情況做出推理，重新整定PID參數(shù)，與此同時(shí)系統(tǒng)還必須保證控制條件，這樣才能保證系統(tǒng)的魯棒性．

（3）監(jiān)督級(jí)的主要作用是保證微機(jī)測(cè)試對(duì)象特性和專(zhuān)家系統(tǒng)整定PID參數(shù)的正常進(jìn)行，并用來(lái)確?？刂葡到y(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，在系統(tǒng)整定完畢后可以投入正常運(yùn)行，不需再整定．

4．2 張力控制器

在對(duì)聚酯網(wǎng)定型過(guò)程中，張力的控制至關(guān)重要，在拉伸架和拉伸輥上安裝張力傳感器，張力傳感器采集張力大小，傳感器反饋回來(lái)的張力與給定張力進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果向變頻器發(fā)出控制信號(hào)，控制電機(jī)帶動(dòng)拉幅架和拉伸架移動(dòng)．張力閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖7所示．

定型過(guò)程中，必須以恒定張力進(jìn)行拉伸．主要有兩個(gè)目的：①為了達(dá)到預(yù)定的定型尺寸，包括幅寬和網(wǎng)的長(zhǎng)度．②使造紙網(wǎng)熱定型效果最佳，不會(huì)產(chǎn)生回縮．張力控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是控制縱向或橫幅的拉伸速度，也就是只要控制拉幅器以特定速度運(yùn)行即可達(dá)到張力控制目的［8］．

圖7 專(zhuān)家自整定PID張力控制系統(tǒng)框圖Fig．7 Block diagram of expert self-tuning PID tension control system

為研究簡(jiǎn)便，可以作一個(gè)近似計(jì)算，張力控制系統(tǒng)可以近似為帶滯后一階慣性環(huán)節(jié)．其傳遞函數(shù)

PID連續(xù)調(diào)節(jié)器為

PID調(diào)節(jié)器離散增量型算法為

在控制系統(tǒng)中，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定中，采樣周期T的大小對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性起關(guān)鍵因素．純滯后受控對(duì)象，T＝ （0．1-0．4）τ

由a＝τ／TP，總結(jié)PID參數(shù)規(guī)則．

規(guī)則一 調(diào)整KP，按a從小到大，逐漸減小KP，既提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，又不至于影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度．

規(guī)則二 調(diào)整TI，按a從小到大，由于a的對(duì)象不好控制，TI逐漸增大一些，使得積分增益KPT／2TI減弱一些，這樣既保證穩(wěn)態(tài)精度，又避免積分保護(hù)和積分作用太強(qiáng)使得動(dòng)態(tài)性能變差．規(guī)則三 調(diào)整TD按a從小到大，TD逐漸增大，在不影響系統(tǒng)抗干擾前提下，增大微分控制作用可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性［9］．

根據(jù)上面的計(jì)算，PID參數(shù)規(guī)則可轉(zhuǎn)換成表格查詢．PID各個(gè)參數(shù)的關(guān)系為

主要能確定受控對(duì)象的特征參數(shù)K、TP、τ，就能整定出PID調(diào)節(jié)器參數(shù)．表2是經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，確定最佳設(shè)定參值．

表2 PID參數(shù)整定表Tab．1 Table of PID parameter tuning

5 仿真及結(jié)果分析

不考慮負(fù)載干擾的情況下，根據(jù)傳遞函數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)繪制了兩個(gè)不同張力PID控制方式下的階躍響應(yīng)曲線．傳統(tǒng)PID在張力控制過(guò)程中超調(diào)量較大，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，而系統(tǒng)采用自整定PID之后，超調(diào)量明顯減小，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間明顯縮短，張力上升也更加平緩，顯示了很好的控制效果，如圖8所示．

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有很多因素影響張力曲線，比如：風(fēng)箱內(nèi)氣壓的波動(dòng)，鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流強(qiáng)度不穩(wěn)定等等，使實(shí)際測(cè)試時(shí)張力的調(diào)節(jié)時(shí)間略大

圖8 傳統(tǒng)PID和專(zhuān)家自整定PID張力控制曲線Fig．8 Tension control curves of conventional PID and self-tuning PID

于計(jì)算機(jī)仿真，但在規(guī)定范圍內(nèi)．實(shí)際控制精度保持在±1N范圍內(nèi)，達(dá)到預(yù)期效果．

6 結(jié) 論

系統(tǒng)通過(guò)研究定型機(jī)溫度張力關(guān)系，得到了不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的張力大小，從而改變工藝提高定型效果．

專(zhuān)家自整定參數(shù)PID算法，應(yīng)用在溫度張力控制中，在滿足溫度對(duì)張力要求的同時(shí)使織物溫度上升速度快，超調(diào)量小于2℃，且溫度控制精度在±1℃范圍內(nèi)，從而提高了織物定型質(zhì)量和生產(chǎn)效率．同時(shí)有效地避免了拉幅過(guò)程中拉幅張力超過(guò)給定張力而產(chǎn)生的超調(diào)問(wèn)題，即解決了張力過(guò)大對(duì)布所造成的過(guò)度牽引問(wèn)題．而且在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，雖有很大干擾，但自整定參數(shù)PID控制方法，依然能將溫度張力控制在允許的誤差范圍內(nèi)．

［1］ 師黎，陳鐵軍，黎曉媛，等．智能控制理論及應(yīng)用［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2009．SHI Li，CHEN Tie-jun，LI Xiao-yuan，et al．The Theory of Intelligent Control and Its Applications［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2009．（in Chinese）

［2］ 王正林，王勝開(kāi)，陳國(guó)順，等．Matlab／Simulink與控制系統(tǒng)仿真［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009．WANG Zheng-Lin，WANG Sheng-kai，CHEN Guo-Shun，et al．Matlab／Simulink and Control System Simulation［M］．Beijing：Electronic Industry Press，2009．（in Chinese）

［3］ 譚寶成，曾卉．定型機(jī)拉幅控制系統(tǒng)研究［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（23）：112．TAN Bao-cheng，ZENG Hui．Research on Setting Machine’s Tentering Control System［J］．Electronic Design Engineering，2011，19（23）：112．（in Chinese）

［4］ 龍幫強(qiáng)．特寬幅熱定型機(jī)控制系統(tǒng)［D］．天津：天津工業(yè)大學(xué)，2002．LONG Bang-qiang．Extra Width Heat Setting Machine Control System ［D］．Tianjin：Tianjin Polytechnic University，2002．（in Chinese）

［5］ 張安秋，江浩，吳承訓(xùn)，等．熱定型聚酯纖維內(nèi)應(yīng)力與晶格變形的關(guān)系［J］．高分子通訊，1985（3）：217．ZHANG An-qiu，JIANG Hao，WU Cheng-xun，et al．Relationship Between Heat Setting Polyester Fiber Stress and Lattice Deformation ［J］．Polymer Communications，1985（3）：217．（in Chinese）

［6］ 譚寶成，康祖清．模糊PID算法在定型機(jī)溫控系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］．西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（11）：895．TAN Bao-cheng，KANG Zu-qing．Application of Fuzzy PID Algorithm to the Temperature Control System in a Setting Machine［J］．Journal of Xi’an Technological University，2012，32（11）：895．（in Chinese）

［7］ 張建國(guó)．專(zhuān)家式智能自整定PID控制器的研究與實(shí)現(xiàn)［J］．漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，7（4）：73．ZHANG Jian-guo．Research on and Implementation of Experts Intelligent Self-Tuning PID Controller［J］．Given．Journal of Zhangzhou Vocational University，2005，7（4）：73．（in Chinese）

［8］ 陳靜，高殿斌，鮑振博，等．基于 Matlab的熱定型機(jī)PID張力控制器設(shè)計(jì)［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005（2）：62．CHEN Jing，GAO Dian-bin，BAO Zhen-bo，et al．Matlab-Based Heat Setting Machine’s PID Tension Controller［J］．Modular Machine Tool ＆ Automatic Manufacturing Technique，2005（2）：62．（in Chinese）