料卷輸送張力控制技術(shù)專利技術(shù)綜述

孫嬌

摘 要：張力控制是料卷輸送過(guò)程中實(shí)現(xiàn)料卷卷繞張力恒定的關(guān)鍵技術(shù)。本文對(duì)料卷輸送張力控制關(guān)鍵專利技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行了分析，并就其專利技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行了梳理，最后針對(duì)我國(guó)相關(guān)企業(yè)及研發(fā)機(jī)構(gòu)在料卷輸送張力控制系統(tǒng)的研發(fā)方面給出了建議。

關(guān)鍵詞：料卷；張力控制；技術(shù)發(fā)展

引言

張力控制作為工業(yè)控制領(lǐng)域的共性基礎(chǔ)技術(shù)之一，在印刷、造紙、紡織、直線拉絲等工業(yè)設(shè)備中都有廣泛的應(yīng)用。在這些工業(yè)生產(chǎn)線上進(jìn)行產(chǎn)品加工時(shí)，卷材運(yùn)行時(shí)必須要保持有一定的張力。因此，如何控制好料卷系統(tǒng)中的張力成為系統(tǒng)控制的難點(diǎn)也是重點(diǎn)。張力控制系統(tǒng)由于其應(yīng)用和使用范圍，按功能、作用分，主要涉及張力控制技術(shù)、張力檢測(cè)技術(shù)和張力執(zhí)行設(shè)備三方面。而張力控制技術(shù)是張力檢測(cè)和張力執(zhí)行的理論基礎(chǔ)，本文將著重對(duì)張力控制技術(shù)的專利技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理。

一、 張力控制技術(shù)

張力控制技術(shù)的發(fā)展總是跟控制理論、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的。由于張力控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。

早期大多數(shù)的張力控制系統(tǒng)采用PID 控制，常規(guī) PID 控制器因具有原理簡(jiǎn)單、魯棒性較強(qiáng)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良，在工業(yè)控制中占據(jù)主要位置，但常規(guī) PID 控制器對(duì)系統(tǒng)模型的精確性依賴較強(qiáng)，對(duì)于非線性、時(shí)變且受隨機(jī)干擾的系統(tǒng)，一般難以獲得較好的控制性能。而在料卷輸送張力控制系統(tǒng)中，卷徑、速度和力矩隨時(shí)都在變化，常規(guī) PID 調(diào)節(jié)難以滿足精確張力控制的要求。所以有必要對(duì)常規(guī)的 PID 進(jìn)行改進(jìn)。

傳統(tǒng)控制理論無(wú)法滿足復(fù)雜性越來(lái)越高的工程系統(tǒng)，促使了智能控制這一新興交叉理論技術(shù)的建立和發(fā)展。

模糊控制方法是上個(gè)世紀(jì)后期出現(xiàn)的一種新型自動(dòng)控制方法，屬于智能控制分支之一，它無(wú)需建立精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)精度要求不高，只需確立一個(gè)“模糊模型”就能達(dá)到良好的控制效果，是對(duì)人腦思維模糊方式的模擬。模糊控制方法尤適用于參數(shù)具有時(shí)變性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)重非線性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，此方法較傳統(tǒng) PID 控制不僅反應(yīng)速度快，而且抗干擾能力強(qiáng)。

魯棒控制方法是針對(duì)當(dāng)數(shù)學(xué)模型存在不確定性時(shí)，所設(shè)計(jì)的控制器仍能使系統(tǒng)保持內(nèi)穩(wěn)定性和理想的性能要求，在一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)代控制理論對(duì)數(shù)學(xué)模型依賴過(guò)高的缺陷，使系統(tǒng)的抗干擾能力大大提高。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以不依賴受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，能適用于任何不確定系統(tǒng)，且不需任何先驗(yàn)知識(shí)，也可以很好的解決由于系統(tǒng)參數(shù)間的耦合性而造成系統(tǒng)性能不好的問(wèn)題。當(dāng)應(yīng)用于卷繞控制系統(tǒng)時(shí)，用帶有反向傳播訓(xùn)練算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以克服傳統(tǒng) PID 控制方法的缺點(diǎn)。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的研究還處于初級(jí)階段，大部分還僅停留在實(shí)驗(yàn)與仿真階段，缺乏深入的理論分析研究，穩(wěn)定性、魯棒性、收斂性等問(wèn)題還有待解決。

二、料卷輸送張力控制系統(tǒng)發(fā)展歷程

料卷輸送張力控制系統(tǒng)申請(qǐng)發(fā)展階段，如下圖1所示。

在歷史上，人們對(duì)料卷輸送中的張力控制不太關(guān)注，導(dǎo)致次品率較高，為了解決料卷技術(shù)中的難題，各國(guó)著力進(jìn)行技術(shù)研究和技術(shù)改造，尤其是70年代電控式張力控制器的出現(xiàn)，這類張力器可自動(dòng)調(diào)節(jié)張力，控制精度比機(jī)械式張力器有所提高，且每個(gè)張力器可單獨(dú)控制和標(biāo)定，大大推進(jìn)了張力控制的研究，因而，1975年-1985年這時(shí)期專利申請(qǐng)量不斷增長(zhǎng)。但由于外界環(huán)境對(duì)模擬電路的干擾，張力容易產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致電控式張力控制器控制精度不高，在性能和應(yīng)用上不能得到長(zhǎng)足的發(fā)展，影響了張力控制的發(fā)展，從而導(dǎo)致1985年-1987年間張力控制系統(tǒng)發(fā)展短期停滯。而后，到上世紀(jì)90年代左右，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)和先進(jìn)控制策略的應(yīng)用，料卷輸送張力控制技術(shù)又得到一定程度發(fā)展，并逐步取代了以模擬器件為主的張力控制設(shè)備。直到1997年，各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展到成熟期而新的技術(shù)暫未出現(xiàn)導(dǎo)致該領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)平緩。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展進(jìn)一步發(fā)展，國(guó)內(nèi)外不少單位和科研機(jī)構(gòu)對(duì)卷繞張力控制系統(tǒng)做出不懈努力，數(shù)字技術(shù)被更多地引入到張力控制中，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與自適應(yīng)、小波、渾濁以及遺傳算法等新興算法結(jié)合，而且卷繞設(shè)備的控制精度和自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，極大促進(jìn)張力控制系統(tǒng)的研究熱度和應(yīng)用廣度。

三、張力控制技術(shù)演進(jìn)路線

料卷輸送是一個(gè)典型的時(shí)變性、強(qiáng)耦合、多干擾的非線性卷繞系統(tǒng)，而且收卷過(guò)程中平臺(tái)的移動(dòng)、機(jī)架的翻轉(zhuǎn)、卷徑的增大以及物料的割斷等各個(gè)環(huán)節(jié)都有許多不可測(cè)因素，使張力控制變得更加困難。因此設(shè)計(jì)正確的張力控制策略也顯得非常重要。

PID控制以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)節(jié)方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，而將該技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于卷材的張力控制的是由日本東京株式會(huì)社1970年提交的專利申請(qǐng)繞卷機(jī)的張力控制裝置（公開(kāi)號(hào)JPS4828022B2），該申請(qǐng)簡(jiǎn)單闡述了在收卷過(guò)程中，PID控制器通過(guò)檢測(cè)卷材壓力值來(lái)調(diào)整測(cè)量參數(shù)從而達(dá)到控制張力的方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，1988年，日本OMRON 公司提出了一種用于紙片收緊時(shí)模糊控制算法，連續(xù)測(cè)量滾筒與紙片間的壓力，并通過(guò)控制滾筒而得到適應(yīng)性的壓力（公開(kāi)號(hào)JPS63123222A）。而后在1993年，瑞士的澤韋格路瓦有限公司提出一種利用模糊控制系統(tǒng)來(lái)提高紡紗機(jī)的產(chǎn)量（公開(kāi)號(hào)CH687994A5）。為了使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性更好，1996年，美國(guó)HONEYWELL公司提出一種魯棒控制方法，在薄片高速制備過(guò)程中，即使在相對(duì)較長(zhǎng)的滯留時(shí)間里也可以使系統(tǒng)免受干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠度（公開(kāi)號(hào)US5796609A）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，德國(guó)SIEMENS AG公司在1998年提出一種紙卷輸送的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該方法可用于控制實(shí)際檢測(cè)到的張力值并獨(dú)立存儲(chǔ)卷層和卷徑，實(shí)時(shí)模擬料卷裝置的張力狀態(tài)，從而輸出用于更多的模型（公開(kāi)號(hào)DE19814407A1）。

而在國(guó)內(nèi)企業(yè)中，對(duì)其作出的重要改進(jìn)是，安徽馬鋼工程技術(shù)有限公司在2013年采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID控制器的張力控制器，用來(lái)控制線纏繞張力，并驗(yàn)證纏繞張力系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能（公開(kāi)號(hào)CN103072841A）。

四、結(jié)語(yǔ)

張力控制系統(tǒng)技術(shù)是料卷輸送過(guò)程中的重要控制技術(shù)，而我國(guó)在這一技術(shù)上起步較晚，還未掌握張力控制系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，而相關(guān)的技術(shù)在國(guó)外，尤其是德國(guó)、日本等國(guó)家起步較早，技術(shù)也比較成熟，其對(duì)專利的保護(hù)意識(shí)也很強(qiáng)，申請(qǐng)了大量的相關(guān)專利。我國(guó)應(yīng)該抓住傳統(tǒng)企業(yè)由機(jī)械化向自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的這一機(jī)遇，加強(qiáng)對(duì)核心技術(shù)的研究，重視專利保護(hù)，各大企業(yè)、研究單位應(yīng)加強(qiáng)合作，努力提升自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力以及專利保護(hù)意識(shí)。