薄膜生產(chǎn)工藝收卷精度優(yōu)化控制仿真

方亮　竇峰

摘要：在當(dāng)前形式下，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平迅速提升，新科技的迅速發(fā)展帶動(dòng)了我國(guó)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)的調(diào)整，同時(shí)增大了薄膜的市場(chǎng)需求量。國(guó)內(nèi)薄膜的產(chǎn)量較大，主要用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)兩個(gè)領(lǐng)域。薄膜性能對(duì)卷筒質(zhì)量和收卷機(jī)所需附件的影響較大，對(duì)表面平整度要求較高的薄膜制造需要使用更為精細(xì)的卷取技術(shù)。保持張力的穩(wěn)定是薄膜卷取得難點(diǎn)，優(yōu)化控制薄膜收卷系統(tǒng)，可以保持收卷壓力穩(wěn)定，提高收卷系統(tǒng)精度。

關(guān)鍵詞：薄膜生產(chǎn)工藝;收卷壓力;控制仿真

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的飛速提高，各個(gè)領(lǐng)域加大了新技術(shù)與新理念的應(yīng)用，減輕了人們的體力勞動(dòng)。在薄膜生產(chǎn)的過(guò)程中，為了保證塑料薄膜的質(zhì)量，運(yùn)用張力控制系統(tǒng)對(duì)卷筒進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)質(zhì)的薄膜離不開(kāi)好的卷取，吹膜和平膜擠出會(huì)用接觸輥和塔式卷取機(jī)，這是兩種不同的卷取概念。張力的穩(wěn)定性會(huì)影響薄膜卷取的質(zhì)量，張力擾亂會(huì)導(dǎo)致層間滑動(dòng)或膜面褶皺等問(wèn)題的產(chǎn)生。本文研究分析薄膜生產(chǎn)工藝的雙工位收卷系統(tǒng)張力各影響因素，建立張力控制模型，驗(yàn)證仿真效果的可實(shí)施性。

1 收卷系統(tǒng)的建模

1.1 雙工位收卷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙工位收卷系統(tǒng)的組成部分有壓力輥、牽引輥、收卷輥、翻轉(zhuǎn)支架等，控制系統(tǒng)包含張力控制、壓力控制和換卷控制等。采用雙向拉伸工藝的薄膜在壓力輥和牽引輥的作用下能夠利用收卷輥收卷。翻轉(zhuǎn)機(jī)會(huì)帶動(dòng)收卷輥轉(zhuǎn)動(dòng)收卷，雙工位收卷系統(tǒng)有兩個(gè)收卷軸，一個(gè)收卷輥在收卷過(guò)程中達(dá)到最大卷徑時(shí)，另一個(gè)收卷輥接替它完成收卷工作。壓力輥會(huì)在薄膜生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況對(duì)薄膜施壓，控制收卷輥薄膜間的空氣含量，張力與壓力相互配合，提高薄膜表面的平整度與硬度，避免薄膜產(chǎn)生條紋。

1.2 收卷輥的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

在收卷輥的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中卷軸的半徑不斷增大，力矩平衡公式為：

F表示張力，r表示收卷半徑，Me表示電磁轉(zhuǎn)矩，Mf表示阻力轉(zhuǎn)矩，j表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω表示角速度。

其中Jo表示電動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jr表示料卷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jro為料卷軸空軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

薄膜厚度用h表示，收卷線速度為ν，轉(zhuǎn)速為n，使用微元法由質(zhì)量守恒定律率可得：

dm=2πrpadr=hdL dL=νdt ν=2πrn

由此可知，張力控制是一個(gè)非線性的復(fù)雜過(guò)程，會(huì)受到實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與卷徑大小的影響。收卷軸的張力與壓力控制在收卷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合性，不利于彼此的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的PID控制器只能調(diào)節(jié)張力控制回路，無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。為了改善這一缺陷，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，工作人員研究出采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的方法。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法解析

2.1 變步長(zhǎng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

標(biāo)準(zhǔn)的BP學(xué)習(xí)算法采用階梯度法，存在易陷入局部極值、收斂速度慢等缺陷，為滿足實(shí)時(shí)控制的要求，改善其性能，將階梯度法升級(jí)為變步長(zhǎng)法。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)無(wú)需使用數(shù)學(xué)方程就能描述出的輸入—輸出映射關(guān)系。變步長(zhǎng)法優(yōu)化的公式如下：

Ω（k+1）=ω（k）+η（k）D（k）

η（k）=2λη（k-1） λ=sign[D（k）D（k-1）]

ω（k）是k時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，η（k）表示學(xué)習(xí)速率，D（k）表示k時(shí)刻的負(fù)梯度。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有3層結(jié)構(gòu)：輸入層、隱含層和輸出層，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各個(gè)結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元個(gè)數(shù)分別是4、5、3。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的神經(jīng)元是壓力值時(shí)，降低了壓力因素對(duì)張力調(diào)節(jié)的影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的特點(diǎn)，可以對(duì)張力與壓力間的耦合關(guān)系解耦控制。輸入層的神經(jīng)元輸入又分為：張力誤差值、張力設(shè)定值、壓力設(shè)定值、實(shí)時(shí)張力值。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

在薄膜生產(chǎn)制造的過(guò)程中搭建一個(gè)基于Matlab的系統(tǒng)仿真模型，其中基于變步長(zhǎng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的張力控制方案可以通過(guò)S-Function模塊實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值控制PID參數(shù)，系統(tǒng)超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短，可以保證張力的穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的參數(shù)，可以使系統(tǒng)輸出恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。在壓力信號(hào)的干擾下，調(diào)節(jié)PID參數(shù)可以保證張力的穩(wěn)定響應(yīng)，避免壓力變化對(duì)張力調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性。保持張力的穩(wěn)定性，可以提高薄膜產(chǎn)品質(zhì)量。優(yōu)化控制薄膜生產(chǎn)的張力系統(tǒng)，運(yùn)用變步長(zhǎng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制，可以改善系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度與穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

薄膜生產(chǎn)工藝包括雙向拉伸系統(tǒng)、熔融擠出系統(tǒng)、收卷系統(tǒng)等子系統(tǒng)，保證收卷張力的穩(wěn)定性，能夠提高薄膜的質(zhì)量。張力控制屬于較為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，隨著收卷卷徑的不斷增長(zhǎng)和壓力輥的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制器的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)具有較大的難度。為了提高薄膜生產(chǎn)的穩(wěn)定性，工作人員建立了張力控制模型，優(yōu)化控制系統(tǒng)的精度，對(duì)其進(jìn)行控制仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制模型在快速性和穩(wěn)定性等方面得到了很大改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫婉君.干式復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2016.