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青岛农业大学海都学院

本科生毕业论文（设计）

题目：

恒张力卷绕控制系统设计

姓名：

隋淑贞

系别：

工程系

专业：

电气工程及其自动化

班级：

2006.1

学号：

020060415

指导教师：

刘立山

2010年6月18日

恒张力卷绕系统设计

摘要

张力控制是纺织、造纸等行业应用最为广泛的一项技术，它实现的好坏直接关系到产品的生产效率的高低和质量的优劣。

近些年来，随着人们对产品要求的进一步提高，张力控制越来越引起电气工程师们的注意。

早期的张力控制，绝大多数借助于模拟电子器件来实现，一般控制精度低，稳定性差，效果欠佳。

现代电力电子技术和集成电子技术的发展，用简便化得数字电路和控制芯片取代了原来的模拟电路，是张力控制系统向着多功能，数字化，高精度的方向迈进。

由于我国的纺织机械落后于国际水平，由此造成了纺织、造纸产品的质量差、成本高、生产率低等问题。

国外一些发达国家对纺织品在卷绕过程中织物的张力、速度控制技术已经很成熟。

国内也有这方面的研究，但并没有完全解决卷绕过程中保持恒张力问题。

本论文具体针对卷绕运转过程中的收卷张力控制进行讨论与研究。

本文为基于MCS51系列单片机与相关数字集成电路的张力控制系统。

首先介绍了张力控制技术的基本原理，实现方式，国内外发展现状，以及研制开发系统的必要性和意义。

接着介绍了磁粉离合器的基本原理和电气工作特性，随后就张力控制的全自动控制的硬件、软件设计和抗干扰技术展开讨论，较好的解决了卷绕过程中织物恒张力卷绕的要求。

关键词：

恒张力卷绕；张力闭环控制；磁粉离合器；数字PID

Constanttensionwindingsystemdesign

Abstract

TensioncontrolisawideusedtechnologyintheareaofSpinningandPaperMaking.Itisclosedrelatedwiththeproducts’productionefficiencyandquality.Especiallyintherecentyears,withthestrictdemandthecustomershaverisentotheproduct,tesioncontrolcatchesmoreandmoreattentionfromelectricalengineers.

Themajorityofearlierperiodoftensioncontrolisbasedontherealizationofanalogcomponents.Generally,ithaslowaccuracy,badstability,andnotverygoodcontrolresult.Thedevelopmentofmodernelectricpowerelectronicstechniqueandtheintegrationelectronicstechnique,makingoriginalcontrollogicreplacedbysimplifiednumericandmicrocontrolchips.Italsotakesthetensioncontrol’sdevelopmentintotheorbitofmultifunction,digital,andhighaccuracy.Ourcountry’stextilemachineryfallbehindofinternationallevel，whichbringsonthefollowingquestions:

textilequalitynotgood，highcostandlowproductivityetc.Somedevelopedcountryhavemasteredthetechnologyofkeepingconstanttensionandclothspeed.Althoughourcountryhadstudiedonthesequestions，butthemhadnotbeenperfectlysolved.Mainsubjectsdiscussedinthisdissertationfocusonthetensioncontrolinunwindingandwindingprocessesforthemachine.

Thisarticledescribesamulti-functiontensioncontrolsystembasedonMCS-51singlechipmicrocomputerandsomerelateddigitalintegratedcircuits.Firstly,itintroducesthewholesystem’sbasicprinciple,thewayinwhichitcarriesout,thepresentdevelopmentinandoutofchina,andalsothenecessityandthesignificanceofinventsuchanimportanttensioncontrolsystem.Secondlytheprincipleandelectricalcharacteristicofmagneticparticleclutchisdiscussed.Then,thisarticlegivesahardwareandsoftwareanti-jammingofthefullautomode.It‘saverygoodsolutioninthecourseofthewindingfabricconstanttensionwindingrequirements。

Keywords：

constanttensiontensionclosed-loopcontrolanti-jammingdigitalPID

目录

摘要..I

AbstractII

目录1

第一章绪论1

1.1课题背景、目的及意义1

1.1.1课题背景1

1.1.2课题研究目的2

1.1.3课题研究意义2

1.2国内外张力控制的研究现状与发展3

1.3本文研究的主要内容4

1.4本章小结5

第二章恒张力控制系统方案选择11

2.1张力控制系统的基本原理11

2.1.1间接法张力控制原理·············································12

2.1.1直接法张力控制原理·············································12

2.2张力控制的实现方式13

2.2.1手动控制方式14

2.2.2卷径控制方式14

2.2.3全自动张力控制14

2.3恒张力控制方案确定15

2.3.1采用MCS-C51作控制器16

2.3.2用磁粉离合器作执行机构16

2.4本章小结17

第三章恒张力控制硬件系统设计18

3.1控制系统的组成18

3.2硬件介绍18

3.2.1磁粉离合器18

3.2.2压力传感器21

3.2.3压力传感器信号调理电路23

3.2.4压力传感器的电压频率转换电路24

3.2.5磁粉离合器的输出控制电路26

3.4本章小结···························································27

第四章恒张力控制软件设计28

4.1控制系统的软件框图28

4.2频率采样过程中的滤波30

4.3张力控制系统中频率检测的动态补偿30

4.4具体应用中的数值量化问题31

4.5PID技术的基本原理32

4.6程序设计35

第五章结论36

参考文献37

致谢38

附录39

第一章绪论

1.1课题背景、目的及意义

1.1.1课题背景

在工业生产的诸多行业,如金属加工、纺织、造纸、橡胶、化工及电线电缆等，经常遇到卷绕控制问题。

它们通常要将产品卷绕在卷筒盘上，带料或线材的收放卷张力对产品的质量至关重要，所以如何在卷筒直径从开始阶段到最后阶段逐渐增大的整个过程中张力变化保持在所允许范围内的问题是一个经常面对的问题。

传统的收卷都是采用机械传动，这种方式不仅张力不易控制，而且机械的同轴传动对机械的磨损是非常严重的。

据了解，用于同轴传动部分的机械基本上是一年，而且经常要维护，维护的时候也是非常麻烦的，不仅浪费人力而且维护费用很高，给很多客户带来不便。

尤其是纺织设备基本上是开机后不允许中途停车，如发生意外情况停车会造成很大的浪费，在这种情况下，急需研制出一种张力控制卷绕装置来取代传统的机械传动。

张力控制是指能够持久的控制带材设备卷绕时的张力的能力。

这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和匀速。

即使在紧急停车情况下，它也有能力保证材料不产生丝毫破损。

卷绕机的张力控制可以说是整机的核心，只要张力控制稳定，张力变化小，卷绕材料的卷绕精度和破损率就很容易控制。

张力的波动和变化对卷绕材料的影响很大，尤其是设备的卷绕速度越高，张力控制就显得越重要。

为了解决这个问题，大多在机械结构上增添各种辅助设备或采用其他传动系统以求实现。

但其效果通常不太理想，同时还存在着设备复杂、费用大、使用维护困难等问题。

随着我国现代化工业的飞速发展，对精度、速度和自动化程度的要求越来越高，其中的恒张力控制问题也变得更为突出。

现在，随着电力电子技术的发展，各类张力控制变频技术日趋成熟且在工业领域得到了广泛应用。

由于各类变频器的出现使得工业控制领域发生了翻天覆地的变革。

张力控制手段也因此得到发展。

目前，恒张力的控制手段就成了卷绕装置张力控制系统研究的重点。

1.1.2课题研究目的

本论文以在卷绕过程中收卷部分实现恒张力控制为目标，提高卷筒卷绕过程中的被卷物品质量，确保卷筒材料的合格与优良性。

张力控制精度对卷筒材料的质量有很大的影响，张力过大会造成加工材料的拉伸变形；张力过小会使卷取的材料的层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐，或者处理尺寸不准等弊病，影响加工质量；张力大小不稳定会使带材跳动,导致材料不平整重叠等卷绕故障。

因此，为了保证生产的品质、效率及可靠性，必需要有一套功能完备的张力控制系统来引导产品加工过程。

因而，收卷作业的张力控制，便成为通用的基础技术。

张力控制的作用就是在卷材处于动态处理过程中时，使卷材保持恒定的张力，抑制外来干扰引起的张力抖动。

1.1.3课题研究意义

在众多涉及卷绕装置的工业生产中，以纺织工业为例来说明它的意义。

我国的纺织工业规模宏大，单是被誉为“中国轻纺城”的绍兴就有足够的说服力。

据资料显示，到2003年底，绍兴全市有纺织单位5.66万家，从业人员59.2万人，其中纺织企业3200余家，从业人员38.2万人，个体纺织单位5.34万家，从业人员21万人。

按统计部门统计，全市国有及年销售500万元以上的纺织工业企业以下简称“纺织规模企业”共有1099家，占全市国有及年销售500万元以上的工业企业总数的44.9%,纺织规模企业2003年完成工业总产值919.2亿元，比上年增长21.3%,完成销售收入906亿元，比上年增长23.3%；实现利润44.5亿元，比上年增长17.4%；出口交货值313.2亿元，比上年增长39.9%。

产、销、利、出口交货值实绩分别占全市规模以上工业企业总量的48.5%、49.0%、38.1%和62.6%。

如此庞大的产业群体，对纺织设备的需求无疑是巨大的，据不完全统计，绍兴现有的织造前道设备在1000套以上，这些老的织造前道设备（整经机、并轴机）等均生产于上世纪九十年代，其机械性能尚且良好，但张力控制系统较落后。

由于没有张力控制系统或虽有但采用手动调节等落后的方式，控制精度不高，无法实现并丝的恒张力控制，造成并丝张力不均匀，布面起皱，不平整，印染后有色差等影响产品质量的问题。

目前，只有德国、日本、韩国产的卷绕机上配有先进张力控制系统，全套流水线价格在人民币300-500万元之间，而张力控制系统部分约在15-20万元之间，而本国开发的恒张力控制系统性如能达到上述进口设备的指标要求，则预计售价只有进口的三分之一，即五万元左右。

此外，绍兴现有的织造前道设备预计有1000余台，这些产品均为上世纪九十年代生产，机械部分性能已完全能和进口的相媲美，只要对张力控制系统加以改造，就能达到提高设备性能，提升产品质量的目的。

如果保守估计，30%进行张力控制系统改造，则预计产值将达到1500万元（1000X30%X5万元），另外，如每年新增200台的市场销售量，则年产值可达1000万元（200X5万元），合计年新增产值2500万元，利税可达750万元。

为适应项目产品的生产，可年新增就业岗位近100人，由于该项产品对生产人员的素质要求较高，基本学历需在中专以上，这也为大中专毕业生提供了就业机会。

总之，该系统的开发和项目产品的生产，社会效益明显。

从上面分析可以看

出，仅在绍兴织造前道应用项目产品，年产值可达2500万元以上，如果扩大应

用范围和应用地区，项目产品应用于本地或者全国其他地区的卷绕机以外的印刷、包装、橡胶制带等行业，市场容量更大，具有明显的社会效益。

1.2国内外张力控制的研究现状与发展

国内外早期卷绕生产中的张力控制是采用单纯的加重锤法，此方法不能根据张力的实际情况调节运行速度，速度大小对张力影响极大，调节精度很差。

20世纪80年代出现了具有有限反馈调节功能的机械式卷筒导开装置，此装置在卷筒辊后部增加了一个摩擦片，通过调节摩擦力大小，可以在一定程度上调整卷材张力。

但其反应不灵敏，调节范围有限，控制精度也不太高，而且随卷筒直径大小的改变，张力大小也不断改变。

以上这些装置都无法满足生产高质量、高性能同步带的要求。

20世纪80年代后期以来，随着电力电子技术、计算机实时控制技术、检测技术的发展，特别是微处理器技术的不断成熟，很多企业将数字技术引入到张力控制系统中，于是出现了模拟－数字混合张力控制系统，并从单纯的单机单路控制转向一机多路控制，全面采用单板机、可编程序控制器控制。

采用的控制方法都是外环（位置环或张力环）结合速度环和电流环，对于要求不高的系统，有时只需要外环即可。

另外，随着控制理论的不断发展，一些新的控制思想和控制手段也被引入到张力控制系统中，这使控制系统的精度愈来愈高，控制方式也更加灵活多变。

根据控制系统输出的控制对象分，目前市场上主要有以下几种张力控制系统：

一种是以磁粉制动器（离合器）为主要执行部件的张力控制设备，由于磁粉制动器的的输出转矩与通过其电感线圈的电流具有优良的线性关系，因而只要通过相应的压力检测器件检测现场的压力值，对应此输出相应的通过磁粉制动器的激励电流就能实现动态控制，保持现场张力的恒定。

这类张力控制系统主要用于低张力控制的造纸、纺织等行业；另外一种就是以变频电机为执行部件的张力控制系统，其主要特点是通过控制变频器的激励电流或者激励电压来实现电机转速的控制，从而实现现场压力的恒定，该类系统主要应用于对速度和张力都有较高要求的大规模工业系统中，如钢铁工业、电缆制造业等。

近年来，张力控制系统结合了最新的电力电子技术，检测技术，数字控制技术于一身，向着多功能，一体化，产品系列化的方向发展。

相对来说，国内外控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的控制，而且对于初始建立张力、卷取过程张力都有较好的控制，并且有友好的人机界面，完善的功能，如缓冲启动、防松卷功能、手动/自动控制、模式选取、控制参数的保存和调用、自诊断模式、多种通讯接口等，但价格却相对昂贵。

国内的张力控制系统基本停留在手动随机、随时控制的水平上，有部分采用模拟检测、模拟放大控制输出的产品，可控性和人机界面差，控制精度不高，迫切需要更新换代。

1.3本文研究的主要内容

在借鉴前人现有成果的基础上，本论文的主要工作是：

通过研究，寻求一种适合卷绕系统恒张力控制的控制策略，并设计一种基于MCS-51单片机与磁粉离合器的功能简单但力求实用的恒张力卷绕控制系统，并对控制系统进行调试。

本论文研究的具体工作步骤有：

1）查阅相关资料，了解张力控制的发展史，了解恒张力卷绕的概念，深入研究收卷过程的特性，找出与张力控制相关的参数。

2）根据相关参数，讨论了张力控制系统的基本组成及控制原理。

3）根据控制策略，对卷绕过程中的参数变化进行分析，从而找出适用于恒张力卷绕控制过程的算法控制方案和参数整定方案。

4）在以上准备工作的基础上，给出用MCS-51单片机及磁粉离合器实现卷绕系统恒张力的系统框图。

最后，完成恒张力控制系统的软件编写。

1.4本章小结

本章首先介绍了课题的背景、目的和研究意义，并对国内外张力控制的研究现状与发展概况进行了综述，最后对论文研究得主要工作和具体工作步骤做了一个简要的介绍。

第二章恒张力控制系统方案选择

2.1张力控制系统的基本原理

图2-1卷绕装置简图

图2-1所示为一卷绕系统。

假设M1为一稳速单元，M2为一典型卷绕系统。

设卷材张力为T,卷辊直径为D0,卷棍满轴时直径为Dm，D为卷绕过程中某一时刻的直径。

卷绕前一喂布单元M1运行中卷材的线速度为V1,卷绕单元M2运行的线速度为V2.如果V2>V1,则卷材将被拉伸,卷材张力变大；如果V2

所以，速度V2和V1与张力有密切关系。

根据胡克定律，卷材内的张力T为:

（2-1）

式中：

ε为卷材的弹性模量；σ为卷材截面积；L为传动点之间距离；t为机器启动时间.

由上式可见，卷材作为张力调节对象时，是一个积分环节。

控制张力实际就是在控制线速度差V2-V1，所以，从某种意义上说，张力控制系统实际上就是一种线速度跟踪系统。

卷绕系统在开始运行时，总是控制V2〉V1，以使卷材内产生一定的张力，当卷材达到合适张力后，应该及时调节动力机构使V2稳定，这样，卷材就在此张力下稳定进给、收卷。

目前应用的恒张力卷绕系统，根据其测量控制的原理结构，主要有以下三种：

1．间接法张力控制系统。

2．直接法张力控制系统。

3．兼有直接法和间接法的复合张力控制系统。

2.1.1间接法张力控制原理

间接张力控制的实质是通过电气传动理论对恒张力卷绕的物理方程进行静态的和动态的分析，从中找出影响张力的所有电气物理量，从而分别对他们进行控制。

根据控制要求的不同可采取不同的方法，其中包括功率反馈、电流反馈、卷径反馈等。

由于间接张力控制常涉及几个参数的自动控制，一般需采用多闭环的控制系统实现，在系统结构和理论上较为复杂。

2.1.2直接法张力控制原理

间接法张力控制系统，是通过针对现场的各种干扰因素，改变电动机的电气参数来达到张力恒定的目的的。

然而实际运用环境中，张力控制的现场是十分恶劣的，各种干扰因素对系统的影响比较严重，因而就造成了间接张力控制不能对这些干扰要素动态的做出补偿，调整输出转矩，从而控制精度不高，系统构建也显得复杂，昂贵。

相比之下，采用直接进行控制，能够取得比较好的控制效果。

应用到张力控制中，就是通过张力检测元件，将现场的张力转化与之相应的电信号，并作为反馈信号接入到输入端，与设定的张力信号进行比较，运算，调节张力执行部件，从而构成张力闭环的控制系统，这样能够对现场总的干扰因数做出电气上的补偿，因而这类张力控制系统能够运行稳定，控制精度高，能够显著提高织物产品的质量，在现实的工业生产中，此类控制系统得到了广泛的应用。

下图是直接法张力控制系统的典型框架，该系统利用张力传感器直接测量现场织物的承受张力，输入到控制器中，进行PID运算，直接输出控制信号，控制磁粉离合器，调节转动力矩，从而实现张力的恒值控制。

图2-2直接张力控系统的典型应用

系统的总体原理框图如下：

图2-3直接张力控制系统的原理框图

2.2张力控制的实现方式

在织物加工过程中，张力是一个很重要的因素。

织物加工对卷绕张力的控制，主要是为了防止织物过长，同时在卷绕过程，由于张力恒定与否对卷绕质量也有一定的影响，所以要求张力尽可能不变。

为了达到使卷绕紧凑，保证产品的质量，都要求在卷绕过程中，在织物上建立一定的张力，并保持张力为一恒定值，能够实现这一功能的系统，就叫做张力控制系统。

目前市面上有各式各样的张力控制方案。

从控制方式上分类，张力控制一般可以分为手动、半自动、全自动三类。

2.2.1手动控制方式

机械卷进卷出一次就要进行几次的调节才能得到满意的张力。

由可变电阻器，调压器等可变电压调整器对执行机构进行控制的。

在卷径比较小的卷进卷出时，仅需要设定初始张力，多数是实现定转矩控制。

2.2.2卷径控制方式

卷径控制方式也称为半自动控制方式，卷径控制方式的突出特点就是省去了价格相对昂贵的张力传感器，安装简单，而且能很方便的获得锥度张力控制。

特别适用于印刷、包装、印染等行业的分切及收卷机器设备，图2-4为收放卷的原理图。

图2-4收卷和放卷原理图

图中，RO为放卷轴半径，凡放卷材料半径，Rl为收卷驱动轴半径，V为卷材运行的线速度。

当卷料轴转速恒定时，张力产生的转矩*FR，与磁粉制动器产生的制动力矩相等。

因此如维持，F恒定不变，则只需检测放卷轴与驱动主轴的转动角速度，计算一出R，，通过控制磁粉制动器的制动电流，便可以实现放卷轴的恒张力控制。

其中，脉冲信号是通过安装于旋转轴上的接近开关或者是旋转编码器获得，单片机通过计数这一脉冲信号的频率就可以准确的计算出需要检测轴的角速度，由于两滚动轴上线速度的相等，因此可以求得:

（2-2）

（2-3）

其中W1-为收卷驱动轴的角速度;

W0-为放卷轴的角速度;

K-为磁粉离合器的特性系数。

2.2.3全自动张力控制

全自动恒张力是采用张力传感器直接测定卷料的张力，根据实测张力与设定目标张力的差值按照PID运算之后自动改变磁粉离合器或者磁粉制动器的激励电流，从而获得所需要的张力。

2.3恒张力控制方案确定

在全自动控制原理的基础上，本论文采用压阻式传感器作为张力检测元件，MCS-C51单片机作为控制器，磁粉离合器作为系统的执行机构，并配备键盘扫描实现按键设定张力，通过对磁粉离合器励磁电流的调节，实现恒张力卷绕的精确控制。

本次设计的恒张力控制系统的硬件结构如图所示：

压力信号

图2-5恒张力控制系统的硬件结构

2.3.1采用MCS-C51作控制器

压力信号

采用单片机作为主要控制芯片，系统简单，成本低廉，小巧而且方便，便于控制系统现场的安装。

2.3.2用磁分离和器作执行机构