电液张力控制系统的研究
摘要
张力控制是许多工业生产过程控制中的一个重要的组成环节。它对提高产品质量、增强系统控制安全等方面起着至关重要的作用。论文采用电液比例控制技术通过调节液压马达进出口压差，控制其输出扭矩，在完成卷绕机构收放过程中，对缆或织物的张力控制的方法是可行有效的。电液张力控制系统中因系统的阻尼比较小容易引起的系统不稳定等问题，可以通过增加机械结构的阻尼器或者通过控制程序中PID校正环节进行补偿等方法加以解决，提高系统的稳定性与控制精度。论文针对缆张力控制系统与卷染机张力控制系统的结构组成及控制原理进行了理论分析与大量的试验研究，建立了系统的较为完善的数学模型并使用MATLAB工具对系统进行了仿真。仿真结果有助于系统结构参数的确定，试验结果表明系统的数学模型基本能够反映张力控制的动态过程，系统的张力控制是稳定的可靠的，理论分析及试验所得到的结论对今后的电液比例/伺服张力控制系统的设计及研究具有指导意义。论文内容如下：
第一章绪论，概述了张力控制系统的应用领域；张力控制的几种主要方式；电液比例控制技术的简介；以及本文主要的研究内容和选题意义。
第二章电液张力控制系统的结构与原理，由两个部分组成，第一部分是缆张力控制系统，从总体上介绍缆张力控制系统结构与原理，然后分别介绍系统的各个组成部分，包括液压系统，微机控制系统等。第二部分是卷染机张力控制系统，简述了卷染机的工作原理与系统结构。最后讨论了在卷绕机构中影响张力控制的几个主要因素。
第三章是对张力检测环节的分析，本章分别研究两个系统的检测环节，分析各自的特点。首先建立缆张力检测环节的数学建模，对其进行动静态分析，检验检测环节的稳定性与准确性。再对卷染机张力检测环节进行研究。最后对两个系统的张力检测环节进行对比分析。
第四章张力控制系统的仿真和试验分析，第一部分是对缆张力控制系统的仿真和试验分析。首先完成缆张力控制系统的受力分析，建立了系统的数学模型，对其进行静动态分析，并根据建立的模型使用MATLAB完成系统的动态仿真，探讨了改善系统性能的控制方法，对系统进行校正，提高系统的稳定性和控制精度。完成了大量的现场试验研究，解决了张力的标定、滞环校正、改进型PID控制算法、克服信号干扰等几个重要问题。第二部分是建立了卷染机张力控制系统的数学模型，控制方式及校正方法的分析，完成了卷染机张力控制系统的试验，取得了有益的结论。
第五章是总结与展望，总结了电液张力控制系统的结论，提出了应用前景和展望。
Tension control is a very important part of process control in many industrial applications, and plays an important role in improving product quality ^ enhancing system control security and etc. In this paper, electro-hydraulic proportional control methods are applied to control the export tension of the hydraulic motor and also the related winding machine by modulating the pressure difference between the inlet and outlet of the hydraulic motor, and the control methods are proven feasible. System instability caused by damp ratio of the control system can be resolved by adding mechanical damper or compensating through PID control segment. Theoretical analysis and experimental results are presented on system structure and control principles of the cable tension control system and the jigger tension control system, mathematic module is built up and corresponding simulation by MATLAB is executed, the simulation results aid to decide the structural parameters. The experiment results show that the mathematic module can reflect the dynamic process of the tension control, and the system is stable and reliable. So the theoretical analysis and the experiment conclusions in this paper can be practical and directive to the design and research of the later electro-hydraulic proportional/servo control system. Details are as follows:
The first chapter introduces the applied areas of the tension control, the main methods applied presently, the electro-hydraulic proportional control technology anr subjects of the thesis.
The second chapter discusses the structure and principles of the system. First pan discusses cable tension control system, begins with system structure and principle: i" whole, and then its constitutes includes hydraulic system and microprocessor control system. Second part discusses jigger tension control system, mainly on its working principles and system structures. Finally the main factors which affects tension centre 1 are discussed.
The third chapter analyzes the detect segment. Detect segments of the two sysien^ are both studied. First build up the mathematic module of the able tension control system, analyze its static and dynamic response, testify its stability :md veracity. Second study the detect segment of the jigger tension control system. Finally compare between the two segments are presented.
The fourth chapter introduces the simulation and experiments analysis. First study cable tension control system, begins with analysis on its physical environments and the a mathematic module are built up, accordingly static and dynamic response with MATLAB tool is executed to improve system stability and control precision. Fieldworks are performed to solve the demarcation, resort emendation, advanced PID control algorithm and signal interference. Second build up the mathematic module of the jigger tension control system, analyze its control type and emendation methods, perform experiments and draw some conclusions.
The fifth chapter gives a brief summarize on electro-hydraulic tension control system and a expectation on future work.
第一章绪论，概述了张力控制系统的应用领域；张力控制的几种主要方式；电液比例控制技术的简介；以及本文主要的研究内容和选题意义。
第二章电液张力控制系统的结构与原理，由两个部分组成，第一部分是缆张力控制系统，从总体上介绍缆张力控制系统结构与原理，然后分别介绍系统的各个组成部分，包括液压系统，微机控制系统等。第二部分是卷染机张力控制系统，简述了卷染机的工作原理与系统结构。最后讨论了在卷绕机构中影响张力控制的几个主要因素。
第三章是对张力检测环节的分析，本章分别研究两个系统的检测环节，分析各自的特点。首先建立缆张力检测环节的数学建模，对其进行动静态分析，检验检测环节的稳定性与准确性。再对卷染机张力检测环节进行研究。最后对两个系统的张力检测环节进行对比分析。
第四章张力控制系统的仿真和试验分析，第一部分是对缆张力控制系统的仿真和试验分析。首先完成缆张力控制系统的受力分析，建立了系统的数学模型，对其进行静动态分析，并根据建立的模型使用MATLAB完成系统的动态仿真，探讨了改善系统性能的控制方法，对系统进行校正，提高系统的稳定性和控制精度。完成了大量的现场试验研究，解决了张力的标定、滞环校正、改进型PID控制算法、克服信号干扰等几个重要问题。第二部分是建立了卷染机张力控制系统的数学模型，控制方式及校正方法的分析，完成了卷染机张力控制系统的试验，取得了有益的结论。
第五章是总结与展望，总结了电液张力控制系统的结论，提出了应用前景和展望。
Tension control is a very important part of process control in many industrial applications, and plays an important role in improving product quality ^ enhancing system control security and etc. In this paper, electro-hydraulic proportional control methods are applied to control the export tension of the hydraulic motor and also the related winding machine by modulating the pressure difference between the inlet and outlet of the hydraulic motor, and the control methods are proven feasible. System instability caused by damp ratio of the control system can be resolved by adding mechanical damper or compensating through PID control segment. Theoretical analysis and experimental results are presented on system structure and control principles of the cable tension control system and the jigger tension control system, mathematic module is built up and corresponding simulation by MATLAB is executed, the simulation results aid to decide the structural parameters. The experiment results show that the mathematic module can reflect the dynamic process of the tension control, and the system is stable and reliable. So the theoretical analysis and the experiment conclusions in this paper can be practical and directive to the design and research of the later electro-hydraulic proportional/servo control system. Details are as follows:
The first chapter introduces the applied areas of the tension control, the main methods applied presently, the electro-hydraulic proportional control technology anr subjects of the thesis.
The second chapter discusses the structure and principles of the system. First pan discusses cable tension control system, begins with system structure and principle: i" whole, and then its constitutes includes hydraulic system and microprocessor control system. Second part discusses jigger tension control system, mainly on its working principles and system structures. Finally the main factors which affects tension centre 1 are discussed.
The third chapter analyzes the detect segment. Detect segments of the two sysien^ are both studied. First build up the mathematic module of the able tension control system, analyze its static and dynamic response, testify its stability :md veracity. Second study the detect segment of the jigger tension control system. Finally compare between the two segments are presented.
The fourth chapter introduces the simulation and experiments analysis. First study cable tension control system, begins with analysis on its physical environments and the a mathematic module are built up, accordingly static and dynamic response with MATLAB tool is executed to improve system stability and control precision. Fieldworks are performed to solve the demarcation, resort emendation, advanced PID control algorithm and signal interference. Second build up the mathematic module of the jigger tension control system, analyze its control type and emendation methods, perform experiments and draw some conclusions.
The fifth chapter gives a brief summarize on electro-hydraulic tension control system and a expectation on future work.
引文
[1] 马伟方、施文康、蔡萍，敷缆张力测控系统的研究，测控技术2000．7
[2] 吴平，纸页张力在线检测及自动控制系统，中国造纸1997．6
[3] 韩继文、贾延林、路华等，数控纤维缠绕机张力控制系统的研究，机械工程师2000．12
[4] 王春香、王永康、付云忠等，数控缠绕机精密张力控制系统，自动化仪表2000．6
[5] 王春香、王永康、路华等，精密张力控制系统及其控制精度的研究 仪器仪表学报2000，8
[6] 陈立秋，染整装备机电一体化产品的开发，染整技术 1999．6，
[7] 盛卫锋、周一届、姜吴，印刷机械中的张力控制 印刷与包装机械 2001．2
[8] 薛凤春、林振波、王颖等，卷取机全数字传动及张力控制系统，轧钢 1998．6增刊
[9] 张向东，复卷机纸卷结构控制，纸和造纸 1997．5
[10] 李燕、绍日祥、绍世煌，卷绕张力控制器的三种设计方法及性能分析，中国纺织大学学报1997．3
[11] 施卫新，张力控制在造纸机上的应用，电力传动 1991．4
[12] 李方圆，造纸机张力系统的综合控制，自动化与仪表2000．4
[13] 陈学、黄运生，1760型造纸机速度—张力控制系统的设计，中南工业大学学报1998．8
[14] 董玉振、金德闻、张济川，缠绕机新型张力控制系统的研究，机械工业自动化1994．3
[15] 路甬祥、胡大纮，电液比例控制技术，机械工业出版社1988
[16] 曲家骐、王季秩，伺服控制系统中的传感器，机械工业出版社1999
[17] 吴根茂、邱敏秀、王庆丰等，实用电液比例技术，浙江大学出版社1993
[18] 曾宪云、李锡雄，一种新颖的卷纸机张力控制系统，广东工学院学报1993．9
[19] 高殿斌、蒋秀明，杨公源预浸料制备中的张力控制系统，航空材料学报2000．6
[21] 许泽刚，积分给定在恒张力变频调速中的应用，常州工业技术学院学报1997．6
[20] 袁佑新、程彪，复卷机张力自动控制系统，中国造纸2001．1
[22] 张进之、王文瑞，热连轧张力复合控制系统的探讨，冶金自动化1997．3
[23] 汪小平、牛冶平，PLC在卷取电机供电系统中的应用，电力自动化设备2000．6
[24] 罗富生、周士昌、姚贵有，单板机控制的恒张力线材缠绕液压系统的研究，液压与气动1995．5
[25] 胡毅，镀膜机张力控制系统的改造和微机接口电路设讨，实用测试技术1998．3
[26] 杜宏宁，杠杆调节式恒张力放带系统及其设计，电线电缆1999．8
[27] 张才良，BS—3型变张力单点控制复卷机的数学模型，中国造纸1995．3
[28] 何致远，模糊自整定PID在交流收卷张力控制中的应用，浙江工程学院学报2000，6
[29] 刘延俊、路长厚、何祖诚，微机控制比例阀一缸液压系统的缓冲与定位，机床与液压1997．6
[30] 岳利明，液压绞车系统的动态分析，矿山机械 1994．1
[31] 罗安，数字电液比例位置控制系统，机床与液压1996．1
[32] 郑建川，微机控制同步电缆卷筒，中国锰业2000．8
[33] Lars-Hanrik、NielsenLogic, Control System For Jig Dyeing, Textile World, April 1993
[34] Vald Henriksen Henriksen, Microtex HighSpeed Dyeing Jigger Machine Control,Textile World, April 1993
[35] Phil Owen, Dyeing and Finishing Machinery Innovations at ITMA'99, China Textile Leader, Sept. 1999, NO. 5
[36] National Semiconductor Corporation, Linear Data, 1988 Edition
[37] Herbert E. Merritt, HYDRAULIC CONTROL SYSTEMS, John Wiley, 1967
[38] 宇卫东，介绍一种使用电动变阻器构成的薄膜收卷机张力控制系统，广石化科技1997．7
[39] 王庆丰、顾临怡、袁卫军，负载自动适应的液压减张力卷取系统研究，机床与液压2000．5
[40] 肖卫兵、吴宜珍，变频调速整经机恒张力控制系统，山东纺织科技 2001．1
[41] 张才良、华辛刚，变张力单点控制复卷机，中国造纸 93．1
[42] 邹伟，磁粉制动器在复卷机上应用的几点体会，广东造纸 98．4
[43] 李剑锋、唐文林，复卷机的传动控制，广州造纸98，2
[44] 张殿华、郑芳、王国栋，板带热连轧机活套高度和张力系统的解耦控制，控制与决策 2000．Vol．15 No．2
[45] 毛剑琴、茅洪波、张建刚，卷染机模糊控制系统设计，自动化学报 1997．2
[46] 傅雯，可编程控制器用于张力控制的一种方法，自动化仪表 2000Vol．21
[47] 黄梦涛，磁粉制动器在卷取机张力控制系统中的应用，西安矿业学院学报 1999．2
[48] 陈桂明、张明照、戚红雨、张宝俊，应用MATLAB建模与仿真 科学出版社1999
[49] 张宜华，精通MATLAB5，清华大学出版社 1999．
[50] 薛定宇，反馈控制系统设计与分析—MATLAB语言应用，清华大学出版社2000
[51] 蒙以正，MATLAB5.x应用于技巧，科学出版社1999
[52] 董景新、赵长德，控制工程基础，清华大学出版社1992
[53] 骆涵秀、李世伦、朱捷、陈大军，机电控制，浙江大学出版社1994
[54] 陶永华、尹怡欣、葛芦生，新型PID控制及其应用，机械工业出版社2001
[55] 章宏甲、黄谊，液压传动 机械工业出版社1992
[56] 流体传动及控制，成都科技大学出版社1987
[57] 郭宗仁，可编程序控制器及其通讯网络技术，人民邮电出版社 1999
[58] 蒋静坪，计算机实时控制系统，浙江大学出版社 1992
[59] Sievers, L.;Balas,M.J.;von Flotow, A Modeling of web conveyance systems for multivariable control Automatic Control June 1998
[60] Liaw, D.-C.;Abed, E.H. Dept. of Electr. Eng.,Maryland Univ.,College Park, MD, USA Stabilization of tetheted satellites during station keeping,Automatic Control Nov. 1994
[61] Ken Elmer, Dr Keith Henthorn and Dr Peter Slellern, Self heating effects on the dynamics of a proportional control valve, Measurement & Control, Volume 31, May 1998,
[62] M.C. Ranesh, R. Rajamanickam, and S. Jayaraman, The Prediction of Yarn Tensile Properties by Using Artificial Neural Networks, Journal of the Textile Institute, Vol. 86, No. 3, 1995,
[63] Bastogne, T. Noura, H. Sibille, P. Richard, Multivariable Identification of a Winding Process by Subspace Methods for Tension Control, Control Engineering Practice, v 6 n 9 Sep 1998.
[64] Hong Shane Y, Jun SeongChan, Bordner Mark, Fair Roderick, Weatherbie Chris, Coil Winding Tension Control,American Society of Mechanical Engineers,Manufacturing Engineering Division, MED v 10 1999.
[65] Imamura,Takashi, Kuroiwa, Tetsuya, Terashima, Kazuhiko, Takemoto, Hidehiro, Design and Tension Control of Filament Winding System, Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics v 2 1999 IEEE, USA.
[66] Deur Josko,Peric Nedjeljko,Analysis of Speed Control System for Electrical Drives With Elastic Transmission, IEEE International Symposium on Industrial Electronics v 2 1999.
[67] 李洪人，液压伺服控制系统，国防工业出版社1985
[68] 王春行，电液伺服控制系统，机械工业出版社1984
[69] 黄忠霖，涂布机张力三环控制系统及其MATLAB仿真，纺织高校基础科学学报2000．1
[70] 叶树明，有杆泵动态测试装置液压伺服机控制系统设计及控制策略研究(博士论文)1997．6
[71] 殷建利，布料卷染机电液控制系统的研究(硕士论文) 2001．3
[72] 力士乐通用比例阀及放大器产品样本
[73] 研华工业自动化产品样本
[74] 三菱微型可编程控制器FX2n系列编程手册
[2] 吴平，纸页张力在线检测及自动控制系统，中国造纸1997．6
[3] 韩继文、贾延林、路华等，数控纤维缠绕机张力控制系统的研究，机械工程师2000．12
[4] 王春香、王永康、付云忠等，数控缠绕机精密张力控制系统，自动化仪表2000．6
[5] 王春香、王永康、路华等，精密张力控制系统及其控制精度的研究 仪器仪表学报2000，8
[6] 陈立秋，染整装备机电一体化产品的开发，染整技术 1999．6，
[7] 盛卫锋、周一届、姜吴，印刷机械中的张力控制 印刷与包装机械 2001．2
[8] 薛凤春、林振波、王颖等，卷取机全数字传动及张力控制系统，轧钢 1998．6增刊
[9] 张向东，复卷机纸卷结构控制，纸和造纸 1997．5
[10] 李燕、绍日祥、绍世煌，卷绕张力控制器的三种设计方法及性能分析，中国纺织大学学报1997．3
[11] 施卫新，张力控制在造纸机上的应用，电力传动 1991．4
[12] 李方圆，造纸机张力系统的综合控制，自动化与仪表2000．4
[13] 陈学、黄运生，1760型造纸机速度—张力控制系统的设计，中南工业大学学报1998．8
[14] 董玉振、金德闻、张济川，缠绕机新型张力控制系统的研究，机械工业自动化1994．3
[15] 路甬祥、胡大纮，电液比例控制技术，机械工业出版社1988
[16] 曲家骐、王季秩，伺服控制系统中的传感器，机械工业出版社1999
[17] 吴根茂、邱敏秀、王庆丰等，实用电液比例技术，浙江大学出版社1993
[18] 曾宪云、李锡雄，一种新颖的卷纸机张力控制系统，广东工学院学报1993．9
[19] 高殿斌、蒋秀明，杨公源预浸料制备中的张力控制系统，航空材料学报2000．6
[21] 许泽刚，积分给定在恒张力变频调速中的应用，常州工业技术学院学报1997．6
[20] 袁佑新、程彪，复卷机张力自动控制系统，中国造纸2001．1
[22] 张进之、王文瑞，热连轧张力复合控制系统的探讨，冶金自动化1997．3
[23] 汪小平、牛冶平，PLC在卷取电机供电系统中的应用，电力自动化设备2000．6
[24] 罗富生、周士昌、姚贵有，单板机控制的恒张力线材缠绕液压系统的研究，液压与气动1995．5
[25] 胡毅，镀膜机张力控制系统的改造和微机接口电路设讨，实用测试技术1998．3
[26] 杜宏宁，杠杆调节式恒张力放带系统及其设计，电线电缆1999．8
[27] 张才良，BS—3型变张力单点控制复卷机的数学模型，中国造纸1995．3
[28] 何致远，模糊自整定PID在交流收卷张力控制中的应用，浙江工程学院学报2000，6
[29] 刘延俊、路长厚、何祖诚，微机控制比例阀一缸液压系统的缓冲与定位，机床与液压1997．6
[30] 岳利明，液压绞车系统的动态分析，矿山机械 1994．1
[31] 罗安，数字电液比例位置控制系统，机床与液压1996．1
[32] 郑建川，微机控制同步电缆卷筒，中国锰业2000．8
[33] Lars-Hanrik、NielsenLogic, Control System For Jig Dyeing, Textile World, April 1993
[34] Vald Henriksen Henriksen, Microtex HighSpeed Dyeing Jigger Machine Control,Textile World, April 1993
[35] Phil Owen, Dyeing and Finishing Machinery Innovations at ITMA'99, China Textile Leader, Sept. 1999, NO. 5
[36] National Semiconductor Corporation, Linear Data, 1988 Edition
[37] Herbert E. Merritt, HYDRAULIC CONTROL SYSTEMS, John Wiley, 1967
[38] 宇卫东，介绍一种使用电动变阻器构成的薄膜收卷机张力控制系统，广石化科技1997．7
[39] 王庆丰、顾临怡、袁卫军，负载自动适应的液压减张力卷取系统研究，机床与液压2000．5
[40] 肖卫兵、吴宜珍，变频调速整经机恒张力控制系统，山东纺织科技 2001．1
[41] 张才良、华辛刚，变张力单点控制复卷机，中国造纸 93．1
[42] 邹伟，磁粉制动器在复卷机上应用的几点体会，广东造纸 98．4
[43] 李剑锋、唐文林，复卷机的传动控制，广州造纸98，2
[44] 张殿华、郑芳、王国栋，板带热连轧机活套高度和张力系统的解耦控制，控制与决策 2000．Vol．15 No．2
[45] 毛剑琴、茅洪波、张建刚，卷染机模糊控制系统设计，自动化学报 1997．2
[46] 傅雯，可编程控制器用于张力控制的一种方法，自动化仪表 2000Vol．21
[47] 黄梦涛，磁粉制动器在卷取机张力控制系统中的应用，西安矿业学院学报 1999．2
[48] 陈桂明、张明照、戚红雨、张宝俊，应用MATLAB建模与仿真 科学出版社1999
[49] 张宜华，精通MATLAB5，清华大学出版社 1999．
[50] 薛定宇，反馈控制系统设计与分析—MATLAB语言应用，清华大学出版社2000
[51] 蒙以正，MATLAB5.x应用于技巧，科学出版社1999
[52] 董景新、赵长德，控制工程基础，清华大学出版社1992
[53] 骆涵秀、李世伦、朱捷、陈大军，机电控制，浙江大学出版社1994
[54] 陶永华、尹怡欣、葛芦生，新型PID控制及其应用，机械工业出版社2001
[55] 章宏甲、黄谊，液压传动 机械工业出版社1992
[56] 流体传动及控制，成都科技大学出版社1987
[57] 郭宗仁，可编程序控制器及其通讯网络技术，人民邮电出版社 1999
[58] 蒋静坪，计算机实时控制系统，浙江大学出版社 1992
[59] Sievers, L.;Balas,M.J.;von Flotow, A Modeling of web conveyance systems for multivariable control Automatic Control June 1998
[60] Liaw, D.-C.;Abed, E.H. Dept. of Electr. Eng.,Maryland Univ.,College Park, MD, USA Stabilization of tetheted satellites during station keeping,Automatic Control Nov. 1994
[61] Ken Elmer, Dr Keith Henthorn and Dr Peter Slellern, Self heating effects on the dynamics of a proportional control valve, Measurement & Control, Volume 31, May 1998,
[62] M.C. Ranesh, R. Rajamanickam, and S. Jayaraman, The Prediction of Yarn Tensile Properties by Using Artificial Neural Networks, Journal of the Textile Institute, Vol. 86, No. 3, 1995,
[63] Bastogne, T. Noura, H. Sibille, P. Richard, Multivariable Identification of a Winding Process by Subspace Methods for Tension Control, Control Engineering Practice, v 6 n 9 Sep 1998.
[64] Hong Shane Y, Jun SeongChan, Bordner Mark, Fair Roderick, Weatherbie Chris, Coil Winding Tension Control,American Society of Mechanical Engineers,Manufacturing Engineering Division, MED v 10 1999.
[65] Imamura,Takashi, Kuroiwa, Tetsuya, Terashima, Kazuhiko, Takemoto, Hidehiro, Design and Tension Control of Filament Winding System, Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics v 2 1999 IEEE, USA.
[66] Deur Josko,Peric Nedjeljko,Analysis of Speed Control System for Electrical Drives With Elastic Transmission, IEEE International Symposium on Industrial Electronics v 2 1999.
[67] 李洪人，液压伺服控制系统，国防工业出版社1985
[68] 王春行，电液伺服控制系统，机械工业出版社1984
[69] 黄忠霖，涂布机张力三环控制系统及其MATLAB仿真，纺织高校基础科学学报2000．1
[70] 叶树明，有杆泵动态测试装置液压伺服机控制系统设计及控制策略研究(博士论文)1997．6
[71] 殷建利，布料卷染机电液控制系统的研究(硕士论文) 2001．3
[72] 力士乐通用比例阀及放大器产品样本
[73] 研华工业自动化产品样本
[74] 三菱微型可编程控制器FX2n系列编程手册