一种非晶带材卷取张力控制方法及装置与流程

本发明涉及非晶带材卷取控制领域，特别是涉及一种非晶带材卷取张力控制方法及装置。

背景技术：

随着电子技术向高频、小型化方向的发展，非晶超微晶软磁合金材料已制成各种各样磁性器件代替硅钢、铁氧体和坡莫合金等材料，应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域。

在非晶薄带的生产过程中，主要由包车行走、铜棍修模、抓取卷绕、温度控制、压力控制等环节组成，熔融状态的非晶原液经加工后形成一条薄带，非晶带材绕过冷却辊后，再绕过压辊以及两个托辊后缠绕在卷取辊上，通过卷绕环节卷成一卷卷的薄带，在卷取过程中，为了保证非晶薄带的性能，需要保证生产线中非晶带材的张力恒定。

目前，生产线中带材卷绕过程的恒张力控制方式主要有常规PID控制模式和变张力转矩控制模式。

然而，常规PID控制由于原理简单、使用方便、适用性好、具有很强的鲁棒性，在工业过程控制中得到了广泛的应用，但是PID控制需要建立被控对象精确的数学模型，只能处理线性控制系统。而非晶带材卷绕过程是个非常复杂的过程，具有非线性、时变、滞后等特性，常规PID控制模式难以满足卷取过程的恒张力控制，会影响带材卷的质量。

另外，变张力转矩控制模式则要求卷取过程中线速度不变，而带材卷取过程中由于带材卷取量不断的增加，导致卷取棍的半径也不断增加，如果卷取电机的转速保持转速不变的话，线速度会逐渐变大，所以也难以实现卷取过程的恒张力控制。

因此，如何有效解决非晶带材卷取过程中张力波动的问题，实现卷取过程的恒张力控制，从而使卷起来的带材卷紧而齐，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种非晶带材卷取张力控制方法及装置，用于控制非晶带材在卷取过程中张力恒定，从而使卷起来的非晶带材紧密整齐。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种非晶带材卷取张力控制方法，包括以下步骤：

在达到设定时间间隔时，确定所述冷却辊的当前转速n₀，以及所述卷取辊的当前转速n₁；

根据预先获得的所述冷却辊的直径D₀，以及所述n₀和n₁，确定所述卷取辊的当前转矩M_e；

将所述卷取辊的当前转矩M_e与所述卷取辊的设定转矩进行对比；

根据所述当前转矩M_e与所述设定转矩的对比结果调节所述卷取辊的转速n₁。

优选的，所述步骤“根据预先获得的所述冷却辊的直径D₀，以及所述n₀和n₁，确定所述卷取辊的当前转矩M_e”具体为：

确定当前所述冷却辊的减速比k₀和所述卷取辊的减速比k₁；

根据以下公式确定所述卷取辊的当前转矩M_e：

其中：T为非晶带材张力值、D₀为冷却辊直径、D₁为卷取辊直径、n₀为冷却辊转速，n₁为卷取辊转速，k₀为冷却辊减速比、k₁为卷取辊减速比。

优选的，所述步骤“根据所述当前转矩M_e与所述设定转矩的对比结果调节所述卷取辊的转速n₁”具体为：

根据所述当前转矩M_e与所述设定转矩的差值计算所述卷取辊的转速变化量Δn，并根据所述转速变化量Δn调节所述卷取辊的转速n₁。

优选的，所述步骤“根据所述当前转矩M_e与所述设定转矩的对比结果调节所述卷取辊的转速n₁具体为：

当所述当前转矩M_e大于所述设定转矩时，增加所述卷取辊的转速n₁；当所述当前转矩M_e小于所述设定转矩时，降低所述卷取辊的转速n₁。

一种非晶带材卷取张力控制装置，包括：

转速确定模块，用于在达到设定时间间隔时，确定所述冷却辊的当前转速n₀，以及所述卷取辊的当前转速n₁；

转矩确定模块，用于根据预先获得的所述冷却辊的直径D₀，以及所述n₀和n₁，确定所述卷取辊的当前转矩M_e；

对比模块，用于将所述卷取辊的当前转矩M_e与所述卷取辊的设定转矩进行对比；

转速调节模块，用于根据所述当前转矩M_e与所述设定转矩的对比结果调节所述卷取辊的转速n₁。

优选的，所述转矩确定模块还用于：

确定当前所述冷却辊的减速比k₀和所述卷取辊的减速比k₁；

根据以下公式确定所述卷取辊的当前转矩M_e：

其中：T为非晶带材张力值、D₀为冷却辊直径、D₁为卷取辊直径、n₀为冷却辊转速，n₁为卷取辊转速，k₀为冷却辊减速比、k₁为卷取辊减速比。

优选的，所述转速调节模块还用于：

根据所述当前转矩M_e与所述设定转矩的差值计算所述卷取辊的转速变化量Δn，并根据所述转速变化量Δn调节所述卷取辊的转速n₁。

优选的，所述转矩确定模块还用于：

当所述当前转矩M_e大于所述设定转矩时，增加所述卷取辊的转速n₁；当所述当前转矩M_e小于所述设定转矩时，降低所述卷取辊的转速n₁。

本发明所提供的非晶带材卷取张力控制方法，包括以下步骤：在达到设定时间间隔时，确定所述冷却辊的当前转速n₀，以及所述卷取辊的当前转速n₁；根据预先获得的所述冷却辊的直径D₀，以及所述n₀和n₁，确定所述卷取辊的当前转矩M_e；将所述卷取辊的当前转矩M_e与所述卷取辊的设定转矩进行对比；根据所述当前转矩M_e与所述设定转矩的对比结果调节所述卷取辊的转速n₁。该控制方法，通过在设定时间间隔内，获取所述冷却辊和所述卷取辊的转速后计算所述卷取辊的当前转矩M_e，并判断所述卷取辊的当前转矩M_e与设定转矩的偏差，来调整所述卷取辊的转速n₁，以使所述卷取辊的转矩M_e与所述设定转矩的数值相同，由于所述卷取辊的转矩M_e与非晶带材的张力呈正比例关系，因此，通过调整所述卷取辊的转速n₁，使得所述卷取辊的转矩M_e趋近于所述设定转矩，进而实现所述非晶带材的张力恒定，有效解决非晶带材卷取过程中张力波动的问题，实现卷取过程的恒张力控制，从而使卷起来的带材卷紧而齐。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的非晶带材卷取张力控制方法一种具体实施方式的流程图；

图2为本发明所提供的非晶带材卷取过程结构示意图；

图3为本发明所提供的非晶带材卷取张力控制方法中20倍转矩变化率仿真波形；

图4为本发明所提供的非晶带材卷取张力控制方法中40倍转矩变化率仿真波形；

其中：1-冷却辊、2-卷取辊、3-压辊、4-托辊。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种非晶带材卷取张力控制方法及装置，能够控制非晶带材在卷取过程中张力恒定，解决非晶带材卷取过程中张力波动的问题，从而使卷起来的非晶带材紧密整齐。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本发明所提供的非晶带材卷取张力控制的装置一种具体实施方式的结构示意图。

在该实施方式中，非晶带材卷取张力控制方法包括以下步骤：

步骤S1：在达到设定时间间隔时，确定冷却辊1的当前转速n₀，以及卷取辊2的当前转速n₁；

步骤S2：根据预先获得的冷却辊1的直径D₀，以及n₀和n₁，确定卷取辊2的当前转矩M_e，具体的，冷却辊1的直径D₀在非晶带材卷取的过程中固定不变，因此，冷却辊1的直径D₀为固定值可以直接获取；

步骤S3：将卷取辊2的当前转矩M_e与卷取辊2的设定转矩进行对比，其中，卷取辊2的设定转矩为标准转矩，即在非晶带材的张力为最佳张力时的卷取辊2的转矩，是通过拟合得出的；

步骤S4：根据当前转矩M_e与设定转矩的对比结果调节卷取辊2的转速n₁，将卷取辊2的转速n₁调整至计算得出的卷取辊2的转矩与设定转矩一致。

该控制方法，通过在设定时间间隔内，获取冷却辊1和卷取辊2的转速后计算卷取辊2的当前转矩M_e，并判断卷取辊2的当前转矩M_e与设定转矩的偏差，来调整卷取辊2的转速n₁，以使卷取辊2的转矩M_e与设定转矩的数值相同，由于卷取辊2的转矩M_e与非晶带材的张力呈正比例关系，因此，通过调整卷取辊2的转速n₁，使得卷取辊2的转矩M_e趋近于设定转矩，进而实现非晶带材的张力恒定，有效解决非晶带材卷取过程中张力波动的问题，实现卷取过程的恒张力控制，从而使卷起来的带材卷紧而齐。

进一步，步骤“根据预先获得的冷却辊1的直径D₀，以及n₀和n₁，确定卷取辊2的当前转矩M_e”具体为：

确定当前冷却辊1的减速比k₀和卷取辊2的减速比k₁，具体的，冷却辊1的减速比k₀，可以根据上一个预设时间间隔内获取的冷却辊1的转速与当前转速计算得出，同样的，卷取辊2的减速比k₁可以根据上一个预设时间间隔内获取的卷取辊2的转速与当前转速计算得出。

根据以下公式确定卷取辊2的当前转矩M_e：

其中：T为非晶带材张力值、D₀为冷却辊1直径、D₁为卷取辊2直径、n₀为冷却辊1转速，n₁为卷取辊2转速，k₀为冷却辊1减速比、k₁为卷取辊2减速比。

具体的，上述卷取辊2的转矩M_e的计算公式的推导过程如下：

非晶带材由冷却辊1送出，经压辊3、托辊4最后由卷取辊2卷绕，冷却辊1的线速度为v₀，卷取辊2的线速度为v₁，在卷取初期建立张力过程中，为保障系统正常运行，需使v₁＞v₀，非晶带材因压力会产生弹性形变，由胡克定律可知带材卷取张力T的表达式如下：

式中：s为非晶带材的横截面积，L为冷却辊1到卷取辊2的距离，σ为非晶带的弹性模量，t为系统建立张力时间。

由上述非晶带材卷取数学模型可以看出，带材卷取是冷却辊1与卷取辊2线速度差的积分关系，显然，随着时间的增长只要v₀＜v₁，非晶带材的卷取张力会一直增大，通常情况下冷却辊1的线速度为恒定值即v₀不变，设定卷取辊2的线速度v₀＝πD₀n₀，在卷取工作中D₁逐渐增大，若n₀保持恒定，则卷取辊2的线速度v₁将不断增大；由胡克定律可知，卷取张力T随着D₁不断增大，因此卷取辊2的张力转矩也将增大M_T＝TD₁/2，因此在非晶带材的卷取过程中，并且在建立张力后，需及时调整卷取辊2的线速度v₁恒定，从而确保卷取张力恒定。

卷取辊2电机轴上的力矩平衡方程为：

M_e＝M_T+M_D+M₀ (2)

式中：M_e为电动机电磁转矩，T为所建张力，M_T为张力转矩，D₁为卷取辊2直径，M_D为动态转矩，k₁为卷取辊2变速比，M₀为空载转矩；

由式(2)、(3)可得出：

从理论上分析，由于k₁为常数，空载转矩在实际中忽略不计，若使除去动态转矩后的电磁转矩与卷取辊2卷径成正比，则张力T保持不变。由此只需计算出动态转矩与实时卷径即可间接实现卷取的恒张力，将恒张力控制转为转矩控制。

在卷取辊2的卷取过程中，由于卷径D₁在逐渐增大，相应的转动惯量也随着卷径增大，会有动态力矩的变化，因此需对卷绕辊变化的转动惯量补偿，称之为动态力矩补偿。电机动态力矩M_D：

其中：J为非晶带转动惯量，w为卷取辊2角速度，D₁为卷取半径，为卷绕辊旋转角度，g为重力加速度，n为电机转速。

由式(5)、(6)、(7)可得：

卷取过程中，只需考虑卷取辊2工作一圈，即为0-360°变化，即非晶带卷每增加一层的变化，则增加的转动惯量计算如下：

其中：a为非晶薄带宽度，为非晶薄带密度，h为非晶薄带厚度，由于非晶薄带厚度为微米级，加上k₁减速比公式简化为：

G可由单位时间内增加的重量累加计算出，加速度也可用单位时间的速度变化率计算出来，故可得其动态转矩。

在非晶带材的卷取张力控制系统中，实时卷径影响卷取的速度、张力转矩和动态力矩补偿，因此获得精确的实时卷径是影响张力恒定的重要参量。目前计算卷径较常用的方法主要由计算法和等流量法，这里选用等流量法，所谓等流量法就是在单位时间内，由冷却辊1喷出的非晶带材的长度与卷取辊2卷取的非晶带材的长度应该相等。

由公式(1)可知，卷取张力为冷却辊1线速度v₀与卷取辊2线速度v₁差的积分关系，一般以冷却辊1线速度v₀为基准，卷取辊2线速度v₁随冷却辊1线速度v₀变化，随张力建立起后二者线速度应相等即v₀＝v₁，则卷取张力保持恒定，则有以下等式：

v₀＝v₁ (11)

由式(2)、(3)、(10)和(14)可得电机转矩为：

进一步，步骤“根据当前转矩M_e与设定转矩的对比结果调节卷取辊2的转速n₁”具体为：

根据当前转矩M_e与设定转矩的差值计算卷取辊2的转速变化量Δn，并根据转速变化量Δn调节卷取辊2的转速n₁。

更具体的，根据公式(15)以及M_e与设定转矩的差值，可以计算出卷取辊2的转速变化量Δn。

当然，步骤“根据当前转矩M_e与设定转矩的对比结果调节卷取辊2的转速n₁”也可以具体为：

当当前转矩M_e大于设定转矩时，增加卷取辊2的转速n₁；当当前转矩M_e小于设定转矩时，降低卷取辊2的转速n₁。

上述对卷取辊2的转速n₁的调整，可以为实时调节，当然，也可以为间隔预设时间时的调节，即每间隔预设时间便进行一次本实施例中所提供的步骤，以实现对卷取辊2的转速n₁的稳定调整。

除上述非晶带材卷取张力控制方法外，本发明还提供了一种非晶带材卷取张力控制装置。

该非晶带材卷取张力控制装置包括：

转速确定模块，用于在达到设定时间间隔时，确定冷却辊1的当前转速n₀，以及卷取辊2的当前转速n₁；

转矩确定模块，用于根据预先获得的冷却辊1的直径D₀，以及n₀和n₁，确定卷取辊2的当前转矩M_e；

对比模块，用于将卷取辊2的当前转矩M_e与卷取辊2的设定转矩进行对比；

转速调节模块，用于根据当前转矩M_e与设定转矩的对比结果调节卷取辊2的转速n₁。

进一步，转矩确定模块还用于：

确定当前冷却辊1的减速比k₀和卷取辊2的减速比k₁；具体的，冷却辊1的减速比k₀，可以根据上一个预设时间间隔内获取的冷却辊1的转速与当前转速计算得出，同样的，卷取辊2的减速比k₁可以根据上一个预设时间间隔内获取的卷取辊2的转速与当前转速计算得出。

根据以下公式确定卷取辊2的当前转矩M_e：

其中：T为非晶带材张力值、D₀为冷却辊1直径、D₁为卷取辊2直径、n₀为冷却辊1转速，n₁为卷取辊2转速，k₀为冷却辊1减速比、k₁为卷取辊2减速比。

上述卷取辊2的转矩M_e计算公式的推导过程，可以参数本实施例中所提供的张力控制方法中的推导过程，在此不再赘述。

更进一步，转速调节模块还用于：

根据当前转矩M_e与设定转矩的差值计算卷取辊2的转速变化量Δn，并根据转速变化量Δn调节卷取辊2的转速n₁，具体的，该转速变化量Δn同样是通过当前转矩M_e与设定转矩的差值，并根据公式(15)计算得出。

当然，转矩确定模块还可以用于：

当当前转矩M_e大于设定转矩时，增加卷取辊2的转速n₁；当当前转矩M_e小于设定转矩时，降低卷取辊2的转速n₁。上述对卷取辊2的转速n₁的调整，可以为实时调节，当然，也可以为间隔预设时间时的调节，即每间隔预设时间便进行一次本实施例中所提供的步骤，以实现对对卷取辊2的转速n₁的稳定调整。

由以上公式可以得出，S7-300控制器通过PROFIBUS通讯接收G120变频器参数r63可获得冷却辊1和卷取辊2电机实时转速，进而计算出非晶带卷实时卷径。通过动态卷径和动态转矩较精确计算出电机转矩。

更进一步，带材卷取系统可近似看作为一个二阶系统，其对应的传递函数一般形式为：

对系统作仿真实验，在系统仿真中，以斜坡发生器作为变化的转矩信号源，将模糊PID控制器与普通PID控制器作对比研究，仿真结果参照附图，从单幅图中可明显看出，模糊PID控制器相对普通PID转矩跟随性更好，动态性能更稳定，超调小，稳态精度相对较高；对比两幅图可以看出，当转矩变化率变大后，模糊PID控制器具有参数自整定的功能，相比于普通PID控制器仍然有较好的跟随性能，控制效果更好。

在非晶带材的薄带抓取卷绕的过程中，最开始以速度模式下的转矩限幅方式建立张力，待张力建立后转为转矩模式下的速度限幅控制模式，在模式切换过程中，非晶带材的张力在很短的时间内与设定值有较大偏差，会造成控制器的积分累积，致使转矩超过允许的极限控制，引起卷取系统较大超调，甚至震荡。因此本系统采用积分分离的模糊PID调节器对张力系统进行控制：当转矩测定值与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免积分作用使系统稳定性降低、超调量增大；当转矩测定值接近给定值时，引入积分控制，以便消除静态误差，提高控制精度。

在程序控制开始后，在循环中断功能块OB35进行实时的数据采集与计算，采集卷径计算转矩，通过变频器读取实时电流，计算转矩误差与误差变化率，模糊化后存入相关变量中，通过查询二维模糊控制输出表查找对应模糊输出；将模糊输出的PID参数与上次PID参数进行叠加，根据误差值大小决定是否将积分项分离，最后将输出参数传递给S7-300PID控制模块进行调节。

由于非晶薄带具有不同规格，带材宽度和厚度的差异及卷绕过程卷径非线性变化，卷绕过程具有非线性、时变、滞后等特性，常规PID控制和变张力转矩控制不能自行调整和优化参数配置，本发明引入智能控制算法，采用模糊PID控制器实现对闭环控制参数在线调节，使系统具有较好的鲁棒性。

当然，对于非晶带材张力的控制也可以考虑使用神经网络控制，并不局限于本实施例所给出的控制方法。

以上对本发明所提供的非晶带材卷取张力控制方法及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。