料卷輸送張力控制技術專利技術綜述

孫嬌

摘 要：張力控制是料卷輸送過程中實現料卷卷繞張力恒定的關鍵技術。本文對料卷輸送張力控制關鍵專利技術的發展歷程進行了分析，并就其專利技術發展路線進行了梳理，最后針對我國相關企業及研發機構在料卷輸送張力控制系統的研發方面給出了建議。

關鍵詞：料卷；張力控制；技術發展

引言

張力控制作為工業控制領域的共性基礎技術之一，在印刷、造紙、紡織、直線拉絲等工業設備中都有廣泛的應用。在這些工業生產線上進行產品加工時，卷材運行時必須要保持有一定的張力。因此，如何控制好料卷系統中的張力成為系統控制的難點也是重點。張力控制系統由于其應用和使用范圍，按功能、作用分，主要涉及張力控制技術、張力檢測技術和張力執行設備三方面。而張力控制技術是張力檢測和張力執行的理論基礎，本文將著重對張力控制技術的專利技術發展路線進行梳理。

一、 張力控制技術

張力控制技術的發展總是跟控制理論、電力電子技術和計算機技術的發展密切相關的。由于張力控制系統的復雜性，難以建立精確的數學模型。

早期大多數的張力控制系統采用PID 控制，常規 PID 控制器因具有原理簡單、魯棒性較強、動態和靜態特性優良，在工業控制中占據主要位置，但常規 PID 控制器對系統模型的精確性依賴較強，對于非線性、時變且受隨機干擾的系統，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中，卷徑、速度和力矩隨時都在變化，常規 PID 調節難以滿足精確張力控制的要求。所以有必要對常規的 PID 進行改進。

傳統控制理論無法滿足復雜性越來越高的工程系統，促使了智能控制這一新興交叉理論技術的建立和發展。

模糊控制方法是上個世紀后期出現的一種新型自動控制方法，屬于智能控制分支之一，它無需建立精確的數學模型，對系統精度要求不高，只需確立一個“模糊模型”就能達到良好的控制效果，是對人腦思維模糊方式的模擬。模糊控制方法尤適用于參數具有時變性、系統結構具有嚴重非線性和不確定性的復雜系統，此方法較傳統 PID 控制不僅反應速度快，而且抗干擾能力強。

魯棒控制方法是針對當數學模型存在不確定性時，所設計的控制器仍能使系統保持內穩定性和理想的性能要求，在一定程度上彌補了現代控制理論對數學模型依賴過高的缺陷，使系統的抗干擾能力大大提高。

神經網絡控制可以不依賴受控對象的數學模型，能適用于任何不確定系統，且不需任何先驗知識，也可以很好的解決由于系統參數間的耦合性而造成系統性能不好的問題。當應用于卷繞控制系統時，用帶有反向傳播訓練算法的人工神經網絡可以克服傳統 PID 控制方法的缺點。但神經網絡控制的研究還處于初級階段，大部分還僅停留在實驗與仿真階段，缺乏深入的理論分析研究，穩定性、魯棒性、收斂性等問題還有待解決。

二、料卷輸送張力控制系統發展歷程

料卷輸送張力控制系統申請發展階段，如下圖1所示。

在歷史上，人們對料卷輸送中的張力控制不太關注，導致次品率較高，為了解決料卷技術中的難題，各國著力進行技術研究和技術改造，尤其是70年代電控式張力控制器的出現，這類張力器可自動調節張力，控制精度比機械式張力器有所提高，且每個張力器可單獨控制和標定，大大推進了張力控制的研究，因而，1975年-1985年這時期專利申請量不斷增長。但由于外界環境對模擬電路的干擾，張力容易產生波動，導致電控式張力控制器控制精度不高，在性能和應用上不能得到長足的發展，影響了張力控制的發展，從而導致1985年-1987年間張力控制系統發展短期停滯。而后，到上世紀90年代左右，隨著電力電子技術、計算機控制技術以及檢測技術的發展，新技術和先進控制策略的應用，料卷輸送張力控制技術又得到一定程度發展，并逐步取代了以模擬器件為主的張力控制設備。直到1997年，各項技術發展到成熟期而新的技術暫未出現導致該領域發展相對平緩。近年來，隨著計算機控制的發展進一步發展，國內外不少單位和科研機構對卷繞張力控制系統做出不懈努力，數字技術被更多地引入到張力控制中，并將神經網絡控制技術與自適應、小波、渾濁以及遺傳算法等新興算法結合，而且卷繞設備的控制精度和自動化程度進一步提高，極大促進張力控制系統的研究熱度和應用廣度。

三、張力控制技術演進路線

料卷輸送是一個典型的時變性、強耦合、多干擾的非線性卷繞系統，而且收卷過程中平臺的移動、機架的翻轉、卷徑的增大以及物料的割斷等各個環節都有許多不可測因素，使張力控制變得更加困難。因此設計正確的張力控制策略也顯得非常重要。

PID控制以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調節方便而成為工業控制的主要技術之一，而將該技術開始應用于卷材的張力控制的是由日本東京株式會社1970年提交的專利申請繞卷機的張力控制裝置（公開號JPS4828022B2），該申請簡單闡述了在收卷過程中，PID控制器通過檢測卷材壓力值來調整測量參數從而達到控制張力的方法。隨著計算機技術的發展，1988年，日本OMRON 公司提出了一種用于紙片收緊時模糊控制算法，連續測量滾筒與紙片間的壓力，并通過控制滾筒而得到適應性的壓力（公開號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來提高紡紗機的產量（公開號CH687994A5）。為了使控制系統的穩定性、抗干擾性更好，1996年，美國HONEYWELL公司提出一種魯棒控制方法，在薄片高速制備過程中，即使在相對較長的滯留時間里也可以使系統免受干擾，提高系統的穩定性和可靠度（公開號US5796609A）。隨著計算機技術的進一步發展，德國SIEMENS AG公司在1998年提出一種紙卷輸送的神經網絡模型，該方法可用于控制實際檢測到的張力值并獨立存儲卷層和卷徑，實時模擬料卷裝置的張力狀態，從而輸出用于更多的模型（公開號DE19814407A1）。

而在國內企業中，對其作出的重要改進是，安徽馬鋼工程技術有限公司在2013年采用模糊神經網絡自適應PID控制器的張力控制器，用來控制線纏繞張力，并驗證纏繞張力系統良好的動態及靜態性能（公開號CN103072841A）。

四、結語

張力控制系統技術是料卷輸送過程中的重要控制技術，而我國在這一技術上起步較晚，還未掌握張力控制系統中的一些關鍵技術，而相關的技術在國外，尤其是德國、日本等國家起步較早，技術也比較成熟，其對專利的保護意識也很強，申請了大量的相關專利。我國應該抓住傳統企業由機械化向自動化轉型的這一機遇，加強對核心技術的研究，重視專利保護，各大企業、研究單位應加強合作，努力提升自己的核心競爭力以及專利保護意識。