料卷输送张力控制技术专利技术综述

孙娇

摘 要：张力控制是料卷输送过程中实现料卷卷绕张力恒定的关键技术。本文对料卷输送张力控制关键专利技术的发展历程进行了分析，并就其专利技术发展路线进行了梳理，最后针对我国相关企业及研发机构在料卷输送张力控制系统的研发方面给出了建议。

关键词：料卷；张力控制；技术发展

引言

张力控制作为工业控制领域的共性基础技术之一，在印刷、造纸、纺织、直线拉丝等工业设备中都有广泛的应用。在这些工业生产线上进行产品加工时，卷材运行时必须要保持有一定的张力。因此，如何控制好料卷系统中的张力成为系统控制的难点也是重点。张力控制系统由于其应用和使用范围，按功能、作用分，主要涉及张力控制技术、张力检测技术和张力执行设备三方面。而张力控制技术是张力检测和张力执行的理论基础，本文将着重对张力控制技术的专利技术发展路线进行梳理。

一、 张力控制技术

张力控制技术的发展总是跟控制理论、电力电子技术和计算机技术的发展密切相关的。由于张力控制系统的复杂性，难以建立精确的数学模型。

早期大多数的张力控制系统采用PID 控制，常规 PID 控制器因具有原理简单、鲁棒性较强、动态和静态特性优良，在工业控制中占据主要位置，但常规 PID 控制器对系统模型的精确性依赖较强，对于非线性、时变且受随机干扰的系统，一般难以获得较好的控制性能。而在料卷输送张力控制系统中，卷径、速度和力矩随时都在变化，常规 PID 调节难以满足精确张力控制的要求。所以有必要对常规的 PID 进行改进。

传统控制理论无法满足复杂性越来越高的工程系统，促使了智能控制这一新兴交叉理论技术的建立和发展。

模糊控制方法是上个世纪后期出现的一种新型自动控制方法，属于智能控制分支之一，它无需建立精确的数学模型，对系统精度要求不高，只需确立一个“模糊模型”就能达到良好的控制效果，是对人脑思维模糊方式的模拟。模糊控制方法尤适用于参数具有时变性、系统结构具有严重非线性和不确定性的复杂系统，此方法较传统 PID 控制不仅反应速度快，而且抗干扰能力强。

鲁棒控制方法是针对当数学模型存在不确定性时，所设计的控制器仍能使系统保持内稳定性和理想的性能要求，在一定程度上弥补了现代控制理论对数学模型依赖过高的缺陷，使系统的抗干扰能力大大提高。

神经网络控制可以不依赖受控对象的数学模型，能适用于任何不确定系统，且不需任何先验知识，也可以很好的解决由于系统参数间的耦合性而造成系统性能不好的问题。当应用于卷绕控制系统时，用带有反向传播训练算法的人工神经网络可以克服传统 PID 控制方法的缺点。但神经网络控制的研究还处于初级阶段，大部分还仅停留在实验与仿真阶段，缺乏深入的理论分析研究，稳定性、鲁棒性、收敛性等问题还有待解决。

二、料卷输送张力控制系统发展历程

料卷输送张力控制系统申请发展阶段，如下图1所示。

在历史上，人们对料卷输送中的张力控制不太关注，导致次品率较高，为了解决料卷技术中的难题，各国着力进行技术研究和技术改造，尤其是70年代电控式张力控制器的出现，这类张力器可自动调节张力，控制精度比机械式张力器有所提高，且每个张力器可单独控制和标定，大大推进了张力控制的研究，因而，1975年-1985年这时期专利申请量不断增长。但由于外界环境对模拟电路的干扰，张力容易产生波动，导致电控式张力控制器控制精度不高，在性能和应用上不能得到长足的发展，影响了张力控制的发展，从而导致1985年-1987年间张力控制系统发展短期停滞。而后，到上世纪90年代左右，随着电力电子技术、计算机控制技术以及检测技术的发展，新技术和先进控制策略的应用，料卷输送张力控制技术又得到一定程度发展，并逐步取代了以模拟器件为主的张力控制设备。直到1997年，各项技术发展到成熟期而新的技术暂未出现导致该领域发展相对平缓。近年来，随着计算机控制的发展进一步发展，国内外不少单位和科研机构对卷绕张力控制系统做出不懈努力，数字技术被更多地引入到张力控制中，并将神经网络控制技术与自适应、小波、浑浊以及遗传算法等新兴算法结合，而且卷绕设备的控制精度和自动化程度进一步提高，极大促进张力控制系统的研究热度和应用广度。

三、张力控制技术演进路线

料卷输送是一个典型的时变性、强耦合、多干扰的非线性卷绕系统，而且收卷过程中平台的移动、机架的翻转、卷径的增大以及物料的割断等各个环节都有许多不可测因素，使张力控制变得更加困难。因此设计正确的张力控制策略也显得非常重要。

PID控制以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调节方便而成为工业控制的主要技术之一，而将该技术开始应用于卷材的张力控制的是由日本东京株式会社1970年提交的专利申请绕卷机的张力控制装置（公开号JPS4828022B2），该申请简单阐述了在收卷过程中，PID控制器通过检测卷材压力值来调整测量参数从而达到控制张力的方法。随着计算机技术的发展，1988年，日本OMRON 公司提出了一种用于纸片收紧时模糊控制算法，连续测量滚筒与纸片间的压力，并通过控制滚筒而得到适应性的压力（公开号JPS63123222A）。而后在1993年，瑞士的泽韦格路瓦有限公司提出一种利用模糊控制系统来提高纺纱机的产量（公开号CH687994A5）。为了使控制系统的稳定性、抗干扰性更好，1996年，美国HONEYWELL公司提出一种鲁棒控制方法，在薄片高速制备过程中，即使在相对较长的滞留时间里也可以使系统免受干扰，提高系统的稳定性和可靠度（公开号US5796609A）。随着计算机技术的进一步发展，德国SIEMENS AG公司在1998年提出一种纸卷输送的神经网络模型，该方法可用于控制实际检测到的张力值并独立存储卷层和卷径，实时模拟料卷装置的张力状态，从而输出用于更多的模型（公开号DE19814407A1）。

而在国内企业中，对其作出的重要改进是，安徽马钢工程技术有限公司在2013年采用模糊神经网络自适应PID控制器的张力控制器，用来控制线缠绕张力，并验证缠绕张力系统良好的动态及静态性能（公开号CN103072841A）。

四、结语

张力控制系统技术是料卷输送过程中的重要控制技术，而我国在这一技术上起步较晚，还未掌握张力控制系统中的一些关键技术，而相关的技术在国外，尤其是德国、日本等国家起步较早，技术也比较成熟，其对专利的保护意识也很强，申请了大量的相关专利。我國应该抓住传统企业由机械化向自动化转型的这一机遇，加强对核心技术的研究，重视专利保护，各大企业、研究单位应加强合作，努力提升自己的核心竞争力以及专利保护意识。