方亮　竇峰

摘要：在當前形式下，我國的經(jīng)濟水平迅速提升，新科技的迅速發(fā)展帶動了我國農(nóng)村產(chǎn)業(yè)的調(diào)整，同時增大了薄膜的市場需求量。國內(nèi)薄膜的產(chǎn)量較大，主要用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)兩個領(lǐng)域。薄膜性能對卷筒質(zhì)量和收卷機所需附件的影響較大，對表面平整度要求較高的薄膜制造需要使用更為精細的卷取技術(shù)。保持張力的穩(wěn)定是薄膜卷取得難點，優(yōu)化控制薄膜收卷系統(tǒng)，可以保持收卷壓力穩(wěn)定，提高收卷系統(tǒng)精度。

關(guān)鍵詞：薄膜生產(chǎn)工藝;收卷壓力;控制仿真

隨著我國科學技術(shù)水平的飛速提高，各個領(lǐng)域加大了新技術(shù)與新理念的應(yīng)用，減輕了人們的體力勞動。在薄膜生產(chǎn)的過程中，為了保證塑料薄膜的質(zhì)量，運用張力控制系統(tǒng)對卷筒進行調(diào)整。優(yōu)質(zhì)的薄膜離不開好的卷取，吹膜和平膜擠出會用接觸輥和塔式卷取機，這是兩種不同的卷取概念。張力的穩(wěn)定性會影響薄膜卷取的質(zhì)量，張力擾亂會導致層間滑動或膜面褶皺等問題的產(chǎn)生。本文研究分析薄膜生產(chǎn)工藝的雙工位收卷系統(tǒng)張力各影響因素，建立張力控制模型，驗證仿真效果的可實施性。

1 收卷系統(tǒng)的建模

1.1 雙工位收卷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙工位收卷系統(tǒng)的組成部分有壓力輥、牽引輥、收卷輥、翻轉(zhuǎn)支架等，控制系統(tǒng)包含張力控制、壓力控制和換卷控制等。采用雙向拉伸工藝的薄膜在壓力輥和牽引輥的作用下能夠利用收卷輥收卷。翻轉(zhuǎn)機會帶動收卷輥轉(zhuǎn)動收卷，雙工位收卷系統(tǒng)有兩個收卷軸，一個收卷輥在收卷過程中達到最大卷徑時，另一個收卷輥接替它完成收卷工作。壓力輥會在薄膜生產(chǎn)過程中根據(jù)實際情況對薄膜施壓，控制收卷輥薄膜間的空氣含量，張力與壓力相互配合，提高薄膜表面的平整度與硬度，避免薄膜產(chǎn)生條紋。

1.2 收卷輥的動態(tài)數(shù)學模型

在收卷輥的運轉(zhuǎn)過程中卷軸的半徑不斷增大，力矩平衡公式為：

F表示張力，r表示收卷半徑，Me表示電磁轉(zhuǎn)矩，Mf表示阻力轉(zhuǎn)矩，j表示轉(zhuǎn)動慣量，ω表示角速度。

其中Jo表示電動軸的轉(zhuǎn)動慣量，Jr表示料卷的轉(zhuǎn)動慣量，Jro為料卷軸空軸的轉(zhuǎn)動慣量。

薄膜厚度用h表示，收卷線速度為ν，轉(zhuǎn)速為n，使用微元法由質(zhì)量守恒定律率可得：

dm=2πrpadr=hdL dL=νdt ν=2πrn

由此可知，張力控制是一個非線性的復雜過程，會受到實時轉(zhuǎn)速與卷徑大小的影響。收卷軸的張力與壓力控制在收卷過程中會產(chǎn)生較強的耦合性，不利于彼此的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的PID控制器只能調(diào)節(jié)張力控制回路，無法實時調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。為了改善這一缺陷，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，工作人員研究出采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化的方法。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法解析

2.1 變步長BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

標準的BP學習算法采用階梯度法，存在易陷入局部極值、收斂速度慢等缺陷，為滿足實時控制的要求，改善其性能，將階梯度法升級為變步長法。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學習無需使用數(shù)學方程就能描述出的輸入—輸出映射關(guān)系。變步長法優(yōu)化的公式如下：

Ω（k+1）=ω（k）+η（k）D（k）

η（k）=2λη（k-1） λ=sign[D（k）D（k-1）]

ω（k）是k時刻的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，η（k）表示學習速率，D（k）表示k時刻的負梯度。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有3層結(jié)構(gòu)：輸入層、隱含層和輸出層，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各個結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元個數(shù)分別是4、5、3。當網(wǎng)絡(luò)輸入層的神經(jīng)元是壓力值時，降低了壓力因素對張力調(diào)節(jié)的影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學習和自適應(yīng)的特點，可以對張力與壓力間的耦合關(guān)系解耦控制。輸入層的神經(jīng)元輸入又分為：張力誤差值、張力設(shè)定值、壓力設(shè)定值、實時張力值。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

在薄膜生產(chǎn)制造的過程中搭建一個基于Matlab的系統(tǒng)仿真模型，其中基于變步長BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的張力控制方案可以通過S-Function模塊實現(xiàn)。結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值控制PID參數(shù)，系統(tǒng)超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間短，可以保證張力的穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的參數(shù)，可以使系統(tǒng)輸出恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)時間較短。在壓力信號的干擾下，調(diào)節(jié)PID參數(shù)可以保證張力的穩(wěn)定響應(yīng)，避免壓力變化對張力調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性。保持張力的穩(wěn)定性，可以提高薄膜產(chǎn)品質(zhì)量。優(yōu)化控制薄膜生產(chǎn)的張力系統(tǒng)，運用變步長BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制，可以改善系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)速度與穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

薄膜生產(chǎn)工藝包括雙向拉伸系統(tǒng)、熔融擠出系統(tǒng)、收卷系統(tǒng)等子系統(tǒng)，保證收卷張力的穩(wěn)定性，能夠提高薄膜的質(zhì)量。張力控制屬于較為復雜的非線性系統(tǒng)，隨著收卷卷徑的不斷增長和壓力輥的實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)控制器的實時調(diào)節(jié)具有較大的難度。為了提高薄膜生產(chǎn)的穩(wěn)定性，工作人員建立了張力控制模型，優(yōu)化控制系統(tǒng)的精度，對其進行控制仿真，仿真結(jié)果驗證了控制模型在快速性和穩(wěn)定性等方面得到了很大改善。

參考文獻：

[1]孫婉君.干式復合機張力控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2016.