第一章 绪论

　　1.1造纸工业现状

　　造纸行业主要用竹以及芦苇、废纸辅以木秸秆等可再生资源为原料，通过清洁生产，实现了资源一生产一消费一资源再生的良性循环，己成为国民经济中具有循环经济特征的重要基础原材料产业和新的经济增长点。造纸行业资金技密集，规模效益显著，由于有较大的市场容量和发展潜力，所以对产业关联度高，对林业、农业、环保、印刷、包装、化工、机械制造、自动控制、交通等相关产业发展具有明显的拉动作用。

　　纸及纸板的生产量和消费量均居世界第一位的我国，由于世界经济格局的重大调整和我国经济社会转型的明显加速，我国造纸工业发展面临的资源、能源和环境的约束日益突显，函需加快结构调整，实现传统造纸工业向可持续发展的现代造纸工业转变。

　　1.2造纸工业转型存在的问题

　　原料供求矛盾突出，自主创新能力不强，节能减排任务艰巨，企业规模偏小是造纸工业转变过程中主要存在的问题。我国造纸工业自主创新能力建设比较薄弱，产学研没有形成有机的整体，引进技术消化吸收再创新不足，在新工艺、新设备和新产品的开发上缺乏自主创新的产业化重大成果。大型蒸煮、筛选、漂白设备，高得率制浆设备，高速纸机流浆箱、靴式压榨、压光机、复卷机等关键设备基本依赖进口。

　　世界大型制浆造纸装备供应仍处于垄断局面。多年来，世界上少数几家主要制浆造纸装备供应商，依靠品牌优势、研发能力、精密制造以及强大的资金实力和市场拓展能力，基本垄断了大型制浆造纸装备供应，这一局面短期内难以改观。我国现己成为世界制浆造纸装备的主要市场，但大型制浆造纸装备主要依赖进口，导致投资成本提高，阻碍了众多中小型制浆造纸企业装备大型化步伐。我国制浆造纸装备自主化水平函需提高

　　1.3我国造纸工业的发展方向

　　由于我国工业化、信息化、城镇化、市场化、国际化深入发展，经济结构转型加快，造纸工业产业结构不合理的问题日益突出，函需通过优化原料结构，提高原料保障水平;优化产品结构，使产品向低碳、多功能、环保、质优的方向调整，提高有效供给水平;优化企业结构，提高集中度和竞争力;优化技术结构，增强自主创新能力，提升技术装备总体水平;优化产业布局，合理配置资源，全面推进造纸工业协调发展。

　　研发具有自主知识产权的先进适用装备。跟踪研究国际前沿技术，加强重大技术装备研制，通过自主创新与引进消化吸收再创新相结合，着力加强产业技术和成套装备系统的集成和创新，加快行业关键、共性技术与装备的研发和产业化，努力解决制约我国造纸产业发展的技术瓶颈，提升造纸工业和装备制造业的整体技术、装备水平是我国造纸工业需要达到的目标。

第二章 控制系统结构

　　2.1 设计参数

　　卷纸机主要参数数据：纸卷幅宽：4500mm,纸卷最大直径3000mm,纸卷限速直径900mm,卷纸轴直径600mm,纸符工作张力1500N/m,设计车速2000m/min,底辊直径720mm.

2.2 本设计的组成

　　本设计主要由两部分组成：机械部分和控制部分。

2.3 卷纸机的工作原理

　　图 (2.3)

　　2.4 张力控制系统

　　2.4.1张力的产生

　　我们从卷纸机运行特点可以知道，卷纸机的控制关键在于对张力的控制上。设卷取前一分部压光机的线速度为v1，卷纸机的线速度为v2，则产生的纸幅张力为

(1)

　　式中:T-----纸张所承受的张力;

　　L-----卷纸机和压光机两传动点间的距离;

　　S,Y---截面积、纸张的弹性模量。

由公式(1)可知:要使张力恒定，就要保持线速度恒定。根据公式可知，要使v恒定，就要使电动机转速，即，可见卷纸机为恒功率负载特性。由于张力是由线速度引起的，故，张力恒定即线速度恒定，而欲使线速度恒定，就需卷纸的功率为恒定值。因此，恒张力控制、恒线速度控制、恒功率控制在本质上是相同的。而按照张力控制方式的不同，可分为间接张力控制与直接张力控制两种。

　　2.5 张力控制方式

　　张力的控制方式有很多种，从控制原理来讲，主要有3种:

　　1.直接张力控制

　　采用张力检测器件直接测量被控对象的张力，并且将信号反馈给控制器，控制器将其与先前设定的张力值对比，按照一定的控制策略进行数据的处理，输出控制信号，然后再驱动执行部件，使被控对象张力达到设定值。所谓直接张力控制就是闭环控制，控制精度高，系统运行平稳，能显著提高产品的质量，是它的特点，因此得到了广泛的应用。

　　2.间接张力控制

　　间接张力控制就是不检测卷取张力的大小，只是对张力主要扰动量进行补偿，间接的达到控制卷取张力恒定的目的。张力的扰动分析:张力主要是通过两个传动单元之间的线速度差而形成的，卷取过程是一个动态的时变过程。根据传动结构图中受力关系，建立动态平衡方程。

(2)

　　式中:M-----电动机电磁转矩;

　　M机---电动机及传动机构空载转矩和摩擦转矩;

　　M动态-—动态力矩;

　　i—变速比;

　　D—卷纸缸直径。

(3)

　　由式(2) , (3)可得出:

(4)

　　从上述分析，由于i和D为常数，当采用恒转矩控制M为定值得时候，公式(4)具有自衡特性。假定卷纸机前一分部压光机的速度不变，当卷纸机稳定运行的时候，M动态 =0，张力T保持恒定;当实际张力T减小时，由于机械摩擦转矩M机电磁转矩M为定值时，则M动态>0，使卷纸机加速，从而使张力T增大;同样，当实际张力T增大时，则M动态 <0，使卷纸机减速，从而使张力T减小。这样就构成了基于负反馈的张力闭环控制，如图3所示，使张力保持稳定。

　　实际上，卷纸机因动平衡、机械安装精度、纸卷直径的变化等因素会造成转矩、转速的不同程度的变动，而且卷纸机前一分部压光机的速度:也不是一个定值，这些因素都就直接影响间接张力控制的效果，尤其是卷纸机的动平衡对转矩的影响是最为明显的。如果能把这些因素限定在一个较小的范围之内，间接张力控制方案虽达不到直接张力控制的效果，但在成本上有明显的优势。在实际的工程针对现场的各种干扰因数，用改变执行机构的电气参数来间接控制张力。比如说通过卷材角速度、或测量卷径来间接控制张力。间接张力控制即开环控制，由于现场干扰因数较多，影响比较复杂，系统不可能对它们都作出动态补偿，所以控制精度不高应用上，可以忽略掉动态力矩波动的影响，认为恒张力卷取时，公式(4)右边的第三项即动态力矩为零，把M机也看作是常数，这样张力T就正比于电机的输出转矩M，恒张力控制就转化为恒转矩控制。

　　3.复合张力控制

　　它是将间接张力控制和直接张力控制结合在一起的控制方式。根据执行机构的不同，张力的控制方式还可以分为以下几种:

　　1.机械张力控制

　　通过机械装置保持被控对象表面线速度恒定，从而保持被控对象的张力恒定。

　　2.气动张力控制气动制动器与卷辊相连，根据卷材的直径变化，控制阀调节进入气动制动器的压缩空气压力，利用阻力的制动矩的变化控制张力。

　　3.电液张力控制

　　液压马达驱动卷辊，是根据卷材直径的变化，采用电液比例控制或电液伺服控制或二者相结合，从而调节液压马达转速来控制张力。

　　4.电机张力控制

　　根据电机的类型不同一般有直流电机控制、伺服电机控制和交流变频电机控制这些电机都是与卷辊相连。直流电机控制时，电机是被转动的状态，处于“发电”状态，这时电机实际产生的是阻力制动力矩，而不是驱动转矩。调节励磁电流即可实现电机的转速控制，通过速度差实现张力的控制，伺服电机控制时，电机驱动卷辊，调节励磁电流即可实现电机的转速控制，通过速度差实现张力控制交流变频电机控制是利用卷径或转速检测装置，通过变频器控制电机的转速，从而控制张力。交流电机结构简单可靠，并具有节能效果，因此交流电机调速在大张力控制领域运用最广泛

　　5.磁粉制动器(或离合器)张力控制

　　磁粉制动器与卷辊相连。通过改变励磁线圈中的电流来改变磁场的强度，使磁粉之间的剪切力发生变化来调节输出转矩，从而实现张力的控制。

　　2.6张力控制系统原理及控制方式

　　在卷筒过程中，纸卷的拉力是不断发生变化的，为保证纸带张力的恒定，必须使纸卷制动力能够根据纸带张力的波动情况自动地随机进行调整，所以，在纸卷放卷到纸带送入芯轴进行卷筒时，必须对纸带张力大小进行控制。从张力控制原理来讲，有开环和闭环两种控制方式:

　　1.开环式张力控制系统

　　所谓开环式张力控制系统，就是没有检测装置和反馈环节，或者只有检测装置而没有反馈环节的控制形式。比如卷径检测张力控制就是一个开环式张力控制系统。因为卷轴每转一圈，卷径减少两倍纸的厚度，该控制系统就用安装在卷轴处的接近开关、检测出卷轴的转速，并通过纸卷直径初始值和纸带厚度，累积计算求得纸卷当前的直径及相应卷径的变化，输出控制信号，以控制放卷制动转矩，从而调整纸带的张力。这种张力控制系统的精度较差。

　　2.闭环式张力控制系统

　　它是由张力传感器直接测定纸带的实际张力值，然后把实际张力值转换成张力信号反馈给张力控制器，通过此信号与张力控制器预先设定的张力值对比，进行PID运算，直接输出控制信号，自动控制执行机构，以使张力稳定。它是目前较为先进的张力控制方法。本次在该卷纸筒机上采用的就是闭环式张力控制系统。

　　如图2. 3所示。该张力控制系统整体可以分为三部分:a)张力检测器，b)张力控制器，c)执行机构一变频器。

　　张力检测器实时检测纸带的张力，张力控制器则将张力检测装置采集的信号与事先给定的控制指标进行对比，按照一定的控制策略进行数据处理，实时调整控制信号，再通过放大环节来控制执行机构完成对张力的调整。