CN109071140B - 退绕机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

提供不对退绕机的直径进行测定，而能够将作用于片材的张力保持为一定的退绕机的控制装置。退绕机的控制装置具备：PI控制器，在具备对片材进行卷回的退绕机和对片材进行收卷的卷绕机的卷绕机设备中，受理所述退绕机的张力基准值和张力响应值的偏差的输入，通过对该偏差进行PI控制来算出所述退绕机的转矩基准值的候选；以及模型控制器，受理所述退绕机的张力基准值和张力响应值的偏差的输入，在具有与被卷在所述退绕机上的片材的偏心所导致的周期性干扰的频率对应的共振频率的正弦波传递函数中算出以该偏差为输入的补偿值，对由所述PI控制器算出的所述退绕机的转矩基准值的候选加上该补偿值从而设为所述退绕机的转矩基准值。

Description

退绕机的控制装置
技术领域
本发明涉及退绕机(unwinder)的控制装置。
背景技术
专利文献1公开退绕机的控制装置。根据该控制装置，能关于退绕机的直径基于实际测量值而将作用于片材的张力保持为一定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-245029号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1中记载的控制装置中，需要对退绕机的直径进行测定。
本发明是为了解决上述的课题而完成的。本发明的目的是，提供不对退绕机的直径进行测定，而能够将作用于片材的张力保持为一定的退绕机的控制装置。
用于解决课题的手段
本发明所涉及的退绕机的控制装置具备：PI(比例积分)控制器，在具备对片材进行卷回的退绕机和对片材进行收卷的卷绕机(winder)的卷绕机设备中，受理所述退绕机的张力基准值和张力响应值的偏差的输入，通过对该偏差进行PI控制来算出所述退绕机的转矩基准值的候选；以及模型控制器，受理所述退绕机的张力基准值和张力响应值的偏差的输入，在具有与被卷在所述退绕机上的片材的偏心导致的周期性干扰的频率对应的共振频率的正弦波传递函数中算出以该偏差为输入的补偿值，对由所述PI控制器算出的所述退绕机的转矩基准值的候选加上该补偿值从而设为所述退绕机的转矩基准值。
发明效果
根据本发明，退绕机的转矩基准值通过对由PI控制器算出的退绕机1的转矩基准值的候选加上补偿值来算出。因此，能够不对退绕机的直径进行测定，而将作用于片材的张力保持为一定。
附图说明
图1是应用本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置的卷绕机设备的结构图。
图2是应用本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置的卷绕机设备的退绕机的偏心的模型图。
图3是用于说明由本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置进行的退绕机的张力控制的框图。
图4是表示由本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置进行的张力控制的有效性的模拟结果的图。
图5是本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置的传递函数的伯德(Bode)线图。
图6是用于说明本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置的动作的概要的流程图。
图7是本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置的硬件结构图。
图8是用于说明由本发明的实施方式二中的退绕机的控制装置进行的张力控制的框图。
图9是用于说明由本发明的实施方式二中的退绕机的控制装置进行的调整参数的决定方法的图。
图10是用于说明由本发明的实施方式二中的退绕机的控制装置进行的干扰的周期的计测方法的图。
具体实施方式
按照附图说明用于实施本发明的方式。另外，在各图中，对同一或相当的部分赋予同一标号。适当地简化或省略该部分的重复说明。
实施方式一.
图1是应用本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置的卷绕机设备的结构图。
在图1中，退绕机1被设置在卷绕机设备的最上游。中间辊2被设置在退绕机1的下游侧。切割机(slitter)3被设置在中间辊2的下游侧。卷绕机4被设置在切割机3的下游侧。
张力计5被设置在切割机3和卷绕机4之间。
退绕机驱动用电机6与退绕机1对应而设置。中间辊驱动用电机7与中间辊2对应而设置。切割机驱动用电机8与切割机3对应而设置。卷绕机驱动用电机9与卷绕机4对应而设置。
退绕机驱动用驱动装置10与退绕机1对应而设置。中间辊驱动用驱动装置11与中间辊2对应而设置。切割机驱动用驱动装置12与切割机3对应而设置。卷绕机驱动用驱动装置13与卷绕机4对应而设置。
控制装置14的输入部与张力计5的输出部连接。控制装置14的输入部与退绕机驱动用驱动装置10的输出部连接。控制装置14的输出部与退绕机驱动用驱动装置10的输入部连接。控制装置14的输出部与中间辊驱动用驱动装置11的输入部连接。控制装置14的输出部与切割机驱动用驱动装置12的输入部连接。控制装置14的输出部与卷绕机驱动用驱动装置13的输入部连接。
在卷绕机设备中，片材15作为母收卷产品而被卷在退绕机1上。例如，片材15是纸。例如，片材15是金属。例如，片材15是膜。在母收卷产品中，片材15的外径大。片材15的宽度宽。片材15重。片材15从退绕机1被卷回。片材15经由中间辊2在切割机3中被剪裁为预先设定的收卷宽度。片材15以成为预先设定的外径的方式被收卷至卷绕机4。其结果是，小型的收卷产品被制造。
张力计5检测作用于片材15的张力。
控制装置14从张力计5受理片材15的张力响应值Tres(MPa)的输入。控制装置14从退绕机驱动用电机6受理退绕机1的旋转速度响应值ωuw res(rad/s)的输入。
控制装置14对退绕机驱动用驱动装置10输出退绕机1的转矩基准值τuw ref(N·m)。退绕机驱动用驱动装置10基于转矩基准值τuw ref(N·m)对退绕机驱动用电机6的旋转速度进行控制。
控制装置14对中间辊驱动用驱动装置11输出中间辊2的旋转速度基准值ωint ref(rad/s)。中间辊驱动用驱动装置11基于旋转速度基准值ωint ref(rad/s)对中间辊驱动用电机7的旋转速度进行控制。
控制装置14对切割机驱动用驱动装置12输出切割机3的旋转速度基准值ωsl ref(rad/s)。切割机驱动用驱动装置12基于旋转速度基准值ωsl ref(rad/s)对切割机驱动用电机8的旋转速度进行控制。
控制装置14对卷绕机驱动用驱动装置13输出卷绕机4的旋转速度基准值ωw ref(rad/s)。卷绕机驱动用驱动装置13基于旋转速度基准值ωw ref(rad/s)对卷绕机驱动用电机9的旋转速度进行控制。
接着，使用图2说明作用于退绕机1的干扰转矩。
图2是应用本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置的卷绕机设备的退绕机的偏心的模型图。图2的横轴是与退绕机1的旋转轴正交的x轴。图2的纵轴是与退绕机1的旋转轴和x轴正交的y轴。
在图2中，A是退绕机驱动用电机6的转矩。A的单位是N·m。B是负载转矩。B的单位是N·m。θ是与偏心后的退绕机1的重心的位置对应的角度。θ的单位是rad/s。rd是相对于偏心后的退绕机1的重心的位置的轨迹的退绕机1的半径。rd的单位是mm。m是退绕机1的质量。m的单位是kg。g是重力加速度。g的单位是N/kg。
片材15在被卷在退绕机1上之前临时地被保管。例如，片材15以被卷在卷芯的状态被保管。卷芯被架设在保管架台上。此时，由于片材15的重力，片材15的中央部垂下。其结果是，片材15偏心。退绕机1由于偏心后的片材15而受到周期性干扰转矩τdis(N·m)的影响。周期性干扰转矩τdis(N·m)以下面的(1)式来表示。
【数学式1】
τdis＝-mgrdsinθ＝-mgrdsinωuw rest (1)
接着，使用图3说明由控制装置14进行的退绕机1的张力控制。
图3是用于说明由本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置进行的退绕机的张力控制的框图。在图3中，正方向被设定为与卷绕机4对片材15的收卷方向相反的方向。
如图3所示，控制装置14具备PI控制器14a和模型控制器14b。
PI控制器14a受理退绕机1的张力基准值Tref(Mpa)和张力响应值Tres(Mpa)的偏差的输入。PI控制器14a通过对该偏差进行PI(比例积分)控制来算出退绕机1的转矩基准值τuw ref(N·m)的候选。PI控制器14a的传递函数以下面的(2)式来表示。
【数学式2】
Figure GDA0002274713010000051
其中，Kp是比例增益。KI是积分增益。s是拉普拉斯运算符。
模型控制器14b相对于PI控制器14a并列地被应用。模型控制器14b受理退绕机1的张力基准值Tref(Mpa)和张力响应值Tres(Mpa)的偏差的输入。模型控制器14b在具有与被卷在退绕机1上的线圈的偏心导致的周期性干扰转矩τdis(N·m)的频率对应的共振频率的正弦波传递函数中算出以该偏差为输入的补偿值。模型控制器14b的传递函数以cos函数的拉普拉斯变换式来表示。具体而言，模型控制器14b的传递函数以下面的(3)式来表示。
【数学式3】
Figure GDA0002274713010000052
其中，Ks是比例增益。s是拉普拉斯运算符。
模型控制器14b通过对由PI控制器14a算出的转矩基准值τuw ref(N·m)的候选加上该补偿值，设为退绕机1的转矩基准值τuw ref(N·m)。此时，共振频率按每次采样被更新。
退绕机驱动用驱动装置10基于转矩基准值τuw ref(N·m)进行电流控制。其结果是，得到Q轴电流响应值Iq res(A)。
退绕机驱动用电机6基于Q轴电流响应值Iq res(A)而旋转。其结果是，得到转矩响应值τuw res(N·m)。转矩响应值τuw res(N·M)基于退绕机驱动用电机6的d轴磁通量φd(Wb)来决定。
此时，周期性干扰转矩τdis(N·m)被加到转矩响应值τuw res(N·M)。其结果是，得到实际的旋转速度响应值ωuw res(rad/s)。实际的旋转速度响应值ωuw res(rad/s)由转矩响应值τuw res(N·M)、干扰转矩τdis(N·m)、退绕机1的惯性力矩Juw(kgm2)和拉普拉斯运算符s来决定。
退绕机1的张力响应值Tres(Mpa)与对卷绕机4的旋转速度响应值ωw res(rad/s)和退绕机1的旋转速度响应值ωuw res(rad/s)的差分进行时间积分而得到的值成比例。具体而言，张力响应值Tres(MPa)以下面的(4)式来表示。
【数学式4】
Figure GDA0002274713010000061
其中，E是片材15的杨氏模量。E的单位是MPa。L是退绕机1和卷绕机4的距离。L的单位是mm。vw res是卷绕机4的周速响应值。vw res的单位是mm/s。vuw res是退绕机1的周速响应值。vuw res的单位是mm/s。Rw是卷绕机4的半径。Rw的单位是mm。Ruw是退绕机1的半径。Ruw的单位是mm。
此时，周期性干扰转矩τdis(N·m)可能使旋转速度响应值ωuw res(rad/s)变动。其结果是，张力响应值Tres(MPa)可能变动。
但是，转矩基准值τuw ref(N·m)被用与对应于周期性干扰转矩τdis(N·m)的频率的共振频率对应的补偿值补偿。因此，张力响应值Tres(MPa)的变动被抑制。
接着，使用图4说明由控制装置14进行的张力控制的有效性。
图4是表示由本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置进行的张力控制的有效性的模拟结果的图。图4的横轴是时间(s)。图4的上部的纵轴是线速度(mpm)。图4的下部的纵轴是张力响应值(MPa)。
如图4的上部所示，线速度从0mpm被加速到1200mpm。
在不应用模型控制器14b的情况下，张力响应值受到退绕机1的偏心的影响。其结果是，张力响应值变动。此时，周期性干扰的频率成为与退绕机1的旋转速度对应的频率。因此，随着线速度上升，张力响应值的变动的频率也变高。
相对于此，在应用模型控制器14b的情况下，模型控制器14b的增益在周期性干扰的频率中成为无限大。此时，在周期性干扰的频率中，抑制干扰的性能提高。因此，张力响应值难以受到退绕机1的偏心的影响。其结果是，张力响应值的变动被抑制。
接着，使用图5说明控制装置14的增益。
图5是本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置的传递函数的伯德线图。图5的横轴是退绕机1的旋转速度。图5的上部的纵轴是增益(dB)。
图5的下部的纵轴是退绕机1的相位(deg)。在图5中，共振频率被设定为20rad/s。
如图5的上部所示，增益在与共振频率对应的转速即20rad/s中成为无限大。
接着，使用图6说明控制装置14的动作的概要。
图6是用于说明本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置的动作的概要的流程图。
在步骤S1中，控制装置14判定是否受理了退绕机1的张力基准值和张力响应值的输入。在控制装置14没有受理退绕机1的张力基准值和张力响应值的输入的情况下，控制装置14反复进行步骤S1的动作。在控制装置14受理了退绕机1的张力基准值和张力响应值的输入的情况下，控制装置14进行步骤S2的动作。
在步骤S2中，控制装置14通过对退绕机1的张力基准值和张力响应值的偏差进行PI控制来算出退绕机1的转矩基准值的候选。其后，控制装置14进行步骤S3的动作。
在步骤S3中，控制装置14在具有与被卷在退绕机1上的片材15的偏心导致的周期性干扰转矩的频率对应的共振频率的正弦波传递函数中算出以该偏差为输入的补偿值。其后，控制装置14进行步骤S4的动作。
在步骤S4中，控制装置14通过对由PI控制器14a算出的退绕机1的转矩基准值的候选加上该补偿值，设为退绕机1的转矩基准值。其后，控制装置14结束动作。
根据在以上说明的实施方式一，退绕机1的转矩基准值通过对由PI控制器14a算出的退绕机1的转矩基准值的候选加上补偿值来算出。因此，能够将作用于片材15的张力保持为一定。
接着，使用图7说明控制装置14的例子。
图7是本发明的实施方式一中的退绕机的控制装置的硬件结构图。
控制装置14的各功能能通过处理电路来实现。例如，处理电路具备至少一个处理器16a和至少一个存储器16b。例如，处理电路具备至少一个专用的硬件17。
在处理电路具备至少一个处理器16a和至少一个存储器16b的情况下，控制装置14的各功能通过软件、固件、或软件和固件的组合来实现。软件及固件的至少一方作为程序而被记述。软件及固件的至少一方被储存至至少一个存储器16b。至少一个处理器16a通过读出并执行在至少一个存储器16b中存储的程序，实现控制装置14的各功能。至少一个处理器16a也称为CPU(中央处理单元(Central Processing Unit))、中央处理装置、处理装置、运算装置、微处理器、微型计算机、DSP。例如，至少一个存储器16b是RAM、ROM、闪速存储器、EPROM、EEPROM等非易失性或易失性的半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、CD、迷你盘、DVD等。
在处理电路具备至少一个专用的硬件17的情况下，处理电路例如通过单一电路、复合电路、编程后的处理器、并行编程后的处理器、ASIC、FPGA、或它们的组合来实现。例如，控制装置14的各功能分别通过处理电路来实现。例如，控制装置14的各功能一并通过处理电路来实现。
关于控制装置14的各功能，也可以将一部分通过专用的硬件17来实现，将其他部分通过软件或固件来实现。例如，也可以是关于PI控制器14a的功能通过作为专用的硬件17的处理电路来实现，关于PI控制器14a以外的功能通过至少一个处理器16a读出并执行在至少一个存储器16b中储存的程序来实现。
这样，处理电路通过硬件17、软件、固件、或它们的组合来实现控制装置14的各功能。
实施方式二.
图8是用于说明由本发明的实施方式二中的退绕机的控制装置进行的张力控制的框图。另外，对与实施方式一同一或相当部分赋予同一标号。省略该部分的说明。
实施方式二的模型控制器14b具备调整参数α。实施方式二的模型控制器14b的传递函数以下面的(5)式来表示。
【数学式5】
Figure GDA0002274713010000091
接着，使用图9说明调整参数α的决定方法。
图9是用于说明由本发明的实施方式二中的退绕机的控制装置进行的调整参数的决定方法的图。
如图9所示，控制装置14具备调整参数决定器14c。调整参数决定器14c按干扰的每个周期Tdis(s)算出与干扰的频率对应的旋转速度估计值ωdis est(rad/s)。旋转速度估计值ωdis est(rad/s)以下面的(6)式来表示。
【数学式6】
Figure GDA0002274713010000092
其中，fdis是干扰的频率。fdis的单位是1/s。
调整参数决定器14c基于旋转速度估计值ωdis est(rad/s)和旋转速度响应值ωuw res(rad/s)的比较结果，按干扰的每个周期Tdis(s)更新调整参数α，以使模型控制器14b的共振频率与干扰的频率一致。调整参数α以下面的(7)式来表示。
【数学式7】
Figure GDA0002274713010000093
接着，使用图10说明干扰的周期Tdis(s)的计测。
图10是用于说明由本发明的实施方式二中的退绕机的控制装置进行的干扰的周期的计测方法的图。图10的横轴是时间(s)。图10的纵轴是来自张力计5的张力响应值(pu)或来自检测退绕机驱动用电机6的旋转速度的速度计的旋转速度响应值(pu)。
在图10中，T1、T2、T3是来自张力计5的张力响应值(pu)或来自速度计的旋转速度响应值(pu)中的邻接的峰的周期。
调整参数决定器14c计测来自张力计5的张力响应值(pu)或来自速度计的旋转速度响应值(pu)中的邻接的峰的周期作为干扰的周期Tdis(s)。在来自张力计5的张力响应值(pu)或来自速度计的旋转速度响应值(pu)上重叠了噪声的情况下，对恰当的时间常数通过低通滤波器抑制噪声。其后，调整参数决定器14c计测来自张力计5的张力响应值(pu)或来自速度计的旋转速度响应值(pu)中的邻接的峰的周期作为干扰的周期Tdis(s)。
根据在以上说明的实施方式二，模型控制器14b的共振频率通过调整参数α被调整。因此，能够将作用于片材15的张力更切实地保持为一定。
此外，调整参数α基于来自张力计5的张力响应值(pu)或来自速度计的旋转速度响应值(pu)而实时地被调整。因此，能够对调整参数α容易地进行调整。
工业实用性
以上那样，本发明所涉及的退绕机的控制装置能够利用于将作用于片材的张力保持为一定的***。
标号说明：
1退绕机，2中间辊，3切割机，4卷绕机，5张力计，6退绕机驱动用电机，7中间辊驱动用电机，8切割机驱动用电机，9卷绕机驱动用电机，10退绕机驱动用驱动装置，11中间辊驱动用驱动装置，12切割机驱动用驱动装置，13卷绕机驱动用驱动装置，14控制装置，14aPI控制器(比例积分控制器)，14b模型控制器，14c调整参数决定器，15片材，16a处理器，16b存储器，17硬件。

Claims (4)

1.一种退绕机的控制装置，具备：
PI控制器即比例积分控制器，在具备对片材进行卷回的退绕机和对片材进行收卷的卷绕机的卷绕机设备中，受理所述退绕机的张力基准值与张力响应值的偏差的输入，通过对该偏差进行PI控制即比例积分控制来算出所述退绕机的转矩基准值的候选；以及
模型控制器，受理所述退绕机的张力基准值与张力响应值的偏差的输入，在具有与被卷在所述退绕机上的片材的偏心所导致的周期性干扰的频率对应的共振频率的正弦波传递函数中算出以该偏差为输入的补偿值，对由所述PI控制器算出的所述退绕机的转矩基准值的候选加上该补偿值从而设为所述退绕机的转矩基准值。
2.如权利要求1所述的退绕机的控制装置，
所述模型控制器在所述正弦波传递函数中具备共振频率的调整参数，通过对该调整参数进行调整，使共振频率与周期性干扰的频率一致。
3.如权利要求2所述的退绕机的控制装置，
所述模型控制器通过基于来自张力计的张力响应值对该调整参数进行调整，使共振频率与周期性干扰的频率一致，所述张力计检测片材的张力。
4.如权利要求2所述的退绕机的控制装置，
所述模型控制器通过基于来自速度计的旋转速度响应值对该调整参数进行调整，使共振频率与周期性干扰的频率一致，所述速度计检测使所述退绕机旋转的退绕机驱动用电机的旋转速度。
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