1.本发明属于电磁抹拭及张力控制技术领域，具体涉及一种电磁抹拭工艺中钢丝张力与速度耦合控制方法及系统。
背景技术：
2.抹拭工艺是热镀锌生产线中的一项关键的工艺，传统的抹拭工艺已经难以满足高速生产的要求，而电磁抹拭技术是一种较新的抹拭方法，它利用高频感应电磁场在镀锌层表面感应形成的电磁力，通过电磁抹拭力将多余的液态镀锌层抹拭下去，从而达到抹拭的效果，具有控制筒单、精度高、镀锌层均匀、同心度好等优点。
3.镀锌过程中钢丝张力控制精度不高，各股钢丝张力缺乏一致性是导致电磁抹拭质量不合格主要原因之一。在热镀锌行业中张力是一个主要的影响参数，张力过大可能使钢丝撕裂或者过柔韧度下降影响产品质量，而过小则可能引起钢丝松弛导致跑偏，造成某根钢丝松散、褶皱，表面出现波浪甚至发生残余扭转。在钢丝镀锌过程中钢丝的放卷和收卷是两道关键的工序在此过程中由于卷筒的半径在随时变化不同半径时对张力的要求又不一样，这给钢丝在收放过程中的张力控制增添了很大的难度。若各股钢丝张力不一致，将会使得各股钢丝的伸长量不一致，不同钢丝将产生不同应力，在后续的使用过程中导致钢丝抹拭不均匀，最终表现为产品性能降低，甚至可能造成不可逆转的危害。所以，张力能否保持一致将对电磁抹拭成品质量水平产生直接影响，必须对加工环节内钢丝张力进行严格把控。
4.市场对超细钢丝质量要求的逐步提高，特别是一些新工艺的引进，对超细钢丝张力与速度控制提出了更高的要求。控制系统的稳定对超细钢丝质量有着至关重要的影响，张力和速度的波动和变化会严重影响其生产。
5.目前现有的相关技术有单相电磁抹拭技术、三相感应电磁抹拭技术以及间接开环控制等。单相感应电磁抹拭技术是通过单相交变磁场感应产生电磁抹拭力的电磁抹拭技术。一般采用纵向磁通电磁抹拭方案，感应线圈平面垂直于镀锌钢丝的移动方向，在感应线圈中通入交变电流，感应磁场主磁通方向平行于镀锌钢件移动方向，通过产生的电磁力，能够快速有效地将表面的锌液抹拭下来，并有力的挤压表面的镀锌层，将多余的锌液抹拭下去，使镀锌层较薄。但由于感应线圈产生的主磁通方向沿着切向方向，切向方向的磁场强度要大于法向方向，因此由法向电磁力占据主导，切向电磁力相对于比较小可能导致表面不够均匀光滑。单相感应电磁抹拭技术产生的电磁力较小，抹拭效果不够理想，达不到生产要求。通过三相交变磁场感应产生电磁抹拭力，形成新型热镀锌钢丝电磁抹拭技术。与单相感应电磁抹拭技术不同的是，三相交变磁场可以在空间合成形成一个行波磁场，从而产生电磁力，类似于直线感应电机的工作原理。但其未对钢丝张力控制，钢丝过紧可能影响其韧性甚至拉断，过松可能使钢丝松弛导致抹拭不匀。间接开环张力控制不需要张力传感器，通过控制电机的电枢电流来间接控制系统的卷绕速度进而达到对张力的控制。并且随着收放卷辊半径的变化通过计算电磁转矩来维持张力的恒定。通过这种间接开环张力控制虽然控制
24.式中，τ表示选择滑模控制滑模面，c表示比例系数，ev表示速度误差，y
1ref
为给定速度，y1表示收卷辊的线速度。
25.优选地，所述张力控制器包括：
[0026][0027]
式中，p、i为参数，r0表示收卷辊的半径，s表示拉式变换。
[0028]
优选地，所述控制结果包括：
[0029]
u1＝u
1a
u
1s
[0030]
u0＝u
0a
u
0s
r
[0031]
式中，u1、u0分别作用于收卷辊和放卷辊的伺服电机，u
ia
为系统模型补偿项，u
1s
表示速度控制器的输出，u
0s
表示张力控制器的输出，r表示张力的扰动补偿。
[0032]
本发明还提供一种电磁抹拭工艺中钢丝张力与速度耦合控制系统，包括：构建模块与解耦模块；
[0033]
所述构建模块用于采集电磁抹拭装置的系统参数，并基于所述系统参数构建系统模型；
[0034]
所述解耦模块与所述构建模块连接，用于对所述系统模型进行解耦，基于解耦后的所述系统模型设计控制器，基于所述控制器得到控制结果，所述控制结果作用于电磁抹拭装置。
[0035]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0036]
本发明通过设计了一种用于卷绕系统的速度控制器来对工艺中收卷辊的运行速度进行控制，保证了模式后镀层的质量。本发明还设计了一种张力控制器，设计了一个扰动补偿器来克服收卷辊带来的影响，解决了电磁抹拭过程中钢丝过松或过紧的问题。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明三相感应电磁抹拭原理示意图；
[0039]
图2为本发明电磁抹拭镀锌工艺中卷绕系统结构示意图；
[0040]
图3为本发明实施例电磁抹拭张力与速度控制框图；
[0041]
图4为本发明实施例数据采集示意图；
[0042]
图5为本发明实施例整体控制框图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0045]
实施例一
[0046]
本实施例提供一种电磁抹拭工艺中钢丝张力与速度耦合控制方法，包括以下步骤：
[0047]
s1、采集电磁抹拭装置的系统参数，并基于所述系统参数构建系统模型；
[0048]
s2、对系统模型进行解耦，基于解耦后的系统模型设计控制器，基于控制器得到控制结果，控制结果作用于电磁抹拭装置。
[0049]
系统参数包括：收卷辊和放卷辊的线速度、钢丝的杨氏模量、钢丝的横截面积、收卷辊和放卷辊的半径、收卷辊和放卷辊的角速度、镀锌前后钢丝的直径和伺服电机的电磁转矩等。数据采集如图4所示。
[0050]
本实施例中，控制器包括：速度控制器和张力控制器。
[0051]
具体的：首先，对将三相感应电磁技术应用于电磁抹拭中的新型电磁抹拭装置进行说明：
[0052]
如图1所示，为三相感应磁抹拭原理图，a相超前于b相120
°
，b相超前于c相120
°
，各相线圈采用纵向磁通结构方式。当钢丝表面粘上液锌垂直向上进入到抹拭头线圈位置时，线圈中通入的三相交变电流由于a、b、c相序的关系，三相合成行波磁场的传播方向垂直向下，与钢丝移动方向相反。一方面，对于单相交变磁场，能够通过感应出的交变电流在镀锌层上形成斜向下的电磁力；另一方面，对于三相合成行波磁场，在镀锌层上感应产生与行波磁场方向相同的电磁力。在两者合成的强大电磁力作用下，阻止液态镀锌层向上移动，克服镀锌层之间的粘附力，将多余的锌液抹拭下去，达到抹拭的效果。
[0053]
电磁抹拭镀锌工艺中卷绕系统示意图如图2所示。钢丝从锌池带着锌液以速度往上方移动，在经过基于三相感应技术的新型电磁抹拭装置时，由三相交变电流合成的行波磁场产生与钢丝行进方向相反的电磁力来对钢丝上的锌液进行抹拭，假设这个磁场为稳定均匀的磁场。根据麦克斯韦-法拉第方程和安培定律得知，该稳定磁场对产生一个稳定的洛伦兹力，记该力为f
l
，方向与钢丝行进方向相反，大小恒定。电磁抹拭镀锌工艺中卷绕系统由收卷辊、放卷辊组成。钢丝从放卷辊出发，经过锌池和三相感应电磁抹拭装置，最终由收卷辊收取。其中l表示长度，与张力的计算相关。
[0054]
张力t的计算公式如下：
[0055][0056]
vi(t)＝ri(t)ωi(t),i＝0,1
[0057]
式中，v1(t)、v0(t)分别表示收卷辊和放卷辊的线速度，e表示钢丝的杨氏模量，s表示钢丝的横截面积，r1(t)、r0(t)分别表示收卷辊和放卷辊的半径，ω1(t)、ω0(t)分别表示收卷辊和放卷辊的角速度。其中，ri(t)，i＝0,1会随着时间变化而变化，其公式为：
[0058][0059]
式中，分别表示收卷辊半径和放卷辊半径导数，δ0和δ1分别表示镀锌前后钢
丝的直径，本实施例中，忽略镀层带来的影响，将镀锌前后钢丝直径统一为δ。
[0060]
对于角速度，其公式如下：
[0061][0062]
式中，ji(t)表示转动惯量，会随着半径的变化而变化；mi(t)表示第i个伺服电机的电磁转矩，是可控变量；ms(t)表示摩擦扭矩；m
t
(t)表示张力扭矩；m
fl
表示电磁抹拭环节带来的扭矩。
[0063]
其中，
[0064]mt
(t)＝t(t)ri(t)(5)
[0065]
式中，βi为等效摩擦阻尼系数。
[0066]
本实施例中，收卷辊的速度选取钢丝的行进速度v。结合公式(1)-(5)可以看出，张力t与钢丝行进速度v相互耦合，并且半径、角速度等变量会随着时间变化而变化，由此可知，系统是时变、非线性耦合系统。控制变量为收卷辊和放卷辊的电机电磁转矩，被控变量为张力和钢丝行进速度，控制目标是保证张力与速度的恒定，本实施例中，忽略转动惯量带来的影响。
[0067]
由上述内容得到如下系统模型：
[0068][0069][0070][0071][0072][0073]
式中，j0、j1表示转动惯量，ki,i＝0,1表示电机力矩常数，ui,i＝0,1表示控制器输入，k表示等效弹簧常数，r0、r1分别表示收卷辊和放卷辊的半径，ω0、ω1分别表示收卷辊和放卷辊的角速度，δ表示钢丝的直径，t表示张力，βi表示等效摩擦阻尼系数，f
l
表示洛伦兹力，分别表示收卷辊和放卷辊的角加速度，分别表示收卷辊半径和放卷辊半径的导数，表示张力的导数。在系统模型中，如上述，忽略转动惯量以及钢丝直径的变化。
[0074]
输出方程为：
[0075][0076]
式中，y1、y2分别表示收卷辊速度和钢丝张力。
[0077]
考虑到收卷辊的角速度受到张力、半径的影响，设计控制器输入为：ui＝u
ia
u
is
。其中u
ia
为系统补偿项，用于消除t,ri,f
l
等带来的影响，u
ia
包括：
[0078][0079]
此时，解耦后的系统模型变为下式：
[0080][0081][0082][0083][0084][0085]
从被控变量来看，输出y1由u
1s
控制；输出y2受到u
1s
和u
0s
影响。若将式(9)中的第5式中kr1ω1视作干扰，那么输出y2由u
0s
控制。对于张力控制，由于非线性，难以将干扰去除，做出如下近似；由于钢丝直径不大，在短时间内认为卷辊的半径不变，此时式(9)张力控制部分式子改为如下形式：
[0086][0087][0088][0089]
式中，r表示扰动，k'表示比例系数。为了去除扰动补偿，设计扰动补偿如下：
[0090][0091]
由于此时的扰动补偿是物理不可实现的，对其做二阶近似处理，结果如下：
[0092][0093]
整个控制系统框图如图3、图5所示。
[0094]
根据实际生产情况，对于收卷辊和放卷辊的角速度和线速度均可采集，结合式(1)，可以求解相应的半径。速度对于通过电磁抹拭环节的镀锌钢丝镀层厚度较大。当速度变化较大时，镀层厚度变化较大，控制系统需要更高的鲁棒性。对于张力控制而言，系统需要稳定到一个区间内。结合解耦后的模型，设计如下速度与张力控制器：
[0095]
对于速度控制器，设计滑模控制器，设计如下滑模面：
[0096][0097]
式中，τ表示模糊控制滑模面，c表示比例系数，ev表示速度误差，y
1ref
为给定速度，
y1表示收卷辊的线速度。
[0098]
此时，速度控制器的输出为：
[0099][0100]
式中，ε表示比例系数，sgn(τ)为：
[0101]
对于张力控制，被控对象的模型为：
[0102][0103]
设计pi控制器，考虑到公式(15)中的是r0时变参数，则设计的张力控制器为：
[0104][0105]
式中，p、i为参数，r0表示收卷辊的半径，s表示拉式变换。
[0106]
张力控制器的输出为：
[0107]u0s
(s)＝c(s)e
t
(s)(17)
[0108]
式中u
0s
(s)表示张力控制器输出的拉氏变换，e
t
(s)表示张力误差的拉氏变换。
[0109]
其中，p、i为参数，此时系统前向传播传递函数为：
[0110][0111]
此时系统为二阶系统，当时间趋向无穷大时，系统误差为0。
[0112]
最终得到的控制结果包括：
[0113]
u1＝u
1a
u
1s
[0114]
u0＝u
0a
u
0s
r
[0115]
式中，u1、u0分别作用于收卷辊和放卷辊的伺服电机，u
ia
为系统补偿项，u
1s
表示速度控制器的输出，u
0s
表示张力控制器的输出，r表示张力的扰动补偿。根据公式(12)求解。
[0116]
实施例二
[0117]
本实施例提供一种电磁抹拭工艺中钢丝张力与速度耦合控制系统，包括：构建模块与解耦模块；
[0118]
构建模块用于采集电磁抹拭装置的系统参数，并基于系统参数构建系统模型；解耦模块用于对系统模型进行解耦，基于解耦后的系统模型设计控制器，基于控制器得到控制结果，控制结果作用于电磁抹拭装置。
[0119]
本实施例中，系统参数包括：收卷辊和放卷辊的线速度、钢丝的杨氏模量、钢丝的横截面积、收卷辊和放卷辊的半径、收卷辊和放卷辊的角速度、镀锌前后钢丝的直径和伺服电机的电磁转矩等。控制器包括：速度控制器和张力控制器。
[0120]
首先，对将三相感应电磁技术应用于电磁抹拭中的新型电磁抹拭装置进行说明：
[0121]
如图1所示，为三相感应磁抹拭原理图，a相超前于b相120
°
，b相超前于c相120
°
，各相线圈采用纵向磁通结构方式。当钢丝表面粘上液锌垂直向上进入到抹拭头线圈位置时，线圈中通入的三相交变电流由于a、b、c相序的关系，三相合成行波磁场的传播方向垂直向下，与钢丝移动方向相反。一方面，对于单相交变磁场，能够通过感应出的交变电流在镀锌层上形成斜向下的电磁力；另一方面，对于三相合成行波磁场，在镀锌层上感应产生与行波磁场方向相同的电磁力。在两者合成的强大电磁力作用下，阻止液态镀锌层向上移动，克服镀锌层之间的粘附力，将多余的锌液抹拭下去，达到抹拭的效果。
[0122]
电磁抹拭镀锌工艺中卷绕系统示意图如图2所示。钢丝从锌池带着锌液以速度往上方移动，在经过基于三相感应技术的新型电磁抹拭装置时，由三相交变电流合成的行波磁场产生与钢丝行进方向相反的电磁力来对钢丝上的锌液进行抹拭，假设这个磁场为稳定均匀的磁场。根据麦克斯韦-法拉第方程和安培定律得知，该稳定磁场对产生一个稳定的洛伦兹力，记该力为f
l
，方向与钢丝行进方向相反，大小恒定。电磁抹拭镀锌工艺中卷绕系统由收卷辊、放卷辊组成。钢丝从放卷辊出发，经过锌池和三相感应电磁抹拭装置，最终由收卷辊收取。其中l表示长度，与张力的计算相关。
[0123]
张力t的计算公式如下：
[0124][0125]
vi(t)＝ri(t)ωi(t),i＝0,1
[0126]
式中，v1(t)、v0(t)分别表示收卷辊和放卷辊的线速度，e表示钢丝的杨氏模量，s表示钢丝的横截面积，r1(t)、r0(t)分别表示收卷辊和放卷辊的半径，ω1(t)、ω0(t)分别表示收卷辊和放卷辊的角速度。其中，ri(t)，i＝0,1会随着时间变化而变化，其公式为：
[0127][0128]
式中，δ0和δ1分别表示镀锌前后钢丝的直径，本实施例中，忽略镀层带来的影响，将镀锌前后钢丝直径统一为δ。
[0129]
对于角速度，其公式如下：
[0130][0131]
式中，ji(t)表示转动惯量，会随着半径的变化而变化；mi(t)表示第i个伺服电机的电磁转矩，是可控变量；ms(t)表示摩擦扭矩；m
t
(t)表示张力扭矩；m
fl
表示电磁抹拭环节带来的扭矩。
[0132]
其中，
[0133]mt
(t)＝t(t)ri(t) (23)
[0134]
式中，βi为等效摩擦阻尼系数。
[0135]
本实施例中，收卷辊的速度选取钢丝的行进速度v。结合公式(19)-(23)可以看出，
张力t与钢丝行进速度v相互耦合，并且半径、角速度等变量会随着时间变化而变化，由此可知，系统是时变、非线性耦合系统。控制变量为收卷辊和放卷辊的电机电磁转矩，被控变量为张力和钢丝行进速度，控制目标是保证张力与速度的恒定，本实施例中，忽略转动惯量带来的影响。
[0136]
由上述内容得到如下系统模型：
[0137][0138][0139][0140][0141][0142]
式中，j0、j1表示转动惯量，ki,i＝0,1表示电机力矩常数，ui,i＝0,1表示控制器输入，k表示等效弹簧常数，r0、r1分别表示收卷辊和放卷辊的半径，ω0、ω1分别表示收卷辊和放卷辊的角速度，δ表示钢丝的直径，t表示张力，βi表示等效摩擦阻尼系数，f
l
表示洛伦兹力，分别表示收卷辊和放卷辊的角加速度，分别表示收卷辊半径和放卷辊半径的导数，表示张力的导数。在系统模型中，如上述，忽略转动惯量以及钢丝直径的变化。
[0143]
输出方程为：
[0144][0145]
式中，y1、y2分别表示收卷辊速度和钢丝张力。
[0146]
考虑到收卷辊的角速度受到张力、半径的影响，设计控制器输入为：ui＝u
ia
u
is
。其中u
ia
为系统模型补偿项，用于消除t,ri,f
l
等带来的影响，u
ia
包括：
[0147][0148]
此时，系统模型变为下式：
[0149][0150][0151][0152][0153][0154]
从被控变量来看，输出y1由u
1s
控制；输出y2受到u
1s
和u
0s
影响。若将式(27)中的第5
式中kr1ω1视作干扰，那么输出y2由u
0s
控制。对于张力控制，由于非线性，难以将干扰去除，做出如下近似；由于钢丝直径不大，在短时间内认为卷辊的半径不变，此时式(27)张力控制部分式子改为如下形式：
[0155][0156][0157]k′
＝kr0[0158]
式中，r表示扰动。为了去除扰动补偿，设计扰动补偿如下：
[0159][0160]
由于此时的扰动补偿是物理不可实现的，对其做二阶近似处理，结果如下：
[0161][0162]
根据实际生产情况，对于收卷辊和放卷辊的角速度和线速度均可采集，结合式(19)，可以求解相应的半径。速度对于通过电磁抹拭环节的镀锌钢丝镀层厚度较大。当速度变化较大时，镀层厚度变化较大，控制系统需要更高的鲁棒性。对于张力控制而言，系统需要稳定到一个区间内。结合解耦后的模型，设计如下速度与张力控制器：
[0163]
对于速度控制器，设计滑模控制器，设计如下滑模面：
[0164][0165]
式中，τ表示模糊控制滑模面，c表示比例系数，ev表示速度误差，y
1ref
为给定速度，y1表示收卷辊的线速度。
[0166]
此时，速度控制器的输出为：
[0167][0168]
式中，ε表示比例系数，sgn(τ)为：
[0169]
对于张力控制，被控对象的模型为：
[0170][0171]
设计pi控制器，考虑到公式(16)中的是r0时变参数，则设计的张力控制器为：
[0172]
[0173]
式中，p、i为参数，r0表示收卷辊的半径，s表示拉式变换。
[0174]
张力控制器的输出为：
[0175]u0s
(s)＝c(s)e
t
(s)(35)
[0176]
式中u
0s
(s)表示张力控制器输出的拉氏变换，e
t
(s)表示张力误差的拉氏变换。
[0177]
其中，p、i为参数，此时系统前向传播传递函数为：
[0178][0179]
此时系统为二阶系统，当时间趋向无穷大时，系统误差为0。
[0180]
最终得到的控制结果包括：
[0181]
u1＝u
1a
u
1s
[0182]
u0＝u
0a
u
0s
r
[0183]
式中，u1、u0分别作用于收卷辊和放卷辊的伺服电机，u
ia
为系统模型补偿项，u
1s
表示速度控制器的输出，u
0s
表示张力控制器的输出，r表示张力的扰动补偿。根据公式(30)求解。
[0184]
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。