PVC皮革印刷压花中的恒张力控制研究

胡娅楠，麦云飞，宋煜霄，苏文静

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

PVC皮革印刷压花中的恒张力控制研究

胡娅楠，麦云飞，宋煜霄，苏文静

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

针对PVC皮革印刷压花过程中工艺复杂，张力波动大，干扰因素多等问题，通过电子万能拉伸试验机获得了不同类型PVC皮革的拉伸变形曲线，得到了PVC皮革生产中恒张力的控制依据；并在此基础上建立了PVC皮革印刷压花控制系统的数学模型并进行仿真；运用Z-N法整定PID参数，得到一个较为稳定的控制系统。实验表明，基于PVC皮革印刷压花中恒张力控制范围依据，文中提出了一种恒张力的控制策略，使最终得到的控制系统各方面性能都有所提高，优化改善了PVC皮革印刷压花线的生产工艺。

PVC皮革；应力应变；PID；Z-N法；恒张力控制

PVC皮革具有高弹性、高强度、高耐磨性和高屈挠性等优良机械性能，被广泛应用于汽车内饰材料，主要有：汽车座椅表皮、仪表板、汽车顶棚等[1]。PVC皮革在印刷压花的过程中常常由于多轮系传动不同步，而导致生产线张力不稳定，如果不对张力进行严格控制，将直接影响PVC皮革印刷压花的产品质量，比如：花纹失真、门幅变窄、褶皱、走料不稳、跳动等问题[2-3]。PVC印刷压花生产线属于大型的传动设备，工程上通常采用间接的张力控制原理，即开环扰动的系统，根据现场实际张力与设定值之间的偏差来调节[4-6]，此种方法控制精度低，且PVC皮革在印刷压花过程中，各个传动轮不同步，卷径、速度、力矩随时都在变化，实际生产中企业又苦于没有精确的最佳恒定张力依据，很难实现张力的恒定。

本文通过电子万能拉伸试验机获得了皮革的拉伸变形曲线，获得了皮革的弹性阶段区域，为确定最佳恒定张力提供了依据；接下来在此基础上建立了张力控制机构的数学模型，运用PID控制来提高系统的稳定性，并引入了Z-N法来整定PID参数，得到了一个较为稳定的张力控制系统。

1 不同种类PVC皮革拉伸变形试验

1.1 实验方法及步骤

PVC皮革的密度约为0.65 g/cm3。以1.15 mm厚的PVC皮革膜材为例, 其质量约813 g/m2。本拉伸实验采用某公司6种不同类型PVC皮革，厚度在1.1～1.3 mm之间，平均密度大致为0.66 g/cm3，试验机为某公司提供的GOTECH AI-7000S电子万能拉伸试验机，温度为常温，拉伸性能按GB/T 13022-91测试，有效拉伸距离为40 mm，夹具中心距为90 mm，拉伸速度为5 mm/min，预载荷为0.2 N，每次拉伸完成后夹具均回到原位置，每种PVC皮革拉伸3个试样求平均值，最后利用Matlab制出试样的拉伸变形曲线，如图1所示。

1.2 实验结果

从多个不同种类试样的拉伸结果来看，虽然不同种类的试样弹性模量和强度极限不同，但基本规律是相同的，即均要经历上述4个阶段。路华等[7-8]提到，山羊蓝湿革在拉伸过程中也表现出了相似的特性，但PVC皮革没有明显的屈服阶段。以A类PVC皮革为例，在整个拉伸过程中，o-a段拉力与位移表现为线性关系，根据弹性材料等方面知识，这一阶段为弹性形变区域，其拉伸变形曲线满足虎克定律；a-b段弹性变形和塑性变形同时发生，此时弹性变形仍然占据主导，但因为塑性变形会使试样发生硬化，因此试样的弹性模量会变大，导致曲线斜率不断变大；b-c段也是同时发生了弹性和塑性变形，但此时受力较大，塑性变形占据了主导，斜率不断变小，直至断裂。经分析，o-a段，材料变形属于弹性变形，试样拉伸后仍可回复到原来的状态，而当拉力超过a点的拉力以后，材料将发生塑性变形，试样将不可回复到原来的状态，实际生产中应当避免张力超出弹性形变区域。

图1 不同类型PVC皮革的力-伸长率曲线图

由此可知，若想在实际生产中使PVC皮革不出现永久变形，控制系统需要将其受力控制在弹性阶段，以保证其变形线性可控。此外，根据上述的拉伸变形曲线，只需要知道皮革的变形伸长量便可知道皮革的张力控制值。由于不同种类的试样配方，厚度，硬度会有差异，因此它们的弹性阶段也不近相同，在实际生产中，需要根据皮革的类型来设定不同的最佳张力值。

基于以上原因，单靠人工在生产中调节是不够的，需要一个完整的控制系统来进行全局控制，因此恒张力控制系统应运而生。

2 恒张力控制系统模型

2.1 控制系统数学模型

由于实际生产所用的控制系统结构较为复杂，为了简化运算，对控制结构进行适当的简化[9]，得到如图2的控制系统模型。

图2 恒张力控制系统模型

其中，上位机将设定好的张力参数传输给DSP控制器，然后由DSP控制器向驱动器传输命令控制电机，由电机通过联轴器带动滚轮转动，使其达到预定的角速度，同时使滚轮上的皮革具有预定的张力。

本控制系统使用的联轴器为弹性联轴器，根据文献[10]，可得到联轴器的传递函数为

(1)

式中，J1和J2分别是联轴器两端的等效惯量(N·m·s2)；γ为粘滞阻力系数(N·m·s/rad)；c为联轴器的刚度(N·m/rad)；Jp=J1J2/(J1+J2)；f2=c/Jp；2n=γ/Jp。

本控制系统使用的电机为西门子伺服永磁同步电动机，该电机的动态响应性能好，载荷大，适用于高动态、高精度的运动控制应用。该永磁同步电动机在旋转坐标系上的微分方程经过化简及拉氏变换可以得到电机输入Vin(s)到输出角速度信号Wr(s)的传递函数[10]

(2)

将联轴器组合起来，可得从给定输入信号Vin(s)到联轴器转角输出Θ(s)的传递函数

(3)

其中，L为交、直轴电感；Pif为电流反馈系数；PV为比例系数；Pf为加载电机反电动势系数；Ps为逆变驱动电路等效比例系数；J为加载电机转动惯量；PT为力矩系数；r为定子相电阻；Pip为电流增益；R=r+PipPsPif为等效电阻；D为摩擦系数；Vin为输入信号；T为被测对象施加的阻力矩；Pvb为速度反馈系数，关键参数具体数值如表1所示。最终可得如图3的系统模型。

图3 恒张力控制系统框图

2.2 控制系统仿真

在Matlab/Simulink中搭建系统模型，进行仿真，可得到系统的Bode图，如图4所示。

图4 恒张力控制系统Bode图

由仿真得到的Bode图可知，此时的系统不稳定。

表1 系统各参数

3 基于Z-N法的PID控制研究

由于系统不稳定，因此引入PID控制模块来改善系统的性能，PID控制的功能由DSP控制器实现。控制系统的结构如图5所示。

图5 引入PID控制的恒张力控制系统模型

其中，Ppb为位置反馈系数。

由于PID参数难以整定，因此采用文献[12]中的Ziegler-Nichols(Z-N)法来整定PID参数。根据Z-N法的原理，得到本文模型临界比例系数Kpcrit=0.8，临界振荡周期Tcript=0.013 s。临界振荡周期如图6所示。

图6 临界震荡周期

所以根据Z-N法的原理可得：Kp=0.48，Ki=73.85，Kd=0.000 75。将调好的参数输入系统，再进行仿真，可以得到系统单位阶跃响应曲线，如图7所示。

图7 恒张力控制系统单位阶跃响应

由图可知，Z-N法得出的PID参数调节出的系统已经变得稳定。

4 结束语

在高质量要求的环境下，皮革张力控制已成为一个重要的研究课题，本文采用的试验方法和仿真方法较为完整且稳定，获得了印刷压花控制系统张力控制依据，还针对传统控制方法存在的问题，将Z-N法运用到了PID参数整定中[13-16]。通过仿真结果可以看出，恒张力控制系统响应快、超调量小、鲁棒性高，为实际生产中的张力控制问题提供了一种较好的思路和方法。

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Research on Constant Tension Control During the Printing and Embossing Process of PVC Leather

HU Yanan, MAI Yunfei, SONG Yuxiao, SU Wenjing

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The printing and embossing process of PVC leather is complex and not stable enough because of the large tension fluctuation and many disturbing factors during printing. Firstly, the tensile-elongation curves of different types of PVC leather were obtained by Electro-Mechanical Universal Testing Machine, which provided the basis of constant tension of control system. Based on the basis, the mathematical model of the control system of printing embossed was established and simulated. Then, the Z-N method was used to tune the PID parameters, and a more stable control system was obtained in the end. The results showed that, based on the basis of constant tension, the control strategy of constant tension was put forward and the performance of the control system was improved, which has optimized the process of PVC printing and embossing line.

PVC leather; stress-strain; PID; Z-N method; constant tension control

2016- 11- 23

胡娅楠(1990-)，女，硕士研究生。研究方向：机械工程。麦云飞(1962-)，男，教授。研究方向：机电一体化设备等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.032

TP302

A

1007-7820(2017)12-122-04