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复卷机电控系统动态惯量分析与补偿设计 摘要 本文在对复卷机电控系统的构造和控制工艺的理解和分析的基 础之上，分析了复卷机卷取控制和退卷控制过程中的动态惯量的补 偿问题。 复卷机电控系统作为一个大惯量、高动态性能要求的系统，尤 其是在加减速过程中，频繁地加速或者减速会造成系统动态性能不 稳定，导致纸幅张力突变容易产生纸幅断头或者产品质量下降，情 况严重时造成产品不合格。纸幅张力不仅受放卷部分制动转矩的影 响，也受到卷取部分收卷速度的影响，所以我们从卷取和退卷这两 部分研究动态惯量的补偿问题。 卷取控制中通常采用典型的p i 反馈控制，反馈控制是最简单的 控制方式，但不是最有效的。因为反馈调节只有在出现偏差之后才 能去纠正，属于滞后控制。单一的p i 反馈控制在复卷机的加减速过 程中控制效果不是很好，本课题中采用变增益前馈控制的方法弥补 p i 控制的不足。由于卷取控制部分是由机械上无关联的两个电机共 同驱动的，增加了采用前馈控制补偿的难度。在补偿的时候不仅要 考虑底辊自身的转动惯量还要考虑压纸辊以及不断增大的成品纸卷 转动惯量。本文通过建模找到了他们之间的联系以及补偿方法，并 通过m a t l a b 仿真验证了方法的可行性。 复卷机的退卷张力控制中，主要研究稳速情况下惯性转矩的补 偿以及加减速过程中动态转矩的补偿。通过对退卷过程中惯性转矩 的分析以及仿真，从惯性补偿曲线我们得出稳速情况下动态补偿的 必要性。在退卷过程中，纸卷卷径的变化是影响动态惯量补偿的重 要因素，除了给出一般情况下退纸卷卷径的算法，重点分析了异常 状况下卷径的计算方法并进行了优化。 为了进一步改善产品的质量，提高动态惯量补偿的精确性，在复 卷机的运行过程中，针对摩擦转矩带来的不良影响，本文重点提出 了摩擦转矩补偿的概念，分析了卷取控制中的粘性摩擦转矩和库伦摩 擦转矩，找出了粘性摩擦转矩的补偿方法一摩擦力速度补偿曲线。 关键词：复卷机，动态惯量，摩擦转矩，补偿，卷取控制 u t h ed y n a m i ci n e r t i aa n a l y s i s a n dc o m p e n s a t i o no fw i n d e r e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t b a s e do nt h ew e l l u n d e r s t a n d i n g a n d a n a l y z i n g o fw i n d e r s c o n t r a c t u r ea n dc o n t r o l t e c h n o l o g y , t h i sa r t i c l ea n a l y s i sm a i n l yt h e d y n a m i ci n e r t i ac o m p e n s a t i o np r o b l e mi nt h ep r o c e s so fu n w i n da n d w i n dp o r t i o n t h ew i n d e ri sab i gi n e r t i aa n d h i g hd y n a m i cp e r f o r m a n c e d e m a n d e ds y s t e m t h es y s t e ms p e e dc h a n g e ss of r e q u e n t l yt h a ti tw i l l c a u s ei n s t a b i l i t yd y n a m i cp e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yi nt h e p r o c e s so f d e c e l e r a t i o no ra c c e l e r a t i o n t h ed i v e r s i f i c a t i o no fd y n a m i c si n e r t i a w i l ll e a dt ot h ed e c o l l a t i o no f p a p e ro rp r o d u c tw i t hp o o rq u a l i t ya st h e r e s u l to ft h es p e e dc h a n g i n g i ft h ed i v e r s i f i c a t i o nh a sb e e ni ns e r i o u s c o n d i t i o n ，t h ep r o d u c tw i l lb eu n q u a l i f i e d t h et e n s i o ni sa f f e c t e dn o t o n l yb yb r a k et o r q u eb u ta l s ob yt h er o l l i n gs p e e do fw i n dp o r t i o n ，i ti s e s s e n t i a lt ot a k eu n w i n da n dw i n d p o r t i o n sd y n a m i ct o r q u e c o m p e n s a t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h ew i n dp o r t i o nu s u a l l ya d o p t st h ec o n t r o lw a yo fp if e e d b a c k w h i c hi st h es i m p l e s tb u tn o tt h em o s te f f e c t i v eo n e b e c a u s ef e e d b a c k c o n t r o lm e t h o di sak i n do fl a g g e dm e t h o d ，i ti sn o ts u i t a b l ef o rt h e w i n d e rs y s t e me s p e c i a l l yi nt h ep r o c e s so fd e c e l e r a t i o no ra c c e l e r a t i o n t h ec h a n g e dg a i na n df e e d f o r w a r dc o n t r o lm e t h o di sa d o p t e d t h e d i f f i c u l t yi st h a tt h ep r o d u c t i o nr o l li sd r i v e nb yt w om o t o rw h i c hh a sn o r e l a t i o no nm a c h i n e r y ，t h ei n e r t i ac o m p e n s a t e dd o e sn o to n l yc o n t a i n t h et w od r u mb u ta l s oc o n t a i nt h ep r o d u c t i o nr o l la n dt h er i d e rr o l l i ti s f o u n dt h a tt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e ma n dt h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d b y t h e w a yo fs i m u l a t i o n w i t hm a t l a bt ot e s ta n d v e r i f y t h e a v a i l a b i l i t yo f t h i sm e t h o d lh ep a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec o m p e n s a t i o np r o b l e m o ft h ei n e r t i a l t o r q u ec o m p e n s a t i o nu n d e r s t e a d ys p e e da n dd y n a m i c t o r q u e c o m p e n s a t i o nu n d e ra c c e l e r a t i o no r d e c e l e r a t i o ns i t u a t i o n i ti s c o n c l u d e dt h a tt h ed y n a m i cc o m p e n s a t i o ni s n e c e s s a r yb yt h ew a vo f a n a l y z i n ga n ds i m u l a t i o na b o u ti n e r t i at o r q u ei nt h ep r o c e s so fu n w i n d p o r t i o n t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h e g e n e r a la n ds u d d e n l ym u t a t i o n ，s a l g o r i t h mo fc o i l i n gd i a m e t e rt h er e a s o nt h a tt h er o l ld i a m e t e ri s t h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o ri na f f e c t i n gt h ed y n a m i ci n e r t i ac o m p e n s a t i o ni n t h ep r o c e s so fu n w i n d p o r t i o n t h e r ei san e g l e c t e df a c t o ri nt h ep r o c e s so fw i n d e r s r u n n i n gi n o r d e rt of u r t h e r i m p r o v et h ep r o d u c t s q u a l i t y a n dt h e d y n a m i c c o m p e n s a t i o ni n e r t i aw h i c hi sn a m e dm e c h a n i c a lf r i c t i o n i ti sa f f e c t e d b yf r i c t i o ne a c ho t h e rb e t w e e nt h eb e a r i n g sa sw e l l a st h e p a p e r ，s i n c r e a s i n gq u a l i t y 一 - - ih i sp a p e rf o c u s e so nt h ef r i c t i o nt o r q u ec o m p e n s a t i o ni n o r d e rt o o v e r c o m et h ew o r s ea f f e c t i o n i ti sn o to n l ya n a l y z e dt h ev i s c o u sa n d c o u j o m bf r i c t i o n t o r q u e a b o u tw i n d p o r t i o nb u ta ls o s t u d y t h e c o m p e n s a t i o nw a y sa b o u tt h ev i s c o u sf r i c t i o n t o r q u e f r i c t i o na n d s p e e d sr e l a t i v ec u r v e k e y w o r d s ：w i n d e r ，d y n a m i ci n e r t i a ，f r i c t i o nt o r q u e ，c o m p e n s a t i o n ， w i n d i n gc o n t r o l 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 捣些麴 e l 期：2 q q 仝生墨旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：必导师签 n e l 期：2 q q2 生 复卷机电控系统动态惯量分析与补偿设计 1 绪论 1 1 引言 现代造纸生产是一个连续的生产过程，生产出来的纸幅连续不断的卷绕在 可以循环利用的卷轴上，这样卷出的一个纸卷为原纸卷。原纸卷都很大，横幅 宽度一般为4 - 5 米，纸卷直径一般为2 5 3 0 米，这样的尺寸是不符合用户要 求的【l 】。 复卷是造纸生产线的最后一道工序，其任务是根据用户的订货规格用复卷 机将巨大的原纸卷分切复卷成一个个小纸卷。这个看似简单的过程，实际上包 含了纸机生产过程中最复杂的控制要求。首先为了不影响生产复卷机1 2 1 1 3 1 的工 作车速一般是纸机车速的2 o 一2 5 倍，也就是说车速为5 0 0 米分的纸机，复卷 机常常要开到l0 0 0 1 2 5 0 米分。其次由于复卷的成品卷直径远小于原纸卷直 ： 径，卷完一个原纸卷中间往往存在几次换卷，存在频繁的启停，所以复卷机还 需要快速而且稳定的加减速控制。在高速复卷和频繁加减速条件下，对成品纸 卷的质量又有要求，不仅要有整齐平整的盘面，还要求成品纸卷具有内紧外松 的硬度特性。所以一个运行良好的复卷机系统往往包含着许多精确的控锘l j l 4 。 为了适用不同纸种、纸板复卷，目前市场上有w i nd r u m ( 双底辊复卷机) 、 w i nb e l t ( 皮带床复卷机) 、w i na i r ( 气垫减压式复卷机) 等多种型号的现代 复卷机【s 】，其中以双底辊复卷机最为常用，本课题是以双底辊下引纸复卷机为 研究对象。 1 2 复卷机电气控制系统的研究现状 在造纸行业中，与其他领域一样，使用最先进的技术是满足市场要求的前 提条件，为了达到和保证生产过程的高质量标准和低成本，各种工艺过程，设 备的设计和科技产品的应用均被不断的发展和优化。过去考虑到精度，动态性 能和可靠性对传动系统的要求是非常高的。而今天，则需要考虑更多的因素。 最优先考虑的就是贯穿于整个供电和传动系统中的自动化概念，包括功能操 作，监视，故障分析，维护，文件管理等。 最初复卷机【e 】的控制主要采用直流传动，使用模拟调节器组成直流调速系 统实现复卷机的控制功能。但是模拟信号传输的抗干扰能力较差，在生产过程 中经常出现问题，影响生产过程。后来模拟调节器被数字式调节器所取代，出 陕西科技大学硕士学位论文 现了直流数字调速装置控制的复卷机系统。这种控制系统比模拟系统更稳定、 可靠和宣于维护，更宣于与工厂的计算机接口，可以用来实现复杂的控制算法。 但是由于直流电机换向器及电刷的原因，直流电机的维护一直是个问题，需要 定期的停机检查，影响造纸生产企业的生产计划。并且由于换向器的存在，直 流复卷机的设计车速存在上限，满足不了高速纸机的配套要求。 随着交流调速技术的进步，交流电机的控制性能逐渐达到直流电机的水 平，交流电机由于电机本身的优势，迅速在许多场合代替了直流电机。目前， 在国内造纸行业中复卷机的传动控制系统正在逐步由全数字直流传动控制系 统向交流变频传动控制系统发展【6 j 。不过交流系统的电气提供商主要还只是 a b b 和西门子两家，国内厂家由于对于交流传动系统的了解和研究都不太深 入，也缺乏经验，很少有成熟的产品推向市场。 2 0 世纪9 0 年代造纸机的发展突飞猛进【：l ，新概念、新技术、新装备不断 涌现，现代复卷机发展的主要技术成果有以下： ( 1 ) 复卷机的车速提高了。设计车速已经达到了3 5 0 0 m m i n ，工作车速 达到了3l0 0 m m i n 以上，复卷的幅宽也与纸机同步发展达到l0 m 之多。 ( 2 ) 出现了适用不同纸种、纸板复卷的各种型号的现代复卷机。 ( 3 ) 满足了市场对大直径卷筒纸的需求，由原来的只能复卷直径为 1 1 0 0 1 2 5 0 m m 的卷筒纸，逐步发展到复卷直径为1 5 0 0 1 8 0 0 m m 的卷筒纸。 ( 4 ) 现代复卷机先进的控制系统采用了模块化结构。最新的控制系统包 括具有10 0 多项选择参数的复卷配方库和复卷监控系统，选择参数包括车速、 加速度、复卷力、液压和力矩等。 ( 5 ) 现代复卷机连续复卷方法的全面自动化控制功能将人工作业降到最 低，并将操作人员的角色变成复卷过程的监控员。这意味着复卷已变成了单人 作业。下述连续复卷功能可实现全面自动化，并且在操作人员在控制室监控时 加以完成纸卷和卷纸辊处理及更换： 1 ) 换卷时的粘接 2 ) 全幅引纸 3 ) 纸芯处理 4 ) 纸尾在纸芯和成纸卷上的固定 5 ) 幅宽变换 1 3 复卷机的发展趋势 2 1 世纪世界各国的造纸工业拍刀心3 ，尤其是中国的造纸工业，将以前所未 2 复卷机电控系统动态惯量分析与补偿设计 有的高速度发展。造纸机将不断地采用高新技术、新装备、新材料，车速将进 一步提高，有望达到3 5 0 0 4 0 0 0 m m i n 。印刷技术也将快速发展，要求纸张 的强度、运行性能、卷筒纸的复卷质量等，都要有明显改善。同时，还应满足 大型和超大型卷筒纸的需求。纸张性能的个性化、专业化要求更加突出，许多 新纸种将会不断涌现。各种不同种类的纸和纸板、各种涂布纸、不同用户的需 求等。都要求具有高性能、高效率、高新技术的现代复卷机。要求具有各种不 同型式、不同结构和不同性能的现代复卷机，来适应多变复杂的纸种和印刷要 求。 因此，现代复卷机的发展趋势是： ( 1 ) 现代复卷机要适应大型、高新、高效造纸机和印刷机的需要。 ( 2 ) 进一步提高现代复卷机的车速，缩短加、减速时间，实现高效复卷。 ( 3 ) 进一步开发适用不同种类、不同性能的纸和纸板需要的专业化、个 性化现代夏卷机。 ( 4 ) 满足市场对大型和超大型卷筒纸的复卷需求。 ( 5 ) 开发单底辊、中心驱动、机内在线连续式、全自动化、高控制水平、 多站复卷的现代复卷机。 ( 6 ) 能做到自动送入纸筒芯、自动进人顶针、自动纸幅粘贴在纸筒芯上、 自动纸幅切断、自动接头、自动换纸、多站复卷机的自动切换等，实现全自动 化复卷。 ( 7 ) 开发制定每一种纸和纸板的标准复卷技术规范，实现专业化、个性 化复卷。 ( 8 ) 在许多情况下，应实现现代复卷机的远程诊断。 ( 9 ) 现代造纸机与现代复卷机应实现1 对1 配置，尽量不采用1 对2 或2 对3 配置。 上面几点分析，粗略地概括了当前国产复卷机发展状况和现代复卷机的发 展趋势。总的来说，目前国产复卷机无论在机械设计与制造方面，还是在控制 系统方面，与国外先进的复卷机都有很大差距，在很多方面都需要进一步的改 进与完善。因此需要相关行业的研究人员付出努力，才能使国产复卷机的性能 得到进一步的提高，以满足我国造纸行业日益发展的需要 1 4 课题的意义及本文所做的工作 现代复卷机的发展趋势是高车速、高自动化。在复卷机车速提高的同时， 对复卷质量的要求也在进步提高。不仅仅需要解决影响复卷质量的最基本的 陕西科技大学硕士学位论文 三个因素：纸幅张力、压区压力、转矩，还要从根本上了解影响复卷质量以及 产生纸病的其他因素。纸幅张力对成品纸卷形态的影响至关重要，它主要由卷 取速度和退纸卷张力来控制。经过理论分析计算，在对复卷机的几个至关重要 的动态惯量有了比较深刻的认识和了解的基础上，分析其变化时产生的附带效 应，比如突然加速或者减速的变化引起纸幅的断裂或堆积，是否可以通过自动 补偿克服不良的影响，或者将影响减少到最低，并提出了摩擦转矩补偿的理念。 本文所作的工作主要包括： ( 1 ) 详细分析了复卷机的工作原理、工艺以及控制要求。 ( 2 ) 建立了卷取控制的数学模型。 ( 3 ) 找到了卷取部分动态惯量补偿的方法。 ( 4 ) 提出了卷取控制摩擦转矩补偿的概念，分析了摩擦转矩的起因、建 模以及补偿的必要性，提出了针对卷取控制中的粘性摩擦转矩的补偿方法。 ( 5 ) 为了提高退纸辊动态惯量补偿的精确性，对退纸辊电机负载力矩以 及退纸辊惯性转矩进行了详细的分析。 ( 6 ) 针对退卷部分加减速时的动态惯量进行了补偿，提出了稳速运行时 进行补偿的必要性并依据生产实践中的复卷机参数实例绘制了惯性转矩补偿 曲线。 ( 7 ) 对退纸卷卷径的计算方法进行了优化。 ( 8 ) 对交流复卷机的现场调试及控制方案作了详细的介绍。 4 复卷机电控系统动态惯量分析与补偿设计 2 复卷机电气控制系统性能分析 2 1 双底辊下引纸复卷机的工作原理 复卷机的工作原理是：把从造纸机上取下的纸卷安置在退纸架上，退纸架 上的制动装置使纸幅保持有一定的张力，并在断纸时使纸卷快速制动以减少纸 张损失。纸幅通过引纸辊和纵切机构切成所需要的宽度，然后按所需紧度和直 径卷成纸卷。下引纸复卷机机械结构图如图2 - 1 所示：纸幅从机器下部绕过底 辊进行卷取。纸卷从退纸架经过导辊后进入纵切装置，绕过前后底辊然后卷在 纸芯上。在复卷过程中，纸幅张力把纸卷拉向卷纸底辊使逐渐增大的纸卷得以 稳定，并在高速与运行时保证卷纸质量。该类型复卷机还可运用变化前后两个 支承辊的传动转矩差，结合压纸辊与纸卷间压区的压力调节，对纸卷质量作很 好的控制【6 】【7 】。 这类复卷机的纵切机构安装在固定位置上，避免了轴向窜动，使切纸精度 得到保证，易于分卷；并且大部分转动部件靠近地面，重心低，在高速运行中 仍然保持稳定，因此它使用得较广泛，能处理从低定量纸直到纸板等品种。它 的缺点是操作人员不易接近机器底部，不便于引纸，为此常常在机台下方设一 地坑，使得操作工人易于接近。较高档的复卷机设有自动引纸机构。 图2 1 双底辊下引纸复卷机机械结构图 f i 9 2 1m e c h a n i cf i g u r a t i o no ft h ed o u b l e s u p p o r t i n gw i n d e r 陕西科技大学硕士学位论文 2 2 复卷机控制性能分析 2 2 1 质量特性指标 复卷过程包括退纸、纸幅控制、纸幅分离及纸卷结构控制，其中纸卷结构 控制最重要，因为它直接关系到产品的运行稳定性。不同类型的纸应该选用相 应类型的复卷机进行复卷，复卷出的成品纸卷的指标不同，它们对复卷机自动 控制系统的要求也是不同。双支承辊下引纸复卷机的自动控制系统主要应用于 复卷书写纸、静电复印纸、板纸等的复卷，对于这类纸种的成品纸卷的质量指 标如下：具有足够的硬度，而且内紧外松、径向硬度分布均匀，以保证纸卷在 运输、储存过程中不变形、不崩裂，在印刷设备或其它加工设备上能平稳运行。 可简单表达为：盘面平齐光滑、纸卷内紧外松。 a 紧度控制 紧度又叫硬度，它可以看成纸幅卷绕在纸卷上时的张紧程度或者卷绕在纸 卷上时残留的形变量。纸卷结构控制( 即紧度控制) 有三个原则：第一，纸卷在 纸芯处要卷得硬些，因为它是支承纸卷其余纸重的基础。如纸芯处太松，则退 卷时会出现喇叭形。第二，纸卷在收卷时应卷得软些，否则外层易损伤。第三， 纸卷从纸芯处的紧到终卷时的松，硬度必须均匀变化。若中间有突变，纸卷端 面将呈现星形的缺陷。为了保证纸卷在运输或保存过程中不变形、不崩裂，优 良的成品纸卷应具有足够的硬度且内紧外松，径向硬度分布均匀，因此，紧度 是复卷机的主要工艺参数之一。影响纸卷紧度的因素很多，其中最主要的因素 是纸幅张力( t e n s o i n ) 、压区应力( n i p l o a d ) 和转矩( t o r q u e ) ，简称t n t l * 】，其余 绝大多数都直接或间接影响这三个因素并最终影响纸卷结构。纸卷的紧度主要 决定于： ( 1 ) 卷纸时有适当的线压力，并能随着纸卷直径增大而适当调整。 ( 2 ) 前后底辊有适当的转矩差或速度差。 ( 3 ) 纸幅张力对纸卷质量也有影响。 理想的纸卷紧度结构如图2 - 2 所示【8 】，其中横轴为成品纸卷直径，纵轴为 纸卷紧度。如果纸张的克重越小，强度越低，卷绕的直径越大，那么内紧外松 的纸卷结构就尤其显得重要。 b 盘面控制 相对于纸卷紧度，成品纸卷的盘面是一个较为直观的指标，质量良好的 成品纸卷盘面，看起来整体平齐，摸起来感觉不出纸层，犹如一个平面。卷 的不平的成品纸卷在复卷过程中相邻纸卷可能发生纸层相互交叉，造成无法 分开。影响盘面的因素有很多，如：机械振动，张力波动，成品纸卷不圆时 6 复卷机电控系统动态惯量分析与补偿设计 压纸辊的跳动，圆刀，压力曲线。一般张力波动和压力曲线设置不当对复卷 盘面有较大的影响。 图2 - 2 理想纸卷紧度结构 f i 9 2 2d e s i r e dp r o d u c t i o nr o l ld e n s i t ys t r u c t u r e 2 2 2 控制性能指标 复卷出的成品纸卷形态的优劣在很大程度上取决于复卷机性能。一台完善 的复卷机必需具备下列几种机能【6 】： a 压纸辊压力的调整机构 卷取过程中成品纸卷的直径在逐渐增大，成品纸卷的重量在逐渐增加，成 品纸卷与两底辊的接触点也在改变，这就是说如果压纸辊施加的压力恒定的 话，成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力也在变化。为此如果期望最佳的纸 卷形态的话，就必须借释放压纸辊施加的压力负荷来补偿上述两项因素的影 响，才能获得成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力恒定的要求。 压纸辊的作用力对纸卷紧度有较大的影响。压力调整机构的作用是保持纸 卷与支承辊压区的压力稳定，约为1 1 2 公斤力厘米( 约为l 1 2 千牛米) ， 这就防止在初卷时因纸卷轴太轻而打滑以及在复卷后期因压力太大而卷得太 紧。对某些纸卷来说，压纸辊应是有自动控制的，以便对纸幅施加附加作用力。 从上面的分析可知，压纸辊压力一是保证纸卷与底辊间产生足够的摩擦 力，而不至于打滑；二是压纸辊压力将直接影响着纸辊硬度。工艺要求必须保 持压区压力恒定，但从后面对复卷机压区压力的分析将可以看出，为保证压区 压力恒定，压纸辊液压系统释放的压力与成品纸卷直径之间的关系是非线性特 性。 在没有调整压纸辊压力的悬秤机构时，纸卷和支承辊之问的线压力的增加 速度稍慢于纸卷重量的增加速度，但它总是随着纸卷直径的增大而增加的。 但对许多种纸来说，仅仅有压纸辊压区压力的程序控制，还不能生产出质 量良好的纸卷。同样，适当的支承辊转矩的程序控制，也不能单独地完全达到 目标。只有压纸辊压区压力程序控制和支承辊转矩程序控制的适当配合，才能 7 陕西科技大学硕士学位论文 卷成从纸卷芯到外层硬度均匀的纸卷。 b 支承辊转矩程序控制 为了获得优质纸卷，支承辊转矩或速度控制必须满足适当的条件。如使用 速度控制，支承辊间速差幅度应小于0 。2 ，且当纸卷直径增大时，两支承辊的 速度必须接近( 1 ：1 ) 很多速差系统并未按此方案设计，故收效有限。 对许多纸种来说，在起动时要用正速差，使得卷芯处卷得紧，而在直径卷 大以后又希望有负速差，使纸卷外层卷得松些。如无精度高而配制适当的速差 程序控制，是不能达到这种要求的。在这里先要说明一句，这里说的速差控制 是指的速度给定差控制，前后两支承辊的实际的速度其实是一样的，只不过因 速度给定差的存在使得它们所承担的负荷不一样，因此，这里所说的速差控制 实质上也是转矩差控制。 转矩的程序控制通常是控制前支承辊的转矩，其大小随着纸的品种而异， 并需要在现场做实验来选定。大概趋势是在起动时差不多全部转矩施加于前支 承辊上，使纸卷绷紧，随着纸卷直径增大，前支承辊的转矩逐渐变小，后支承 辊的转矩大于前支承辊，直到两支承辊的转矩相匹配为止。然而，应当强调， 转矩的程序控制最重要的还是起动时的转矩。 c 张力调整机构 纸幅张力控制是保证纸卷形态的至关重要的因素之一，纸幅张力最重要的 作用是展平纸幅，同时稳定的纸幅张力还将避免纸幅横向偏移。纸幅张力的大 小对纸卷硬度的影响并不是关键因素，因为压纸辊的压力以及前后底辊之间的 转矩差对纸卷硬度有着更大程度的影响。所以复卷机运行中通常是将纸幅张力 调节到能保证使纸幅展平，至于期望纸卷具有较大硬度的话，可以采取增大压 纸辊压力和增大前后底辊之间的转矩差来实现。 纸幅在复卷过程中，纸的张力大小主要由纸种来决定，通常为0 3 2 公斤 力厘米( 约为0 3 2 千牛米) 。正确地选用纸的张力能在一定程度上改善纸 卷的质量，减小断头，保持复卷机工作稳定。因此，复卷机的传动应自动地保 持张力稳定，并能根据生产需要进行调节。调节范围通常为l ：4 ，张力最大的 波动值不应超过1o ，最小张力为0 3 公斤力厘米左右( 约为0 3 千牛米) 。 纸幅张力控制分为直接张力控制和间接张力控制两种，一般来说，直接张 力控制精度高，需要安装张力传感器，投资较高；间接张力控制方式不如直接 张力控制精度高，投资较底。两种不同的控制方式根据不同使用场合选用。 不管采用直接张力控制方式还是采用间接张力控制方式，为了防止升、降 速时的瞬间机械设备通过纸幅突然发生倾斜，造成纸幅横向窜动或断头，必须 8 复卷机电控系统动态惯量分析与补偿设计 能够预设静止张力。对于要求高精度张力控制及高生产率的复卷机系统还应该 考虑动态补偿环节，用以减小升降速过程中纸幅张力的变化。 张力调整机构有多种型式。原始的张力机构是用手操纵制动器来获得张力 的，因其操作复杂且张力大小不一致，仅适用于老式的低速复卷机上。较完善 的张力调整机构，在整个工作速度范围内，能自动检测并控制张力使之保持恒 定，也就是前面所说的直接张力控制。它基本上也可以分为两种：一种是在退 纸卷后面配置检查张力用的浮动辊，把纸的张力大小引起的辊筒的移动变为气 压信号或电信号，由制动器进行控制；另一种是在退纸辊的后面安装张力计， 把张力大小转变成反馈信号与给定信号相比较，经过适当的调节器进行调节 后，直接控制制动发电机的制动力矩进行自动张力控制。退纸辊运行时，退纸 辊电动机实际上处于发电回馈制动状态。为适应高速和大的卷径变化范围，也 是为了克服张力大滞后给复卷机直接张力控制系统带来的不便，在采用直接张 力控制时可增设采用前馈控制，这种方法可使复卷机获得良好的性能。 d 电力驱动的。挠性力起动及适当的速度程序控制 为了使纸幅不承受冲击张力，减少不必要的断头，复卷机的起动总是希望 越平稳越好。给调速系统的转速电流双闭环前加入给定积分器，有利于复卷机 的平稳起动，给定积分器的时间常数越大，系统起动越平稳。所以给定积分器 在复卷机传动系统中有着十分重要的作用，其积分时间常数可在较大范围内调 整，以适应不同加工工艺的要求。 同样，复卷机在升速、降速时也总是希望速度变化越平稳越好，s 型曲线 升降速控制具有加速度的加速度为常数的特性，这正好符合复卷机在升速、降 速时希望速度变化平稳的要求。 以上四点是为了满足复卷工艺，电控系统所必须具备的调节机能。除此之 外，复卷机对电控系统还有其它的要求，包括纠偏，自动检测到断纸后能紧急 刹车，对液压站、气站的连锁控制，对圆刀的控制，计长等。 2 2 3 动态惯量补偿的必要性分析 复卷机电控系统的好坏直接影响到复卷机的整体性能。在复卷机电控系统 中，一方面纸幅退卷张力1 2 】控制对成品纸卷形态的影响至关重要。由于复卷机 工作车速高，且在工作时纸卷及辊筒跳动很大。底辊与退纸辊间的纸幅距离长， 在采用张力反馈控制时，这些因素都将作为扰动信号，通过张力传感器加入系 统，如果对反馈信号处理不好，将会直接影响系统的稳定性，使系统不能正常 工作。另外在升降速时【9 】，纸卷转动惯量很大，稳速运行时纸卷直径的大范围 变化，这些因素都给退卷张力控制提出了很大的要求。另一方面对于卷取部分 9 陕西科技大学硕士学位论文 速度控制，课题研究的复卷机电控系统中仅仅只有一个速度闭环，控制方法单 一，带来的问题集中表现在加减速过程中与退纸辊的配合难以协调，而这会引 起纸幅张力的松紧变化，造成纸幅横向移动，影响成品纸卷的端面平整。这个 问题一般得通过现场反复调整加减速时间来解决，调试起来比较麻烦而且试出 来的参数对纸张的密度依赖大，并不是根本的解决办法。在复卷机的稳速运行 阶段，成品纸卷直径不断增大转动惯量也在增大，前后底辊的出力由于负荷分 配的需要也在发生变化，这些参数的变化都会干扰系统的速度稳定性，解决这 些问题的关键在于卷取部分的控制 1 0 l 。 我们都知道纸幅的张力是由放卷部分f 9 】和收卷部分共同产生的，纸幅张力 不仅受退纸辊制动转矩的影响，也受到卷取部分收卷速度的影响。我们主要研 究复卷机在突然加减速时的控制性能，改善由车速突变引起的纸幅断纸和堆积 以及减少断头，这个时候如果可以对卷取部分和放卷部分进行实时的动态补偿 则可以消除或者改善控制性能。 除了车速突变时的动态转矩和纸幅的张力，可以预见的负载还包括摩擦转 矩。虽然在复卷机的控制性能分析中常常被忽略，但是摩擦转矩的影响是存在 的，尤其是对于告诉复卷机，它是空载转矩的主要成分，是正常运行时仅次于 动态转矩和纸幅张力的负载部分。摩擦转矩一般包括库仑摩擦和粘性摩擦两部 分，但是对于复卷机系统，主要的转矩为电磁转矩，惯性转矩以及张力产生的 转矩，摩擦转矩大约只占总转矩的5 ，这样即使在估算摩擦转矩时有2 0 的偏 差，它对总转矩的影响也只有1 ，所以我们在考虑摩擦转矩补偿时只考虑粘性 摩擦转矩不会对问题的分析产生影响 i h 。 2 3 本章小结 本章主要介绍了下引纸双底辊复卷机的工作原理以及卷出来的成品纸卷 的质量指标( 紧度控制和盘面控制) ，重点分析了复卷机必须具备的几种控制 技能，从运行机理上详细的分析了：压纸辊压力的自动程序控制；支承辊转矩 自动程序控制；自动张力控制；电力驱动的“挠性 起动和适当的速度程序控 制这四种程序控制机构。并详细分析了复卷机运行时在加减速以及稳速过程中 进行动态惯量补偿的必要性。 l o 复卷机电控系统动态惯量分析与补偿设计 3 卷取控制摩擦转矩及动态补偿分析 复卷机是一个多电机拖动的自动控制系统，各个传动点分别由独立控制的 电机单独传动以实现速度，纸幅张力，扭矩差等控制要求。 3 1 双底辊下引纸复卷机的卷取工作原理 复卷机的传动系统可以分为2 个部分，一个是卷取部分，另一个是放卷部 分。放卷部分有1 台放卷电机，收卷部分有2 台卷取电机，这两组电机依靠纸 幅张力联系在一起d 2 ，卷取控制系统如图3 1 所示： 图3 1 复卷机卷取控制系统图 f i 9 3 1t h er o l l i n gc o n t r o ls y s t e md i a g r a mo fw i n d e r 放卷电机的作用是提供一个反向力矩，在放卷的过程中拉紧纸。如果把卷 取部分看为一个整体，则卷取电机的作用即用来克服放卷电机所提供的反向力 矩，拉平纸幅并卷取纸卷。 3 1 1 复卷机的卷取控制策略 卷取控制是一个复杂的多点传动【1 2 】i i ，l 控制问题，它的控制有一定的难度， 表现在以下几个方面： ( 1 ) 要通过对几个分散的控制对象的控制达成一个总的控制效果，但是 这几个对象在机械和电气上没有联系。 ( 2 ) 两个传动点通过负载发生较为严重的耦合，控制中的问题较多。 ( 3 ) 机械结构方面的稳定性不高，负载的扰动非常严重。 陕西科技大学硕士学位论文 由卷取特点可以看出，复卷机的前后底辊在机械上和电气上没有任何联 系，二者通过成品纸卷发生了强烈的耦合，由于两个卷取辊的耦合现象，使得 每台电机的速度既受自身转矩的控制，又受另一个电机转矩的控制，同理，纸 幅的紧度也和两台电机的转矩有关 1 4 1 1 5 。即有： y = 厂( 石，互) 三= g ( 互，互) ( 3 1 ) ( 3 2 ) 从上面的两个公式中可知，速度y 和紧度三既是前卷取辊电机转矩五的函 数，又是后卷取辊电机转矩互的函数。如果y 和三只和一个变量有关，在控制 中就容易实现了。双底辊复卷机两台电机的转矩 2 9 1 存在如下关系： t = 互+ 互 ( 3 3 ) 乏= 日 ( 3 4 ) 式中，k 为负荷系数。 由( 3 3 ) 、( 3 - 4 ) 两个公式，可以推导出： t = ( 1 + k ) 石 ( 3 5 ) 公式( 3 5 ) 表明，可以通过一个转矩，得到两个电机的转矩给定值，然后分 别控制。这样，矿、三与五、正、的关系就转为矿、三与五的关系，在实质上起 到了解耦的作用。 一般情况下，针对耦合现象，卷取控制中两台底辊通常采用主从控制，即 一台底辊作为主点，控制速度，另一台作为从点，控制转矩。这样既控制了系 统的车速，又控制了两底辊的扭矩差。在两底辊中，后底辊同纸幅的包角最大， 它的转速可以精确的代表纸幅的速度，所以选择后底辊作为复卷机传动中的主 点 1 6 l 。后底辊的工作模式为速度控制，是系统的主车速设定点。前底辊为从动 模式，在爬行或者正常复卷发生打滑时会转换成速度控制。控制方式如图3 2 所示： 1 2 复卷机电控系统动态惯量分析与补偿设计 图3 2 前后底辊控制方法 f i 9 3 - 2c o n t r o lm e t h o df o rf r o n ta n dr e a rd r u m 由所需的转矩差和后底辊转矩计算出的前底辊转矩给定加在前底辊速度 调节器的正限幅上。转矩差作为成品纸卷直径的函数以曲线的形式存储在控制 器中。后底辊的车速给定叠加了一个小偏差作为前底辊的速度给定，这样既可 以保证前底辊的速度环饱和，速度环输出为限幅值，实现了通过控制限幅控制 转矩的目的，又可以在必要的时候迅速切换到速度控制【】。 3 2 复卷机卷取控制补偿分析 复卷机的速度其实是由后底辊来控制1 。通常情况下，后底辊的控制是一 个典型的速度电流双闭环调速系统，这种控制方式的一个明显缺点是在沿预定 的加减速轨迹进行加减速时会产生超调。原因是电机需要额外的转矩来使负载 改变速度，这部分额外的转矩给定在变速过程中会存储在速度p i 调解器的积 分器中，直到速度超过给定速度( 即产生超调) 后才会逐渐消失。速度超调对 于卷绕应用来说往往是不允许的，会严重威胁系统地稳定。另外一个缺点是在 跟踪给定速度过程中存在较大静差。如果卷取部分如果不能准确的沿预定的加 减速轨迹进行加减速就会造成纸幅张力减小，从而造成上卷纸幅横向窜动，这 种现象在复卷机启动，特别是中途断纸后再启动的时候最为明显。对于这两个 问题，一个有效的解决方法就是采用动态补偿。 除了上面所述的两个问题外，前面我们还提到过，除了加减速时的动态转 陕西科技大学硕士学位论文 矩和纸幅的张力，可以预见的负载还包括摩擦转矩。虽然在复卷机的性能分析 中常常被忽略，但是摩擦转矩是存在的，并且是空载转矩的主要成分，以往我 们在针对卷取部分进行补偿时都忽略了摩擦转矩的影响，本文中我们把这个问 题重点提出来，并对其进行具体的分析和研究。 3 2 1 摩擦转矩分析 众所周知【1 7 j ，摩擦力就是当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动 或有相对运动的趋势时，在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作 用力。接触面之间的这种现象或特性叫“摩擦 。摩擦有利也有害，但在 多数情况下是不利的，例如，机器运转时的摩擦，造成能量的无益损耗和 机器寿命的缩短，并降低了机械效率。卷取控制中我们涉及的摩擦主要包括 两部分，一部分是粘性摩擦，粘性摩擦转矩正比于加速度；另一部分是库伦摩 擦，库伦摩擦转矩正比于纸卷的重量。对于复卷机系统，主要的转矩为电磁转 矩，惯性转矩以及张力产生的转矩【1 6 】，虽然摩擦转矩大约只占总转矩的5 ，这 样即使在估算摩擦转矩时有2 0 的偏差，它对总转矩的影响也只有1 ，但是对 于高精度卷取控制系统来说，摩擦也是影响系统性能的因素，它不但造成系统 的稳态误差，而且使系统产生低速运行的跳动或爬行现象，高速时由于纸卷压 力增大，造成不能快速跟随系统设定的转速，不能保持系统的平稳，因此，需 要对系统中的摩擦影响加以抑制或消除。 在系统的控制设计中，为了克服和补偿摩擦力矩的影响，通常采用提高系 统增益等基于非摩擦模型的补偿方法，或基于模型的前馈补偿方法及自适应 补偿方法等。另外，也可将摩擦力矩干扰等效为不确定周期扰动，通过设计鲁 棒控制器予以克服。通常，研究者总是针对具体的实验装置( 设备) 建立系统模 型和摩擦模型，并在此基础上采用相应的补偿技术来提高系统性能。 摩擦力矩的减小受到工艺水平及实验经费等条件的限制，以前控制系统设 计大多只是把摩擦作为一个干扰加以抑制，控制器设计通常没有考虑摩擦动态 特性的影响，这样的设计没有考虑到摩擦非线性及其动态特性的存在对整个系 统稳定性造成的影响t 】。随着伺服控制系统对控制精度要求的提高，摩擦非线 性及其动态特性己经成为影响系统性能的一个不可忽略的重要因素，摩擦本身 的特性必须包括在整个系统之中，这样才会对整个控制系统的稳定性及控制问 题有一个完整的理解。 综上所述，由于非线性摩擦的存在，限制了现代设计方法的应用，同时， 摩擦的存在不仅反向时引起较大的跟踪误差，在系统低速运行时还会出现跳动 或爬行现象。 1 4 复卷机电控系统动态惯量分析与补偿设计 a