（电力电子与电力传动专业论文）基于底辊动态补偿控制的复卷机电控系统的研究与实践.pdf

矩的补偿方法。相信随着这些方法的使用，复卷机的控制效果会有 进一步的提升。 关键词：复卷机，卷取控制，前馈控制 r e s e a r c h p r a c t i c eo fw i n d e re l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mb a s e do nd y n a m i c c o m p e n s a t i o nf o rd r u m s a b s t r a c t a f t e r t h o r o u g hu n d e r s t a n d a n d a n a l y s i s o fw i n d e rc 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 ed e s i g n e da n do n s i t ec o m m i s i o n e dah i g hs p e e d a cw i n d e rc o n t r o ls y s t e m f o ri n d u s t r ya p p l i c a t i o n s ，p ic o n t r o l l o ri s v e r ys i m p l ea n dh a sa r e l a t i v el o w e r r e q u i r e m e n t a b o u tt h e p r o f e s s i o n a lk n o w l e d g e b a c k g r o u n do ft h e o n s i t e e n g i n e e r ，b u t i tc a n s a t i s f ym o s ti n d u s t r y a p p l i c a t i o n s ，w h i c hs i m u l t a n e i t yp r o v i d ev e r a c i t yr o b u s t n e s st os o m e e x t e n t ，i ti su s e di ni n d u s t r ya p p l i c a t i o ne x t e n s i v e l ya s ar e s u l t t h e s p e e dc o n t r o l l e ro fw i n d e ri sj u s tat y p i c a lp if e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m w h e r e a s ，f e e d b a c kc 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 t s u i t a b l ef o rt h ew i n d e rs y s t e m ，w h i c hi s b i gi n e r t i aa n dh i g hd y n a m i c p e r f o r m a n c ed e m a n d e d f e e d f o r w a r dc o n t r o lp r o d u c ec o n t r o la c t i o nd u e t ot h ed i s t u r b a n c e ，m a i n l yu s e di nl a g g i n gl i n k t h i sm e t h o dh a sb e e n u s e di nw i n d e r su n w i n dr o l lc o n t r 0 1 a n dh a v eag o o dp e r f o r m a n c e a s t h et e n s i o ni sd e t e r m i n e db yb o t hu n w i n da n dw i n dp o r t i o n ，o n l y i m p r o v eu n w i n dr o l l c o n t r 0 1 i sn o te n o u g h a st oi m p r o v ew i n d e r s a c c e l e r a t i n ga n dd e c e l e r a t i n gp e r f o r m a n c e ，t h i sa r t i c l eh a v et r i e dt ou s e i n e r t i ac o m p e n s a t i o nf o rw i n d e r ss p e e d c o n t r 0 1 c o m p a r e dw i t ht h e u n w i n dr o l l ，w h i c hi sd r i v e db yc e n t e r ，t h ed i f f i c u l t yi st h ep r o d u c t i o n r o l li sd r i v e db yt w om o t o rt h r o u g ht h es u r f a c e t h ei n e r t i at ob e c o m p e n s a t e dd o e sn o to n l yc o n t a i nt h et w od r u m sb u ta l s oc o n t a i nt h e p r o d u c t i o nr o l l sa n dt h e r i d e rr o l l s a n dt h er e l a t i o n s h i po ft h e mi s u n k n o w n ，t os o l v et h i sp r o b l e m ，am o d e lo ft h ew i n d i n gp r o c e s sh a s b e e nb u i l tu p ，t h o u g hs i m u l a t i o n ，t h i sa r t i c l ef o u n dt h em o t h o d a n dt h e a v a i l a b i l i t yo ft h i sm o t h o dh a sb e e nv a l i d a t e di nt h i ss y s t e m d e r i o r m a n c e 4 a f t e h i ss y s t e m ，c o m m i s s i o n i n g ，t h i sa r t i c l eh a v ea c q u i r e d a n o t e r t 粕i d e a s ，w h i c c a no b v i o u s l yi m p r 。v e w i n d e r sc o n t r 。1c a p a b i l i t y ， t h e ya r ed i s c u s s e da tt h ee n do ft h i sa r t i c l e k e yw o r d s ：w i n d e r ，w i n d i n gc o n t r o l ，f e e d f o r w a r dc o n t r o l d a 奄甜曼 e r e咿耐：莹 誊一 a 竹d协m 沁一一忱 m r 旷 一 盯 巾 d m m吼； a g y帆吨峋 “ a 臼 ，km 阱 d k m e n c n 锄 广1 旧 北 ， 胁 洲h me d c ! u e h叩峪吼 k u 坨 o 盯 l 坨甜1 e n s 咒 b 髓 斛 鸭 小 w 旧 一 峪 引 n & 弦 r t 1 0 、， ，一 复卷机i 乜控系统的设计 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，均已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：黜瘟 日 期：2 q q2 生旦 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：魂堪磷扛导师签名日期：2 q q z 生各角 复卷机l u 控系统的设计 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。 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【2 】的工作车速一般是纸机车速的 2 0 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1 0 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制【3 】。 为了适用不同纸种、纸板复卷，目前市场上有w i n d r u m ( 双底辊复卷机) 、w i n b e l t ( 皮带床复卷机机) 、w i n a i r ( 气垫减压式复卷机) 等多种型号的现代复卷机【4 】，其中 以双底辊复卷机最为常用，本课题研究的就是一台双底辊下引纸复卷机。 1 2 复卷机系统的研究现状 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着。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【5 l 的控制主要采用直流传动，使用模拟调节器组成直流凋速系统实现复 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、可靠和宜于维护，更宜于与工厂的计 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。 陆“j f r 拄人学啦i 学论空 随着交流稠速技术的进步，交流电机的控制性能逐渐达至直流电机的水平，交流电 机山于电机本身的优势，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 | 全数字直流传动控制系统向交流变频传动控制系统发展 ”l 。不过交流系统的电气提供商主要还h 是a b b 和西门子两家，国内厂家由丁对于交流 传动系统的了解和研究都不太深入，也映乏经验，很少有成熟的产品推向市场。 随着交流传动在复卷机应用中的不断推广以及结合现代工厂自动化技术，目前复卷 机的设计车速可以达到3 0 0 0 m m i n ，工作车速2 5 0 0 m m i n ，而且复卷机中的许多人工操 作比如圆刀定位、送纸芯、沾纸等都实现了自动化，手工操作大量减少，其自动化程度 和控制精度和系统的稳定性将提高到一个新的水平。 1 3 课题的背景和系统介绍 本课题主要针对国内某纸业1 5 万吨石膏护面纸生产线中的复卷机控制系统的设计 和明试。 图1 1 课题复卷机系统 f i g u r e1 - 1w i n d e rs y s t e m o f t h i s t h e s i s l3 1 主要技术数据： 纸种：石膏护面纸 幅宽：3 8 4 0 m m 设计_ 乍速：2 2 0 0m m i n 工作车速： 2 0 0 0 m r a i n 引纸速度： 2 5m r a i n 秽o-k曹；j=i 复卷机电摔系统的设计 升降速时间： 6 0s 纸幅张力：0 8 k g c m 原纸卷最大卷径：2 8 0 0 m m 成品纸卷直径： 2 2 0 0m m 成品纸卷宽度： 7 0 0 7 3 8 0 0 i t i i l l 前底辊电机：1 6 0 k w , 带编码器 后底辊电机： 1 6 0 k w , 带编码器。 退纸辊电机：2 5 0 k w ，带编码器。 导纸辊电机：1 5 k w 园刀电机： 7 5 k w 1 3 2 电气传动系统组成： 本系统主要有以下几个部分组成： 1 、前底辊、后底辊、退纸辊分别由单独的交流电动机拖动，由s i e m e n s 公司6 s e 7 0 系列数字交流调速装置( 逆变器) 的主传动控制装置。纵切刀采用6 s e 7 0 逆变器并与底 辊保持速差5 1 5 。导纸辊电机采用6 s e 7 0 逆变器控制并与底辊保持同步。 2 、供电单元采用s i e m e n s 公司专用的整流回馈单元向逆变器的直流母线供电。 3 、西门s 7 4 0 0p l c 及接口输入输出附件组成的中心控制器。 4 、前后底辊及退纸辊的线速度、电流触摸屏数字显示。 5 、由德国p i l 公司超声波直径检测器和液压比例控制装置组成的压纸辊自动压力 曲线控制的压纸辊压力控制系统。 6 、电控柜、操作台及控制电器等辅助设备。三台交流调速装置通过软件组态，由 p l c 进行张力设置，运行程序控制及各种联锁顺序操作等。输入和参数修改通过外部 操作台上操作屏完成，其工作过程是根据运行速度和预置直径计算出转矩电流，实现连 续的恒张力控制系统。 8 、速度检测：采用德国梅尔精度高、抗干扰性高、可靠性光电编码器( 采用1 0 2 4 线，o c 门输出型) 与装置实现闭环控制。 9 、通讯系统：通过p r o f i b u s d p 高速总线接口连接p l c 和传动装置，其总线速 率最高可达1 2 m b p s 的数据传输率，可满足系统的实时控制和实时响应要求。 1 0 、人机界面：采用中文显示彩色操作屏t p 2 7 0 1 0 英寸，操作方便、数据显示直 观、性能可靠。 1 1 、张力传感器采用a b b 枕式。 1 2 、控制柜及电源柜采用标准柜体。 1 3 、主开关及低压电器采用施耐德产品，母排采用铜排。 l33 电气传动控制系统结构 十h 掘川户要求，木控制系统采川s i e m e n sp r o f i b u s d p 现场总线系统。控制站 构小意【司如图12 所小。 固l _ 2 复卷机控制系统结构 f i g u r e1 2 $ 1 r l l c t u f eo f w i n d e rc o n t r o ls y s t e m 传动系统笫级为逆变器抖沸0 级，逆变器的i 控板( c u v c 板) 本身特自脉冲编码 器接nu j 独立构成速度闭环控制系统。退纸辊的逆变器叶 除了c u v c 控制板还采用 了一块t 4 0 0i 艺板，用束实现报力的口j 环控制，逆变器l ：迹自柏c b p 2 通讯板，与p l c 组成p r o f i b u s d p 现场总线摔制网络进行实时尚速通l 忆 传动系统第二缎为p l c 控制系统，p l c 采川两jr 公百 大型s 74 1 22 d p 年】_ s i e m e n s 公刊的6 s e 7 0 系列逆变器系统组成p r o f i b u s d p 眦场总线挖制剐络完成 系统f 车述给定、| f 、纸辊此j 曲线控制、i i 后底辊扣，差控制、口动停1 二功能、断纸保 护、l 动液压拧等j e 它上艺f 逻辑控制。 传动系统的人机界面( h m i ) 采用西j 了的t p 2 7 0 触拽屏，用r 整个复卷机机化动系 统状态设定和监控。 34 卡要配置和设各清单 监州置和设备清巾见表11 。 复卷机电控系统的设计 表卜1 主要配置和设备清单 t a b l e1 1m a i nc o n f i ga n de q u i p m e n t sl i s t i n g 1 4 课题的意义及本文所做的工作 这套复卷机系统无论在系统配置上还是控制要求上都是比较先进的，它的设计和控 制方法对于国内造纸系统集成商有一定得借鉴作用。系统的主要特点有： 陕两科技人学硕f j 学位论义 ( 1 ) 全交流传动系统，各传动点均为单独交流电机传动。 ( 2 ) 车速高，设计车速为1 8 0 0 m m i n 。 ( 3 ) 供电系统采用公共直流母线系统。 在控制策略上，复卷机的研究一直以来都集中在退纸辊张力控制，不仅有张力闭环 控制还有考虑直径影响的i 日j 接张力控制以及加减速时的动态惯性转矩补偿，控制效果很 好。然而收卷部分速度控制仅仅只有一个速度闭环，控制方法过于单一，带来的问题集 中表现在加减速过程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，调试起来比较麻法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，对于低速复卷机系统可能表现不明显，但是对于高速的复卷机系统却无法忽略。解 决这些问题的关键在于卷取部分的控制，本文的重点就放在了这里。 另外在成品纸卷端面上，复卷机由加速到稳速的过渡阶段对应的位置特别容易出现 小范围的参差不齐，对这一问题本文也进行了分析并找出了原因。 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 ) 建立了双底辊下引纸复卷机卷取部分的数学模型。 ( 3 ) 找到了收卷部分转动惯量补偿的方法。 ( 4 ) 分析了复卷机速度控制中的变参数问题及解决方法。 ( 5 ) 前后底辊负荷分配采取了的新方法。 ( 6 ) 优化了压纸辊压力控制曲线。 ( 7 ) 分析了一种收卷部分和放卷部分协调控制张力的方法。 ( 8 ) 分析了摩擦转矩的补偿方法。 复卷机f 乜控系统的设计 2 控制要求及控制方法 2 1 下引纸复卷机的工作原理 双底辊下引纸复卷机【7 1 的典型结构包括：前底辊、后底辊、成品纸卷、压纸辊、舒 展辊、张立检测辊、圆刀、纸边风机、导致辊、退纸辊。如图2 1 所示： 压纸辊 前底辊 后底辊 图2 - 1 双底辊下引纸复卷机结构图 f i g u r e2 - 1f i g u r a t i o no f t h et w od r u mw i n d e r 双底辊复卷机的特点是用两个被传动滚筒来取代并支撑卷取中的卷筒，通常有一 根带或不带传动的压纸辊压在卷取中的卷筒顶部。卷取辊是卷取的主要结构，分别叫做 前底辊、后底辊，一般情况下前底辊的表面比较粗糙，后底辊的表面相对光滑，它们通 过减速箱同电机连接在一起。压纸辊又叫负荷辊，其作用是产生一个向下的压力，其压 力是压纸辊自身的重量与上拉力之差。放卷辊由退纸架，放卷辊联轴器、放卷辊夹紧机 构、放卷电机组成。纵切刀有多把，各自分别由电机拖动，主要用于切掉纸边，根据需 要把一定幅宽的原纸切成需要的宽度。张力辊用于检测纸幅张力。 下引纸复卷机的工作原理瞄j 如下：从卷纸机上取下的卷筒纸放在放纸架上，放纸架 上配有制动发电机及光电编码器以保持纸幅有一定的张力，并在断纸时能使纸幅快速制 动。纸幅由放纸辊经张力传感辊引出，通过弧形辊引至纵切机构进行纵切，然后再经过 弧形辊绕过后底辊而缠在卷纸筒上。卷纸筒依靠前后两底辊的驱动而运转，从而牵动整 个纸页前进。在复卷过程中，纸幅张力试图使纸卷随底辊转动，使逐渐增大的纸卷得以 稳定，并在高速卷取时保证纸卷质量。这类复卷机的纵切机构安装在固定的支架上，避 免了轴向窜动，易于分卷，并且大部分转动部件靠近地面，重心低，易于在高速运行中 保持稳定，因此应用广泛。 陕两科技人学硕_ | 学位论义 复卷机的主要结构参数是能处理的纸幅窬席和最高车谏，其次是退纸和卷纸的最大 直径、切纸方法和长度型式。 2 2 纸卷质量控制要求 成品纸卷的质量控制要求可简单表达为：盘面平齐光滑、纸卷内紧外松。 2 2 1 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，另外还会影响纸卷的销售， 影响纸卷的价格，是造纸厂家非常关心的一个指标。 影响盘面的因素有很多，如：机械振动，张力波动，成品纸卷不圆时压纸辊的跳动， 圆刀，压力曲线。一般张力波动的影响最为明显，压力曲线设置不当对复卷盘面也有较 大的影响。 2 2 2 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。一般要求成品纸卷的紧度结构为内紧外松，这是为了方便用户使用( 如： 放卷时纸层间不发生滑动) 及便于运输而提出来的，理想的纸卷紧度结构如图2 2 所示 1 9 l ，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。 紧 度 纸卷直径 图2 - 2 理想纸卷紧度结构 f i g u r e2 - 2d e s i r e dp r o d u c t i o nr o l ld e s i t ys t r u c t u r e 影响成品纸卷质量的因素首先应该是造纸机生产出来的纸张质量，如果原纸的质量 很差，比如横幅定量差别太大，纸幅水分不均匀，甚至存在纸洞等，要想复卷出良好的 成品纸卷是很困难的。这个因素对于复卷机来说是无法控制的。复卷机可以控制的因素 通常有三个：纸幅张力( t ) 、压纸辊压力( n ) 和底辊的转矩差( t ) 1 9 。 复卷机i 乜控系统的设汁 a 纸幅张力 一般认为纸幅张力是影响纸卷紧度的至关重要因素之一，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【2 】。然而纸幅张力对纸卷紧度的 影响不大，仅仅在成品纸卷起卷的时候有影响【9 】。这是因为纸幅要先经过后底辊4 。能卷 绕在纸卷上，这样后底辊会隔离掉绝大部分张力，只有大约2 5 的纸幅张力可以传递到 成品纸卷上，这意味着纸卷硬度上一个小范围的变化，如果由张力来控制，那么需要的 张力变化会很大。这种方法仅仅适用于纸板等克重大强度大的纸种。这样张力对于纸卷 紧度的影响就限于起卷时刻增加纸卷紧度和卷绕的末尾通过设置适当的张力锥度帮助减 小纸卷紧度。张力控制曲线如图2 3 所示。 张 力 纸卷e 径 图2 - 3 张力控制曲线 f i g u r e2 - 3t e n s i o ns e t t i n gc u r v e b 压纸辊压力 和纸幅张力相比，存在于成品纸卷和压纸辊之间以及成品纸卷与底辊之间的央紧作 用对成品纸卷紧度有更大影响。在存在衬垫的条件下旋转的压区会在其出口方向产生纸 卷紧度。在起卷的开始当只有几层纸卷在纸芯上的时候并不存在衬垫作用，只有纸芯上 缠绕了几毫米厚的纸之后，压力才开始产生纸卷紧度。 双底辊复卷机的压力存在于三个位置：压纸辊与纸卷之f n j 、纸卷与前底辊之间和纸 卷与后底辊之间，压制辊压力最大就是压制辊加上横梁的白重。随着纸卷的增大，纸卷 重量的增加，压纸辊的压力随着纸卷重量的增加幅度成比例的减小，以维持底辊压区压 力恒定。底辊受到的压力包含两部分：成品纸卷的重力和压纸辊的压力，图2 4 是成品 纸卷重力作用带来的底辊压力随直径的变化。 开始起卷的时候，由于纸卷重力只是纸芯带来的一点点重力，它非常小，所以压区 压力主要是由压纸辊提供的，此时的成品卷直径非常小，纸卷几乎处在两底辊的缝隙中， 底辊压力的作用角很小，需要底辊提供和大的力才能平衡来自压纸辊和纸芯的重力。 随着成品纸卷的建立，纸卷自重逐渐增大，但是增大的速度在一开始没有底辊压力 陕两科技人学颂i j 学位论文 底 辊 j j i 力 纸卷直径 图2 - 4 成品纸卷重力作用带来的底辊压力随直径的变化 f i g u r e2 - 4t h en i pp r e s s u r ef r o mp r o d u c t i o nr o l lw e i g h tv sd i a m e t e r 的作用角增大的快，其结果是此时要增大压纸辊压力，以后成品纸卷重量的增加速度超 过底辊作用角的增加速度，又需要压纸辊减小压力。压纸辊压力控制图如图2 5 所示。 纸卷直径 图2 - 5 压纸辊压力控制曲线图 f i g u r e2 - 5r i d e rr o l lp r e s s u r ec u r v e c 扭矩差控制 前底辊和后底辊的扭矩差是我们控制纸卷紧度的主要途径，比如在开始起卷的瞬间， 纸芯上最初的几层纸【10 1 。 正转矩差是指前底辊的转矩大于后底辊的转矩，这使得起卷的时候卷的较紧，随着 成品卷的增大，转矩差逐渐减小，到最后可能需要后底辊转矩比前底辊大，以产生纸卷 紧度的抵消作用，来抵消由于纸卷重力增大而使得底辊压力增大带来的影响【2 1 如图2 - 6 。 现在复卷机的张力控制，压力控制，扭矩差控制，一般都作为直径的函数，以曲线 的形式存储，在复卷过程中，自动的根据直径调整各个参数大小来控制纸卷紧度。 复卷机i 乜榨系统的设计 抖 矩 差 图2 - 6 扭矩差控制曲线 f i g u r e2 - 6t o r q u ed i f f e r e n c ec o n t r o l 2 3 本课题的控制方法 复卷机是一个多电机拖动自动控制系统，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。按照所完成的功能不同这罩把复卷机分 为卷取、放卷和辅助传动三部分分别叙述。卷取部分包含前底辊和后底辊两个传动点， 放卷部分包含一个传动点，圆刀和导纸辊功能比较独立划分为辅助传动。 卷取和放卷两部分靠纸幅联系在一起。放卷部分的作用是提供一个反向力矩，在复 卷过程中将纸幅展平并提供所需的张力，卷取部分两台电机作为一个整体其作用是在复 卷过程中克服放卷电机施加的纸幅张力，完成收卷任务。除急停外，卷取电机几乎一直 工作在电动状态，而放卷电机则根据复卷机的不同状态有不同的工作状态，引纸时放卷 电机为电动状态，加速时有可能为电动状态也有可能为制动状态，稳速和减速时均为制 动发电状态。 本课题中所有的传动电机均为交流电机，前底辊、后底辊、导纸辊和退纸辊分别采 用6 s e 7 0 矢量控制逆变器单独驱动，圆刀共包含5 把电机共用一台6 s e 7 0 矢量控制逆变 器。 2 3 1 卷取控制 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，关于耦合现象的分析在参考文献1 1 1 里有详细的分析，这里不再重复。 由于存在耦合现象，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。 陕两科技大学硕i j 学位论文 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 2 】。后底辊的工作模式为速度控制，是系统的主 车速没定点。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9 所示。 曰；曲 、 p ( m ) 后底辊 簟璧磬 。 一： 一一，一 。一j 图2 - 7 前后底辊控制方法 f i g u r e2 7c o n t r o lm e t h o df o rf r o n ta n dr e e 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。 a 加减速控制优化 由上述分析可以看出，复卷机的速度其实是有后底辊来控制，后底辊控制是一个典 型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，退纸辊由于存在动 态补偿可以很好的跟踪预定的加减速轨迹，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 决方法就是采用前馈控制。 为 一 。卜 + 够奄 卜 复卷机电摔系统的设计 前馈控制是主要针对大的滞后环节和扰动进行控制的方法，在伺服系统中应用较多， 复卷机系统中采用前馈控制的难点有：两台电机共同驱动一个负载、加减速过程的动态 转矩不仅有由电机拖动的前后底辊，还包括逐渐增大的成品纸卷以及压纸辊。对此需要 建立复卷机的卷取数学模型对动态过程中的主要扰动进行分析。 1 ) 复卷机的卷取数学模型 为简化数学模型本文进行了如下假设： ( 1 ) 把电机、负载作为一个刚体模型束考虑，忽略机械轴承弯曲和形变。 ( 2 ) 各辊子之间接触良好，不存在打滑。 ( 3 ) 忽略纸卷径向紧度的变化。 ( 4 ) 前底辊、后底辊、压纸辊同成品纸卷间的滚动摩擦力以成品纸卷的黏性摩擦力 形式存在，黏性摩擦系数恒定。 ( 5 ) 前底辊，后底辊，压纸辊摩擦阻转矩只考虑黏性摩擦。 ( 6 ) 忽略压力变化的影响。 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 ，所以只考虑粘性摩 擦转矩不会对问题的分析产生影响【1 3 】。 图l 是卷绕部分受力图，实际接触辊之间还存在相互压力，但由于本文分析忽略压 力变化的影响，所以没有在图中标出。图中符号说明如下： 前底辊 j 2r 21 3 2 成i f 。纸 d 4r 4b 4 图2 - 8 卷绕部分各辊受力图 f i g u r e2 - 8t h ef o r c eo fw i n d i n gr o l l sa n dd r u m s 陕两科技人学帧i j 学位论文 图中： f ：纸幅张力 p 0 6 ：a 辊对b 辊的摩擦力 以 ：a 的转动惯量 尺。 ：a 的半径 b： 的粘性摩擦系数o a 毛 ：作用在a 辊上的电磁转矩 由受力分析图可得以下转矩平衡方程： 以( - 1 ) 1 + b i q + 飓+ 五1 墨= 乙1 j 2 缈2 + b e c o ：+ 五2 r 2 = t e 2 以0 ) 4 - 1 - 绞c 0 4 = 互4 r 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 以0 9 3 + b c 0 3 + t 4 3 r 3 = ( 互3 + 互3 ) 恐 ( 2 - 4 ) 因为辊间的相互摩擦力大小相等，即正。= 墨，砭= 互，五。= r 4 ，将式( 2 - 1 ) 、 ( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 带入( 2 4 ) 得： 以趣蝴+ 惫( 以五十b 4 c o , ) + 等( 以匆蝴+ 咫喝) + 乏( 以远+ b ：c o z 也) _ o ( 2 5 ) 由前面假设：各接触面均不存在打滑，故各辊线速度一致： c o l r j = 0 ) 2 r = ( 9 3 r 3 = c 0 4 r 4 ( 2 6 ) 后底辊是复卷机速度控制的主点，把前底辊，成品卷和压纸辊角速度都用后底辊速 度表示： ( 2 7 ) ( 2 8 ) r r 墨一b q q = = 胁 胁 复卷机l 乜控系统的设计 兄 他锄云 同时可得由后底辊角加速度表示的各辊角加速度： 兄 c o , = 缈l 上 。 r r 纰2 国i 1 r 4 。：一二、r l 。r lr 3 鸭一1 芎咱萌 把以上角速度、角加速度带入( 2 5 ) 式得： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) c 和和和地+ 唾+ - 嘻+ - 唾一嚆扣弦 喝+ 叁。飓 式( 2 1 3 ) 就是折算到后底辊的复卷机动态数学模型，它表示的是一个时变系统， 其中有三个输入：r e 。，r e ：，f 有一个输出：q 。 等式左边的系数中以，r 均为变量( 以可以表示成r 的函数) ，其它系数为常量。 为了实现仿真，需要得到足的表达式，为此考虑以下数学模型：假设纸幅经过后底辊卷 绕到成品纸卷后厚度不变，则有：s h = 万( 霹一藤) ，其中s 为卷绕到成品纸卷上的纸幅长 度，乃为纸幅厚度。s 可以表示为后底辊角速度c o j 的函数即：s = r 1 皑d t b = 痧 为了观察成品纸卷成品纸卷半径变化带来的影响，考虑增加以下几个输出量： j = j 、七j 2 蕞+ j 3 鼍七j4 甍 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 陕两科技大学帧 ：学位论文 马= 黔 以= 圭万坝霹一霹) 妒以簧 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) b 一曰= o + 反簧+ b 簧+ 日簧一以等等 c 2 。9 ) 为了仿真该时变系统，这里采用了构造s 函数的方法【1 4 】。 2 ) 仿真分析 复卷机的前底辊和后底辊通过负载发生耦合，系统速度取决于前后底辊的转矩和。 但是根据复卷机的紧度控制要求，前底辊的转矩实际是根据后底辊的转矩计算出来的， 在运行过程中前底辊的转矩始终和后底辊转矩保持一定偏差，偏差值通常由经验决定。 这样可以通过一个转矩值得到两个电机的转矩给定，系统车速v 与t 1 ，t 2 的关系就变成 了v 与t 1 的关系，从而起到了解藕的作用【1 1 】。正常运行的复卷机卷取控制如图3 所示。 其中转矩调节器被认为是理想调节器，即输出转矩可以瞬阳j 达到给定转矩，由于现代调 速装置的转矩响应时间很短，在工程应用中这样处理不会影响系统精度。仿真过程，假 设扭矩差均保持恒定。前后底辊电机的转矩，转速，转动惯量都折算到对应的底辊上。 忽略纸芯转动惯量。 仿真参数：运行车速1 5 0 0 m m i n ，加速时间6 0 s ，纸幅张力1 3 0 0 n ，张力斜坡时间 1 0 s ，= 1 6 9 堙m 2 ，以= 1 4 9 堙m 2 ，j 4 = 1 1k g m 2 ，r2 r j 2 0 3 m r 42 0 1 5 7 5 m ，吆芯5 0 0 5 m ， b z = e = 1 5 n m s r a d ，b = 2n m s r a d ，色= o 5n m s r a d 复卷机i 乜榨系统的没计 图2 - 9 复卷机卷取控制系统 f i g u r e2 - 9w i n d e rw i n d i n gc o n t r o ls y s t e m 仿真过程包含两个阶段：0 - 6 0 s 为车速从0 到1 5 0 0 m m i n 的加速阶段，6 0 s 一1 5 0 s 为稳 速阶段。 直径增长曲线如图2 1 0 ：在o 15 0 s 时间内，成品纸卷半径从0 0 5 m 增长到0 4 9 1l m 。 图2 - 1 0 直径增长曲线 f i g u r e2 1 0d i a m e t e rg r o wc u r v e 图2 - 1 1 是总粘性摩擦转矩系数曲线，从计算公式b = e + 岛篙+ 唾+ 色簧一以每等 可以看出b 是r 3 的函数，由于启动时r 3 远小于r 1 这使得此时的总粘性摩擦转矩系数 很大，约7 6 ，之后随着r 3 的增大b 迅速减小最后趋于稳定值5 1 7 左右。 图2 - 1 1 总粘性摩擦转矩系数曲线 f i g u r e2 11t o t a lv i s c o u sf r i c t i o nc o e f f i c i e n tc u r v e 陕两科技人学帧i j 学位论文 成品纸卷的转动惯量j 3 随着纸卷半径r 3 的增长由0 逐渐增加到2 5 0 k g m 2 ，增加了 2 5 0 k g m 2 ，但总的转动惯量j 只有不到1 0 0 k g 垅2 的增加量，如图2 1 2 所示。原因是对底 辊产生影响的成品纸卷转动惯量是以。= 以r 娶而不是j 3 。3 图2 - 1 2 转动惯量变化曲线 f i g u r e2 12i n e r t i ac h a n g i n gc u r v e 图2 1 3 和图2 1 4 分别是复卷机加速的初始阶段和进入稳速时的曲线，可以看出初 始阶段的偏差较大而且到达稳速时刻有1 0 m m i n 左右的速度超调。 图2 - 13 速度曲线嚏始阶段图 f i g u r e2 13s p e e dc u r v e b e g i n n i n gs t a g e 图2 - 1 4 速度曲线一稳速阶段 f i g u r e2 14s p e e dc u r v e s t a b l es t a g e 以上是一个新卷加速和稳速时的情况，如果中间有接头，这时成品转卷从一定直径 开始加速，启动的总转动惯量增大，在这种情况下，启动时刻会存在更大的静差，进入 稳速时刻也会有更大的速度超调。为了改善这科，情况，就需要进行动态转矩补偿。动态 转矩等于转动惯量和角加速度之积。对转速给定求导数可得角加速度，转动惯量前面已 复巷机电拄系统的设计 经得出，= + 以篙+ 以簧+ 以簧， 加速转矩是前后两底辊的转矩总和的一部分，需 要两底辊共同承担，应该将总的动态转矩一分为二，在前后底辊电机上分别各叠加一半。 各仿真参数均保持不变，加入动态补偿后的启动和稳速曲线分别如图2 1 5 和图2 1 6 所示，可以看出启动时刻实际速度可以很好的跟踪给定速度，进入稳速时无超调。 图2 15 速度曲线一起始阶段图 f i g u r e2 15s p e e dc u r v e b e g i n n i n gs t a g e 图2 1 6 速度曲线一稳速阶段 f i g u r e2 16s p e e dc u r v e s t a b l es t a g e 动态补偿是解决复卷机车速不能快速跟踪给定和抑制车速超调的有效方法。在实际 系统中实施动态补偿的主要问题是转动惯量的计算。本课题中在计算时把转动惯量分成 了固定部分= 以+ 以簧+ 以簧和可变部分山= 以簧 ，以为一个常数， 需要根 据成品纸卷直径实时计算出来，两部分之和就是总的转动惯量。 b 稳速控制的优化 随着成品纸卷直径的增大，收卷部分的转动惯量和摩擦转矩都在发生变化，所以复 卷机在稳速运行中是一个时变系统。随着参数的变化，复卷机的速度控制性能也在发生 变化，其中转动惯量的影响占主要部分，为了减小这种参数变化带来的影h 向，本课题将 后底辊的速度调节器增益k p 和成品纸卷转动惯量折算值以= 以告保持了一定联系，随 “3 着成品纸卷转动惯量的增大k p 也成比例的增加。如下图所示： 陕两科技人学硕 ：学位论文 i 冒t k p 一卜偷 后底辊一 图2 - 1 7变增益控制 f i g u r e2 17k pa d a p t a t i o n 2 3 2 扭矩差控制 前后底辊的转矩差控制的通常做法是通过把后底辊的转矩给定t 乘以一个系数k ， 即k t 作为前底辊的转矩给定，在复卷过程中调节系数k 的大小就实现了控制两个底辊 扭矩差的目的。但是这种方法却存在一定的问题，具体考虑如下： 假如后底辊转矩给定为t ，则前底辊转矩给定为k t ，两个底辊输出转矩之和为 ( 1 + k ) t 。在稳速过程中，这个输出转矩和负载转矩平衡，大小相等，如果突然增大前后 底辊的转矩差k ，那么两底辊的输出转矩之和也会随之增大，这必然会引起系统车速的 增加，后底辊的速度调节器检测到速度反馈上升，会降低转矩给定t ，从而降低两底辊 输出转矩和，最终回到改变k 之前的值。所以每一次扭矩差的改变都会引起一个速度的 调节过程，不利于系统的稳定。 为了消除这种影响，本课题采用了另外一种扭矩差的分配方法。假如后底辊转矩给 11 定为t ，扭矩差为丁，则后底辊的转矩给定改为t 一_ i a t ，前底辊的转矩给定为丁+ - i a t ， = z2 这样无论怎样改变扭矩差前后底辊的转矩给定之和始终为2 t ，