（电力电子与电力传动专业论文）基于交流电机调速的恒张力控制系统的研究.pdf

a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ep e r f o r m a n c eo fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e sc o n t i n u e dt o c o n s u m m a t ea n dt h ea cm o t o rs p e e dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h ef r e q u e n c ys p e e d c o n v e n e rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dt h e i ri n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no f t h ed e v i c e t h ec o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi sb a s e do n f r e q u e n c yd r i v eu pa n d c o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi s v e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y e q u i p m e n tr e v e n u el i n ep r o c e s sc a l lb ea c h i e v e dt o c o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o lw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo ft h e i r p r o d u c t s i nm yp a p e r , i ti n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fm o t o rc o n t r o la n dt h em o d e r n a cv a r i a b l e s p e e ds y s t e mo fb a s i ct y p e s ，a l s of o c u so nt h er e a l i z a t i o no ft h e f r e q u e n c yc o n t r o lm o d e ，a n di td e s c r i b e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft e n s i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y a n ds e v e r a lc o m m o n l yu s e dt e n s i o ns e n s o r ，i nt h ep r e v i o u ss e c t i o n ；i n l a t e rc h a p t e r s ，i ts t u d i e dt h er e v e n u el i n ep r o c e s so fb i gb e a r i n go fs t r a n d e r , a n di t a n a l y z e dt h eb a s i cc o m p o n e n t so ft h ec o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma n dt h e c o n t r o lp r i n c i p l e ，a n d ，i tr e s e a r c h e dt h ec o n t r o ls t r a t e g yw h e nt h em o t o rw h i c hb a s e d o nt h ei n v e r t e rd r i v ea st h ep r i m a r yd r i v e t h el i n es p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w od r i v eu n i t sf o r m e dt h et e n s i o nd u r i n g t h er e v e n u el i n ep r o c e s s d u r i n gt h er e v e n u el i n ep r o c e s st h er o l l d i a m e t e r ( d ) i st h e f u n c t i o no fr e c e i v e - l e n g t h ( l ) ，m o r e o v e rc h a n g e si nl i n es p e e d ( v ) a n dc h a n g e si n t e n s i o n ( f ) a sw e l la sc h a n g e si nr o l l d i a m e t e r ( d ) ，t h e r e f o r et h er e v e n u el i n ep r o c e s s i sac h a n g e sp r o c e s s d u r i n gt h ee q u i p m e n tw o r k i n g , y o ud e s i g np i dc l o s e dl o o p c o n t r o lo ns p e e da n dt e n s i o n , w e l lt h e nb ea b l et oa c h i e v ec o n s t a n tl i n e a rs p e e da n d t e n s i o nc o n t r 0 1 i nt h ee n d ，t h i sp a p e rd e s i g n sac o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o l s y s t e mw h i c h c o n s t i t u t eb yp r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ，i n v e r t e r , h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，e n c o d e r , t e n s i o ns e n s o r s t h i ss y s t e m sc h a r a c t e r sa r ei ti n c l u d i n gav a r i e t y o fm e a n so ft e n s i o nc o n t r o l ，i ta d o p t i n gm o d u l a rd e s i g n , i th o l d i n gg o o dc o m m o n a l i t y a n dp r e c i s ec o n t r o la n dd y n a m i c p e r f o r m a n c eb e c a u s ee v e r yp a r tr e l a t i v e l y i n d e p e n d e n t t h es y s t e mh a ss u c c e s s f u l l yp a s s e dt h ec o m m i s s i o n i n g t o d a y , i th a s s t a r t e dt on o r m a ls a t i s f a c t o r yo p e r a t i o n t h i ss y s t e mi sn o to n l ys u i t a b l ef o rb i g b e a r i n go fs t r a n d e rr e v e n u el i n ee q u i p m e n tc a na l s ob eu s e df o ro t h e rp r o c e s s e sh a v e r o l l i n gm a c h i n e s ，s u c ha sp r i n t i n ge q u i p m e n t ，p a p e rm a k i n ge q u i p m e n t ，t e x t i l e i i e q u i p m e n t ，h a se x c e l l e n tm a r k e t i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc o n v e r s i o nd r i v e ，t e n s i o nc o n t r o l ，c o n s t a n tl i n e a rs p e e d ，p i d c o n t r o l l e r i i i 武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ： i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着电力电子变换技术的快速发展，交流变频技术在工业控制领域得到了 广泛应用。各种功能的变频器不断涌现，张力控制手段也因此得到了发展。目前 张力控制系统研究的重点是：线速度恒定、张力基本稳定且高效节能的控制手段。 1 1 课题背景及意义 张力控制广泛应用于金属制品、印染、造纸、纺织等行业，在传统的电力 拖动领域中，张力控制是非常经典的控制环节。同时因为控制对象、工艺要求及 控制精度、效果的不同，存在相应的难点。张力控制的目的就是保持生产材料上 的张力恒定，这就依赖于两个方面：一方面是收线电机的速度与主电机的速度差， 我们知道，随着收线长度的增加，收线轮的直径的逐步变大的，如果要保持收线 轮的线速度恒定，收线电机的转速必须随着半径的增加而减小。因此，当主电机 的速度不变时，收线轮的转速只有逐渐减小才能满足要求。另一方面，随着收线 轮的直径、重量的不断增加，收线电机的转矩也要不断地增大，才能保持收线张 力的稳定。如果收线轮的转速、转矩不改变的话，就会出现张力太小而不能保持 张力恒定，设备就无法正常运行。 自上世纪8 0 年代变频调技术被引进中国以来，变频调装置速作为节能应用 与速度控制领域中的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。变频技术具有 调速性能好、功率因数高、可实现软启动等优点，这些优点使变频器在实际应用 中具有显著的节能效果。变频调速是目前交流电动机最理想、最节能的调速方案。 基于交流电机调速的恒张力控制系统在工业生产上有其广泛的应用前景，特别是 变频技术在交流电动机调速方面广泛应用的今天，是交流电动机最理想、有发展 空问的控制系统，具有卓越的调速性能和显著的节能作用u 。 可调性能高和节能效果好是基于变频传动的张力控制系统的研究的主要意 义。该系统的制动张力不需通过外部的摩擦力提供，所以就大大减少了固易耗件 和发热量。在变频传动系统中，多台电机同时起动有利于克服启动时相对较大的 静磨擦力，而且使起动更平稳快捷；而减速过程中，所有的电机处于制动减速状 态，其多余的电能既可以通过滤波器反馈到电网，也可以通过制动斩波器、制动 电阻消耗掉。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 张力控制研究的现状与发展 一般来讲张力控制就是要能控制电机输出多大的转矩，有多高的转速。以模 拟量器件为主的早期的张力控制系统，系统复杂，可设置选项少，系统的控制精 度不高，调试困难。随着检测技术的不断发展，计算机实时控制技术，电力电子 技术，张力控制系统逐渐由模糊控制转向精确控制。 根据控制系统的被控制对象分，目前市场上主要有以下两种张力控制系统： 一种就是以磁粉制动器( 离合器) 为主要执行部件的张力控制设备，由于磁粉制动 器的输出转距与通过其电感线圈的电流具有很好的线性关系，因而只要通过相应 的张力检测器件检测现场的张力值，对应此输出相应的通过磁粉制动器的激励电 流就能实现动态控制，保持现场张力的恒定。这类张力控制系统主要用于低张力 控制的造纸，纺织等行业中。另外一种是以变频电机为执行部件的张力控制系统， 其主要特点就是通过控制变频器的输出电流或者输出电压来实现电机转速的控 制，从而实现现场张力的恒定，该类系统只要应用于对速度和张力都有较高要求 的大规模工业系统中，如钢铁行业，电缆制造业等。 张力控制是指能够持久地控制材料在设备上输送时的张力的能力。这种控 制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的启动、停止、加速、减速 和正常运行时。即使在紧急停车情况下，它也有能力保证料不产生丝毫破损。张 力控制的发展基本上经历了分手动张力控制，开环式半自动张力控制和闭环式全 自动张力控制三个阶段。第一阶段，手动张力控制就是在收卷或放卷过程中，当 卷径变化到某一阶段，由操作者调节手动电源装置，使电机速度改变，从而达到 控制张力的目的。不过在高速连续生产的设备中手动张力控制系统己基本被淘 汰，而仅仅作为闭环式全自动张力控制系统中的一种操作模式存在。第二阶段， 开环式半自动张力控制又称卷径检测式张力控制，它是用安装在卷轴处的接近开 关或在电机上面安装编码器，检测出卷轴的转速，并通过所设定的卷轴直径初始 值和材料厚度，累积计算求得收卷或放卷筒当前的直径，相应卷径的变化输出相 应的控制信号，以控制收卷转矩或放卷制动转矩，从而调整张力。因为收线轮每 排完一层，卷径会发生变化。此种张力控制一般不受外界刺激的影响，能实行稳 定的张力控制。但是，由于受传动装置的转矩变化、线性变化和机械损耗等因素 影响，这种张力控制的绝对精度较差。第三个阶段，闭环式全自动张力控制是由 张力传感器直接测定材料的实际张力值，然后把张力数据转换成张力信号反馈回 张力控制器，通过此信号与控制器预先设定的张力值对比，计算出控制信号，自 动控制执行单元则使实际张力值与预设张力值相等，以达到张力稳定目的。它是 目前较为先进的张力控制方法。另外，张力执行机构上，由于设备速度越来越高 2 武汉理r t 人学硕士学位论文 就对张力控制提出了更高的要求，因此在高速设备中已被交、直流电机执行单元 所取代，实现了更加先进的张力伺服控制。这正是基于交流电机调速的恒张力控 制系统研究的意义。在变频传动系统中，变频器本身就是一个集自动控制理论和 计算机技术于一身的高性能控制器，它有良好的接口可与外部控制信号对接，它 可很容易构建闭环控制系统提高控制精度，并真正实现全自动控制”。w 。 近年来，张力控制系统结合了最新的电力电子技术，检测技术，数字控制技 术于一身，向着多功能，一体化，产品系列化的方向发展。相对来说，国外张力 控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的控制，而且对于初始建立张 力、抛尾过程张力都有较好的控制，并且有友好的人机界面，完善的功能，如缓 冲启动，防松卷功能、手动自动控制、模式选取、控制参数的保存和调用、自 诊断模式、多种通讯接口等，但是价格却相对昂贵。国内的张力控制系统基本停 留在手动随机、半自动控制的水平上，有部分采用模拟检测、模拟放大控制输出 的产品，可控性和人机界面效果不好，控制精度不高，迫切需要更新换代。 1 3 论文的主要研究内容 在国内外研究成果的基础上，本课题根据在实际生产中的需要，深入探讨以 下几方面的问题： ( 1 ) 研究了交流电机的变频调速系统，讨论了交流电机的变频调速系统根 据张力的瞬时变化，来调整交流电机的即时速度； ( 2 ) 深入研究了生产过程中张力是如何产生的，在原来的张力控制的基础 上进行改进，找到新的更为简单的恒张力控制方案。 ( 3 ) 在新的张力控制系统中，以编码器和张力传感器为检测单元，实现速 度与张力的闭环控制，从而实现恒张力控制。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章交流电机调速及恒张力控制系统的 研究 2 1 交流电机调速系统原理 自上世纪8 0 年代变频调速被引进中国以来，变频调速作为速度控制领域中 越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。变频技术具有调速性 能好、功率因数高、可实现软启动等优点，这些优点使变频器在实际应用中具有 显著的节能效果。变频调速是日前交流电动机最理想、最节能的调速方案。 2 1 1 同步电动机调速原理 由电机学可知同步电动机的转速公式为 刀：盟 ( 2 1 ) 式中，z 为电机定子供电频率；为电机极对数。由式( 2 - 1 ) 可知同步电机唯 一依靠改变电机定子供电频率调速。 2 1 2 异步电动机调速原理 由电机学可知异步电机转速公式为 刀：6 0 f s ( 1 一s ) ：6 0 c o , 、 1 一 r p2 刀 n v ( 2 2 ) 式中，z 为电机定子供电频率；为电机极对数：q = 2 万z 为定子供电角频率 ( 角速度) ；s ：型：型为电机转差率，其中，吃：垒监：罢堕为电机 n ssr t ,z 氕n o 同步转速。由式( 2 2 ) 可知，当电机极对数和转差率s 确定后，如果均匀地 改变异步电机的定子的供电频率z ，就可以平滑地调节电机的转速疗。变频器所 运用的调速方法就是改电机变定子供电频率进行调速 7 卜 1 l 】。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 变频调速 从异步电动机的转速公式可知，若改变电源频率z ，则可平滑地改变异步 电动机的同步转速：6 0 f , ，异步电动机的转速以也随之改变，所以改变电源频 玎p 率可以调节异步电动机的转速。变频调速属于转差功率不变型调速类型，具有调 速范围大、平滑性好等特点，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。而且 随着电力电子技术的发展，许多简单可靠。性能优异、价格便宜的变频调速装置 已得到广泛应用。 在异步电动机调速时，总希望保持住磁通中。为额定值，这是因为磁通太弱， 电动机的铁芯得不到充分利用。是一种浪费；而磁通太大，又会使铁芯饱和，导 致过大的励磁电流，严重时甚至会绕组过热而损坏电动机。对于直流电动机，其 励磁系统是独立的，只要对电枢的补偿合适，容易保持不变。而在异步电动机 中磁通是定子和转子磁势共同作用的结果，所以保持。不变的方法与直流电动 机的情况不同。 根据异步电动机定子每相电动势有效的公式： e = 4 4 4 f _ l l 丸1 肿 ( 2 3 ) 如果略去定子阻抗压降，则定子端电压玑e 。，即有 u 。e 。= 4 4 4 彳m k l 册 ( 2 - 4 ) 上式表明，在变频调速时，若定子端电压不变，则随着频率彳的升高，气隙 磁通。将减小。又从转矩公式 ue 乙= g 。c o s 仍- 孚= 可知，在相同的情况下，彬的减小势必导致 j 1h 电动机输出转矩的下滑。使得电动机的利用率恶化，同时，电动机的最大转矩也 将减小，严重时会使电动机堵转。 反之，弱碱性频率石，则。将增加，使磁路饱和，励磁电流上升，导致导 致铁损急剧增加，这也是不允许的。因此，在变频铁损过程中应同时改变定子电 压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例的改变电压和频率，这要分基频( 额 定频率) 以下和额定频率以上两种情况讨论1 2 3 ，1 引。 2 2 1 基频以下调速 根据式( 2 - 4 ) ，要保持。不变，应使定子端电压与频率石成比例的变 5 武汉理丁火学硕士学位论文 化，即： ue 粤粤= 常数 石彳 ( 2 5 ) o a y - r = 砗瓦，因此为了保证变频调速时电动机过载能力不变，就要求变频前 后定子端憾频率及转矩满足鲁= 番 吼 等= 鲁房 协鼬 式( 2 8 ) 表示在变频调速时，为了使异步电动机的过载能力保持不变电阻端电 压的变化规律。 对于恒转矩调速，因为瓦：丁，由式( 2 8 ) 可得等：等= 常数。即对于 恒转矩负载，采用恒压频比控制方式，既保证了电动机的过载能力不变，同时又 满足了主磁通。保持不变的要求，说明变频调速适用于恒转矩负载。 恒压频比控制调速时，异步电动机的认为机械特性。因为粤= 常数，故磁 通。基本保持不变也近似常数，因此异步电动机的电磁转矩可装示为： t = 堡2 x lf , ) 丽一 协9 ， 由于- u 7 ：常数，且当z 相对较高时，从式( 2 7 ) 可以看出，不同频率时的 ，1 最大转矩乙保持不变，所对应的最大转差率为 6 武汉理工大学硕士学位论文 屯：1 坠一，一1 ( 2 1 0 ) 铲而i 蒜瓦靠彳 旺。 r 2 + ( 以+ z ) 2 爿s 拟r 。石 不同频率时的最大转差率所对应的转速降落为： 觇2 南警羽6 0 r , 协 r ，2 + ( x 。+ z ) 2 z 万力p 【t + 。j 因此，恒压频比控制变频调速时，由于最大转矩和最大转矩对应的转速降落 为常数，故此时异步电动机的机械特性是一组相互平行、硬度相同的曲线。但在 石变到很低时，( e + z 。) 也很小，足不能被忽略，且由于u ，和巨都很小，定 子阻抗压降所占的份额比较大。此时，最大转矩和最大转矩对应的转速降落不再 为常数，而是变小了。为保持低频时电动机有足够大的转矩，可以人为地使定子 电压u s 抬高一些，近似补偿定子压降。 对于恒功率调速，由于匕：2 z r ft u ：三型二补偿恒定，则石巧：厂。z ，即 等= 等，代入式( 2 8 ) 可得 或 芳2 岳 等= 岳以v 。 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 由此可见，在恒功率调速时，如按皂：定值，控制定子电压的变化，能使电动 z 机的过载能力保持不变，但磁通将发生变化：若按鱼：定值，控制定子电压的 ，l 变化，则磁通。将基本保持不变，但电动机的过载能力保持将在调速过程中发 生。 2 2 2 基频以上调速 频率石从额定频率彳往上增加，即当石 石时，若仍保持鲁= 常数，势 7 武汉理工大学硕士学位论文 必使定子电压u 超过额定电压，这是不允许的。这样，基频以上调速应采取 设保持定子电压以= ，改变频率时异步电动机的电磁转矩为： ：，! 辎幺；(2-14)t 5 习而砀两 由于石较高，可以忽略定子电阻r ，故最大转矩为： 疋。：三；一丝丝罱嗡一三垒i = c 去 ( 2 - 1 5 ) 锄 22 万石( r + 瓜丽14 硝( 萎+ z 。) 。石2 一。 式中，c = 蔫为常数。 其对应得最大转差率与转速降落相同式( 2 1 0 ) 式( 2 1 1 ) ，为常数。 由此可见，保持定子电压玑不变，升高频率调速时，最大转矩乙随频率彳的升 高而减小，最大转矩对应的转速降落是常数，因此对应这一段不同频率的机械特 性是平行的，硬度是相同的，频率石越高，最大转矩越小。 相= 等不一亿 2 万石l ( 疋+ ) 2 + ( 以+ z 。) 2l 在异步电机的转差率j 很小时，由于形远大于冠、哆彳远大于( 鼍+ z 。) ，因 磁功率可近似为： n3 刀p 峨j 匕2 于 ( 2 1 7 ) 由上式可知，在基频以上的调速过程中，若保持阢不变，转差率s 变化也很小， 故可以近似认为调速过程中乞不变，即在基频以上的变频调速，可以近似为恒 功率调速。 2 3 张力控制系统的概念及原理 在金属制品、纺织、印染、造纸等工业制造行业中，在生产过程中保持张力 8 武汉理工大学硕士学位论文 基本不变，能够实现这一功能的系统，就叫做恒张力控制系统。目前，根据其测 量控制的原理结构不同，张力控制系统大致有以下三种： 1 间接法张力控制系统 2 直接法张力控制系统。 3 复合张力控制系统。 2 3 1 间接法张力控制原理 一般来说，间接法张力控制就是按照设定值与之实际张力间的差值来进行调 节，张力执行部件的磁场、激励电流等参数被间接地改变来动态调节现场的干扰 量；另一方面间接法张力控制系统也是一个开环的控制系统。图3 1 是一个卷取 传动的典型示意图1 4 - 17 | 。 减速箱 il ) 坷v f r 图2 1 卷取传动的典型示意图 卷取速度是电机m 通过减速箱输出给收卷轴的：假设所需的张力需要增大， 就需要调节励磁电流增加，励磁电流增加电机转速就增加，电机转速增加张力就 增大；反之假设所需的张力需要减小，就需要调节励磁电流降低，励磁电流降低 电机转速就降低，电机转速降低张力就减小。如果假设系统中使用的电机是直流 电动机，由电机学原理可知，直流电动机的输出转矩为： m = c , x o ( 2 - 1 8 ) 电机的空载转矩以及加速和减速时的动态转矩等在电机转动过程中是必须要在 考虑范围内的，所以，我们又可以列出如下的关系式： m = m d + m f + m o ( 2 1 9 ) 式中，鸩为电机加速或减速是的动态转矩，为电机的空载转矩，m f 为张 力转矩。当力矩达到动态平衡时，也就是电机旋转稳定时，坞的数值很小，近 似接近于零；另一方面，我们可以忽略掉电机的空载转矩，因为一般也很小， 所以，由式子( 2 1 8 ) 可化简得： 9 武汉理工人学硕士学位论文 朋f2c m e ；, i ( 2 2 0 ) 我们知道，m f 是在收卷的过程中与速度和卷径相关的量。所以在保证电机 激励磁通不变的条件下，只要检测出角速度或者卷径，动态修正激励电流即可实 现卷径与速度变化的情况下的张立恒定。 由上述的分析可知，控制精度的好坏取决于多种的因数。其中，卷径值和角 速度值是间接法控制张力的主要决定性因素，但可以通过激励电流的调节环节它 们的干扰来进行补偿。但是，间接张力控制系统的它本身固有的瓶颈，这种控制 系统没有办法对电机空载转矩和动态转矩引起的干扰进行补偿，这就在控制方面 存在一个精度的问题。在目前的条件下这一问题无法突破，成为间接张力控制系 统的制约因素，这一短板也就限制了它在大容量场合的应用。 2 3 2 直接法张力控制原理 我们知道间接法张力控制系统调节张力的方法是：通过改变电机的参数而调 整电机的速度或者是电机的转矩，使张力得以控制的。那么通过张力传感器的检 测，将瞬时的张力波动转变成与波动相对应的电流信号或者是电压信号，并把这 电流信号或者是电压信号传送到输入端并与我们设定的张力值进行比较，从而调 整电机的速度或者是电机的转矩。然而，在实际的张力控制运用中，现场的条件 是不能与我们实验室的条件相提并论的，现场往往是震动，噪声，电磁干扰比较 严重的，某一些因素对系统产生影响是会发生变化的，这就形成了很大不确定性， 因而就造成了间接法张力控制系统不能对某些干扰因素做出动态的补偿，因而使 系统的构建也显得性价比不高，控制精度不高。相比较而言，直接法张力控制系 统能够补偿实际的干扰因素对系统结果造成的偏差，所以要是设备在恶劣的条件 下稳定运行，直接法张力控制系统是最好的选择。在现实的工业生产中，这类控 制系统的应用非常广泛。直接法张力控制系统是利用张力传感器直接测量现场张 力，输入到控制器中，进行p i d 运算，直接输出控制信号，控制磁粉制动器， 调节转动力矩，从而实现张力的恒值控制。该系统总体的原理框图如下： 图2 2 直接张力控制系统原理框图 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 传感器在张力测量中的应用 实现恒张力自动控制的关键是能够精确地检测出瞬时张力的大小，而对于张 力的测量的基本思路就是：将张力引起的电气或者是物理参数的变化转化为与之 对应的电信号的输出，从而实现对瞬时张力值的测量。作为传感器工作的物理基 础的基本定律，概括起来有以下四种类型： ( 1 ) 守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律，是我们 探索、研制新型传感器时，或在分析、综合现有传感器时，都必须严格遵守的基 本法则。 ( 2 ) 场的定律：包括动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与 物体在空间的位置及分布状态有关。一般可有物理方程给出，这些方程可以作为 许多传感器的工作的数学模型。例如：利用静电场指定的电容式传感器；利用电 磁感应定律制成的电感( 自感或互感) 式传感器等。利用场的定律构成的传感器， 可称为“结构型传感器”。 ( 3 ) 物质定律：他是表示各种物质的本身内在性质的定律( 如胡克定律、 欧姆定律) ，通常以这种物质所固有的物理常数加以描述。因此，这些常数的大 小决定着传感器的主要性能。如：利用半导体物质法则压阻、热阻、光阻、 湿阻等效应，可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件：利用压电晶体物 质法则压电效应，可制成压电式传感器等。这种基于物质定律的传感器，可 通称为“物质型传感器”。这是当地传感器技术领域中最具有广阔发展前景的传 感器。 ( 4 ) 统计法则：它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。这些法 则，常常与传感器的工作状态有关，它是分析某些传感器的理论基础。 目前，有两种张力测量方式在工业中应用：一种是通过测量张力架的位直 的改变来取得；另一种是利用模拟量传感器测量张力辊的的位置取得，第二种方 法硬件设计简单并且操作起来更加容易，在实际运用中逐渐取代第一种方法u 训 2 0 3 2 4 1 张力控制系统中张力的检测 一般的张力检测系统中，两辊式的张力测量结构是应用最广泛的一种。其中 一个叫做测量辊，另外一个叫做辅助辊。被测量的织物绕于两个辊上，在测量辊 的摆臂上装一个能是传感器感应的配件，传感器固定在能够感应到的地方，如图 ( 2 3 ) 所示。 武汉理工大学硕上学位论文 在示意图中，我们假设f 为施加于张力测量期间上的总的合力，缠绕于测量 辊上的金属张力为t ，测量辊自重为g 。我们根据定滑轮与动滑轮组合后的受力 情况来分析，就可以得到如下结果： f ：三g + 丁 ( 2 2 1 ) 1 6 其中，我们可以通过传感器的调零功能来消除测量辊的自重g 。将张力转化 为电信号，张力就能够被测量出。 测量 传感 辅助 测量 a 侧面图b 正视图 图2 3 张力检测示意图 2 4 2 基于交流变频技术的恒张力控制策略 应用实践表明，采用现代交流调速技术实现系统的恒张力控制，极大的提高 了传动系统的运行质量，带来了极大的经济和社会效益。几乎每一个现代化的研 究开发项目都离不开科学技术的发展，同样道理，由于变频技术的飞速发展和在 实际中的广泛应用，使电机直接转矩控制与直接速度控制相结合的方法来控制系 统中的张力稳定成为可能。同样作为完整的全自动恒张力控制系统主要包括张力 设定、张力检测、张力控制三部分。我们可根据各种材料不同工艺需求的来设定 收线张力的给定值；可以采用张力调节辊带动电位计方式或者张力传感器来进行 张力检测；张力控制实质上是电动机的转速控制或者转矩控制。在所构成的应用 系统中，d p 通讯在p l c 和变频器之间实现转矩给定和速度限幅的信息的传递。 在工作过程中，假设拉出来的丝很细( 0 2 2 r a m ) ，在缠绕时所产生的缝隙 可以忽略不计。而根据体积不变原则，在工作中的某一时刻，收线轮上的线的体 积为： 屹= l n 型2 4 ( 2 - 2 2 ) 1 2 武汉理1 = 大学硕士学位论文 = 三万珑i 。4 ( 2 - 2 3 ) 设：屹为收线轮瞬时总体积；为收线轮原体积；见为收线轮的瞬时直径； 为收线轮最小直径；l 为收线轮宽。如图( 2 - 4 ) 所示： 辅 收线轮 a 收卷系统b 收线轮示意图 图2 4 全自动控制方式收线示意图 所以收线轮上的线的体积为：k = 圪一。； 再根据圆柱体体积公式：y = 胛2 h 设：圪为收线轮上的线的体积；t 为收线轮上线的长度：d 为线的直径。 即可得到：k = l , z d 2 4 = l t r o ：4 一上万d 4 化简得：三d 2 z - g d 2 m i 。= t d 2 ，即：皿= l s d 2 + l d m 。 式中d ，d n l 汹均为已知的常量，只有丘是一个变量，即见的大d , r - 与g 有 关。即可得出这样的结果：收线轮的直径大小，是由所收线的长度决定的，与其 他变量无关。 根据力矩计算公式，t = f s ，式中t 为力矩，为张力，s 为半径。 则： ，2 i 1 在系统中，随着收线长度的增加，其收线轮的半径是在逐渐增加的。要保证 张力f 恒定，就要求力距的变化与卷径的变化成正比。 即： 一t m i ：互 巩。d z 式中，为初始力矩，乏为在工作过程中的瞬时力矩。 武汉理工大学硕士学位论文 t d 2 + o n 7 一 那么：乏= 已i 。 生= 乙上_ l 一 ( 2 2 4 ) 上j nl 8 所以，在某一时刻，其力矩的大小就可以通过这个式子在可编程控制器内计 算出来，再把这个数值通过d p 通讯送到变频器。 在大型的的捻股机的收卷过程中，为了更好的提高产品质量，其收卷电机 采用的是力矩控制模式。该系统中，触摸屏，可编程控制器与变频器之间的连接 如图2 5 所示。在这个系统中，我们可以在显示屏上设定电机的张力大小和速度 限幅的频率，p l c 把这两个数字量读入，通过力矩计算，把张力变成模拟量信号 给定到变频器。那么，变频器在执行这一指令时，电机就是在力矩恒定的状态下 工作的。当收卷轮的卷径增大时，p l c 就通过卷径计算，力矩计算。把新的模拟 量信号传送到变频器，变频器又执行这一新的指令。这样通过不问断的计算，收 卷电机的转矩在随卷径的增大而增大，就可以保证收卷电机的张力恒定2 1 卜3 训。 图2 - s 收线系统控制框图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章新型p i d 控制在张力系统中的应用 3 1p i d 控制的基本原理 目前，工业控制中应用特别广泛的一种控制算法是p i d 控制算法。纵观p i d 应用的漫长时期，许多先进的控制算法在这期间不断的出现，但是p i d 控制算 法始终没有被取代，其根本原因是：控制器件结构简单；参数容易调整；人们 的经验丰富，因而p i d 控制算法在工业生产中应用非常广泛。此外，随着科学 技术日新月异，特别是分布式控制的广泛应用，用微机己经能够方便地实现p i d 控制。p i d 控制算法与其它控制方式结合在一起，会使p i d 算法可以得到改进 而更加完美。现在新型的计算机软件的灵活性特别强，控制效果更加可观，实 用。在目前的工业控制领域，过程控制系统有超过九成的是采用p i d 控制技术。 p i d 控制器的典型应用框图如下图所示： 图3 一lp i d 控制典型系统框图 p i d 控制算法常规的分为增量式和位置式两种。 3 1 1 增量式p i d 控制算法 p i d 控制算法由比例、积分和微分三部分组成 3 l 卜3 羽。 首先推导比例控制算法，对于连续形式的比例控制环节，可表示为： u ( ，) = k p 木p ( ，) ( 3 - 1 ) 式中，u ( ，) 为比例环节的输出量；p ( f ) 为输入量；蜂为比例常数。 式( 4 1 ) 的离散形式可表示为： u ( n t ) = k p 宰p ( 刀丁) ( 3 - 2 ) 1 5 武汉理t 大学硕上学位论文 式中丁为采样周期，挎为采样次数。为简单起见，可将u ( n t ) 写为下标形式以， e ( n t ) 写为e 。即可得到比例控制环节的离散型的简化形式： 乩= k 。木气 ( 3 3 ) 在第刀一1 次采样周期中，可以得到： 以一l = k 口木巳一l ( 3 - 4 ) 其增量形式为： “= - u 一i = k 口( - - e n i ) ( 3 5 ) 此式就是比例控制算法。 同理：连续性积分控制环节u ( f ) = 墨，e ( t ) d t ，其离散形式为： o “= k 磁= k 丁巳 ( 3 - 6 ) 其增量形式为： a u = 乩- u 一i = k 一l ( 3 7 ) 连续性微分控制环节u o ) ：k ed e ，其离散形式为： a t 虬：杨华 ( 3 8 ) 其增量形式为： a u ：虬一一。：；( 一2 一。+ 一2 ) ( 3 9 ) 由以上三个增量方程，可得数字p i d 控制器的控制算法为 a u = o n w n - 1 - - k p ( e 啤。) + 髟孕+ 了k d ( 一2 气q 愫2 ) ( 3 1 0 ) 上式称为p i d 的增量控制算法。我们对增量式算法归并之后有： a u n = k 1 e n + k 2 e , , 一l + k 3 e 一2 ( 3 - 1 1 ) 其中系数，k 1 - - k p + 等，k 2 - - - k ，t - k v - 2 争，k ， - - 益t 。 3 1 2 位置式p i d 控制算法 根据p i d 标准函数 ) = k v m 卅砉办+ 乃警】( 3 - 1 2 ) 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 并用求和的方式来代替积分，用作差的方式来代替微分，则 专f p c f ，出= 号粪p c 力 乃了d e ( t ) 寺叫) 】 ( 3 _ 1 3 ) ( 3 1 4 ) 把式( 4 1 3 ) 和( 4 1 4 ) 带入到( 4 1 2 ) 后，整理得： 土 u ( k ) = k p e ( k ) + k , p ( ) + 髟 p ( 七) 一p ( 七一1 ) 】+ u o ( 3 - 1 5 ) ，= 0 式中，玩为控制初值，即k = 0 时刻的控制量输出值；u ( 后) 为第k 个采样 时刻的输出值；k 。为比例放大系数；k 为积分放大系数；为微分放大系数。 全量算法就形如式( 4 1 5 ) 所表示的算法，这也是数字p i d 算法的非递推形式。 在这种算法中，只要存储起来系统偏差的全部过去值p ( f ) ，能够通过求和的方 式得到总的偏差值。控制量的绝对数值就是通过这种算法得出控制量的全量输 出u ( 尼) 。在控制系统中，“位置算法 的定义就是这种控制量确定了执行机构 的位置的算法。从上我们可以面的推导得到，增量式的p i d 控制算法控制量的 输出只与最近的几次采样有关，并不不需要作很多次的累加，因而节为了节省 系统的开销就不需要保存很多的采样值的量。其次，增量式与位置式相比，其 误动作产生的几率小，这是因为增量式输出的是控制量的增量，误差小。再次， 增量式算法中，能够比较容易的实现从手动到自动的无干扰切换，其原因是由 于机构本省具有良好的保持功能。 在p i d 的三个环节中，在比例调节部分系统的误差是按比例来反映的，如 果误差出现了，立刻比例调节开始起调节作用，从而保证系统的误差在可调范 围内。比例调节部分的特点是：调节速度快；调节幅度大。因此在系统中比例 调节系数应适中，如果比例调节过大的可以使系统稳定性变差，从而形成不稳 定的系统，造成后患。只要误差在系统中存在，积分调节就产生作用，一直到 误差为零，系统才会停止积分调节作用，整个p i d 控制器输出就是一定值。积 分调节作用的显著的特点就是：使系统的稳态误差消除。积分作用的大小是由 积分系数的大小决定的，若使积分调节控制效果强，就把积分系数设定较小数 值，反之若使积分调节控制效果弱，就把积分系数设定较大数值。加入积分控 制器可以使系统的动态响应变慢，稳定性变弱。但在实际的应用过程中，积分 作用不是单独使用的，常与另外一种或多种调节作用综合起来使用。微分控制 的主要作用还针对系统误差变化率的趋势的。具有很好的预见性，能够及时的 预见误差的趋势，产生超前的校正作用，因而能够在误差没有产生之前就可以 产生作用消除误差。但是，微分作用在系统中有干扰信号的时候，会对干扰信 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 号产生放大的作用，因而必须合理的选择微分参数，可以减少超调，得到最优 化的系统性能。一般微分参数都是和积分，比例系数一起结合起来使用，组成 p d 控制器或者使p i d 调节器。 3 2p i d 控制的改进算法 3 2 1 带有死区的p i d 控制 某些控制系统中，我们不希望控制作用频繁的动作，只是希望当误差超出 一定范围值的时候才起作用，只要输出处于这一范围之内就保持当前输出，这 一控制作用方式就叫做带有死区的p i d 控制算法。它的控制方式用式子直观写 出就是： 3 2 2 积分分离的p i d 控制 在一般的p i d 控制系统中，当在启动和停止期间，给定值有较大的变化时， 短时间内会产生较大的偏差，再加上系统一般都有滞后作用，就会产生严重的积 分饱和现象，造成很大的超调与长时间的振荡现象。所谓的积分饱和现象，就是 当系统控制输入变量达到一定数值之后，其输出变量也就不再增长，系统就进入 饱和区，这就要求系统的控制输出变量必须有一个范围： 。u ( 3 1 7 ) 若控制器的输出变量超过了上述数值范围，系统实际执行的不是控制输出变 量的值，而是控制输出变量的极值，控制达不到预期的效果，也可能会引起振荡。 为了克服这一缺点可以采用积分分离的方法，就是偏差较大的时候，即k i _ ，、l 。r 。f z 时，不考虑积分作用，采用p d 控制，这就是所谓的积分分离的p i d 控制h 。 3 2 3 不完全微分的p i d 算法 在有微分控制环节的时候，为了避免输入变量的大幅度变化时所造成的振荡 现象，可采取只对控制对象的输出变量进行微分，而对输入变量变化不进行微分， 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 构成不完全微分的p i d 算法控制4 0 1 。 3 2 4 自寻最优参数的p i d