（电力电子与电力传动专业论文）智能控制在复卷机控制系统中的应用研究.pdf

长春工业大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nm a n yf i e l d so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h et e n s i o nc o n t r o li so n eo fc o m m o n p r o b l e m si nt h ec o n t r o l l i n g a tp r e s e n t ，t h em a i nc o n t r o l l i n gm e a n si no u rc o u n t r yi s s i m u l a t i n gc o n t r 0 1 i nt h es i t u a t i o n so fh i g ha c c u r a c yd e m a n d i n gi t sd i f f i c u l tt oa c h i e v e t h ed e s i r e dg o a l b a s e do na b o v e - m e n t i o n e dc o n d i t i o n s ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n sa n e w l y n u m e r i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e m t h ec o n t r o l l i n go b j e c ti st h ed r i v i n gs y s t e mo fp a p e r r e w i n d e r , w h i c hi sd i v i d e di n t ot o wp a r t s t h es y s t e mg i v e sf i r s tp l a c et ot h ed r i v ew h e e l t h em a i np a r ti st h ep e r f o r m i n gc o m p o n e n to ft h ed r i v ew h e e lc o n t r o l l e db yd cm o t o r , t h a t i s ，t h ec o n s t a n ts p e e dc o n t r 0 1 t h ea s s i s t i n gp a r ti st h ep e r f o r m i n gc o m p o n e n to ft h e s u b s i d i a r yw h e e lc o n t r o l l e db yt h em a g n e t i cp o w d e rb r a k e ，t h a ti s ，t h ec o n s t a n tt e n s i o n c o n t r o l ，r l em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f i r s t ，t h ep a r to fd r i v ew h e e li sa n a l y z e da n dt h em a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e dw i t h t h er e l a t i v ek n o w l e d g eo fm e c h a n i c sa n dd cm o t o r d o u b l ec i r c u i t so fp w mc o n t r o li s a d o p t e db yd r i v ew h e e ls y s t e m ，a n dt h ep e r f o m i n gc o m p o n e n ti sd i r e c tc u r r e n td y n a m o t h ec u r r e n tc i r c u i ta d o p t sp ic o n t r o l ，a n dt h ec i r c u i to ft r a n s m i t t i n gs p e e du s e st h e m a n n e ro ff u z z y c o n t r o l l i n g t h ec u r r e n tc i r c u i ta n dt h ec i r c u i to ft r a n s m i t t i n gs p e e d a r es i m u l a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n ，w h i c hi sp r o v e dt ob ef e a s i b l e ( 2 ) t h em a i no b j e c to fs u b s i d i a r yw h e e li st oc o n t r o lt e n t i o n t h ec o n s t a n tt e n t i o ni s r e a l i z e db yc o n t r o l l i n gt h ee x c i t a t i o nc u r r e n to ft h em a g n e t i cp o w d e rb r a k e a c c o r d i n g t ot h el i n e a rr e l a t i o n s h i po fe x c i t a t i o nc u r r e n ta n d t o r q u e ，i t sd i f f i c u l tf o rp ic o n t r o l l i n g s y s t e mt oa c h i e v et h es a t i s f i n gc o n t r o l l i n ge f f e c td u et ot h eg r e a ta f f e c t i o no fd i a m e t e r c h a n g e so nc o n s t a n tt e n t i o np a r t 。s oi ti sp r o v e dt h a tf u z z yc o n t r o li sam u c hm o r e s a t i s f i n gm e a n s ( 3 ) a i m i n gt ot h ec o n s t a n ts p e e dc o n t r o lo ft h ed r i v ew h e e la n dt h ec o n s t a n tt e n t i o nc o n t r o l o ft h es u b s i d i a r yw h e e l ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h et w os y s t e m sa r ed e s i g n e di n t h ed i s s e r t a t i o n f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nt e s ti sc a r r i e do u tb a s e do nt h em a t h e m a t i c m o d e l ，w h i c hp r o v e st h a tf u z z yc o n t r o lh a sg o o df u n c t i o n sa n ds t r o n ga n t i - j a m m i n g p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：r e w i n d e r ，c o n s t a n ts p e e dc o n t r o l ，t e n s i o nc o n t r o l ， f 1 j z z yc o n t r 0 1 ，p w m h 长春工业丈学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。 有关观点、方法、数据和文献引用已经在文中指出，并与参考文献对应。除文中已注 明引用的内容外，本论文不包含其它任何个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 论文作出重要贡献的个人和集体，均已经在文申表明。 论文作者签名 日期： ：花知 l 商妒1年易月p 日 长春一业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 在工程和科学的发展中，自动控制技术起着极其重要的作用。经过了经典控制理 论和现代控制理论两个具有里程碑意义的重要阶段，自动控制在科学理论和实际应用 中都取得了辉煌的成就。当前，复杂系统的控制作为研究的前沿方向，控制理论歪向 智能控制理论m 等方面深入发展。 在工业生产的诸多行业中，卷绕是一种常见的控制问题，例如在纸张、织物、薄 膜、电线电缆、轧钢、拉丝等产品的生产过程中，保持张力的恒定是控制的主要问题， 张力过大，会造成物料拉伸变形，甚至断裂；张力过小，会使卷绕的产品打褶、堆积， 影响质量；张力不稳，会使卷绕的产品发生跳动，造成收卷不整齐。因此，为了保证 生产的品质、效率及可靠性，必须要有一套功能完备的张力控制系统来引导产品的加 工过程。 早期，由于受到技术水平及设备装置的限制，大多数的张力控制系统采用人工机 械式控制”1 。由操作者手工调整机械连杆来达到控制张力的目的。机械式控制虽结构 简单，操作方便，但其动态性能较差，控制精度低。传统的继电器式控制。由于采用 硬点接触控制系统，故障率高，维修量大，不能保证生产。近几年，随着计算机技术 的发展，特别是微处理器1 技术的不断成熟，很多企业将数字技术引入到张力控制系 统中，于是出现了模拟一数字混合的张力控制系统。另外，随着控制理论的不断发展， 一些新的思想和控制手段也被引入到张力控制系统中，诸如智能控制。 目前，国内外张力控制系统发展较快，总体上处于传统与新型控制方式并存的状 态，张力控制仪的融类、型号各异。国产张力控制仪主要有z k 、z k o 、h z k ”1 ，控制系 统多数是模拟的。国外张力控制仪主要有海纳( h a e h n e ) 公司、美国华那( w a r n e r ) 公司、日本三菱( m i t s u b i s h i ) 株式会社、法国k o t i s 等生产的系列产品，多采用新 型数字控制系统，控制精度高，功能全，但其价格昂贵。当今世界，在现代复卷机制 造技术方面，居于领先地位的只有两家公司，一是v o i t hs u l z e r 公司，另一个是v a l m e t 公司，其中v o i t hs u l z e r 公司。1 所生产的w i n d r u m - - m ”1 型复卷机在我国已有引进。 复卷是纸张生产中的最后一道工序，因复卷所出现的质量问题，再没有纠正和补 救的机会了。因此，复卷质量决定了最后的产品质量。 本文中的卷绕材料是用于卷烟的盘纸。香烟于1 9 世纪末传入中国，英美烟草公 司( b a t ) 于1 9 0 3 年在上海办起卷烟厂。到了2 0 一3 0 年代，中国已有近百家烟厂，所 用卷烟盘纸全部来自国外。直到1 9 3 6 年，国产卷烟盘纸才问世。4 0 年代，国产卷烟 纸受到战争的冲击，几乎停产。到了6 0 一7 0 年代，国产卷烟纸基本可以自给了。进 长春 二业大学硕士学位论文 入改革开放后，中国卷烟全行业进行了技术改造，引进了多国多种牌号的高速卷烟机， 满足了国内卷烟市场对盘纸数量的要求。近几年，国产盘纸在质量上也在不断提高“。 本文研究的主要问题是复卷机卷绕盘纸过程中张力的控制问题。在复卷机控制系 统中，盘纸张力控制对成品纸卷形态的影响至关重要。在整个复卷过程中，盘纸所受 的张力时刻都在变化着，盘纸运行速度的变化。卷径的变化，机械传动系统转动惯量 的变化和机械损耗的变化均构成对张力的扰动。这些因素存在着非线性和时变性，无 论用经典的p i d 控制、扰动补偿控制，还是一般的现代控制理论，很难获得满意的控 制效果，而模糊控制的最大优点是可以不依赖于被控对象的精确的数学模型，能够克 服非线性因素的影响，对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性，具有比传统控制系 统更优良的特性。 1 2 控制方式 张力控制在国内外的应用主要集中于纺织机械、印刷机械、轧钢机械、拉丝机和 精密缠绕机械等工业设备的生产过程中，控制方式多种多样，可选的执行机构种类繁 多，可采用的控制方式也比较广泛。 1 气动式自动控制 图l l 所示是一种卷筒随动式张力控制装置。该装置能够用连接到控制阀的随 动臂来调节。控制阀依照退卷半径大小，调节进入制动器的压缩空气的压力。 图i - - 1 一种气动式张力控制装置 2 液压传动控制1 液压控制技术已经相当成熟，并广泛应用于工程实际中。液压传动又分为电液伺 服控制和电液比例控制，比较而言电液比例控制的动力传递方便，输出功率大，控制 精度高和响应特性好。目前，国内外均将液压控制技术应用于各类卷绕机构上，尤其 是在轧钢等大功率生产线中占有重要地位，取得了良好的控制效果。在这一领域电液 比例控制和电液伺服控制相结合，获得了广泛应用。 2 长春工业大学硕士学位论文 3 电气自动控制 电气自动控制是目前应用较为普通的一种。其控制系统的方框图如图1 2 所示。 长期以来，直流电动机在卷绕机构传动控制中占据相当重要的地位，张力控制和速度 调节主要通过直流电机的传动“2 ”3 来实现，多采用p 州控制- 2 “，在传动控制方面有 一定的优越性。为保证产品的加工质量一般要求在卷绕过程中张力和速度均恒定， 但根据工艺要求可以进行调节。在线速度恒定时，主动轴( 即卷取轴) 转速与卷径成 反比，因此调节主动轴的直流电机就可以实现加工物的速度控制；加工物的张力控制 通过调节从动轴所连接的直流电机，产生一个与加工物传送方向相反的制动力矩。该 电机是由加工物拖着转的，工作在发电制动状态，张力与从动轴( 即退卷轴) 成双曲 线关系，故其受加工物速度和卷径的干扰。加工物线速度控制只要利用一卷径检测装 置构成速度闭环控制系统，调节励磁电流即可实现速度控制。目前，随着交流变频 技术“”2 ”发展，交流电机开始越来越多的用于张力控制系统中。 图l z 电气控制系统方框图 4 磁粉制动器( 或离合器) 的传动控制。” 磁粉制动器( 或离合器) 用作卷绕机构的传动控制，是一种较新的控制方式，通 常用于退卷轴上。它是由主动部分和从动部分组成，在中间填入很微细的铁磁粉末来 作为力的传递媒介。当激磁线圈不导电时，从动部分不会随主动部分运动。而当激磁 线圈通过一定的电流后，将磁粉磁化，在连续的滑动中将输出力矩耦合到从动部分。 用户只需调节激磁电流就可以方便的改变输出力矩。磁粉制动器( 或离合器) 的原理 是将主动部分固定，这样相对从动部分就会由一个阻力矩出现。磁粉制动器( 或离合 器) 所能传递的力矩大小，随激磁电流增大而增大。本论文是采用磁粉制动器控制退 卷机构，关于磁粉制动器的特性及详细资料请参考后续章节。磁粉制动器主要有以下 几个优点：在5 一1 0 0 的额定转矩内，激磁电流与转矩成线性关系，因此可以实现 力矩的精密微调；在激磁电流不变时，转矩不受滑差速度的影响；激磁电流断开时剩 余转矩非常小，不会有明显的延迟回转现象。正因为磁粉制动器的上述优点，使之成 为张力控制系统中执行部分的首选元件。 长春工业大学硕士学位论文 1 3 控制策略 p i d 控制是一种早期的、较基础的控制方法。常规p i d 控制器因具有原理简单、 鲁棒性强、动态和静态特性优良的特点，在工业控制中占有主要位置，但常规p i d 控 制器对系统模型的精确性依赖较强，对于非线性、时变性且受随机干扰的系统，一般 难以获得较好的控制性能。模糊控制方法是上个世纪后期出现的一种新型自动控制方 法，它无需建立精确的数学模型，只需确立一个“模糊模型”就能达到良好的控制效， 果。模糊控制方法”“1 尤其适用于参数具有时变性、系统结构具有严重菲线性和不确 定性的复杂系统，此方法较传统p i d 控制不仅反应速度快，而且抗干扰能力强。始于 本世纪四十年代的神经网络与模糊控制同属于智能控制，这种控制方法也无须精确 的数学模型，适用于具有时变性的复杂系统，且无须先验知识。鲁棒控制方法是针对 当数学模型存在不确定性和理想的性能要求( 包括外部干扰和未建模动态) 时，所设 计的控制器仍能使系统保持内稳定和理想的性能要求，在一定程度上弥补了现代控制 理论对数学模型依赖过高的缺陷，使系统的抗干扰能力大大提高。h 。鲁棒控制”不仅 可以减弱速度与张力间的耦合作用，而且能够分别实现干扰抑制和干扰跟踪，控制精 度也相当高。因此本文中所研究的张力控制系统采用模糊控制策略。 模糊控制是智能控制较早的形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点。从广义 上讲，模糊逻辑控制指的是应用模糊集合理论、统筹考虑系统的一种控制方式，模糊 控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统控制的一种有效途径。 1 4 模糊控制综述 1 4 1 模糊控制发展的历史 模糊数学诞生于1 9 6 5 年，它的创始人是美国的自动控制专家扎德 l a z a d e h ) 教授m “1 ，他首先提出用隶属度函数来描述模糊概念，并创立了模糊集合论，为模糊 数学奠定了基础。以模糊数学，模糊语言形成的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理 论基础的模糊控制理论也应运而生了。模糊控制的概念在其ar a t i o n a l ef o rf u z z y c o n t r o l 等著名论著中提出来。在早期( 1 9 9 0 年以前) 的文献中，如l e ec c 、 z i m m e r m a nh j 1 认为模糊控制在其它基于模型的控制方法不能很好的进行控制时的 一种有效选择，模糊控制器的隶属度函数、控制规则是根据经验预先总结而确定的， 控制过程没有对规则的修正功能，不具有学习和适应能力，比较而言，可以称为经典 模糊控制。为了加快模糊控制理论的研究，1 9 7 8 年在国际上开始发行f u z z ys e t sa n d s y s t e m s 专业杂志。1 9 8 4 年i f s a ( i n t e r n a t i o n a lf u z z ys y s t e ma s s o c i a t i o n ) 正式 成立，并已召开了几届国际模糊系统会议。从1 9 9 2 年起，i e e ef u z z ys y s t e m s 国际 会议每年召开一次。1 9 9 3 年，( i e e et r a n s o nf u z z ys y s t e m s 开始出版。尽管模糊 理论的提出至今只有3 0 多年，但其发展迅速。 最近几年，特别是针对复杂系统的自学习与参数系统( 或规则) 自调整模糊系统 4 长眷t 业大学硕士学位论文 方面的研究受到各国学者的重视。我国对模糊控制理论的研究与应用研究起步比较 晚，但发展较快，诸如在模糊控制模糊识别、模糊信息论、模糊模式识别等领域取 得了不少有实际影响的成果。1 9 7 9 年开始用连续数字仿真方法研究典型模糊控制器的 性能，随后一些高校和科研单位的专家与学者都加入到了科研的队伍当中。1 9 8 1 年， 成立了中国模糊系统和模糊数学学会，并创办了当时世界上第二份模糊专业学术杂志 模糊数学，1 9 8 7 年易名为模糊系统与数学。1 9 8 8 年，摸糊理论研究正式成为 国家自然科学基金项目和“8 6 3 ”计划项目。以上所作的工作都对我国模糊控制理论 及其应用研究起到了积极的促进作用。 随着研究的深入，越来越多的研究者在模糊控制模式中引入了模糊模型的概念， 出现了模糊模型，控制器就可根据这个模型采用现代控制理论方法进行设计，将定量 知识和定性知识较好的融合在一起。 模糊控制技术发展至今，在各个领域中获得了广泛的应用。最早取得应用成果的 是1 9 7 4 年英国伦敦大学教授e h m a m d a n i ，他首先利用模糊控制语句组的模糊控制 器，应用于锅炉和汽轮机的运行控制，在实验室中获得了成功，这一成果不仅把模糊 理论首先应用于控制，而且充分展示了模糊控制技术的应用前景：1 9 7 5 年英国的 p j k i n g 和e h m a m d a n i 将模糊控制系统应用于工业反应过程的温度控制中：1 9 7 6 年 荷兰学者w j k i c k e r t 和h r v a nn a u t a 将模糊控制器应用于热水装置中：1 9 7 7 年丹 麦学者j j o s t e r g a a d 利用模糊控制器对二输入二输出的热变换过程进行控制：同时， 英国学者r m t o n g 于1 9 7 6 年用模糊控制对压力容器内部的压力和液面进行控制，以 及他随后发表的多篇文章，对模糊控制应用和发展起到了积极的推动作用。他们的研 究成果解决了过程控制中非线性、强耦合、时滞等特点难题，达到了最佳p i 控制效 果：1 9 7 7 年英国的c p p a p p i s 和e h h l a m d a n i 对十字路口的交通枢纽指挥采用模糊 控制，试验结果使车辆平均等待时间减少了7 ；1 9 7 9 年英国l j p r o c y k 和 e h ，l a m d a n i 研究了一种自组织的模糊控制器，它在控制过程中不断修改和调整控制 规则，使控制系统的性能不断完善。自组织模糊控制器问世，标志着模糊控制器“智 能化”程度迸一步向高级阶段发展，毫无疑问地证实了他们归属于“智能控制器”范 畴。1 9 8 0 年，丹麦e l s m i d t h 公司研制地模糊逻辑计算机协调控制系统最早被应用 于水泥窖生产过程控制，并且和1 9 8 2 年研制成功的n o 分析器配套使用，使自动化的 水泥生产过程在采用模糊控制后获得了满意的控制性能和强鲁棒性，这是采用经典控 制和现代控制理论所难以达到的：1 9 8 2 年，日本大阪水泥窖自动化生产也成功地应用 模糊控制：1 9 8 3 年日本学者m s u g e n o 和k m u r a k a n i 将一种基于真值推理的模糊逻 辑控制器应用于汽车速度自动控制，并取得了成功。此后，模糊控制在化工、机械、 冶金等多个领域中得到实用。模糊控制充分显示了在大规模系统、多目标系统、非线 性系统中的良好应用效果。1 9 8 4 年，美国推出“模糊推理决策支持系统”：1 9 8 5 年一 1 9 8 9 年日本进入了模糊控制实用化阶段，先后制造开发出模糊集成芯片、模糊控制专 k 春工业大学硕士学位论文 用器件和高速模糊逻辑芯片：进入9 0 年代以来，出现了模糊自适应控制、模糊神经元 网络、自适应神经模糊推理系统等研究成果。 1 4 2 模糊控制系统的优点 ( 1 ) 模糊控制是一种基于经验规则的控制，它直接采用语言控制规则，依据现场 操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模 型，因而使得控制机理和策略易于接受和理解。设计简单，便于应用； ( 2 ) 由于从工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控 制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用； ，( 3 ) 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标不同，容易导 致较大差异，但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的 模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器； ( 4 ) 模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制 的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平； ( 5 ) 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果影响大大减弱，尤其 适合于非线性、时滞性系统的控制。 一个难以建立精确数学模型的被控对象，很难用经典的控制理论来处理，但是人 工智能对复杂现象的分析和判断能力是很强的，特别是有经验的操作人员，通过对系 统的操作、控制，总是可以总结一套控制规则，应用模糊集合理论，把这些控制规则 写成一串模糊条件语句，构成一个模糊模型，利用这个模型可以设计出比较理想的控 制器。 4 模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大的特点是将专家的经验和知识表示 为语言控制规则，并应用这些语言控制规则去控制系统，这样它可以不依赖于被控对 象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被控对象的参数变化具有较强的 鲁棒性。它不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出结果数据，参考现场操作人 员的操作运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制器的特点( 5 ) 中阐述模糊控 制对干扰和参数变化不敏感的特点，使得模糊控制对在不同环境下的同一直流电机对 象( 在不同环境下，同一对象的参数或许己经发生了不小的交化) 进行控制，或是己经 调好的模糊控制系统应用于参数稍有变化的控制对象时，系统性能没有多大变化，使 得现场调试人员不必为同一控制对象设置不同的调试参数。 1 5 论文研究的主要内容 1 张力控制系统工作原理的研究与设计 为防止盘纸在卷绕过程中出现断裂、打褶等现象，必须在从动轴即放卷机构上施 加一阻力即张力，此张力由安装在从动轴上的磁粉制动器来控制张力的大小。当纸张 7 春工业大学硕士学位论文 从从动轴出发后，经张力检测环节测量出实际张力，此实测张力与设定的目标张力进 行比较，调节后由磁粉制动器通过从动轴对张力进行控制。张力控制采用间接控制方 式。张力偏差经d s p 控制器运算，输出控制量来调节磁粉制动器的励磁电流来保持张 力恒定。 2 速度控制系统工作原理的研究与设计 为使张力恒定，必须保持盘纸卷绕过程中盘纸的运行速度恒定。在速度控制环节 中，实测速度与目标速度进行比较后，透过改变电机电枢电压来改变电机转速以保持 纸卷传动过程中线速度的恒定。主动轴即收卷机构由直流电机拖动进行纸张复卷。直 流电机采用p 删控制，低速时容易产生振荡，需加入速度补偿装置。p w m 控制是具有 继电非线性特性，严格的说，直流p w m 系统是一种典型的非线性控制系统。为了使这 种非线性系统有良好的工作特性，需对由非线性引起的一些特殊问题，如自激震荡、 线性化的条件等问题进一步的研究。 3 针对张力控制系统的特点，控制算法的选择 在张力控制系统中，被控对象从动轴运行速度的变化、卷径的变化、机械传动系 统转动惯量的变化和机械损耗的变化均构成对张力的扰动，使对于模型的不确定性增 加。针对系统的上述特点，本系统采用模糊控制。 1 6 论文章节安排 第一章对张力进行了概述，主要介绍了张力的应用场合、张力控制系统的特点： 工作原理、张力控制过程中常用的控制方式和控制策略，并介绍了本文研究的主要内 容。 第二章主要介绍了张力控制系统中各组成环节和工作过程，包括对从动轴进行张 力控制和对主动轴迸行速度控制，并阐述了磁粉制动器的结构和工作原理，并根据对 系统的分析建立了数学模型。 第三章对由直流伺服控制的恒线速度控制系统和磁粉制动器控制的恒张力控制 系统进行分析。对恒线速度控制系统采用双闭环控制，就内环电流环进行设计并仿真。 对恒张力控制系统采用常规p i 控制设计仿真，由结果得到采用模糊控制适合本系统 的结论并在第五章对恒张力控制系统进行模糊控制策略的设计。 第四章控制系统硬件设计。系统采用d s p 作为主控制器，并就主动轴和从动轴分 别设计了信号给定、检测、驱动等硬件电路。 一 第五章对主从两轴分别进行模糊和改进的模糊两种控制策略的设计，并进行数值 仿真，验证所设计控制器的有效性。 最后对论文进行总结，指出了不足之处并对进一步的研究方向和张力控制的发展 趋势做进一步的展望。 长春工业大学硕士学位论文 第二章复卷机控制系统分析 复卷是盘纸生产的最后一道程序，复卷的最终目的是使生产出的盘纸整齐，内外 紧密度一致且无断裂、无褶。为达到这个目的，在复卷机控制系绕的设计中，纸张张 力的控制成为设计的关键环节。在复卷的过程中，只要保证纸张运行的速度一致，就 能保证纸的张力一致。因此，保持盘纸的匀速运行即是张力恒定的前提条件，也与保 持张力恒定具有一致性。本章中。通过对复卷系统中收卷和放卷两部分的分析为下一 步确定控制数学模型提供充分的理论依据。 2 1 复卷工艺简介 复卷机由放卷机构和收卷机构构成复卷机的动态系统。放卷机构由从动轴即放卷 轴、从动轴控制电机和控制器组成。它的主要功能是：盘纸在从动轴控制电机的制动 下向盘纸运行的反方向施加一阻力，使纸产生一定的张力而不至于复盘后的盘纸出现 堆积或打褶的情况。收卷机构主要由主动轴即收卷轴，主动轴控制电机及控制器组成。 它能完成的主要功能是：盘纸在直流电机的拖动下完成复卷工作。系统结构示意图如 图2 一l 所示。 图2 - 1 纸张复卷机系统结构示意图 图2 1 中，未经复卷的盘纸固定在从动轴上，经测量轮及定位轮等一系列辊轴最 终复卷到主动轴上。 一 其中，已知：盘纸质量：2 0 姆轴心半径：0 0 7 5 肌 盘纸长度：5 0 0 0 m盘纸半径：0 5 m 盘纸宽度：0 0 2 9 5 m 轴心质量：1 堙 盘纸密度：9 0 4 圾，研3 长春工业大学硕士学位论文 2 2 复卷机控制系统分析 2 2 1 从动轴部分 当从动轴以转速n 作顺时针方向转动时，盘纸被卷绕到主动轴上。为保证复卷的 效果，在整个复卷过程中盘纸不能因张力过小导致打褶或因张力过大导致复卷后的盘 纸内松外紧而形成锥型，所以要求在复卷过程中使盘纸始终保持同一张力，即所谓的 张力恒定。而这个张力是由与从动轴同轴相连的磁粉制动器的制动而产生的。当盘纸 由从动轴向主动轴出发后，在卷绕过程中，盘纸上的张力处处相等。由牛顿第二定律 可知，r 一一辨a ，因张力恒定，即f 拉一f 阻，且m 一定，所以有加速度a = o ， 即在盘纸运行过程中，运行的速度也处处相等，由此可知线速度v 也是恒值。由以上 分析可知，张力恒定即速度恒定，它们是一致的。那么由公式p f v 可知，功率也 是恒定的。在卷绕过程中，随着盘纸从从动轴到主动轴的运行，从动轴上的原盘纸卷 径d 越来越小，从动轴的负载转矩t f d e 将随直径d 成正比减小。由力学可知： v 。万d n ( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 中：v 一纸张运行的线速度，单位：m s d 一从动轴上盘纸的直径，单位：m n 一从动轴转速，单位：r m i n 由式( 2 - 1 ) 可转化为 厅d v 肠( 2 2 ) 式( 2 - 2 ) 中，v 和石均为常数，所以随盘纸直径的减小，从动轴的转速将随之增加， 且与d 成反比。而对从动轴施加制动力的磁粉制动器的转矩也随之减小。 n r - ，=( 2 3 ) 2 式( 2 - 3 ) 中：丁一磁粉制动器转矩，单位：n _ ，l ，一纸张张力，单位： 图2 2 为从动轴部分恒张力控制过程中，磁粉制动器的转速n ，转矩f ，实际线 速度v 及纸张承受的张力f 等参数与从动轴直径d 的关系曲线。 n t v f l 。 二 。： d 图2 2 恒张力卷取变量关系曲线 9 长春工业大学硕士学位论文 由对从动轴部分的控制系统特性来看，恒张力控制实际上就是电动机的转速控 制。为保持张力恒定，就要保持盘纸卷取过程中的线速度恒定，而线速度恒定，功率 也恒定。从这个角度来看，复卷机控制系统的恒张力控制、恒速度控制和恒功率控制 三者在本质上是相同的。 2 2 2 主动轴部分 与从动轴部分的分析方法一样，对于主动轴来说，保持张力恒定和保持线速度恒 定是一致的。在盘纸由从动轴到主动轴的复卷过程中，从动轴原盘上的盘纸源源不断 的复卷到主动轴上，导致从动轴上盘纸纸卷的直径越来越小，而主动轴盘纸的直径不 断的增加。对于主动轴来说，线速度恒定，直径越来越大。 由式( 2 1 ) 变换有 n 。三一1 ( 2 4 ) d 可见，在线速度恒定的情况下，主动轴控制电机的转速与主动轴纸卷的直径成反 比，即直径不断增大，而转速越来越小。由此可以看出，从动轴特性与主动轴特性正 好是相反的两个过程。主动轴卷取过程中各变量间的关系曲线与图2 - 2 一致。 从以上两部分对主动轴和从动轴的分析来看，对主动轴系统应采取恒线速度控 制，从动轴辅以恒张力的控制。 2 3 执行元件的选择 经上述章节对复卷机控制系统的分析来看，控制协调应分别对主动轴和从动轴同 时进行，这就需要两个执行元件分别对两轴控制。其中之一通过对主动轴的转速控制 达到使盘纸恒线速度运行的目的，其二控制从动轴，通过对从动轴施加一阻尼力来达 到使盘纸具有一定张力的目的。下面，分别对主动轴、从动轴的控制特点选择合适的 控制电机。 2 3 1 主动轴控制元件的选择 对于主动轴，控制系统的最终目的使通过控制主动轴的转速达到使盘纸恒线速度 运行的。随着主动轴的转动，主动轴半径越来越大，为保持盘纸匀速，主动轴的转速 应该越来越小。因此必须选择一种调速性能好的电机来控制主动轴的转速。而在所 有的电机中，由于直流电动机具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速、起动、 制动和正反转等，且前在传动领域中仍占主要地位。而从生产机械要求控制的物理量， 例如本设计的张力控制系统，多采用直流电机进行控制。所以在对本系统主动轴控制 电机的设计中，选择直流电机作为主动轴的控制电机。 1 0 长奋工业大学硕士学位论文 2 3 2 从动轴控制元件的选择 传统复卷机系统存在的问题是：复卷机退纸部分的制动是采用重锤加载在从动轴 上，相当于对从动轴施加一固定不变的力，而且从动轴半径不变，使加在从动轴上的 制动力矩不变。而固定在从动轴上的盘纸随时间变化半径越来越小，纸的张力则越来 越大，最后，盘纸因张力过大而断裂。本课题对复卷机的张力控制系统进行改造。采 用磁粉制动器”“2 町控制，将磁粉制动器通过十字头联轴器与纸卷相连。磁粉制动器是 采用磁粉作介质，在通电情况下，形成磁粉链来传递扭矩，主要由内转子、外转子、激 磁线圈及磁粉组成。当线圈不通电时，主动转子旋转，由于离心力的作用，磁粉被甩在 主动转子的内壁上，磁粉与从动转子之间没有接触，主动转予空转，此时处于“离”的 状态，当接通直流电源后，在线圈周围产生磁力线，磁粉在磁力线的作用下，瞬间形成 磁粉链，它与化内转子、外转子联接起来，此时处于“合”的状态。若断电则迅速恢复 “离”状态。根据电磁场知识，假设磁粉在旋转时是均匀分布的。则圆环形线圈通以 恒定电流时，在轴线上所产生的磁感应强度公式： b 。2 r d( 2 5 ) 。c r 式中：c 一常数，等于真空中的光速，单位：，3 1 0 8m t s ，一线圈电流，单位：a 足一圆环半径，单位：t a r a 而圆环形平面线圈在均匀磁场中所受力矩： t 。己b s i n 0 。 ( 2 - 6 ) 式中：口一磁矩只与磁感应强度口之间的夹角o = 9 0 。 所以： r 咯口- 扣s ，罢- 警r ( 2 - ，) 式中：s 一圆环面积，单位：m m 2 由于磁粉惯量很小，又无轴向位移零件靠磁粉连接，滞后小，动作迅速，对于张力 的瞬时变化能快速响应，这样易于保持张力恒定，使纸卷紧度均匀；转矩与激磁电流 在相当范围内成线性比例。磁粉制动器作线性调节元件，在生产时便于操作，如图2 3 。 从公式( 2 7 ) 中不难看出，转矩仅取决于激磁电流的大小，而与传递转速无关，虽然复 卷纸时，纸卷的瞬时速率不断在变化，磁粉制动器仍能保持转矩恒定，张力恒定，如图 2 - 4 。同时，磁粉制动器还具有功率放大倍数高，是一种优良的节能产品，可在滑差下 长期工作，实现在复卷时无级调速和张力控制。 经过实践证明，磁粉制动器应用于复卷机上将比机械式连杆传动有着很多的优越 性。首先，在实现张力的控制过程时，仅通过开、关电源和调节按钮，动作快速、平稳、 无振动、无冲击、无噪音，省时，省力便于操作。其次，在张力控制方面比较稳定，通过 长春1 = 业大学硕士学位论了 电流表就能直观地反映工作状态，避免了时松时紧现象，切过的纸边又比较整齐、均匀， 很好地满足了工艺要求。同时，对于磁粉制动器的更换与检修也十分方便，由以前的每 周更换一次刹车皮，至现在至少2 3 个月更换一次磁粉，大大降低了维修量。 ， 由于磁粉的造价比较昂贵，若使用不当，频繁地更换磁粉，势必提高生产成本，是 很不经济的，也是不可取的。所以如何用好磁粉制动器就显德尤为重要。目前1 7 6 0 帆 复卷机使用的磁粉制动器为f - 6 3 0 篷型，是一种水冷式磁粉制动器，要保证磁粉制动器 能正常地工作。一定要有冷却水供应，使磁粉制动器的温度控制在9 0 以下，若温度 过高。加速磁粉老化，缩短磁粉制动的使用寿命，这时应适当地停车，待温度降下来后 再开车；当力矩下降至额定力矩的7 0 以下时，方可认为磁粉已老化，需更换新的磁粉； 新安装的磁粉制动器，在投入正常运转前，应进行驯化，目的是使磁粉分布均匀，性能 稳定不经过驯化就使用新安装的磁粉制动器是磁粉制动器出现不正常发热的重要原 因之一。 作为一种扭矩控制与传递的磁粉制动器，应用在复卷机上，在生产过程中用好它， 将是一件对生产非常重要且有意义的事。 盘纸在主动轴电机的拖动下不断复卷到主动轴上，为了保证盘纸在复卷过程中具 有一定的张力而不至于造成成品纸卷的堆积和褶皱，需要在纸上施加一个反方向的制 动力矩。磁粉制动器是由主动单元( 输入轴) 和从动单元( 输出轴) 组合而成，轴承嵌装 在电磁线圈的主动单元和从动单元之间，两者之问形成了一个同心的圆柱形气隙。在 此气隙中，填有微粒状的小锈钢磁粉( 体积大约4 0 微米) ，这种磁粉导磁率高、耐热 性好。当主动单元回转而励磁线圈不通电励磁时，气隙中的磁粉由于离心力作用被压 附在主动单元的内壁上，因此从动单元处于完全脱离状态，转矩不会从主动单元传导 到从动单元。但如将线圈通以励磁电流，则将有磁场产生，磁粉在磁场作用下产生硬 化现象，立即把两个回转体连接在一起，由磁粉闻的磁性结合力和磁粉与两运动单元 之间的摩擦力来传递力矩。由此可见，磁粉制动器具有三种工作状态： ( 1 ) 当磁粉制动器励磁电流小于某一数值时，磁粉硬化程度较弱，磁粉制动器所 能传递的力矩小于负载力矩，从动单元转速为零； ( 2 ) 当磁粉制动器励磁电流逐渐增大到某一特定值时，磁粉硬化达到一定程度， 磁粉制动器虽然仍然能传递力矩，但是从动单元的转速低于主动单元的速度，磁粉制 动器处于“滑差”工作状态： ( 3 ) 当磁粉制动器的励磁电流加到足够大时，磁粉硬化程度很强，从动单元与主 动单元之间的摩擦力很大，使两单元转速相同，处于“同步”工作状态。 磁粉制动器作为一种新型的自动控制执行元件，与其他形式的制动器相比，磁制 动器具有很多优异特性，已经在绪论一章中论述过，这里不再重复。图2 - 3 、2 - 4 分别 为磁粉制动器静、动特性。 h 0 输i m 川 驺棚 妊- 6 0 o 2 u 长春t 业大学硕士学位论文 二n ；r ， h “_ 12 酗嫩电流1 f 图2 - 3 磁粉制动器静特性图2 - 4 磁粉制动器动特性 磁粉制动器的选型一般以其最大制动转矩和最大滑差功率来确定。在无变速机构 的情况下，卷绕材料所需的最大张力与最大卷绕半径的乘积应不超过额定转矩。同时 应保证制动器的实际滑差功率小于允许滑差功率。实际滑差功率为： p 。百2 w m - 。f v ( w ) ( 2 8 ) 6 0 ”7 其中：m 一制动转矩，单位：n m n 一滑差转速，单位：r m i n r 一张力，单位： v 一线速度，单位：m s 其传递函数可用下面的公式描述： g 蜘等一击叩1 。， 其中：j r o ) 一励磁电流，单位：一 m o ) 一磁粉离合器转矩，单位：n m f 一磁粉离合器滞后时间常数，单位：5 一时间常数，单位：s k o 一磁粉离合器增益 2 4 系统数学模型的建立 2 4 1 主动轴部分数学模型的建立 从以上对纸张复卷机的控制系统运动规律的分析， 方程如下： 丁一乏一罢鲁 可以得到电动机轴上的方程。 ( 2 - l o ) 长春工业大学硕士学位论文 式中：丁一电动机电磁转矩，单位：n 胁 乏一折合到电动机轴上的静负载转矩，单位：n m 尼一电机的转速，单位：r m i n t 一时间，单位：5 g d 2 一电力拖动系统运动部分折算到电动机转轴上的飞轮惯量，单位：n m 2 其中，负载转矩乃为： 瓦一巳k ( 2 一1 1 ) t - 巳l ( 2 1 2 ) 式中，i 一电枢电流，单位：a k 一负载电流，单位：a c 竺e 一电动机在额定磁通下的转矩系数，单位：n m a e 一电动机在额定磁通下的电动势系数 则将( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 代入( 2 - 1 0 ) ，有 卜。舞等 式( 2 - 1 3 ) 中， t 4 9 g d 2 r 一3 7 5 c , c 。 其中，l 一电力拖动系统的机电时间常数，单位：s 月一直流电机电枢电阻，单位：q g d 2 一g 移i 帆+ 6 z 嗑心+ 6 d 磊 磊。锣 d j - r 2 d m 式中：j 一转动惯量，单位：培m 2 锄一取办增量时，相应的质量增量 刃一相应于d r 部分的纸的转动惯量 r 一纸卷半径，单位：r n 则纸的转动惯量为： j 一话、r 2 d m 式中：d 0 一轴心的直径，单位：m d 一最大卷径，单位：研 又因为： 1 4 ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 长春工业人学硕十学位论文 咖。丝：垒：2 ：生 g 式中：6 一为卷简宽度，即纸的宽度，单位：加 p 一为纸的密度，单位：姆研3 将式( 2 - 1 9 ) 代入( 2 - 1 8 ) 得： - ，唾半西- 警争等”珀 则有： 。g d 主- 4 半( d 4 一d ；) 将( 2 - 2 1 ) 代入( 2 - 1 4 ) 中有： l - 蒜【g d 鑫+ h + 警”