（电力电子与电力传动专业论文）基于同步系数在线辨识的多电机比值传动控制策略.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a tt h et r a d i t i o nc r a f to fd r a w - b e n c h ，w en e e dt os e tt h es t r e n g t hb e f o r eo f f - s e t t i n gt h e s y n c h r o n o u sf a c t o r sb yw o r k e r w h e ni ts t a r t su p t h ew o r k e r sc o r r e c tt h es y n c h r o n o u sf a d o r s o n 1 i n ei no r d e rt h a tt h es y n c h r o n o u sf a c t o r sa r ee q u a lt ot h es e t t i n gs y n c h r o n o u sf a 咖瑙 t h e r e f o r e ，t h ed r a w b e n c hc a nm ni nh i 曲s p e e d b u tt h es y n c h r o n o u sf a c t o r sw o u l db e r e - c o r r e c t e dw h e nt h es p e c i f i c a t i o no ft h es t e e lw i r ec h a n g e s n e o p e r a t i o ni sc o m p l e x a u t o m a t ed e g r e ei sl o w i nt h i sk i n do ft r a d i t i o nc o n t r o lw a y , t h e a s y m m e t r y o fm a t e r i a lo rt h eo b j e c ts h a p em a k et h et e n s i o nc o n t r o ld i f f i c u l t 1 1 1 em o t i o no f t h et e n s i o nw i l lm a k et h es t e e lw i r es p o t t y a i ma to v e r c o m et h es h o r t a g eo ft h em u l t i m o t o rs y s t e ma tp r e s e n t , a c c o r d i n gt ob u i l d i n g t h em a t h e m a t i c a im o d e lo fm u l t i m o t o rc o i l s t a n tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma n da n a l y z i n g o p e r a t i n gp r i n c i p l e so ft h i ss y s t e m ，t h i sa r t i c l ep r e s e n t san o v e ls y n c h r o n o u s - f a c t o ro n - l i n e r e c o g n i z i n gm e t h o d n e wc o n t r o ls t r a t e g yw i t hf u z z ys e l f - t u n i n gp ic a no v e r c o m et h es t r o n g c o m p l e xo u t p u tc o u p l i n g sb e t w e e nc o n t r o l l e do b j e c t sa n dm o t o r s w i t h o u td e c o u p l i n go ft e n s i o n sa n ds p e e d so fm u l t i m o t o r , t h es y n c h r o n o u sf a c t o r sa r e a u t o m o d i f i e dw i t ht h ef e e d b a c kt e n s i o n s t h i sc o n t r o lc a r r i e so u tt h ec o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o l o ft h ep h y s i c a lo b j e c t 1 1 h em a i nr e s e a r c ho fm u l t i m o t o rs y s t e mi n c l u d e s ： ( 1 ) c a r r yo nm o d e l i n ga n da n a l y s i st ot h et e n s i o nc o n t r o ld e v i c e ( 2 ) d r i v et h em u l t i - m o t o rt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mt ob u i l do nm o d e l i n ga n da n a l y s i s ( 3 ) d e s i g ns u i t a b l ef u z z ys e l f - t u n i n gp ic o n t r o l l e r ( 4 ) e m u l a t et h en e ws y s t e mm o d e l ，c o m p a r et h er e s u l tw i t ht h et r a d i t i o nm e t h o d 岱) m a k e u s eo fp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra n dm p i ，c o n n e c tp l ct ot h ec o m p u t e r , c o n s t r u c t i n g a ni n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r k m a k eu pat r i a le n v i r o n m e n tf o re x p e r i m e n ta n a l y s i s m a k eu p t h ei n d u s t r ys y s t e mo ft h en e w s t r a t e g y n es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a t i o ns h o wt h ep o s s i b i l i t ya n dt h er a t i o n a l i t yo ft h i s c o n t r o ls t r a t e g y w i t h o u td e c o u p l i n go ft e n s i o n sa n ds p e e d so fm u l t i m o t o r , t h i sc o n t r o l s t r a t e g yc a ng e tc o n s t a n tt e n s i o nc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h i sk i n dc o n t r o lm o d eh a ss t r o n g e r a p p l i c a b i l i t yf o rt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：m u l t i - m o t o r ；t e n s i o nc o n t r o l ；s y n c h r o n o u sf a c t o r ；f u z z ys e l f - t u n i n gp i ；m o d e l i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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，也不包含本人为获得江南 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作了明确的说明并表示谢意。 签名：奴嘎日期：州年f 月2 8 曰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：哆墨a i导师签名： 日期：伽 年r 月z 8 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着工业自动化程度的提高和生产规模地扩大，各种生产线、输送线的长度和输送 功率不断增加，采用单电机驱动往往难以满足生产的要求，必须采用多电机比值驱动的 方式。 目前，大多数企业远距离、大功率的传动生产线大多采用交流变频调速控制方式。 多级比值驱动系统由多套交流变频调速系统组成，从驱动系统之间的连接关系来看可将 其分为两类：第一类是各电机的速度控制相对独立，电机之间的物理连接不强，按照被 控量要求的生产工艺对多电机的转速等性能进行比值同步驱动，如连铸机，连轧钢机， 造纸机，印染机械等属于这类比值驱动。第二类是各驱动电机依赖链式或带式传送线进 行钢性连接，各电机的工作状态相互影响，彼此之间存在着严重的物理耦合作用，工厂的 输送线、装配线属于这类系鲥1 】【2 】。 在这些系统中，多个电机之间的协调效果的好坏，直接影响生产效率和产品质量。 因此，多电机协调的研究具有非常重要的现实意义。严格来说，本论文所研究的对象属 于前一类控制系统，主要针对拉丝机生产线；但同时本论文的研究对象又带有第二类所 具有的耦合特性。 可见，拉丝机生产线相对于这种分类来说比较特殊，这是由于其内部具有不太强的 耦合。 拉丝机控制系统所要解决的主要任务是：根据生产工艺的要求，通过调节各电机的 转速来实现精确的恒张力控制。 在传统拉丝工艺中，需要根据钢丝的规格先离线设定好各道拉拔滚筒间的钢丝张力 值，再根据各道拉模的孔径由操作工人依据经验整定各电机的比值同步速度，开机后先 要在低速运行状态下对离线设置的各比值系数在线修正，使实际张力等于或接近于设定 值后，方可按一定斜率高速起动运行( 参见1 2 2 节) 。当钢丝规格改变后，又要重新整 定各道电机的同步系数。操作方式复杂，生产效率不高，自动化程度较低。在这种传统 控制方式下，当被加工对象的材质或形状不均匀时，即使人工整定好比值同步系数，也 无法实现高精度恒张力控制。在开机停机时，传统控制方式中的反馈张力波动尤其明显。 张力的波动会直接导致拉拔过程中钢丝的粗细不均、断裂，制约拉丝质量的提高；同时， 张力变化也严重制约了拉丝速度的提高。 1 2 课题发展现状 1 2 1 传统多电机比值驱动系统及其问题 目前国内此类生产线的驱动主要有直流调速系统驱动和交流调速系统驱动两大类。 江南人学硕十学位论文 采用直流调速系统驱动的设备大多数是2 0 世纪9 0 年代以前丌发设计的，此类产品一般 采用模拟量的控制方法。这种系统的自动化程度较低，控制误差较大，设备庞大。采用 交流调速驱动的设备大多数是2 0 世纪9 0 年代以后国内引进消化国外先进技术，并对其 升级换代后投入生产的。这种设备地性能指标较之原有的直流调速设备有了大幅度的提 高。 独立多电机比值驱动系统中，各电机地速度大小、负荷都是相对独立的，产生的耦 合较小，一般各个闭环回路中控制器的控制规律和控制参数也按传统单闭环速度控制系 统设计考虑。但作为多电机比值同步驱动控制系统，当然不会是多个单闭环控制回路的 简单组合。 传统的无张力补偿多电机比值同步驱动控制系统原理图如图1 - 1 所示，各电机的速 度调节器采用常用的比例积分( p d 调节器。 图1 - 1 无张力补偿的传统多电机同步驱动控制结构图 图1 - 1 中，m 。、m ：、m ，、m 。为电动机，r m 。为主令电机，m 。、 m ：、肘，、m 。为从动机；e 1 、e ：、e 、e 分别为电动 机的调速电源( 直流调速器或交流变频器) ；g 1 、g 2 、g 、g 。为速度传感 器；采用比例一积分( p i ) 控制对各级转速偏差进行调节，r ，、y ：、n 、r 。 分别为m l 、m 2 、j l f ；、m 与主令电机m 。间的同步比例系数。稳态并 且张力及其波动不太大时，各道卷筒符合出口秒流量相等的原则： s 1 q s 2 u 2 一- s 。 ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中，s 1 、s 2 、s 。为钢丝横截面积。 电气传动同步控制根据主从电机的实际转速差，并根据系统的同步控制要求，参照 2 第一章绪论 式( 1 1 ) 以设置适合的同步比例系数，从而实现从动机与主动机问的协调运行，满足系 统的比值同步要求。 这种调节器具有结构简单，可靠性高的优点1 3 i i 射。通过调整同步比例系数，可保证 系统稳态工作时的调速精度。但也存在如下缺点：动态时各电机难以满足恒张力恒线速 度限定条件下的同步驱动，系统受较大扰动或参数、结构发生变化时不能保证比值同步 驱动的速度关系。而且p i 控制器对非线性系统的控制性能较差，并且在系统参数或结 构发生变化时，需要对p i 控制器参数重新调整。此外，如果生产工艺的要求变化，如 被加工对象的材质或线经、规格变化，必须人工调整比例同步系数，使系统自动化程度 降低，参数调节频繁，操作更为复杂，甚至会变得难以掌握p j 。 目前实际系统中较为先进的控制方式是在系统中对各电机的实际速度进行同步监 测f 6 1 1 7 ，并针对主一从电机间存在的转速差确定同步补偿量进行补偿控制。实际系统中， 同步补偿量首先根据各台电动机的工艺允许的转速比确定比例同步速误差带，当不同电 机间的转速偏差在允许的误差带内时，认为系统正常同步，否则进行同步补偿调整，在 系统严重不同步时还应控制电动机紧急刹车并发出报警。上述同步控制器在实际系统中 通常采用单片机、p l c 或工控p c 机来实现1 8 1 1 9 1 。 1 2 2 带张力补偿的转速开环控制多电机比值驱动系统及其问题 在1 2 1 节中介绍了传统多电机同步驱动系统的控制原理和结构。由于没有引入张 力反馈信号，导致在动态过程或系统参数变化时此类系统不能满足控制和工艺要求。为 获得较为满意的动态和静态特性，须引入张力信号进行恒张力前馈补偿调节。张力调节 器一般采用比例调节器。当各道电机的比例同步速设定精确的满足工艺要求时，在系统 进入稳定运行后，张力调节器的输出补偿量为零。这时系统的实际张力就等于设定张力， 实际转速等于设定转速。 张力前馈补偿的作用主要有两点：一是根据生产工艺的要求设定不同等级的张力， 保证钢丝加工的精度；二是对扰动的快速恢复，保证动态过程中拉丝机各道转速的比例 同步。 直线式拉丝机即为一采用张力前馈补偿的多电机比值同步驱动系统，其组成结构如 图i - 2 所示。一般取一台卷筒电机的转速为基准，其余n 1 道电机的转速按工艺要求以 一定比例与其同步，比例同步转速由各电位器选择，在稳态时满足各道卷筒的出口秒流 量相等的原则。取张力辊的实际张力值与张力给定值的偏差经比例放大后作为前馈补偿 调节信号，即n 1 道电机的控制是以比例同步速控制为主，张力补偿为辅的控制原则。 如果需要调整工艺参数，则可以通过改变张力的设定值和前n 1 道电机的同步比例系数 实现。 由图l - 2 可知，采用带有张力补偿的转速开环控制的多电机同步驱动系统，由于引 3 江南人学硕十学 奇：论文 入了张力信号，在动态性能方面有了较大提高。但由于采用的是转速开环控制，在系统 稳态运行时存在静态误差；如果生产工艺参数变化后( 如钢丝直径改变) ，要求人工离线 调整比例同步系数，系统自动化程度较低。 图1 - 2 拉丝机比值l 司步系统结构图 在此种控制下，拉丝机的效率仍未得到根本性的改善。如前文所述，钢丝规格的细 微变更，往往要停机以离线整定同步系数。操作方式复杂，生产效率不高，自动化程度 较低。在这种传统控制方式下，当被加工对象的材质或形状不均匀时，如不停机以离线 整定同步系数，即使原整定的比值同步系数再优良，也无法实现高精度恒张力控制。张 力的波动会直接导致拉拔过程中钢丝的粗细不均或断裂，制约拉丝的速度和质量。 1 2 3 解耦控制的多电机同步驱动系统及其问题 已有许多学者围绕多电机比值驱动展开了研究，提出了多种控制方法，如内模控制 ( 1 0 j f l l j i “，模糊控制1 1 3 】，最小张力控制【1 4 1 ，模糊p i d 1 卯，无速度传感器控制【1 6 】等。 这些控制方法的本质是将单电机的控制方法复制到多电机系统中的各个单电机 1 1 7 1 8 l ，自然难以解决电机转速与反馈张力的耦合问题，不适用于张力存在耦合的情况， 难以精确控制耦合状态下的反馈张力。 为精确控制反馈张力，许多学者提出了各种不同形式的解耦控制： 戴先中教授提出了神经网络逆系统控制方法【1 9 】来实现对多电机系统的动念解耦和 控制，c h a n c c 等采用了自适应解耦控制策略【硎，s e o kh oj e o n 和s e u n g h o 等根据实 际平均转子速度和参考张力设计前馈补偿烈2 1 】，实现解耦控制，2 0 0 0 年他们又提出了带 张力观测的控制器。s e u n g - h o 和s e u n g - k is u l 采用了张力观测器的负载转矩平衡算法【捌， 利用主从概念解决多机系统的负载平衡问题。g t u r l 等采用了主从概念下交叉耦合的结 构结合m r a s 方法来实现电极之间的同步响应 2 3 1 。j b c l h a d j 提出了优化观测器控制【驯。 p e r e z - p i n a l ，e j 应用了电子虚拟轴从而实现了用一台变频器控制两台电机【吲。 文献 2 6 、 2 7 提出非线性状态反馈方法的解耦控制，此类控制方法的基本原理是： 针对电流跟踪型s p w m 变频器供电的交流电机系统，把交流电机和变频器视为一体， 4 第一章绪论 在转子磁场定向控制的同步旋转坐标系下，建立了两台电机同步系统的统一数学模型， 采用非线性状态反馈方法，实现多电机同步系统的转速和张力的解耦控制，并给出了转 速和张力调节器的参数。 还有一些学者应用了类似的一些解耦控制【2 8 】i 捌。 可以看出，以上解耦控制的共同特点是：依赖速度传感器，控制方法较为复杂且依 赖传动系统的精确模型，然而由于控制系统中各种耦合和非线性因素的影响，实际工业 控制系统的精确模型往往是难以得到的。 综上所述，可以看出：用传统的p l 方法进行控制的效果往往不很理想，而智能控 制又存在结构复杂、实现困难的问题。 1 3 选题依据 可以设想：如果能够利用张力传感装置的位置来辨识或直接控制系统的同步系数， 则可以通过在线控制同步系数y 来实现恒张力控制，从而可实现对拉力的精确控制。本 课题就是在这种思路下产生的，目标是提出一种切实可行的多电机恒张力比值驱动策 略：经由辨识并控制同步系数y 来实现高精度恒张力控制。 本课题对于带张力传感器的多电机比值传动系统的恒张力控制具有一般意义，对未 来的多电机运动控制有较大的参考价值。 1 4 本论文的主要工作及创新点 ￥ 1 4 1 控制对象和控制任务 本论文的控制对象是目前技术较先进的直线式拉丝机。与传统的拉丝机相比，直线 式拉丝机采用的是转速闭环的交流异步电动机，与传统的竖筒式拉丝机相比：直线式拉 丝机控制效果好；所拉成的钢丝在拉拔过程中不扭曲；产品质量优；钢丝内应力有可靠 保证。 直线式拉丝机生产工艺流程如图1 3 所示。将整卷的钢丝开卷较直，经过n 道卷筒 拉拔，靠各卷筒之间的张力辊控制张力和同步速偏差量。由于要将原料线材拉伸成所需 的规格，钢丝成型需经过拉模，而各道拉模的出丝口径不同，造成相邻卷筒的转速各不 相同，因此各道卷筒问的张力辊所承受的张力值也不相同。最后经过一个张力检测及缓 冲装置后由收卷辊进行恒张力收卷。 5 江南人学硕十学位论文 张力谓节检 图卜3 直进式拉丝机生产流程示意图 直进式拉丝机的具体拉拔工艺如图1 4 所示。由图1 - 4 可见，拉丝机的工作原理是： 第i 台拉丝机架驱动电机带动拉丝罐i g 将钢丝1 拉过第i 台拉丝机拉丝模i m ，减径 后为钢丝2 ，2 在拉丝罐i g 上缠绕数圈后通过3 绕在第i 台拉丝机张力测量轮i f 上到4 ， 4 经拉丝罐i g 导向直接到5 进入第i + 1 台拉丝机的拉丝模，再经第“1 台拉丝机驱动电 机驱动拉丝罐( “1 ) g 拉出至6 。 由图1 - 4 可以看出，在第i 台拉丝机上的张力轮i f 上的张力受拉丝罐i g 和拉丝罐 ( i + 1 ) g 的控制，拉丝罐i g 速度增加时，i f 上的张力减小，拉丝罐0 + 1 ) g 速度增加时，i f 上的张力增大。 图1 - 4 直进式拉丝机结构图 可见，想要将钢丝拉拔成一定规格，必须严格控制各道电机的转速值，从而由控制 各道电机之间的转速差来控制对钢丝产生的拉力。而各道电机之问的转速的变化会引起 相邻之白j 张力辊位置的变化。由此可知：张力辊的位置是相邻卷筒对钢丝拉力的标志。 要获得较高的钢丝加工精度，就要求电气传动系统在高速运行时具有较好的张力控制和 相应的比例同步转速协调控制性能。 只要有调整好的合理的比例同步系数，在稳态过程中，各道间的比例同步驱动是比 较容易实现的。但在张力过大或过渡过程中( 如启制动或受较大扰动后的恢复) ，式( 1 1 ) 难以成立。因此必须利用张力调节，尽快地补偿偏差，并在过渡过程中尽可能的减小各 道张力的波动，快速恢复到稳态。 综上所述，本课题的控制任务是：利用张力传感装置的位置来确定出系统的同步系 数，通过辨识并控制同步系数y 来实现对张力的精确控制。 1 4 2 本论文的主要工作 本文在对多电机恒张力系统进行数学建模及分析的基础上，提出一种同步系数可自 修正的多电机比值传动控制策略。所做的主要工作如下： ( 1 ) 对张力检测机械进行建模与分析。 6 第一章绪论 ( 2 ) 对多电机比值驱动恒张力控制系统进行建模与分析，提出模糊自整定p i 控制 的构想。 ( 3 ) 设计合适的模糊自整定p i 控制器。 ( 4 ) 对新型控制的多电机比值驱动控制系统进行仿真试验分析，检验新型控制的 效果。 ( 5 ) 对此多电机恒张力比值驱动系统各部分进行设计，构建一个与生产现场类似 的实验环境并进行实验分析，将此控制策略应用到拉丝机工业现场。并对其进行设计、 调试和运行，最终建立一套应用新策略的实际可行的拉丝机系统。 1 4 3 本论文的主要创新点 创建了一种新颖的张力闭环控制多电机驱动系统的数学模型。在此基础上，提出了 一种新颖的恒张力多电机比值传动控制策略，这种新控制策略可方便地实现同步系数的 在线辨识、修正及精密的恒张力控制。 由于本控制策略实现张力精密控制并不依赖于对反馈张力模型的精确预估或解耦， 所以此种控制模式对工业生产有较强的适用性。 1 5 本章小结 本章介绍了课题的背景和发展现状。在说明了控制对象的生产工艺及原理后，提出 控制要求，即本论文要完成的控制任务。最后基于控制对象的原理和控制任务的要求， 说明了本论文要完成的主要工作和本论文的创新点。 7 江南人学硕十学位论文 第二章多电机恒张力比值驱动系统及其动态建模 2 1 传统比值驱动系统的组成 整个传统比值驱动系统由现场控制级和决策指导级两个层次构成。在现场控制级， 利用变频器驱动交流电机调速控制。在决策指导级，由一台p c 机作为总的监控操作站， 生产现场的控制信息一交流电机的实时转速和张力传感器的测量值一通过一台具有通 信功能的可编程控制器( p l c ) 发送给上位p c 机，p c 机根据得到的数值进行控制运算， 并将运算结果( 控制量) 再通过可编程控制器下达到现场控制级的各个变频器。以n 单元 比值驱动系统为例，其系统结构示意图如图2 - 1 所示。 囱 图2 - 1 多单元比值驱动系统结构示意图 其中，可编程控制器作为连接现场控制级和决策指导级两个层次的桥梁。它根据系 统控制要求的需要组成主一从( m a s t e r - s l a v e ) 控制方式。由上位p c 机和p l c 作为整个系 统的控制主站，变频器作为分布控制从站。控制从站只能响应主站的询问应答，将数据 发往主站或者从主站得到数据指令。 2 2 多电机恒张力比值驱动系统动态建模 图2 2 即传统的多电机同步驱动系统分配各道电机转速的示意图。传统多电机同步 驱动系统的速度分配一般按比例来分配速度。以拉丝机为例，其速度分配原理为：先取 某个值为主令速度给定，然后按照各道卷筒间出口秒流量相等的原则( 即要保证式( 1 1 ) 的成立) ，由各道卷筒的出口钢丝直径比来确定其所应被分配的转速比值，以将各道电 机的转速维持在分配的水平上。 8 第二章多电机恒张力比值驱动系统及其动态建模 图2 - 2 传统的多电机同步驱动速度分配示意图 这种方法的优点是原理简单，操作方便。但缺点也是显而易见的：根据这种方法确 定的转速分配，只能针对一种产品型号，如果需要改变产品型号，则转速比需要重新分 配，转速控制器参数一般来说也需要重新调整。在满足产品多样性上，具有较大的局限。 如果速度分配可不须离线操作，能够自动进行，就解决了上述问题。基于这种控制 要求，考虑到电机问的反馈张力与各道电机的速度分配有一定的对应关系，得到一种思 路：若利用反馈张力来在线实时控制多电机的同步系数，各道电机的输出转速值会随反 馈张力波动而变化，就能够在一定范围内无需人工调整各道转速比就可实现精密的恒张 力多电机比值驱动。电机的同步系数可被控制器实时控制或易为控制器所辨识是此种控 制方法的基础。 基于这种思路，本文构建了一种新的多电机恒张力驱动系统，采用带张力反馈的闭 环系统来实现恒张力控制。 在多电机恒张力驱动系统中，各电机的同步速度控制采用级联模式，图2 3 构造了 一个三电机恒张力传动系统的应用模型。 图2 3 中：1 4 传动系统为基准线速度( ”1 ) 交流电机速度控制系统，在拉丝机现 场，指最后一台电动机。2 4 和3 “传动系统的给定速度u2 与u3 按工艺条件与基准u1 保持比例同步， 、y ：分别为2 。、3 8 传动的比例速度给定信号。ul 为基准线速度给定 指令；f l 、f 2 为张力给定指令；f 1 、f 2 为反馈张力；电机为交流异步电动机( v v v f ) 系统，为了增强张力控制效果，此处采用转速闭环控制。从图2 3 可以看出此张力控制 系统是速度内环与张力外环组成的双闭环结构。2 4 、3 。传动设计中分别引入了( ”2 - u 1 ) 与( u3 - u2 ) 以提高张力控制的鲁棒性。在此，为简化计算和分析，将交流电机系 统作为一大惯性环节来处理。电动机的速度分配出现过大波动时，电动机的工作情况可 能会出现不稳定。为避免这一不利状况，在同步系数环节后，设置了速度限幅环节以限 制电动机的速度分配的大小。 此种控制模式的特点是： ( 1 ) 在静态时，其各道电机的转速分配与传统方式相同，即：依据卷筒问出1 ：3 秒流量 相等的原则，由各道卷筒出口钢丝直径的比例来确定转速分配值。 9 江南人学硕十学位论文 ( 2 ) 在动态时，各道电机的比值同步速度可自校正以满足恒张力控制的要求。 可以看出：此种控制模式与传统控制模式( 见图2 2 ) 相比较，最大的区别在于： 传统控制模式的各电机速度分配是定值，而此种控制模式是直接利用反馈张力来在线控 制同步系数。 图2 - 3 多电机恒张力驱动系统的结构图 2 2 1 张力检测机械模型 弹簧机制张力检测机械的工作原理如图2 4 所示。其中，c l 、c 2 为相邻的两个拉丝 滚筒，m l 、m 2 为驱动滚筒的交流电机，啊、吃分别为滚筒c l 和q 的转速，u l 、u2 为滚筒转动的线速度，设张力检测活套的半径为，。m 点表示张力的最大极值点；o 点 为无丝时的自动平衡点，即零张力点。张力检测活套的位移为x ，根据胡克定律，实际 张力值只一h ，七为弹性系数。f 1 + 为张力设定值；c 1 与c 2 直径相同；电机m 2 与m l 的转速比n z n l 等于q 与c l 的速度比v l 。设比例系数r l 一痒2 n l - v , 为变量。如 前文所述：稳态时各卷筒的转速应符合出口秒流量相等的原则( 见式( 1 i ) ： s 1 q - s 2 2 - 一s 。) 。 式( 1 1 ) 中：s 1 、s 2 、s 丑为钢丝横截面积，随拉拔过程递减；相应地，”1 ， ”2 ，u1 1 的值是递增的，f l 。、f 2 、f n - l * 是递减的。 在稳态拉拔过程中，将拉丝模所产生的拉拔应力视为常值。反馈张力值与电动机问 速度差( u2 - u1 ) 之间有着密切的关系：系统稳定运行时，f l = f l ；当扰动使，l ：或n 增 大时，( 1 92 - - u ，) 增大，张力检测装置将会上升，其距离o 点的距离变大，c 2 与c - 问 的钢丝张力f 1 增大，( f i * - f 1 ) o ；反之亦然。 第二章多电机恒张力比值驱动系统及其动态建模 v im 点 图2 - 4 张力检测机械示意图 由反馈张力与( u2 一u1 ) 的对应关系可知：在滚筒位置和张力检测装置的弹性系数 等参数确定时，反馈张力只与电动机问速度差( ”2 - u 1 ) 有关，并且，反馈张力可用电 动机间速度差的一阶惯性环节来近似表示。 设反馈张力同( 1 12 - 1 11 ) 的传递函数为： g ，岱) 。l ( 2 1 ) g ，p ) 。两气 2 1 式( 2 1 ) 中： 珞为反馈增益；t f 为总反馈时问常数。 从图2 4 可近似求得电动机m 2 的负载转矩： 瓦一e r c 2 = r c 2 f 1 s i n a ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中： e g r p ) ( 一q ) ( 2 3 ) a a r c t g ( z y ) z 一，- x + r 石一g r x v 2 - h ) k 2 2 2 三相异步电动机系统的数学模型 本课题所选用电动机为通用型变频器m m v 控制的三相异步电动机。 根据电机学原理，在下述三个假定条件下： ( 1 ) 忽略空间和时间谐波 ( 2 ) 忽略磁饱和 ( 3 ) 忽略铁损 1 1 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 江南人学硕十学位论文 异步电机的稳态等效电路示于图2 - 5 1 3 0 1 | s 图2 - 5 异步电动机的稳态等效电路 图2 5 中： r s 、r ，一定子每相电阻和折合到定子侧的转予每相电阻； h 。、h 一定子每相漏感和折合到定子侧的转予每相漏感； k 广定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感； u 。、以一定子相电压和供电角频率； s 一转差率。 由图2 5 可以导出 ( 2 7 ) 式中 c 。1 + 生塑血1 + 鲁 ( 2 8 ) 1 j o j l l ，k 在一般情况下，l 。，圯k ，则，c 1 1 这相当于将上述假定条件的第( 3 ) 条改为忽略 铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成 i s l ，i 令电磁功率 只1 3 1 7 r _ ：s 同步机械角转速吐k l - a ，l l n ， 式中：甩。一极对数，则异步电机的电磁转矩为 ( 2 9 ) 第二章多电机恒张力比值驱动系统及其动态建模 t 。生。3 n p1 , 7 生。 n k l0 1 1 j 3 n 。u s 2 尺：s q ( 凡+ 等) 2 + m ：犯”+ ，2 】 ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 就是异步电机的机械特性方程式。它表明，当转速或转差率一定时，电 磁转矩与定子电压的平方成正比，即：可以通过调节电压来调节电动机转矩。当s 很小 时，转矩近似于s 成正比。因拉丝机的工作过程是一个重载下的恒转矩调速过程，势必 需要保持电机中每极磁通量瓯为额定值不变，以维持转矩恒定。 对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，吐k 保持不变 是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通4 ，m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁 通恒定较为复杂。 三相异步电动机定子每相电动势的有效值： e s 一4 4 4 f 1 n , k m m 。 ( 2 1 1 ) 式中最气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值( v ) ； 疗定子频率( h z ) ； 肛定子每相绕组串联匝数； 置基波绕组系数； 口k 每极气隙磁通量( 、) i ，b ) 。 由式( 2 1 1 ) 可知，只要控制好最和 ，便可达到控制磁通面l m 的目的，在这种控 制方式下的调速即为应用普遍的变压交频调速。在拉丝机现场，为了得到确保磁通恒定， 除进行、佃控制外，还需要补偿定子压降。压降补偿为3 0 v 时控制性能较优。 由于本文要考察的是电动机的外部特性，故选用整体控制性能较为优良的通用型变 频器m m v 控制的三相异步电动机系统。 在本系统中，西门子公司的m m v 变频器为无速度传感器的通用型变频器。其控制 原理与典型速度闭环控制类似，只是用速度的估计值来代替速度闭环控制中的转速反馈 值，以起到相近的控制效果。速度估计原理如图2 - 6 所示。 u a u b u c 图2 - 6 速度估计原理示意图 只有得到电动机的详细参数，方可实现无速度传感器控制。尽管现有的新型变频器 可对电动机参数进行自动辨识，并对内部控制进行参数自整定，但效果并不尽如人意。 江南大学硕十学位论文 为提高转速控制精度，在实际应用中，常对转速丌环的控制进行改造，采用外加测速环 节和控制器构成高精度速度闭环系统。 在拉丝机生产线中，当采用矢量控制方式时，张力辊会出现振荡，难以稳定。为稳 定控制系统，选用、垤标量控制方式。这时，只需在m m v 变频器傲相应设置便可容易 实现所需的v f 标量控制。 采用无速度传感器通用型变频器构成的转速闭环控制系统的结构如图2 7 所示。 图2 - 7 交流电机系统组成幽( v v v f ) 改造的三相异步电动机转速闭环控制系统的动态结构框图可化为图2 - 8 所示。 图2 - 8 交流电机系统动态结构框图 图2 - 8 中，转速调节器 。o ) 为一般p l 控制器。其传递函数为： o ) 吃型坐 l s ( 2 1 2 ) k 为a s r 控制器的比例系数；吒为a s r 控制器的积分时间常数。 考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节f b s 的传递函数可写成： 蜘南 ( 2 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中，瓦为开通时间。 变频器的传递函数可写成： 帅) = 南 ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 中，互为电力电子变换换器滞后时间常数。 从式( 2 2 ) ( 2 6 ) 可以看出：电动机的负载转矩对速度环的影响相当于张力外 环对速度内环的影响。在定性地分析设计多电机模型时，可忽略负载转矩内环的影响。 异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地 1 4 第二章多电机恒张力比值驱动系统及其动态建模 表示它的输入输出关系是不可能的。可以先在一定的假定条件下，用稳念工作点附近的 微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。 将电动机与变频器合作为一个被控对象。此时，对电动机进行近似线性化处理后， 其可看作是一大惯性环节 3 0 1 3 ”。异步电机的近似线性化传递函数为： 。嚣。丽k u s ( 2 1 5 ) 其中，k 。一异步电机的传递系数； l 一异步电机拖动系统的机电时间常数。 把得到的四个传递函数式( 式( 2 1 2 ) 式( 2 1 5 ) ) 写入图2 - 8 中各方框内，即得 异步电机变压变频调速系统微偏线性化的近似动态结构框图，如图2 - 9 所示。 图2 - 9 标量控制的交流电机传输方程框图 对小惯性环节进行近似处理并将系统等效成单位负反馈系统，得到图2 1 0 。 图2 1 0 单位负反馈系统及小惯性的近似处理 图2 1 0 中，k 。一t + 乙。由于m m v 和m a 均为一阶惯性环节，由转速调节器 厶 设计的理论可知，本系统可经由设计a s r ，从而很容易地校正成典型i 系纠捌。此时， 转速闭环的传递函数g v ( s ) q 谚为二阶函数。 由于实际控制系统往往比较复杂，而且上述分析中忽略了转子磁链的变化及t l 负 载扰动的影响，故须用试验来验证实际转速环系统特性。当n 为1 2 0 r m i n 的阶跃输入时， 仿真得n 的响应曲线如图2 1 1 所示。 江南人学硕十学位论文 1 4 0 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 1 2 恒张力多电机比值驱动系统 ( a ) 张力闭环系统数学模型；( b ) 张力闭环系统框图的化简；( c ) 张力闭环系统的简化结构框图 以双电机为例，建立多电机恒张力模型如图2 1 2 ( a ) 所示。 其中：6 f ( s ) 表示反馈张力同电动机间的速度差( ”2 - u1 ) 之自j 的传递函数；g c ( s ) 为控制器的传递函数；ul s 为阶跃启动信号。 由图2 1 2 ( a ) 可以看出：对其化简，将电机1 对电机2 施加的“变化相对缓慢” 1 6 第二章多电机恒张力比值驱动系统及其动态建模 的影响看作是电机2 同步系数端的常数1 ，可得到图2 1 2 ( b ) 所示的结构框图。在控 制器g c ( s ) 的设计中，可去掉常数1 的影响，最终化简多电机系统为图2 - 1 2 ( c ) 。其中： g ( s ) - g v ( s ) g f ( s ) 。( 西5 ) ( 2 1 6 ) 由以上分析可以看出：g “s ) ( 见图( 2 - 1 1 ) ) 、g k s ) ( 见式( 2 1 ) ) 及( u l s ) 皆为一阶 或二阶函数。故欲实现恒张力控制，控制器g c ( s ) g 选用p l 控制器或依据频率响应法设 计其他校正装置。 考虑到负荷变化及干扰因素的影响，系统的特性参数或结构往往会有一些非线性的 变化产生，为达到更好的控制效果，故可在传统的p i 控制上作进一步改进，将模糊控 制器和p l 控制器的优点结合，采用技术上较为成熟的模糊自整定p i 控制器。 2 3 本章小结 本章说明了多电机恒张力比值驱动系统的结构和组成，并针对当前传统控制的不 足，提出了一种新颖的张力闭环多电机恒张力比值驱动策略：利用反馈张力来直接在线 控制同步系数。 为验证所提出控制策略的合理性，建立了张力检测机械模型；构建并分析了三相异 步电动机的数学模型。在此基础上，创建了多电机系统的模型。 在对新模型进行分析后，确定采用模糊自整定p i 控制策略来实现多电机比值驱动 系统的张力精密控制。 1 7 江南人学硕十学位论文 第三章模糊自整定p i 控制器 由于p l 控制对大多数过程都具有良好的控制效果和鲁捧性，为实现多电机恒张力 比值驱动，优先考虑使用p i 控制。然而，由于拉丝机现场是一个具有非线性、时滞、 时变、耦合等特性的控制对象，单纯用p i 控制已难以满足要求。 同时，模糊控制具有较强的鲁棒性，并且具有动态响应好、上升时间快、超调小的 特点；尤其当被控对象模型很难建立或系统具有非线性、大时滞、时变、强耦合等特性 时，它的优越性更为突出。 为实现利用反馈张力来控制同步系数从而精确控制张力的目标，将模糊控制与p i 控制两者结合起来，本文设计的多电机比值驱动系统因此采用模糊自整定p l 控制器控 制同步系数。这是因为：模糊自整定p i 控制既能够改善系统动态性能，同时又易于实 现。 3 1 常规p i 控制算法 3 1 1p i 控制器的基本原理 p i 控制器本身是一种基于对“过去”，“现在”，和“未来”信息进行估计的简单控 制算法。常规p i 控制器系统原理框图如图3 - 1 所示。 图3 - 1p l 控制器系统框图 一 系统主要由p i 控制器和被控对象组成。p l 控制器是一种线性控制器，它根据给定 值“t ) 与控制器输出值“t ) 构成控制偏差，将偏差按比例，积分和微分通过线性组合构成 控制量，对被控对象进行控制，故称为p i 控制器。其控制规律为： _ k m e ( t ) + 却e ( f 渺 ( 3 1 ) 其中：e ( f ) 一，( f ) 一_ ) ( f ) ，k 。为比例系数，t i 为积分时间常数。 3 1 2 数字n 控制算法 随着微机技术的迅猛发展，实际应用中大多数采用数字p l 控制器。其中经常采用的 有位置式和增量式p i 控制算法。计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的 偏差值计算控制量。因此，连续p i 控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。 对模拟p i 控制算法的算式( 3 1 ) 进行离散化，令 第三章模糊白整定p l 控制器 “( f ) = “( 七丁) e ( f ) 暑e ( 七r ) 砉上e o 渺t 号蹇e c ，f ， ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 其中t 为采样周期。显然，上述离散化过程中，采样周期t 必须足够短，才能保证 有足够的精度。为了书写方便，将e ( k t ) 简化为e 0 ) ，u c k r ) 简化为“ ) ，即省略t o 将 式( 3 2 ) 一( 3 4 ) 带入式( 3 1 ) 中，可得离散p 1 表达式 。坼+