（模式识别与智能系统专业论文）轧染机多单元同步控制系统的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 机械系统的同步控制是机械技术、电力电子技术和信息技术有机结合的一 门新兴的跨学科的综合性科学技术。它与相关技术的发展密切联系在一起，主要 的控制对象是电动机，主要控制参数是位移、速度和相位多单元同步控制系统 的基础是电动机调速技术。随着变频调速技术的迅速发展，实践中，通常使用通 用变压变频( v v v f ) 变频器来驱动交流电动机，实现电动机调速。本文研究了 轧染机各个单元同步控制系统中交流电动机恒速度控制和恒张力控制的问题 本文分析了在轧染机同步控制系统中影响传动系统同步运行的因素除了各 单元电动机的转速的变化之外，织物的张力变化同样能够引起系统的失调；在卷 绕单元还要考虑卷径变化对于系统的影响。因此，该系统既有交流电动机的变频 调速控制，又有织物张力闭环控制，以及卷径的补偿控制等。本文对于电动机变 频调速原理进行了分析，同时以卷绕单元为例说明了织物张力形成的原理，并建 立了相应的数学模型。 本文介绍了轧染机工艺流程，并对轧染机的其中三个单元同步控制系统进 行了设计和分析。根据要求，本控制系统采用以p i , c 为控制器，控制v l t 2 8 0 0 系列变频器实现电动机变频调速；松紧架、角位移传感器组成张力闭环控制实现 恒张力控制。在控制策略上采用一种变比值、变增益和变积分时间常数的智能 p l 控制器，同时还考虑了卷绕单元的卷径补偿控制，控制算法均用p l c 相关程 序实现。该轧染机同步控制系统有较好的鲁棒性，在实验过程中达到了预期的效 果。 关键词：同步控制系统交频调速，p i 控制器，卷径补偿控制，张力控制 英文摘要 t h em e c h a n i c a ls y s t e ms y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o li sa no r g a n i cs y n t h e s i sa b o u tt h e m e c h a n i c a lt e c h n o l o g y , t h ee l e c t r i cp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , e m e r g i n gi n t e rd i s c i p l i n ec o m p r e h e n s i v e s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i t r e l a t e sc l o s e l yw i t ht h ec o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tj t o g e t h e r t h em a i n c o n t r o l l e dm e m b e ri sa l le l e c t r i cm o t o r , a n dt h ep r i m a r yc o n t r o lp a r a m e t e ri st h e d i s p l a c e m e n t , t h es p e e d a n dt h e p h a s e 。t h e f o u n d a t i o no ft h em u l t i u n i t s y n c h r o n i z a t i o nc o n t m ls y s t e mi st h ee l e c t r i cm o t o rv e l o c i t ym o d u l a t i o nt e c h n o l o g y a l o n gw i l ht h et e c h n o l o g yo ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o nr a p i d d e v e l o p m e n t , i ti su s e dt h a tt h ef r e q u e n c yc h a n g e r ( v a r i a b l ev o l m g ea n dv a r i a b l e f r e q u e n c y , v w f la c t u a t e st h em o t o ri np r a c t i c e t h i sa r t i c l es t u d i e dt h eq u e s t i o n a b o u tt h es p e e dc o n t r o la n dt h et e n s i o nc o n t r o lo ft h em u l t i - u n i t ss y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o ls y s t e m t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h ef a c t o r st h a th a v ea f f e c t e dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m s y n c h r o n i z a t i o nm o v e m e n ti nt h ed y i n gm a n g l es y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o ls y s t e m b e s i d e st h ee l e c t r i cm o t o rr o t a t i o n a ls p e e dc h a n g ee a c hu n i t , t h ec h a n g eo ft h ef a b r i c t e n s i o nc a nc a u s et h es y s t e md e t u n i n gs i m i l a r l y a l s oi tm u s tb ec o n s i d e r e dt h a ti st h e v o l u m ed i a m e t e rc h a n g ei nt h ec o i l i n gu n i tr e g a r d i n gt h es y s t e mi n f l u e n c e s ot h e r ei s n o to n l yt h es p e e dc o n t r o ls y s t e m ，b u ta l s ot h et e n s i o nc l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e ma n d t h ev o l u m ed i a m e t e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o ls oo ni nt h i sc o n t r o ls y s t e m t h i sa r t i c l e h a sc a r r i e d0 1 1t h ea n a l y s i sr e g a r d i n gt h ee l e c t r i cm o t o rv e l o c i t ym o d u l a t i o np r i n c i p l e a c c o r d i n gt of r e q u e n c yc o n v e r s i o n m e a n w h i l e i tt a k e st h ec o i l i n gu n i ta st h ee x a m p l e t oe x p h i nt h a tt h ef a b t i ct e n s i o nf o r m sp r i n c i p l e , a n df o r mm a t h e m a t i c a lm o d e l o t h e r w i s et h i sa r t i c l ep r e s e n t st h ei n d u s t r i a lf l o wa b o u tt h ed y i n gm a n g l e ，d e s i g n s a n da n a l y z e sat h r e e u n i ts y n c h r o n i cs y s t e m i nt h i ss y s t e m , p l ci sac o n t r o l l e r , v l t 2 8 0 0c o n t r o l l e db yp l cm o d u l a t et h ee l e c t r o n i cm o t o rv e l o c i t y t h et e n s i o n s e n s o ra n dt h et r a n s m i t t i n gi n s t r u m e n tc o n s t r u c tt e n s i o nc l o s e d l o o pc o n t r o l ，i tm a k e t h et e n s i o ni n v a r i a b l e i nc o n t r o ls t r a t e g yt l l j sa r t i c l e s e l e c t sab r a i np o w e rp i c o n t r o l l e rw h i c hh a st h ea l t e r a b l ep a r a m e t e r s ，a n di ti n c l u d et h ec o m p e n s a t i o nc o n t r o l a c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo ft h ev o l u m ed i a m e t e r e x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e c o n t r o ls y s t e mh a sb e t t e rr o b u s t k e y w o r d s ：s y n c h r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，v a r i a b l ev o l t a g ea n dv a r i a b l ef r e q u e n c y , p i c o n t r o l l e r , t h ev o l u m ed i a m e t e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o l ，t e n s i o nc o n t r o l 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 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了谢意。 学位论文作者签名： 踢砀签字日期：2 唧年二月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鋈王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞注王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 丑秀两导师虢友衔 签字日期：a 啼年盘月1 日 签字日期：秒7 年2 月1 7 t 论文创新点 1 、设计了直接张力闭环控制和电动机速度闭环控制系统； 2 、采用变比值、变增益和积分时间常数的智能p i 控制器； 3 、采用自适应控制对卷径变化进行补偿控制。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源与意义 在工程中，许多机械设备在工作时都要求多台或多个部件同步动作一回转轴 有接近相同的速度或有相同的相位，其中要求几台电机的轴严格同步传动的，如 门型吊车、水闸闸门等；有的则要求几台电机转角或转速的比值按某一规律连续 变化，如造纸机、塑料薄膜机等【4 2 1 本课题源于。天津纺织投资控殷集团印染分公司关于轧染机控制系统的改 造”项目。 自动化连续生产是现代生产加工工艺的主要特点。轧染机械在体积、重量和 长度等方面都比较大，为了对织物或纱线进行连续加工，通常由单元机组成联合 机，形成生产流水线，进行高速度、高效率及一体化的生产。各加工单元分别由 独立的电动机传动为了保证加工质量，通常要求在加工过程中保持织物线速度 恒定或张力恒定。这就要求在各单元机之间需要进行控制，使得各单元之间速度 发生差异时，能及时调节自身的速度，自动保持与邻近单元一致。这种拖动方 式称为多电机同步传动，也称多单元同步传动。对于长达数十米的轧染机来说， 织物从进布到出布，在机内有数百米到数千米的长度，要保证所有单元机械中的 各织物输送装置都具有相同的线速度是难以达到的。如果前方织物的线速度低于 后方，就会使织物松弛下来，可能产生严重事放；相反，如果前方织物的线速度 过多地高于后方，则又将使织物承受过大的张力，不仅会造成织物伸长，影响质 量，而且会损坏机件。实际上，织物在不同浓度、不同温度和不同湿度的容器中， 其伸长或收缩性能均匀不同，所以保持轧染机各个单元问织物张力恒定是其同步 传动控制系统的一个关键，是保证生产的品质、效率及可靠性的必需条件i 轧染机通常都是单方向不可逆运行。除卷绕单元外大多属于恒转矩负载，且 都比较稳定，无大的波动。启动转矩比较大，约为正常运行时的2 3 5 倍。因 此，多单元同步系统设计的关键问题是如何保证轧染机的起制动及调速过程中有 足够的调节布差的能力。 对于轧染机同步控制系统来说，解决各个单元电机同步运行及织物的恒张力 控制是解决问题的关键。同步控制通常可视为恒速度控制及恒张力控制。影响轧 染机各单元织物张力或运行速度的因素主要有： l 、退卷、收卷单元的卷径变化； 2 、卷筒支撑轴的摩擦力矩； 3 、加减速过程中所需的动态力矩； 4 、系统前后单元线速度的变化等 第一章绪论 考虑到需要调速，采用直流电机最好，近年来由于交流调速技术的迅速发展， 交流电动机已经被广泛应用。对于印染机械来说，电动机之间的线速度调节装置 ( 常用的为松紧架) 的作用，改变电机的励磁电流来实现的。多单元传动的优点 是可使多单元机之间织物的线速度能够自动调节，保证机器正常运转。大多数印 染机械的速度都需要调节，一般在初开车、过导布时均需慢车。当一切调整妥当 后，则需开至正常速度。因此，印染机械的全机调速，是保证正常生产的必要条 伊1 4 1 。 1 2 恒张力控制系统的应用 不仅在轧染过程中，在印刷，化学纤维，造纸及钢材等的加工过程中，张力 控制也是一个重要的影响因素，例如在织物加工过程中，为了使织物的质量稳定， 张力在过程中也应该保持稳定，波动过大就会影响产品质量，如果张力过大，有 可能造成化纤网格增大或者因应力过大而降低使用寿命；若张力过小，可能使织 物过松而引起跑偏或者皱褶，大大降低了产品的质量。 在纤维缠绕工艺中，张力不仅关联到树脂含量的控制，更重要的是，张力的 大小，各纤维间张力均匀性及各缠绕层问纤维张力的量级变化对制品强度影响极 大。 在带钢轧制过程中，张力波动大小直接影响到成品的板形及厚度公差。因此， 生产线上突出的问题是控制系统不仅要在稳速轧制过程中保持张力恒定，而且在 加减速的动态过程中也要保持张力恒定。 在纸张的印刷过程中，张力控制系统的稳定性也影响到印刷产品的质量，卷 简纸轮转印刷机工作时，由于纸卷的外径不断变化，同时还有纸卷不圆或者与卷 轴重心不合等原因都可能引起卷材张力大小变化，造成走带不稳，印品褶皱，重 影，有时还会造成纸带断裂等严重问题，对于高速卷筒纸胶印机来说，张力的波 动和变化对印刷套准精度影响更大。 张力控制是如此普遍，相应研究的方法也是曾出不穷。如文献 2 针对卫生用 品生产线放卷不均匀、原材料不稳定易打折、扯断等情况提出通过张力杆的偏转 情况来反映原材料在放卷过程中的张力变化，通过位移传感器传送张力信号到控 制器，通过p i d 控制，达到良好的控制效果；文献 3 用p l c ，张力控制专用变 频器、通用变频器等组成自动控制柜，加装在浆染联合机车头，控制车头动力， 使卷绕和牵引同步同速，实现片纱的恒张力卷绕；文献 4 根据薄纸在涂布过程 中存在张力小，容易拉斯的问题，p l c 根据各电机的状态信号，以及采集到的各 电机速度脉冲和当前张力辊所在位置进行p i d 同步计算机算出各电机速度增量， 再输出给变频器，由变频器控制调节各电机的转速，使张力辊稳定在中间位置， 保证纸张的生产质量。通过p l c 和变频器结合控制，加上p i d 和模糊控制变系数 第一章绪论 相结合的算法，在实际连续生产中得到了较好的评价；文献 5 检测的不是张力， 而是整经轴直径d ，由特定的公式计算出所要求的电源信号频率值，根据此频率 由单片机来控制变频器，进而调整电动机转速，从而保持纱线恒定；文献 6 对 分批整经机恒张力自动控制系统设计了一种基于p l c 的p i d 参数自整定控制系统 使恒张力控制系统达到了稳、准、快的要求，克服了传统控制系统的缺陷；文献 7 同样以p l c 为核心，利用交流变频调速实现恒线速度( 恒张力) 调节，实现 卷绕系统的同步控制；文献 8 采用p l c 为核心的数字同步控制系统，通过r s 一4 8 5 协议在p l c 和变频器之间进行通信，不但节省了一般系统采用d a 转换模块， 而且大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力，保证了控制精度；用p l c 的图形操 作终端直接显示运行参数，充分利用了p l c 的资源。 1 3 多电机同步控制的国内外研究现状 机械系统的控制同步是机械技术、电力电子技术和信息技术有机结合的一 门新兴的跨学科的综合性科学技术。它与相关技术的发展密切联系在一起，主要 的控制对象是电动机，主要控制参数是位移、速度和相位。 随着工业的发展，对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高，单单针对 一台电机控制在某些场合已经不能满足现代高科技发展的要求，而要人们控制多 电机，让其更好地协调运行。近年来，国内外的学者正对多电机同步技术进行了 广泛的研究工作，在理论和实践上都取得了一定的进展【“。 实现机械系统同步的方法1 3 1 l 随着科学技术的发展也不断发展，其发展过程 大致分为三个阶段： 第一个阶段：刚性传动( 如齿轮传动) 或柔性传动( 如链或带传动) 实现 同步； 第二阶段：振动同步( 如对于双激振动器式振动机) 或电轴同步( 对于一 般机械) ； 第三阶段：控制同步或控制同步与振动同步相结合的复合同步。 随着控制理论和方法的迅速发展，实现同步不仅已成为现实，而且也获得了 良好的控制效果，实现同步的方法也逐渐过渡到第三阶段。 多电机非交叉耦合控制涉及到的控制策略均是针对每一轴( 每一电机) ，也 就是对该电轴针对的电机具有的不可见性，虽然采用有效的控制在某种程度上能 够提高控制效果，而对于整个多电机系统的协调控制，还是有很大的局限性。非 耦合控制的一个共同的难点是由于各电机( 各电轴) 之间的动态性能不可能完全 一样，并且由于受到负载干扰和噪声干扰等许多因数的影响，各电机的动态性能 也是在不断变化。因此针对提高每一个电机控制精度，而对其它电机具有不可预 见性的多电机非交叉耦合控制策略显然不能达到多电机驱动的高精度控制系统 3 第一章绪论 的要求。针对这种情况，k o r e n 于1 9 8 0 年提出交叉耦合补偿控制策略。交叉耦 合控制是为解决多轴系统由于干扰因素致使各轴动态特性不匹配问题的轴同步 反馈控制。交叉耦合的实现一般是将其中某轴的输出变换作为其它轴的参考输 入。 由于同步控制涉及到控制多个电机，因此是多变量控制成为同步控制的基本 控制算法。这种同步控制主要有两种结构方式1 9 l ：一是对等控制方式，即要求多 个电动机的转子跟踪同一个指令性指标，如速度、相位等；二是主从控制方式， 即选择系统中的一个电动机为主令机，而其余电动机为从动机，控制从动电机来 跟踪主动电机的转速。 自从k o r e n 于1 9 8 0 年提出交叉耦合补偿控制策略以后，许多科学工作者围 绕“多电机协调控制”展开了进一步的研究，特别是9 0 年代，已深入到速度、 转角( 位置) 双重同步的多电机协调控制理论的研究，k u l k a r m i 和s r i n i v a s a n 详细地分析了交叉耦合补偿控制策略【3 2 j ，并于1 9 8 9 年引进了最优控制方案【3 3 1 。 g u o 等人把线性理论应用到多电机控制上p 卯，t o m i z u k a 等又把自适应前馈控制 策略用到交叉耦合控制器中闭，以提高瞬间响应和抗干扰能力。针对实际物理 系统的不确定性，许多研究还把鲁棒控制理论、h - o o 理论、最优化理论等应用到 多电机的直接协调控制中。 多电机的同步控制在国外已经有长足的发展，国内在这方面也取得了相当的 成绩。文献 3 7 给出了通过弹性耦合轴来进行同步控制的方案；文献 3 8 给出了 双机和多机驱动的机械系统同步控制的变结构符合控制模型；文献 3 9 给出了多 个直流电动机同步控制的模型参考自适应方案；文献 4 0 给出了具有弱磁的三台 电机比例同步连轧同步控制系统；文献 4 1 给出了轧机压下双侧同步控制中的自 适应调节方法。 同时在国内的各个工程中同步控制技术亦得到了大量的应用，如：三峡工程 永久船闸人字门开门同步控制技术应用；北京西客站主站钢门楼整体提升同步控 制技术应用；中华世纪坛也是一个典型的同步控制技术应用等等。 通过同步控制技术在这些重大工程中的研究和应用，可见同步控制技术在我 国得到了很大的发展，并取得了显著的经济效益和社会效益。 1 4 多电机同步控制的控制方法 在多机机械系统同步控制的研究中，各个控制方法得到了采用，如传统的 p i d 控制、变结构自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。交流电机是一个多 输入输出的非线性系统，它一方面具有较为确定的数学模型，另一方面又具有非 线性和参数变化的特点。传统的电机调速系统大多采用结构简单、性能稳定的 p i d 控制技术，但这种方法局限于线性系统，并过分地依赖于控制对象的模型参 第一章绪论 数，鲁捧性差。对于模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，p i d 调 节器难以满足精度、快速响应的控制要求，常不能有效克服负载、模型参数的大 范围变化及非线性因数的影响。现在的控制方法m l 【4 5 l 阳m 包括矢量控制都是建 立在系统数学模型的基础上，一旦模型偏离了实际的系统，控制系统的性能就会 大大降低；而且负载特性各不相同，使得设计和调节都很困难。为了提供交流高 精度的电动机控制方法，国内外学者运用现代控制理论中几乎所有方法对其进行 了大量的研究，将已有的控制方法和智能控制手段相结合，是研究高性能的交流 调速系统基本思想。 智能控制是控制理论发展的高级阶段，用于解决那些用于传统方法难以解决 的复杂系统的控制问题。作为一个边缘交叉学科，无论在理论上或实践上都还不 成熟、不完善，需要进一步探索和开发。最近2 0 多年来，智能控制得到了迅速 的发展和应用，在同步控制过程中可获得满意的效果。它是被控制系统的高度复 杂性、高度不确定性以及人们要求越来越高的控制性能的产物。一般说来，典型 的智能控制系统应具有下述功能特点： 1 联想记忆和学习能力系统具有对一个过程或未知环境所提供的信息进 行识别、记忆、学习并利用积累的经验进一步改善系统的性能的能力； 2 动态自适应能力系统具有对外界环境变化及不确定性的出现修正或重 构自身结构和参数的能力； 3 组织协调能力对于复杂任务和分散的传感信息具有自组织和协调能力， 使系统具有主动性和灵活性。 随着控制界对智能控制的定义、基本特征和结构特点等问题的深入探讨，实 现智能控制的基本方法已形成。其中最有发展潜力的是下列三个分支：基于模糊 逻辑的模糊控制系统、基于神经网络的神经控制系统和基于知识的专家控制系 统。 1 4 1 模糊控制系统 自1 9 6 5 年z a d e hl a 教授创立模糊集合以来得到了较快的发展和实际应 用，成为智能控制领域中的一个重要组成部分。7 0 年代中期以m a m d a n i e h 为代 表的一批学者提出了模糊控制的概念，标志着模糊控制的正式诞生，模糊控制的 基本思想是将有经验的操作者对特定的被控对象或过程的控制策略总结成系 列以“i ft h e n ”产生式形式表示的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集， 作用于被控对象或过程。模糊控制是智能控制较早的形式，它吸收了人的思想具 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理论，统筹考虑 系统的种控制方式，模糊控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统控 制的一种有效途径在交流传动系统中，模糊控制主要指的是对速度的控制【1 5 i 。 第一章绪论 1 4 2 神经网络控制系统 神经网络控制系统是利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的 一种技术系统，它是一种大规模并行的非线性动力学系统。其主要特点在于对信 息的分布式存储、并行协同处理以及自组织和自学习等。它具有模拟人的形象思 维的能力，反映了人脑功能的若干基本特征，但并不是人脑的逼真描述，而只是 它的某种抽象、简化和模拟。神经网络从结构上分为前馈网络和动态网络。这些 网络模型已被广泛用于复杂非线性系统的控制和辨识中。比较典型的神经网络控 制系统有：神经元自适应控制系统、自学习神经控制系统、神经内模控制系统、 神经非线性预测控制系统等。 1 4 3 基于知识的专家控制系统 智能控制是在人工智能及自动控制等多学科基础上发展起来的新兴交叉学 科，因此它和人工智能技术的发展是密切相关的。专家系统是人工智能学科中最 为成熟的应用领域之一，主要由数据库、知识库、推理机、解释器及知识获取五 个部分组成。基于知识的专家控制是指专家系统的原理和技术同控制理论方法与 技术相结合，在未知环境下，模仿专家的智能，实现对系统的控制。基于知识的 专家控制系统的设计与实现关键在于复杂、多样的控制知识获取、知识表示和知 识推理的技术。因此如何获取完备的领域知识一直是困扰系统设计者的“瓶颈” 问题。另一方面，过多的知识会影响系统的推理速度，造成系统的实时性差，为 此需寻求更加简单有效的知识表示方法。随着人工智能技术研究的深入，目前人 们正在寻求构造知识库的新方法，包括实时动态知识表示、启发式知识、不确定 和不精确信息等各种知识的处理方法1 4 3 1 。 1 5 本课题所做的工作及论文章节安排 本课题源于“天津纺织投资控股集团印染分公司关于轧染机控制系统的改 造”项目。以多电机传动的轧染机械为研究对象，根据轧染机械的工艺特点，要 达到各个单元协调同步工作，不仅要控制各单元电动机同步，还要考虑各个单元 印染织物的张力，即保持织物张力恒定。因此同步控制系统中还要有恒张力的控 制要求。 本课题采用主从控制方式，制定相应的控制方案。本控制系统以c j l m 可编 程控制器( p l c ) 为控制核心，通过检测脉冲编码器发出的脉冲信号，p l c 来完 成数据的处理，采用变参数、变时问常数的智能p i 控制器及卷径补偿自适应控 制策略达到控制要求。本文以轧染机械其中的三个典型的单元为例，设计了三单 元同步控制系统。本课题研究的内容及主要工作如下： 第一章绪论 1 介绍了关于轧染机的工艺特点，分析了松紧架的工作原理，并建立了松紧 架的数学模型；分析了织物张力形成的原因及影响因素，建立了张力环节的数学 模型。 2 根据轧染机工艺特点，提出对等性控制的控制方案，即以各单元传动电动 机的转速作为控制对象。各单元电动机采用变频调速的方法，通过控制变频器的 输入电压，改变电动机的供电电源频率，达到调速的目的；同时，考虑到织物的 恒张力控制，以松紧架作为张力传感器，再通过张力变送器放大，送入p l c 控制 器，实现张力闭环控制 3 介绍了控制系统硬件设计和软件实现。主要介绍了控制系统工作原理，硬 件结构、及变频器相关参数的设置及意义：对控制程序进行了说明。 4 介绍了变增益、变时间常数的智能p i 控制器及卷径补偿控制策略。 第二章轧染机同步控制系统的构成 第二章轧染机同步控制系统的构成 2 1 同步控制原理 以图2 - 1 两台电机的同步控制单元为例，说明同步控制的基本概念。 导辊1 导辊2 图2 - 1 同步控制示意图 图中，h 是第一对导辊传送带材的线速度，是第2 对导辊传送带材的线 速度。导辊l 、减速器1 、电动机m l 及驱动器1 构成l 号单元，导辊2 、减速 器2 、电动机m 2 及驱动器2 构成2 号单元。两单元结构相同，要求两单元同 步运行“”。 对于”同步”的含义主要有下述三种情况： 1 同速( q 一如) ：导辊l 的线速度k 与导辊2 的线速度如相同。导辊1 和 导辊2 这一区间的带材张力和上一个区间的带材张力有关。 2 牵伸( h 如) ：导辊1 的线速度h 大于导辊2 的线速度如，带材被牵伸， 带材张力与带材在这一区阃的伸长量成正比 3 超喂( h 和式( 2 2 1 ) 求得织物的伸长和张力。 可见，多单元系统的线速度恒定与织物内张力恒定其实质相同。 2 在两个传动单元之间设置缓冲装置，如图2 - 5 所示。两个单元问的缓冲装 置称为松紧架。在调整辊a 移动的范围内，织物内的张力基本上等于调整辊的自 重。由于两台单元机线速度差所引起的a 的位移为 1 h 。三r 缸出 ( 2 2 3 ) 2 ， 式中a v 为两单元线速度差，其单位为m s 。 i 图2 - 5 带缓冲装置的情况 1 3 第二章轧染机同步控制系统的构成 综上所述，线速度差一织物内产生张力一松紧架位移，这三者是相关的，后者 是前者的结果。因此，可以从不同的角度设计多单元同步系统。 2 2 4 松紧架装置的种类及其传递函数 通过对轧染机传动系统及其工艺特点的分析，我们看到，在轧染机同步控制 系统中松紧架起着十分重要的作用，本小节将展开对松紧架装置的工作原理及其 传递函数的分析。 可以看到轧染机传动系统在不计出进布装置的情况下，轧染机由八个张力单 元组成，各个单元间通过2 组重锤加压升降式松紧架和6 组气缸加压摆式松紧架 连接而成。松紧架装置是染整设备中常用的一种同步装置，实际上它构成直接张 力控制系统中张力检测环节，同时还有设定张力初始值的作用。松紧架常用的有 两种形式，分别是升降式和摆动式。 1 升降式松紧架 升降式松紧架贮布量大，多用于相邻单元之间动态布差较大的场合。其结构 示意图如图2 6 所示。 在分析轧染机传动系统时可以看到，均匀轧车与单柱烘干机之间以及单柱烘干 机与轧车1 之间通过升降式松紧架连接，其间织物的张力则由升降式松紧架的配 重来设定，升降辊既可自转又可在垂直方向平动。当前后传动单元线速度失去协 调时，升降辊l 上下移动，通过链轮传动机构调节变阻器，从而改变从动机车速， 与主令机一致。链条的另一侧装有重锤5 ，用以抵消调整辊的重力，使织物承受 较小的张力。如果改变重锤的重量，可以改变织物的张力。 图2 6 升降式松紧架结构示意图 图中卜升降调整辊；2 - 导布辊：3 一上下链条；4 一链条；5 一平衡重锤：6 一变阻器 链条；7 一变阻器；w k i ，w k 2 一上下限位开关。 第二章轧染机同步控制系统的构成 2 摆动式松紧架 该传动系统在轧车1 与轧车2 之问、轧车2 与轧车3 之间、轧车3 与轧车4 之间、轧车4 与轧车5 之间、轧车5 与轧车6 之间及轧车6 与双柱烘干机之间 分别装入了由加压气缸来设定织物张力的摆式松紧架，用于检测和控制张力。 由于摆式松紧架外形小，结构紧凑，目前染整联合机已经大量采用。其原理 与升降式相同，只是传动方式不同图2 7 为摆式松紧架的结构示意图。 图2 - 7 摆式松紧架结构示意图 图中卜调整辊；2 - 导布辊；3 一摆动臂；4 、5 一链轮和链条；6 一平衡重锤( 加压 气缸) ；7 - 变阻器。 在松紧架装置中，变阻器是一个变换元件，它把松紧架的机械位移转换成变 化的电信号a u 之问的变换系数。在本系统中，松紧架的变换元件采用的是脉冲 编码器，它是一种角位移传感器，是一种光学式位置检测元件。将它装在松紧架 链轮旋转轴上，当由于织物张力变化引起调整辊发生位移时，传感器便可以测出 旋转轴相对应的角度位移和速度变化，其输出信号是电脉冲，脉冲数与位移信号 成正比，即与张力变化成正比。 3 松紧架的数学模型的建立 松紧架结构图如图2 - 8 。 图2 - 8 松紧架结构分析图 第二章轧染机同步控制系统的构成 列写碉关的万栏如p ： 瓦笔 + 乞。矿+ t t 吃一吃一谚+ t ( 2 2 4 ) z 。d d f l s 3 - + t 。乞+ 呒一吃一唾 ( 2 2 5 ) ，警一促堋r ( 2 嗡) w r - v - v , ( 2 2 7 ) 丘一卮- 民心一乏) ( 2 - 2 8 ) m d 出w , 一e + e 一昂 ( 2 2 9 ) 摆辊角位移为 舀。丢膨 c z s o ， 摆辊角度传感器的输出电压为 露一面 ( 2 3 1 ) 由以上各式可得松紧架结构框图，如图2 - 9 所示。应用稳定判据分析，可得 出结论，即当时间常数相互错开，即t ，k ，对稳定性有利； 图2 - 9 松紧架结构框图 第二章轧染机同步控制系统的构成 由图2 - 7n t 1 ，引起摆辊位移的因素有：单元1 线速度吃，单元2 线速度吃， 进入本张力区之前织物的弹性变形f n 以及重锤重量或气缸加压力p o 。通过分析， 松紧架的传递函数可以近似表示为 s t , - k 0 s b ，一v 2 ) a t ( 2 - 3 2 ) 则有 皇! 墅k s r ( 2 - 3 3 ) 巧岱) 一q ) s 可见松紧架可以视为一个积分环节，其输出信号是前后两个传动单元速度差积累 的结果。 2 3 交流电动机变频调速原理 通过分析可知多单元同步控制实质上是恒张力控制和恒线速度控制，而要到 达系统同步实际上就是根据张力和线速度的变化，相应地调节各单元电动机的转 速，即是电动机的调速问题。本文所设计的同步控制系统除了直接张力闭环控制 系统外，它利用变频器和可编程控制器实现对电机的交流变频调速控制，所以下 面来分析交流异步电动机机调速的基本工作原理。 2 3 1 三相异步电动机工作原理 异步电动机的同步转速由电动机的磁极对数和电源频率所决定。其同步转速 可以表示为： 6 0 f 刀- 二- p ( 2 3 4 ) 式中p 一磁极对数，f 电源频率。设s 为异步电动机的转差率，可以表示为： j 。竺旦 尼 ( 2 - 3 5 ) 若以 表示异步电动机的实际转速，并以同步转速n 为基准，则其实际转 速可以表示为： 6 0 f o - s _ _ _ q ) 。彪0 5 ) ( 2 3 6 ) p 当电动机为空载时。转差率s 基本上为零，实际转速基本等于同步转速； 而当电动机为满负载时，则转差率一般在1 至1 0 0 6 的范围内，实际转速与同步转 第二章轧染机同步控制系统的构成 速有一定的差距。 由式( 2 3 6 ) 可知，改变交流电源频率，即可以改变电动机转速，实现对异 步电动机进行调速控制的目的，并且电动机的同步转速和电源频率成正比的关 系。因此，如果有一个可以任意改变频率的电源，即可以通过改变该电源的频率 来实现对异步电动机的调速控制。 对于异步电机的变压变频凋速，必须具备能够f 司时控制电压幅值和频率的交 流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称v w f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 装置 最早的w v f 装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机， 调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压的幅值和频率。调节同步发 电机的激磁电流能够改变输出电压的幅值。电力电子器件获得广泛应用以后，旋 转变频机组已完全让位给静止式的变压变频器。 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直 流环节”，所以又称间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流 器和由功率开关器件( p - m o s f e t ，i g b t 等) 组成的脉宽调制( p w m ) 逆变器，简 称p 咖变压变频器。 2 - 3 2 空间矢量概念及坐标变换思想 电压型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，适于做多台电机同步 运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。本 控制系统选用1 ，【2 8 0 0 系列变频器，它采用电压型逆变器，实现电机电压矢量 p w m 控制( s v p 删) 。 空间矢量变换是将三个标量变换为一个矢量，这种变换对于时间函数同样适 用。若用( f ) o ) ，( f ) 分别表示三相定子电压电磁量在三相坐标系中的瞬时 幅值函数，用u 。o ) 表示合成作用矢量，则定子电压空间矢量变换关系为 1 h ，( f ) 一鲁阻鞠( f ) + 距曲o ) e h 口+ h 鲜( f ) e “膳l ( 2 4 1 ) j 矢量u 。o ) 称为电压空间矢量。它在某一时刻的值代表三相电压合成作用在坐标 系中的空间位置，故称空间矢量。 异步电动机的矢量控制建立在动态模型的基础上的，其基本思想是认为异步 电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理，即电动机的转矩等于磁场与其相 垂直的电流的积，而异步电动机的定子电流则可以分解为产生磁场的电流分量 ( 励磁电流) 和产生转矩的电流分量( 转矩电流) 因此，通过控制电动机定子 1 8 第二章轧染机同步控制系统的构成 电流的大小和相位( 即定子电流矢量) ，即可以分别对电动机的励磁电流和转矩 电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的。 异步电动机的数学模型可以表示为电压和频率两个输入量，转速和磁链为两 个输出变量的双输入双输出控制系统。矢量控制相当于把非线性多变量的异步电 动机调速系统解耦成两个独立的线性子系统，即转速控制系统和磁链控制系统。 两个线性子系统的调节器可以用类似直流调速系统的设计方法o “。对三相坐标系 下的交流电流输入a 、b 、c 通过三相两相坐标变换可以等效成两相静止坐标系 下的交流电流，再通过转子磁场的定向旋转变换，可以变换成同步旋转坐 标系( 由) 下的直流电流，。如果站在由坐标系上，观察到的便是一台直 流电动机。所以从交换器外部看a 、b 、c 三相交流输入，得出转速缱输出，是 一台异步电动机。从变换器内部看，经过三相两相和同步旋转变换则变换成一 台输入电流为、i o ，输出转速为q 的直流电动机。矢量变频器的控制方案是采 用转子磁场定向的矢量控制，在转子磁场定向中，能保持m ，恒定，则电磁转矩 与定子电流的有功分量i 成正比。o 2 4 本章小结 本章介绍了有关多单元同步控制系统同步的概念，分析了轧染机同步控制系 统的组成及工艺特点，分析了张力形成的原理，同时介绍了张力检测环节松紧架 的工作原理及结构；由此得出，轧染机多单元同步控制系统实质上是保持织物内 张力恒定或者说是保持各个单元的线速度恒定。并且对电动机变频调速一空间矢 量控制进行了分析。 第三章轧染机同步控制系统设计 第三章轧染机同步控耕系统设计 3 1 张力同步控制系统设计及组成 对于轧染机来说，除了卷绕单元外，主要包括均匀轧车、单柱烘干机、轧车 1 、轧车2 、轧车3 、轧车4 、轧车5 、轧车6 和双柱烘干机，共九个单元，2 8 台 电机。如何保持各个单元间同步是一个关键问题。机械结构上看，各个单元间分 别对织物进行不同工艺的加工处理，就控制系统而言，根据不同的工艺有不同的 控制要求，如温度控制等；考虑其张力同步传统系统，工艺要求各单元问均采用 松紧架来构成张力控制系统，同时每个单元的电机都安装了减速器、变频器和控 制器构成了速度闭环控制系统。我们以三单元传动系统为例说明轧染机多单元同 步控制系统。 含卷绕单元的三单元同步控制系统结构示意图如图3 - 1 所示： 轧车 图3 - 1 三单元张力同步控制系统简易图 系统由轧车部分、双柱烘筒部分和卷绕部分组成。轧车部分由一对气动加压 轧辊、减速器l 、变频电机m ，、p l c 组成。双柱烘筒部分由导辊( 数个、半径) 、 减速器2 、变频电机m ，、p l c 组成。 卷绕部分由卷绕轴、减速器3 、变频电机m ，、p l c 组成。由于卷绕轴的半径 在卷绕过程中是逐渐增大的，为了保持卷绕线速度恒定，在卷绕轴近旁安装了 光电编码器，用于检测卷绕线速度h ，构成线速度闭环控制系统。光电编码器是 一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 这是目i i r 应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅 2 0 第三章轧染机同步控制系统设计 盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同 轴，电动机旋转时，卷绕半径不断变化，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极 管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，此脉冲信号为电机转速； 输出脉冲数除相应的系数即卷绕层数n ，根据式( 3 - 1 8 ) 可计算出瞬时半径r 3 。 在卷绕轴近旁的编码器除了用光电编码器检测卷径外，我们还可以将其改装 成超声波测距传感器。用来检测卷绕轴的半径的变化以控制卷绕轴的线速度。 超声波测距传感器“7 1 适合需要非接触测量场合，是基于超声波发射原理，在1 秒内发出数个超声波，然后接收它的回波，由于声波在空气中的传送速度较慢， 利用发、收过程中产生的时间差，就可以计算出前方物体离电路的实际距离。它 测量的结果可以精确到毫米级。 每个部分之间安装了空气加