复卷机退卷张力控制的研究与应用

1、.复卷机退卷张力控制的研究与应用 康家玉 米林安 高承雍 （陕西科技大学，陕西咸阳，712081）摘要：建立复卷机退卷张力控制的数学模型，结合张力控制的具体要求，研究实用的张力控制方法及其具体实现。关键词：复卷机；退卷张力；间接张力控制；复合张力控制；组态 1 引言 复卷机是造纸生产线中的最后一道工序，它的性能决定着成品纸卷的质量，而复卷机电控系统的优劣又直接影响到复卷机的整体性能。在复卷机电控系统中，纸幅退卷张力控制是保证纸卷形态的至关重要的因素之一，对成品纸卷形态的影响是至关重要的。但由于复卷机工作车速高，且在工作时纸卷及辊筒跳动很大，底辊与退纸辊间的纸幅距离长，在采用张力反馈控制时，这些

2、因素都将作为扰动信号，通过张力传感器加入系统，如对反馈信号处理不好，将会直接影响系统的稳定性，使系统不能正常工作。另外，在升降速时，纸卷转动惯量很大，运行时纸卷直径的大范围变化，给张力控制提出了很高的要求。因此退卷张力的控制是系统控制的重点与难点。本文先介绍张力控制需达到的要求，在建立退卷张力数学模型的基础上，研究实用的张力控制方法，并介绍它在复卷机电控系统中的具体实现。2 张力控制具体要求在复卷过程中，纸幅从退纸卷上引出，绕过导纸辊、舒展辊，通过固定位置的纵切机构，从机台下面送入纸幅使其绕过后底辊，然后卷在卷纸轴上。其结构示意图如图1所示： 考虑复卷过程中的实际情况，张力的控制主要有以下几点

3、：退纸辊在正常运行中，两底辊由纸幅拉着退纸辊纸卷向前运行，要保持纸幅有一定的退卷张力，退纸辊电机应该是工作在发电制动状态。退纸辊在退卷过程中，纸辊直径一直在变小，要保持张力不变，退辊电机的制动力矩应随着减小。复卷机在加减速过程中，由于机械惯性的存在，退纸辊应该附加适当的制动转矩，作为动态补偿，以保证加、减速过程中的张力保持不变。如退纸辊电机用的是直流电机，转矩的控制最终归结到电枢电流的控制上，在这个转化过程中，应考虑励磁磁场的影响。复卷工序，有个引纸、停下来粘贴纸头、转入运行的过程。在这个过程中，张力的大小应该是不同的。引纸、静止张力应小于运行张力，而且由引纸到静止再到运行，张力的变化应是无扰

4、动切换。考虑到成品纸卷有内紧外松的形态要求，当成品纸卷卷到一定的大小时，应适当减小张力，以调整纸卷的硬度。断纸时，为了避免原纸浪费，应使退纸辊尽量快地停下。这虽然与张力本身并无关然，但在张力的控制方式中，应该考虑到这个问题。退卷张力的控制应综合考虑以上几方面的要求，对于不同的系统配置，可以有不同的控制方法。 图 13 退卷张力控制的建模退卷过程是一个动态时变过程，根据图2所示复卷机退卷传动结构图，建立张力控制数学模型：3.1 恒速运行时的张力建模根据传动结构图中受力关系，建立动态平衡方程 (式1)式中 M动态动态力矩 M电动机电磁转矩 M机电动机及传动机构空载转矩i变速比D原纸卷直径为突出问题

5、，先不考虑动态力矩，认为恒速卷取时等式右边的第三项即动态力矩为零。M机一般不大，也暂时略去。又根据发电机原理可得： （式2）其中CM发电机励磁Id电枢电流图 2 传动结构其中：T 纸幅张力 d 纸卷直径Dmin 铁芯直径V 线速度n 转速 角速度M机 机械摩擦阻力矩M 发电机电磁阻力矩i 齿轮箱传动比则上式可写成： （式3）由（式3）可得： （式4）可见，在稳态运行过程中，张力的控制可以使电机输出相应的制动电流来实现。3.2 动态补偿前面对退卷张力控制的讨论只考虑在稳速状态下的情况，在实际运行中常有加、减速的需要，如单靠张力调节器进行调节，可能会因调节不及时而使纸幅断裂。动态补偿，通常指的就是

6、在加、减速过程中对动态转矩的补偿。让我们回过头来看（式1）前面我们分析间接张力控制，为了突出主要矛盾，我们忽略了等式右边的第三部分，即动态力矩： （式5）在数值上，故把上式中的第二项略去，则动态转矩约为： （式6）其中纸卷飞轮矩为： （式7）式中 b纸幅宽度 纸比重D原纸卷卷径Dmin退纸辊轴芯卷径i减速比动态电流补偿为： （式8）这样就把加减速过程中需要补偿的动态力矩计算出来了，并且把它转变成实际应给电机补偿的动态电枢电流计算出来。在退纸辊的控制中，退纸辊电机会用到弱磁调速，即值是个变值，相应的动态补偿电流也应随着变化。还应注意，式（5）第二项为卷径D的变化产生的动态转矩，这部分动态转矩不但

7、在加减速过程中存在，而且在稳线速度工作时也存在。在线速度一定的情况下，本项为在退卷过程中，卷径D逐渐减小，为负值，所以整个这一项为正值，表明它要维持原来的转速，使之不能立即变化，这就导致了张力的增大。补偿的办法是使电枢电流减小些。这一项一般不大，为使控制系统不过于复杂，一般不给补偿。根据上式，加速过程中为了保持张力不变，电磁转矩中应该附加负的动态转矩动态，以补偿需要放出的能量；在减速时，为了保持张力不变，则应该附加正的动态转矩，以补偿卷绕机构惯性所需要吸收的能量。如系统配置了，则动态补偿就很容易实现，只须把动态补偿曲线计算出来存入PLC，并判断是否有升降速，是升速还是降速，然后给予相应的补偿即

8、可。4 张力控制的组态及其具体实现从上面的分析知，张力的控制是要退纸辊电机输出适当的制动转矩，是对主传动的控制，可以对主传动装置进行适当组态来实现。在这里介绍两种实用的张力控制方法。4.1间接张力控制不检测退卷张力的大小，只对张力主要扰动量进行补偿，间接地达到退卷张力恒定的目的。在间接张力控制方式中，是一种抗扰动补偿控制。在退卷张力控制中，主要的扰动有两个：退纸原纸卷直径和退纸辊电机的励磁磁通，这是因为在复卷过程中，退卷直径的变化和弱磁点以后磁通的变化都会影响退卷张力，退纸辊电机的制动力矩则要根据这些扰动计算退卷制动转矩，最终得出制动电枢电流。并利用装置本身的组态控制退纸辊电机，使它输出该转矩

9、以保证张力基本恒定。根据以上对张力控制中扰动补偿的分析与计算，装置需要先计算出退纸辊发电制动的制动力矩大小，再计算出实时卷径、实际励磁下的Ia值。这个Ia应该是作为退纸辊的电流给定值。具体可以这样实现：退卷卷径D一般是利用装置的卷径计算器模块来计算出。卷径计算器是利用线速度与角速度的比值计算出卷径的；T值由外部电位器通过模拟量输入端子按要求给定；通过乘法功能计算模块计算出TD；再计算出1/值；最后计算出Ia=； 接下来的任务是怎样让 图 3计算出的电枢电流值来控制电枢的实际电流。需考虑以下两方面的因素：一方面，退纸辊在引纸过程中，电机电流的给定值应由速度环给出，因而引纸时应工作于一般的速度电流

10、双闭环状态；另一方面，在正常运行时，电枢电流应满足张力给定值的需要，即应由 上面计算出的电枢电流作为电流环的给定值。 综合两方面的因素，可以这样来处理：把上面计算出的电流值作为电流环的限幅值，不改变默认的双闭环组态，但是在正常运行时给速度还的速度给定设置一个反方向的值，则实际运行时，由于前后底辊通过纸幅的拉力作用，使得退纸辊实际是作正方向运行，这样退纸辊的速度环就达到饱和状态并输出一个正的最大值作为电流环的给定值，使电流环饱和，这时的电流给定值的大小由电流限幅值决定，而这个限幅值就是上述由间接张力扰动补偿计算出的值。这样处理的好处有三个：引纸时有一定的引纸张力； 引好纸后打到运行位最初时，退纸

11、辊有缓慢向反向运行的趋势，使得纸幅在起动时有个起动张力，这样不至于使纸幅承受冲击张力而造成断纸；在正常运行时，对退纸辊的电机转速不进行刻意的控制，而只控制电机电枢电流，使得电机的制动转矩达到保持张力给定值所需要的值，实现对运行时的张力控制。这样做计算简单而且控制较精确。其具体的组态图如图3所示：间接张力控制的特点是：投资少，控制简单且较易稳定，但控制精度不高。 4.2 复合张力控制复合控制是把间接张力补偿控制和直接张力反馈控制相结合的控制方式。直接张力控制是利用张力计把纸幅张力检测出来，按负反馈原理，要控制哪个量，就引入哪个量的反馈信号，即把张力信号转换成相应的电信号，反馈到张力调节器输入端与

12、张力给定值比较，组成张力闭环调节系统从前面的分析可知，如果只采用直接张力控制，由于张力检测、卷径的大范围变化、磁场的变化、张力环的时间滞后等因素，使得系统很难稳定。考虑这些因素，根据直流装置的功能模块资源，可把两种方案综合起来应用，采用间接张力与直接张力相配合的复合控制方法。这时间接张力控制实际上相当于是个前向通道，而直接张力PID控制只是作为一个微调量，这两个量叠加后再计算得出实时卷径及实时磁场下电机应有的制动电流。这样做用间接张力控制首先保证系统的稳定，再用直接张力控制进一步使张力得到更精确的控制，组成复合控制系统。这样处理还有一个好处，那就是当张力检测方面出现问题时，可以经过简单的改动使

13、系统工作在只有间接张力控制的模式下，系统仍然能够照常运行。装置系统组态基本上还是按照前面间接张力控制的组态格局只需要在此基础上再叠加直接张力控制部分，如图4所示：5 系统分析大体上看，系统是张力、转速、电流三闭环控制系统。但实质上系统在稳态运行时只是张力、电流双闭环。这是因为在稳定运行的过程中，转速环一直是饱和的，相当于转速环开环。原理跟前面间接张力控制的原理一样，即：为了使纸幅在由引纸向运行状态转换的过程中能平稳 图 4过渡，应先使退纸辊电机有个向后转的趋势而先把纸副拉平，达到这一目的的办法是给退纸辊的速度给定给上一个负方向的转速给定值，在稳态运行时，转速环一直工作在饱和状态。张力环的输出及

14、相当于前向通道的间接张力控制环的输出相叠加，经过一定的计算后作为电流环的限幅值。这个电流限幅值虽然不是加在电流环的给定端，但它的作用是一样的，因为转速饱和后输出到电流环的值是转速环的一个固定的限幅值，它使电流环也达饱和而输出电流限幅值，而这个限幅值是经过计算后不断调整的，从而使张力可以保持恒定，此时的系统跟直接张力控制的方式是一致的。6 小结退卷张力的控制实际上是对退纸辊主传动的控制，本文介绍的控制方法不需要专门的控制器，而是利用传动装置本身自由功能模块的灵活组态实现。根据系统具体配置可灵活选用间接张力控制方式或复合控制方式。我们已把这种张力控制方法应用于山东临清银河纸业4400/1800复卷机、宁夏中卫美利纸业2640/1000复卷机等好几台复卷机电控系统中，均收到良好效果。 参考文献1 6RA70系列全数字式直流调速装置使用说明书 SIEMENS 公司2 DCS500直流传动系统使用说明书 ABB公司3 590系列使用说明