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直流双闭环可逆调速系统研究(4)

2013-04-26 18:02
理解了这一点可给我们的设计带来极大的方便，使得我们对退卷卷径的大范围变化给转速的变化要求不予以刻意的去控制，而是通过控制退卷张力恒定，间接地达到退卷线速度跟踪前后底辊的目的。
具体的设计方法是：一方面把对退卷张力的总控制量计算出来后，送至力矩运算器内转换成力矩，再送至张力电流运算器转换成电流信号，电流信号在转矩运算器内转换成电流的限幅值；另一方面使速度环在正常运行时一直工作在饱和状态，输出一个饱和负限幅值，这个饱和限幅值的大小是上面计算出的电流限幅值，这个值再去控制电流环，使电机电枢电流一直跟踪速度环的输出限幅值，也即是跟踪退卷张力的给定值。
3.2.2 现行方案分析
复卷机在卷取的过程中，放卷辊的卷径和转动惯量不断减小，为时变参数。为了保证纸张在卷取过程中平稳工作，必须要求纸幅的张力和线速度恒定。因此，对于放卷系统而言，进行张力控制是核心技术，放卷辊的张力控制主要有以下要求：
(a)放卷辊在正常运行中，两底辊由纸幅拉着放卷辊纸卷向前运行，要保持纸幅有一定的退卷张力，放卷辊电机必须工作在发电制动状态。
(b)放卷棍在退卷过程中，纸辊直径一直在减小，要保持张力不变，放卷辊电机的制动转矩应随着减小。
从退纸辊的控制特点可知，退纸辊的控制关键在于对退卷张力的控制上。从直观来看，在复卷机主传动系统中，前、后底辊是稳速系统，而退纸辊为退卷系统，如果退纸辊的车速不随卷径D的减小而变化的话，则退纸辊的线速度必然下降，造成前、后底辊与退纸辊间纸幅产生张力，设前后两底辊的线速度为V1，退纸辊的线速度为V2，则纸幅的退卷张力为：
                                                        (3-6) 内容来自www.nseac.com
式中：T—纸张承受的张力；S—纸张的截面积；L—后底辊与退纸辊两传动点之间的距离；Y—纸张的弹性模量。
从式（3-6）可以看出：要使张力恒定，必须保持线速度恒定。根据V=π ，要使V 恒定，必须使电机转速n∝1/d，即N∝1/M，可见复卷机的负载特性为恒功率负载特性。由于张力波动是由线速度波动引起的，所以从直观来看，张力恒定即线速度恒定。而欲使线速度恒定，就需卷绕功率为恒定值。所以恒张力控制、恒线速度控制、恒功率控制在本质上是相同的。这里只以恒张力控制为例，说明复卷机退卷张力控制的组成及原理。
纸幅张力控制分为直接张力控制和间接张力控制两种。
(1) 直接张力控制
直接张力控制是利用张力传感器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张力给定值比较，组成张力闭环调节系统。这种系统原理简单，很容易理解，
但是由于复卷机工作车速很高，且在工作时纸卷及辊筒跳动很大，采用张力反馈时，这些因素都将作为扰动信号，通过张力传感器加入系统，如果对反馈信号处理不好，将会直接影响系统的稳定性。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。
基于这些原因，如对张力的控制精度不是很高的话，一般都采用间接张力控制系统，但如对张力的控制精度及灵敏度要求较高的话，就应采用直接张力控制系统。
（2）间接张力
间接张力控制方式是根据恒张力卷绕过程中各参数之间的约束关系，找出影响张力的各个参数，将它们检测出来，加以补偿控制，间接地保持张力近似不变；它虽不如直接张力控制精度高，但易于稳定且投资较低。 （科教作文网http://zw.nseac.com编辑发布）
采用间接张力控制有两种方法可以实现：
复合张力调节法：通过调节电枢电压保持电枢电流 不变，随着卷材卷径变化调节电机的磁通 ，使 /D不变，保持张力恒定。
最大转矩法：保持 正比于 /D，即不论卷材卷径的大小，当电机的转速低于额定转速时，保持电机磁通为额定值不变，电机电枢电流 随卷材卷径变化而变化，保持 /D不变；当电机的转速高于额定转速时，保持 不变，Φ随卷材卷径的变化而变化，保持Φ/D不变，从而保持张力恒定。
在复合张力调节法中，I∝F、Φ∝D，控制起来比较直观；其缺点是只要不在最大卷径情况下，不论是高速还是低速，电动机都处于弱磁工作状态，所以电动机转矩得不到充分利用。由于Φ∝D，所以电动机的弱磁倍数等于卷径变化的倍数，当卷径倍数大时，要求电动机弱磁倍数也要大，于是使得电动机体积增大。另外由于卷材的直径变化比较大，一般为6～20倍，而直流电机的弱磁调速范围一般都小于3倍，即使特殊订货，也不会超过5倍，因此复合张力调节法无法满足要求。综合两方面的原因，一般我们采用最大转矩法对张力进行间接控制。
(a)控制思想
不用张力检测计，直接分析张力变化的原因，对其主要扰动量进行补偿，如能同时对几个扰动量结合着进行控制，可以达到很好的效果。例如对退纸辊的卷径变化引起的线速度变化从而引起的张力变化，直接对退纸辊的线速度给定进行补偿，这样做直观也较简单，但是补偿精度一般不是很高。对于欧陆590可直接利用模块组态的智能运算控制功能，根据对卷径变化引起的力矩扰动的分析，分不同情况、利用恒线速度与转矩控制相结合的方法直接对电机的电流与转矩进行补偿。
上面已提到过，本系统的电动机在正常运行时处于发电回馈制动状态，电磁转矩M为制动力矩。当不考虑动态转矩及机械损耗时，张力矩MT与电磁制动力矩相平衡。在张力恒定时，随着退卷卷径的减少，张力矩亦减少，这就要求制动力矩M与卷径成比例减小。这样可补偿掉大部分的张力扰动，使张力保持基本稳定。

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 (b)设计分析
由上分析可有如下原理图：
 
图3-22 间接张力组态图
卷径运算器检测退纸辊的线速度给定、角速度、最小卷径、卷径预置等信号进行综合处理，得到卷径信号。
锥度计算其功能是把对张力的给定信号转换成实时卷径下的张力给定，设计思想是：要得到内紧外松的成品纸卷，一方面压纸辊的压力应随成品纸卷的直径增大而减小，另一方面，在退卷过程中，张力给定信号也应随退卷卷径的减小而有所减小，有一个锥度变化，具体算法是：锥度要求=张力给定[100%-锥度（1-最小卷径/直径）]。