再復(fù)卷機(jī)退紙架電機(jī)控制方法研究

李 茜，趙 丹，孟彥京

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

再復(fù)卷機(jī)用于對(duì)已復(fù)卷的50g/m2～120g/m2的不合格成品紙進(jìn)行再次分切復(fù)卷，復(fù)卷成寬度緊度符合要求的成品紙卷，在復(fù)卷過程中還可以除去質(zhì)量不好的紙張，粘結(jié)斷頭。再復(fù)卷機(jī)不同于普通復(fù)卷機(jī)的是它的退紙架上有左右兩臺(tái)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)退卷紙芯，對(duì)于再復(fù)卷機(jī)退紙架電機(jī)的控制精度直接影響退卷紙幅的張力控制精度，而退卷張力控制的穩(wěn)定與否又與成品紙卷形態(tài)的優(yōu)劣緊密相關(guān)。因此，必須為再復(fù)卷機(jī)退紙架電機(jī)選擇正確的控制策略，實(shí)現(xiàn)退卷紙幅張力的精確控制。

1 再復(fù)卷機(jī)工作原理

河南濮陽龍豐紙業(yè)有限公司2014年下引紙?jiān)購?fù)卷機(jī)項(xiàng)目中使用的在復(fù)卷機(jī)退紙架如圖1所示。

圖1 再復(fù)卷機(jī)退紙架

如圖1所示，再復(fù)卷機(jī)是把把不合格卷筒紙放在液壓無軸退紙架上，退紙架左右兩邊各配有交流變頻電機(jī)、光電編碼器及張力傳感器以保持紙幅有均勻的張力，并在斷紙時(shí)能使紙幅快速制動(dòng)。紙幅由放紙卷引出，通過上遞紙裝置和導(dǎo)紙輥裝置，經(jīng)過弧形輥舒展后，通過縱切系統(tǒng)進(jìn)行縱切，再經(jīng)過弧形輥和遞紙裝置，繞過后支承輥而纏卷在卷紙筒上，卷紙筒依靠兩個(gè)支承輥的驅(qū)動(dòng)而運(yùn)轉(zhuǎn)，從而牽動(dòng)整個(gè)紙頁前進(jìn)。

2 再復(fù)卷機(jī)退紙電機(jī)控制要求

再復(fù)卷機(jī)是重新復(fù)卷已經(jīng)復(fù)卷過得紙卷，在復(fù)卷過程中，紙幅也是從退紙卷上引出，繞過導(dǎo)紙輥、舒展輥，通過固定位置的縱切機(jī)構(gòu)，從機(jī)臺(tái)下面送人紙幅使其繞過后底輥，然后卷在卷紙軸上，如圖2所示。但由于復(fù)卷機(jī)沒有退紙輥，它是通過退紙架上左右兩端的電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)退紙紙芯，而紙芯比較柔，在高速運(yùn)行性，就對(duì)兩端電機(jī)的控制提出了進(jìn)一步的要求。再復(fù)卷機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須保證兩電機(jī)同步運(yùn)行，因此對(duì)于再復(fù)卷機(jī)退紙電機(jī)的控制要求就是如何保證兩臺(tái)電機(jī)能夠穩(wěn)定同步運(yùn)行。

圖2 再復(fù)卷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 再復(fù)卷機(jī)退紙電機(jī)同步控制方式

實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步控制，通常有兩種方式：一是機(jī)械方式，二是電方式。機(jī)械方式采用鏈條、齒輪等剛性連接來實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步控制。電控制由于具有控制精度高，靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用，電控制一般包括主從控制、并行控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制等控制方式。但由于本項(xiàng)目中，只有兩臺(tái)電機(jī)同步控制，而偏差耦合控制是在交叉耦合控制的基礎(chǔ)上研究出的適用于三臺(tái)及以上電機(jī)同步控制的方法，因此在本文中不做說明。

3.1 主-從控制

主/從控制仿真模型如圖3所示。第一臺(tái)電機(jī)作為主電機(jī)，控制器將設(shè)定轉(zhuǎn)速送入主電機(jī)，主電機(jī)的輸出信號(hào)作為下一臺(tái)電機(jī)的輸入信號(hào)。由此可知這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，第一臺(tái)電機(jī)只能作為主電機(jī)，后一臺(tái)電機(jī)只能作為從電機(jī)，因而中間的電機(jī)既是主電機(jī)也是從電機(jī)，當(dāng)然，在本項(xiàng)目中只有兩臺(tái)電機(jī)，一個(gè)主電機(jī)，一個(gè)從電機(jī)。

圖3 主從控制仿真模型

在Matlab7.0中對(duì)主/從控制原理圖進(jìn)行負(fù)載突增的仿真實(shí)驗(yàn)，兩臺(tái)電機(jī)給定轉(zhuǎn)速設(shè)定為1500rad/min，仿真時(shí)間為2s。得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 主從控制轉(zhuǎn)速跟隨曲線

從圖中可以看到，從電機(jī)從0s得電到0.3s兩臺(tái)電機(jī)速度趨于穩(wěn)定同步，設(shè)定在0.4s時(shí)刻給電機(jī)增加負(fù)載，兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩增加并出現(xiàn)波動(dòng)，而轉(zhuǎn)速也降低，直至0.6s兩臺(tái)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩才趨于同步穩(wěn)定，受負(fù)載擾動(dòng)影響時(shí)間為0.2s。

3.2 并行控制

并行控制結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，其仿真模型如圖5所示。并行控制中兩臺(tái)電機(jī)共同擁有一個(gè)輸入信號(hào)，兩臺(tái)電機(jī)的控制系統(tǒng)之時(shí)相互獨(dú)立。當(dāng)某一電機(jī)受擾動(dòng)影響時(shí)，其自身轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)生改變，由于這兩臺(tái)電機(jī)的系統(tǒng)之時(shí)沒有耦合，故其中任意一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，其他電機(jī)因無反饋信息而保持自身運(yùn)行狀態(tài)不變，可能會(huì)造成比較嚴(yán)重的電機(jī)時(shí)失步。如果兩臺(tái)電機(jī)在運(yùn)行過程中沒有任何擾動(dòng)，則整個(gè)系統(tǒng)的同步性能會(huì)比較好，但在實(shí)際應(yīng)用中，這種情況基本是不存在的。

圖5 并行控制仿真模型

在Matlab7.0中對(duì)并行控制原理圖進(jìn)行負(fù)載突增的仿真實(shí)驗(yàn)，為了便于觀察兩電機(jī)的速度趨于穩(wěn)定性，我們將電機(jī)1的速度增益設(shè)置的與電機(jī)2的不同，仿真時(shí)間為2s。得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 并行控制轉(zhuǎn)速跟隨曲線

由圖中可以看出，兩電機(jī)在0.2s時(shí)速度、轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定，而在0.4s給定負(fù)載后，兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速均有波動(dòng)，波動(dòng)延續(xù)到0.53s停止，兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于同步穩(wěn)定，受負(fù)載擾動(dòng)影響時(shí)間為0.13s。并行控制由于各個(gè)電機(jī)時(shí)沒有反饋信號(hào)互相傳遞，整個(gè)系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，當(dāng)受到負(fù)載擾動(dòng)后，兩電機(jī)轉(zhuǎn)速各自發(fā)生波動(dòng)，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 交叉耦合控制

交叉耦合控制仿真模型如圖7所示。電機(jī)之間沒有主次之分，同時(shí)電機(jī)之間形成耦合。每臺(tái)電機(jī)加入速度補(bǔ)償器，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)速度發(fā)生改變時(shí)，另外一臺(tái)電機(jī)能快速的對(duì)電機(jī)的同步誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因此具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力和較高的控制精度。但是交叉耦合控制結(jié)構(gòu)不適用于三臺(tái)及三臺(tái)以上的電機(jī)。

圖7 交叉耦合控制仿真模型

在Matlab7.0中對(duì)并行控制原理圖進(jìn)行負(fù)載突增的仿真實(shí)驗(yàn)，為了便于觀察兩電機(jī)的速度趨于穩(wěn)定性，我們將電機(jī)1的速度增益設(shè)置的與電機(jī)2的不同，仿真時(shí)間為2s。得到的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 交叉耦合控制轉(zhuǎn)速跟隨曲線

由圖中可以看出，兩電機(jī)在0.2s時(shí)速度、轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定，而在0.4s給定負(fù)載后，兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速均有波動(dòng)，波動(dòng)延續(xù)到0.53s停止，兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于同步穩(wěn)定，受負(fù)載擾動(dòng)影響時(shí)間為0.13s。

4 結(jié)束語

從以上分析我們可以看出，當(dāng)整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)空載啟動(dòng)時(shí)，并行控制與偏差耦合控制的同步控制性能比主從控制要優(yōu)越。但在發(fā)生負(fù)載擾動(dòng)后，主從控制中從電機(jī)根據(jù)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)速很快發(fā)生跟隨，達(dá)到了一定的同步控制性能，但如果從電機(jī)發(fā)生負(fù)載突變，主電機(jī)卻無法接收到從電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，則會(huì)產(chǎn)生電機(jī)失步的現(xiàn)象。并行控制由于各個(gè)電機(jī)時(shí)沒有反饋信號(hào)互相傳遞，整個(gè)系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，當(dāng)受到負(fù)載擾動(dòng)后，兩電機(jī)轉(zhuǎn)速各自發(fā)生波動(dòng)，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 交叉耦合控制電機(jī)均有反饋信號(hào)傳遞，整個(gè)系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài)，任意電機(jī)狀態(tài)的改變都會(huì)影響到其余電機(jī)的狀態(tài)，能夠時(shí)刻保持電機(jī)的同步性。因此在河南濮陽龍豐紙業(yè)有限公司2014年下引紙?jiān)購?fù)卷機(jī)項(xiàng)目中，我們結(jié)合以上考慮并聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際成本和實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定性問題，我們退紙輥電機(jī)的控制方式選擇主從控制。

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