再复卷机退纸架电机控制方法研究 Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｒｅ・ｒｅｗｉｎｄｅｒ ｂａｃｋ ｐａｐｅｒ ｒｏｌｌ 李茜，赵丹，孟彦京 Ｌｌ Ｑｉａｎ。ＺＨＡＯ Ｄａｎ，ＭＥＮＧ Ｙａｎ－ｊｉｎｇ （陕西科技大学电气与信息工程学院，西安７１００２１） 摘 要：再复卷复卷机退纸装置是由两台电机共同驱动一个退纸卷筒，再复卷过程中保证两台电机能够 同步驱动退纸卷筒。结合多电机同步控制理论，分析并仿真主从控制、并行控制、交叉耦合 控制等控制方法运用在多电机同步控制中的情况，从而为再复卷机退纸辊电机控制找出一个 最优的控制方法。 关键词：再复卷机；同步控制；仿真 中圈分类号：ＴＭ３４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００９－０１ ３４（２０１５）ｏ４（下）－００１ ３－０３ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１５．０４（下）．０４ ０引言 出，通过上递纸装置和导纸辊装置，经过弧形辊舒展 后，通过纵切系统进行纵切，再经过弧形辊和递纸装 再复卷机用于对已复卷￣５０ｇ／ｍ ～１２０ｇ／ｍ 的不合 格成品纸进行再次分切复卷，复卷成宽度紧度符合要求 置，绕过后支承辊而缠卷在卷纸筒上，卷纸筒依靠两个 支承辊的驱动而运转，从而牵动整个纸页前进。 的成品纸卷，在复卷过程中还可以除去质量不好的纸 张，粘结断头。再复卷机不同于普通复卷机的是它的退 ２再复卷机退纸电机控制要求 纸架上有左右两台电机共同驱动退卷纸芯，对于再复卷 再复卷机是重新复卷已经复卷过得纸卷，在复卷 机退纸架电机的控制精度直接影响退卷纸幅的张力控制 过程中，纸幅也是从退纸卷上引出，绕过导纸辊、舒展 精度，而退卷张力控制的稳定与否又与成品纸卷形态的 辊，通过固定位置的纵切机构，从机台下面送人纸幅使 优劣紧密相关。因此，必须为再复卷机退纸架电机选择 其绕过后底辊，然后卷在卷纸轴上，如图２所示。但由 正确的控制策略，实现退卷纸幅张力的精确控制。 于复卷机没有退纸辊，它是通过退纸架上左右两端的电 １再复卷机工作原理 机共同驱动一个退纸纸芯，而纸芯比较柔，在高速运行 河南濮阳龙丰纸业有限公司２０１４年下引纸再复卷机 性，就对两端电机的控制提出了进一步的要求。再复卷 项目中使用的在复卷机退纸架如图ｌ所示。 机运行时，必须保证两电机同步运行，因此对于再复卷 机退纸电机的控制要求就是如何保证两台电机能够稳定 同步运行。 图２再复卷机结构示意图 图１再复卷机退纸架 如图ｌ所示，再复卷机是把把不合格卷筒纸放在液 ３再复卷机退纸电机同步控制方式 压无轴退纸架上，退纸架左右两边各配有交流变频电 实现多电机同步控制，通常有两种方式：一是机 机、光电编码器及张力传感器以保持纸幅有均匀的张 械方式，二是电方式。机械方式采用链条、齿轮等刚性 力，并在断纸时能使纸幅快速制动。纸幅由放纸卷引 连接来实现多电机同步控制。电控制由于具有控制精度 收稿日期：２０１４－１１－１７ 作者简介：李茜（１９５７一），女，陕西人，硕士，研究方向为工业自动化和智能控制。 第３７卷第４期２０１５—０４（下） 【１３】 高，灵活性好的优点，已经广泛应用，电控制一般包括 ５所示。并行控制中两台电机共同拥有一个输入信号， 两台电机的控制系统之时相互。当某一电机受扰动 主从控制、并行控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制等 控制方式。但由于本项目中，只有两台电机同步控制， 而偏差耦合控制是在交叉耦合控制的基础上研究出的适 用于三台及以上电机同步控制的方法，因此在本文中不 做说明。 影响时，其自身转转会发生改变，由于这两台ｒ￣）０Ｌ的系 统之时没有耦合，故其中任意一台电机运行状态发生改 变，其他电机因无反馈信息而保持自身运行状态不变， 可能会造成比较严重的电机时失步。如果两台电机在运 ３．１主一从控制 主／从控制仿真模型如图３所示。第一台电机作为主电 行过程中没有任何扰动，则整个系统的同步性能会比较 好，但在实际应用中，这种情况基本是不存在的。 机，控制器将设定转速送入主电机，主电机的输出信号作 为下一台电机的输入信号。由此可知这种结构的系统中， 第一台电机只能作为主电机，后一台电机只能作为从电 机，因而中间的电机既是主电机也是从电机，当然，在本 项目中只有两台电机，一个主电机，一个从电机。 一 ｎ ＿ 图５并行控制仿真模型 在Ｍａｔｌａｂ７．０中对并行控制原理图进行负载突增的仿 —．． ．．．．．．．． 野 一 ＿ 真实验，为了便于观察两电机的速度趋于稳定性，我们 将电机ｌ的速度增益设置的与电机２的不同，仿真时间为 ２ｓ。得到的仿真结果如图６所示。 ．． ．．． ． ．＿ｌ 图３主从控制仿真模型 在Ｍａｔｌａｂ７．０中对主，从控制原理图进行负载突增的 仿真实验，两台电机给定转速设定为１５００ｒａｄ／ｍｉｎ，仿真 时间为２ｓ。得到的仿真结果如图４所示。 Ｉ茔Ｉ６井行控利转速跟随曲线 由图中可以看出，两电机在０．２ｓ时速度、转矩趋了： 稳定，而在０．４ｓ给定负载后，两电机的转速均有波动， 波动延续Ｎｏ．５３ｓ停止，两电机的转速趋于同步稳定，受 圈４主从控制转运跟随曲线 负载扰动影响时间为０．１３ｓ。并行控制由于各个电机时没 从图中可以看到，从电机从０ｓ得电Ｎｏ．３ｓ两台电机 速度趋于稳定同步，设定在０．４ｓ时刻给电机增加负载， 有反馈信号互相传递，整个系统处于开环状态，当受到 负载扰动后，两电机转速各自发生波动，最后达到稳定 状态。 两台电机的转矩增加并出现波动，而转速也降低，直至 ０．６ｓ两台电机的速度和转矩才趋于同步稳定，受负载扰 动影响时间为０．２ｓ。 ３．３交叉耦合控制 交叉耦合控制仿真模型如图７所示。电机之间没有 ３．２并行控制 并行控制结构简单，易于操作，其仿真模型如图 ［１４１ 第３７卷第４期２０１５－０４（下） 主次之分，同时电机之间形成耦合。每台电机加入速度 补偿器，当一台电机速度发生改变时，另外一台电机能 快速的对电机的同步误差进行补偿，因此具有较强的抗 稳定，而在０．４ｓ给定负载后，两电机的转速均有波动， 波动延续到０．５３ｓ停止，两电机的转速趋于同步稳定，受 负载扰动影响时间为０．１３ｓ。 扰动能力和较高的控制精度。但是交叉耦合控制结构不 适用于三台及三台以上的电机。 ４结束语 从以上分析我们可以看出，当整个电机控制系统 空载启动时，并行控制与偏差耦合控制的同步控制性能 。－ 比主从控制要优越。但在发生负载扰动后，主从控制中 日 从电机根据主电机的转速进行调 后，转速很快发生跟 随，达到了一定的同步控制性能，但如果从电机发生负 载突变，主电机却无法接收到从电机的转速反馈信号， 则会产生电机失步的现象。并行控制由于各个电机时没 有反馈信号互相传递，整个系统处于开环状态，当受到 负载扰动后，两电机转速各自发生波动，最后达到稳定 图７交叉耦合控制仿真模型 状态。交叉耦合控制电机均有反馈信号传递，整个系 统处于闭环状态，任意电机状态的改变都会影响到其余 电机的状态，能够时刻保持电机的同步性。因此在河南 濮阳龙丰纸业有限公司２０１４年下引纸再复卷机项目中， 我们结合以上考虑并联系现场实际成本和实际运行稳定 性问题，我们退纸辊电机的控制方式选择主从控制。 在Ｍａｔｌａｂ７．０中对并行控制原理图进行负载突增的仿 真实验，为了便于观察两电机的速度趋于稳定性，我们 将电机ｌ的速度增益设置的与电机２的不同，仿真时间为 ２ｓ。得到的仿真结果如图８所示。 参考文献： ［１】孟彦京．造纸机变频传动原理 设计【Ｍ】．西安：陕西人民出版 社，２００２． 【２］杨晨娜．多电机同步控制方式的研究…．知识经济，２０１ １（１２）：９９ １ｏ０． 【３】王品，翁国庆，张有兵．电力系统的ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真与 应用【Ｍ】．两安：两安电子科技火学出版社，２０１１． 【４】潘晓晟，郝世勇．ＭＡＴＬＡＢ电机仿真精华５Ｏ例【Ｍ】一Ｅ京：电：产工 图８交叉耦合控制转速跟随曲线 业出版社，２００７． ［５】陈伯时．电力拖动自动控制系统【Ｍ】．北京：机械工业出版 社．１９９９． 由 【ｆＪ可以看出，两电机在０．２ｓ时速度、转矩趋于 主Ｉ｛国‘ 童‘ 岛Ｉ｛函‘｛矗‘ 盎Ｉ ｊ重●｛重‘ 蠡‘ 蠢●出．．出． ． 蠡‘ｊ蠢‘｛＆‘ 蠡‘ 岛Ｉ｛ ‘｛盘Ｉ 出‘ 矗‘｛矗‘ 【上接第４页】 Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ，ｖｏ１．１３．，ｐｐ．１一ｌＯ，２００８． Ｂｒｋｈａｕｓｅｒ．２Ｏ０３． 【３】Ｃ．Ｃｈｅｒｔ，Ｄ．Ｒ．Ｙｕ，Ｗ．Ｂａｏ，Ｊ．Ｚｈａｏ．Ｓａｆｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｌｙａｐｕｎｏｖ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｍｅｔｈｏｄ［Ｃ］． 【８】Ｊｕｎ Ｚｈａｏ，Ｄａｖｉｄ Ｊ．Ｈｉｌｌ，Ｖｅｃ￣ｒ Ｌ２一Ｇａｉｎ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ，２ｏｏ９．７（４７）：１７０３—１７０７． 【９】Ｑ．Ｙ．Ｓｕ，Ｊ．Ｚｈａｏ．Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｃｌａｓｓ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ ｓｔａｔｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓＩＪ］．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，２０１２，２（７Ｏ）：１４９９—１５ｌ０． 【ｌＯ】Ｍ．Ｗａｎｇ，Ｊ．Ｚｈａｏ，Ｇ．Ｍ．Ｄｉｍｉｒｏｖｓｋｉ．Ｏｕｔｐｕｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｃａｓｃａｄｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｓｉｎｇ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２９ｔｈ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ，ＰＰ．５９５３—５９５７，２０１０． 【４】谭燕，应刖改进遗传算法优化航空发动机转速控制系统仿真研 究ｆＪ１．制造业自动化，２０１ １，５（３３）：ｌ１＋１３． 【５】苏庆字，孙希明，赵军．具有暂态性能约束的平面系统切换跟踪 控制…．ｆ】动化学报，２０１３，６（３９）：Ｉ一７． ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｏｎｔｒｏ１．２ＯｌＯ．２（８３）：３９４－４０３． 【１ １】Ｊ．Ｌｉ，Ｇ．Ｈ．Ｙａｎｇ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｓｗｉｓｈｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｎｄｅｒ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ．Ｐａｒｔｌ：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍｓ 【６】刘晓锋．航空发动机调节，保护系统多目标控制问题研［ＤＩ．哈滨 ＹＡｋ大学．２００８． 【７】Ｄ．Ｌｉｂｅｒｚｏｎ．Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｍ］，Ｂｏｓｔｏｎ，ＵＳＡ： ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，１（２２７）：７０ ８４． 第３７卷第４期２０１５—０４（下） ［１５１
