外文翻譯--中心驅(qū)動絞車控制的動態(tài)分析 中文版

1、<p><b>　　翻譯部分</b></p><p><b>　　中文翻譯</b></p><p>　　中心驅(qū)動絞車控制的動態(tài)分析</p><p>　　摘要：本文論述了中心驅(qū)動絞車全面的動態(tài)分析，首先，對絞車模型和動態(tài)行為描述，然后對不同的控制策略進行分析與討論，由模擬結(jié)果說明動態(tài)特性的不同控制策略，最后，對其考

2、慮因素選擇適當?shù)目刂撇呗蕴岢隽私ㄗh。</p><p><b>　?、?引言</b></p><p>　　在紙張、塑膠電影及鋼鐵加工和轉(zhuǎn)換機中，中心驅(qū)動的絞車（拆卷機）是重要的組構(gòu)件，物體的卷繞控制，是維持所需的鋼絲的張緊（釋放）的過程，卷筒的控制直接影響到絞車產(chǎn)品的質(zhì)量，電力電子調(diào)速驅(qū)動器和計算機技術(shù)為控制軟件和硬件取得盡可能高的性能，以及絞車精密的控制。更好地了解絞

3、車動態(tài)行為，可進一步對其適當控制、外觀設計，以取得更短的系統(tǒng)調(diào)試時間和最優(yōu)控制表現(xiàn)。</p><p>　　[1]中簡要回顧與比較絞車控制計劃，[2]中給出側(cè)重于電機和驅(qū)動器選取的絞車控制技術(shù)。近年來， 建模與控制的網(wǎng)絡處理系統(tǒng)已引起更值得關(guān)注。[3，10]中給出詳細的網(wǎng)絡動力學建模與張力控制，[4]中對問題和解張力控制進行了審查。[5]中給出了網(wǎng)絡縱向動力學模型和進行計算機仿真結(jié)果，[6]中給出了通過壓力傳感器的

4、張力和卷筒反饋張力的比較，[7]中研究了線速度和多層繞線的影響。上述資源為分析討論本文提供了一個良好的基礎。然而，以上都特別注意中心驅(qū)動絞車動態(tài)的研究，尤其目前普遍應用的策略的研究。</p><p>　　本文論述一個現(xiàn)在工業(yè)常用的中心驅(qū)動絞車全面的動態(tài)分析控制策略，本文的結(jié)構(gòu)如下：在第Ⅱ部分，對驅(qū)動設備、卷筒動力和系統(tǒng)進行描述，對動態(tài)行為和線性模型適合用于控制器設計進行討論，在第Ⅲ部分，對不同的控制策略分析，并著

5、重討論動態(tài)方面的問題，最后，根據(jù)分析結(jié)果，給出為中心驅(qū)動絞車選擇控制策略的建議，模擬結(jié)果還說明動態(tài)行為不同的控制策略。</p><p><b>　?、?系統(tǒng)建模</b></p><p>　　有許多不同機械結(jié)構(gòu)的中心驅(qū)動絞車，圖（1）為兩種不同形態(tài)的絞車結(jié)構(gòu)，一種是通過測壓元件測量繩索退繞時的拉力的結(jié)構(gòu)，另一個是通過控制跳動輥的位置測量繩索卷繞時拉力的結(jié)構(gòu)。一個簡明的介

6、紹，這臺機器結(jié)構(gòu)的一個倒帶結(jié)構(gòu)如圖（2）所示，但分析結(jié)果也適用于其他退繞和卷繞配置。見附錄命名規(guī)則。</p><p>　　A 卷筒的動態(tài)和驅(qū)動列車 </p><p>　　關(guān)于卷筒的動態(tài)、驅(qū)動絞車和跳動軌的詳細模型在[3-6]和[10]中，假設如下：</p><p>　　引導輥VI的速度是常量</p><p><b>　　截面積A是

7、一致的</b></p><p>　　應變是材料長度變化除以該原長度，且≤1</p><p><b>　　鋼絲有彈性</b></p><p>　　鋼絲的密度不變i.e., p =pu</p><p>　　鋼絲的動態(tài)模型依據(jù)：</p><p>　　公式（1）由引導輥和卷筒之間的鋼絲的質(zhì)量守

8、恒而得出的，在方程中，左半部是引導輥和卷筒之間的鋼絲變化量，右半部分表明通過引導輥纏繞在卷筒上鋼絲的質(zhì)量。公式（2）是彈力和壓力公式，公式（3）是應變公式和連續(xù)性方程。公式（1-3）顯示纏繞在卷筒上鋼絲的動力特性，利用上述假設關(guān)系，能簡化成一個方程如下：</p><p>　　公式（4）顯示了鋼絲張力帶的動力特性，并用在模擬與分析在這項研究中，驅(qū)動列車選區(qū)由一個電動機、變速箱和卷繞輥組成。由牛頓第二定律在絞車電機存

9、在如下關(guān)系：</p><p>　　由公式（4）（5）可創(chuàng)建方塊圖如圖（3）所示，從電動機轉(zhuǎn)矩到鋼絲張力帶的關(guān)系可得出如下： </p><p>　　相對于標準二階系統(tǒng)，它可獲得：</p><p>　　在這里，和為頻率和阻尼，從圖3可以得出在V1/L的桿決定卷筒的張力。當或鋼絲上檔的情況下，張力時連續(xù)的，從公式6可以得出由電機轉(zhuǎn)矩引起的張力由頻率和阻尼決定。<

10、/p><p>　　固有頻率和阻尼都是重要的參數(shù)，影響控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)表現(xiàn)。固有頻率由機械配置（D, GR, J, L）、鋼絲的參數(shù)(E, A)和線速度(V)決定，固有阻尼由機械的摩擦特性(B)、線速度(V)和阻尼(C)決定。直徑的變化對系統(tǒng)的慣性和頻率的特性影響如圖4，隨著卷繞輥直徑的增加，慣性將隨直徑4次方增加。固有頻率隨直徑增加先增加，而后隨直徑2次方減少到極限。固有頻率在卷筒直徑最小或最大時達到最小，由內(nèi)

11、外徑的比例、機械配置和鋼絲性能決定。 </p><p>　　當制動時，絞車控制最差，此時系統(tǒng)有最小的固有頻率，從表（4）可以看出，最小固有頻率在卷筒的直徑最小或最大時達到，因此卷筒的最小和最大直徑應予以考慮。</p><p><b>　　B 跳動輥系統(tǒng)</b></p><p>　　詳細建模跳動輥系統(tǒng)在[ 3,6 ] 中。圖5顯示跳動輥系統(tǒng)，圖

12、6顯示用于本文研究的一臺機械模型圖。假設：</p><p>　　1) d是圖5中跳動輥的位移，跳動輥的速度 Vd= dd/dt;</p><p>　　2) 跳動輥兩邊的鋼絲是平行的如圖5所示，引導輥和卷筒之間的距離為L-2d，L為容繩量</p><p>　　3）因為鋼絲繩中拉力為T，故合力為2T</p><p>　　由上述假設，公式（1）可以

13、修改如下：</p><p>　　類似的，張力公式可改為：</p><p>　　對跳動輥由牛頓定律，可以得出：</p><p>　　基于公式（9-10），可以創(chuàng)建方塊圖7，從圖表中可以得出，跳動輥位置的變化反映拉鋼絲繩中張力的變化，鋼絲繩的張力同時受到跳動輥的摩擦、慣性和其它非線性因素影響，在此分析中沒有考慮這些因素。當考慮到一個鋼絲繩具有非常大的楊氏模量，傳遞函數(shù)可

14、以簡化為積分[ 3 ] ：</p><p>　　由大多數(shù)工業(yè)應用的經(jīng)驗可得出，公式（11）中的積分模型可以充分說明跳動輥輥系統(tǒng)的主要行為。</p><p><b>　?、?計劃與分析</b></p><p>　　有許多不同的控制策略驅(qū)動中心絞車，本文將討論5控制配置的控制策略。在本文中討論中，“轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)”指的是通過張力或位置調(diào)節(jié)器修改絞車系統(tǒng)

15、的轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)，“速度調(diào)節(jié)”指的是通過張力或位置調(diào)節(jié)器修改絞車系統(tǒng)的速度進行調(diào)節(jié)。</p><p>　　A 開環(huán)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)絞車</p><p>　　這是一個簡單的絞車控制方案，可被應用于一類絡筒機的應用與低性能要求張力控制。圖8中顯示了該方案的結(jié)構(gòu)，鋼絲繩中的張力由卷筒上的轉(zhuǎn)矩控制，卷筒的壓力是不可測的?？傓D(zhuǎn)矩由所需的張力、軋輥直徑、慣性和損失的賠償要求計算得出。在這種方案中，速度環(huán)的配置用

16、于限制卷筒的過速，并沒有利用在活躍地帶的張力控制，張力由上述所述的二階系統(tǒng)與固有頻率和阻尼控制。圖9顯示典型的張力的步進控制，從圖可以得出，該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，當存在著頻繁的干擾和/或系統(tǒng)的固有阻尼是低的，表現(xiàn)的張力控制，將不能令人滿意。</p><p>　　B 扭矩調(diào)節(jié)張力控制絞車</p><p>　　圖（10）和圖（11）為該方案的結(jié)構(gòu)圖和方塊圖，在結(jié)構(gòu)圖中，測壓元件用來測量卷筒的壓力，受

17、控設備的傳遞函數(shù)為二階系統(tǒng)的含有固有頻率和阻尼的公式（6），張力控制器根據(jù)系統(tǒng)的固有頻率設計成比例-積分調(diào)節(jié)器或比例-積分-微分調(diào)節(jié)器。</p><p>　　PI控制器設計應使頻域內(nèi)的波特曲線有足夠增益和相位余量，類似圖（12）所示。當使用一個PI控制器， 交叉頻率需求小于固有頻率，當固有頻率較小時，張力的響應是緩慢的，因此固有頻率限制了交叉頻率的選擇，當張力的響應要求迅速時，對調(diào)節(jié)器必須添加附加裝置，以保證足夠

18、的相位余量。圖（13）顯示不同的頻率和調(diào)節(jié)器的張力響應，從中可以得出：當頻率越來越小時，設備的極對變得顯著，張力有變化的趨勢，當附加裝置添加到控制器后，情況有很大的改進，但會給系統(tǒng)帶來噪音，因此當使用附加裝置時，噪音應在可接受的范圍內(nèi)。</p><p>　　C 速度調(diào)節(jié)張力控制絞車</p><p>　　該方案的結(jié)構(gòu)圖如圖（14）所示，速度環(huán)是嵌套在張力閉環(huán)內(nèi)的，圖（15）是該方案的方塊圖，

19、從卷筒的速度反饋到張力的傳遞函數(shù)T為：</p><p>　　系統(tǒng)的伯德圖如圖（16）所示，，增加速度環(huán)后，系統(tǒng)性能明顯改善，當引導速度V,=O時，傳遞函數(shù)為：</p><p>　　該速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主導極點的位置為：</p><p>　　適當調(diào)校Kp和Ki，系統(tǒng)頻率和阻尼可改進，從而更好的張力響應，如圖（17）所示。</p><p>　　D 矩

20、調(diào)節(jié)位置控制絞車</p><p>　　圖（18）是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)跳動輥絞車的結(jié)構(gòu)圖，圖（19）和圖（20）分別是跳動輥模型和簡化積分的方塊圖，從轉(zhuǎn)矩到跳動輥位置的簡單傳遞函數(shù)為：</p><p>　　在此控制系統(tǒng)中的-B/J處有個極點，在多數(shù)系統(tǒng)中，相對于J，B的影響很小，因此，極點的位置比較接近起始位置，系統(tǒng)表現(xiàn)為雙積分。由于跳動輥和卷筒系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如公式（11）所示，PI調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，而PI

21、D調(diào)節(jié)可以得到滿意的響應，如圖（21）所示，因此這為PI調(diào)節(jié)帶來了困難，為此必須添加輔助裝置或超前補償器。</p><p>　　E 速度調(diào)節(jié)位置控制絞車</p><p>　　圖（22）為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖（23）為跳動輥積分模型的動態(tài)方塊圖，從速度到位置的傳遞函數(shù)如下： </p><p>　　可以看出，通過對速度環(huán)的合理的設計（大的帶寬和足夠的阻尼），公式（16）中的

22、極點可以遠離虛軸位置，控制系統(tǒng)表現(xiàn)為積分行為，這就達到了滿意的響應，如圖（24）所示。</p><p><b>　?、?討論和對比</b></p><p>　　由以上的分析和圖示結(jié)論，可得到固有頻率和阻尼是系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制主要由系統(tǒng)的頻率和阻尼極對決定。當系統(tǒng)的固有頻率很低或阻尼很小時，必須應用附加裝置或超前補償器。</p><p>

23、;　　在轉(zhuǎn)矩、張力或位置閉環(huán)中嵌套一個足夠帶寬的速度環(huán)，將會提高系統(tǒng)的固有頻率和阻尼，以得到絞車控制系統(tǒng)的快速響應，引進一速度環(huán)還有允許速度-后續(xù)的特點。圖（25）為沒有慣性補償?shù)姆治鼋Y(jié)果，從圖可以看出，速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)比轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)的張力響應較快，這是因為其加速度比轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)較小的原因。</p><p>　　實際應用中，根據(jù)系統(tǒng)卷筒的慣量進行設計速度環(huán)。圖（26）為速度環(huán)的方塊圖，忽略摩擦， (i.e. let B=

24、O), 閉環(huán)的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　和第二種控制系統(tǒng)相比，速度環(huán)的固有頻率和阻尼為：</p><p>　　可以看出，固有頻率和阻尼都有關(guān)該系統(tǒng)的慣性有關(guān)聯(lián)，舉例來說，當對卷筒軸進行速度PI調(diào)節(jié)后，固有頻率和阻尼隨卷筒的直徑和慣性的增加而減少。當系統(tǒng)的慣性改變的，帶寬和速度環(huán)的阻尼應當保持，帶寬通常指定為[9]。為做到這一點，速度PI調(diào)節(jié)增益應適應慣性改性，基于機械性能極限和穩(wěn)定

25、性的考慮(PI調(diào)節(jié)增益的限制)，帶寬的設計往往達不到要求。當PI調(diào)節(jié)增益達到極限時，系統(tǒng)慣量仍在增加，那么速度環(huán)就不再適應了，導致帶寬的減少，速度環(huán)性能的下降，將會影響主環(huán)性能下降，因此在這種情況下沒有必要增加一速度內(nèi)環(huán)。圖（27）顯示了適應或不適應的比較。如果沒有適應，當卷筒的慣性上升到一定的范圍時，該系統(tǒng)往往是不穩(wěn)定的。</p><p><b>　　Ⅴ 結(jié)論</b></p>

26、<p>　　本文對不同的控制策略為中心驅(qū)動絞車進行了分析和討論，重點就其顯性的動態(tài)方面的分析。非線性的影響如絞車驅(qū)動時的反彈沒有討論。</p><p><b>　　附錄: 術(shù)語</b></p><p>　　A ——鋼絲的橫截面結(jié)[]</p><p>　　B —— 絞車驅(qū)動中的摩擦系數(shù)[Nm/rad/sec]</p>&

27、lt;p>　　C ——卷筒阻尼系數(shù)[kPa-sec]</p><p>　　D ——卷筒瞬時直徑[m]</p><p>　　Dc ——卷筒軸直徑[m]</p><p>　　E ——楊氏模量[kPa]</p><p>　　F ——跳動輥拉力[N]</p><p>　　GR ——變速箱傳動比</p>

28、<p>　　J ——系統(tǒng)傳遞給電動機總慣性[kg ]</p><p>　　——歸一化后系統(tǒng)傳遞給電動機的總慣性[sec]</p><p>　　—— 跳動輥剛度[N/m]</p><p>　　—— 速度環(huán)積分增益</p><p><b>　　——速度環(huán)比例增益</b></p><p>