外文翻译--中心驱动绞车控制的动态分析 中文版

翻译部分 中文翻译 中心驱动绞车控制的动态分析 摘要 ： 本文论述了中心驱动绞车全面的 动态分析 ， 首先， 对绞车 模 型 和动态行为 描述 ，然后对 不同的控制策略 进行 分析与讨论 ，由 模拟结果说明动态特性的不同控制策略 ， 最后，对 其考虑因素选择适当的控制策略提出了建议 。 引言 在 纸张 、 塑胶电影及钢铁加工和转换机 中， 中心驱动的绞车（拆卷机）是重要的组构件， 物体的卷绕控制，是维持所需的 钢丝的 张 紧 （释放）的过程 ，卷筒 的控制直接影响到绞车 产品的质量 ， 电力电子调速驱动器和计算机技术为控制软件和硬件取得尽可能高的性能 ，以及绞车 精密 的 控制。 更好地了解 绞车 动态行为，可进一步 对其 适当控制 、 外观设计，以取得 更短的系统调试时间和最优控制表 现 。 1中 简要回顾与比较 绞车 控制计划， 2中给出 侧重于电机和驱动器 选取的绞车 控制技术。近年来， 建模与控制的网络处理系统已引起更值得关注。 3， 10中给出 详细的网络动力学建模与张力控制 ， 4中对 问题和解张力控制进行了审查 。 5中给出了 网络纵向动力学模型 和 进行计算机仿真结果 ， 6中给出了通过压力传感器的张力和卷筒反馈张力的比较， 7中研究了线速度和多层绕线的影响。 上述资源为分析讨论 本 文提供了一个良好的基 础 。然而 ，以上都特别注意中心驱动 绞车动态的研究 ，尤其 目前普遍应用的策略的研究。 本文 论述 一个 现在工业常用的中心驱动绞车 全面的动态分析控制策略， 本文的结构如下：在第部分，对驱动设备、卷筒动力和系统进行描述，对 动态行为和线性模型适合用于控制器设计 进行 讨论 ，在第部分，对 不同的控制策略分析，并着重讨论动态方面的问题 ， 最后 ， 根据分析结果， 给出 为中心驱动 绞车 选择控制策略 的 建议 ， 模拟结果还说明动态行为不同的控制策略 。 系统建模 有许多不同机械结构的中心驱动绞车，图（ 1）为两种不同形态的绞车结构，一种是通过测压元件 测量绳索退绕时的拉力的结构，另一个是通过控制跳动辊的位置测量绳索卷绕时拉力的结构。 一个简明的介绍，这台机器结构 的 一个倒带 结构如 图 （ 2）所示， 但分析结果也适用于其他退绕和卷绕配置。见附录命名规则 。 A 卷筒的动态和驱动列车 关于卷筒的动态、驱动绞车和跳动轨的详细模型在 3-6和 10中，假设如下： 1、 引导辊 VI的速度是常量 2、 截面积 A是一致的 3、 应变 是 材料 长度变化除以该 原 长度 ，且 1 4、 钢丝有弹性 5、 钢丝的密度 不变 i.e., p =pu 钢丝的动态模型依据： 公式（ 1）由引导辊和卷筒之间的钢丝的质量守恒而得出的， 在方程中，左半部是 引导辊和卷筒之间的钢丝 变化 量，右半部分表明通过引导辊缠绕在卷筒上钢丝的质量。公式（ 2）是弹力和压力公式，公式（ 3）是应变公式和连续性方程。公式（ 1-3）显示缠绕在卷筒上钢丝的动力特性， 利用上述假设关系 ， 能简化成一个方程如下 ： 公式（ 4）显示了钢丝张力带的动力特性， 并用在模拟与分析在这项研究中 ， 驱动列车选区 由 一个 电动机、 变速箱和卷绕辊 组成 。由牛顿第二定律在绞车电机存在 如下关系 ： 由公式（ 4）（ 5）可创建方块图如图（ 3）所示，从电动机转矩到钢丝张力带的关系可得出如下： 相对于标准二阶系统，它可获得 ： 在这里， p和 p为频率和阻尼，从图 3可以得出在 V1/L的杆决定卷筒的张力。当0V1 或钢丝上档的情况下， 张力时连续的，从公式 6可以得出由电机转矩引起的张力由频率 p和阻尼 p决定。 固有 频率和阻尼都是重要的参数 ， 影响控制系统的设计与实现表现。 固有 频率 由 机械配置 （ D, GR, J, L）、钢丝的参数 (E, A)和线速度 (V)决定，固有阻尼由机械的摩擦特性 (B)、 线速度 (V)和阻尼 (C)决定。直径的变化对系统的惯性和频率的特性影响如图 4， 随着卷绕辊直径 的增加 ，惯性将 随直径 4次方增加。固有频率随直径增加先增加，而后随直径 2次方减少到极限。固有频率在卷筒直径最小或最大时达到最小，由内外径的比例、机械配置和钢丝性能决定。 当制动时，绞车控制最差，此时系统有最小的 固有频率，从表（ 4）可以看出，最小固有频率在卷筒的直径最小或最大时达到，因此卷筒的最小和最大直径应予以考虑。 B 跳动辊系统 详细建模跳动辊系统 在 3,6 中 。图 5显示 跳动辊 系统 ，图 6显示用于本文研究的 一台机械模型图。假设： 1) d是图 5中跳动辊的位移，跳动辊的速度 Vd= dd/dt； 2) 跳动辊两边的钢丝是平行的如图 5所示，引导辊和卷筒之间的距离为 L-2d， L为容绳量 3）因为钢丝绳中拉力为 T，故合力为 2T 由上述假设，公式（ 1）可以修改如下： 类似的，张力公式可改为： 对跳 动辊由牛顿定律，可以得出： 基于公式（ 9-10），可以创建方块图 7，从图表中可以得出，跳动辊位置的变化反映拉钢丝绳中张力的变化，钢丝绳的张力同时受到跳动辊的摩擦、惯性和其它非线性因素影响，在此分析中没有考虑这些因素。 当考虑到一个 钢丝绳 具有非常大的 杨氏 模量，传递函数可以简化为积分 3 ： 由 大多数工业应用 的经验可得出，公式（ 11）中的积分模型 可以充分说明 跳动辊 辊系统 的主要行为。 计划与分析 有许多不同的控制策略驱动中心 绞车，本文 将讨论 5控制配置 的控制策略。在本文中讨论中，“转矩调 节”指的是通过张力或位置调节器修改绞车系统的转矩进行调节，“速度调节”指的是通过张力或位置调节器修改绞车系统的速度进行调节。 A 开环转矩调节 绞车 这是一个简单的 绞车 控制 方案 ，可被应用于一类络筒机的应用与低性能要求张力控制 。图 8中显示了该方案的结构，钢丝绳中的张力由卷筒上的转矩控制，卷筒的压力是不可测的。 总转矩 由所需的 张力 、 轧辊直径 、 惯性和损失的赔偿要求 计算得出。在这种方案中，速度环的配置用于限制卷筒的过速， 并没有利用在活跃地带的 张力 控制 ，张力由上述所述的 二阶系统与 固有 频率和阻尼 控制。图 9显示典型的张力的 步进控制，从图可以得出，该系统是稳定的， 当存在着频繁的干扰和 /或系统的 固有 阻尼是低的，表现的张力控制，将不能令人满意。 B 扭矩调节张力控制 绞车 图（ 10）和图（ 11）为该方案的结构图和方块图，在结构图中，测压元件用来测量卷筒的压力，受控设备的传递函数为 二阶系统 的含有固有频率和阻尼的公式（ 6），张力控制器根据系统的固有频率设计成比例 -积分调节器或比例 -积分 -微分调节器。 PI控制器设计 应使 频域 内的 波特曲线有足够增益和相位 余量，类似图（ 12）所示。 当使用一个 PI控制器， 交叉频率需求小于 固有 频率，当固 有频率 较小时，张力 的 响 应是缓慢的 ，因此固有频率限制了交叉频率的选择，当张力的响应要求迅速时，对调节器必须添加附加装置，以保证足够的相位余量。图（ 13）显示不同的频率和调节器的张力响应，从中可以得出：当频率 p越来越小时，设备的极对变得显著，张力有变化的趋势，当附加装置添加到控制器后，情况有很大的改进，但会给系统带来噪音，因此 当使用 附加装置时，噪音应在可接受的 范围内。 C 速度调节张力控制 绞车 该方案的结构图如图（ 14）所示，速度环是嵌套在张力闭环内的，图（ 15）是该方案的方块图，从卷筒的速度反馈到张力的传递函数 T为： 系统的伯德图如图（ 16）所示， ，增加速度环后，系统性能明显改善， 当引导速度 V,=O时，传递函数为： 该速度调节系统的主导极点 pp ,的位置为： 适当调校 Kp和 Ki，系统频率和阻尼可改进，从而更好的 张力响应 ， 如图（ 17）所示。 D 矩调节位置控制 绞车 图（ 18）是转矩调节跳动辊绞车的结构图，图（ 19）和图（ 20）分别是跳动辊模型和简化积分 的方块图，从转矩到跳动辊位置的简单传递函数为： 在此控制系统中的 -B/J处有个极点，在多数系统中，相对于 J， B的影响很小，因此，极点的位置比较接近起始位置，系统表现为双积分。由于跳动辊和卷筒系统的传递函数如公式（ 11）所示， PI调节不稳定，而 PID调节可以得到满意的响应，如图（ 21）所示，因此这为 PI调节带来了困难，为此必须添加辅助装置或超前补偿器。 E 速度调节位置控制 绞车 图（ 22）为系统的结构图，图（ 23）为跳动辊积分模型的 动态方块图，从速度到位置的传递函数如下： 可以看出，通过对速度环的合理的设计（大的带宽和足够的阻尼），公式（ 16）中的极点可以远离虚轴位置，控制系统表现为积分行为，这就达到了满意的响应，如图（ 24）所示。 讨论和对比 由以上的分析和图示结论， 可 得 到 固有 频率和阻尼是 系统的 关键参数 ，转矩调节控制主要由系统的频率和阻尼极对决定。当系统的固有频率很低或阻尼很小时，必须应用附加装置或超前补偿器。 在转矩、张力或位置闭环中嵌套一个足够带宽的速度环，将会提高系统的固有频率和阻尼，以得到绞车控制系 统的快速响应，引进一速度环还有 允许速度 -后续的特点 。图（ 25）为没有惯性补偿的分析结果，从图可以看出，速度调节系统比转矩调节系统的张力响应较快，这是因为其加速度比转矩调节较小的原因。 实际应用中，根据系统卷筒的惯量进行设计速度环。图（ 26）为速度环的方块图，忽略摩擦， (i.e. let B=O), 闭环的传递函数为： 和第二种控制系统相比，速度环的固有频率和阻尼为： 可以看出，固有频率和阻尼都有关该系统的惯性 有关联，举例来说，当对卷筒轴进行速度 PI调节后，固有频率 和阻尼随卷筒的直径和惯性的增加而减少。当系统的惯性改变的，带宽和速度环的阻尼应当保持，带宽通常指定为 J/Kpco 9。为 做到这一点，速度 PI调节 增 益应适应 惯性 改性 ，基于机械性能极限和稳定性的考虑 (PI调节增益的限制 )，带宽的设计往往达不到要求。当 PI调节 增 益 达到极 限 时， 系统惯量仍在增加 ，那么速度环就不再适应了，导致带宽的减少，速度环性能的下降，将会影响主环性能下降，因此在这种情况下没有必要增加一速度内环。图（ 27）显示了适应或不适应的比较。 如果没有适应， 当卷筒的 惯性上升 到 一定的范围时， 该系统往往是不 稳定的。 结论 本文对 不同的控制策略为中心驱动 绞车 进行了分析和讨论，重点就其显性的动态方面的分析 。非线性