高速复卷机电控系统研究毕业论文

1、速复卷机电控系统的研究摘 要论文中，针对高速复卷机的运行特点，对影响高速复卷机控制效果的诸多因素进行了深入探讨，其中主要讨论了原纸卷转动惯量对恒张力控制系统的影响、直流弱磁点设置对恒张力控制系统的影响、卷径计算方法的优化以及卷绕压力与纸病的关系，最后对高速复卷机发展趋势进行了展望。在基于电机转矩控制的方案中，重点分析了原纸卷转动惯量的影响，指出由于原纸卷的转动惯量是渐变的，因此尽管纸幅负载在车速不变时是恒功率负载，但是电机的电磁制动功率却不应该是恒定的，因此退纸辊电机的调速过程并不是恒功率调速。同时，论文中给出了原纸卷转动惯量的计算公式，以及相应的离散化方程和便于在PLC中编程的近似计算方程。

2、在此基础上，还对原纸卷转动惯量补偿前后纸幅实际张力的差别作出了比较。在对电机的电磁制动转矩进行了补偿后，文中对这个控制方案在工作车速不变时的张力控制效果，进行了理论上的分析，得出的结论是：当工作车速不变时，实际张力与设定张力之间有一个固定的误差，但张力是稳定的；而没有对制动转矩进行补偿时，实际张力是随着复卷的进行逐渐增大的，并且工作车速越高，这种漂移越大，从而证明在高车速复卷机的设计中，必须考虑原纸卷惯性转矩的影响。在对高速复卷机控制系统的参数进行优化分析时，文中给出了考虑打滑以及防止卷径突变的卷径计算方法，并对原纸卷惯性转矩计算方法进行了更深入地理论研究。同时对于国内使用较为普遍的直流恒张力

3、控制中弱磁点的设置也进行了探讨，并指出弱磁点设置的不同对恒张力控制带来的影响。最后对于复卷过程中产生纸病的原因进行了分析。在文章的最后对于现代复卷机发展的趋势进行了展望，给出了具体的控制要求，为将来高速复卷机的设计奠定了基础。关键词：复卷机、纸幅张力、转动惯量、转矩控制、恒张力、卷绕压力RESEARCH OF HIGH SPEED REWINDER CONTROL SYSTEM AbstractIn this paper, many factors which may affect control effect of high speed rewinder are discussed acco

4、rding to its running characteristic. The moment of inertia of paper roll and the setting of DC Equipment Weakening Magnetic Points Influence on Constant Tension Control System, the calculation of roll diameter and the relationship between rolling pressure and paper fault are mainly discussed. At las

5、t the research of AC rewinder control system is briefly introduced according as the development trend of high speed rewinder. In the project based on motor torque control, the very important point is that the moment of inertia of the paper roll which being reel out in rewinder should be considered i

6、n earnest. Because of the paper rolls moment of inertia is variational during the rewinding process, so the motors power must be changed in order to make the papers tension is invariable. So when calculating the limit of the torque, we should consider the moment of inertia of the paper to compensate

7、 it. The function of the torque limit was presented in this paper, and the approximate equation which can be easily programmed in PLC was presented too. Based on this the fore-and-aft actually web tension was compared.Based on the first project, the effect of the tension control when the speed is co

8、nstant was analyzed in this paper. The conclusion is that the fact tension of paper is stabilization but have a constant error relative to the required tension. And during the speed changing, a method of tension compensation was put forward.When the parameters of high speed rewinder control system w

9、ere optimized, the method of calculating roll diameter considering skid and preventing it from mutation. And the method of calculating paper roll inertia torque was deeply theoretically studied. At the same time, the setting of DC Equipment Weakening Magnetic Points Influence on Constant Tension Con

10、trol System was also discussed. Finally the reason why the paper fault came forth in rewinding process was analyzed.In the last part of this paper, the trend of modern rewinder developing is studied. And the detailed control requirement was introduced.Key words: Rewinder, Web tension, Moment of iner

11、tia, Torque conctrol, Constant tension, Rolling pressure目 录 TOC o 1-3 h z HYPERLINK l _Toc104014185 第一章 绪论 PAGEREF _Toc104014185 h 1 HYPERLINK l _Toc104014186 1.1 复卷机概述 PAGEREF _Toc104014186 h 1 HYPERLINK l _Toc104014187 1.2 卷取理论5 7 12 13 14 15 16 PAGEREF _Toc104014187 h 2 HYPERLINK l _Toc104014188

12、1.2.1 基础技术 PAGEREF _Toc104014188 h 3 HYPERLINK l _Toc104014189 1.2.2 纸张的厚度与紧度23 24 PAGEREF _Toc104014189 h 5 HYPERLINK l _Toc104014190 1.3 国外复卷机的发展状况及国内外现状之对比6891011 PAGEREF _Toc104014190 h 7 HYPERLINK l _Toc104014191 第二章 课题的提出 PAGEREF _Toc104014191 h 11 HYPERLINK l _Toc104014192 2.1 背景分析 PAGEREF _T

13、oc104014192 h 11 HYPERLINK l _Toc104014193 2.2 课题的提出 PAGEREF _Toc104014193 h 13 HYPERLINK l _Toc104014194 2.3 课题内容与分布 PAGEREF _Toc104014194 h 14 HYPERLINK l _Toc104014195 第三章 原纸卷转动惯量对恒张力控制的影响 PAGEREF _Toc104014195 h 16 HYPERLINK l _Toc104014196 3.1 现行控制方案介绍 PAGEREF _Toc104014196 h 16 HYPERLINK l _To

14、c104014197 3.1.1 方案简介28373844 PAGEREF _Toc104014197 h 16 HYPERLINK l _Toc104014198 3.1.2 现行方案分析 PAGEREF _Toc104014198 h 18 HYPERLINK l _Toc104014199 3.1.3 小结 PAGEREF _Toc104014199 h 20 HYPERLINK l _Toc104014200 3.2 原纸卷惯性转矩的计算 PAGEREF _Toc104014200 h 20 HYPERLINK l _Toc104014201 3.3 转矩差对张力控制的影响 PAGER

15、EF _Toc104014201 h 23 HYPERLINK l _Toc104014202 3.4 总结及控制框图 PAGEREF _Toc104014202 h 29 HYPERLINK l _Toc104014203 第四章高速复卷机控制系统中若干参数优化讨论 PAGEREF _Toc104014203 h 32 HYPERLINK l _Toc104014204 4.1 线速度差对张力控制的影响3293536373839 PAGEREF _Toc104014204 h 32 HYPERLINK l _Toc104014205 4.2 卷径计算方法分析 PAGEREF _Toc1040

16、14205 h 35 HYPERLINK l _Toc104014206 4.2.1 原有卷径计算方法简介45 46 PAGEREF _Toc104014206 h 35 HYPERLINK l _Toc104014207 4.2.2 原有卷径计算方法分析 PAGEREF _Toc104014207 h 36 HYPERLINK l _Toc104014208 4.2.3 减少卷径计算偏差的基本思想和方法 PAGEREF _Toc104014208 h 36 HYPERLINK l _Toc104014209 4.3 惯性转矩的分析 PAGEREF _Toc104014209 h 40 HYP

17、ERLINK l _Toc104014210 4.3.1 复卷机退纸辊的惯性转矩研究的意义 PAGEREF _Toc104014210 h 40 HYPERLINK l _Toc104014211 4.3.2 退纸辊电机负载力矩分析 PAGEREF _Toc104014211 h 40 HYPERLINK l _Toc104014212 4.3.3 退纸辊惯性转矩分析 PAGEREF _Toc104014212 h 41 HYPERLINK l _Toc104014213 4.3.4 卷筒上的惯性转矩 PAGEREF _Toc104014213 h 43 HYPERLINK l _Toc104

18、014214 4.3.5 考虑纸卷打滑等异常精况下惯牲力矩的计算 PAGEREF _Toc104014214 h 43 HYPERLINK l _Toc104014215 4.4 直流装置弱磁点的设置对恒张力控制的影响 PAGEREF _Toc104014215 h 44 HYPERLINK l _Toc104014216 4.4.1 控制系统分析 PAGEREF _Toc104014216 h 45 HYPERLINK l _Toc104014217 4.4.2 最大转矩法恒张力控制 PAGEREF _Toc104014217 h 46 HYPERLINK l _Toc104014218 4

19、.4.3 小 结 PAGEREF _Toc104014218 h 50 HYPERLINK l _Toc104014219 4.5卷绕压力与纸病的关系12 17 18 19 20 21 22 PAGEREF _Toc104014219 h 50 HYPERLINK l _Toc104014220 4.5.1 压区力与转鼓直径的关系 PAGEREF _Toc104014220 h 51 HYPERLINK l _Toc104014221 4.5.2 转鼓直径与纸种的关系21 19 PAGEREF _Toc104014221 h 51 HYPERLINK l _Toc104014222 4.5.3

20、 压纸辊对纸辊质量的影响 PAGEREF _Toc104014222 h 52 HYPERLINK l _Toc104014223 第五章 高性能复卷机电控系统展望 PAGEREF _Toc104014223 h 54 HYPERLINK l _Toc104014224 5.1 国产复卷机面临的问题 PAGEREF _Toc104014224 h 54 HYPERLINK l _Toc104014225 5.2 现代复卷机的发展趋势 PAGEREF _Toc104014225 h 56 HYPERLINK l _Toc104014226 参考文献 PAGEREF _Toc104014226 h

21、 58 HYPERLINK l _Toc104014227 致 谢 PAGEREF _Toc104014227 h 61 HYPERLINK l _Toc104014228 学习期间发表的论文 PAGEREF _Toc104014228 h 62第一章 绪论1.1 复卷机概述在造纸生产过程中，复卷是卷筒纸生产的最后一道工序。由于从抄纸机上生产出来的原纸卷比较松软，内部可能会有破损或断头，两侧边缘不整齐，纸幅宽度不合适等各种原因，大多不能直接用于纸加工或者印刷，大部分纸种（如新闻纸、凸版印刷纸、包装纸等）需要经过复卷机切边、分切、接头、在纸卷芯上重卷形成一定规格、一定紧度要求的成品纸卷才能出厂。

22、由于纸机的抄造过程是连续性的，纸卷的更换并不需要停车；而复卷机的工作是间歇式的，每次更换原纸卷时必须停车，并且通常情况下，一个原纸卷，可能要分成若干次才能复卷完毕，中间会有几次停车过程，将卷好的成品纸卷卸辊，然后更换新的纸芯，再开始一次新的复卷过程，这些间歇过程通常是避免不了的。因此如果复卷机的工作车速不够快的话，会出现原纸卷的复卷时间大于抄造时间，其后果就是造成原纸卷的积压。随着造纸机械和控制技术的发展，现代造纸机已经达到单台40万吨/年、车速2800米/分左右，幅宽达10米的生产水平4，这就要求复卷机必须具备高速、宽幅、自动化程度高的性能。由于上述原因通常设计时要求复卷机的车速是纸机设计车

23、速的2倍以上2，因此复卷机是造纸设备中工作车速最快的设备，这就为复卷机的设计与制造带来了很高的要求。综上所述，复卷机设计车速的高低、运行工况的好坏直接影响着纸机是否能够正常工作。另外，对复卷机的要求，除了工作车速之外，还包括成品纸卷的卷取质量和自动化程度的高低。对于成品纸卷卷取质量的评价，主要包括两个方面：一是外观要求，即分切端面是否平整光滑，有没有台阶形状；二是对内在质量的要求，首先是不允许在复卷过程中纸张出现打摺现象。其次是紧度分布要求，考虑到纸卷的储存、运输以及用户设备的需要，要求成品纸卷的紧度在径向上分布均匀，并呈递减性态，俗称内紧外松。用纸张的残余应力可以评价纸卷紧度的分布情况，即纸

24、张的残余应力要小而均匀11。影响纸张残余应力的因数主要包括三个方面：纸幅张力（Tension）、压区压力（Nip load）、扭矩（Torque），简称TNT11。为了达到纸卷对紧度的要求，需要对这三个指标进行严格控制。图1-1是一个典型的双底辊下引纸复卷机的简单工作示意图，对这三个方面进行了说明。从图中可以看到，纸幅张力是纸张从原纸卷至后底辊这一段运行期间的张力，要求纸张在这一段期间内张力平稳。否则纸幅会出现横向偏移，造成纸卷端面不齐，形成台阶形状，严重时会出现打褶，同时如上所述会影响到纸张的残余应变。压区压力如图中所示，指压纸辊对成品纸卷形成的压力，通常为液压驱动，可通过控制液压比例阀门控

25、制压纸辊压力，一般需要设置由程序控制的压力曲线，随着成品纸卷直径的增大使得压力逐渐减小。 图1-1复卷机工作示意图 Fig.1-1 Sketch map of rewind machine扭矩为前后底辊电磁输出转矩之差，在复卷初期，要求纸卷硬度大一些，随着成品纸卷直径的增大，两个转矩的差别逐渐减小，趋于相等，甚至有时要求出现负值，即使得前底辊转矩略小于后底滚转矩2。1.2 卷取理论5 7 12 13 14 15 16在讨论卷取工艺以及为卷绕纸辊所必需的适用方法和设备时，我们必须首先讨论个卷取工艺以及最终用户对纸辊质量与后加工运行性能方面的主要要求。所以很明显，对一个合格纸辊的要求应该以某种控制

26、测量值的变化来加以表示。Pfeiffer5在这方面迈出了重要的一步，他提出了在纸辊结构上卷绕张力的定义、测量值及其影响。现在已有可能将不良纸辊结构跟纸辊中发现某种缺陷联系起来，因此了解影响纸辊结构，并从而影响在纸厂进一步加工或供给用户的纸辊质量的所有卷取变数是非常必要的。简单的说，纸辊结构是指被卷取的纸辊要卷的多紧和多均一。卷绕张力就是紧度和均一性的一个测量值。1.2.1 基础技术基础技术7 12包括有：压区力机理（Nip mechanics），它对纸辊结构起到重要作用；纸幅控制（Web control），它包括张力控制、牵引力控制和舒展；纸幅分离，它包括所有的纵切和切断过程；纸幅整饰，它改变

27、纸页表面，包括有超级压光、模压加工、涂布和印刷；纸张控制，它是切平板纸的关键部分；退纸（Unwinding），在任何其他工艺过程中，所用的每个纸辊都必须被退纸；打包（Packing），它包含任何成品的保护面；以及最后，生产控制，它在任何工艺过程中是最基本和必需的功能。1.2.1.1 退纸控制“纸辊纸辊”的第一个功能就是退纸过程。该过程除了使退纸辊加速和减速（增加和降低纸幅的速度）以外，还提供支托和刹车（保持纸幅张力）的手段。有时，纸幅校正（edge guiding）、摆动（oscillation）和专用纸辊与其他材料处理设施也包括在退纸辊退纸功能中。纸幅校正保持纸幅边缘成一直线，即使退纸辊边缘

28、并不成直线。摆动是在卷取期间，使纸幅作侧向运动以均衡纸幅横向厚度的波动，有助于防止在后道工序中发生起愣和爆裂等纸病。 Table 1-1 Unwinding control表1-1 退纸控制功能要素 缺 陷1张力制动作用：a. 反馈式b. 摩擦式c. 紧急刹车1摆动边偏移2结构不稳3张力偏移2加速4辊子摇晃3减速5纸页抖动4辊子承托6裂边5放松7褶子6惯性补偿7纸幅校正8振荡1.2.1.2 纸幅控制卷取的第二项基本功能就是纸幅控制7 12。它包括张力控制（tension control）、牵引力控制（traction control）、舒展和速度。牵引力控制在纸幅与承托件之间维持恒定的速度。舒

29、展使纸页保持平坦不打褶状态，还在卷取过程中避免分切纸幅的相互重叠。因此，纸幅控制对从退纸辊将纸幅（或几层纸幅）输送到复卷纸辊，提供了必要的控制。 Table 1-2 Web control 表1-2 纸幅控制功能要素缺 陷1张力控制1加速度偏移8纵切偏移2引力控制2减速度偏移9交叠3舒展3接头偏移10盆行4速度4纸幅起皱11突然断纸5纸幅折叠12shiner偏斜6纸幅磨损13裂边7褶子 1.2.1.3 纸幅分离第三个基本功能就是纸幅分离（纵切）。该技术包括纵切（将纸幅切成一定的使用宽度）和清除纸边（纸幅在卷取过程中被切成一定宽度后，将切剩的纸边送走）。 Table 1-3 Web detach

30、 表1-3 纸幅分离功能要素缺 陷1纸幅分离法1纵切粉尘8接头偏移2清除纸边2纵切圆环9突然断纸3切口粗糙10Shinner4清除纸边（断纸）11扇形边5裂边12褶子6边缘伸长13翻转7切口压痕1.2.1.4 纸辊结构控制卷取的最后一个功能，即纸辊结构控制，可能是卷取最重要的功能。影响结构控制的变数很多，将在下面讨论，但基本上可以分成三类，我们称之为卷取的TNT13 15。它是张力（tension）、压区力（nip）和扭矩（torque）三个变数的首位字母组合。其他十八种变数（表1-4）都在某种程度上对这三个变数有影响，从而决定纸辊结构。1.2.2 纸张的厚度与紧度23 241.纸或纸板的厚度

31、是指纸张或纸板在两测量板间受一定压力（测量时所受的压力为10.1公斤）直接测量的厚度，以毫米表示（或微米表示）。厚的标准纸板的厚度可达5毫米以上，而最薄的电容纸的厚度只有4微米。纸张或纸板的紧度是指一立方厘米的纸张或纸板的重量，以g/cm3表示。在测量纸张的纸板的定量和厚度之后，就可按下式算出：即 其中： 紧度 （g/cm3） 纸张或纸板的定量 （g/m2） 纸张或纸板的厚度 （mm） 紧度是纸张或纸板最重要的基本性质，它与纸张的多孔性，刚性和强度有密切的关系；并且影响到纸张的光学性能，印刷性能，和除定量以外的所有物理性能。据有关研究资料表明：增加纸张的紧度能增加纸张的抗张强度和耐磨度，并且成

32、直线的比例关系；但纸张的撕裂度、耐磨度增加到一定程度后，则随着纸张的紧度增加而降低。紧度的增加使纸张的多孔性和透气度降低，也使纸张的弹性、不透明度和吸油墨性降低，但刚硬性增加。 Table 1-4 Winding variables and influence on TNT 表1-4 卷取变数及其对TNT的影响变数 张力 压区 转矩1.转鼓直径 2.转鼓装置 3.转鼓表面 4.纸张横幅分布 5.纸辊直径 6.芯轴滑移 7. 纸种 8.纤维辊 9.卷取机传动 10.速度 11.纸芯直径 12.舒展辊 13.转鼓卷绕 14.纸芯形成 15.振动 16.纵切刀数 17.压纸辊传动 18.纸辊宽度 2

33、.由于纸张的用途不同，对纸张紧度的要求也不同。有些纸要求紧度大，如电容器纸的紧度。有的要求达1.2g/cm3以上，以提高纸的耐电强度，反之，有些纸要求较低的紧度，如滤油纸、滤纸等。因此对各种纸和纸板的紧度的规定必须适当。几种主要纸张和纸板的紧度如下： 凸板印刷纸：0.60.65（超级压光的一号纸要求0.8） 胶版印刷纸：0.7 （超级压光的纸张要求0.8） 打字纸： 0.550.65 （特号纸0.65， 二号纸0.55） 电容器纸： 0.951.05， 1.151.25 标准纸板： 0.70.95 草纸板： 0.60.75影响纸张紧度的因素有哪些纸张的紧度除与打浆有关外，还与下列因素有关：纸浆

34、的化学性质：纸浆的木素含量高，打浆时纤维不易润胀、水化和细纤维化，纤维比较粗硬，在纸张干燥过程中不易时纤维相互紧贴，故纸张紧度较低。所以木素含量高的硬浆比软浆抄成的纸紧度小。如用含木质素高的机械木浆抄成的新闻纸紧度小，纸张的吸墨性能和弹性较好。半纤维素含量愈高，抄成的纸张紧度愈大。草类浆的半纤维素含量比较高，所以草类浆抄成的纸张紧度较大。不含半纤维素的棉浆抄造的纸紧度小。纸机的抄造情况：在圆网纸卷上，由于网槽的形式不同，其抄成纸的紧度也不同。填料、胶料等也对纸张的紧度有影响。其中填料影响最大，但与纤维部分构成的真正紧度有所不同。另外，压榨辊或托辊的线压力愈大，辊面硬度高，压光比压愈大，通过道数

35、愈多，则纸的紧度愈大。1.3 国外复卷机的发展状况及国内外现状之对比6891011无论在国内国外，复卷机的发展无疑都是在造纸机发展的极大推动下进行的。为了满足日益提高的纸机抄造速度，复卷机的工作车速也随之一再提高。自20世纪90年代始，造纸机的发展突飞猛进，新技术、新设备不断涌现，纸机设计车速已经高达2800米/分钟，随着这种发展形势，复卷机也取得了同步发展，展现出大量高新技术成果，获得了惊人的进步，总结起来主要有以下几个方面：复卷机的车速提高了。设计车速已经达到了3500m/min，工作车速达到了3100m/min以上,复卷的幅宽也与纸机同步发展达到10m之多。象Metso（美卓）公司给芬兰

36、UPM-Kymmene纸厂8号机（涂布文化纸90-115 克/平方米）提供的WinRoll多站连续复卷机，幅宽8690 毫米，工作车速3100m/min；以及法国的Adlolf Tass纸业有限公司引进Valmet 公司生产的连续复卷、全自动WinDrum-M型的复卷机（抄速3000m/min,幅宽6000mm）,已投入生产。我国的南平、齐齐哈尔和华泰等厂家也都引进了高速复卷机，并都投入了生产。出现了适用不同纸种、纸板复卷的各种型号的现代复卷机。在现代复卷机制造技术方面，居于领先地位的有三家公司， Voith Sulzer（伏依特-苏尔寿）公司， Valmet（维美德）公司和Metso（美卓）

37、公司。Metso公司先后推出了3种有代表性的现代复卷机：WinDrum（双鼓复卷机）、WinBelt（皮带床复卷机）机和WinRoll复卷机。Valmet推出了WinAir（气垫减压式复卷机）和 JR1000E复卷机。Voith Sulzer 公司也推出了ToroTD 复卷机、 Toro Combi 复卷机和ToroSD 复卷机。满足了市场对大直径卷筒纸的需求，由原来的只能复卷直径为11001250mm的卷筒纸，逐步发展到复卷直径为15001800mm的卷筒纸。最大净纸宽度也达到了2800mm。现代复卷机先进的控制系统，采用了模块化结构。最新的控制系统包括具有100多项选择参数的复卷配方库和复

38、卷监控系统，选择参数包括车速、加速度、复卷力、液压和力矩等。值得一提的是，WinBelt/WinDrum Pro复卷机配有独特的振动测量系统，从而保证了对某些特种纸引起的复卷故障趋势加以分析。现代复卷机连续复卷方法的全面自动化功能将人工作业降到最低，并将操作人员的角色变成复卷过程的监控员。这意味着复卷已变成了单人作业。下述连续复卷功能可实现全面自动化，并且在操作人员在控制室监控时加以完成纸卷和卷纸辊处理及更换 ：换卷时的粘接 全幅引纸 纸芯处理 纸尾在纸芯和成纸卷上的固定 幅宽变换 纸卷更换现代复卷机的设备利用率普遍提高，已由过去的0.60.8提高到0.850.95，甚至达到了0.951.0。

39、可以看出，目前国际上复卷机的发展方向是高车速、大成品纸卷、大幅宽、高利用率，其最终目的是提高生产效率，从而降低对资源的消耗和浪费。而自动化程度的大幅提高，保证了设备使用率的提高，这就对复卷机设计车速的要求没有那么苛刻了，也就是说，复卷机的设计车速不一定非要达到造纸机设计车速的23倍。国外生产的高档复卷机，几乎所有的操作均实现了自动化，即所谓的全自动复卷机，不仅提高了效率，同时也保障了操作人员的安全。比之于国外复卷机的发展情况，国产复卷机则相对落后得多。首先，国产复卷机的工作车速一般不高，大都集中在1500米/分钟以下，车速超过2000米/分钟的不多。其次，国产复卷机的品种比较单一，主要是上、下

40、引纸两种。而作为代表目前复卷机发展方向的下引纸复卷机，也只是以双底辊复卷机为主，表明我国复卷机生产制造厂家对复卷机的复卷机理以及与纸张之间的适应性研究不够，因此也就限制了复卷机工作车速和复卷质量的提高。比之于进口复卷机，国产复卷机的另一个弱势是自动化程度不高。由此带来的问题是，复卷机的实际效率大打折扣，则抄纸机的车速必然受到限制，从而对生产效率的提高和生产成本的控制产生不利影响。综观我国造纸设备制造业的发展现状，抄纸机的工作车速可以达到800米/分，甚至更高。那么对复卷机的要求就是其工作车速必须达到抄纸机的23倍以上，即15002500米/分以上。如前所述，这恰恰是国产复卷机难以做到的。但是由

41、于进口设备价格非常昂贵，并非国内所有企业都能够承受，因此目前国内很多企业所采取的措施是，以增加生产线来弥补生产效率的低下。导致我国大多数造纸企业仍然停留在低效率、高成本，以规模效益为主的层面上。这无疑是对我国有限的土地资源、水资源、能源以及原材料资源的浪费。因此说，目前国内业内对高速复卷机的研究已经滞后于生产发展的需要，成为制约我国造纸行业进一步提升行业水平的瓶颈之一。第二章 课题的提出2.1 背景分析在第一章中，已经简要地叙述了复卷机的工作情况以及当前国产复卷机所处的地位和现状。基于前文所述的情况，以及当前国内造纸行业飞速发展的要求和国内、国际用纸市场的需求，因此研究高速复卷机的性能和要求，

42、提高国产复卷机的速度和完善国产复卷机的性能，克服这些限制我国造纸行业进一步发展的瓶颈，已愈发显得必要和紧迫。复卷机是一种机电高度结合的机电一体化设备，从全面提升复卷机速度和性能的角度来看，离不开对设备加工安装方面的改进和完善，也需要对设备的结构以及复卷机理的进一步深入研究，这是一个综合工程，需要多方面的配合才能实现。同时也是一个逐渐积累，逐渐完善的过程，只有不断从各方面的进行提高，才能有助于复卷机整体性能的提高和完善。如第一章所述，整个复卷机控制系统主要是解决对纸幅的张力控制、压区压力控制、前后底辊扭矩控制（即TNT）三个核心问题，国产低速复卷机在这方面已经基本上很好的解决了这些问题。相对而言

43、，压区压力控制以及扭矩控制，由于其控制对象相对较为单一，控制手段较为明确，控制过程易于实现，所以对这两个控制环节的研究，不在于怎样去实现控制，而在于如何评价控制效果的优劣，从而能够得到针对不同纸种的最佳控制曲线，进而提出对设备结构的改进意见。因此对这两个环节的研究，其意义重大，然而却需要多方面的配合才能完成。相比之下，纸幅张力控制效果的好坏，则在很大程度上依赖于控制系统本身的设计是否科学合理。其中牵扯到驱动电机的选择、驱动装置的选择、控制方案的制定等等因数。而控制方案的制定无疑是问题的关键，目前国产复卷机的控制系统，大致可以分为两类：直接张力控制方案、间接张力控制方案。而在电机的选择上，几乎全

44、部是直流电机驱动，即所称的直流复卷机。从控制方案上看，所谓直接张力方案，是指系统安装有张力传感器，从而形成张力闭环。这种方案的优点是控制结构简单，控制响应迅速，但很难兼顾控制响应的快速性和控制的平稳性。例如当车速发生变化，尤其是在降速时，由于张力检测的失效，会导致系统作出过激反应，从而造成断纸38。间接张力控制方案是指系统没有张力反馈，对张力的控制是建立在对纸幅张力的理解上，配合驱动装置，实现对张力的恒值程序控制。两种控制方案各有优缺点，对于直接张力方案而言，它不仅有难于兼顾稳定性的缺点，同时在实现上也有一定难度。首先是其价格问题，国产复卷机的市场售价普遍偏低，而张力传感器的价格基本要占到总成

45、本的10%；其次，抗震动性能差，复卷机是高速运转的设备，整机的震动情况是比较恶劣的。引起震动的原因，不仅存在于设备制造、安装的精度上，同时纸卷在高速旋转时也是很大的震动源。在进口的高档复卷机中，为了减小震动的影响，在成品纸机架上安装有震动传感器，当设备的震动超过一定限度后，会自动降低车速68。另外由于纸张的横向（垂直于运动方向）定量不可能达到完全一致，例如克重、水分含量等指标常常在横向上呈不规则分布，从而导致纸卷（包括原纸卷和成品纸卷）的圆度不规则，尤其对于成品纸卷而言，由于其硬度很高，横向上定量偏差的累积会逐渐偏大，最终形成不规则的圆柱体，高速旋转下将产生剧烈震动。因此高速复卷机的震动是难以

46、避免的，只能通过提高机加工精度、安装精度以及严格控制抄纸工艺来尽量减弱，而不能绝对消除68。在这种情况下，张力传感器信号的有效提取就碰到了障碍，所以完全依赖于张力传感器，建立单一的张力闭环控制系统是有问题的，常常不能取得理想的控制效果。综合几个因数来考虑，直接张力控制应当与间接张力控制方案相结合，才能发挥其响应快速的优势，同时避免其它方面的不足。而目前情况下，在设计复卷机电控系统时，以间接张力为主，张力反馈为辅的设计思路才是切实可行的。上述复卷机电控系统的设计主要建立在低速复卷机的基础上的，但随着复卷机车速的提高，相应地会出现一些在低速时不会产生的问题，比如退纸辊在不断的加速旋转时的转动惯量问

47、题、对控制系统各参数的优化问题、控制系统在高速时通讯速率问题、转动惯量的出现对系统电机功率选择的影响问题以及高速复卷机运行时产生的震动等问题，所以在设计高速复卷机控制方案时，不仅要考虑系统功能的实现，而且要解决车速的提高给系统带来的上述问题。2.2 课题的提出目前在对国内复卷机电控系统进行设计时，大多采用直流电机驱动的模式，通过前后底辊电机来驱动整个系统，控制退纸辊电机（驱动原纸卷）的电磁制动转矩来控制纸幅的张力，再辅以压纸辊压力控制和底辊的扭据控制以达到成品纸卷的控制要求。如图2-1的简化结构图所示。为了产生纸幅张力，需要使退纸辊电机工作在回馈制动状态。纸幅的行走速度为V，方向如箭头所示，当

48、张力恒定为F时，对于退纸辊电机来说，纸幅负载是恒功率负载。目前国内的研究，都是基于这个原理展开，由负载功率得到电机的电磁功率，从而得到电机的电磁制动转矩的计算控制量28383943。在大部分相关论述中，鲜有对原纸卷转动惯量进行认真考虑并仔细研究的。在我们目前所做的项目中，也大都没有考虑到原纸卷转动惯量的影响，而是近似地认为退纸辊电机的电磁功率等于纸幅负载功率。 图2-1纸幅张力子系统Fig.2-1 The paper tension subsystem事实上，随着复卷的进行，原纸卷的半径越来越小，在线速度恒定的情况下，原纸辊处于旋转加速状态，因此负载功率除了要平衡电机的电磁吸收功率外，还要负担

49、原纸卷的加速功率。所以只有在工作车速不高的情况下，才可以令负载功率近似等于电磁功率，因为由于纸张厚度很薄的原因，在车速不高时，角加速度较小。但对于高速复卷机的设计而言，不考虑原纸卷转动惯量的影响，将是控制策略制定上的一大缺陷，而且必然是失败的。在控制装置的参数设置方面，现有的低速复卷机一般采用装置本身默认的参数即可满足生产的要求，但对于高速复卷机来说，装置本身默认的参数已经不能满足控制的需要，必须根据系统本身的控制要求进行计算优化才能达到控制的要求。与此同时国外高速复卷机控制系统通常将所有的控制策略以及控制算法集中在一个控制器中（如PLC），这样便于对整个系统的参数进行优化，还便于和上位控制系

50、统通讯，由于整个系统高速运行，而且不停地在交换数据，这就对系统的通讯速率有一定的要求，现在常被采用的MODBUS总线和西门子S7200PLC显然已经不能满足系统的要求，这就需要选择通讯速率更高的总线和计算速度更快处理器。另外目前国内的复卷机几乎全部采用直流装置进行控制，而引进的进口高档复卷机，大多都是交流复卷机681137，说明国外厂家对复卷机的研究不仅在设备制造方面走在了前面，而且在控制策略的制定方面也有独到之处，这也是将来高速复卷机发展方向。2002年陕西科达电气公司在浙江衢州仙鹤纸业独立研发设计了两台交流复卷机，所采用的方法是通过转速控制来控制纸幅的张力，并且使用了张力传感器。具体方案是

51、以转速控制为主要控制量，张力传感器信号作为辅助控制，以抵消张力波动的影响。这个项目的实施，具有很高的参考价值，它证明通过控制电机转速来控制纸幅张力是切实可行的，应该说这是一个成功的案例，总结归纳出一套张力开环的转速控制方案，将十分有利于国产交流复卷机上生产和推广。基于上述的分析，本论文将结合在实际调试设备中的经验和教训，对高速复卷机控制系统进行较为深入地探讨，力图在理论上对国产直流复卷机在高速运行时的影响因数进行分析和描述，还将对影响恒张力控制系统的诸多因素进行初步的研究，这几方面是：在高速复卷机中，原纸卷转动惯量的影响以及相应的解决方案高速复卷机控制系统的参数优化影响恒张力控制系统因素的研究

52、2.3 课题内容与分布本论文在第三章中将集中讨论原纸卷惯性转矩对高速复卷机恒张力的影响，并给出相应的解决方案。首先讨论原纸卷转动惯量的计算，从而制定出考虑转动惯量补偿的控制方案，并对补偿与未补偿的两个方案在恒定车速下的控制效果进行量上的对比。在第四章中，将讨论高速复卷机系统参数的优化问题以及影响恒张力控制的诸多因素。第三章 原纸卷转动惯量对恒张力控制的影响 3.1 现行控制方案介绍在讨论原纸卷惯性转矩对高速复卷机恒张力控制的影响之前，有必要对现在国内常用的控制方案做一个简单的介绍。 3.1.1 方案简介28373844首先，在复卷机中，纸幅张力的产生在于退纸辊驱动电机工作于回馈制动状态。纸幅张

53、力的大小，或者张力的稳定与否，都在于对退纸辊电机的控制精度如何，所以在以后的讨论中，都是针对退纸辊电机而言的。复卷过程中，原纸卷在纸幅张力的作用下顺时针旋转，如图3-1所示，并设顺时针方向为正向。为了产生张力作用，退纸辊电机双闭环控制器的速度环给定为一个负值，即速度给定是逆时针方向的。由于实际转向与给定方向相反，因此速度环很快就进入了负饱和状态，此时起作用的是电流环，电流环的输入等于转矩模块的限幅值（参见图3-2）。纸幅负载力矩是随着复卷过程的进行、 图3-1 复卷机工作示意图 Fig.3-1 Sketch map of rewind machine原纸辊半径的减小而减小的，为了使得张力平稳，

54、则电机电磁转矩也应随之逐渐减小，若令负载功率近似等于电机电磁功率28，则电磁转矩就近似等于负载转矩，并且随着负载转矩的变化而变化，是一个转矩随动控制系统。由于速度环负饱和，因此处于开环状态。为了取得电磁转矩对负载转矩的跟随效果，采取了控制转矩负限幅的办法，强迫电流环的输出随着负载转矩的变化而变化。设张力设定值为，退纸辊半径为，负载转矩为： （3-1-1）则对负载转矩的跟随，就成为对退纸辊半径的随动。若后底辊处（B点）的纸幅线速度为，如图3-1所示，由于后底辊的直径在复卷过程中总是不变的，所以在假设成品纸卷与底辊之间不打滑的情况下，只要测量到后底辊的转速，后底辊线速度总能计算出来。同时令退纸辊（

55、A点）线速度近似等于，则退纸辊半径也就得到了。 （3-1-2）其中，退纸辊减速比；退纸辊电机轴角速度；退纸辊电机轴转速。将（3-1-2）代入（3-1-1）就得到了负载转矩，同时将其折合到电机轴上，就有： （3-1-3）根据上式计算出来的电磁转矩值，就是符合当前速度、张力给定以及转速（或者半径）的电机转矩要求值，将其作为电机电磁转矩的限幅283738，如前所述，以达到控制电机电磁转矩的目的。从前面的分析可以总结出，转矩负限幅的绝对值与半径成正比关系，与转速成反比关系。因此随着复卷的进行，半径越来越小，电流也越来越小。但是当转速达到基速以后，若要继续升速，只能利用弱磁的手段。在弱磁调速阶段，现行的

56、控制方案以及一般文献中都是以恒功率原则来调整弱磁量的，其出发点依然是基于负载功率恒定，并且等于电机电磁功率这样一个假设6。控制方法是，在弱磁阶段保持转矩限幅为恒值，则由于速度环为负饱和，速度环的输出（同时为转矩计算模块的输入，参见图3-2）为负的100%，因此转矩计算模块的输出（也是电流环的输入）为恒值，等于转矩限幅。从而可知电流环的输出也为恒值，即在弱磁阶段，电枢电流保持不变。在本章以后几节中，将重点讨论电机电磁功率与负载功率之间的关系与区别，将说明电磁功率不是恒定的，也不等于负载功率。其主要的原因就在于原纸辊转动惯量的变化上，而我们的控制目标不是电机电磁功率的稳定，而是负载张力的稳定，所以

57、电磁功率的大小以及变化与否应当始终以保证负载张力而恒定为前提。3.1.2 现行方案分析将前一小节所叙述的现行控制方案框图绘出如图3-2。图中，-n*是速度给定，在正常复卷时为了产生反向制动转矩，速度给定应为负值，所以这里特意加了一个负号；n2为后底辊转速。图3-2 原方案控制框图 Fig.3-2 Structure figure of the fomer cortronl system 这种方式的优点是结构简单，易于实现，跟随性能较佳；易于调试，对纸张的适应性较强；占用硬件资源少，所以目前在复卷机的电控系统中仍然有很多的应用。关于这个方案的具体分析以下分两点说明。(1)通过前面的叙述，我们知道

58、在方案的制定过程中，一直假设电机电磁转矩等于纸幅负载转矩，即电机处于恒功率调速状态（因为负载功率在车速、张力恒定时，功率也恒定），并且电磁功率等于负载功率。然而实际上，即使不考虑空载摩擦阻力矩时，电机电磁功率也不等于负载功率。这是因为退纸辊在做加速旋转运动，纸幅负载功率必然有一部分要消耗在原纸卷的加速运动上。因此电磁转矩总是要低于负载转矩一个数值，只是由于纸张的厚度很小，原纸卷的旋转加速度不大，在低车速复卷机的设计中，可近似认为两者相等。但是在高车速复卷机的设计中，我认为就不应该忽略这个差别。同时，在现行控制方案中，对系统处于升降速过程中张力的补偿问题，其处理方式是利用驱动装置提供的函数发生器

59、对张力给定值进行适当调整，例如升速时增加一个量，而在降速时减小一个量。但本论文将在复卷全过程中对原纸卷惯性转矩进行计算，以此作为张力补偿量，这种补偿方式与现行方案的不同之处在于，补偿量是实时计算得到的，而且并不局限于系统升降速过程，其补偿量的大小是以原纸卷的转动惯量为依据的。(2)以后底辊处的线速度代替退纸辊线速度来计算退纸辊半径，是一个无奈的选择，因为我们无法确切地知道的实际值，只能假设它们相等。而实际上，由于张力的存在，纸张必然发生形变33536，无论形变属于什么性质弹性、弹塑性或者塑性形变，纸张在运行区间的两个端点处，其线速度必然不相等。以代替的不利之处在于，当系统车速升降时，半径计算值

60、将会出现剧烈的波动。为便于说明，将系统简化并等效为如下机械模型3： V1 V2 退纸辊 纸幅 后底辊 图3-3 张力子系统机械模型Fig.3-3 Simple mechanical model of the paper tension subsystem 如上图所示，当后底辊开始做加速运动时，由于纸幅的非刚性性质，退纸辊的响应总是要滞后一段时间，在车速提高的初期，参见等式（3-1-2），由该式计算出来的半径R1将偏大，这是由于退纸辊转速n1没有及时跟踪上来的缘故；而在升速即将结束时，退纸辊转速会出现一定程度的超调，此时计算出来的半径又会偏小。当系统降速时，过程正好相反。总之，用V2代替V1计算