外文翻譯--中心驅(qū)動(dòng)絞車控制的動(dòng)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(dòng)絞車控制的動(dòng)態(tài)分析</p><p>　　摘要：本文論述了中心驅(qū)動(dòng)絞車全面的動(dòng)態(tài)分析，首先，對(duì)絞車模型和動(dòng)態(tài)行為描述，然后對(duì)不同的控制策略進(jìn)行分析與討論，由模擬結(jié)果說(shuō)明動(dòng)態(tài)特性的不同控制策略，最后，對(duì)其考

2、慮因素選擇適當(dāng)?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(jī)中，中心驅(qū)動(dòng)的絞車（拆卷機(jī)）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(guò)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(dòng)器和計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)行為，可進(jìn)一步對(duì)其適當(dāng)控制、外觀設(shè)計(jì)，以取得更短的系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間和最優(yōu)控制表現(xiàn)。</p><p>　　[1]中簡(jiǎn)要回顧與比較絞車控制計(jì)劃，[2]中給出側(cè)重于電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器選取的絞車控制技術(shù)。近年來(lái)， 建模與控制的網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)已引起更值得關(guān)注。[3，10]中給出詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)建模與張力控制，[4]中對(duì)問(wèn)題和解張力控制進(jìn)行了審查。[5]中給出了網(wǎng)絡(luò)縱向動(dòng)力學(xué)模型和進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，[6]中給出了通過(guò)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(gè)良好的基礎(chǔ)。然而，以上都特別注意中心驅(qū)動(dòng)絞車動(dòng)態(tài)的研究，尤其目前普遍應(yīng)用的策略的研究。</p><p>　　本文論述一個(gè)現(xiàn)在工業(yè)常用的中心驅(qū)動(dòng)絞車全面的動(dòng)態(tài)分析控制策略，本文的結(jié)構(gòu)如下：在第Ⅱ部分，對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備、卷筒動(dòng)力和系統(tǒng)進(jìn)行描述，對(duì)動(dòng)態(tài)行為和線性模型適合用于控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，在第Ⅲ部分，對(duì)不同的控制策略分析，并著

5、重討論動(dòng)態(tài)方面的問(wèn)題，最后，根據(jù)分析結(jié)果，給出為中心驅(qū)動(dòng)絞車選擇控制策略的建議，模擬結(jié)果還說(shuō)明動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)的中心驅(qū)動(dòng)絞車，圖（1）為兩種不同形態(tài)的絞車結(jié)構(gòu)，一種是通過(guò)測(cè)壓元件測(cè)量繩索退繞時(shí)的拉力的結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是通過(guò)控制跳動(dòng)輥的位置測(cè)量繩索卷繞時(shí)拉力的結(jié)構(gòu)。一個(gè)簡(jiǎn)明的介

6、紹，這臺(tái)機(jī)器結(jié)構(gòu)的一個(gè)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(dòng)態(tài)和驅(qū)動(dòng)列車 </p><p>　　關(guān)于卷筒的動(dòng)態(tài)、驅(qū)動(dòng)絞車和跳動(dòng)軌的詳細(xì)模型在[3-6]和[10]中，假設(shè)如下：</p><p>　　引導(dǎo)輥VI的速度是常量</p><p><b>　　截面積A是

7、一致的</b></p><p>　　應(yīng)變是材料長(zhǎng)度變化除以該原長(zhǎng)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(dòng)態(tài)模型依據(jù)：</p><p>　　公式（1）由引導(dǎo)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(dǎo)輥和卷筒之間的鋼絲變化量，右半部分表明通過(guò)引導(dǎo)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(yīng)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(dòng)力特性，利用上述假設(shè)關(guān)系，能簡(jiǎn)化成一個(gè)方程如下：</p><p>　　公式（4）顯示了鋼絲張力帶的動(dòng)力特性，并用在模擬與分析在這項(xiàng)研究中，驅(qū)動(dòng)列車選區(qū)由一個(gè)電動(dòng)機(jī)、變速箱和卷繞輥組成。由牛頓第二定律在絞車電機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩到鋼絲張力帶的關(guān)系可得出如下： </p><p>　　相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)或鋼絲上檔的情況下，張力時(shí)連續(xù)的，從公式6可以得出由電機(jī)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)。固有頻率由機(jī)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(jī)械的摩擦特性(B)、線速度(V)和阻尼(C)決定。直徑的變化對(duì)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(shí)達(dá)到最小，由內(nèi)

11、外徑的比例、機(jī)械配置和鋼絲性能決定。 </p><p>　　當(dāng)制動(dòng)時(shí)，絞車控制最差，此時(shí)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(shí)達(dá)到，因此卷筒的最小和最大直徑應(yīng)予以考慮。</p><p><b>　　B 跳動(dòng)輥系統(tǒng)</b></p><p>　　詳細(xì)建模跳動(dòng)輥系統(tǒng)在[ 3,6 ] 中。圖5顯示跳動(dòng)輥系統(tǒng)，圖

12、6顯示用于本文研究的一臺(tái)機(jī)械模型圖。假設(shè)：</p><p>　　1) d是圖5中跳動(dòng)輥的位移，跳動(dòng)輥的速度 Vd= dd/dt;</p><p>　　2) 跳動(dòng)輥兩邊的鋼絲是平行的如圖5所示，引導(dǎo)輥和卷筒之間的距離為L(zhǎng)-2d，L為容繩量</p><p>　　3）因?yàn)殇摻z繩中拉力為T，故合力為2T</p><p>　　由上述假設(shè)，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(duì)跳動(dòng)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(dòng)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(shí)受到跳動(dòng)輥的摩擦、慣性和其它非線性因素影響，在此分析中沒(méi)有考慮這些因素。當(dāng)考慮到一個(gè)鋼絲繩具有非常大的楊氏模量，傳遞函數(shù)可

14、以簡(jiǎn)化為積分[ 3 ] ：</p><p>　　由大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)可得出，公式（11）中的積分模型可以充分說(shuō)明跳動(dòng)輥輥系統(tǒng)的主要行為。</p><p><b>　　Ⅲ 計(jì)劃與分析</b></p><p>　　有許多不同的控制策略驅(qū)動(dòng)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(guò)張力或位置調(diào)節(jié)器修改絞車系統(tǒng)

15、的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，“速度調(diào)節(jié)”指的是通過(guò)張力或位置調(diào)節(jié)器修改絞車系統(tǒng)的速度進(jìn)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(gè)簡(jiǎn)單的絞車控制方案，可被應(yīng)用于一類絡(luò)筒機(jī)的應(yīng)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(cè)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(jì)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(guò)速，并沒(méi)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(jìn)控制，從圖可以得出，該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，當(dāng)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(cè)壓元件用來(lái)測(cè)量卷筒的壓力，受

17、控設(shè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)應(yīng)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(dāng)使用一個(gè)PI控制器， 交叉頻率需求小于固有頻率，當(dāng)固有頻率較小時(shí)，張力的響應(yīng)是緩慢的，因此固有頻率限制了交叉頻率的選擇，當(dāng)張力的響應(yīng)要求迅速時(shí)，對(duì)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(yīng)，從中可以得出：當(dāng)頻率越來(lái)越小時(shí)，設(shè)備的極對(duì)變得顯著，張力有變化的趨勢(shì)，當(dāng)附加裝置添加到控制器后，情況有很大的改進(jìn)，但會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)噪音，因此當(dāng)使用附加裝置時(shí)，噪音應(yīng)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(dāng)引導(dǎo)速度V,=O時(shí)，傳遞函數(shù)為：</p><p>　　該速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)的位置為：</p><p>　　適當(dāng)調(diào)校Kp和Ki，系統(tǒng)頻率和阻尼可改進(jìn)，從而更好的張力響應(yīng)，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(dòng)輥絞車的結(jié)構(gòu)圖，圖（19）和圖（20）分別是跳動(dòng)輥模型和簡(jiǎn)化積分的方塊圖，從轉(zhuǎn)矩到跳動(dòng)輥位置的簡(jiǎn)單傳遞函數(shù)為：</p><p>　　在此控制系統(tǒng)中的-B/J處有個(gè)極點(diǎn)，在多數(shù)系統(tǒng)中，相對(duì)于J，B的影響很小，因此，極點(diǎn)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(dòng)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(yīng)，如圖（21）所示，因此這為PI調(diào)節(jié)帶來(lái)了困難，為此必須添加輔助裝置或超前補(bǔ)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(dòng)輥積分模型的動(dòng)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(guò)對(duì)速度環(huán)的合理的設(shè)計(jì)（大的帶寬和足夠的阻尼），公式（16）中的

22、極點(diǎn)可以遠(yuǎn)離虛軸位置，控制系統(tǒng)表現(xiàn)為積分行為，這就達(dá)到了滿意的響應(yīng)，如圖（24）所示。</p><p><b>　　Ⅳ 討論和對(duì)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(duì)決定。當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率很低或阻尼很小時(shí)，必須應(yīng)用附加裝置或超前補(bǔ)償器。</p><p>

23、;　　在轉(zhuǎn)矩、張力或位置閉環(huán)中嵌套一個(gè)足夠帶寬的速度環(huán)，將會(huì)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(yīng)，引進(jìn)一速度環(huán)還有允許速度-后續(xù)的特點(diǎn)。圖（25）為沒(méi)有慣性補(bǔ)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(yīng)較快，這是因?yàn)槠浼铀俣缺绒D(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)較小的原因。</p><p>　　實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)系統(tǒng)卷筒的慣量進(jìn)行設(shè)計(jì)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(lái)說(shuō)，當(dāng)對(duì)卷筒軸進(jìn)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(dāng)系統(tǒng)的慣性改變的，帶寬和速度環(huán)的阻尼應(yīng)當(dāng)保持，帶寬通常指定為[9]。為做到這一點(diǎn)，速度PI調(diào)節(jié)增益應(yīng)適應(yīng)慣性改性，基于機(jī)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(shè)計(jì)往往達(dá)不到要求。當(dāng)PI調(diào)節(jié)增益達(dá)到極限時(shí)，系統(tǒng)慣量仍在增加，那么速度環(huán)就不再適應(yīng)了，導(dǎo)致帶寬的減少，速度環(huán)性能的下降，將會(huì)影響主環(huán)性能下降，因此在這種情況下沒(méi)有必要增加一速度內(nèi)環(huán)。圖（27）顯示了適應(yīng)或不適應(yīng)的比較。如果沒(méi)有適應(yīng)，當(dāng)卷筒的慣性上升到一定的范圍時(shí)，該系統(tǒng)往往是不穩(wěn)定的。</p><p><b>　?、?結(jié)論</b></p>

26、<p>　　本文對(duì)不同的控制策略為中心驅(qū)動(dòng)絞車進(jìn)行了分析和討論，重點(diǎn)就其顯性的動(dòng)態(tài)方面的分析。非線性的影響如絞車驅(qū)動(dòng)時(shí)的反彈沒(méi)有討論。</p><p><b>　　附錄: 術(shù)語(yǔ)</b></p><p>　　A ——鋼絲的橫截面結(jié)[]</p><p>　　B —— 絞車驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)輥拉力[N]</p><p>　　GR ——變速箱傳動(dòng)比</p>

28、<p>　　J ——系統(tǒng)傳遞給電動(dòng)機(jī)總慣性[kg ]</p><p>　　——?dú)w一化后系統(tǒng)傳遞給電動(dòng)機(jī)的總慣性[sec]</p><p>　　—— 跳動(dòng)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>