外文翻譯--中心驅(qū)動(dòng)絞車控制的動(dòng)態(tài)分析 中文版

翻譯部分 中文翻譯 中心驅(qū)動(dòng)絞車控制的動(dòng)態(tài)分析 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) 其考慮因素選擇適當(dāng)?shù)目刂撇呗蕴岢隽私ㄗh 。 引言 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) 。 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。 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 ，在第部分，對(duì) 不同的控制策略分析，并著重討論動(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 。 系統(tǒng)建模 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(jiàn)附錄命名規(guī)則 。 A 卷筒的動(dòng)態(tài)和驅(qū)動(dòng)列車 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： 1、 引導(dǎo)輥 VI的速度是常量 2、 截面積 A是一致的 3、 應(yīng)變 是 材料 長(zhǎng)度變化除以該 原 長(zhǎng)度 ，且 1 4、 鋼絲有彈性 5、 鋼絲的密度 不變 i.e., p =pu 鋼絲的動(dòng)態(tài)模型依據(jù)： 公式（ 1）由引導(dǎo)輥和卷筒之間的鋼絲的質(zhì)量守恒而得出的， 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 ： 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)存在 如下關(guān)系 ： 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： 相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)，它可獲得 ： 在這里， p和 p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)0V1 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 p和阻尼 p決定。 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)外徑的比例、機(jī)械配置和鋼絲性能決定。 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。 B 跳動(dòng)輥系統(tǒng) 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 6顯示用于本文研究的 一臺(tái)機(jī)械模型圖。假設(shè)： 1) d是圖 5中跳動(dòng)輥的位移，跳動(dòng)輥的速度 Vd= dd/dt； 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-2d， L為容繩量 3）因?yàn)殇摻z繩中拉力為 T，故合力為 2T 由上述假設(shè)，公式（ 1）可以修改如下： 類似的，張力公式可改為： 對(duì)跳 動(dòng)輥由牛頓定律，可以得出： 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)可以簡(jiǎn)化為積分 3 ： 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。 計(jì)劃與分析 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)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)。 A 開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 絞車 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。 總轉(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。 B 扭矩調(diào)節(jié)張力控制 絞車 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。 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 p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)。 C 速度調(diào)節(jié)張力控制 絞車 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，從卷筒的速度反饋到張力的傳遞函數(shù) T為： 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： 該速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn) pp ,的位置為： 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。 D 矩調(diào)節(jié)位置控制 絞車 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： 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 PID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。 E 速度調(diào)節(jié)位置控制 絞車 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： 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。 討論和對(duì)比 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。 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。 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=O), 閉環(huán)的傳遞函數(shù)為： 和第二種控制系統(tǒng)相比，速度環(huán)的固有頻率和阻尼為： 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 J/Kpco 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。 結(jié)論 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