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1 张力双鼓轮复卷机控制使用纸张的张力估计 罗德里戈卡拉斯科 米阿尼瓦尔巴伦苏埃拉 研究生 高级会员， 学 副教授 学 60 智利 60利 摘要：纸张张力控制在绕卷机中是至关重要的纸张绕卷工艺，以获得较好质量的成品纸卷。通常情况下，张力环使用测压元件检测，如张力传感器。这是昂贵的，需要频繁的维护和校准。 本文 以 两个鼓 轮 ，电制动发电机，生产绕线机收放卷的变量为 基础， 分别建立 两 种新的 张力 估 量 。 所有的估计考虑的重要动力，摩擦和惯性变化的影响。 这两个估计是典型的梯形络筒机评估工作周期。 多个敏感性分析表明 ,该估计参数摄动的鲁棒正常弧 ,并给出了不使用传感器张力迴圈的稳定和精确的纸张张力控制。 关键词：绕线机驱动器，无传感器张力控制，张力控制，张力的估计。 专用名称 符号 2F,3F：分别代表作用于前面 作用于两鼓轮的总接 触力； 和后面鼓轮的接触力； 手辊的参考压力； 电枢驱动电流 i 参考均分负载 磁驱动电流 i 卷机鼓轮惯量 品纸卷惯量集； 卷筒卷芯和母卷的惯量； ：恒驱动转矩； 绕卷机宽度； 1Q，2Q，3Q：轴承的轴向力（分别是线轴，前后鼓轮）； ：轴承的驱动半径 i； 络筒机鼓轮的半径； 品纸卷卷芯的半径； 轴轮的半径； 卷半径； ： 库仑损失估计转矩分量，初始阶段； 电动驱动力矩； 重绕阶段的总电动转矩； 2 摩擦驱动转矩分量 重绕阶段的总摩擦力矩 初始阶段的转动惯量； 考张力； 张张力； ,：估计纸张张力（初始变量）； ,：估计纸张张力（重绕变量）； 鼓轮转矩分量惯量； ：估计鼓轮偏差损失转矩分量；初始阶段； 初始阶段阶段； 初始阶段和重绕阶段等效偏差系数； 张平均厚度； ：轴承摩擦系数； ：重绕纸卷平均密度； n：纸张角度，初始阶段； 鼓轮转动速度； 成品纸卷转动速度； 母卷（制动发电机）转动速度； 下标 上标 1： 制动发电机变量 ； X：估计量。 2：后鼓轮变量； 3：前鼓轮变量； 轮变量； 绕阶段变量； 始阶段变量； 1、简介 绕线机 驱动器需要精确的动态性能，以控制速度。系统中张力，成品纸卷密度特征在不同速度情况下， 为加速和减速，和可变惯性提供保证。 两鼓轮纸张绕卷机的主要部件如图 I 所示。 一，复卷阶段是由两个与该绕成品纸卷表面接触航运独立驱动鼓轮。为了避免鼓轮和成品纸卷间的滑移。 特别是在纸卷成型周期，第三卷，扶手卷开始滚动，它是用来消除成品纸卷中的气隙。随着成品纸卷的直径和重量的增加，扶手辊的夹紧力基于几何形态的圆筒和成品纸卷在预定的轨迹中降低，因为他是建立在成品纸卷的最终尺寸上。 后部鼓轮驱动器（驱动器 2，图 1）是主驱动器，应用于速度 控制回路上。前部鼓轮驱动（驱动器 3，图 1）是在共同负载作为辅助驱动形成的。这种循环控制通过包括 3 基本剖面密度要求，速度微分限制和成品纸卷惯量的变化来控制成品纸卷的内部缺口密度或硬度。图 1：双鼓轮绕卷机控制回路 该放卷阶段是由一个制动发电机，在转矩控制收放卷之间的纸张张力模式运作阶段形成的。张力环通常是使用像张力传感器这样的压力检测元件在纸张纵剪机组关键的跨度的位置。在这跨度的纸张张力很大程度上影响了分切机的正常运行，它确定了成品纸卷的宽带规格。纸张张力控制不当将会导致成品纸卷的辊建立在一个变化直径（环）上 ，这样不合格的纸卷造成后续的加工工艺作用于成品纸卷上，诸如印刷、裁切。 为了同时处理收放卷部分的惯量变化，辅助补偿信号被添加到控制回路。这些信号从计算卷径信号前馈补偿，或卷径计算得到的。 虽然传感器是当正确安装有效的传感器，但他们对同轴度和平衡是非常敏感的，而且由于其固有的脆弱性，他们通常需要频繁的维修。 此外，由于绕卷机宽度的不同， 2或 3 张力传感器需要在整个纸卷中安装，以取得合理的平均张力 I 4 估算已经证明是有效的替代品作为传感器。他们不需要额外的空间，不需要维护，只需要一些额外的线路和控制代码计算。在 我 中，作者报告了无传感器紧张应用于造纸机的 分控制的结果。这结果表明在不同张力迁入流出间纸张在低纬度甚至是零情况下的强度。 为力实现一个基于纸张张力估算的绕卷机张力控制，需要考虑到许多影响条件。 因为绕卷机占空比梯形快速加速和减速坡道，惯性力矩组件必须包含在力矩平衡方程。不像造纸机械，在每个成品纸卷的正常绕卷循环时，惯量值的变化是极大的，它需要一个额外的转矩补偿分量。补偿分量特别是在放卷辊是一个主导作用，作用于整个卷绕循环，必须包括在内，以获得一个强大的解耦纸张张力估算。英文卷绕速度都远远高 于造纸机。额外的摩擦和偏差力矩平衡方程，可能需要在轻纸张重量中应用张力值是 1 磅或更低。 本文论述了两个由两片鼓轮复卷机张力估算的概念设计：一个以收卷变量为基础和另一个以放卷变量为基础，同时考虑到动态和惯量变化的影响。这些估算，在典型的收卷工作周期中使用无传感器的绕卷机张力控制。为了评估张力估算性能，开发出一个 2鼓轮制动发电机动态绕卷机模型。该模型是通过运行中绕卷机上的记录来进行评估的。 2、纸张张力估算 纸张张力影响收卷和放卷两个阶段。 因此，纸张张力有可能从每个阶段中 2 个绕卷机鼓轮的力矩平衡方程中得到。每 个力矩平衡方程通常包括惯量，电动和摩擦力矩等参量。 电动转矩分量表达取决于在绕卷机使用的具体驱动器。在本文中，直流驱动器被考虑，因为这是用来进行比较的操作绕卷机的情况。在向量或直接转矩控制的交流驱动器的最一般情况下，电动扭矩元件直接得到的驱动扭矩估算。 采用放卷变量估 算 张力 为进一步的进行张力估算，第一种选择是使用放卷变量。从放卷阶段的力矩平衡方程中段，纸张张力可为： 纸张张力估算要要求计算（ 1）式中的各个力矩分量。 力矩惯量 进一步的表示放卷阶段的力矩惯量，参考变惯量是： 5 下面的表达式是用来确定（估计）的未知参数（ s）和变量（ s）： 该方程计算（ 3）至（ 6），假设所有绕卷机参数（尤其是 和 ）是已知的，只需要测量母卷初始半径（ ）和制动发电机速度（ ）母卷最初的半径测量是在每个母卷的循环的开始 ，并且 是通过安装在制动发电机的编码器和测速器上获得的 因此，估算出（ 3）至（ 6）式中的各个值并代入到（ 2）式中，计算出放卷阶段力矩惯量分量。 动扭矩 进一步估算力矩是从 通过制动发电机测量的电枢电流获得，为 如果制动发电机变量（控制）励磁电流，则励磁电流经营（组件）应恒转矩测量和估算使用： 擦转矩。 估算摩擦转矩分量表示为： 估算库仑损失分量如下式 ; 其中 是线轴轴承法向力，并获得 6 在（ 11）式中张力使用的值是参考纸张张力。 绕卷机损失估计部分是成正比的，假设旋转速度： 绕卷机的系数 可由确定实验中放卷辊旋转恒定速度，不需要已知纸张张力。 最后，计算出（ 10）至（ 12）式并代入（ 9）式中，这样通过计算就可以得到摩擦力矩分量。 计算纸张张力（放卷变量）。 计算纸张张力是通过计算、每个使用转矩分量的值，他们由（ 2），（ 7）及（ 9）各式确定： 根据上面描述的步骤，纸张的张力的计算是使用参考量来计算（ 1）式中的 ，也需要测量（ 12）式中的放卷系数 ，但他不是那么容易获得的。如果该参数是通过以往经验确定那么它被认为是麻烦的，那么就可以使用该系数的典型值。力矩分量的计算从模型和记录数据显示，最重要的分量是电动力矩和力矩惯量分量。摩擦转矩分量约为总数的 5的扭矩。所以其值 20的误差会影响我的 1%的张力计算，这是可以接受的能够达到张力 控制的目的的。 用复卷变量计算张力 进一步计算张力的第二种方法是用复卷变量。从复卷阶段力矩平衡方程，总结的后部和前部鼓轮转矩方程，并为求解出张力。结果： 或简化该式： 他的求解需要计算出（ 15）式中的每个参量。 7 动力矩。 使用两鼓轮驱动电枢电流测量，估计电动扭矩分量包括： 或者，电动扭矩分量也可使用一个电枢电流和前后鼓轮之间的共享负载曲线确定。 矩惯量。 两鼓轮的力矩分量惯量的计算使用： 鼓轮的惯量是由鼓轮的制造商给出的。鼓轮的速度参数可以由任一鼓轮上获 得。如果他们不复杂，便可以应用于（ 18）式中。 如果两个鼓轮的惯量不同，那么（ 18）式应做些相应的修改。 触应力。 首先，接触应力的计算需要通过从前鼓轮到成品纸卷的计算为： 其中计算摩擦转矩分量 是通过在放卷阶段所描述的同样的步骤来计算的 然后，计算总接触力所需旋转成品纸卷的计算为： 成品纸卷的半径 是通过扶手辊上的位置传感器获得的。由于成品纸卷的惯量是变化的，使用在放卷阶段中所说的方法同样来计算惯量项。 在计算出总接触应力后，计算作用于后鼓轮的接触应力得到如下： 擦 力矩。 现在，必须计算出每个鼓轮摩擦力矩分量。该步骤类似放卷部分中所描述的的步骤，计算表达式如下： 8 在这公式中，假设前后鼓轮的速度是相等的。即： 算纸张张力（收卷变量）。 最后采用收卷变量计算纸张张力。 传感器绕卷机的张力控制。 1) 基于放卷变量纸张张力的计算 。 2) 基于收卷变量纸张张力的计算 。 3) 基于收卷、放卷变量评价值的纸张张力计算。 前两项至少需要控制代码区并且能够快速的计算 出。 第三个选项允许计算算法之间的交叉检查，并在它们之间的不正常分歧的情况下，一个警告信息可以被发送到操作员那里。 3、双鼓轮绕卷机的动态模型 卷机模型。 一个带发电机制动的双鼓轮绕卷机的动态模型改进。该模型包括由母卷和发电机制动形成的收卷阶段动态模型，和由双鼓轮和成品纸卷形成的收卷阶段。这两个子系统的连接是通过它们之间恒定参考张力的关系。动态模型是基于收卷和放卷阶段的自由体图标所求出的力矩平衡方程。 该模型还包括所有的标准控制的绕线机的正常运行所需要的循环。这些循环是图 1所示的相同，包括制动发 电机张力控制回路，主回路速度控制的后轮鼓驱动器和鼓机之间的共同负载的控制。控制是完成了制动和转动惯量补偿发电机励磁控制信号。 这一块模型参考改进允许不同数量成品纸卷的绕卷循环仿真。它包括在每个参数激活和失活的斜坡信号。 开发的模型是基于压力检测元件的标准张力控制的第一次计算。一整套的收卷和放卷部分的波形是通过使用运行中的绕卷机的参量获得的。该模拟结果与从绕卷机中所取得的记录对比可以验证模型。 卷机的数据。 9 测试绕卷机的主要计算参数在表 1 中列举。表 1 中包括了制动发电机和鼓轮电动机的铭牌参数。 表 1 表 2 绕卷机技术参数 发电机和电动机的铭牌 卷波形。 一个四成品母卷绕卷机的绕卷周期被记录。图 2、图 3 分别记录了收卷和放卷部分的变量。 卷变量。 在放卷阶段所记录的变量有：制动发电机速度，母卷直径，纸张张力参考值和实际值和电枢电流。所有额定值或最高 值都记录在 如图 2a，可以看出，制动速度波形发生器的增加幅度由梯形信号，梯形参考和母卷直径的不同造成的。母卷的直径（图 2b）从最大的初始值 降到 他略大于线轴直径。在成品纸卷的变化期间，绕卷机是在停止状态并且剩余的纸卷直径恒定不变。 如图 2c、 2d 所示，显示了张力环的性能。在这个记录表中张力设定为最大值 成品纸卷的变化期间，张力设定为 图 2d 所示，他可以看出如表中保持实际值恒定张力控制回路是相当不 错。在半成品纸卷的变化期间，虽然驱动是不连续的，表中的张力保持在一个由机械和后鼓轮纸张摩擦组成的制动器所确定的一个对比值。 最后，制动发电机电枢电流（图 2e）反应中纸张张力的影响，加速和减速坡道，并在发电机励磁控制或力矩的影响。在恒定线速度和恒张力运行，电枢电流是恒定的，符合预期（张力和速度控制取决于有效的激励前馈解耦） 卷变量。 六个变量在收卷阶段都减小：后鼓轮的转速，成品纸卷的直径，扶手辊气动压力，均分负载的参考电流差值，和前后鼓轮的电枢电流。同样，所有 的额定值或最高值都显示在 。 10 如图 3a 所示后鼓轮的转速时一个梯形波形，几乎相同的速度给定，但它的比例是以后鼓轮直径为基础。 成品纸卷的直径（图 3b）值从卷芯的直径到最终的直径随着二次方程的变化而变化。在成品纸卷变化期间扶手辊被提到一个平衡位置上，这是由检测扶手辊位置传感器用于成品纸卷直径测量 扶手辊压力（图 3c）跟随他的参考值，这是在绕卷机控制存储的几个选项选中选择的。如图 3d 所示，类似的情况发生与均分负载参考值中。在 对应波形之间的后方和前方电枢电流之差，它导致前鼓轮的电流总是大于后 鼓轮的电流，在绕卷周期开始时它的差值是 且在每个成品纸卷的最后它减少到 鼓轮和前鼓轮的电枢电流（图 3e 和 3f）表明受均分负载指令加速及减速坡道两者的影响。 型评估。 模型的开发包括了唯一的第一套有效的标准控制回路。这是模拟在一个母卷周期相同的记录运行的绕卷机的 $数据。如图 4、图 5 所示，记录了相同的运行中的绕卷机的变量的模拟结果。 卷变量。 比较图 2 和图 4 中的数据和模拟波形可以看出它们十分的类似。 a）后鼓轮速度 a）发电机速度 b)成品纸卷直径 b)母卷直径 c)扶手辊压力 11 d)参考均分负载 c)参考张力 e)后鼓轮电枢电流 d)纸张张力 f)前鼓轮电枢电流 图 3、收 卷阶段记录信号 e)制动发电机电枢电流 图 2、放卷阶段记录信号 12 of a . is in in to s) in as a on in to of 2, by by of i. Ia,of i. of of of (i of i. i of i. of of of _ of i. Te,of i of i. of Ti,of _ on 13 _ on of _ of of of of of . _X: 2 3 I. a to a by of a 1. is by by To s), at of a is As of of is in a on of as it to , 1) is is on , 1) is as a in a or of a is by a in as in in is of of s). in in as in to as or 14 In to in to or to of In on or to be to a 1. to be as do do in 1, of a to of a is to be in or In to a on to be is be in of an is a in is be to a 15 on in be on or of of of a on on of In to a of a is is by on an it is to of of a on on in In dc is of In of or ac A. he a is to of be he of of 1). 1) of of he to s) s) 3)(6), , w) of ) is by at of uw(t) is on 3)(6) 2) on 16 2) by is f be ) is he is 1 is in is n (11), is is to be by at a 10)(12) 9) 4) is 2), (7), 9) to of to 1 11), of 12), be to If of is it is to of of is % of so a 20% in %, is B. he of of 17 or in he of 15) be 1) of be 2) to is he is by be of if be 18). If (18) be 3) by to ship
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