高速復(fù)卷機中慣性轉(zhuǎn)矩的分析
1 引言
在造紙生產(chǎn)過程中，復(fù)卷是卷筒紙生產(chǎn)的最后一道工序，是形成成品紙卷品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵部分。由于紙機的連續(xù)性和復(fù)卷機的間歇性的特點，復(fù)卷機的車速一般是紙機設(shè)計車速的2倍以上，因此作為造紙設(shè)備中工作車速最快的設(shè)備，這就為復(fù)卷機的設(shè)計與制造帶來了很高的要求。自20世紀90年代始，造紙機的發(fā)展突飛猛進，新技術(shù)、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代造紙機已經(jīng)達到單臺40萬噸/年，紙機設(shè)計車速已經(jīng)高達2800米/分鐘，這就要求復(fù)卷機必須具備高速，寬幅、自動化程度高等性能。綜上所述，復(fù)卷機設(shè)計車速的高低、運行工況的好壞直接影響著紙機是否能夠正常工作。
國外對高速復(fù)卷機的研究已經(jīng)取得了許多成果，設(shè)計車速已經(jīng)達到了3500m/min，工作車速達到了3100m/min以上。復(fù)卷的幅寬也與紙機同步發(fā)展達到10m之多。象Metso（美卓）公司給芬蘭UPM-Kymmene紙廠8號機（涂布文化紙90-115 克/平方米）提供的WinRoll多站連續(xù)復(fù)卷機，幅寬8690 毫米，工作車速3100m/min；以及法國的Adlolf Tass紙業(yè)有限公司引進Valmet 公司生產(chǎn)的連續(xù)復(fù)卷、全自動WinDrum-M型的復(fù)卷機（抄速3000m/min,幅寬6000mm）,已投入生產(chǎn)。
然而國內(nèi)復(fù)卷機的發(fā)展情況相對國外落后很多，車速一般都不高，大都集中在1500米/分鐘以下，車速超過2000米/分鐘的不多，因此對高速復(fù)卷機的研究是很有價值的。
2 復(fù)卷機機械工藝簡介
復(fù)卷機系列中最常見的是下引紙復(fù)卷機，如圖1所示，紙幅從機臺下面送入，并使其繞過某一個支承輥再卷上紙卷的。紙幅從退紙卷上引過下方的幾個引紙輥，通過固定的位置的縱切機構(gòu)，繞過前支承輥，然后卷在卷紙軸上。
圖1 引紙復(fù)卷機
復(fù)卷過程中，恒定的紙幅張力力圖把紙卷拉向支承輥，在退紙卷恒功率穩(wěn)定運行同時，使逐漸增大的成品紙卷得以穩(wěn)定，并在高速卷取時能保證紙卷質(zhì)量。該類型復(fù)卷機還可運用變化兩個支承輥的卷矩差，結(jié)合壓紙與紙卷間區(qū)間壓力調(diào)節(jié)，對紙卷質(zhì)量做很好的控制。
3 慣性轉(zhuǎn)矩的影響與計算
目前在對國內(nèi)復(fù)卷機電控系統(tǒng)進行設(shè)計時，大多采用直流電機驅(qū)動的模式，通過前后底輥電機來驅(qū)動整個系統(tǒng)，控制退紙輥電機（驅(qū)動原紙卷）的電磁制動轉(zhuǎn)矩來控制紙幅的張力，再輔以壓紙輥壓力控制和底輥的扭矩控制以達到成品紙卷的控制要求。如圖2所示。
圖2 直流電機驅(qū)動
為了產(chǎn)生紙幅張力，需要使退紙輥電機工作在回饋制動狀態(tài)。紙幅的行走速度為V，方向如箭頭所示，當張力恒定為F時，對于退紙輥電機來說，紙幅負載是恒功率負載。目前國內(nèi)的研究，都是基于這個原理展開，由負載功率得到電機的電磁功率，從而得到電機的電磁制動轉(zhuǎn)矩的計算控制量。在大部分相關(guān)論述中，鮮有對原紙卷轉(zhuǎn)動慣量進行認真考慮并仔細研究的。在我們目前所做的項目中，也大都沒有考慮到原紙卷轉(zhuǎn)動慣量的影響，而是近似地認為退紙輥電機的電磁功率等于紙幅負載功率。
事實上，隨著復(fù)卷的進行，原紙卷的半徑越來越小，在線速度恒定的情況下，原紙輥處于旋轉(zhuǎn)加速狀態(tài)，因此負載功率除了要平衡電機的電磁吸收功率外，還要負擔原紙卷的加速功率。所以只有在工作車速不高的情況下，才可以令負載功率近似等于電磁功率，因為由于紙張厚度很薄的原因，在車速不高時，角加速度較小。但對于高速復(fù)卷機的設(shè)計而言，不考慮原紙卷轉(zhuǎn)動慣量的影響，將是控制策略制定上的一大缺陷，而且必然影響產(chǎn)品質(zhì)量。
在討論原紙卷慣性轉(zhuǎn)矩對高速復(fù)卷機恒張力控制的影響之前，有必要對現(xiàn)在國內(nèi)常用的控制方案做一個簡單的介紹。
復(fù)卷過程中，原紙卷在紙幅張力的作用下順時針旋轉(zhuǎn)，如圖2所示，并設(shè)順時針方向為正向。為了產(chǎn)生張力作用，退紙輥電機雙閉環(huán)控制器的速度環(huán)給定為一個負值，即速度給定是逆時針方向的。由于實際轉(zhuǎn)向與給定方向相反，因此速度環(huán)很快就進入了負飽和狀態(tài)，此時起作用的是電流環(huán)，電流環(huán)的輸入等于轉(zhuǎn)矩模塊的限幅值。紙幅負載力矩是隨著復(fù)卷過程的進行、原紙輥半徑的減小而減小的，為了使得張力平穩(wěn)，則電機電磁轉(zhuǎn)矩也應(yīng)隨之逐漸減小，若令負載功率近似等于電機電磁功率，則電磁轉(zhuǎn)矩就近似等于負載轉(zhuǎn)矩，并且隨著負載轉(zhuǎn)矩的變化而變化，是一個轉(zhuǎn)矩隨動控制系統(tǒng)。
由于速度環(huán)負飽和，因此轉(zhuǎn)速環(huán)處于開環(huán)狀態(tài)。為了取得電磁轉(zhuǎn)矩對負載轉(zhuǎn)矩的跟隨效果，采取了控制轉(zhuǎn)矩負限幅的辦法，強迫電流環(huán)的輸出隨著負載轉(zhuǎn)矩的變化而變化。
4 慣性轉(zhuǎn)矩在復(fù)卷控制中的應(yīng)用
式（3-8）建立起了電機電磁轉(zhuǎn)矩與當前電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，但該式是微分方程，若要實時求解須將其離散化。離散化后的差分方程如下：
其中，i= i、i-1、…、1；T——系統(tǒng)采樣周期。
該方程在現(xiàn)場經(jīng)由PLC實時計算并不困難，它修正了現(xiàn)行控制方案中，計算轉(zhuǎn)矩限幅值時的不足之處，即沒有考慮到退紙輥做加速旋轉(zhuǎn)運動的影響。式中的計算結(jié)果是否準確，取決于轉(zhuǎn)速采樣值的準確性，可考慮對轉(zhuǎn)速采樣值進行適當?shù)臑V波處理。
具體控制方案如下圖3所示：
圖3 控制方案
n*2 為后底輥的速度給定；R2為后底輥半徑；K和C見（3-2）式；T為采樣周期；n1i 為轉(zhuǎn)速n1的第i次采樣值，i=1，2，3，…,N；N為自然數(shù)；k為前饋量修整系數(shù)；B1模塊為系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時的電磁轉(zhuǎn)矩計算公式；B2模塊為系統(tǒng)處于動態(tài)時的電磁轉(zhuǎn)矩計算公式；B3模塊為動、穩(wěn)態(tài)判斷模塊，根據(jù)后底輥速度給定以及實際速度，判斷系統(tǒng)當前處于穩(wěn)態(tài)過程還是動態(tài)過程，系統(tǒng)根據(jù)其判斷結(jié)果決定采用B1模塊還是B2模塊。
5 結(jié)束語
目前，復(fù)卷機電控系統(tǒng)的組成大都采用數(shù)字式直流驅(qū)動裝置+PLC+操作屏（或觸摸屏）的形式，各裝置之間采用數(shù)據(jù)通訊方式。這為現(xiàn)場參數(shù)的整定帶來了方便，參數(shù)K、C、k、T、R2等經(jīng)事先確定好后，經(jīng)由操作屏輸入給PLC，并可現(xiàn)場實時修改，轉(zhuǎn)速n1與n2經(jīng)通訊由數(shù)字驅(qū)動裝置傳給PLC，模塊B1、B2、B3以及線速度v2的計算都在PLC 中進行，計算結(jié)果經(jīng)由通訊送給退紙輥電機直流驅(qū)動裝置。這樣慣性轉(zhuǎn)矩的計算就可以通過參數(shù)的動態(tài)修改實現(xiàn)實時準確跟蹤，達到高速復(fù)卷的控制要求。
在造紙生產(chǎn)過程中，復(fù)卷是卷筒紙生產(chǎn)的最后一道工序，是形成成品紙卷品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵部分。由于紙機的連續(xù)性和復(fù)卷機的間歇性的特點，復(fù)卷機的車速一般是紙機設(shè)計車速的2倍以上，因此作為造紙設(shè)備中工作車速最快的設(shè)備，這就為復(fù)卷機的設(shè)計與制造帶來了很高的要求。自20世紀90年代始，造紙機的發(fā)展突飛猛進，新技術(shù)、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代造紙機已經(jīng)達到單臺40萬噸/年，紙機設(shè)計車速已經(jīng)高達2800米/分鐘，這就要求復(fù)卷機必須具備高速，寬幅、自動化程度高等性能。綜上所述，復(fù)卷機設(shè)計車速的高低、運行工況的好壞直接影響著紙機是否能夠正常工作。
國外對高速復(fù)卷機的研究已經(jīng)取得了許多成果，設(shè)計車速已經(jīng)達到了3500m/min，工作車速達到了3100m/min以上。復(fù)卷的幅寬也與紙機同步發(fā)展達到10m之多。象Metso（美卓）公司給芬蘭UPM-Kymmene紙廠8號機（涂布文化紙90-115 克/平方米）提供的WinRoll多站連續(xù)復(fù)卷機，幅寬8690 毫米，工作車速3100m/min；以及法國的Adlolf Tass紙業(yè)有限公司引進Valmet 公司生產(chǎn)的連續(xù)復(fù)卷、全自動WinDrum-M型的復(fù)卷機（抄速3000m/min,幅寬6000mm）,已投入生產(chǎn)。
然而國內(nèi)復(fù)卷機的發(fā)展情況相對國外落后很多，車速一般都不高，大都集中在1500米/分鐘以下，車速超過2000米/分鐘的不多，因此對高速復(fù)卷機的研究是很有價值的。
2 復(fù)卷機機械工藝簡介
復(fù)卷機系列中最常見的是下引紙復(fù)卷機，如圖1所示，紙幅從機臺下面送入，并使其繞過某一個支承輥再卷上紙卷的。紙幅從退紙卷上引過下方的幾個引紙輥，通過固定的位置的縱切機構(gòu)，繞過前支承輥，然后卷在卷紙軸上。
復(fù)卷過程中，恒定的紙幅張力力圖把紙卷拉向支承輥，在退紙卷恒功率穩(wěn)定運行同時，使逐漸增大的成品紙卷得以穩(wěn)定，并在高速卷取時能保證紙卷質(zhì)量。該類型復(fù)卷機還可運用變化兩個支承輥的卷矩差，結(jié)合壓紙與紙卷間區(qū)間壓力調(diào)節(jié)，對紙卷質(zhì)量做很好的控制。
3 慣性轉(zhuǎn)矩的影響與計算
目前在對國內(nèi)復(fù)卷機電控系統(tǒng)進行設(shè)計時，大多采用直流電機驅(qū)動的模式，通過前后底輥電機來驅(qū)動整個系統(tǒng)，控制退紙輥電機（驅(qū)動原紙卷）的電磁制動轉(zhuǎn)矩來控制紙幅的張力，再輔以壓紙輥壓力控制和底輥的扭矩控制以達到成品紙卷的控制要求。如圖2所示。
為了產(chǎn)生紙幅張力，需要使退紙輥電機工作在回饋制動狀態(tài)。紙幅的行走速度為V，方向如箭頭所示，當張力恒定為F時，對于退紙輥電機來說，紙幅負載是恒功率負載。目前國內(nèi)的研究，都是基于這個原理展開，由負載功率得到電機的電磁功率，從而得到電機的電磁制動轉(zhuǎn)矩的計算控制量。在大部分相關(guān)論述中，鮮有對原紙卷轉(zhuǎn)動慣量進行認真考慮并仔細研究的。在我們目前所做的項目中，也大都沒有考慮到原紙卷轉(zhuǎn)動慣量的影響，而是近似地認為退紙輥電機的電磁功率等于紙幅負載功率。
事實上，隨著復(fù)卷的進行，原紙卷的半徑越來越小，在線速度恒定的情況下，原紙輥處于旋轉(zhuǎn)加速狀態(tài)，因此負載功率除了要平衡電機的電磁吸收功率外，還要負擔原紙卷的加速功率。所以只有在工作車速不高的情況下，才可以令負載功率近似等于電磁功率，因為由于紙張厚度很薄的原因，在車速不高時，角加速度較小。但對于高速復(fù)卷機的設(shè)計而言，不考慮原紙卷轉(zhuǎn)動慣量的影響，將是控制策略制定上的一大缺陷，而且必然影響產(chǎn)品質(zhì)量。
在討論原紙卷慣性轉(zhuǎn)矩對高速復(fù)卷機恒張力控制的影響之前，有必要對現(xiàn)在國內(nèi)常用的控制方案做一個簡單的介紹。
復(fù)卷過程中，原紙卷在紙幅張力的作用下順時針旋轉(zhuǎn)，如圖2所示，并設(shè)順時針方向為正向。為了產(chǎn)生張力作用，退紙輥電機雙閉環(huán)控制器的速度環(huán)給定為一個負值，即速度給定是逆時針方向的。由于實際轉(zhuǎn)向與給定方向相反，因此速度環(huán)很快就進入了負飽和狀態(tài)，此時起作用的是電流環(huán)，電流環(huán)的輸入等于轉(zhuǎn)矩模塊的限幅值。紙幅負載力矩是隨著復(fù)卷過程的進行、原紙輥半徑的減小而減小的，為了使得張力平穩(wěn)，則電機電磁轉(zhuǎn)矩也應(yīng)隨之逐漸減小，若令負載功率近似等于電機電磁功率，則電磁轉(zhuǎn)矩就近似等于負載轉(zhuǎn)矩，并且隨著負載轉(zhuǎn)矩的變化而變化，是一個轉(zhuǎn)矩隨動控制系統(tǒng)。
由于速度環(huán)負飽和，因此轉(zhuǎn)速環(huán)處于開環(huán)狀態(tài)。為了取得電磁轉(zhuǎn)矩對負載轉(zhuǎn)矩的跟隨效果，采取了控制轉(zhuǎn)矩負限幅的辦法，強迫電流環(huán)的輸出隨著負載轉(zhuǎn)矩的變化而變化。
4 慣性轉(zhuǎn)矩在復(fù)卷控制中的應(yīng)用
式（3-8）建立起了電機電磁轉(zhuǎn)矩與當前電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，但該式是微分方程，若要實時求解須將其離散化。離散化后的差分方程如下：
其中，i= i、i-1、…、1；T——系統(tǒng)采樣周期。
該方程在現(xiàn)場經(jīng)由PLC實時計算并不困難，它修正了現(xiàn)行控制方案中，計算轉(zhuǎn)矩限幅值時的不足之處，即沒有考慮到退紙輥做加速旋轉(zhuǎn)運動的影響。式中的計算結(jié)果是否準確，取決于轉(zhuǎn)速采樣值的準確性，可考慮對轉(zhuǎn)速采樣值進行適當?shù)臑V波處理。
具體控制方案如下圖3所示：
n*2 為后底輥的速度給定；R2為后底輥半徑；K和C見（3-2）式；T為采樣周期；n1i 為轉(zhuǎn)速n1的第i次采樣值，i=1，2，3，…,N；N為自然數(shù)；k為前饋量修整系數(shù)；B1模塊為系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時的電磁轉(zhuǎn)矩計算公式；B2模塊為系統(tǒng)處于動態(tài)時的電磁轉(zhuǎn)矩計算公式；B3模塊為動、穩(wěn)態(tài)判斷模塊，根據(jù)后底輥速度給定以及實際速度，判斷系統(tǒng)當前處于穩(wěn)態(tài)過程還是動態(tài)過程，系統(tǒng)根據(jù)其判斷結(jié)果決定采用B1模塊還是B2模塊。
5 結(jié)束語
目前，復(fù)卷機電控系統(tǒng)的組成大都采用數(shù)字式直流驅(qū)動裝置+PLC+操作屏（或觸摸屏）的形式，各裝置之間采用數(shù)據(jù)通訊方式。這為現(xiàn)場參數(shù)的整定帶來了方便，參數(shù)K、C、k、T、R2等經(jīng)事先確定好后，經(jīng)由操作屏輸入給PLC，并可現(xiàn)場實時修改，轉(zhuǎn)速n1與n2經(jīng)通訊由數(shù)字驅(qū)動裝置傳給PLC，模塊B1、B2、B3以及線速度v2的計算都在PLC 中進行，計算結(jié)果經(jīng)由通訊送給退紙輥電機直流驅(qū)動裝置。這樣慣性轉(zhuǎn)矩的計算就可以通過參數(shù)的動態(tài)修改實現(xiàn)實時準確跟蹤，達到高速復(fù)卷的控制要求。
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