再復卷機退紙架電機控制方法研究

李 茜，趙 丹，孟彥京

（陜西科技大學 電氣與信息工程學院，西安 710021）

0 引言

再復卷機用于對已復卷的50g/m2～120g/m2的不合格成品紙進行再次分切復卷，復卷成寬度緊度符合要求的成品紙卷，在復卷過程中還可以除去質量不好的紙張，粘結斷頭。再復卷機不同于普通復卷機的是它的退紙架上有左右兩臺電機共同驅動退卷紙芯，對于再復卷機退紙架電機的控制精度直接影響退卷紙幅的張力控制精度，而退卷張力控制的穩定與否又與成品紙卷形態的優劣緊密相關。因此，必須為再復卷機退紙架電機選擇正確的控制策略，實現退卷紙幅張力的精確控制。

1 再復卷機工作原理

河南濮陽龍豐紙業有限公司2014年下引紙再復卷機項目中使用的在復卷機退紙架如圖1所示。

圖1 再復卷機退紙架

如圖1所示，再復卷機是把把不合格卷筒紙放在液壓無軸退紙架上，退紙架左右兩邊各配有交流變頻電機、光電編碼器及張力傳感器以保持紙幅有均勻的張力，并在斷紙時能使紙幅快速制動。紙幅由放紙卷引出，通過上遞紙裝置和導紙輥裝置，經過弧形輥舒展后，通過縱切系統進行縱切，再經過弧形輥和遞紙裝置，繞過后支承輥而纏卷在卷紙筒上，卷紙筒依靠兩個支承輥的驅動而運轉，從而牽動整個紙頁前進。

2 再復卷機退紙電機控制要求

再復卷機是重新復卷已經復卷過得紙卷，在復卷過程中，紙幅也是從退紙卷上引出，繞過導紙輥、舒展輥，通過固定位置的縱切機構，從機臺下面送人紙幅使其繞過后底輥，然后卷在卷紙軸上，如圖2所示。但由于復卷機沒有退紙輥，它是通過退紙架上左右兩端的電機共同驅動一個退紙紙芯，而紙芯比較柔，在高速運行性，就對兩端電機的控制提出了進一步的要求。再復卷機運行時，必須保證兩電機同步運行，因此對于再復卷機退紙電機的控制要求就是如何保證兩臺電機能夠穩定同步運行。

圖2 再復卷機結構示意圖

3 再復卷機退紙電機同步控制方式

實現多電機同步控制，通常有兩種方式：一是機械方式，二是電方式。機械方式采用鏈條、齒輪等剛性連接來實現多電機同步控制。電控制由于具有控制精度高，靈活性好的優點，已經廣泛應用，電控制一般包括主從控制、并行控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制等控制方式。但由于本項目中，只有兩臺電機同步控制，而偏差耦合控制是在交叉耦合控制的基礎上研究出的適用于三臺及以上電機同步控制的方法，因此在本文中不做說明。

3.1 主-從控制

主/從控制仿真模型如圖3所示。第一臺電機作為主電機，控制器將設定轉速送入主電機，主電機的輸出信號作為下一臺電機的輸入信號。由此可知這種結構的系統中，第一臺電機只能作為主電機，后一臺電機只能作為從電機，因而中間的電機既是主電機也是從電機，當然，在本項目中只有兩臺電機，一個主電機，一個從電機。

圖3 主從控制仿真模型

在Matlab7.0中對主/從控制原理圖進行負載突增的仿真實驗，兩臺電機給定轉速設定為1500rad/min，仿真時間為2s。得到的仿真結果如圖4所示。

圖4 主從控制轉速跟隨曲線

從圖中可以看到，從電機從0s得電到0.3s兩臺電機速度趨于穩定同步，設定在0.4s時刻給電機增加負載，兩臺電機的轉矩增加并出現波動，而轉速也降低，直至0.6s兩臺電機的速度和轉矩才趨于同步穩定，受負載擾動影響時間為0.2s。

3.2 并行控制

并行控制結構簡單，易于操作，其仿真模型如圖5所示。并行控制中兩臺電機共同擁有一個輸入信號，兩臺電機的控制系統之時相互獨立。當某一電機受擾動影響時，其自身轉轉會發生改變，由于這兩臺電機的系統之時沒有耦合，故其中任意一臺電機運行狀態發生改變，其他電機因無反饋信息而保持自身運行狀態不變，可能會造成比較嚴重的電機時失步。如果兩臺電機在運行過程中沒有任何擾動，則整個系統的同步性能會比較好，但在實際應用中，這種情況基本是不存在的。

圖5 并行控制仿真模型

在Matlab7.0中對并行控制原理圖進行負載突增的仿真實驗，為了便于觀察兩電機的速度趨于穩定性，我們將電機1的速度增益設置的與電機2的不同，仿真時間為2s。得到的仿真結果如圖6所示。

圖6 并行控制轉速跟隨曲線

由圖中可以看出，兩電機在0.2s時速度、轉矩趨于穩定，而在0.4s給定負載后，兩電機的轉速均有波動，波動延續到0.53s停止，兩電機的轉速趨于同步穩定，受負載擾動影響時間為0.13s。并行控制由于各個電機時沒有反饋信號互相傳遞，整個系統處于開環狀態，當受到負載擾動后，兩電機轉速各自發生波動，最后達到穩定狀態。

3.3 交叉耦合控制

交叉耦合控制仿真模型如圖7所示。電機之間沒有主次之分，同時電機之間形成耦合。每臺電機加入速度補償器，當一臺電機速度發生改變時，另外一臺電機能快速的對電機的同步誤差進行補償，因此具有較強的抗擾動能力和較高的控制精度。但是交叉耦合控制結構不適用于三臺及三臺以上的電機。

圖7 交叉耦合控制仿真模型

在Matlab7.0中對并行控制原理圖進行負載突增的仿真實驗，為了便于觀察兩電機的速度趨于穩定性，我們將電機1的速度增益設置的與電機2的不同，仿真時間為2s。得到的仿真結果如圖8所示。

圖8 交叉耦合控制轉速跟隨曲線

由圖中可以看出，兩電機在0.2s時速度、轉矩趨于穩定，而在0.4s給定負載后，兩電機的轉速均有波動，波動延續到0.53s停止，兩電機的轉速趨于同步穩定，受負載擾動影響時間為0.13s。

4 結束語

從以上分析我們可以看出，當整個電機控制系統空載啟動時，并行控制與偏差耦合控制的同步控制性能比主從控制要優越。但在發生負載擾動后，主從控制中從電機根據主電機的轉速進行調節后，轉速很快發生跟隨，達到了一定的同步控制性能，但如果從電機發生負載突變，主電機卻無法接收到從電機的轉速反饋信號，則會產生電機失步的現象。并行控制由于各個電機時沒有反饋信號互相傳遞，整個系統處于開環狀態，當受到負載擾動后，兩電機轉速各自發生波動，最后達到穩定狀態。 交叉耦合控制電機均有反饋信號傳遞，整個系統處于閉環狀態，任意電機狀態的改變都會影響到其余電機的狀態，能夠時刻保持電機的同步性。因此在河南濮陽龍豐紙業有限公司2014年下引紙再復卷機項目中，我們結合以上考慮并聯系現場實際成本和實際運行穩定性問題，我們退紙輥電機的控制方式選擇主從控制。

[1] 孟彥京.造紙機變頻傳動原理與設計[M].西安:陜西人民出版社,2002.

[2] 楊晨娜.多電機同步控制方式的研究[J].知識經濟,2011(12):99 100.

[3] 王晶,翁國慶,張有兵.電力系統的MATLAB/SIMULINK仿真與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2011.

[4] 潘曉晟,郝世勇.MATLAB電機仿真精華50例[M].北京:電子工業出版社,2007.

[5] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京:機械工業出版社,1999.