CN110557051A - 新型无张力传感器多电机自适应卷绕控制方法 - Google Patents

Abstract

在卷绕系统中，需要精确的控制张力，本文以两电机卷绕系统中收卷和放卷电机为研究对象，提出了一种基于张力观测器的闭环控制方法。首先通过对张力控制系统各个组成部分的详细分析，找出了影响张力的关键参数，然后根据卷绕电机的转矩平衡原理，设计了一种张力状态观测器对系统张力进行观测，构成了无传感器张力闭环控制。该方法减小了张力传感器带来的延迟，解决了一些特殊场合下张力传感器无法安装的问题，简单易行。

Description

新型无张力传感器多电机自适应卷绕控制方法

技术领域

本发明属于多电机系统控制领域，涉及一种新型无张力传感器多电机白适应卷绕控制方法，本发明可应用于造纸、纺织等工业生产领域。

背景技术

在造纸、纺织等工业生产领域中，均需要对张力进行控制以保证多电机系统的稳定运行，张力控制失准容易造成纸张褶皱、纺织断线等现象。目前在实际工业生产当中大多借助张力传感器对张力进行闭环控制，从而获得较好的控制效果，然而采用这种方法时，也存在一些弊端，例如张力传感器输出易受到外部环境的干扰，且对负载连续变化的适应性较差。因此，本发明专利针对上述问题，设计一种张力观测器在线对张力进行辨识，再利用自适应算法，实现张力的闭环控制，提出一种新型无张力传感器多电机自适应卷绕控制方法。

发明内容

本发明专利提出了一种新型无张力传感器多电机自适应卷绕控制方法。

步骤1：设计张力观测器

建立收卷-放卷电机运动学模型

T_er和T_eu分别为收卷电机和放卷电机的电磁转矩，F为系统张力，T_fr和T_fu库伦摩擦力，B_r和B_u为粘性摩擦系数；J_r和J_u分别为收卷电机和放卷电机的转动惯量；

把张力F看作状态变量，由于控制器的采样频率非常高，因此在同一个控制周期内可以近似认为张力是一个恒定值，即

由于转动惯量的变化率远小于收卷辊和放卷辊角速度的变化率，因此，送-卷运动学模型可以近似表示为

以收卷电机为观测对象，建立收卷电机的动力学状态方程有

式中，x＝[ω_r F]^T；u＝[T_er-T_fr]为控制输入信号；y＝[ω_r]为输出量；C＝[1 0]；

根据现代控制理论中降维状态观测器的思想，如果将收卷电机的转速作为观测器的校正量，则张力观测器可表示为

式中，为被观测的状态变量；为观测器的输出量；K＝[k₁ k₂]^T为反馈增益。

根据状态观测器稳定条件确定k₁、k₂，可得

α和β分别为期望观测器的两个特征值；由此可以得到观测的张力值；

步骤2：自适应电机控制器

在单电机控制环节中，引入自适应控制算法，以应对收卷多电机系统运行过程中，随收卷量变化引起的轴端负载变化问题。

改进后的单电机转速环控制器如下：

式中，K_T为电机转矩系数，该系数与电机形式有关，是一个常数；k_vp为转速环比例控制系数，k_vi为转速环积分控制系数；α_s为转速环带宽系数，是转速环阻尼系数；ω_r为电机转速，为转速参考值；K_J为轴端转动惯量自适应系数，T_er(k-1)，T_er(k-2)为k-1和k-2时刻收卷电机转矩，e₀为两个时刻转速变化量，λ为由实验得到的自适应系数。

附图说明

图1为收卷电机驱动控制系统；

图2(a)为本发明专利所提出的张力观测器框图；

图2(b)为本发明专利所提出的转速环控制框图

具体实施方式

下面结合以两台电机收放卷系统为一个具体实施例以及相应附图对本发明的一种新型无张力传感器多电机自适应卷绕控制方法做出详细说明。

步骤1：设计张力观测器

建立收卷-放卷电机运动学模型

T_er和T_eu分别为收卷电机和放卷电机的电磁转矩，F为系统张力，T_fr和T_fu库伦摩擦力，B_r和B_u为粘性摩擦系数；J_r和J_u分别为收卷电机和放卷电机的转动惯量；

把张力F看作状态变量，由于控制器的采样频率非常高，因此在同一个控制周期内可以近似认为张力是一个恒定值，即

由于转动惯量的变化率远小于收卷辊和放卷辊角速度的变化率，因此，送.卷运动学模型可以近似表示为

以收卷电机为观测对象，建立收卷电机的动力学状态方程有

式中，x＝[ω_r F]^T；u＝[T_er-T_fr]为控制输入信号；y＝[ω_r]为输出量；C＝[1 0]；

根据现代控制理论中降维状态观测器的思想，如果将收卷电机的转速作为观测器的校正量，则张力观测器可表示为

式中，为被观测的状态变量；为观测器的输出量；K＝[k₁ k₂]^T为反馈增益。

由式(4)减去式(5)可得观测误差为

其特征根方程为

设期望观测器的两个特征值分别为α和β，则观测器期望的特征方程为

s²-(α+β)s+α·β＝0 (8)

根据状态观测器稳定条件确定k₁、k₂，可得

α和β分别为期望观测器的两个特征值；由此可以得到观测的张力值；

步骤2：自适应电机控制器

在单电机控制环节中，引入自适应控制算法，以应对收卷多电机系统运行过程中，随收卷量变化引起的轴端负载变化问题。

改进后的单电机转速环控制器如下：

式中，K_T为电机转矩系数，该系数与电机形式有关，是一个常数；k_vp为转速环比例控制系数，k_vi为转速环积分控制系数；α_s为转速环带宽系数，是转速环阻尼系数；ω_r为电机转速，为转速参考值；K_J为轴端转动惯量自适应系数，T_er(k-1)，T_er(k-2)为k-1和k-2时刻收卷电机转矩，e₀为两个时刻转速变化量，T_s为控制周期，λ为由实验得到的自适应系数。

Claims (1)

1.一种新型无张力传感器多电机自适应卷绕控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：设计张力观测器

建立收卷-放卷电机运动学模型

T_er和T_eu分别为收卷电机和放卷电机的电磁转矩，F为系统张力，T_fr和T_fu库伦摩擦力，B_r和B_u为粘性摩擦系数；J_r和J_u分别为收卷电机和放卷电机的转动惯量；

把张力F看作状态变量，由于控制器的采样频率非常高，因此在同一个控制周期内可以近似认为张力是一个恒定值，即

由于转动惯量的变化率远小于收卷辊和放卷辊角速度的变化率，因此，送-卷运动学模型可以近似表示为

以收卷电机为观测对象，建立收卷电机的动力学状态方程有

式中，x＝[ω_r F]^T；u＝[T_er-T_fr]为控制输入信号；y＝[ω_r]为输出量；C＝[1 0]；

根据现代控制理论中降维状态观测器的思想，如果将收卷电机的转速作为观测器的校正量，则张力观测器可表示为

式中，为被观测的状态变量；为观测器的输出量；K＝[k₁ k₂]^T为反馈增益。

根据状态观测器稳定条件确定k₁、k₂，可得

α和β分别为期望观测器的两个特征值；由此可以得到观测的张力值；

步骤2：自适应电机控制器

在单电机控制环节中，引入自适应控制算法，以应对收卷多电机系统运行过程中，随收卷量变化引起的轴端负载变化问题。

改进后的单电机转速环控制器如下：

式中，K_T为电机转矩系数，该系数与电机形式有关，是一个常数；k_vp为转速环比例控制系数，k_vi为转速环积分控制系数；α_s为转速环带宽系数，是转速环阻尼系数；ω_r为电机转速，为转速参考值；K_J为轴端转动惯量自适应系数，T_er(k-1)，T_er(k-2)为k-1和k-2时刻收卷电机转矩，e₀为两个时刻转速变化量，λ为由实验得到的自适应系数。