結(jié)合電流信號(hào)的熱磨機(jī)磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1)

陳光偉 苗文亮 王丙軍 黃鶴飛 花軍

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)(金隅天壇(唐山)木業(yè)科技有限公司)(東北林業(yè)大學(xué))

纖維板生產(chǎn)中，對(duì)熱磨機(jī)磨片間隙的精準(zhǔn)控制，直接關(guān)系到纖維研磨的質(zhì)量[1]。但是，由于纖維研磨會(huì)造成磨片的持續(xù)磨損，磨片間隙將緩慢增大，纖維的形態(tài)也將變得粗大、質(zhì)量下降[2]。因此，生產(chǎn)中需要根據(jù)纖維質(zhì)量的變化，經(jīng)常性地調(diào)整磨片間隙，以保持纖維質(zhì)量的穩(wěn)定[3]。

當(dāng)前的纖維板生產(chǎn)線上，對(duì)纖維質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，是通過監(jiān)控?zé)崮C(jī)的“單位功率消耗”實(shí)現(xiàn)的；“單位功率消耗”是指生產(chǎn)每噸干纖維時(shí)熱磨機(jī)主電機(jī)耗用的功率[4]。由于當(dāng)前熱磨機(jī)主電機(jī)的額定電壓都是恒定的，所以通過“單位功率消耗”監(jiān)測(cè)纖維質(zhì)量，實(shí)際上是通過檢測(cè)輸入熱磨機(jī)主電機(jī)的電流大小辨別的。此外，目前的熱磨機(jī)控制系統(tǒng)仍在采用半自動(dòng)方式調(diào)整磨片間隙，即在控制面板上讀取“單位功率消耗”的讀數(shù)后，通過比對(duì)理想值與實(shí)際值的差異，再人為發(fā)出指令調(diào)整磨片間隙，使“單位功率消耗”的實(shí)際值趨于理想值，以使纖維形態(tài)(質(zhì)量)符合纖維板的生產(chǎn)需求[5]。

人為調(diào)整磨片間隙將不可避免地產(chǎn)生調(diào)節(jié)時(shí)間滯后和準(zhǔn)確性差等問題，必然會(huì)影響纖維研磨質(zhì)量[6]。為此，本研究針對(duì)采用機(jī)械傳動(dòng)裝置調(diào)節(jié)磨片間隙的熱磨機(jī)，提出一種結(jié)合電流信號(hào)對(duì)磨片間隙進(jìn)行自動(dòng)控制的方法，旨在為實(shí)現(xiàn)熱磨機(jī)磨片間隙的自動(dòng)化控制提供參考。

1 熱磨機(jī)磨片間隙自動(dòng)控制原理

1.1 熱磨機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

采用機(jī)械傳動(dòng)裝置調(diào)節(jié)磨片間隙的熱磨機(jī)結(jié)構(gòu)，主要由研磨裝置(包括靜磨盤1、靜磨盤磨片2、動(dòng)磨盤磨片3、動(dòng)磨盤4等)、主軸13及其殼體5、電機(jī)10、傳動(dòng)裝置(包括減速器8、齒輪傳動(dòng)副9、蝸輪蝸桿傳動(dòng)副7、絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)副6)、軸承組(包括前軸承11、推力軸承12、后軸承14)等構(gòu)成(見圖1)。其中，動(dòng)磨盤安裝于主軸的前端，主軸尾端通過聯(lián)軸器與主電機(jī)(未畫出)聯(lián)結(jié)，由主電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸與動(dòng)磨盤旋轉(zhuǎn)。主軸通過軸承組支撐，裝配于主軸殼體內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)可滑移的整體。調(diào)節(jié)磨片間隙時(shí)，由電機(jī)通過傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)主軸殼體、主軸、動(dòng)磨盤一同移動(dòng)，使動(dòng)磨盤磨片與靜磨盤磨片的距離(即磨片間隙(XG))達(dá)到預(yù)定值[7-8]。

1為靜磨盤；2為靜磨盤磨片；3為動(dòng)磨盤磨片；4為動(dòng)磨盤；5為主軸殼體；6為絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)副；7為蝸輪蝸桿傳動(dòng)副；8為減速器；9為齒輪傳動(dòng)副；10為磨片間隙調(diào)節(jié)裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；11為前軸承；12為推力軸承；13為主軸；14為后軸承；TM為研磨轉(zhuǎn)矩；TC為主電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；XG為磨片間隙；θC為電機(jī)10的輸出轉(zhuǎn)角；r為磨片的內(nèi)緣半徑；R為磨片的外緣半徑；ωR為磨盤旋轉(zhuǎn)的角速度。

1.2 結(jié)合電流信號(hào)的磨片間隙自動(dòng)控制方法

熱磨機(jī)工作過程中，若磨片間隙出現(xiàn)變化，則其對(duì)原料的壓強(qiáng)和纖維分離強(qiáng)度(指磨片研磨解離纖維原料時(shí)，各種作用力大小與頻次的綜合作用效果)也會(huì)發(fā)生變化[9]。如磨片間隙減小，造成原料所受壓強(qiáng)升高時(shí)，纖維分離強(qiáng)度將加強(qiáng)，磨片對(duì)纖維原料的研磨作用力隨之加強(qiáng)，主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、輸入電流、輸出功率也隨之增大。反之，若磨片間隙增大，主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、輸入電流、輸出功率則均會(huì)減小[10]。即磨片間隙與熱磨機(jī)主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、輸入電流、輸出功率之間，存在逆相關(guān)的變化關(guān)系[11]。

利用上述逆變關(guān)系，將主電機(jī)的輸入電流作為控制信號(hào)，使之與熱磨機(jī)的磨片間隙調(diào)節(jié)裝置相結(jié)合，構(gòu)成反饋控制鏈路，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)磨片間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)。但磨片間隙的自動(dòng)調(diào)整與控制屬于位移控制系統(tǒng)，采用具備轉(zhuǎn)角控制的伺服電機(jī)更為合適，控制精度也會(huì)更精準(zhǔn)[12-13]。因此，后續(xù)對(duì)熱磨機(jī)磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，將以伺服電機(jī)替代原來的電機(jī)10。

1.3 磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理

根據(jù)前述的熱磨機(jī)磨片間隙自動(dòng)控制方法，該控制系統(tǒng)的原理見圖2。其中，放大器與信號(hào)轉(zhuǎn)換器是對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換的器件；伺服電機(jī)是用以調(diào)節(jié)磨片間隙的動(dòng)力元件；主電機(jī)是驅(qū)動(dòng)研磨裝置進(jìn)行纖維分離的動(dòng)力元件。

自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制原理：當(dāng)磨片間隙(XG)未發(fā)生變動(dòng)，即熱磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電流誤差信號(hào)IE=0(IE=IR0-IF；IR0相當(dāng)于磨片間隙所需保持的限定值，是一個(gè)恒量信號(hào))；此時(shí)，輸入伺服電機(jī)的電流(IP)也為零，伺服電機(jī)不動(dòng)作，輸出轉(zhuǎn)角θC=0，磨片間隙保持不變。

IR0為輸入電流信號(hào)；IE為電流誤差信號(hào)；IP為輸入伺服電機(jī)的電流；θC為伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角；XG為磨片間隙；IF為電流反饋信號(hào)；IC為提取自主電機(jī)的電流信號(hào)；IR為輸入主電機(jī)的電流；TC為主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)磨片間隙發(fā)生變化，如因磨片磨損使間隙(XG)增大時(shí)，會(huì)使研磨裝置的輸出轉(zhuǎn)矩(TM)減小，此時(shí)主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩(TC)、輸入電流(IR)、電流信號(hào)(IC)也會(huì)隨之減小[14]。IC經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電流反饋信號(hào)(IF)后，與輸入電流信號(hào)(IR0)進(jìn)行比較，得出IE>0。IE再經(jīng)放大器放大后輸入伺服電機(jī)，使其輸出轉(zhuǎn)角θC>0，并通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)主軸與動(dòng)磨盤移動(dòng)，逐漸減小磨片間隙。在此過程中，轉(zhuǎn)矩(TM、TC)、電流信號(hào)(IR、IC、IF)等又會(huì)隨著磨片間隙的減小而逐漸增大；當(dāng)IF增大至等于IR0時(shí)，說明磨片間隙(XG)已恢復(fù)到原來的設(shè)定值；此時(shí)IE將重新歸零，伺服電機(jī)停止動(dòng)作。反之，若磨片間隙減小時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)上述各參數(shù)的調(diào)節(jié)過程，與前述磨片間隙增大時(shí)相反，最后仍可以調(diào)節(jié)磨片間隙回到原來的限定值。

若在工作中想主動(dòng)調(diào)節(jié)磨片間隙，僅需調(diào)整輸入電流信號(hào)(IR0)即可。如想通過減小磨片間隙使纖維分離的更為充分，僅需增大輸入電流信號(hào)(IR0)的幅值，使IE=IR0-IF>0；之后控制系統(tǒng)會(huì)按照磨片間隙增大的過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，使磨片間隙減小到由調(diào)整后的IR0代表的新的限定值。

2 熱磨機(jī)磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

結(jié)合機(jī)械式磨片間隙調(diào)節(jié)裝置中各組成器件的電-機(jī)械特性，依據(jù)熱磨機(jī)磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖(見圖2)，建立以傳遞函數(shù)形式表示的磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)原理(見圖3)。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

以我國華北某纖維板廠采用的國產(chǎn)某型熱磨機(jī)為參考，設(shè)計(jì)該熱磨機(jī)的磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)。需要說明的是，由于熱磨機(jī)的主軸、動(dòng)磨盤等機(jī)械構(gòu)件慣性很大，且在間隙調(diào)節(jié)過程中磨片一定不能發(fā)生碰撞，即系統(tǒng)在調(diào)節(jié)磨片間隙時(shí)不能出現(xiàn)“超調(diào)”，因而其也不需要過高的響應(yīng)速度。為達(dá)到這一要求，在傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了有針對(duì)性的匹配設(shè)計(jì)。

KF、KZH分別為放大器與信號(hào)轉(zhuǎn)換器的電流信號(hào)放大系數(shù)。2πRDK1/(1+Tms)為伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)，RD為電機(jī)的內(nèi)電阻、K1為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)、Tm為時(shí)間常數(shù)[15]。(KZIDtanα)/2s為傳動(dòng)裝置的傳遞函數(shù)，KZI為傳動(dòng)裝置的綜合比例系數(shù)、D為絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)副中絲杠的直徑、α為絲杠的螺旋升角[16]。(4/3)πβ(R3-r3)為研磨裝置的傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)是結(jié)合熱磨機(jī)研磨裝置的結(jié)構(gòu)及磨片間隙變化對(duì)主電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響關(guān)系導(dǎo)出的，R、r分別為磨片外緣與內(nèi)緣的半徑，β為磨片間隙(XG)變化時(shí)引起熱磨機(jī)主電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(TC)變化的變化率。ωR/(3-1/2Ucosθ)為主電機(jī)的傳遞函數(shù)，U為主電機(jī)輸入電壓、cosθ為功率因數(shù)、ωR為磨盤旋轉(zhuǎn)的角速度[17]。

參考的熱磨機(jī)主要結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)：磨盤直徑為1 270 mm、主電機(jī)功率為4 500 kW、主電機(jī)輸入電壓(U)為10 kV、功率因數(shù)(cosθ)為0.88、磨盤轉(zhuǎn)速(ωR)為157 rad/s、磨片外緣半徑(R)為0.685 m、磨片內(nèi)緣半徑(r)為0.34 m、XG-TC變化率(β)為-216.51 Nm/mm。XG-TC變化率(β)是根據(jù)該纖維板廠熱磨工段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，按照線性回歸方法得到的；該參數(shù)的意義為若磨片間隙增大1 mm，主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將減小216.51 Nm。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)：放大器(Fluke 52120A)KF=150；伺服電機(jī)(180M-28020C5-E)的RD=0.8Ω、K1=7.38、Tm=0.98 s；信號(hào)轉(zhuǎn)換器(MIK-DJI-200A)KZH=0.7×10-2；傳動(dòng)裝置綜合比例系數(shù)KZI=1.2×10-4；絲杠直徑D=0.09 m；絲杠螺旋升角α=24°。

設(shè)計(jì)中，伺服電機(jī)類型為直流伺服電機(jī)，額定功率4.5 kW；放大器與信號(hào)轉(zhuǎn)換器的參數(shù)是根據(jù)伺服電機(jī)與熱磨機(jī)主電機(jī)之間電流信號(hào)要求的比例關(guān)系計(jì)算得出的；傳動(dòng)裝置的綜合比例系數(shù)(KZI)為減速器、齒輪傳動(dòng)副、蝸輪蝸桿傳動(dòng)副、絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)副傳動(dòng)比之積的倒數(shù)；傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)是自行設(shè)計(jì)的，計(jì)算過程不贅述。設(shè)計(jì)中，選定減速器型號(hào)為K05DM180S，傳動(dòng)比為4；齒輪傳動(dòng)副設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為8；蝸輪蝸桿傳動(dòng)副與絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)副結(jié)合，采用了SWL25-2A型蝸輪螺桿升降機(jī)，其中蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的傳動(dòng)比為32，絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)副的傳動(dòng)比為8，由此得出總傳動(dòng)比為8 192，其倒數(shù)約為1.2×10-4。

2.3 磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

將參考的熱磨機(jī)主要結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，代入圖3，并按照機(jī)械控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立方法[18]，得出熱磨機(jī)磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)(數(shù)學(xué)模型)G(s)H(s)=0.248/[s(0.98s+1)]、閉環(huán)傳遞函數(shù)(數(shù)學(xué)模型)GB(s)= (0.503)2/[s+1.02s+(0.503)2]。

3 熱磨機(jī)磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)性能

3.1 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性檢驗(yàn)

穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的前提。由此，根據(jù)磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，運(yùn)用Matlab/Simulink軟件繪制其伯德圖(見圖4)，判別其穩(wěn)定性。根據(jù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)[19]，結(jié)合圖4中相頻曲線可見：因曲線不會(huì)穿越-180°線，說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

圖4 控制系統(tǒng)的伯德圖

3.2 控制系統(tǒng)響應(yīng)性能

在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，根據(jù)磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，運(yùn)用Matlab/Simulink軟件繪制其在單位階躍信號(hào)輸入下的響應(yīng)曲線(見圖5)。

圖5 控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)

由圖5可見：在單位階躍信號(hào)輸入系統(tǒng)后，其響應(yīng)曲線由0上升至目標(biāo)幅值1.0的99.5%時(shí)，共耗時(shí)12.5 s，其間沒有發(fā)生超調(diào)。僅從控制系統(tǒng)的性能而言，這一結(jié)果表明其響應(yīng)速度較慢；但是從熱磨機(jī)磨片間隙調(diào)整的需求而言，這一結(jié)果是滿足要求的，且不出現(xiàn)超調(diào)，也表明該系統(tǒng)不會(huì)造成磨片碰撞的隱患。系統(tǒng)性能分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的熱磨機(jī)磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)可滿足其實(shí)際控制需求。

4 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前纖維板生產(chǎn)中，熱磨機(jī)的磨片間隙不能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整與控制，進(jìn)而影響纖維分離質(zhì)量的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了熱磨機(jī)磨片間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)中，結(jié)合磨片間隙變化對(duì)熱磨機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，以輸入熱磨機(jī)主電機(jī)的電流信號(hào)為參量，通過檢測(cè)該電流的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制，形成了對(duì)熱磨機(jī)磨片間隙進(jìn)行自動(dòng)控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過對(duì)該控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析，表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)，符合熱磨機(jī)磨片間隙調(diào)整的實(shí)際需求。

致謝：感謝鎮(zhèn)江中福馬機(jī)械有限公司沈錦桃等給予本研究的悉心指導(dǎo)和幫助。