发表于：2009/8/30 16:04:01
#0楼
转速闭环与线速闭环张力闭环之探讨
【内容摘要】闭环系统、什么是转速闭环？什么是线速闭环？
【关键词】闭环系统、转速闭环、线速闭环、张力闭环。
闭环系统
输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与控制的系统称为闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。
为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量进行相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。整个系统形成一个闭环。
在闭环系统中被测信号（反馈信号）是电机轴上的转速信号被测元件安装在电机轴上，速度与电机同步，检测出的信号是用来控制电机转速的稳定。称之转速闭环。
而在闭环系统中被测信号（反馈信号）是在加工工作部件的前进速度中，信号被测元件安装在加工工作部件上，速度与加工工作部件速度同步，检测出的信号是用来控制加工工作部件的运行速度的稳定。称之线速闭环。
转速闭环与线速闭环各自的用途。
转速闭环顾名思义就是稳定设备本身的电机转速度，从而达到加工部件运行稳定的状态。转速闭环一般用于拉丝、挤塑、轧压、纺纱等初加工行业较为理想。也就是说，加工工作部件的运行速度（线速度）与电机的转速按一定比例一直保持不变的设备适用于转速闭环。
随着变频交流电机日趋完善，特别是数字脉冲对闭环的应用使得转速闭环凸显出它的缺憾。特别是卷绕型收卷机、收线机采用转速闭环后，都无法避免出现反应迟缓的现象。让我来分析转速闭环的工作原理，来分析出反应迟缓的原因。
请看下列的图示：
从图中不难看出，PI调节器输入量是速度给定电压Usn与速度反馈电压Ufn的偏差ΔU。当调速系统突加Usn启动时，电动机由于机械惯性转速要逐步加速，反馈电压Ufn亦要逐步建立，偏差电压ΔU=Usn—Ufn≈Ufn较大，使调节器的输出一开始就达到较大值，因而定子频率迅速上升，产生较大的电动力矩，电动机转速很快上升。由于PI调节器的存在，只要ΔU≠0，系统就会起调节作用，使转速继续上升，直到Ufn=Usn，ΔU=0，动态调节作用才停止。
当负载转矩TL1突增至TL2时，负载转矩大于电动机转矩而造成电动机转速下降，出现了动态速降Δη。此时转速负反馈电压增量ΔUfn=αnΔη，使调节器输入电压ΔU =ΔUfn，于是开始了比例积分调节过程。此时，PI调节器的比例控制作用UC2=UC1+KPΔU立即使频率产生一个增量，及时阻止转速下降。UC2的控制作用越强，最大动态速降Δηmax就越小。由于在调节过程的初、中期，速降Δη也较大，所以PI调节器的比例部分其主要作用。在调节过程的后期，Δη已很小，比例控制作用逐渐减弱。而这时积分部分经过一段时间的积累，积分调节作用逐渐增大，使转速进一步较快地回升。只要转速还没有回升到原先数值，ΔU仍大于零，调节作用就继续存在。转速回升，直至η= η1，ΔU =0，系统进入新的稳态运行。
从上述分析不难看出，转速反馈起主导作用。为了使系统能够稳态运行，它能迅速起调节作用。而速度给定电压处于固定、被动的状态。如果此时将速度给定电压设置于收线张力环内，该电压只能起到从动跟踪作用，无法起主导地位。更是其反应迟缓的致命弱点是变频器中的加速时间和减速时间的设置，一般至少要设置在0.3秒。这就延缓了带张力环的收卷机的反应时间，大大增加了调节时间，使张力环处于摆动状态。这种状态困扰了许多工程师和设计人员，尤其是在拉丝、挤塑等高速状态下的收卷机尤为突出。突加给定电压启动时，由于收卷变频器反应迟缓，张力轮可以摆动到下死点。有的设计师只能将下死点的故障行程开关取消，使其能够缓慢的回升。
在这里我们不能不谈一下转速与线速度的关系。
首先什么是转速？转速就是角速度。角速度的公式：ω=Φ/t=2π/T=2πf。
其中：Φ为角度
T为周期
F为频率
ω为角速度
其次什么是线速度，线速度的公式：V=s/t=2πR/T
其中s为弧长
R为半径
V为线速度
转速与线速度的关系就是：V=ωR=πD
D为直径
从中可以看到，转速与频率有关，而线速度只与直径的长短有关。不难看出在转速不变的情况下，直径（盘径）越大，线速度越高。反之在线速度不变的情况下，直径（盘径）越大，转速则越低。因此，转速闭环其实就是阻碍了线速的稳定，要想得到线速的稳定，只有抛弃原有的转速闭环的理论，建立一个新的理论——线速闭环。
线速闭环从而解决了以上的困惑。线速闭环顾名思义就是不再用转速信号反馈，而用线速信号来控制反馈，这在闭环控制中是一大突破。实现线速闭环以后有效的防止了张力轮摆动，震荡等不稳定因素。线速闭环，在闭环系统中被测信号（反馈信号）是在加工工作部件的前进速度中，信号被测元件安装在加工工作部件上，速度与加工工作部件速度同步，检测出的信号是用来控制加工工作部件的运行速度的稳定。线速闭环的工作原理基本上和转速闭环大致相同，只是被测对象不同，因此从根本上改变了系统的性质。线速闭环中的转速不再起主导作用，线速闭环需要的是不断变化的转速，动态的转速。这在转速闭环中仅靠速度给定电压不断变化已经很难完成，只有线速闭环和速度给定电压（张力闭环）共同实现高精度的收线卷绕工作。
线速闭环，一般采用的是旋转编码器检测线速信号来反馈，实现高精度的控制。由于旋转编码器有1024个脉冲，对线速信号的误差特别敏感，因此能够做到高精度的稳定。在此基础上还实现了转速开环，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载扰动等因素对转速影响不大，稳定了系统，加快了响应，提高了从动跟踪。转速开环线速闭环同样也能对负载的扰动起到了快速响应。线速闭环对线速度来讲是起到了一个稳态运行，但对转速了说却是一个动态运行。由于卷绕盘径不断的增大，需要不断的调整输出来恒定线速度，对张力而言相对应的张力就成了主导信号，起到了主动作用。因此，张力不再是反应迟缓，摆动不稳。对此，我单位设计生产的高精度钽丝退火收线机，采用线速闭环控制，得到了全国各钽业事业部用户的极高评价。
在线速度较高的场合下，设备对精度要求更高的场合，如果线速闭环对高速启动还不能满足要求的话，这就需要增加张力闭环控制来解决了。
张力开环和张力闭环各自的作用
张力控制也有张力开环转矩模式、张力闭环速度模式和张力闭环转矩模式三种控制模式。张力开环转矩模式具有不需安装张力传感器，同时可以节约张力传感器成本的优势，被广泛应用于张力控制要求不高的场合。但要求电机的最小输出转矩最好控制在电机额定转矩的10%以上。
在张力差别较大，选择电机时我们须按最大卷径和最大张力给定值来计算电机的额定输出转矩
（转矩指令公式T=F × D / 2 × i
T : 为变频器的输出转矩指令；
F: 为张力设定指令；
D: 为卷筒的卷径；
I: 为机械传动比）
T=（3000 ×0.78） / （2 × 11.73）=100 N
那么电机的最小输出转矩则按最小卷径和最小张力给定值来计算：
T=（800 ×0.11） / （2 × 11.73）=3.78 N
如果我们选择张力开环转矩模式，那么要求电机的最小输出转矩只有电机额定输出转矩的2.7%（ 3.78N/140N），远低于10%的要求，这样我们在生产小张力时，要保证小卷径的收卷张力恒定是很困难的。也就是说在作张力控制时既要求张力恒定，又要求张力可调范围要大，使用张力开环转矩模式是很难达到控制要求的。
速度模式下的张力闭环控制是通过调节电机转速达到张力恒定的。首先由带（线）的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令，然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调整变频器的频率指令。
同步匹配频率指令的公式如下：
F=（V×p×i）/（π×D）
其中：F——变频器同步匹配频率指令；
V——材料线速度；
p——电机极对数（变频器根据电机参数自动获得）；
i——机械传动比；
D——卷筒的卷径
变频器的品牌不同、设计者的用法不同，获得以上各变量的途径也不同，特别是材料的线速度（V）和卷筒的卷径（D），计算方法多种多样。
这种控制模式下要求变频器的PID调节性能要好，同步匹配频率指令要准确，这样系统更容易稳定，否则系统就会震荡、不稳定。这种模式多用在拉丝机的连拉和轧机的连轧传动控制中。若采用转矩控制模式，当材料的机械性能出现波动，就会出现拉丝困难，轧机轧不动等不正常情况
那么控制方案只能选择张力闭环模式，张力闭环模式又分张力闭环速度模式和张力闭环转矩模式。张力闭环速度模式虽对PID参数有一定的依赖性，但相对于张力闭环转矩模式而言，调试要相对简单，且完全能达到控制要求。因此建议采用张力闭环速度模式，在收卷辊和压纱辊之间增加张力传感器（24V DC电源、4---20mA电流信号输出）、张力辊和角度辊，通过张力传感器的信号反馈实现张力闭环控制，从而达到收卷张力恒定的目的。
【内容摘要】闭环系统、什么是转速闭环？什么是线速闭环？
【关键词】闭环系统、转速闭环、线速闭环、张力闭环。
闭环系统
输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与控制的系统称为闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。
为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量进行相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。整个系统形成一个闭环。
在闭环系统中被测信号（反馈信号）是电机轴上的转速信号被测元件安装在电机轴上，速度与电机同步，检测出的信号是用来控制电机转速的稳定。称之转速闭环。
而在闭环系统中被测信号（反馈信号）是在加工工作部件的前进速度中，信号被测元件安装在加工工作部件上，速度与加工工作部件速度同步，检测出的信号是用来控制加工工作部件的运行速度的稳定。称之线速闭环。
转速闭环与线速闭环各自的用途。
转速闭环顾名思义就是稳定设备本身的电机转速度，从而达到加工部件运行稳定的状态。转速闭环一般用于拉丝、挤塑、轧压、纺纱等初加工行业较为理想。也就是说，加工工作部件的运行速度（线速度）与电机的转速按一定比例一直保持不变的设备适用于转速闭环。
随着变频交流电机日趋完善，特别是数字脉冲对闭环的应用使得转速闭环凸显出它的缺憾。特别是卷绕型收卷机、收线机采用转速闭环后，都无法避免出现反应迟缓的现象。让我来分析转速闭环的工作原理，来分析出反应迟缓的原因。
请看下列的图示：
从图中不难看出，PI调节器输入量是速度给定电压Usn与速度反馈电压Ufn的偏差ΔU。当调速系统突加Usn启动时，电动机由于机械惯性转速要逐步加速，反馈电压Ufn亦要逐步建立，偏差电压ΔU=Usn—Ufn≈Ufn较大，使调节器的输出一开始就达到较大值，因而定子频率迅速上升，产生较大的电动力矩，电动机转速很快上升。由于PI调节器的存在，只要ΔU≠0，系统就会起调节作用，使转速继续上升，直到Ufn=Usn，ΔU=0，动态调节作用才停止。
当负载转矩TL1突增至TL2时，负载转矩大于电动机转矩而造成电动机转速下降，出现了动态速降Δη。此时转速负反馈电压增量ΔUfn=αnΔη，使调节器输入电压ΔU =ΔUfn，于是开始了比例积分调节过程。此时，PI调节器的比例控制作用UC2=UC1+KPΔU立即使频率产生一个增量，及时阻止转速下降。UC2的控制作用越强，最大动态速降Δηmax就越小。由于在调节过程的初、中期，速降Δη也较大，所以PI调节器的比例部分其主要作用。在调节过程的后期，Δη已很小，比例控制作用逐渐减弱。而这时积分部分经过一段时间的积累，积分调节作用逐渐增大，使转速进一步较快地回升。只要转速还没有回升到原先数值，ΔU仍大于零，调节作用就继续存在。转速回升，直至η= η1，ΔU =0，系统进入新的稳态运行。
从上述分析不难看出，转速反馈起主导作用。为了使系统能够稳态运行，它能迅速起调节作用。而速度给定电压处于固定、被动的状态。如果此时将速度给定电压设置于收线张力环内，该电压只能起到从动跟踪作用，无法起主导地位。更是其反应迟缓的致命弱点是变频器中的加速时间和减速时间的设置，一般至少要设置在0.3秒。这就延缓了带张力环的收卷机的反应时间，大大增加了调节时间，使张力环处于摆动状态。这种状态困扰了许多工程师和设计人员，尤其是在拉丝、挤塑等高速状态下的收卷机尤为突出。突加给定电压启动时，由于收卷变频器反应迟缓，张力轮可以摆动到下死点。有的设计师只能将下死点的故障行程开关取消，使其能够缓慢的回升。
在这里我们不能不谈一下转速与线速度的关系。
首先什么是转速？转速就是角速度。角速度的公式：ω=Φ/t=2π/T=2πf。
其中：Φ为角度
T为周期
F为频率
ω为角速度
其次什么是线速度，线速度的公式：V=s/t=2πR/T
其中s为弧长
R为半径
V为线速度
转速与线速度的关系就是：V=ωR=πD
D为直径
从中可以看到，转速与频率有关，而线速度只与直径的长短有关。不难看出在转速不变的情况下，直径（盘径）越大，线速度越高。反之在线速度不变的情况下，直径（盘径）越大，转速则越低。因此，转速闭环其实就是阻碍了线速的稳定，要想得到线速的稳定，只有抛弃原有的转速闭环的理论，建立一个新的理论——线速闭环。
线速闭环从而解决了以上的困惑。线速闭环顾名思义就是不再用转速信号反馈，而用线速信号来控制反馈，这在闭环控制中是一大突破。实现线速闭环以后有效的防止了张力轮摆动，震荡等不稳定因素。线速闭环，在闭环系统中被测信号（反馈信号）是在加工工作部件的前进速度中，信号被测元件安装在加工工作部件上，速度与加工工作部件速度同步，检测出的信号是用来控制加工工作部件的运行速度的稳定。线速闭环的工作原理基本上和转速闭环大致相同，只是被测对象不同，因此从根本上改变了系统的性质。线速闭环中的转速不再起主导作用，线速闭环需要的是不断变化的转速，动态的转速。这在转速闭环中仅靠速度给定电压不断变化已经很难完成，只有线速闭环和速度给定电压（张力闭环）共同实现高精度的收线卷绕工作。
线速闭环，一般采用的是旋转编码器检测线速信号来反馈，实现高精度的控制。由于旋转编码器有1024个脉冲，对线速信号的误差特别敏感，因此能够做到高精度的稳定。在此基础上还实现了转速开环，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载扰动等因素对转速影响不大，稳定了系统，加快了响应，提高了从动跟踪。转速开环线速闭环同样也能对负载的扰动起到了快速响应。线速闭环对线速度来讲是起到了一个稳态运行，但对转速了说却是一个动态运行。由于卷绕盘径不断的增大，需要不断的调整输出来恒定线速度，对张力而言相对应的张力就成了主导信号，起到了主动作用。因此，张力不再是反应迟缓，摆动不稳。对此，我单位设计生产的高精度钽丝退火收线机，采用线速闭环控制，得到了全国各钽业事业部用户的极高评价。
在线速度较高的场合下，设备对精度要求更高的场合，如果线速闭环对高速启动还不能满足要求的话，这就需要增加张力闭环控制来解决了。
张力开环和张力闭环各自的作用
张力控制也有张力开环转矩模式、张力闭环速度模式和张力闭环转矩模式三种控制模式。张力开环转矩模式具有不需安装张力传感器，同时可以节约张力传感器成本的优势，被广泛应用于张力控制要求不高的场合。但要求电机的最小输出转矩最好控制在电机额定转矩的10%以上。
在张力差别较大，选择电机时我们须按最大卷径和最大张力给定值来计算电机的额定输出转矩
（转矩指令公式T=F × D / 2 × i
T : 为变频器的输出转矩指令；
F: 为张力设定指令；
D: 为卷筒的卷径；
I: 为机械传动比）
T=（3000 ×0.78） / （2 × 11.73）=100 N
那么电机的最小输出转矩则按最小卷径和最小张力给定值来计算：
T=（800 ×0.11） / （2 × 11.73）=3.78 N
如果我们选择张力开环转矩模式，那么要求电机的最小输出转矩只有电机额定输出转矩的2.7%（ 3.78N/140N），远低于10%的要求，这样我们在生产小张力时，要保证小卷径的收卷张力恒定是很困难的。也就是说在作张力控制时既要求张力恒定，又要求张力可调范围要大，使用张力开环转矩模式是很难达到控制要求的。
速度模式下的张力闭环控制是通过调节电机转速达到张力恒定的。首先由带（线）的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令，然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调整变频器的频率指令。
同步匹配频率指令的公式如下：
F=（V×p×i）/（π×D）
其中：F——变频器同步匹配频率指令；
V——材料线速度；
p——电机极对数（变频器根据电机参数自动获得）；
i——机械传动比；
D——卷筒的卷径
变频器的品牌不同、设计者的用法不同，获得以上各变量的途径也不同，特别是材料的线速度（V）和卷筒的卷径（D），计算方法多种多样。
这种控制模式下要求变频器的PID调节性能要好，同步匹配频率指令要准确，这样系统更容易稳定，否则系统就会震荡、不稳定。这种模式多用在拉丝机的连拉和轧机的连轧传动控制中。若采用转矩控制模式，当材料的机械性能出现波动，就会出现拉丝困难，轧机轧不动等不正常情况
那么控制方案只能选择张力闭环模式，张力闭环模式又分张力闭环速度模式和张力闭环转矩模式。张力闭环速度模式虽对PID参数有一定的依赖性，但相对于张力闭环转矩模式而言，调试要相对简单，且完全能达到控制要求。因此建议采用张力闭环速度模式，在收卷辊和压纱辊之间增加张力传感器（24V DC电源、4---20mA电流信号输出）、张力辊和角度辊，通过张力传感器的信号反馈实现张力闭环控制，从而达到收卷张力恒定的目的。
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