陳光偉 苗文亮 王丙軍 黃鶴飛 花軍

(東北林業(yè)大學，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)

纖維板生產(chǎn)中，對熱磨機磨片間隙的精準控制，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]。

當前的纖維板生產(chǎn)線上，對纖維質(zhì)量的監(jiān)測，是通過監(jiān)控熱磨機的“單位功率消耗”實現(xiàn)的；“單位功率消耗”是指生產(chǎn)每噸干纖維時熱磨機主電機耗用的功率[4]。由于當前熱磨機主電機的額定電壓都是恒定的，所以通過“單位功率消耗”監(jiān)測纖維質(zhì)量，實際上是通過檢測輸入熱磨機主電機的電流大小辨別的。此外，目前的熱磨機控制系統(tǒng)仍在采用半自動方式調(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，通過比對理想值與實際值的差異，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)時間滯后和準確性差等問題，必然會影響纖維研磨質(zhì)量[6]。為此，本研究針對采用機械傳動裝置調(diào)節(jié)磨片間隙的熱磨機，提出一種結(jié)合電流信號對磨片間隙進行自動控制的方法，旨在為實現(xiàn)熱磨機磨片間隙的自動化控制提供參考。

1 熱磨機磨片間隙自動控制原理

1.1 熱磨機的機械結(jié)構(gòu)

采用機械傳動裝置調(diào)節(jié)磨片間隙的熱磨機結(jié)構(gòu)，主要由研磨裝置(包括靜磨盤1、靜磨盤磨片2、動磨盤磨片3、動磨盤4等)、主軸13及其殼體5、電機10、傳動裝置(包括減速器8、齒輪傳動副9、蝸輪蝸桿傳動副7、絲杠-螺母傳動副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，動磨盤安裝于主軸的前端，主軸尾端通過聯(lián)軸器與主電機(未畫出)聯(lián)結(jié)，由主電機驅(qū)動主軸與動磨盤旋轉(zhuǎn)。主軸通過軸承組支撐，裝配于主軸殼體內(nèi)，構(gòu)成一個可滑移的整體。調(diào)節(jié)磨片間隙時，由電機通過傳動裝置驅(qū)動主軸殼體、主軸、動磨盤一同移動，使動磨盤磨片與靜磨盤磨片的距離(即磨片間隙(XG))達到預(yù)定值[7-8]。

1為靜磨盤；2為靜磨盤磨片；3為動磨盤磨片；4為動磨盤；5為主軸殼體；6為絲杠-螺母傳動副；7為蝸輪蝸桿傳動副；8為減速器；9為齒輪傳動副；10為磨片間隙調(diào)節(jié)裝置的驅(qū)動電機；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為主電機輸出轉(zhuǎn)矩；XG為磨片間隙；θC為電機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)合電流信號的磨片間隙自動控制方法

熱磨機工作過程中，若磨片間隙出現(xiàn)變化，則其對原料的壓強和纖維分離強度(指磨片研磨解離纖維原料時，各種作用力大小與頻次的綜合作用效果)也會發(fā)生變化[9]。如磨片間隙減小，造成原料所受壓強升高時，纖維分離強度將加強，磨片對纖維原料的研磨作用力隨之加強，主電機的輸出轉(zhuǎn)矩、輸入電流、輸出功率也隨之增大。反之，若磨片間隙增大，主電機的輸出轉(zhuǎn)矩、輸入電流、輸出功率則均會減小[10]。即磨片間隙與熱磨機主電機的輸出轉(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，將主電機的輸入電流作為控制信號，使之與熱磨機的磨片間隙調(diào)節(jié)裝置相結(jié)合，構(gòu)成反饋控制鏈路，即可實現(xiàn)對磨片間隙自動調(diào)節(jié)。但磨片間隙的自動調(diào)整與控制屬于位移控制系統(tǒng)，采用具備轉(zhuǎn)角控制的伺服電機更為合適，控制精度也會更精準[12-13]。因此，后續(xù)對熱磨機磨片間隙自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中，將以伺服電機替代原來的電機10。

1.3 磨片間隙自動控制系統(tǒng)的原理

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

自動控制系統(tǒng)的控制原理：當磨片間隙(XG)未發(fā)生變動，即熱磨機穩(wěn)定運行時，電流誤差信號IE=0(IE=IR0-IF；IR0相當于磨片間隙所需保持的限定值，是一個恒量信號)；此時，輸入伺服電機的電流(IP)也為零，伺服電機不動作，輸出轉(zhuǎn)角θC=0，磨片間隙保持不變。

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

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

若在工作中想主動調(diào)節(jié)磨片間隙，僅需調(diào)整輸入電流信號(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(IR0)的幅值，使IE=IR0-IF>0；之后控制系統(tǒng)會按照磨片間隙增大的過程進行調(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 熱磨機磨片間隙自動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 磨片間隙自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

結(jié)合機械式磨片間隙調(diào)節(jié)裝置中各組成器件的電-機械特性，依據(jù)熱磨機磨片間隙自動控制系統(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控制系統(tǒng)原理(見圖3)。

2.2 參數(shù)設(shè)計與計算

以我國華北某纖維板廠采用的國產(chǎn)某型熱磨機為參考，設(shè)計該熱磨機的磨片間隙自動控制系統(tǒng)。需要說明的是，由于熱磨機的主軸、動磨盤等機械構(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。為達到這一要求，在傳動裝置的設(shè)計上進行了有針對性的匹配設(shè)計。

KF、KZH分別為放大器與信號轉(zhuǎn)換器的電流信號放大系數(shù)。2πRDK1/(1+Tms)為伺服電機的傳遞函數(shù)，RD為電機的內(nèi)電阻、K1為電動勢系數(shù)、Tm為時間常數(shù)[15]。(KZIDtanα)/2s為傳動裝置的傳遞函數(shù)，KZI為傳動裝置的綜合比例系數(shù)、D為絲杠-螺母傳動副中絲杠的直徑、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)合熱磨機研磨裝置的結(jié)構(gòu)及磨片間隙變化對主電機輸出轉(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)變化時引起熱磨機主電機輸出轉(zhuǎn)矩(TC)變化的變化率。ωR/(3-1/2Ucosθ)為主電機的傳遞函數(shù)，U為主電機輸入電壓、cosθ為功率因數(shù)、ωR為磨盤旋轉(zhuǎn)的角速度[17]。

參考的熱磨機主要結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)：磨盤直徑為1 270 mm、主電機功率為4 500 kW、主電機輸入電壓(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，主電機的輸出轉(zhuǎn)矩將減小216.51 Nm。

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

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

2.3 磨片間隙自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

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

3 熱磨機磨片間隙自動控制系統(tǒng)性能

3.1 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性檢驗

穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的前提。由此，根據(jù)磨片間隙自動控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，運用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)磨片間隙自動控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，運用Matlab/Simulink軟件繪制其在單位階躍信號輸入下的響應(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：在單位階躍信號輸入系統(tǒng)后，其響應(yīng)曲線由0上升至目標幅值1.0的99.5%時，共耗時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)不會造成磨片碰撞的隱患。系統(tǒng)性能分析結(jié)果表明，設(shè)計的熱磨機磨片間隙自動控制系統(tǒng)可滿足其實際控制需求。

4 結(jié)束語

針對當前纖維板生產(chǎn)中，熱磨機的磨片間隙不能進行自動調(diào)整與控制，進而影響纖維分離質(zhì)量的實際情況，設(shè)計了熱磨機磨片間隙自動控制系統(tǒng)。

設(shè)計中，結(jié)合磨片間隙變化對熱磨機輸出轉(zhuǎn)矩的影響，以輸入熱磨機主電機的電流信號為參量，通過檢測該電流的變化實現(xiàn)對伺服電機的控制，形成了對熱磨機磨片間隙進行自動控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過對該控制系統(tǒng)的數(shù)學模型分析，表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其對輸入信號的響應(yīng)，符合熱磨機磨片間隙調(diào)整的實際需求。

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