一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法与流程

本发明属于三辊研磨机控制，具体的说是一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法。

背景技术：

1、三辊研磨机是一种广泛应用于涂料、油墨、电子浆料等高粘度物料精细分散和研磨的关键设备，其工作性能直接影响最终产品的细度、均匀度与稳定性，其核心工作原理是通过三个水平排列且转速不同的辊体相对旋转，相邻辊面之间形成从数十微米到亚微米级可调、楔形的渐变间隙，利用辊与辊之间形成的狭小间隙对物料产生极高的剪切力和挤压力，使物料在通过间隙的极短时间内承受强剪切、挤压及辊面速度差引起的拉伸作用，从而实现物料的均匀细化，达到初级粒子充分解聚与均匀分散的工艺要求。

2、现有的研磨机辊轴间距误差控制通常采用事后反馈调节辊缝，无法实时解耦热漂移与弹性挠曲，导致热惯性大、补偿滞后，载荷突变时辊缝误差急剧增大。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术的不足，本发明提出的一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，主要用于解决现有的研磨机辊轴间距误差控制通常采用事后反馈调节辊缝，无法实时解耦热漂移与弹性挠曲的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，包括：

4、获取三辊研磨机后辊与中辊之间的第一工作间隙以及中辊与前辊之间的第二工作间隙，采集各辊驱动电机的运行参数和各辊体的温度分布数据；

5、基于运行参数，通过扩展卡尔曼滤波器实时估算各辊在剪切载荷下的弹性挠曲量，并从第一工作间隙和第二工作间隙中分离出纯几何间隙分量和热漂移分量，得到间隙状态分解量组；

6、构建连接微位移执行器驱动量与辊缝间隙变化的逆模型，将间隙状态分解量组与预设基准间隙的差值作为输入，经逆模型运算后生成执行器驱动指令，直接驱动作动器对辊缝间隙进行机械域闭环修正；

7、基于温度分布数据和实时转矩趋势，分别通过热膨胀预测模型和挠曲载荷预测模型预测下一控制周期的间隙热漂移增量和挠曲增量，将预测结果以前馈形式注入执行器驱动指令中。

8、根据本发明提供的一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，实时估算各辊在剪切载荷下的弹性挠曲量的步骤包括：

9、将各辊驱动电机的运行参数中的实时转矩、实时转速以及各辊的弹性模量和截面惯性矩作为扩展卡尔曼滤波器的输入；

10、建立以辊轴挠度为状态变量、以电机转矩为观测变量的状态空间方程，其中过程方程基于简支梁弹性力学模型构建，观测方程基于转矩与剪切力的映射关系构建；

11、通过时间更新和量测更新的递推运算，实时输出各辊在剪切载荷下的弹性挠曲量估算值。

12、根据本发明提供的一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，得到间隙状态分解量组的步骤包括：

13、将非接触式微位移传感器采集到的第一工作间隙和第二工作间隙记为实测总间隙；

14、将弹性挠曲量估算值从实测总间隙中减去，得到纯几何间隙分量；

15、基于各辊体的温度分布数据，通过热膨胀解耦算法计算各辊体因摩擦生热和物料热交换导致的径向热膨胀量，并将其转化为热漂移分量；

16、组合纯几何间隙分量、热漂移分量和弹性挠曲量估算值，形成间隙状态分解量组。

17、根据本发明提供的一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，间隙状态分解量组中各分量的解耦计算公式表示为：

18、

19、式中，为t时刻传感器采集的工作间隙，为纯几何间隙分量，为热漂移分量，为弹性挠曲量，为扩展卡尔曼滤波器的观测函数，输入包括电机转矩、实时转速ω、辊轴弹性模量e和截面惯性矩i；为非接触式传感器直接测量的间隙原始值。

20、根据本发明提供的一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，构建逆模型的步骤包括：

21、对微位移执行器与辊系柔性的联合系统进行离线扫频激励，获取从执行器驱动量到辊缝间隙变化的频响函数；

22、对频响函数进行离散化处理并进行求逆运算，得到初始的逆模型；

23、将逆模型配置为数字控制器中的前馈滤波器，其输出端与执行器的闭环反馈校正通路并联。

24、根据本发明提供的一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，生成执行器驱动指令的步骤包括：

25、计算间隙状态分解量组中各分量之和与预设基准间隙之间的差值，得到总间隙误差；

26、将总间隙误差输入逆模型中进行运算，得到前馈驱动量；

27、采集微位移执行器的实际位移反馈值，计算其与目标位移的反馈误差，通过比例积分控制器生成反馈校正量；

28、将前馈驱动量与反馈校正量求和，得到最终的执行器驱动指令。

29、根据本发明提供的一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，热膨胀预测模型的构建步骤包括：

30、在三辊研磨机的辊体内部沿轴向和径向布置多个温度传感器，形成温度监测阵列；

31、基于温度监测阵列的数据，通过集总参数热网络法建立辊体温度分布与径向热膨胀量之间的映射关系；

32、根据映射关系，预测下一控制周期内各辊体的径向热膨胀量，作为间隙热漂移增量。

33、根据本发明提供的一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，挠曲载荷预测模型的构建步骤包括：

34、基于实时转矩趋势数据，通过物料剪切力与电机转矩的传递关系，预测下一控制周期进入辊缝区域的物料剪切载荷；

35、利用简支梁弹性力学方程，根据物料剪切载荷计算辊轴的预期弯曲变形量；将预期弯曲变形量作为挠曲增量。

36、根据本发明提供的一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，将预测结果以前馈形式注入执行器驱动指令中的步骤包括：

37、将间隙热漂移增量和挠曲增量分别转换为对应的等效位移补偿量；

38、将等效位移补偿量叠加至总间隙误差中，形成带有预测补偿的前馈输入；

39、使逆模型基于带有预测补偿的前馈输入进行运算，从而使生成的执行器驱动指令中包含对下一控制周期间隙漂移的超前抑制作用。

40、根据本发明提供的一种三辊研磨机辊轴间距误差补偿控制方法，使逆模型基于带有预测补偿的前馈输入进行运算的计算公式表示为：

41、

42、式中，为t时刻注入前馈通路的预测补偿驱动量，为微位移执行器与辊系柔性的逆模型，为前馈增益系数，为材料膨胀系数，为第i个测温点的热膨胀耦合权重，为超前τ时间预测的第i个测温点的温度变化量，为载荷挠曲转换系数，l为辊轴支承跨距，i为辊轴截面惯性矩，为超前τ时间预测的物料剪切载荷变化量，n为测温点总数。

43、本发明中通过扩展卡尔曼滤波算法对微位移传感器测量值进行解耦，实时分离出纯几何间隙、热漂移量及弹性挠曲量，在此基础上，引入集总参数热网络模型和物料载荷趋势预测，超前计算热致与力致间隙变化增量，生成预测前馈补偿量，并与反馈校正回路协同作用，驱动微位移执行器对辊轴间距进行动态调整。将传统被动反馈补偿升级为实时解耦-多物理场建模-预测前馈的主动闭环控制，有效克服了热惯性与载荷突变引入的迟滞误差，显著提高了三辊研磨机在高粘度物料、转速波动及长时间连续研磨工况下的辊缝控制精度与长期稳定性，实现了间距一致性。