機床節能控制系統設計思路及實現方式分析
——以立式機床為例

0 引言

常見的立式車床中，為主軸提供驅動力的主要是直流電動機，這種電動機的優勢在于啟動扭矩大，工作原理簡單，便于控制。但是直流電動機內部的換向器以及換向極，是通過螺絲固定在機座之上，因此會在長期使用過程中產生磨損，導致直流電動機需要經常進行維護與檢修。此外，直流電動機的調速系統能耗較大，同時在其工作過程中還會產生高次諧波，對于電網的穩定性產生影響。為了解決這些問題，我們嘗試利用三項交流異步電動機來代替傳統的直流電動機，這種新型電動機具有環境適應性好、結構簡單、便于維修等優點。因此，我們嘗試搭建三項交流異步電機仿真模型，通過整定PID調節器的參數，實現對于立式機床節能控制系統轉速環、電流環模型的設計，確保立式機床節能控制系統能夠發揮出應有的作用。

1 三項交流異步電動機模型設計

1.1 PID調節器參數設計

本次設計中，三項交流異步電機的矢量控制系統，主要由電流環與轉速環組成，形成一套完整的雙閉環結構，其中電流環為內環，轉速環為外環?？紤]到后期運維成本以及電動機工作效率，我們決定使用PID調節器對雙閉環結構進行調控，采用PID調節器的主要原因在于使用這種裝置的時候，無需對被控制對象進行建模，且該裝置具有很好的抗干擾能力以及良好的穩態性能

。本次設計中，我們綜合考慮PID調節器的穩態精度以及動態性能，分別運用Ⅰ型系統以及Ⅱ型系統設計轉速環與電流環的矢量控制系統。Ⅰ型系統開環傳遞公式為：

試驗風量采用噴嘴流量箱測得，流量箱絕對壓力采用量程為0～130 kPa、精度為0.15%的EJA310E型絕對壓力變送器測量；流量箱處空氣溫度采用量程為0～100 ℃、精度為A級的帶變送器的Pt100鉑電阻測量；流量箱進出口壓差采用量程為0～1 kPa、精度為0.2%的EJA120E型差壓變送器測量。由于沿爐排寬度方向風室風壓差異較小，而爐排上方的風壓基本相同，為確保測量精度，采用量程為0～1 kPa、精度為0.2%的EJA120E型差壓變送器測量風室沿爐排寬度方向的爐排上下靜壓差，由此得到風室沿爐排寬度方向的靜壓分布。

公式（1）中，變量T為該系統慣性時間，變量K則代表Ⅰ型系統開環增益。圖1為PID調節器典型結構圖，通過分析PID調節裝置的Ⅰ型系統結構圖可以發現：在整定PID參數過程中，對于動態響應時間的要求較高，因此我們需要將Ⅰ型系統開環增益值調大，基于工程近似整定法，我們將該參數調整為KT=1/2，這種PID參數整定方式也被稱為“二階最佳系統”。

以二階最佳系統為基礎，選擇一種結構相對簡單且能夠確保穩定性的Ⅱ型關系系統（如圖2所示）。

活性炭的吸附性能在很大程度上取決于孔結構特征。根據用途和應用領域的要求對活性炭的孔結構進行調控，定向制備活性炭，已成為目前活性炭領域研究的熱點。

1.2 電流環模型設計

三項交流異步電機中安裝的電流環，其主要的功能是分隔內環與外環，通過這種方式提升三項交流異步電機的響應速度，并在此基礎上減少干擾。我們嘗試對電流環進行無靜差控制，以獲得更為良好的堵轉特性。實際運行過程中，電流環需要對輸入電流的變化情況進行快速跟蹤，確保三項交流異步電機能夠得到良好的轉矩輸出能力。

變頻節能控制系統的特點包括：

2)從圖8～圖10中可以看出霧滴粒數的分布狀態基本一致，距離噴嘴較遠處霧滴在空間的沉降分布粒數比較均勻，霧滴的擴散性能較好，能夠在遠離噴嘴的空間達到霧滴的有效沉降。在同一電壓下，遠離噴嘴時霧滴沉降粒數的分布趨于一致，在不同電壓下，霧滴沉降粒數隨著電壓的增加而增加。

在公式（3）中，K

代表電流環PID比例系數，K

則代表電流環PID積分系數。基于該公式，可以推導出電流環開環的傳遞函數公式：

金湖縣在基本農田以及耕地的保護方面，需要在確保現有基本農田在數量不減少、用途不改變的基礎上，質量有所提高。建設用地上，金湖縣要統籌安排發展用地，實現集聚、集約發展。同時，加強對農業污染的控制，大力發展高效以及生態農業，發展高效規模養殖、無公害立體養殖、養殖廢棄物無害化處理等生態養殖技術，提倡有機肥和無機肥平衡使用技術，加快建設一批規模大、水平高、帶動力強的生態觀光農業園，并積極推動綠色、有機食品基地的建設，大力開展綠色、有機農產品認證，探索適宜的種養結合等循環農業模式，降低農藥、化肥的使用量[4]。

這場討論受到了租界當局、軍警和衛道士們的圍攻，《民國日報·覺悟》的主編邵力子先生受到處罰，魏金枝寄去的文章忽然不登出來了，他寫信去追問，邵力子回信中表示很尷尬，勸他不要再討論這個問題，免得他受罰。這場戀愛的爭論就此終結。魏金枝很不滿意，就寫了一篇新詩《大風歌》，“想將一股大風，把一切阻礙人世間的障礙一氣吹得精光。”可惜這詩篇目前還沒有找到。

1.3 轉速環模型設計

左側垂直刀架變頻控制系統中，使用VVVF2型變頻器，利用制動電阻抵消電機停轉之后積攢的能量，右側垂直刀架變頻控制系統的設計方式與左側一致（如圖5所示）。

對于三項交流異步電機而言，速度環是確保矢量控制效果的重要一環，該部件需要具有較快的反應速度以及較高的精度。此外，考慮到轉速環特殊的工作環境，其還要具備良好的抗負載干擾能力，調速的范圍寬、響應頻率快、脈動率低，是對于轉速環的基本要求。我們經過綜合考量，決定按照Ⅱ型系統設計轉速環模型

。在得到PID參數對應關系的基礎上，將頻寬參數調整為5，計算轉速環PID整定表達式：

在設備病人報告里記錄所有圖像的容積CT劑量指數(volume CT dose index,CTDIvoI)和輻射劑量長度乘積(dose length produce,DLP)。有效劑量（effective dose,ED）ED=K×DLP，單位mSv，k為不同部位的劑量轉換系數，胸部k值為0.014mSv/mGy.cm。

依據公式（6），我們對PID參數進行調整，PID比例系數、積分系數兩項參數與三項交流異步電機的轉動慣量之間存在正比例關系，即PID比例系數、積分系數越大，三項交流異步電機的轉動慣量越高。因此，提升比例增益，能夠達到提升轉速環瞬態、靜態運行能力的效果（如圖4所示）。

以拓展訓練教學法在高校籃球選項課教學中的應用為研究對象；以福建商學院2017級人數相等的2個班(n=30)為實驗對象。

2 立式機床節能控制系統設計具體方式

2.1 主軸電機變頻驅動電路設計

2)將適應值排在第1/3Np+1(Np為種群規模)的個體記為mk。對每維個體，求適應值大于mk且符合式(18)范圍的所有個體集合，記為Ln。如果Ln中個體數大于k/2，則表示優異種群在該位置信息失效。

本次設計中，我們選擇VVVF1型變頻器，該變頻器的額定功率為46kW，電壓波動范圍為10～-15%，頻率波動范圍為5～-5%，制動頻率為0.0～60.0Hz，VVVF型變頻器適配的制動單元為BU55-4C，該制動單元最大轉矩為100%，制動時長為10s。

2.1.2 輔助刀架電機

根據上述公式設計完電流環模型之后，我們開始設計轉速環模型，實際工作過程中，轉速環很容易在外界因素的干擾下，出現高階系統，為了避免這一問題的發生，需要將設計好的電流簡化模型代入轉速環模型，以此來提升轉速環的抗干擾能力。本次設計中，使用PID控制器對轉速環的轉速進行控制，其函數傳遞式為：

2.2 主軸編碼器

光電模塊與光柵是構成編碼器的主要設備，前者的輸出信號為A相與B相，高級的光電模塊，其輸出信號還包括C相與Z相。三項交流異步電機的主軸與編碼器相連，實際運行過程中編碼器帶動光柵盤轉動，通過光電檢測模塊記錄光柵盤轉動轉速。本次設計中，光電模塊A相與B相的脈沖相差90°，我們在確定光電模塊A相與B相交叉點之后，判斷哪一個分路為高電平，以此來標定主軸的正轉與反轉

。

2.3 節能控制系統仿真

2.3.1 節能控制系統參數

節能控制系統設計完成之后，需要對該系統進行仿真以及運行結果分析。本次節能控制系統設計運用MATLAB軟件，搭建基于三項交流異步電動機的節能控制系統仿真模型，依據上述公式計算仿真結果，并將勵磁磁鏈設定為0.5Wb，PID控制器的參數為：電流環PID控制器K

=750，K

=7500；轉速環PID控制器為：K

=0.005，K

=62.5。

2.3.2 節能控制系統輸出電流仿真

本次仿真實驗中，我們使用MDIC280S-6型三項交流異步電動機，該電動機的電機極數為6，滿載轉矩為436N/m，由于節能控制系統運行的要求，其直流側電壓需要控制在350～430V這一范圍內。通過實驗發現，當負載轉矩處于50N/m的時候，三項交流電波形圖較為平穩，且電流波動范圍小。同時，利用MATLAB軟件中內嵌的SIMULINK模塊，對FFT進行分析，發現當波形頻率達到19Hz的時候，畸變率較低，畸變相似性為1.93%，符合節能控制系統對于電流波形的要求。

2.3.3 節能控制系統轉速仿真

目前，大多數全科醫生培訓基地尚未建立完善的全科醫生培訓課程。傳統的醫生培訓教學內容和課程體系雖有嚴謹、完整、系統的有點，但缺乏專業間的有機結合，并且對全科醫學培養導向定位不清。重點培養解決社區常見健康問題能力，社區診所的培訓學習，與患者保持持續的健康照護關系等培訓方案有利于強化全科醫生的全科意識。全科醫學科的設立，有利于擺脫轉崗轉科式的培訓模式，制定專為全科醫生培養所擬定的課程方案[9]。

設計電流環模型過程中（如圖3所示），為了加快電流環的響應速度，嘗試運用PID零點消除控制對象中的時間常數極點，依照最佳整定法，將參數調整為0.5

。

在進行轉速仿真實驗過程中，我們將三項交流異步電動機的轉速調整為500轉，啟動電動機之后發現其主軸轉速存在超調現象，在啟動0.4s之后，主軸轉速達到了穩定的狀態，且轉速波動較為平穩。

2.3.4 節能控制系統擾動仿真

將三項交流異步電機的轉速調整到980rpm的時候，得出其轉速仿真圖，發現此時對電動機進行干擾，其轉速會出現跌落，但是在0.1s之后又恢復到給定的980rpm，由此可以證明該系統矢量變頻調速系統具有很強的抗干擾能力。經過仿真測驗發現，配有矢量控制電流環與轉速環控制裝置的電機被干擾之后，其主軸的轉矩會出現跌落，在擾動出現0.2s之后，主軸的轉矩回升，回歸至指定的轉矩。

想要獲得志愿服務證書。在587名調查對象中僅有52名調查對象以獲得志愿服務證書為目的而選擇參加志愿服務活動，據了解，國內有不少大學評定獎助學金的標準中的一條，就是該生的德育教育成績，而德育教育成績則是以參加各類課外活動并獲得證書作為德育教育的成績（筆者的學校就是如此），所以，這一部分大學生參加志愿服務活動的主觀原因是排除在以上幾種原因之外而單獨獨立出來的，大學生參加志愿服務活動就只沖著志愿者證書去的。

2.4 立式機床直流運行系統與矢量控制調速系統對比

通過仿真實驗，我們對直流運行系統與矢量控制調速系統進行對比，分別得到直流電機的轉速度以及數量控制調速電機轉速度，通過對比可以發現，直流電機在啟動的時候，由于突然輸入了強大的電流，在電流的沖擊下主軸轉速加快，但主軸轉速很快回落，并逐漸趨于穩定，在持續運行過程中會出現明顯的電流波動

。而搭載矢量控制調速系統的三項交流異步電機，在通電之后其轉速從零開始穩定增加，并最終趨于穩定狀態，整個過程中其轉速的加快呈現出線性變化特點。

在得到直流運行系統與矢量控制調速系統對比結果的基礎上，通過仿真實驗的方式對立式機床節能控制系統，與老式直流調速機以及直流調速系統進行對比，比較的指標包括切削量、前進切削電流、后退電流等（詳見表1）。

2.1.1 變頻器

通過對比可以發現，采用節能控制系統每一天都能夠節省約12度電，考慮到立式機床的實際工作狀態，按照機床每天運行18小時，一年工作340天來計算，每年節約的電費能夠達到60400元。

此外，我們嘗試采用變頻控制技術設計立式機床節能控制系統，通過這種方式減少設備的總容量，新系統的容量僅為原系統的90%，顯著降低設備更換、維護等后期投入，在確保生產效率的基礎上減少投入成本，達到了經濟效益與社會效益的平衡。

電流環的PID調節器傳遞函數為：

①立式機床的工作臺，能夠實現全域無級變速。

②機床的恒定功率輸出調速比達到了1:10。

③切削作業效率上升30%，無轉矩脈動現象。

④切削螺紋工件時，其制動時間不超過1s。

⑤切削精度提升25%。

⑥工作臺的主軸功率達到110kW。

⑦系統搭載了對應電流過載、斷路、電源缺相等情況的報警保護功能。

⑧避免出現三角交流異步電動機與直流電動機工作時，中低速區間轉矩脈動問題，以及大慣性干擾下位置控制問題

。

2.5 立式機床搭載節能控制系統效果

我們對搭載了三項交流異步電機的機床進行優化，借助節能控制系統，有效減少了裝備采購成本，在不影響生產效率的前提下節省能源消耗，并有效延長了立式電機的壽命。同時，由于采用矢量控制調速系統，電機主軸轉速呈現出線性升高的特點，避免由于電機啟動時電流過大而出現超距問題，有效提升加工精度，滿足生產需求，幫助企業順利實現社會價值與經濟價值。

3 結語

對現有的立式機床進行優化升級，通過加入節能控制技術實現節能降耗目標，能夠幫助相關企業縮短立式機床的研發時間，降低研發成本以及新設備采買成本。同時，工人對于原有的立式機床較為熟悉，能夠快速上手，避免出現人力資源浪費問題。綜合來看，通過對立式機床進行節能改造，可以有效提升企業的核心競爭力，幫助企業順利實現節能降耗目標，令機械加工企業能夠充分展現社會價值。

[1]張朝陽，吉衛喜，彭威.基于遷移學習的數控機床節能控制決策方法[J].中國機械工程，2020，31（23）：2855-2863.

[2]張朝陽，吉衛喜.數據驅動的機床等待過程節能方法研究[J].中國機械工程，2020，31（12）：1492-1499.

[3]程俊，劉濱.數控機床自動潤滑系統節能控制方法設計[J].機床與液壓，2020，48（11）：125-127.

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[5]佟昕.機床主軸加速度能量消耗建模與節能分析[J].節能技術，2018，36（01）：17-21.

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