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钢带缠绕系统张力检测与控制研究

作　者: 赵慧云
导　师: 何芳
学　校: 济南大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 钢带缠绕控制系统模糊PI控制变张力控制前馈补偿控制
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

钢带缠绕预应力模具作为一种新型模具,它具有使用寿命长、制造周期短、制造成本低、承载能力高等优点,成为模具的重要发展方向。在钢带缠绕预应力模具的制造过程中,缠绕张力和缠绕速度的控制至关重要。由于钢带缠绕控制系统是一个多变量、非线性、多干扰的复杂系统,且缠绕张力和缠绕速度之间存在着强耦合关系,常规PID控制策略难以实现缠绕张力和缠绕速度的高精度控制,严重的影响到缠绕预应力模具的使用寿命和应用强度。因此,如何解决钢带缠绕控制系统中存在的问题,实现张力和速度的高精度控制,保证缠绕过程平稳、快速、有效的进行具有重要的理论意义和应用价值。本论文依托国家自然科学基金项目“钢带缠绕预应力模具变张力设计理论与实验研究”(项目编号:50875111)。通过大量阅读国内外相关文献,在分析研究了钢带缠绕控制系统的运动模型的基础上,建立了钢带缠绕控制系统的数学模型。针对钢带缠绕控制系统中恒速度控制和变张力控制中存在的问题,分别提出了收卷侧的恒线速度模糊PI控制策略和放卷侧的变张力带补偿模糊PI控制策略,并进行了仿真研究。建立了双电机模式的钢带缠绕控制系统装置,并设计了钢带缠绕控制系统的监控与管理软件。在研究了缠绕预应力模具制造工艺的基础上,分析设计了钢带缠绕控制系统的主要结构和系统的工作过程。进行了钢带缠绕控制系统中收卷侧、放卷侧和张力检测机构主要部件的动力学分析,建立了钢带缠绕控制系统的数学模型。针对常规PI控制器无法实现钢带缠绕控制系统中速度的精确控制问题,应用模糊理论,设计了模糊PI速度控制器。基于Matlab/Simulink建立了钢带缠绕控制系统收卷侧的恒线速度控制的仿真模型。通过仿真研究,分别对比了模糊PI控制器和常规PI控制器的控制性能。研究结果表明,模糊PI控制下的恒线速度控制系统具有更高的稳定性和抗干扰能力。为了解决钢带缠绕控制系统放卷侧的变张力控制中存在张力抖动和静态误差等问题,提高张力控制精度,应用前馈补偿原理和模糊控制原理,设计了张力控制器。在Matlab/Simulink中建立了钢带缠绕控制系统整体的仿真模型。在仿真中,分别探讨了传统PID控制算法、引入前馈补偿的控制算法和带补偿的模糊PI控制算法的控制性能。仿真结果表明,补偿控制对减小张力抖动效果显著,同时模糊PI张力控制器能有效地提高张力控制的快速性和控制精度。本论文着重研究了钢带缠绕控制系统中恒线速度控制和变张力控制的控制策略,为解决钢带缠绕控制系统的控制问题提供了一定的理论依据和应用基础。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-21
  1.1 课题研究背景和研究意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-18
    1.2.1 钢带缠绕预应力模具研究现状  12
    1.2.2 常见的张力控制系统结构  12-16
    1.2.3 常用的张力控制算法  16-18
  1.3 主要研究内容  18-21
第二章钢带缠绕控制系统  21-31
  2.1 钢带缠绕控制系统结构及工作原理  21-23
    2.1.1 钢带缠绕控制系统的结构  21-22
    2.1.2 钢带缠绕控制系统的工作过程  22-23
  2.2 钢带缠绕控制系统数学建模  23-28
    2.2.1 张力产生原理  23-25
    2.2.2 钢带缠绕控制系统收卷侧数学建模  25-27
    2.2.3 钢带缠绕控制系统放卷侧数学建模  27-28
  2.3 钢带缠绕控制系统驱动设备的选型和计算  28-30
    2.3.1 收卷侧驱动设备选型  29
    2.3.2 放卷侧主要参数计算  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章模糊控制在钢带缠绕控制系统中的应用  31-57
  3.1 模糊控制原理  31-36
    3.1.1 模糊控制的基本原理  31-32
    3.1.2 模糊控制的基本构成  32-34
    3.1.3 模糊PID 控制器的设计原理  34-36
  3.2 钢带缠绕控制系统控制策略  36-38
  3.3 收卷侧的恒线速度控制  38-45
    3.3.1 恒线速度常规PI 控制策略  38-42
    3.3.2 恒线速度模糊PI 控制策略  42-45
  3.4 放卷侧的变张力控制  45-55
    3.4.1 常规PID 张力控制策略  45-50
    3.4.2 带补偿的张力控制策略  50-53
    3.4.3 带补偿的张力模糊PI 控制  53-55
  3.5 本章小结  55-57
第四章钢带缠绕控制系统硬件及软件设计  57-69
  4.1 钢带缠绕控制系统硬件设计  57-62
    4.1.1 控制器的选择  57
    4.1.2 传感器的选择和接线  57-60
    4.1.3 伺服变频及控制柜信号接线  60-62
  4.2 钢带缠绕控制系统监控与管理软件的设计  62-64
  4.3 信号的抗干扰处理  64-67
    4.3.1 硬件抗干扰措施  64-65
    4.3.2 软件抗干扰措施  65-67
  4.4 本章小结  67-69
第五章结论  69-71
参考文献  71-75
致谢  75-76
附录  76

钢带缠绕系统张力检测与控制研究

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