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铝箔冷轧机仿真系统和张力控制的研究

作　者: 王光毅
导　师: 金伟
学　校: 东北大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 半物理仿真平台虚拟轧机张力控制 LabVIEW 模糊自整定PI控制
分类号: TG334.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本课题是来自河北省科学技术厅的科研立项项目“铝箔轧机智能控制系统研究与开发”。主要研究内容包括以下三个方面：一、构建铝箔冷轧机半物理仿真平台；二、建立轧机张力控制相关数学模型：三、设计模糊参数自整定张力智能控制系统。论文具体的研究内容如下：首先,在了解铝箔轧制理论和工厂调研的基础上,搭建以工艺控制器为核心的半物理仿真系统的硬件平台,其组成包括：PXI-1031控制器机箱、PXI-8186嵌入式控制器、PXI-6229多功能数据采集卡、SCB-68信号调理器以及三台分别用于上位机和仿真机的计算机。其次,在LabVIEW软件平台下开发工艺控制器与上位机通信程序、上位机的人机界面和仿真计算机中的虚拟轧机程序。虚拟轧机主要包括五部分：液压系统、张力系统、速度系统、变形系统和铝箔轧机的二维动画显示。虚拟轧机通过数据采集卡接受来自工艺控制器的指令和铝箔坯料参数,分别计算液压缸位移、轧制力、轧制厚度、速度和张力,并返回给控制器。轧机二维动画形象直观地显示了轧制过程和轧制中的参数。再次,对张力在轧制过程中的作用和张力产生的机理以及控制方式进行了详细阐述。以开卷机张力控制为例建立其相关数学模型,结合现场设备的实际参数进行了模型参数的计算,之后在半物理平台上做了仿真分析,得出：当被控对象的模型参数改变后,常规PI控制效果不理想。最后,本文详细设计了基于LabVIEW的模糊参数自整定PI张力控制系统。通过在半物理硬件仿真平台上做实时仿真实验,得出：模糊自整定PI张力控制与常规PI控制相比,具有调节速度快、稳定性高、对变参数的被控对象模型适应能力强的特点。本论文通过建立轧机半物理仿真平台进行张力控制研究的方法,改变了前期研究成果只能采用脱离硬件基础的纯数学工具仿真验证的现状,为铝箔轧机智能控制系统的实际应用奠定了基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题背景及现实意义  11
  1.2 轧机动态仿真研究概述  11-13
  1.3 卷取张力控制的发展概况  13-14
  1.4 模糊PID控制技术的应用  14-15
  1.5 本课题主要研究内容  15-17
第2章仿真系统整体设计  17-29
  2.1 基于虚拟仪器的铝箔轧机仿真系统  17-20
    2.1.1 仿真平台硬件组成  17-19
    2.1.2 仿真系统软件开发平台  19-20
  2.2 网络化轧机控制系统  20-23
    2.2.1 LabVIEW下的TCP传输方式  20
    2.2.2 现场工艺控制器应用程序的开发  20-22
    2.2.3 上位机应用程序的开发  22-23
  2.3 虚拟轧机的组成  23-27
    2.3.1 压下系统功能说明  24
    2.3.2 张力系统功能说明  24-25
    2.3.3 速度系统功能说明  25-26
    2.3.4 变形系统功能说明  26
    2.3.5 虚拟轧机的二维动画显示  26-27
  2.4 本章小结  27-29
第3章轧机张力控制系统研究  29-41
  3.1 张力在铝箔轧制中的作用  29-30
  3.2 张力控制的基本方法  30-31
    3.2.1 直接闭环张力控制  30
    3.2.2 间接张力控制  30
    3.2.3 复合张力控制  30-31
  3.3 开卷张力产生的机理和模型的推导  31-33
    3.3.1 张力与速度的关系  31-32
    3.3.2 开卷张力模型  32-33
  3.4 轧机的传动系统  33-34
  3.5 直流电机的负载转矩  34-37
    3.5.1 张力转矩  35-36
    3.5.2 动态转矩  36
    3.5.3 摩擦转矩  36-37
    3.5.4 电机电枢电流的计算  37
  3.6 料卷的瞬时卷径的测量与计算  37-39
    3.6.1 瞬时卷径的直接测量法  37-38
    3.6.2 流量相等法计算瞬时卷径  38
    3.6.3 层数法计算瞬时卷径  38-39
    3.6.4 三种卷径测量方法的总结  39
  3.7 本章小结  39-41
第4章张力控制系统仿真  41-51
  4.1 实际现场张力控制情况介绍  41-42
  4.2 传动控制系统的数学模型  42-45
    4.2.1 开卷电动机的数学模型  42-44
    4.2.2 直流传动装置的数学模型  44-45
    4.2.3 张力模型参数的计算  45
  4.3 张力控制系统的传递函数及框图  45-46
  4.4 在MATLAB/SIMULINK下的仿真  46-47
  4.5 半物理仿真平台上的仿真  47-49
  4.6 本章小结  49-51
第5章模糊自整定PI控制算法的设计  51-65
  5.1 模糊参数自整定PID控制算法的特点分析  51-52
    5.1.1 传统的PID控制的特点  51
    5.1.2 模糊控制的特点  51
    5.1.3 模糊参数自整定PID控制算法的特点  51-52
  5.2 模糊自整定PID控制器的结构和工作原理  52-53
  5.3 模糊参数调节器的设计  53-56
    5.3.1 控制器的结构选择  53
    5.3.2 控制器输入输出量的转换  53-54
    5.3.3 LabVIEW中输入输出的隶属函数  54-56
  5.4 模糊规则的建立  56-61
    5.4.1 PI参数在线自整定的一般原则  56-57
    5.4.2 系统动态响应与PI参数  57-59
    5.4.3 模糊规则在Labview中的设计  59-60
    5.4.4 模糊量的解模糊化方法  60-61
  5.5 模糊控制程序在半物理平台上的仿真实验  61-63
  5.6 本章小结  63-65
第6章总结与展望  65-67
参考文献  67-71
致谢  71

铝箔冷轧机仿真系统和张力控制的研究

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