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造纸过程纸张颜色控制系统的研究与实现

作　者: 聂永利
导　师: 葛升民
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 颜色控制 PID控制 FPGA实现
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

纸张颜色是人眼所能感受到的纸张外在质量指标之一,随着人们生活水平的提高,人们对纸张颜色的需要更加的多样化,同时对纸张颜色均一性要求也越来越高,所以,对纸张颜色及色差进行控制就非常重要了。在此背景下,结合纸张生产企业的实际需求,本文对纸张颜色控制系统进行了研究和实现。论文首先探索了造纸工艺和纸张颜色控制方法的类型,然后研究了纸张染色机理和计算机配色方法,其中对库贝尔卡-芒克理论以及建立在该理论基础之上的三刺激值配色理论进行了重点的研究和探讨。之后以TCS230为例,对颜色传感器的工作过程和测色原理做了分析、研究。接着,文章建立了颜色控制系统的数学模型,并对控制方法进行了探索。根据该领域的实际情况及应用需求,我们选用了工业过程控制中比较成熟和广泛使用的PID控制,然后针对系统的实际数学模型采用了普通的PID参数整定方法,并对系统进行了仿真和分析。随后为了提高PID控制的参数整定效率,引入了遗传算法,并根据本设计的实际问题具体实现了遗传算法,成功借助遗传算法来快速寻找最优的PID参数,并对寻优结果进行了系统仿真和分析。最后,基于FPGA芯片,进行了颜色控制系统的硬件设计。在将系统细分为各个子功能模块后,对误差计算模块、PID模块、分频器和定时器模块以及PWM模块均直接采用了硬件描述语言设计的方法,而对于配色计算及参数转换模块,则结合了SOPC技术,采取了嵌入式IP软核的方式进行了设计和实现,还对各模块的功能进行了仿真验证。从颜色控制系统的仿真图来看,控制效果较好,最终能使被控颜色参数指标稳定在设定值,能够实现对纸张颜色的控制;从已经完成的系统子功能模块的仿真波形来看,各模块均实现了相应的功能,基本达到了预定的目标,初步完成了纸张颜色控制系统的硬件设计与实现。本文的研究工作为造纸厂商实际生产中的纸张颜色控制提供了一定的参考依据,并可以结合造纸企业进行更进一步的探索和研究,最终开发成产品,应用于实际的造纸工业生产中。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10
  1.2 造纸及纸张颜色控制的发展概况  10-16
    1.2.1 造纸过程概述  10-11
    1.2.2 染色机理及色差成因  11-12
    1.2.3 纸张颜色控制方法发展及研究概况  12-16
  1.3 本文的主要研究内容  16-17
第2章配色理论及传感器研究  17-30
  2.1 引言  17
  2.2 三原色及其成色原理  17-18
    2.2.1 色光三原色及加色成色原理  17-18
    2.2.2 色料三原色及减色成色原理  18
  2.3 颜色系统及其转换关系  18-20
    2.3.1 颜色系统  18-20
    2.3.2 色差及色差计算  20
    2.3.3 RGB色空间与L*a*b*色空间的转换  20
  2.4 库贝尔卡-芒克理论研究  20-25
    2.4.1 库贝尔卡-芒克方程  20-23
    2.4.2 吸收系数和散射系数的相加性  23-24
    2.4.3 常数的确定  24-25
  2.5 计算机配色原理研究  25-27
  2.6 颜色传感器的研究  27-29
    2.6.1 颜色传感器TCS230 的结构和工作原理研究  27-28
    2.6.2 颜色传感器测色原理的研究  28-29
  2.7 本章小结  29-30
第3章系统建模及控制方法研究  30-46
  3.1 引言  30
  3.2 系统数学模型及控制模型的建立  30-31
    3.2.1 计量泵数学模型的建立  30
    3.2.2 纸机及整个系统数学模型的建立  30-31
    3.2.3 系统的控制结构  31
  3.3 PID控制的研究与设计  31-36
    3.3.1 模拟PID控制  32
    3.3.2 数字PID控制  32-34
    3.3.3 系统的PID控制设计及仿真  34-36
  3.4 遗传算法原理  36-40
    3.4.1 遗传算法框架  36
    3.4.2 遗传算法关键因素研究  36-39
    3.4.3 遗传算法的参数选择  39-40
  3.5 基于遗传算法的PID参数寻优  40-45
    3.5.1 编码及遗传算子的确立  40-41
    3.5.2 适应度函数的选取  41
    3.5.3 算法描述及程序设计  41-42
    3.5.4 PID参数优化及仿真  42-45
  3.6 本章小结  45-46
第4章纸张颜色控制系统的硬件实现  46-62
  4.1 引言  46
  4.2 系统总体实现方案及硬件平台  46-48
    4.2.1 总体实现方案及模块划分  46-47
    4.2.2 硬件开发平台简介  47-48
  4.3 基于FPGA的硬件设计基础  48-50
    4.3.1 FPGA简介  48
    4.3.2 FPGA类型及其设计方法  48-49
    4.3.3 硬件描述语言简介  49-50
  4.4 系统各功能模块的设计与实现  50-57
    4.4.1 误差计算模块设计  50
    4.4.2 PID计算模块设计  50-53
    4.4.3 分频器及定时器模块设计  53-54
    4.4.4 PWM模块  54-55
    4.4.5 PWM变换器设计  55-57
  4.5 SOPC设计基础  57-58
    4.5.1 SOPC设计简介  57
    4.5.2 Nios II软核处理器系统研究  57-58
    4.5.3 SOPC系统开发流程  58
  4.6 基于SOPC系统的模块实现  58-61
    4.6.1 模块的SOPC系统CPU内核定制  58-60
    4.6.2 硬件功能的软件编程实现  60-61
  4.7 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-69
致谢  69

造纸过程纸张颜色控制系统的研究与实现

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