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钢带缠绕张力控制系统的研究

作　者: 赵寿华
导　师: 何芳
学　校: 济南大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 钢带缠绕张力控制 Fuzzy-PI 自然切换点解耦控制
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

缠绕张力控制在造纸、纺织、航天航空等行业有着广泛的应用的范围。在缠绕预应力模具的制造过程中,钢带层的预应力分布直接影响着模具的使用寿命和强度,提高预应力模具钢带层缠绕张力的控制精度对于提高预应力模具性能有重要的意义。与钢带缠绕预应力模具相比,目前存在的钢丝缠绕预应力容器的制造代价比较高,生产周期长,预应力的数量级较低,不能应用于超高内压的环境,因此,研究和分析钢带缠绕张力控制系统有着重要的实用价值和创新性。对于一个稳定运行的钢带缠绕张力控制系统,首先要求钢带缠绕张力能够按期望张力进行缠绕,其次要求缠绕过程具有稳定的传动速度。被控对象是一个多变量、强耦合及非线性的系统。因此,如何获得期望的缠绕张力和稳定的传动缠绕速度是一个亟待解决的问题。本课题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(NO.50875111)。通过对国内外相关领域大量文献进行的分析研究,在整体分析了各种缠绕张力控制系统特点的基础上,建立了基于双电机控制模型的缠绕张力控制系统。缠绕张力控制系统集成了伺服控制的精确性和矢量变频控制技术的快速性,在放卷控制侧采用伺服控制技术提高控制系统本身速度控制的精确性,在缠绕控制侧采用矢量变频控制技术使张力控制更为快速有效。在确立了缠绕张力控制系统结构的基础上,提出了采用稳定放卷速度、控制缠绕侧张力的控制策略。在放卷侧采用伺服速度控制模式提高放卷线速度的稳定性;在缠绕侧采用转速—张力双闭环控制提高张力控制的快速性。在控制方法方面确立了采用Fuzzy-PI双模控制来改善常规PI控制在瞬态控制过程中的缺点。针对缠绕张力控制中Fuzzy-PI双模切换控制切换点的选择问题,在对不同切换方式进行分析的基础上,提出了在自然切换点处切换的切换策略。论证了自然切换点处实现平滑切换的可行性,针对缠绕张力控制设计了Fuzzy-PI控制器。仿真研究结果表明Fuzzy-PI自然切换点处的切换双模控制避免了在期望切换点处直接切换带来的电磁转矩尖端脉冲问题。仿真结果还表明Fuzzy-PI控制比PI控制下张力的瞬态性能上有很大的改善。为了解决PI控制下放卷速度稳态过程中速度波动的问题,在设计了自然切换点处切换控制的基础上,提出了将Fuzzy控制引入到改善系统稳态性能的过程中思想。改进了传统Fuzzy-PI双模控制中稳态性能只依赖PI控制参数的模式,即通过将自然切换点设置到到稳态误差带内在稳态过程中实现Fuzzy和PI之间不断的切换,从而达到缩小稳态误差带目的。并仿真验证了这种方法的可行性,仿真结果表明采用Fuzzy-PI双模控制时的放卷速度在稳态误差上比PI控制下的稳态误差带缩小了一个数量级。在缠绕侧对缠绕张力进行了Fuzzy-PI自然切换点处切换双模控制仿真;在放卷侧对放卷速度进行了Fuzzy-PI改善稳态性能的控制仿真。在此基础上,对整个张力控制系统进行了综合仿真分析。仿真结果表明建立的仿真模型能够有效地研究张力控制系统的控制特性。为了进一步提高缠绕张力的控制性能,提出了张力和速度解耦的控制思想。因为综合仿真表明了张力和速度之间存在着很强的耦合关系;Fuzzy-PI控制只能在一定程度上缩小放卷速度的稳态误差波动范围,但是并不能消除。首先在简化的张力控制系统模型中推出张力和速度传递函数。然后,分别对张力和速度进行了解耦分析。最后进行了解耦控制仿真,仿真结果表明采用前馈解耦控制可以降低张力控制系统中张力和速度的耦合强度,从而进一步提高张力控制和速度控制的精度。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-11
第一章绪论  11-21
  1.1 课题背景及研究目的和意义  11-12
  1.2 课题研究的发展状况  12-18
    1.2.1 国外研究现状  12-13
    1.2.2 国内研究现状  13-18
  1.3 课题研究的主要内容  18-21
第二章钢带缠绕张力控制系统  21-31
  2.1 缠绕张力控制系统结构与原理  21-22
  2.2 钢带缠绕张力控制系统的选型  22-25
    2.2.1 卷绕侧变频电机选型  22-24
    2.2.2 放卷侧伺服电机选型  24
    2.2.3 控制器、驱动器和传感器的选择  24-25
  2.3 张力控制系统模型分析与构建  25-30
    2.3.1 矢量控制分析与逆变器模型构建  25-28
    2.3.2 张力模型的分析与构建  28-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章钢带缠绕张力控制策略  31-37
  3.1 张力控制系统控制方式  31-33
    3.1.1 开环张力控制方式  31
    3.1.2 间接张力控制方式  31
    3.1.3 直接张力控制方式  31-33
  3.2 常用张力控制算法  33-34
    3.2.1 常规控制算法  33
    3.2.2 智能控制算法  33-34
  3.3 钢带缠绕张力控制策略  34-36
  3.4 本章小结  36-37
第四章 Fuzzy-PI 双模控制在缠绕张力控制中的研究  37-65
  4.1 FUZZY-PI 控制  37-41
    4.1.1 Fuzzy 控制的原理  37-41
    4.1.2 Fuzzy-PI 双模控制系统的特点  41
  4.2 FUZZY-PI 双模控制在缠绕张力控制中研究  41-64
    4.2.1 Fuzzy-PI 双模控制在收卷张力控制中的研究  41-53
    4.2.2 Fuzzy-PI 双模控制在放卷速度控制中的研究  53-63
    4.2.3 系统的综合仿真分析及存在的问题  63-64
  4.3 本章小结  64-65
第五章张力控制的解耦控制研究  65-71
  5.1 传统张力控制系统的解耦分析  65-67
  5.2 采用前馈解耦在张力控制系统中的研究  67-69
  5.3 解耦合系统的仿真分析  69-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章结论  71-73
参考文献  73-77
致谢  77-79
附录A（硕士期间发表论文目录）  79

钢带缠绕张力控制系统的研究

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