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无芯复卷机起卷动力学及放卷张力控制策略研究

作　者: 甘志德
导　师: 刘利
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 无芯复卷 RecurDyn 张力控制模糊PID控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 97次
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内容摘要

高速无芯轴纸张复卷机是生产无芯卷筒纸的新型设备,其中纸张卷取机构与张力控制系统的设计是否可靠直接关系到整个设备设计的成败。为此,本文从理论、实验两方面着重对纸张传送和卷取机构的动力学与张力控制策略进行了细致地研究,从而为研发具有自主产权的高速无芯轴纸张复卷机提供了理论指导。首先,本文基于纸张的刚体薄片-扭簧模型对纸张卷取进行了动力学分析,并应用RecurDyn多体动力学仿真软件对纸张无芯起卷过程进行仿真。重点研究了纸张杨氏模量,纸张厚度,卷取轨道形状等因素对纸张无芯起卷的影响,其结论为纸张无芯复卷的进一步研究提供了参考。其次,建立了由磁粉制动器,摆动检测辊,功率放大器,放卷辊组成的放卷张力控制系统的数学模型。在MALAB 7.0的Simulink仿真环境中对放卷张力控制系统纸卷直径参数变化时系统阶跃响应进行仿真研究。同时分别对常规PID控制,模糊控制,自调整模糊控制,自调整模糊PID控制的放卷张力控制进行了仿真。仿真结果表明,自调整模糊PID控制能自适应放卷系统纸卷直径参数的变化。最后,本文对以PLC、伺服电机为核心的自动无芯轴复卷纸机的电气控制系统进行了硬、软件详细设计。并在自研制的自动无芯轴复卷纸机上,对无芯起卷和放卷张力控制进行实验验证。分别比较了有无后挡板和不同卷取轨道时纸张无芯卷取的效果,提出了一种卷取效果良好的卷取轨道形状;同时以西门子S7-200 PLC为张力控制器对常规PID放卷张力控制进行实验,验证了仿真结果。无芯轴纸张复卷技术的研究目前在我国还处于起步阶段,本文对于高速自动无芯轴复卷纸机的研究和开发在国内具有一定的先进性,研究成果对类似自动化设备的设计具有参考价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 课题来源  10
  1.2 高速自动无芯复卷机研究背景  10-12
    1.2.1 复卷机的功能  10-11
    1.2.2 传统复卷机的缺陷  11
    1.2.3 无芯复卷技术  11-12
  1.3 纸张复卷相关技术发展及现状  12-13
    1.3.1 国外复卷相关技术发展及现状  12
    1.3.2 国内复卷相关技术发展及现状  12-13
  1.4 纸张放卷张力控制研究现状  13-14
    1.4.1 放卷张力控制系统概述  13
    1.4.2 放卷张力控制策略研究状况  13-14
  1.5 论文章节安排  14-16
第二章纸张无芯起卷过程动力学分析及数字仿真  16-28
  2.1 自动无芯复卷机卷取机构及工作原理  16-18
    2.1.1 无芯卷取的机械结构  16-17
    2.1.2 卷取机构工作原理  17-18
  2.2 纸张模型和卷取动力学分析  18-21
    2.2.1 纸张模型  18-19
    2.2.2 纸张特性  19
    2.2.3 卷取动力学分析  19-21
  2.3 无芯复卷仿真环境  21-22
    2.3.1 RecurDyn 动力学仿真软件  21
    2.3.2 MTT 2D 模块  21-22
  2.4 纸张无芯卷取影响因素分析与仿真  22-27
    2.4.1 纸张卷取仿真模型的建立  22-24
    2.4.2 纸张的杨氏模量对无芯起卷的影响  24-25
    2.4.3 纸张的厚度对无芯起卷的影响  25-26
    2.4.4 卷取轨道形状对无芯起卷的影响  26-27
    2.4.5 实验结果  27
  2.5 本章小结  27-28
第三章纸张放卷张力控制系统建模及控制策略研究  28-59
  3.1 放卷张力控制系统组成及工作原理  28-30
    3.1.1 张力产生原理  28-29
    3.1.2 放卷张力控制系统组成  29-30
  3.2 纸张放卷张力控制系统建模  30-39
    3.2.1 磁粉制动器模型  30-32
    3.2.2 张力检测器模型  32-35
    3.2.3 放卷辊动力学模型  35-37
    3.2.4 PWM 功率放大器模型  37
    3.2.5 纸张放卷张力控制系统的仿真模型  37-39
  3.3 基于常规PID 控制的纸张放卷张力控制系统仿真分析  39-42
    3.3.1 常规PID 控制原理  39-40
    3.3.2 数字PID 控制算法  40-41
    3.3.3 常规PID 放卷张力控制仿真分析  41-42
  3.4 基于增量式模糊控制的纸张放卷张力控制系统仿真分析  42-52
    3.4.1 模糊控制系统组成和控制原理  42-43
    3.4.2 放卷张力模糊控制器的设计  43-48
    3.4.3 调整因子模糊控制器的设计  48-50
    3.4.4 增量式模糊控制放卷张力控制仿真分析  50-52
  3.5 自调整模糊PID 控制策略在纸张放卷张力控制系统中的应用  52-58
    3.5.1 自调整模糊PID 控制原理  52
    3.5.2 PID 参数模糊控制器设计  52-55
    3.5.3 自调整模糊PID 控制放卷张力控制仿真分析  55-58
  3.6 本章小结  58-59
第四章自动无芯复卷机电气控制系统硬软件设计  59-75
  4.1 自动无芯复卷机电气控制系统总体方案  59-60
    4.1.1 电气控制系统设计要求  59
    4.1.2 电气控制系统总体方案  59-60
  4.2 自动无芯复卷机电气控制系统硬件设计  60-67
    4.2.1 伺服控制子系统设计  60-65
    4.2.2 交流变频调速子系统设计  65-67
  4.3 自动无芯复卷机电气控制系统软件设计  67-74
    4.3.1 PLC 控制程序设计  67-72
    4.3.2 人机界面设计  72-74
  4.4 本章小结  74-75
第五章实验结果与分析  75-83
  5.1 纸张无芯起卷实验结果与分析  75-77
    5.1.1 有无后挡板卷取实验效果比较  75-76
    5.1.2 不同卷取轨道卷取实验效果比较  76-77
  5.2 纸张放卷张力常规PID 控制实验结果与分析  77-82
    5.2.1 放卷张力控制实验平台搭建  77-78
    5.2.2 常规 PID 控制在西门子 S7-200 PLC 中的实现  78-80
    5.2.3 常规PID 放卷张力控制实验结果与分析  80-82
  5.3 本章小结  82-83
第六章总结与展望  83-85
  6.1 研究工作总结  83
  6.2 本文创新点  83-84
  6.3 研究展望  84-85
参考文献  85-88
致谢  88-89
攻读硕士学位期间发表的学术论文  89-91

无芯复卷机起卷动力学及放卷张力控制策略研究

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