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基于模糊PID的客车地毯自动清洗干燥机控制系统的研究与设计

作　者: 朱森茂
导　师: 熊国良；王小明
学　校: 华东交通大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 地毯清洗机模糊PID控制同步控制 MATLAB PLC
分类号: TP273.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文以南昌铁路局科委的项目铁路客车地毯自动清洗干燥机为研究对象,在深入分析研究设备工艺流程的基础上,运用模糊控制技术和常规PID控制技术,对原控制系统的控制算法做进一步的研究与设计。此设备是集地毯清洗、干燥于一体的自动化设备,是由各单元构成的联合机。每个单元由异步交流电动机、变频器、摆式松紧架及减速器等设备组成,各单元组成了多单元同步控制系统。在整个系统控制中,关键的问题是多单元同步控制的问题,因为它直接影响整个设备的可靠性及设备的安全性。本文主要做了以下工作:1、对设备的工艺流程进行了深入分析研究,重点研究了多单元同步控制系统,设计了控制系统方案,并建立了部分控制环节的数学模型;2、对常规PID控制与模糊控制的控制性能进行了深入分析比较,得出了两种控制方式各有其优势和局限,进而提出通过常规PID控制技术与模糊控制技术相结合的方法,即模糊PID控制技术;3、针对设备多单元同步控制系统的实际情况,选取了合适的隶属度函数和制定出模糊PID控制规则表,设计了以角位移偏差e和角位移偏差变化率ec为输入的,以PID参数调整量ΔK P、ΔK I、ΔK D为输出的模糊PID控制器;4、用MATLAB/Simulink建立了多单元同步控制系统的仿真模型,并用工具箱Fuzzy建立模糊控制规则,进行了系统仿真研究。仿真结果表明:使用了模糊PID控制器的多单元同步控制系统,当系统参数发生变化时或有很大干扰时还具有较强的适应能力和良好的抗干扰性能。5、最后,通过以上研究工作,作者设计了铁路客车地毯自动清洗干燥机电气控制系统的电路图,并编写了PLC控制程序。目前,具有此控制系统的铁路客车地毯自动清洗干燥机已在沈阳客车段洗衣厂、地乌客车段洗衣厂、福州客车段洗衣厂等投入使用。现场使用情况表明:基于模糊PID的铁路客车地毯自动清洗干燥机的控制系统,控制效果良好,稳定性高,抗干扰能力强,满足了控制系统设计的要求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-17
  1.1 课题来源、目的及意义  11-12
    1.1.1 课题的来源  11
    1.1.2 课题的目的、意义  11-12
  1.2 地毯清洗干燥机的研究现状  12-14
  1.3 模糊PID 控制技术的发展状况  14-16
    1.3.1 常规PID 控制技术的发展概况  14-15
    1.3.2 模糊控制技术的发展概况  15-16
  1.4 本课题主要内容及结构安排  16-17
第二章地毯自动清洗干燥机控制系统原理的分析与设计  17-25
  2.1 地毯自动清洗干燥机简介  17-18
  2.2 地毯自动清洗干燥机工艺流程  18
  2.3 地毯自动清洗干燥机多单元同步控制系统  18-21
    2.3.1 地毯自动清洗干燥机控制系统的构成  18-19
    2.3.2 地毯张力的形成  19-20
    2.3.3 地毯自动清洗干燥机单元间的张力区  20
    2.3.4 地毯自动清洗干燥机多单元同步控制原理  20-21
  2.4 多单元同步控制系统设计与组成  21-25
    2.4.1 烘筒单元的速度闭环控制系统  22
    2.4.2 各单元的轧车同步控制系统  22-25
第三章控制系统环节部分原理及数学模型  25-33
  3.1 摆式松紧架差速装置及数学模型  25-27
    3.1.1 摆式松紧架速差同步装置的三大功能  25
    3.1.2 摆式松紧架速差同步装置的工作原理  25-26
    3.1.3 摆式松紧架速差同步装置的数学模型  26-27
  3.2 交流变频器调速理论及数学模型  27-28
    3.2.1 交流变频器调速理论  27
    3.2.2 交流变频器数学模型  27-28
  3.3 异步电动机机械特性及数学模型  28-33
    3.3.1 异步电动机变压变频调速的机械特性  28-31
    3.3.2 异步电动机变压变频调速的数学模型  31-33
第四章模糊PID 控制基础  33-43
  4.1 常规PID 控制  33-37
    4.1.1 模拟PID 控制  33-34
    4.1.2 数字PID 控制  34-36
    4.1.3 PID 控制器的优缺点  36-37
  4.2 模糊控制  37-41
    4.2.1 模糊控制器的组成  37
    4.2.2 模糊控制器的工作原理  37-40
    4.2.3 模糊控制器的优缺点  40-41
  4.3 模糊PID 控制器  41-43
    4.3.1 模糊PID 控制器的基本类型  41-42
    4.3.2 模糊PID 控制器的设计步骤  42-43
第五章模糊PID 控制器的设计  43-53
  5.1 模糊PID 控制器的结构  43-44
  5.2 变量的模糊化  44
  5.3 隶属度函数的选择  44-47
  5.4 PID 参数模糊控制规则  47-49
  5.5 模糊推理及模糊查询表的建立  49-51
  5.6 模糊PID 控制算法  51-53
第六章地毯自动清洗干燥机控制系统硬、软件设计  53-64
  6.1 控制系统硬件结构  53-54
    6.1.1 检测系统构成  53
    6.1.2 电气控制系统的整体设计  53-54
  6.2 控制系统硬件的选用  54-57
    6.2.1 PLC 的选用及I/O 口的分配  54-56
    6.2.2 变频器的选用  56
    6.2.3 FX2N-4AD 模块的选用  56-57
    6.2.4 传感器的选用  57
  6.3 控制系统软件设计  57-61
    6.3.1 系统温度控制原理及软件  57-58
    6.3.2 系统湿度控制原理及软件设计  58-59
    6.3.3 模糊PID 控制流程图  59-61
  6.4 模糊控制算法在PLC 中的实现  61-64
    6.4.1 PLC 中PID 指令的基本公式  61-62
    6.4.2 FX2N系列PLC 的PID 指令  62-63
    6.4.3 模糊控制查询表在PLC 中的设计  63-64
第七章控制系统的仿真  64-72
  7.1 控制系统传递函数建立  64-65
    7.1.1 异步电动机的传递函数  64-65
    7.1.2 变频器的传递函数  65
    7.1.3 摆式松紧架的传递函数  65
  7.2 烘筒和轧车3 单元同步控制系统  65-72
    7.3.1 控制系统仿真的设计  66-69
    7.3.2 模糊PID 控制系统仿真模型建立  69-72
第八章总结与展望  72-75
  8.1 总结  72-74
    8.1.1 主要工作回顾  72
    8.1.2 改进后的客车地毯自动清洗干燥机的使用  72-74
  8.2 本课题今后需进一步研究的地方  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-78
个人简历在读期间发表的学术论文  78

基于模糊PID的客车地毯自动清洗干燥机控制系统的研究与设计

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