（机械电子工程专业论文）减振复合钢板连续化生产控制系统开发与研究.pdf

； ? il 独创性：声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研窍工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 韶枸 签字日期：冽勺年f 月易。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 耀拘 签字日期：泓年f 月妒日 导师签名： 签字日期：冲年，月 弓古墓巨 沙日 学位论文主要创新点 一、国内现有减振复合钢板采用间断性生产，主要是一片钢板一 片钢板的压制，生产效率低下。本课题提出减振复合钢板连续化生产 方案，采用p c 机一单片机主从式控制结构，由一台p c 机负责控制算 法运算和系统监控；三台单片机主要负责各个控制环节的数据的采 集、上传，接收、执行p c 机发来的控制指令。可加快复合钢板生产 速度，提高钢板质量。 二、针对减振复合钢板中间夹层材料在电阻炉的加热特性，在树 脂加热过程中提出模糊- p i d 联合控制方法，即在偏差较大情况下采 用模糊控制，加快系统影响速度，减小振荡；在偏差较小情况下采用 p i d 控制，提高控制精度。 摘要 减振复合钢板是一种新型的减振材料，它以其优异的减振降噪性能在汽车、 发动机、建筑、音箱上的应用收到了很好的减振效果。由于这种新型的减振复合 钢板的需求量不断增加，高产量的生产设备的研制和性能优良的减振复合钢板的 研究将成为科学研究的趋势。目前，我国已有部分学者进行减振复合钢板的性能 研究，但对于减振复合钢板生产设备及技术的研究处于起步阶段。特别是对能够 连续化生产高品质复合钢板的设备的研究几乎处于空白。 本课题提出了一种可以连续化生产减振复合钢板的生产设备的系统控制方 案，解决了复合钢板生产过程无法连续、大批量生产的难题，并可提高复合钢板 产品的质量。该控制方案主要包括树脂材料加热的恒温控制、复合钢板压制时的 厚度控制及钢板卷取时的张力控制。采用p c 机一单片机主从式控制结构，由一 台p c 机负责控制算法运算和系统监控；三台单片机主要负责各个控制环节的数 据的采集、上传，接收、执行p c 机发来的控制指令。 本文重点介绍了树脂加热恒温控制系统的工作原理和工作特点，完成温度控 制系统的单片机及外围电路设计、制板和调试；控制系统的上位机监控软件代码 已经完成调试，包括控制算法模块，数据显示模块，数据存储模块，手自动控 制模块等。提出p i d 控制、模糊控制、模糊p i d 控制三种温度控制算法，选择 模糊p i d 为温度控制系统的核心控制算法。最后，本文对张力控制系统及厚度控 制系统的原理及控制方法进行了详细阐述。 利用m a t l a b 数学计算仿真软件，对三种温度控制算法进行仿真，分别建 立这三种温度控制方案的模型，得出各模型的阶跃响应曲线，通过对比分析，选 择模糊p i d 为系统最佳算法。以此为依据设计出恒温控制器的控制效果将会更 好。 通过对调试完成的恒温控制系统包括，主机，单片机及外围电路、监控软件、 单片机程序进行实验，验证了温度控制器设计方案的正确性。 关键词：减振复合钢板；恒温控制；模糊p i d 算法；张力控制；厚度控制 a b s t r a c t v i b r a t i o nd a m p i n gl a m i n a t e ds t e e ls h e e ti san e wk i n do fd a m p i n gm a t e r i a l ，i t r e c e i v e sag o o dd a m p i n ge f f e c ti na u t o m o b i l e ，e n g i n e ，b u i l d i n g ，s o u n db o xe t c b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tn o i s ea n dv i b r a t i o nc o n t r o lp e r f o r m a n c e o w i n gt o e v e r - i n c r e a s i n gm a r k e t d e m a n d p o t e n t i a lo f t h i sn e wb r e e do fs t e e ls h e e t ， d e v e l o p m e n to fm a s sp r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n dr e s e a r c ho f e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s t e e ls h e e tw i l lb e c o m et h et r e n do fs c i e n t i f i cr e s e a r c h c u r r e n t l y , t h e r ea r es o m e d o m e s t i cs c h o l a r ss t u d y i n gt h ed a m p i n gp r o p e r t i e so fc o m p o s i t es t e e lp l a t e ，b u tt h e s t u d yo fd a m p i n gs t e e ls h e e tp r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g ya r ea ta ne a r l y s t a g e e s p e c i a l l y , t h ed e v i c e so fc o n t i n u o u sp r o d u c i n ga n dh i g hq u a l i t yp r o d u c t i o n o u t p u tt i n g ss t u d yi sa l m o s ti na b l a n k t h e r e f o r e ，ak i n do fs y s t e mc o n t r o lp r o p o s a la b o u tc o n t i n u o u sc o m p o s i t ep l a t e p r o d u c i n ge q u i p m e n ti sd e v e l o p e d i ts o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h ep r o d u c t i o np r o c e s s c a nn o tb ec o n t i n u o u sa n dh i g h v o l u m e ，a n di m p r o v e st h eq u a l i t yo fc l a ds t e e lp l a t e t h ec o n t r o lp r o g r a mi n c l u d e st e m p e r a t u r ec o n t r o lo fr e s i nh e a t i n g ，t h i c k n e s sc o n t r o l o fc o m p o s i t ep l a t ea n dt e n s i o nc o n t r o lo ft h e + s t e e lr e e l i n g u s i n gp c s c m m a s t e r - s l a v ec o n t r o la r c h i t e c t u r e ap ci s r e s p o n s i b l ef o rc o n t r o l l i n ga r i t h m e t i c o p e r a t i o n sa n ds y s t e mm o n i t o r i n g ；t h r e es c m s a r em a i n l yr e s p o n s i b l ef o ra l la s p e c t s d a t ac o l l e c t i o n ，u p l o a d ，r e c e i v ea n de x e c u t i n gp c sc o n t r o l l i n gc o m m a n d s t h i sp a p e rf o c u s e so nw o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m t h ee x t e r n a lm i c r o c o n t r o l l e rc i r c u i td e s i g n i n g ，p c b sm a k i n ga n d d e b u g g i n gh a v eb e e nc o m p l e t e d ；h o s tc o m p u t e rs o f t w a r ec o d ed e b u g g i n gh a sb e e n c o m p l e t e d ，i n c l u d i n gt h ec o n t r o la l g o r i t h mm o d u l e ，d a t ad i s p l a ym o d u l e ，d a t as t o r a g e m o d u l e s ，h a n d a u t o m a t i cc o n t r o lm o d u l e s t h r e ek i n d so ft e m p e r a t u r ec o n t r o l a l g o r i t h mh a v eb e e np r o p o s e d ，s u c ha sp i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o la n df u z z yp i d c o n t r o la l g o r i t h m c h o o s ef u z z yp i da st h ec o r eo fc o n t r o la l g o r i t h m s f i n a l l y ，t h e o r y a n dc o n t r o lm e t h o do ft h et h i c k n e s sa n dt h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n e l a b o r a t e d m a t l a bs o f t w a r ei su s e df o rs i m u l a t i n gt h et h r e ek i n d so ft e m p e r a t u r ec o n t r o l a l g o r i t h m t h e s et h r e ek i n d so fc o n t r o lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e da n dt h e ns t e pr e s p o n s e c u r v e so fe a c hm o d e la r eo b t a i n e d a tl a s t ，f u z z yp i da l g o r i t h mi sc h o s ea st h eb e s t c o n t r o la l g o r i t h mb yc o m p a r a t i v ea n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h i s ，c h o s e ne f f e c to ft h e c o n t r o l l e rc o u l db eb e t t e r t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rs y s t e md e s i g nv e r i f i e dc o r r e c tb ye x p e r i m e n ta n dt h e s y s t e mi n c l u d e sh o s t , m i c r o c o n t r o l l e ra n d i t sp e r i p h e r a lc i r c u i t s ，m o n i t o r i n gs o f t w a r e ， m c u p r o g r a m k e yw o r d s ：v i b r a t i o nd a m p i n gl a m i n a t e d s t e e ls h e e t ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；f u z z yp i d a l g o r i t h m ；t e n s i o nc o n t r o l ；t h i c k n e s sc o n t r o l 目录 第一章绪论1 1 1 减振复合钢板介绍1 1 1 1 减振复合钢板的构造及减振原理1 1 1 2 减振复合钢板的生产方法2 1 1 3 减振复合钢板的应用3 1 2 减振复合钢板的研究背景4 1 3 国内外研究状况及问题的提出4 1 4 主要研究内容及文章组织结构5 第二章复合钢板生产及控制系统设计简介7 2 1 复合钢板生产系统7 2 1 1 系统组成及功能7 2 1 2 多机通信9 2 2 温度控制系统1 0 2 2 1 温度控制的意义1 0 2 2 2 树脂加热炉1 0 2 3 计算机控制系统数字控制器的设计思路1 1 2 3 1 连续域一离散化的设计方法1 2 2 3 2 离散域设计法1 2 2 4 计算机控制系统的软硬件设计1 3 2 4 1 计算机控制系统的设计原则和方法1 3 2 4 2 计算机控制系统的设计步骤1 4 2 5 本章小节1 6 第三章温度控制系统硬件电路设计1 7 3 1 总体设计1 7 3 1 1 系统需求分析1 7 3 1 2 单片机各引脚功能分配1 8 3 2 上下位机通讯接口2 0 3 3 温度数据采集电路2 1 3 3 1m a x 6 6 7 5 简介2 1 3 3 2 热电偶的并联测量回路2 3 3 4 执行电路2 4 3 5 键盘扫描及报警电路2 4 3 6l c d 显示电路2 5 3 7 电源及复位电路2 6 3 8 硬件抗干扰设计2 7 3 9 硬件电路的调试与安装2 8 3 i 0 本章小节2 8 第四章温度控制器设计2 9 4 1p i d 控制器设计2 9 4 1 - lp i d 原理2 9 4 1 2 控制器设计3 l 4 2 模糊控制器设计3 1 4 2 1 模糊控制原理；3 2 4 2 2 模糊控制器设计3 3 4 3 模糊p i d 控制器设计3 5 4 3 1 模糊p i d 控制原理3 5 4 3 2 模糊p i d 控制器设计3 5 4 3 3 小偏差被控对象模型建立3 6 4 3 4 模糊p i d 参数整定3 8 4 3 5 采样周期的确定3 8 4 4 m a t l a b 仿真及结果分析4 0 4 5 本章小节4 4 第五章温度控制系统软件设计4 5 5 1 上位机界面设计4 5 5 1 1 开发环境4 5 5 1 2 总体规划4 6 5 1 3h c i 设计4 6 5 2 控制算法编程5 1 5 2 1p i d 控制算法5 1 5 2 2 模糊控制算法5 3 5 2 3 模糊p i d 控制算法5 4 5 3 串行通信5 5 5 4 下位机软件设计5 6 5 5 本章小节：5 9 第六章张力控制系统及厚度控制系统6 1 6 1 张力控制系统6 l 6 1 1 系统原理6 l 6 1 2 数学模型建立6 2 6 1 3 动态卷径计算6 5 6 1 4 硬件电路6 5 6 2 厚度控制6 6 6 2 1 系统原理6 6 6 2 2 模型分析6 8 6 2 3 单片机硬件设计7 0 6 3 本章小节7 2 第七章结论与展望7 3 参考文献7 4 发表论文和参加科研情况7 7 附录7 8 致谢8 6 h i 1 1 1 减振复合钢板的构造及减振原理 在两片薄钢板之间夹合0 0 3 - 一0 1 5 r a m 的粘弹性高分子材料即构成减振复合 钢板，如图1 1 所示。由表1 1 所示，减振复合钢板既具有钢的强度，又有比木材 和塑料优良的吸收振动的能力。减振复合钢板之所以具有较好的减振及吸声性 能，是因为在钢板之间夹合了高分子阻尼材料。当噪声和振动接触到钢板表面时， 金属基板在噪声或振动的激励下产生振动，其振动能迅速传递给夹合在基板之间 的高分子阻尼材料，造成阻尼材料剪切变形，从而使噪声或振动激发的能量部分 转化为热能而消耗，实现减少振动降低噪声的目的。它不仅损耗因子大，而且在 常温或高温下均能保持良好的减振性能。这种结构的强度由选用的各基体金属材 料保证，阻尼性能由粘弹性材料和这种约束层结构加以保证u 1 。 图1 - 1 复合钢板结构 表i - i 阻尼材料阻尼性能 材料名称损耗因子q ( 室温) 复合阻尼钢板 2 5 7 3 1 0 吨 a 3 钢 0 1 2 1 0 3 4 5 钢 0 0 8 1 0 3 美国阻尼钢板 3 6 - 7 0 1 0 3 日本阻尼钢板7 5 - - - 2 2 1 0 。3 橡木 8 1 0 1 0 3 混凝土 1 0 , - - - - 5 0 i 0 3 么、 天津工业大学硕士学位论文 如图1 2 可以所示，具有良好阻尼特性的高聚物材料随温度变化出现三种力 学状态，即玻璃态，弹性态和粘流态，这是高聚物材料内部分子随温度变化而处 于不同运动状态的客观表现。在较低温度下，高聚物材料呈玻璃态，在较高温度 下，呈弹性态或橡胶态。高聚物材料在玻璃态时，其弹性模量很高，分子运动的 能力很低，不能将机械能转化为热能消耗掉，阻尼因子很小。高聚物材料在弹性 态时，分子链段运动很容易，大分子链易适应于外力作用而卷曲或伸展，因而不 能吸收足够的机械能，阻尼因子也小，结果也起不到良好的减振效果。而在高聚 物由玻璃态转变为弹性态的温度( 玻璃化转变温度) 范围内，高聚物的弹性模量 大幅度降低，并伴随着明显的力学阻尼特性，这时高聚物具有高的阻尼因子，能 够吸收大量的振动能量。为保证层状减振复合材料具有良好的减振性能，选择高 聚物夹层材料的原则之一就是要求夹层材料具有高的阻尼因子值，其玻璃化转变 温度范围宽，即阻尼峰值范围大，而且要求其玻璃化转变温度范围与层状复合材 料的使用温度范围尽量一致n ，。 玻璃态 i 转变态i 弹性态 图1 - 2 高聚物材料的三种力学状态 1 1 2 减振复合钢板的生产方法 温度 层压减振复合钢板的压制方法主要有以下四种： 第一种是树脂片夹在钢板之间热压合，其优点是生产线简单，可以生产较薄 的减振钢板，有利于钢板的冲压成形。但是其夹层厚度下限为7 0 1 a m ，这种方法 只能限于热塑树脂薄膜，生产效率低，且树脂片厚度不均口1 ； 第二种是用溶剂性树脂溶液稀释涂抹在“布上制成涂布，干燥后夹在两层 钢板之间热压，其优点是可适用热塑树脂、热硬化树脂或其他树脂，树脂薄膜的 厚度容易控制缺点是生产线复杂，成本高，还要解决有害气体的收集处理问题； 第三种是用含偶联剂液态低分子树脂的涂布在钢板热压同时起偶联反应，这 种方法因使用特殊聚合物，其应用受到限制。 2 第一章绪论 第四种方法是将树脂加热溶化或溶剂溶解后滚涂在钢板上，待溶剂蒸发后进 行压制或轧制；这种方法具有许多优点，( 一) 夹层厚度可任意控制，能够制造 树脂层厚度较薄的减振钢板( 3 0 一- , 5 0 l a , m ) ，这有利于压力加工；( 二) 夹层材 料，可使用热塑性树脂，也可使用热固性树脂；( 三) 根据需要可将多种不同的 树脂混在一起进行涂刷，制得理想的层压减振复合钢板。该方法的缺点是在钢板 上涂刷树脂后需进行加热处理以加快溶剂挥发，以提高生产效率，这样使生产线 复杂化、成本高，且作业环境差口1 。 高聚物的选择一般遵循两个原则，第一，在使用温度区具有较大的损耗因子 值，以保证良好的减振性能；第二，对钢板具有好的润湿性，以保证较高的界面 结合强度。目前用作夹层的高聚物有醋酸乙烯、聚异丁烯、丙烯基改性聚乙烯、 聚氨酯、丙烯酸酯、聚乙烯醇缩丁醛等热塑性树脂和采用不饱和聚酯加异氰酸盐 系固化剂的热固性树脂。 1 1 3 减振复合钢板的应用 目前，复合型减振钢板在国内外已投产使用，在消音减振上取得了很好的效 果，如表1 2 所示，列举了它的主要应用方面。 表卜2 减振复合钢板的应用 应用领域用途 振动体外壳发电机、电动机、鼓风机、压缩机等 振动体自身压缩机、电动机托架、滑槽、料斗、滚筒、甲板、压力机机身 建筑材料高层建筑物的钢制阶梯或楼梯、门窗、百叶窗、卷帘式铁门、地板和屋顶 桥梁建筑 铁桥的铺面板、桥基、钢桁架 交通运输汽车发动机和汽车车身的周围部件、自卸翻斗车、船舶、飞机、摩托车 内燃机发动机溅油盘、汽缸盖、空气过滤器、发动机隔音板、铺板、驾驶室仪表板 工业设备 传送带、搬运机器的钢板结构、运输用集装箱、滑槽、挡板 音响机器音响机器的外壳、办公用机器、货币出纳机的外壳、激光设备的防振台等 防音罩各种机器的防音罩、大型消音器的钢板结构 如表1 2 所示，复合型减振钢板的应用范围非常之广。而且，对所用钢板的 种类没有限制，可根据具体工作条件采用不同种类的钢板，如普通钢板、表面耐 蚀钢板、耐磨钢板等等。不用说，还可用有色金属或合金板材或其他非金属板料 如柔性石棉板与粘弹性材料组合制成复合型减振材料阅。 3 天津工业大学硕士学位论文 1 2 减振复合钢板的研究背景 近几年来，随着经济和文化的发展，交通、建筑、生产等领域也得到了迅速 的发展，但由此也引来了一些问题。噪声和振动就是其中之一。经研究，人在噪 声及振动环境下生活不仅对人的情绪、脑力工作效率产生影响，而且对于睡眠、 休息影响更为严重，直接影响人体的健康。如果长期待在噪声和振动环境下会增 加各种疾病的发病率，如心脏病、高血压、听力下降、消化系统疾病等。噪声已 经列为世界三大公害之一。美国和欧洲制定了限制汽车噪声的法律，日本颁布了 “环境保护法”和“防止公害法 瓯6 】。我国也颁布了“环境保护法 和控制噪 声污染的单项法律。因此，机械产品的振动和噪声水平，日益成为产品质量的重 要指标，甚至也是衡量一个国家工业技术水平的一项重要指标。减振复合钢板的 出现引起了世界各国的普遍关注，用减振复合钢板制造的汽车油底壳等部件，可 大大减少噪声，提高了汽车的技术含量。作为建筑材料更有其广泛的用途和特殊 的优越性。在铁路桥下用作隔音板既防噪声又延长使用寿命，用减振钢板制造家 具既可发挥金属制品的优点又无噪声。它为噪声与振动的控制提供了有效的解决 方案。 1 3 国内外研究状况及问题的提出 国外：减振钢板的最初发明始于7 0 年代。1 9 8 0 年美国首先报道了减振钢板的 研制工作删。不久日本神户制钢所对作为防噪材料的减振复合钢板进行了研究 工作，并在东海道新干线防噪工程中和各种旋转机械等的振动机体盖罩之类的零 件上取得了成绩n 们。1 9 9 1 年俄罗斯的f r a n t s e n y u k 等人发表了用辐射法制备的复合 钢板的减振性能研究n 。1 9 9 3 年德国的h e i n z 报道了以可用b 射线或交联剂固化的 热熔粘接剂为中间层的复合钢板的研制羽。1 9 9 4 年法国的t r e m o u i l l e s 报道了树脂 层中带有导电金属粉末的导电型复合钢板的研制n 钔。同年，韩国飚m 报道了用有 限元素法分析复合钢板的v 型弯曲n 司。西方各国不断研制出新型高分子聚合物粘 弹阻尼材料，并已形成工业产品。到上世纪9 0 年代初，各种聚合物粘弹阻尼材料 已形成了系列化、标准化产品，发达国家约有十余家专门厂商可提供品种繁多、 各种牌号的阻尼材料，如美国的3 k 1 公司、e a r 公司和s u p 4 d o o a t 公司。英国的 c d a 一g u g y 公司等都有系列化的产品。目前，减振钢板在国外工业发达国家 中得到迅速发展。美、英、日、瑞典等国都形成了批量生产。各个国家在减振钢 板的各项指标方面定出了相应的标准和统一的检验、测试手段。其中，日本在减 4 第一章绪论 振钢板的研究和生产方面处于领先位置。 国内：我们于1 9 8 1 年开始了阻尼材料的研究，由上海钢铁研究所与浙江嵊 州市低噪声器材厂研制成功复合阻尼钢板并投入批量生产。在当时大量的应用阻 尼钢板噪声控制中，最为突出的是船舶降噪，经上海钢铁研究所的开发研究取得 重大科技成果。其次是低噪声滚筒机的研制成功，为撞击噪声治理找到新路。上 海钢铁研究所的张人德等对复合阻尼钢板性能进行了最早的研究n 5 。1 7 3 。之后，浙 江嵊县低噪声材料研究的王加成等人对复合阻尼钢板的性能及应用更进一步进 行了分析n 钔。进入九十年代，以山东工业大学的王成国n 一1 、北京科技大学的初 元璋眦1 和康永林2 1 、宝山钢铁总厂的吴洪军为代表的一些学者对复合减振钢板 的弯曲成形性、杯突成形性及拉伸剪切性能、温度依存性进行研究。2 0 0 0 # ! 后， 大连理工大学的吕成和张立文心8 删、湖南大学的陈明安口、山东大学的王成国口绷3 1 等人分别展开基于有限元的减振钢板的拉伸性能分析，酚醛树脂氯丁橡胶作夹层 的复合钢板的性能研究。 我国在减振钢板的研制方面近几年已开始起步，目前研究主要还是处于实验 室的样品制作和性能研究阶段，对于减振钢板的生产系统研究几乎为空白，大量 减振钢板要靠国外进口，这样大大的增加了国内生产减振环保用品的成本，减慢 国内对于噪声的控制速度。国内大部分复合钢板生产厂家生产出的产品由于在生 产过程中树脂材料温度控制和钢板压合时厚度控制精度不高，所以无法达到规定 要求，生产技术落后。目前国内仅有上海宝钢一家能够研制可生产符合性能标准 的减振钢板。可见，减振复合钢板的研究工作需更进一步的深入，能够生产出高 精度、高要求的复合钢板生产设备的研制工作急需快速研发。 1 4 主要研究内容及文章组织结构 查阅大量层压复合钢板生产设备及轧钢相关的文献资料，系统学习各种控制 方法，对国内外复合钢板生产技术有了详细的了解。根据设计中需要完成的控制 任务，重点对减振复合钢板温度控制系统进行研究、分析及设计，同时提出了复 合钢板生产过程中的张力及厚度控制方法。 根据生产过程中树脂材料涂敷均匀度对于其粘度要求及树脂在熔化状态下 粘度与温度的关系曲线，研究树脂在电阻炉内加热过程，分析树脂材料加热的状 态变化，建立树脂熔融层加热数学模型。设计减振复合钢板生产过程中关于树脂 材料加热炉的温度控制系统。恒温控制系统设计包括硬件电路设计、控制算法研 究、软件设计三个部分。 分别对厚度及张力控制系统进行研究及建模，以普通钢板生产过程中的张力 5 天津工业大学硕士学位论文 及厚度控制系统为基础，通过对复合钢板生产过程的分析，对比复合钢板与普通 钢板生产的不同，提出适合复合钢板生产的张力及厚度控制方法。 全文组织结构如下： ( 1 ) 温度控制系统硬件电路设计部分。采用p c 机一单片机3 z ) , a 式控制结构， 并对硬件电路所需功能进行分析。接下来对各功能电路分别设计、实现。最后对 电路设计及安装调试过程中所遇到的问题及解决方法进行总结。 ( 2 ) 温度控制系统的控制算法研究。由于被加热对像的模型的复杂程度及 根据控制需要建立小偏差情况数学模型。提出了三种控制方法，分别为p i d 控制、 模糊控制、模糊p m 控制。对这三种控制方法分别进行设计，最后对三种控制方 法优缺点进行对比分析，从而确定最佳控制方法一模糊p i d 控制。 ( 3 ) 温度控制系统的软件设计。分别对上位机及单片机软件要实现的功能 进行总体规划。再分别阐述实现各功能的编程思路。其中上位机主要实现模型计 算、数据显示、通信、手自动切换、报警及数据存储等功能；单片机主要实现数 据采集、通信及加热执行等。 ( 4 ) 张力及厚度控制系统的研究。分别阐述了张力及厚度控制系统的原理， 建立控制系统模型，最后设计出控制器的主要硬, f e e 组成及结构。 6 将有助 于对加深对所设计控制环节的分析、理解；与此同时正确的数字控制系统的设计 方法、设计步骤及指导原则控制系统设计成败的必要条件。因此，在系统的设计 之间必须对这两方面进行深入的了解。 2 1 复合钢板生产系统 2 1 1 系统组成及功能 减振复合钢板连续化生产设备主要用于较薄钢板的成卷生产，该套生产系统 可实现复合钢板钢板的批量生产，较现有生产设备生产效率有了很大的提高。预 期生产速度可达到3 0 米分钟，并可进行宽度为1 1 5 米、厚度为0 7 - 2 毫米范围 内不同尺寸的钢板生产。主要生产中间树脂夹层材料为热塑型树脂的复合钢板。 4 图2 - 1 复合钢板生产设备示意图 1 开卷机i ；2 树脂涂敷辊刷；3 树脂加热炉；4 - 研卷机i i ；5 机架；6 一 卷取机；7 复合钢板；8 成型辊电机；9 成型辊( 下) ；1 0 一支撑弹簧：1 1 导向柱；1 2 液压缸；1 3 成型辊( 上) ；1 4 喷雾冷却管； 如图2 1 所示，生产系统的机械结构主要由开卷机i 、开卷机、树脂加热炉、 轧制主机、风冷设备及卷取机组成。开卷机主要是将待生产钢板从上下来个方向 展开。树脂加热炉是树脂材料的加热装置，主要是将树脂材料加热至规定温度并 7 天津工业大学硕士学位论文 保持恒温，其下端配有辊刷，树脂材料加热完成后从箱体底端出口流出至辊刷， 轧刷将树脂材料涂于底部钢板。轧制主机主要由1 0 对成型辊、液压缸、导向柱及 直撑弹簧构成。轧制主机是钢板压制的主要部分，它主要是对涂好树脂材料的钢 板压制在一起，并达到规定厚度要求。风冷设备采用上下双向喷气制冷方式，对 压制好的钢板进行冷却操作，使钢板迅速降温以利于卷取。卷取机主要负责将生 产好的复合钢板卷取成卷，其中卷取过程中要求张力恒定。 减振复合材料生产过程由树脂材料加热、材料涂敷、钢板压制、钢板冷却及 钢板卷取这五个主要过程构成。生产流程如下： 1 参数输入。操作人员在参数输入界面输入加工过程中所需的各项参数， 包括树脂材料型号、加热温度、厚度要求等。 2 树脂加热。在加热炉内将树脂材料加热至规定温度，并维持温度恒定， 保证树脂材料的性质均匀。由于是连续化生产系统，所以要求树脂加热过程具有 加热速度快、恒温效果好等特点。 3 钢卷展开。将待生产钢卷以恒定张力展开，该过程主要起到平整钢板作 用。钢卷展开后即可进行树脂材料的涂敷工作。 4 钢板压制。将涂敷好的钢板压制成型，使其达到规定的厚度。在压制过 程中一方面将多余的树脂材料从钢板两侧挤出，通过回流槽回收树脂材料；另一 方面通过外部套橡胶套的辊子将两片钢板间的气泡挤出，提高复合钢板质量。 5 钢板冷却。压制后钢板仍处于高温状态，必须对其进行冷却，采用四组 喷雾冷却管对复合钢板进行风冷降温，通过调节流量既可调节冷却速度。 6 钢板卷取。将钢板进行恒定张力的卷曲，保证钢板质量并防止钢板出现 松卷现象。在卷曲过程中由于钢卷厚度相对于卷筒厚度不可忽略，所以要求卷取 机卷取过程是一个连续变速过程。 复合钢板生产过程示意图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 复合钢板生产过程示意图 本论文仅针对树脂加热、钢板压制、钢板卷取过程进行研究、分析。这三个 8 第二章复合钢板生产及控制系统设计简介 过程都需要进行控制，分别对应三个主要控制环节，即温度控制、厚度控制和张 力控制。 温度控制主要使树脂材料加热到规定温度，并在这一温度上保温，从而使复 合材料性质均匀，有利于均匀涂敷、压制。最终保证加工后复合材料夹层具的良 好的减振功能，温度控制精度1 。 厚度控制采用液压伺服系统为动力源，驱动上成型辊系运动，从而控制成型 辊轧缝的间距，保证成型辊出口处钢板的厚度在规定范围，厚度控制精度5 。 张力控制目的是控制开卷机、成型辊、夹送辊和卷取机处钢板运动的线速度， 使开卷机与成型辊、夹送辊与卷曲机之间产生恒定张力。保证开卷钢板的展平及 卷曲钢板的质量。张力控制精度1 。 2 1 2 多机通信 由于涉及到三个控制环节，考虑到实时性及控制器的处理能力，本系统采用 p c 机一单片机的主从控制系统，即集散控制系统。p c 机由于其运算能力强大、 管理能力强，它为主要控制器，分别进行三个控制环节的控制算法计算，及设备 的管理。采用三台单片机分别负责温度、厚度、张力控制环节的数据采集及执行 功能。这样一来，既发挥了p c 机高速处理能力的优点，又发挥了单片机体积小、 适于小型管理、方便安装的优点。实现了数字化、模块化、高速化的现代生产控 制理念。多机通信框图如图2 3 所示。 图2 - 3 多机通信框图 本课题研究的三个控制系统不是相互独立的，在一定程度上是相互影响和制 约的。温度控制和厚度控制的好坏直接影响钢板生产的最终质量，温度控制在前， 厚控制在后，两个控制精度都要保证在允许范围内。只采用温度控制或者是只采 用厚度控制都不能使钢板达到要求的质量；张力控制和厚度控制同时对钢板的厚 度产生影响，厚度控制是影响钢板厚度的主要因素，张力是次要因素。所以钢板 9 天津工业大学硕士学位论文 的厚度的确定是以厚度控制为主的，张力控制仅是在厚度控制无法达规定要求时 起到辅助的补偿作用。 在这三个控制环节中温度控制是整个生产系统的首要环节，温度控制的好坏 将影响到材料涂敷时的均匀度，这将给后续的压制成型的厚度产生重要的影响。 温度控制效果的好环将直接影响最终产出复合钢板的质量，所以本文重点对树脂 材料的加热控制过程进行探讨研究。 2 2 温度控制系统 2 2 1 温度控制的意义 本课题研究的生产系统采用的是树脂熔化涂敷到钢板后进行冷压合，此种生 产方法具有生产线简单，生产成本低，可以生产较薄的减振钢板，有利于钢板的 冲压成形，生产效率较高，但在生产过程中树脂材料在涂敷到钢板时厚度不均， 从而会导致生产出的钢板性能下降。这样一来，分析并解决造成树脂材料在涂敷 过程中厚度不均的问题，就可以提高减振复合钢板的生产性能。 首先用于复合钢板生产的树脂材料在熔化状态当温度升高时，树脂材料的粘 度降低。也就是说在熔化状态的树脂材料在不同温度条件下其粘度不同。粘度直 接反应液体的流动性质。如果树脂材料在加热时各部分温度不同，从而粘度不同， 所以在涂敷在钢板时引起树脂层厚度不均。另一方面由于树脂材料流动性不同， 在钢板压制过程中很难达到理想的厚度控制精度。同时，在树脂固化时由于温度 的不同也将对最终钢板的厚度产生影响。 根据调查，工厂在对树脂材料进行涂敷之前，仅对材料进行加热熔化操作， 未对其进行温度恒定控制。所以导致了上述分析的问题的出现。由此可知，树脂 材料在加热熔化时对其进行温度控制是非常必要和重要的。温度的控制有利于解 决树脂涂敷不均问题、提高压制精度。 应该注意到，将温度控制到一定范围内的同时，在保证树脂材料性质适于进 行生产操作的前提下，应尽量选择较低温度的控制，这样对于节约能源、降低成 本有一定的作用。 2 2 2 树脂加热炉 树脂材料的加热控制主要功能是将粘弹性热塑树脂材料在加热炉内熔化为 液态，并使材料的温度达到某一恒定值，在这一温度值的条件下树脂材料的黏度 适于进行涂敷。树脂材料的热传导性较差，并且在生产过程中需要不断的往加热 1 0 第二章复合钢板生产及控制系统设计简介 炉内添加材料，这就会导致加热器件周围树脂熔化快，远离加热器件的树脂熔化 缓慢，要想将树脂材料完全熔化需要的加热时间长。这就要求加热器具有加热效 率高，易于控制等特性。因此，采用箱式底部加热电阻炉，在箱顶部补充树脂材 料，在箱底部流出可涂敷的熔融树脂。结构如图2 4 所示。此种电阻炉在加热树 脂材料时采用局部集中加热，加热效率高，易于控制。 进料口 同 命恒器g i 呈! ! ! ! l 图2 - 4 电阻炉结构图 电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热 的工业炉。它具有结构简单、炉温均匀、便于控制、加热质量好、无烟尘、无噪 声等优点。但是，电阻炉是具有大滞后、非线性、时变性和不对称性等点。滞后 主要是容积滞后，炉体的结构、容量的大小、测温元件及其安装的位置等都影响 着滞后的大小；电阻炉随着使用时间的增加其内部的保温、绝热材料也会随之老 化，这就导致电阻炉温特性也会随着时间有所变化；在电阻炉的加热过程时温度 的升高采用加热方式，温度的下降则要靠自然冷却。升温时响应快，而降温时响 应慢3 4 啪1 。 对于被加热的树脂材料，其具有大比热容、低热传导率，其升温的过程存在 一定的滞后性；树脂加热时伴有固体熔化过程这就加大了控制过程的复杂程度。 再之，材料的进料及涂敷导致炉内容积、成份处于不断变化状态。 根据以上分析，整个树脂材料加热过程具有滞后性、时变性，并伴有一定的 随机性，这样一来，控温对象的模型建立异常复杂，要求控制器设计时考虑降低 对被控模型的依懒性，并且具有一定的自学习能力。 2 3 计算机控制系统数字控制器的设计思路 典型的计算机控制系统既不是一个纯粹的连续控制系统，也不是一个完全的 离散控制系统。计算机控制系统中的核心环节，即数字控制器环节，是由计算机 通过软件编程的方式来实现的，但系统中的被控对象，却是连续环节，其只能提 天津工业大学硕士学位论文 供模拟状态信号，也只能通过模拟执行机构接收模拟控制信号。由此，决定了计 算机控制系统的分析和设计方法，具有不同于模拟控制系统的特点，其中数字控 制器的算法设计是系统分析和设计的关键口 。 2 3 1 连续域一离散化的设计方法 目前，数字控制器及计算机控制系统的设计，通常可以采用两个途径。 连续域一离散化的设计方法又称为数字控制器的间接设计法，其基本思路是 第二章复合钢板生产及控制系统设计简介 离散域设计法又称为数字控制器的直接设计法，其基本思路是把计算机控制 系统假想为全离散系统，如图所示。 如图2 6 所示，系统中所有连续信号均被隐含在虚线框内，对外表现的a 、b 、 c 各点均为离散信号。假定把整个虚线框内部，看作离散系统的一个环节，就可 以在离散域中，直接进行数字控制器设计。 给定系统 ； 警- p 叫熬卜 i d a i l 零阶 i 模拟执l i 被控i 输出! ， 转换器厂 保持器ll 行机构厂 对象i 一 i i 计算机 i c i a d信号检 i l 转换器测装置 i i 图2 6 计算机控制系统离散域等效结构框图 与间接设计法相比，直接设计法有下列两个特点： 其一，需首先确定采样周期，然后再进行综合设计，从原理上讲，在离散域 中进行算法设计时，采样周期可以任意选择，但实际上，采样周期的选择要受到 很多因素的制约。 其二，经过