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硕i ：学位论文盘速流涎机纽自动控制系统研究 摘要 高速流涎机组是一类复杂的机械产品，高速化、智能化、精密化是高速流涎机 组发展的方向。论文以高速流涎机组为研究对象，以构建高速流涎机组自动化控制 系统为目标，对相关控制技术进行了研究，并设计和开发了相应的控制系统。论文 主要的研究内容如下： 首先，研究了高速流涎机组自动控制系统的两大关键技术，即现场总线控制系 统技术和监控系统软件技术，分析了高速流涎机组控制需求，主要是对机组张力及 流涎辊温度特性需求的分析。在此基础上，提出了基于现场总线的高速流涎机组自 动控制系统总体方案。 其次，为了实现高速流涎机组恒张力控制，对其拉仲和收卷张力进行了研究。 对拉伸张力控制提出了复合控制方案，进行了张力分析，建立了系统模型。而由于 收卷张力不断变化，难以建立精确模型，故采用模糊控制方法对收卷张力进行控制。 最后利用s i m u l i n k 分别对拉伸和收卷张力进行了仿真，验证了其可行性。 再次，研究了流涎辊温度特性，主要包括流涎辊的结构介绍及分析，流涎膜流 涎过程的机理分析。根据温度控制需求，提出了模糊p i d 控制算法，并将其应用到 流涎辊温度控制系统中。 最后，对高速流涎机组控制系统实现技术进行了研究，包括硬件选型和控制系 统网络结构的设计，并对控制系统软件功能进行了设计和丌发。 关键词t 高速流涎机组，现场总线控制技术，张力控制，温度控制，模糊p i d 控 制算法 a b s t r a c t高速流涎机组自动控制系统研究 a b s t r a c t h i 曲s p e e dc a s t i n gm a c h i n ei sa k i n do fc o m p l e xm e c h a n i c a le q u i p m e n t h i g hs p e e d ， i n t e l l i g e n c ea n dh i g l aa c c u r a c yi st h ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dc a s t i n g m a c h i n e t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i st h e s i si sh i 曲s p e e dc a s t i n gm a c h i n e i no r d e rt o c o n s t r u c ti t sa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，s o m ei n t e r r e l a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g i e sh a v eb e e n r e s e a r c h e d ，a n dr e l e v a n tc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e mt e c h n o l o g ya n dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r e t e c h n o l o g y ，w h i c ha r et w ok e yt e c h n i q u e so fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fh i g hs p e e d c a s t i n gm a c h i n e ，h a v eb e e nr e s e a r c h e d t h ec o n t r o lr e q u i r ec h a r a c t e r i s t i co fh i g l ls p e e d c a s t i n gm a c h i n eh a sb e e na n a l y s e d ，m a i n l yc o n t a i n i n gt e n s i o no fm a c h i n ea n dt e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i co fc a s t i n go fr o l l e r b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e ，t h ec o l l e c t i v i t yt e c h n o l o g y b a s e do nf i e l d b u sh a sb e e np u tf o r w a r dt oc o n s t r u c tt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fh ig h s p e e dc a s t i n gm a c h i n e s e c o n d l y , i no r d e rt o r e a l i z et h ei n v a r i a b l et e n s i o nc o n t r o lo fh i 曲s p e e dc a s t i n g m a c h i n e ，t h ep u l la n dw i n d - u p t e n s i o no f h i g hs p e e dc a s t i n gm a c h i n eh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h ec o n t r o lo f p u l li n v a r i a b l et e n s i o nh a sb e e np u tf o r w a r d ，t h et e n s i o nh a sb e e na n a l y s e d , t h es y s t e mm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d b e c a u s eo fc o n t i n u o u sc h a n g i n go fw i n d u p t e n s i o n ，a n dt h ea c c u r a c ym o d e li sh a r dt oe s t a b l i s h ，f u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ch a sb e e n c h o s e nt oc o n t r o lt h ew i n d - u pt e n s i o n a tl a s t ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do n b ys i m u l i n kt ov a l i d a t ei t sf e a s i b i l i t y t h i r d l y ，t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co fc a s t i n gr o l l e rh a sb e e nr e s e a r c h e d ，w h i c h i n c l u d e ss t r u c t u r ea n da n a l y s i so fc a s t i n gr o l l e r ，a n dm e c h a n i s ma n a l y s i so fc a s t i n g p r o c e s s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft e m p e r a t u r ec o n t r o l ，t h ef u z z y p i d c o n t r o l a r i t h m e t i ch a sb e e np u tf o r w a r da n da p p l i e dt ot h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fc a s t i n g r o l l e r f i n a l l y ，t h e c o n t r o ls y s t e mo fh i g hs p e e dc a s t i n gm a c h i n eh a sb e e nd e s i g n e d ， i n c l u d i n gt h ed e t e r m i n a t i o no fh a r d w a r e ，c o n s t r u c t i o no fc o n t r o ls y s t e ma n dd e v e l o p m e n t o fs o f e w a r ef u n c t i o no fc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：h i g hs p e e dc a s t i n gm a c h i n e ，f i e l d b u sc o n t r o lt e c h n o l o g y , t e n s i o nc o n t r o l ， t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，f u z z yp i d c o n t r o la r i t h m e t i c i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：跏暑年z 月习日 硕l ：学位论文矗速；：i ；c 涎机组自动拎制系统研究 1 绪论 1 1 论文研究背景和意义 塑料是除木材、水泥、钢铁以外，当今人类使用最广泛的四大工业材料之一。而 在塑料制品中，薄膜产品又占有相当比重并且有不断增加趋势。据悉，美国塑料薄 膜的需求量每年增加2 6 ，2 0 0 6 年达到7 0 亿公斤。与其它材料相比，薄膜的发展 取决于它的成本优势和性能优势，以及它的技术工艺和加工方法的不断改进。由于 薄膜生产成本低，应用面广，社会需求量大。据有关资料介绍，国外发达国家塑料 薄膜的人均年耗量在1 公斤左右，而国内目前的人均年耗量仅为0 2 公斤左右，因 此薄膜的生产已经成为塑料行业重要的组成部分【2 j 。 流涎法是塑料薄膜的最主要生产方法之一。与其他方法相比，流涎法生产速度 快，产量高，薄膜的透明性、光泽性、厚度均匀性等都很出色。同时，由于流涎膜 是平挤薄膜，其后续工序，如印刷、复合等都极为方便，因而被广泛应用于食品、 医药用品、纺织品、鲜花、日用品的包装【3 j 。 我国聚丙烯流涎薄膜( c p p ) 的生产始于2 0 世纪8 0 年代初期，陆续从日本、 德国等国家引进约1 0 台单层流涎生产线，形成了最早的c p p 行业，生产厂家包括 江苏无锡彩印厂、重庆塑料厂以及四川成都塑料厂等。由于产品的单一和功能的限 制，目前部分设备已经停产。1 9 9 4 1 9 9 5 年间出现了第2 次流涎设备的引进热潮， 这期间引进的设备多为三层或五层共挤流涎装置，主要是德国r e i f e n h a u s e r ( 莱芬 毫舍) 、b a r m a g ( 巴玛格) 、b a t t e n f e l d 、g l o u c e s t e r 公司、日本三菱重工公司、r 本 制钢公司、奥地利l e n z i n g ( 兰精) 公司、意大利c o l i n e s ( 克林斯) 公司。三层和 五层共挤流涎设备的出现，使得生产速度、规模急速提高，同时也极大地拓宽了聚 丙烯流涎薄膜产品对原材料的要求，不同材料的选用赋予了产品更多的功能和用 途。近几年，随着消费市场的加强，新领域、新产品的不断出现，聚丙烯流涎薄膜 的发展得以加速。1 9 9 9 年至今竣工的生产线的生产能力已经达到6 0 万吨。其中， 上海紫腾包装材料有限公司三菱重工生产线膜宽4 3 米，年生产能力为6 0 0 0 吨。南 京中达公司2 0 0 0 年投产的巴顿菲尔德设备最大膜宽已经达到4 7 米，单线生产能 力为7 0 0 0 吨年；天津胜达公司2 0 0 2 年竣工生产线模头宽度为5 米，膜宽4 8 米， 年生产能力为1 0 0 0 0 吨。到目前为止，全国聚丙烯流涎薄膜的生产厂家有3 0 多家， 生产线4 0 多条，总生产能力约为1 7 万吨年，生产厂家主要集中在华东和广东地区， 他们约占全国总产量的三分之二，华北和福建也分布了一些生产厂家。 市场对流涎薄膜的强劲需求，决定了流涎薄膜加工设备的巨大发展潜力。国际 第l 章绪论硕：i ：学位论文 上c p p 、c p e 等多层共挤流涎薄膜生产设备开始于上个世纪的8 0 年代，进入9 0 年代 后，随着流涎成型技术和原材料技术上的突破性进展，加上国家经济发展，民众生 活水平的提高，市场需求量的增加，因此多层共挤流涎膜生产线发展很快。经过多 年的发展，目前达到一定技术水平。德国r e i f e n h a u s e r 、b a r m a g 、b a t t e n f e l d ，奥地 利l e n z i n g 公司，日本三菱重工、制钢所等公司，在薄膜幅宽、薄膜厚度、收卷线 速度、最大卷径、生产能力等主要技术性能和控制技术上均处于世界领先地位。例 如b a t t e n f e l d 公司新近研发的食品薄膜生产线，含9 台挤出机，可以生产1 7 层的流 涎薄膜，预期未来甚至可能达到3 4 层。奥地利s m l 兰精公司2 0 0 4 年交付的一条 具有世界上领先水平的拉伸缠绕膜生产线，生产2 5 0 0 m m 宽度的5 层拉伸缠绕膜， 实际生产速度达到6 0 0m m i n 。而该公司的c p p 流涎薄膜生产线，在幅宽5 0 0 0 m m ， 层数3 层的情况下，实际生产速度稳定达到3 5 0m m i n 以上岭】。 由此可见，提高流涎薄膜机组生产效率，即在宽面幅、多层数及高稳定性可靠 性的前提下，尽量提高机组运行( 流涎和收卷) 速度，是各流涎薄膜设备生产厂商 共同的追求目标。而要实现这一目标，关键是要解决制约运行速度提高的那些难题。 在高速运行条件下，薄膜流涎稳定优质冷却定型问题和恒张力控制是本专业目前带 有普遍性的技术难题。这些难题的解决，还有赖于对流涎加工过程机理和薄膜收卷 过程动力学特性这些关键理论问题进行深入的研究。例如兰精公司的6 0 0m m i n 生 产速度拉伸缠绕膜生产线，正是依靠研发了减少薄膜的流涎颈缩现象的模头封包和 灌装混凝土的锚固桩减震这两项关键技术才得以实现的。这说明针对流涎薄膜设备 的关键理论问题进行基础性研究，进而研发具有自主知识产权的核心技术，是提升 该类产品性能品质的必由之路，此项工作具有不可忽视的科学和应用价值畔j 。 我国从8 0 年代中期丌始引进单层结构的流涎薄膜机组。进入9 0 年代后，开始 从德国、日本、意大利、奥地利等国引进了先进的多层共挤生产线。随着经济的发 展，人们生活水平的提高，薄膜用量急剧增加，包装业进入快速发展期。特别是进 入新世纪后，为了满足市场需求开始大量引进国外先进的流涎薄膜生产线。据资料 统计，目前国内已有进口的多层共挤流涎薄膜生产线约7 0 条。如果每条线平均以 2 0 0 0 万元计算，仅此一项，就是几十亿元人民币。但非常遗憾的是：国内直到2 0 0 3 年尚无国产机组问世。进入2 1 世纪以后，在流涎膜市场需求的推动下，国内生产 塑料薄膜设备的制造商就将多层共挤流涎薄膜生产线的开发作为自己的新的目标。 2 0 0 4 年，南通三信公司率先在国内开发成功首台s d l z 2 1 0 0 型多层共挤流涎薄膜机 组，填补了国内空白。随后广东仕诚等公司也研发成功自己的流涎薄膜机组。令人 遗憾的是，虽然国产多层共挤流涎设备的制造能力取得了长足进展，但与国际先进 技术相比较，在数字化、智能化操作控制，机组的薄膜收卷速度，生产薄膜厚度误 差，薄膜幅宽关键指标等方面，还存在一定的差距。近年来国内企业生产机组幅宽 2 硕1 ：学位论文一矗速流涎机纽自动控制系统研究 2 0 0 0 m m 薄膜的实际生产速度仍然在1 0 0m m i n 左右徘徊。高速试车时屡屡发生强 烈振动、薄膜撕裂、缠绕卷偏，厚度误差超差等现象。这与过去我们过多依赖于仿 制、对设备基础性研究和开发具有自主知识产权的核心技术重视不够、投入不足有 密切关系。随着经济的国际一体化，国际国内的竞争力同益激烈，国产多层共挤流 涎设备要迎头赶上，求得生存和发展，必须在这方面下大力气。 本课题正是在这一背景下提出的。它从装备的视角出发，以宽幅面、多层复合 共挤条件下实现高速高效稳定流涎收卷生产为目标，来研究塑料薄膜流涎加工过程 ( 含收卷) 和装备( 塑料薄膜高速流涎机组) 技术参数各自的规律和相互的联系， 并以此作为改进生产工艺和提高相应的生产装备的技术水平的依据，以实现流涎机 组高速化、智能化、精密化。 综上所述，要实现高速流涎机组的高速化生产，对高速流涎机组的自动控制进 行研究是一项很重要的内容，要保证薄膜的质量，就要对影响薄膜质量的恒张力控 制和温度控制进行研究。我国的流涎薄膜技术才刚刚起步，与国外还有很大的差距， 很多的基础性的研究是必不可少的。本课题正是顺应了这种要求，既有理论研究， 又有生产实用性。 1 2 流涎薄膜生产工艺和装备简介及其发展趋势 流涎薄膜生产工艺流程如下：树脂经挤出机熔融塑化，从机头通过狭缝式模口 挤出，浇注在流涎辊上，塑料急剧流涎，然后雨加热、拉伸、卷取。挤出成型时， 薄膜成片状。在包装领域中，将这种平片状的薄膜称为流涎薄膜， 2 1 。其工作流程 如图1 2 1 所示。 第1 幸靖论砸l ：学位论卫 再 剧12 1 流涎薄膜生产的【= 艺流程幽 典型的流涎薄膜生产机组如图122 此机组主要由挤出、流涎、测厚、电晕 收眷五大部分组成下面对流涎机组的五个部分作一介绍口3 ，”。 1 挤山2 流挺3 - 测厚4 l b 翠5 - 收卷 圈l2 2 典型的流诞薄膜生产机组示意图 ( 1 ) 挤出挤出部分的作用是将树脂材料经过加热、混炼成塑化状态，然后以一 定的压力通过模头挤出成薄膜坯料。挤出部分得到的薄膜坯料再经过流涎过程制成 所需要的薄膜产品。在挤出成型过程中，要求能实现自动上料、加热塑化、多层复 颂j ：学位论文 蔫速流涎机组白动控制系统研究 合、均匀挤出。挤出装置由供料系统、挤出机、分配器以及模具等组成。 ( 2 ) 流涎由挤出机头得到的薄膜坯料温度很高，基本上还处于熔融状态，所以 必须尽快对其进行流涎将其形状保持下来。这时，坯料的厚度也比薄膜要厚很多， 需要利用牵引的张力在流涎定型之前通过变形将厚度减小到所需尺寸。另外，由于 牵引的作用薄膜坯料在流涎定型之前幅面及厚度尺寸都将发生变化，而且变化不均 匀，一般幅宽的两侧变化较大而中间变化较小，从而造成两边厚中间薄的现象，因 此，要求薄膜坯料在离开挤出机头之后要迅速贴辊以减少变形。 ( 3 ) 测厚流涎膜流涎定型后，被牵引进入非接触式的射线测厚仪的区域。在 线测厚，据此调节模唇间隙。对于使用自动调节模头的机组，测试信号被反馈给控 制系统，由控制系统给模头对应位置的热动螺栓发出信号，改变模唇间隙，自动控 制厚度偏差。 ( 4 ) 电晕流涎薄膜的平整度和光洁度都较好，但其附着力较差。为了提高薄膜 表面张力，必须进行电晕处理，以增加薄膜在印刷、复合等后加工时与油墨或其它 基材的粘合强度。该装置是将2 1 0 0 千伏，2 2 0 千赫的高频高压施加于放电电极 上，以产生大量的等离子气体及臭氧。处理薄膜的原理在于电晕放电时，产生的大 量等离子气体及臭氧与聚烯烃表面分子直接或间接作用，使其表面分子链上产生碳 基和含氨基团等极性基团，并能粗化其表面。同时还能除去油污、干燥水气和尘垢。 ( 5 ) 收卷拉伸薄膜离丌牵引机后，立即进入薄膜收卷机。薄膜通过收卷机的张 力控制辊、展平辊、跟踪辊( 接触辊或压紧辊) ，最后缠绕在收卷机的卷芯上，完 成薄膜成型加工的过程。 以上简要介绍了流涎薄膜的生产工艺和生产设备，下面阐述一下流涎薄膜生产 设备的现状和发展趋势。 纵观全球塑料薄膜生产设备行业可见，国外的一些国家，像意大利，德国，奥地 利等，多层共挤流涎设备的制造能力，已取得了非常好的发展，拥有很多的国际先进 技术。意大利的道而奇公司生产的多层共挤流涎薄膜生产线的最大生产速度已达 5 0 0 m m i n ，多层共挤层数已达9 层。而其生产线的智能化全自动控制更是处于全球的 领先水平，其实现了设备的运行、管理的智能化，实现了基于远程技术的售后服务， 可以通过因特网实现远程监控，诊断和维护。奥地利兰精公司研制的多层共挤流涎薄 膜生产线生产的薄膜最大宽度已达5 2 0 0 m m ，卷取直径也可达1 0 0 0 m m 。国外的塑料薄 膜生产设备已趋向大型化，精密化。 我国流涎薄膜的生产起步较晚，基础较为薄弱，但发展速度较快。经过近2 0 年来的不断发展壮大，流涎薄膜加工工业在我国目前的包装行业中已成为具有相当 生产能力和生产水平的朝阳产业。我国一些厂家在2 0 0 1 年已开始研制开发国产化 第1 章绪论 硕上学位论文 c p p 、c p e 流涎薄膜生产线：2 0 0 4 年初我国首台s d l z 2 1 0 0 型多层共挤流涎薄膜机 组开发成功，该机组主要技术指标如表1 2 1 所示。 表1 2 1 机组主要技术指标 性能指标 最大生产线速度 口模最大宽度 薄膜厚度 最人生产能力 多层共挤最火层数 收卷直径 薄膜厚度误差 18 0 m m i n 3 0 0 0 m m o 0 2 0 0 8 m m 5 0 0 k g h 3 8 0 0 m m 小于等丁5 在一些技术先进的厂家，在流涎薄膜生产过程中流涎辊辊面温度控制精度误差 可以精确到o 5 1 ，而且辊面上各个点的温差在1 范围内。在冷却水的温度控 制中，国外一些厂家采用了非常先进的智能化控制，能够根据加工材料、挤出温度、 尺寸和环境温度的变化预测水温变化趋势，实现水温控制系统的反馈。 目前，塑料薄膜生产设备最新技术呈现出以下几个快速发展的趋势【2 6 2 9 ， ( 1 ) 薄膜层数不断增加 当前，国外主要薄膜设备生产厂家的多层共挤流涎薄膜最高层数已达到9 层。 ( 2 ) 高速高效 设备的薄膜生产宽幅不断增大，收卷线速度大大提高，生产能力快速增长，设 备的性价比极大地提高。目前，国外领先水平的多层共挤流涎薄膜生产线的线速度 已达到6 0 0 m m i n ，而国产的多层共挤流涎成型机组的线速度目前尚未超过 2 5 0 m m i n 。 ( 3 ) 自动化程度和控制精度不断提高 采用完全数字化和人工智能控制技术，进一步提高设备的自动化程度，实现运 行、管理的智能化，以保证生产线可靠、方便操作与运行，降低对操作工人的技术 要求，减小操作工人的劳动强度。实现了基于远程技术的售后服务。传统的售后服 务是服务人员的现场服务，不仅费时费工，而且影响对用户的及时服务。引入网络 化技术可以通过因特网实现远程监控、诊断和维护，从而可以克服时空障碍更好地 为客户服务，保证设备安全可靠地运行，同时也可以为设备生产厂家创造更大的发 展空间。 ( 4 ) 大型化和精密化 在我国的塑料薄膜生产设备中，中、小型的设备大多已实现国产化。但能够为 国家重点建设服务的大型装备，则多数依赖进口。因此加快大型装备国产化进程是 6 堡：! ：兰垡笙苎! 叠望垫鳖! ! 丝鱼苎丝型圣竺塑塑 当前一个主要的方向。而精密化可以提高产品的含金量，是发展国产塑料薄膜生产 设备的必由之路。 ( 5 ) 生产模块化和专业化 “模块化”生产可以缩短新产品的研发周期，可以适应不同用户的特殊要求，降 低成本，争取更大的市场份额。实现关键部件的定点工厂专业生产是保证整机质量、 降低成本的重要途径。 1 3 相关技术发展研究综述 高速流涎机组是一类复杂的工业对象，对复杂工业对象的控制往往存在四个方 面的复杂性：对象特有的非线性时变特性、对象和环境的模糊不确定性、工业系统 存在各种实际约束条件以及对控制系统各项性能指标要求的综合性【1 3 2 1 。对高速流 涎机组的控制有来自于对象自身特有的复杂性，但就研究内容而言，相关控制技术 在工业自动化系统中又具有一定的普遍性，相关技术的发展研究现状可作为论文研 究工作的基础。本节将概述相关技术的发展研究状况。 1 3 1 恒张力控制发展研究现状 恒张力控制，不仅是薄膜生产，也是造纸、印刷、纺织以及其他相关行业共同 的难题。很多学者对恒张力的控制做了大量和深入的研究。 窦春霞【7 j 提出了基于自适应控制的恒张力控制用来对四辊可逆冷轧机张力进行 控制，设计了自适应控制系统，分别设计了电压内环、电流环、转速环和张力环。 前三坏为内环，采用p i d 调节器控制，张力环采用模型参考自适应控制。在恒张过 程中内三环调节器相互连接，相互配合；在恒张轧制中，电压环、电流环和张力环工 作，它们相互配合起调控作用。最后仿真研究得出系统具有很强的鲁棒性，具有很 大的实际应用价值。 张殿华【8 】等人针对板带热连轧机活套的高度和张力控制问题，提出一种新的多 变量解耦控制策略。通过逆n y q u i s t 曲线对角占优性的强弱判定其耦合程度，并采用 伪对角化方法使补偿后的活套高度和张力控制系统具有对角占优的特性。最后用对 活套多变量控制系统进行仿真实验，结果表明解耦后的活套控制系统可获得更好的 控制效果。 康家玉【9 】等人建立了复卷机退卷张力控制的数学模型，并结合张力控制的具体 要求，研究了实用的张力控制方法及其具体实现措施。 何致远【lo j 对织物开卷张力控制进行了研究，由于开卷张力对象的数学模型复杂， 引入了智能控制策略。设计了基于模糊控制的开卷张力控制器，并给出了仿真和实验 结果。得出了采用模糊控制策略较之常规p i d 控制具有超调量小的优点，同时其鲁棒 第1 章绪论 硕： ：学位论文 性也较好。说明引入模糊开卷张力控制器是可行的，且其控制效果较好。 尹征琦】等人讨论了采用张力模型的张力控制系统，构造了一种应用递推最小 二乘法估计变参数的自适应张力控制系统，并讨论了在复卷机控制系统中的应用。 赵德安 1 2 】等人提出了基于p l c 和p r o f i b u s d p 总线的张力自适应控制系统，针 对带薄膜的放卷辊直径变化范围很大，放卷辊的转动惯量变化范围很大，系统中采用 了自适应控制原理，由p l c 、变频器及光电编码器构成转速环，并在放卷机转速环 的前向通道中，设置1 个与放卷辊直径的平方成比例的系数，以抵消其转动惯量的 变化，使转速坏在放卷辊直径变化时始终具有良好的动态性能。仿真实验结果验证 了该方法的有效性。实际使用也得到了优良的张力控制效果。 综观上述这些研究，都是对理想状态下的生产过程的模拟，其中对模型的假设 较为粗略，在模拟时对外界工作环境没有充分考虑，而且采用的模拟方法都过于简 单，不能足以精确地计算出张力变化的规律，这些都是有待进一步研究的方面，希 望从中总结出更为本质的结论。 一些学者对张力控制做了一些研究，但大多数学者采用的是数值编程计算，把 张力控制过程简化成极易编制程序计算的结构，对整个工作过程没有充分考虑，故 对控制过程中发生的一些状况就会估计不足，这就极有可能造成计算结果的失真程- 度比较大。由于我国张力控制起步较晚，基础较为薄弱，研究资料甚少。对张力控 制还有很多的工作要做。 1 3 2 温度控制发展研究现状 “ 温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电 子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，传统的继电器 调温电路简单实用，但由于继电器动作频繁，可能会因触点不良而影响正常工作。本 文就最近几年快速发展的p i d 控制、模糊控制、以及神经网络在温度控制中的应用 做一综述n 引。 ( 1 ) p i d 控制 p i d 控制即比例、积分、微分控制。自1 9 世纪4 0 年代开始以来，广泛应用在 工业生产中，长期以来，由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可以 实现满意的控制。温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，差值作为p i d 功能块的输入。p i d 算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数， 利用修改控制变量误差的方法实现闭坏控制，使控制过程连续，是很普通的调节方 法。其缺点是现场p i d 参数整定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控 制漂离最佳状态。 文献 1 4 提出一种p i d 参数自整定的温度控制算法，采用简化临界比例度整定 顶 ：学位论义高速流涎机组自动拄制系统研究 法，只需整定一个参数，提高了参数的整定效率，用编程的方法实现在线参数自整定。 应用这种规则的系统特点是其瞬态响应超调量小，抗干扰能力强，且振荡有足够的 阻尼，具有良好的选择性和灵敏度，效果得到了改善。针对大功率二极管应用中的 技术困难，文献 1 5 】提出开关型大电流双向输出模型和含p i d 调节器的双闭环控制。 ( 2 ) 神经网络控制 人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数理模 型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它 用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反 向传播算法( 即b p 算法) 应用最为广泛。 温度控制系统由于负载的变化以及外界干扰因素复杂，而p i d 控制只能对电参 数的影响做精确的计算，对于外界坏境的变化只能做近似的估算，影响控制精度。人 工神经网络以其高度的非线映射，自组织，自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线 性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能力强，算法简单，且易于用硬件和软件实现。 训练方法实际是网络的自学习过程，即根据事先定义好的学习规则，按照提供的学习 实例，调节网络系统各节点之间相互连接的权值大小，从而达到记忆、联想、归纳等 目的。在温控系统中，将温度的影响因素如天气、气温、外加电压、被加热物体性质 以及被加热物体温度等作为网络的输入，将其输出作为p i d 控制器的参数，以实验数 据作为样本，在微机上反复迭代，随实验与研究的进行与深入，自我完善与修正，直 至系统收敛得到网络权值达到自整定p i d 控制器参数的目的。m n n ( m e m o r y n e u r o nn e t w o r k ) 在每个网络节点增加了记忆神经元，在学习动态非线性系统时，不需 知道实际系统过多的结构，同时当系统滞后比较大时不会造成网络庞大难以训练【i6 1 。 ( 3 ) 模糊控制 模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经 验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化 的对象。电力系统的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在参数变化的问题。 p i d 控制简单、方便，但难以解决非线性和参数的变化，模糊控制不需要装置的精确模 型，仅依赖于操作人员的经验和直观判断，非常容易应用。模糊温控的实现：( 1 ) 将温控 对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则，例如，i f 温度太 高o r 温度正在上升，t h e n 减少控制输入，或风冷。将这些模糊规则写成模糊条件语 句，形成模糊模型。( 2 ) 根据控制查询表，形成模糊算法a ( 3 ) 对温度误差采样的精确量 模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相 应的控制量，变成精确量去驱动执行机构，调整输入，达到调节温度，使之稳定的目的。 同传统的p i d 控制比较，模糊控制响应快，超调量小，参数变化不敏感 1 7 】。 ( 4 ) 模糊控制与p i d 结合( f u s s y - p i d ) 9 第1 章绪论硕士学位论文 模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点是 不需知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对象参数 变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于对 控制系统设计分析和标准缺乏系统的方法步骤，规则库缺乏完整性，没有明确的控制 结构。p i d 控制器结构简单，明确，能满足大量工业过程的控制要求，特别是其强鲁棒 性能较好适应过程工况的大范围变动。但p i d 本质是线性控制，而模糊控制具有智能 性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与p i d 结合将具备两者的优点。即用过程的运 行状态( 温度偏差及温度变化率) 确定p i d 控制器参数，用p i d 控制率确定控制作用。 主要的问题是合理地获得p i d 参数的模糊校正规则【l 引。其实质是一种以模糊规则调 节p i d 参数的自适应控制，即在一般p i d 控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环 节。文献 1 9 1 给出不同实时状态下对p i d 参数的推理结果，当温差较大时采用f u s s y 控制，响应速度快，动态性能好；当温差较小时采用p i d 控制，使其静态性能好，满足系 统精度要求。因此f u s s y - p i d 复合控制，比单一的模糊控制或p i d 调节器有更好的控 制性能。文献 2 0 采用模糊自适应p i d 设计方法，根据人们要求的温度曲线，由计算机 系统进行监控，根据模糊推理判断，实现对任何一种模型参数的系统都能自动调节其 p i d 参数，使输出与温度曲线趋于一致，实现快速响应特性与超调量最优的统一。 随着电子器件的发展，控制电路的形式也多种多样，神经网络，模糊控制都属于 人工智能领域，同p i d 结合以调节p i d 参数，适应温控系统非线性、干扰多、大时延、 时变和分布变化的特点。神经网络采用自适戍的方法，具有很强的鲁棒性，动态响应 快。缺点是容易陷入局部最优，采用遗传算法来训练神经网络可以实现结构与参数 的快速全局寻优。模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统，不需要知道系统的精确信 息，与神经网络结合，能向自适应的方向发尉乃j 。 综上所述，实现温控系统的参数自调整，将线性控制与非线性相结合，使温度能 满足用户的需要是温控系统的最终目的。在实际应用中，应该根据具体的应用场合、 不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度，选择不同的系统方法。 1 4 主要研究工作 本论文以课题组与南通三信电子有限责任公司产、学、研合作项目为背景，针对 国产流涎薄膜生产机组运行中自动控制问题，开展了高速流涎机组自动控制系统研 究，对生产中影响流涎薄膜质量的关键技术进行了分析，主要的研究内容为： ( 1 ) 基于现场总线构建高速流涎机组自动化控制系统的总体技术研究，在总体技 术研究基础上，分析了机组张力及温度控制特性需求，构建了基于现场总线的高速流 涎机组自动化控制系统网络，并对控制系统软件功能进行了总体设计。 ( 2 ) 高速流涎机组张力控制研究，又分为拉伸恒张力控制与收卷恒张力控制 1 0 硕i ：学位论文高速流涎机组白动控制系统研究 在对拉伸恒张力控制研究中，提出了拉伸恒张力复合控制方案，接着进行了产品 张力分析，并建立了系统数学模型，最后进行了p i d 算法计算机仿真。 在对收卷恒张力控制研究中，提出了收卷恒张力控制系统方案，并对其模糊控制 过程进行了分析，在此基础上设计了模糊控制器，对其进行了仿真研究。 ( 3 ) 高速流涎机组流涎辊的温度控制研究，首先对流涎辊的温度特性进行了研 究，主要包括流涎辊的结构介绍及分析，流涎膜流涎过程的机理分析。接着对流涎辊 温度控制进行了研究，主要介绍了模糊p i d 控制算法，以及模糊p i d 算法在流涎辊 温度控制系统中的设计实现。 ( 4 ) 高速流涎机组控制系统实现技术研究，在对相关控制技术研究的基础上，设 计了高速流涎机组自动化控制系统，对高速流涎机组控制系统软硬件设计实现进行探 讨。 1 5 论文的组织结构 全文共分为六章，现将各章内容作简要介绍： ， 第一章作为绪论，首先阐述了本课题的研究背景和意义，然后分析了流涎薄 膜生产工艺及其发展趋势，对相关技术发展状况进行了介绍，最后简要介绍了课题 主要研究内容及本论文的组织结构。 第二章对高速流涎机组自动控制系统整体方案进行了研究，在分析了机组控 制需求特性之后，讨论了系统的组成结构、网络分布结构等。 第三章对高速流涎机组张力控制进行了研究，主要包括拉伸恒张力控制和收 卷恒张力控制。 第四章对高速流涎机组流涎辊温度控制进行了研究，先对流涎辊温度特性进 行了研究，在此基础上，提出了模糊p i d 控制算法，并将其应用到流涎辊温度控制 系统中。 第五章为高速流涎机组自动化控制系统实现技术研究，设计实现了高速流涎 机组控制系统网络，并进行了控制系统软件功能的设计和开发。 第六章简要总结了本课题的研究工作，同时指出了系统有待于继续改进与完 善的几个方面，并对今后的工作进行了展望。 第2 章矗速流涎机组自动控制系统总体方案设计硕l 学位论文 2 高速流涎机组自动控制系统总体方案设计 随着工业自动化系统规模的不断扩大，对控制系统的实时性、可靠性和稳定性 的要求也不断提高。基于现场总线的f c s 具有开放性、互换性、总线式结构、数字 化通信、分布式控制以及现场设备智能化等优点，已经成为工业自动化控制系统的 发展趋势。与此同时，控制系统软件技术的发展必须与工业自动化硬件网络结构相适 应，监控软件的功能必须满足不断发展的工业自动化系统的需要。工业监控组态软 件技术的发展为监控系统软件的设计提供了先进的丌发平台，提高了软件功能代码 的可重用性，其通过对多任务调度的优化，提高了软件系统的可靠性和实时性【7 。 本章首先对构建高速流涎机组自动控制系统的两大总体技术现场总线技术以 及工业自动化监控系统软件技术进行了研究，并在此基础上，设计了高速流涎机组自 动控制系统的网络结构，以及控制系统软件的总体功能。 2 1 现场总线技术研究 现场总线控制系统( f c s ) 是由d c s 与p l c 发展而来，f c s 不仅具备d c s 与 p l c 的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的d c s 与新型的p l c ，都 有向对方靠拢的趋势。新型的d c s 已有很强的顺序控制功能；而新型的p l c ，在 处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，d c s 与p l c 的适用范围， 已有很大的交叉。d c s 系统的关键是通信，也可以说数据公路是分散控制系统d c s 的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身 的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是：一对绞线、同轴 电缆或光纤电缆。通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定d c s 系统 的相对优点与弱点。为保证通信的完整，大部分d c s 厂家都能提供冗余数据公路。 为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一 组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。目前在 d c s 系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信 号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统 3 5 3 6 】。 工业自动化系统的发展经历了一个从模拟信号控制到数字信号控制、从完全集 中式控制到d c s 的集散控制再到f c s 的完全分布式控制的发展历程，与直接数字控 制系统及d c s 相比，f c s 具有以下一些功能特点【3 5 , 3 6 , 4 4 。 ( 1 ) 开放性、互操作性和互换性 在d c s 的发展历史上，各个d c s 厂商就曾经利用封闭的通信网络形式将其它 系统和设备制造商排除在外，以达到垄断经营的目的。f c s 从产生那天起，就摒弃 1 2 硕1 二学位论文高速流涎机组白动控制系统研究 了d c s 封闭专用的做法，而是首先制定统一、开放的总线协议，任何设备制造商 都可以根据自身需要加入某个或同时加入几个现场总线组织，任何系统集成商都可 以得到相关的现场总线技术帮助与支持。现场总线协议是公开的网络通信协议，因 此对于用户而言是透明的。由于同一现场总线内部采用的是统一的总线协议，只要 设备厂商遵循了相关的协议规范，则可方便地接入总线，且信息交换具有相同的格 式，因此系统内部不同设备之间具有较好的互操作性。同样因为采用了相同的总线 协议，不同厂商生产的同一类型的智能设备具有基本一致的通信接口和操作特性， 可以方便地进行互换，避免了对某一厂商生产设备的依赖性。 ( 2 ) 数字化通信 工业现场许多大功率电气设备不可避免地产生强电磁干扰，过去设备与控制器 之间传输的是模拟电压、电流信号，抗干扰性能较差，并且一对传输线只能传输一 种测量参量或传送一种控制信号，由于控制器内部传输的是数字信号，因此在传统 的d c s 系统中有大量的a d 、d a 卡来进行输入输出信号的转换。f c s 中的现场 智能设备之间通信全部采用数字信号，数字信号的通带频率比工业现场的电磁干扰 频率要高，因此具有较好的抗干扰性能，延长了通信距离，因此给铺设安装线路带 来了许多便利；通过在总线协议中定义数据帧的含义，一对通信线路可以传送不同 的测量参量和控制信号，如在流量变送器中可以传送当前流量、温度、压力、统计 流量等测量参量，减少了现场布线；并且由于智能现场设备与操作站、工程师站之 间都是采用数字信号接口，省去了外部的a d 、d a 模块。 ( 3 ) 总线式网络结构 一对