（机械制造及其自动化专业论文）流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究.pdf

硕士学位论文 流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 摘要 i i i i i i l l l l li i i iq q l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l y 2 2 7 4 7 9 1 流涎薄膜生产机组是一类复杂的机械产品，主要用于生产c p p 、c p e 流涎薄 膜、保鲜膜、粘结膜等。机组主要由上料装置、挤出装置、流涎装置、测厚、电 晕处理装置以及收卷装置组成，高速化、智能化以及精密化是其近年来发展的趋 势。本文以流涎薄膜生产机组为具体研究对象，针对流涎薄膜生产线相关控制技 术进行了研究，论文主要研究内容如下： ( 1 ) 根据流涎薄膜生产工艺，结合流涎薄膜生产自动控制系统的控制需求， 提出了一种基于p r o f i b u s 现场总线通讯的包括上位机监控、触摸屏现场监控和 p l c 底层控制在内的三层控制体系结构，并完成了系统的总体结构和软件总体功 能设计。 ( 2 ) 针对流涎薄膜生产线中多电机同步控制存在参数时变、非线性、容易受 负载扰动以及对象模型不确定等问题展开研究，综合分析了多电机同步控制系统 的特点，结合流涎薄膜生产机组实际的控制需求，提出了一种基于神经网络p i d 控制器的偏差耦合多电机同步控制方案，设计了神经网络p i d 控制器，并进行了 仿真和实验验证，结果表明该控制方案能够较好的实现流涎机组的多电机同步控 制。 ( 3 ) 针对挤出机料筒温度控制进行了研究，分析了挤出机料筒温度控制的原 理、系统构成以及工艺要求，确立了系统的控制结构。并针对温度控制时滞、惯 性大等特点，提出了基于模糊神经网络的挤出机温度控制方案，设计了模糊神经 网络p i d 控制器，进行了仿真验证，结果表明该控制算法稳定性能好，自适应、 自学习能力强，相对传统的控制方案能更好的实现挤出机料筒的温度控制。 ( 4 ) 在流涎薄膜生产自动控制系统总体结构设计的基础上，对控制系统的软 硬件实现进行了研究，包括系统硬件选型、硬件组态、网络组态，p l c 控制程序、 过程监控程序以及系统整体通讯的设计。 最后进行了现场的调试和整体的运行验证，结果表明本文设计的流涎薄膜生 产机组自动控制系统，能够满足流涎薄膜生产的工艺要求，并且系统能够稳定运 行，提高了薄膜生产的效率。 关键词：流涎机组，多电机同步控制，温度控制，神经网络p i d 控制，模糊神 经网络控制 a b s t r a c t流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 a b s t r a c t t h ef i l mc a s t i n gu n i ti sac a l s so fc o m p l e xm e c h a n i c a lp r o d u c t s ，m a i n l yu s e df o rt h e p r o d u c t i o no ft h ec p p 、c p ec a s t i n gf i l m 、c l i n gf i l ma n ds oo n t h eu n i ti sm a i n l y c o m p o s e dw i t h t h ef e e d i n g s y s t e m ，e x t r u s i o np a r t ，s a l i v a t i o np a r t ，t h i c k n e s s m e a s u r e m e n t ，t h ec o r o n at r e a t m e n ts e c t i o na n dt h ew i n d i n gp a r t d e v e l o p m e n tt r e n d o fu n i ti sm o r ei n t e l l i g e n t ，h i g h e rs p e e da n dm o r ea c c u r a t e w i t ht h ef i l mc a s t i n gu n i t t ot h es p e c i f i co b j e c to fs t u d y , t h ec o n t r o lt e c h n i q u e so ft h o s eu n i th a v eb e e ns t u d i e d t h er e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h e a u t o m a t i cc o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h ec a s t i n gf i l m p r o d u c t i o na n dt h es p e c i f i cp r o c e s s ，as t r a t e g yo fc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep r o f i b u s c o m m u n i c a t i o n ，i n c l u d i n gt h ep cm o n i t o r i n g ，t o u c hs c r e e no n - s i t em o n i t o r i n ga n d u n d e r l y i n gc o n t r o lo ft h ep l c ，i sp r o p o s e d t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e md e s i g n a n dt h eo v e r a l lf u n c t i o n a ld e s i g no ft h es o f t w a r ea r ep r o p o s e dt o o ， ( 2 ) a c c o r d i n gt on e e da n df e a t u r eo ft h em u l t i m o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m ， w h i c hh a v en o n l i n e a r , t i m e - v a r y i n g ，l o a dd i s t u r b a n c ec h a r a c t e r s ，as t r a t e g yo fr e a l t i v e c o u p l i n gc o n t r o lf o rm u l t i m o t o rs y n c h r o n i z a t i o nb a s e do nn e u r a ln e t w o r kp i d c o n t r o li sp r o p o s e da n dt h en e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yc a ne f f e c t i v e l ya c h i e v et h em u l t i - m o t o r s y n c h r o n o u sc o n t r o lf u n c t i o no ft h ef i l mc a s t i n gu n i t ( 3 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o lp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r s ，a s t r a t e g yo ft e m p e r a t u r ec o n t r o lb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r ki sp r o p o s e da n dt h e f u z z yn e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o l l e r i s d e s i g n e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e db e t t e r p e r f o r m a n c et h a nt h et r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r ec o n t r o ls t r a t e g y ( 4 ) t h ei m p l e m e n t i o np r o c e s so ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l ， i n c l u d i n gt h es e l e c t i o na n dc o n f i g u r a t i o no ft h eh a r d w a r e ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h e n e t w o r k ，c o n t r o lp r o c e d u r e so ft h ep l c ，p r o c e d u r e so ft h ep r o c e s sm o n i t o r i n ga n d s y s t e md e s i g no ft h eo v e r a l lc o m m u n i c a t i o n f i n a l l y , t h er e s u l t so fs i t ec o m m i s s i o n i n ga n do v e r a l lr u n n i n gs h o w dt h a tt h e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e c a s t i n gf i l mp r o d u c t i o n p r o c e s s ，t h ec o n t r o ls y s t e mi ss t a b l ea n dt h ee f f i c i e n c ya n dt h ef i l mp r o d u c t i o ni s i m p r o v e d k e y w o r d s ：s a l i v a t i o nu n i t ，m u l t i m o t o rs y n c h r o n i z a t i o n ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l , n e u r - a ln e t w o r kp i d c o n t r o l ，f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l 硕士学位论文 流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 流涎薄膜生产机组2 1 2 1 流涎机组系统组成2 1 2 2 流涎薄膜生产机组发展概况4 1 3 流涎薄膜生产机组控制系统相关技术研究现状5 1 3 1 多电机同步控制结构研究现状5 1 3 2 多电机同步控制算法研究现状7 1 3 3 温度控制研究现状9 1 4 课题的来源和研究内容1 0 1 5 论文的组织结构1 1 2 流涎薄膜生产机组控制系统总体方案设计1 3 2 1 流涎薄膜生产工艺及控制流程1 3 2 2 流涎机组控制系统的需求分析1 4 2 3 控制系统控制结构设计1 6 2 3 1 控制系统总体结构设计1 7 2 3 2 主要功能子模块结构设计1 8 2 4 控制系统软件功能总体设计1 9 2 5 本章小结2 l 3 流涎机组多电机同步控制研究2 2 3 1 多电机同步控制原理2 2 3 1 1 系统构成及控制分析2 2 3 1 2 变频调速原理2 3 3 2 基于神经网络的多电机同步控制方案2 3 3 2 1 多电机同步控制结构2 4 3 2 2p i d 控制算法2 5 3 2 3 神经网络控制算法2 6 3 2 4 神经网络p i d 控制器设计2 7 3 3 多电机同步控制算法仿真与实验3 0 3 3 1 仿真结果分析3 0 3 3 2 实际运行结果分析3 5 l l i 目录流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 3 4 本章小结3 6 4 流涎机组挤出机温度控制研究3 7 4 1 挤出机温度控制原理3 7 4 1 1 挤出机系统构成3 7 4 1 2 挤出机温度控制工艺要求3 7 4 1 3 挤出机温度控制原理3 8 4 2 挤出机温度的模糊神经网络控制方案3 9 4 2 1 挤出机温度控制系统4 0 4 2 2 模糊神经网络p i d 控制原理4 0 4 2 3 模糊神经网络p i d 控制器设计4 1 4 3 基于m a t l a b 的模糊神经网络p i d 控制仿真4 7 4 4 本章小结4 9 5 流涎薄膜生产机组自动控制系统软硬件设计5 0 5 1 控制系统硬件设计5 0 5 1 1 可编程控制器选型5 0 5 1 2 传感器选型5 0 5 1 3 主要执行机构选型5 1 5 1 4 触摸屏选型5 2 5 1 5 控制系统硬件组态及网络配置5 2 5 2 控制系统软件设计5 4 5 2 1s 7 3 0 0p l c 程序设计5 4 5 2 2 过程监控层组态程序设计5 7 5 3 系统整体通讯6 l 5 3 1 上位机与p l c 通讯6 l 5 3 2 触摸屏与p l c 通讯6 2 5 3 3p l c 与变频器通讯6 3 5 4 本章小结6 4 6 系统调试与运行6 5 6 1 系统硬件安装和布线6 5 6 2 系统软件调试6 6 6 3 系统整体运行6 7 7 总结与展望6 8 7 1 研究总结6 8 7 2 研究展望6 8 i v 堡主堂垡笙文流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 致谢6 9 参考文献7 0 附录7 5 v 硕士学位论文 流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 塑料广泛应用于工业、农业、生活等各个方面，它和木材、钢铁、水泥一起， 是目前使用最广泛的四大工业材料。包装行业是塑料最大的应用领域，而薄膜产 品又在塑料包装材料中占到相当大的比例，据统计包装薄膜大约占全球塑料消费 总量的2 5 i l j 。相对于其它材料，塑料包装薄膜的性能优势、成本优势、加工方 法及技术工艺的改进等优势决定了它的快速发展，因而广泛的应用于食品包装、 医药、建筑、汽车以及电子等行业。随着市场需求的激增以及相关技术的不断发 展，塑料包装薄膜正向着多功能、环保适应性、高性能、高技术含量等方向发展 【2 3 】 o 薄膜产品的种类很多，常用的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚 酯以及尼龙等【4 j 。薄膜的成型加工方法也多种多样，比如拉伸法、吹塑法、流涎 法垆j 。同一种原料，薄膜产品的各种性能也会因生产方法的不同有很大的差别。 目前生产塑料薄膜采用的主要方法是流涎法。流涎成型工艺生产薄膜是指将树脂 材料通过挤出机料筒加热至熔融塑化状态，挤出电机驱动螺杆旋转送料并由挤出 机挤出模头挤出，在正负压风刀的作用下，流涎到骤冷辊上冷却定型，再经过测 厚、电晕等后续工艺处理，最后收卷获得薄膜产品。相对其他方法，采用流涎法 生产塑料薄膜具有效率高、产量大，生产的薄膜具有光泽性高、透明度好、尺寸 精度高等特点，并且流涎工艺的好坏对后续工艺如印刷、复合等开展影响较大 【6 。7 j 。因此，针对流涎成形工艺以及相关技术的研究具有重大的意义。 为满足国内薄膜产品的需求，我国从上个世纪8 0 年代开始从国外引进流涎 薄膜生产机组。随着经济的发展，薄膜用量急剧增加，企业开始大量从国外引进 先进的多层共挤流涎薄膜生产设备以满足市场需求，间接增加了薄膜生产的成 本。近年来，经过不断创新和发展，目前国产多层共挤流涎设备在生产能力、自 动控制以及设备性能方面都有了很大的提高。但是相对于国际先进技术水平，在 薄膜收卷速度、张力控制、系统同步控制、薄膜幅宽及厚度、智能化操控等关键 技术指标方面还存在一定的差距峭j 。 目前，国外先进流涎薄膜生产设备已经实现九层复合共挤，实际生产速度达 到6 0 0 m m i n ，幅宽在5 米以上，而国内流涎薄膜生产线实际生产速度仅为 1 0 0 m m i n ，薄膜幅宽在4 米左右，薄膜产品质量也存在一定的差距。为提高流 涎薄膜生产机组的生产效率以及薄膜产品的质量，需要对流涎机组中存在的相关 技术难点进行研究，主要包括以下几个部分： 1 绪论硕士学位论文 ( 1 ) 系统各部分的速度同步问题 流涎薄膜生产过程中，从挤出流涎到最后的收卷成型，要求机组各组成部分 速度具有同步升降的功能，由于流涎薄膜生产机组机构复杂，多电机同步控制中 又存在参数时变、非线性、容易受负载扰动以及对象模型不确定等因素，因此多 电机的同步控制问题成为制约机组运行速度的一个难点。 ( 2 ) 挤出机料筒温度控制问题 挤出机料筒温度控制是流涎薄膜生产过程中的一个重要环节，控制效果的好 坏对薄膜产品的质量、加工的稳定性、设备的耐用性等有着重要的影响。在实际 的生产过程中，影响挤出机温度控制的因素有很多，主要包括：旋转送料时挤出 螺杆剪切物料产生的热量，聚合物的导热性能、静液压功率、模头阻力、室温以 及信号噪音等。同时，温度控制系统具有大时滞、非线性、惯性大等特性，并且， 在设计挤出机温度控制系统时难以建立被控对象精确的数学模型，使得挤出机料 筒温度恒定控制更具有难度。 ( 3 ) 恒张力控制问题 薄膜在高速、宽幅收卷时的恒张力控制对薄膜产品的质量有着重要的影响， 由于流涎薄膜具有薄、宽幅等特点，收卷时容易发生撕裂缠绕等现象，且增加收 卷速度后，各种附加载荷的作用加强，使得张力恒定控制更加困难【9 】。 此外，薄膜的厚度误差控制、流涎薄膜在骤冷辊上冷却定形问题等对薄膜产 品的质量也有着重要的影响。这些问题的存在极大的制约了流涎薄膜机组的生产 效率以及产品的质量。 在此技术背景下，本课题对流延薄膜生产机组控制系统及关键技术进行研究 和开发。以流涎机组为研究对象，对薄膜生产过程中多电机同步控制技术、挤出 机温度控制及整套生产线的控制系统进行研究和开发，以实现流涎薄膜生产机组 自动控制系统的稳定运行，从而提高薄膜产品质量和实际生产效率。该选题跨越 机械、电子、计算机、自动控制等多个学科，是一个多学科交叉的前沿课题，具 有很高的研究价值和科学意义。 1 2 流涎薄膜生产机组 1 2 1 流涎机组系统组成 流涎薄膜生产的基本工艺流程为：首先将树脂材料经过挤出机料筒加热至熔 融塑化状态，挤出电机驱动螺杆旋转送料并由挤出机挤出模头挤出，在正负压风 刀的作用下，流涎到骤冷辊上冷却定型，再经过测厚、电晕等后续工艺处理，最 后收卷获得薄膜产品。结合某公司s d l z 3 0 0 0 c p e 型流涎薄膜生产线，流涎机组 系统基本构成如图1 1 所示。 硕士学位论文 流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 攀翱- - 慊坑等严产产掣严p 严擞 ，仫一i i 涵一 j d i 、一l 1 上 + 辩卅铲；_ _ - ：1f l 蕊蕊幽d甄f _l -器k健蟹鬻，一心 哥世 凼一 图1 1 流涎薄膜生产机组系统构成 多层共挤流涎薄膜生产机组的系统构成主要包括挤出部分、流涎部分、测厚 装置、电晕处理装置以及收卷装置五大部分。 ( 1 ) 挤出部分 挤出装置主要包括上料系统、挤出机、连接器、分配器、换网器、模具等， 主要作用是将树脂材料由真空吸料泵吸入料斗，通过挤出机料筒加热至塑化状 态，然后挤出电机驱动螺杆旋转送料，经过分配器的作用使物料混合均匀，并以 一定的压力由挤出机挤出模头挤出。 ( 2 ) 流涎部分 流延装置主要由流涎辊、冷却辊、清洁辊、升降调节机构、正负压风刀、平 台前后移动装置、电子锁边装置以及冷却水温度控制系统等构成。此部分的主要 功能是将挤出模头挤出的薄膜坯料在正负压风刀的作用下流涎到骤冷辊，并通过 冷却水冷却定型。 ( 3 ) 测厚装置 薄膜冷却定型后，经过冷却辊、后冷辊以及牵引辊的作用后进入测厚区进行 在线测厚，并根据薄膜厚度信号调节挤出机挤出模头模唇间隙。对于自动调节模 头的流涎薄膜生产机组，由控制系统根据测试参数给出相应的控制信号，控制相 应调节装置，自动改变模唇的间隙，控制薄膜的厚度偏差。 ( 4 ) 电晕处理装置 电晕处理装置主要用于对薄膜进行电晕处理，以此来提高薄膜表面的张力， 并且通过电晕处理还可以提高薄膜的表面质量，有利于薄膜产品后续的进一步加 工。 ( 5 ) 收卷装置 1 绪论 硕士学位论文 收卷装置主要用于完成对薄膜产品的收卷、换卷以及张力控制等功能，主要 由摆幅机构、张力检测装置、主动牵引机构、飞刀切断装置、换卷装置及平台移 动装置等部分组成。多层共挤流涎成型的过程是连续的，生产过程中薄膜必须及 时收卷，才能保证薄膜的平整。要求收卷装置具有自动换卷、恒张力控制等功能。 1 2 2 流涎薄膜生产机组发展概况 流涎工艺生产塑料薄膜出现之前，大多采用流涎铸塑的方法生产薄膜。2 0 世 纪8 0 年代，随着模具制造技术的不断完善以及流涎成型技术的发展，国外首次 出现c p p 、c p e 等多层共挤流涎薄膜生产设备。随后，流涎成型相关技术在市 场需求不断增加的刺激下取得了突破性的发展，涌现出一批知名企业，如意大利 的道尔奇( d o l c i ) 公司、奥地利的兰精( l e n z i n g ) 公司、美国的巴菲顿尔以及德 国的莱芬豪舍等【1 0 1 1 1 ，相对国内企业，这些公司在生产能力、系统同步控制、制 冷恒温控制、薄膜幅宽以及薄膜厚度等主要技术指标及智能化操控技术方面保持 着巨大的领先优势。多层共挤流涎薄膜生产设备的出现，不仅提高了薄膜生产的 能力满足了市场需求，同时也拓宽了塑料包装薄膜的应用，是塑料制品发展史上 的一个里程碑。 我国流涎薄膜生产机组的发展大致可分为三个阶段。( 1 ) 初级阶段：为满足 薄膜产品的市场需求，我国开始从国外引进流涎薄膜生产设备，这一时期的流涎 机组主要为单层结构；( 2 ) 发展阶段：随着流涎工艺的不断发展，多层共挤流涎 薄膜生产设备逐渐取代单层结构的流涎设备。为适应发展，我国开始大量从国外 引进多层共挤流涎薄膜生产设备，与此同时，国产流涎薄膜生产设备的研发也取 得了一定成果；( 3 ) 成熟阶段：在塑料薄膜市场需求的推动下，国内流涎薄膜生 产机组取得了长足的发展，经过不断的创新，国产多层共挤流涎薄膜生产设备无 论从机械斛1 3 2 厶匕l i e 还是产能方面都取得了极大进步【l2 1 。例如，广东仕诚塑料机械公 司生产的幅宽为2 5 0 0 m m 、3 0 0 0 m m 的多层共挤流延薄膜生产设备，其部分 技术指标已达到了国外同类产品的标准。 经过不断的创新和努力，国产多层共挤流涎薄膜生产设备取得了极大的发 展。但是相对国际先进技术，在机组的生产速度、恒张力控制、系统同步控制、 薄膜幅宽及厚度以及智能化操控等一系列关键技术指标方面还存在一定的差距。 随着技术的不断更新发展，流涎薄膜生产设备呈现以下发展趋势 1 3 - 1 4 ： ( 1 ) 流涎薄膜共挤层数不断增加，从3 层、5 层、7 层，发展到现在的9 层。 ( 2 ) 生产线的高速度、高效率 随着技术的不断创新，流涎薄膜生产设备不断改进和更新。薄膜幅宽和收卷 速度不断地提高，在保证系统稳定以及薄膜产品质量的前提下，国外先进的多层 4 硕士学位论文 流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 共挤流涎薄膜生产设备的生产速度已经达到6 0 0 m m i n ，极大的提高了设备的生 产能力。 ( 3 ) 生产的模块化和专业化 为了满足不同用户的需求，缩短新产品的研发周期，在保证整机质量的前提 下，将流涎薄膜生产机组硬件设备、软件控制程序进行模块化处理，从而降低流 涎薄膜的生产成本。 ( 4 ) 自动化程度及控制精度不断提高 综合运用数字化智能控制、现场总线通讯以及智能传感器等技术，对流涎薄 膜生产现场数据进行实时采集、发送；对流涎薄膜生产过程中的各项工艺参数进 行在线设置与调整；对温度、压力、速度及设备状态等参数进行实时监控，从而 实现流涎薄膜生产机组高精度的自动控制。 1 3 流涎薄膜生产机组控制系统相关技术研究现状 流涎薄膜生产机组自动控制系统设计过程中存在一系列的技术问题，主要包 括：系统各部分速度的同步控制、挤出机料筒温度控制、收卷机构的恒张力控制、 流涎辊温度控制以及薄膜的厚度误差控制等。本文重点针对多电机同步控制问题 以及挤出机料筒温度控制问题进行研究，基于此，本节将概述相关技术的发展研 究状况。 1 3 1 多电机同步控制结构研究现状 传动控制是工业生产中机械加工控制系统的基础，随着工业自动化程度的不 断提高，为了适应工业现场的需求，往往需要控制多台电机，使其同步运行，即 多电机的同步控制 1 引。流涎薄膜生产机组是典型的多电机同步控制系统，实际 运行过程中要求各主动辊电机保持同步协调的关系。目前，多电机的同步控制方 式主要有机械方式和电方式两种。采用机械方式实现多电机同步控制时，由于机 械连接牢固可靠，同步效果好，但对一些要求高精度动态定位的系统难以取得较 好的同步控制效果，相比之下，电方式的同步控制更加灵活【l6 | 。 关于速度和力矩的双重协调控制是目前电方式的多电机同步控制主要研究 方向【1 7 1 。电方式的同步控制结构分为非耦合结构和耦合结构，其中非耦合同步 控制结构主要包括主从结构、电子虚拟总轴结构、并行结构等，耦合同步控制结 构包括偏差耦合结构、交叉耦合结构【l8 】等。 ( 1 ) 并行结构 并行同步控制也称主令式同步控制，即系统中所有电机给定同一电压从而实 现多电机的同步运行【h 1 。并行同步控制结构能够很好的实现系统在启动、停止 i 绪论硕士学位论文 阶段的同步控制，但由于系统中所有电机相互独立，在实际运行过程中，当某一 台电机受到扰动速度发生变化时，整个系统电机之间将产生同步偏差，系统同步 一蚪1 2 1 2 厶匕1 = t 1 2 , 较差【憎j 。 ( 2 ) 主从结构 主从同步控制结构需设立主、从电机。在控制过程中，通过将主电机的速度 反馈值作为从电机的速度给定值来实现电机的同步控制。因此在主从控制系统 中，当主电机的转速发生改变时能够反馈给从电机，但从电机的转速发生改变时 不会反馈给主电机，对系统中其他从电机也没有影响，难以达到较高的同步控制 精度【2 】。 ( 3 ) 电子虚拟总轴结构 l o r e n z 和m e y e r 在1 9 9 9 年提出了电子虚拟总轴控制结构，之后由v a l e n z u e l a 和l o e r z l l 进一步将其发展 2 2 - 2 3 】。虚拟总轴控制具有与机械总轴相似的同步特性， 因为系统中相应单元驱动器的参考输入角速度是输入信号经过虚拟总轴的作用 后得到的，单元驱动器通过跟踪该信号，从而实现多电机的同步控制，并且系统 具有较高的同步控制性能。但当系统负载发生扰动以及电机启动停止时，电子 虚拟总轴控制系统中会出现不同步的现象，影响多电机的同步控制效果【2 4 1 。 ( 4 ) 交叉耦合结构 为进一步提高多电机同步控制的效果，k o r e n 于1 9 8 0 年提出了交叉耦合同步 控制结构【25 1 。交叉耦合同步控制的基本原理是将两台电机的速度反馈值进行比 较，并将得到的差值作为系统的补偿信号，其控制结构如图1 2 所示。因此，系 统中任何一台电机的负载变化都能够反馈给其他电机，从而获得良好的同步控制 效果。基于交叉耦合同步控制，张承慧、石庆生等人【2 6 】提出了一种基于相邻交 叉耦合误差的同步控制策略，并将其应用到多电机的同步控制中，通过仿真结果 表明，该控制策略使系统的误差变小，取得较好的同步控制效果；d 。z z h a o 、 c w l i 等人 2 7 】将交叉耦合控制应用到多电机速度同步控制中，使得系统中各电 机的线速度同步误差维持在l 以内。 图1 2 交叉耦合同步控制系统结构图。 硕士学位论文 流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 ( 5 ) 偏差耦合结构 偏差耦合同步控制结构如图1 3 所示，其基本思路是将某一台电机的速度检 测值同系统中其他电机速度检测值相比较，将得到的偏差相加通过相应控制器作 用产生一个控制信号，并将该信号作为该电机的速度补偿信号，从而实现系统的 同步控制功能【2 8 - 2 9 。 d 3 垌 e 1 一ul _ -m 咻刖 u 沤 ， x ， d e 沤 - i pm u x 图1 3 偏差耦合l 司步控制系统结构图 偏差耦合控制是当前多电机同步控制研究的热点，许多学者在偏差耦合控制 的基础上融入其他智能算法，取得了较好的同步控制效果。刘伟、张翼等人【3 0 在偏差耦合同步控制结构的基础上设计了单个神经元p t d 控制器，并应用到多 电机同步矢量控制中。x uh o n g 等人【3l j 将模糊控制与偏差耦合控制相结合用于双 电机的同步控制中。仿真结果表明，相对于传统控制，以上两种控制策略在系统 的动态性能、稳态性能和跟踪性能方面取得了更好的同步控制效果。 1 3 2 多电机同步控制算法研究现状 传统的同步控制中，控制算法大多数采用p i d 控制，该算法具有结构简单， 可靠性强，容易实现，易消除稳态误差等优点。但p i d 算法较大地依赖被控过 程数学模型的建立，考虑多电机的同步控制是一个非线性、影响因素多的复杂过 程，因此难以建立多电机同步控制系统精确的数学模型，采用传统的p i d 控制时， 无法达到理想的同步控制效果。 随着智能控制研究的不断深入，许多科学工作者将模糊控制、神经网络控制、 滑模控制、遗传算法等一系列的现代控制理论应用到多电机协调控制当中，取得 了较好的效果。 ( 1 ) 基于模糊控制韵同步算法 模糊控制算法不依赖于被控对象精确的数学模型，对于复杂系统或复杂过程 能够实现较好的控制效果。模糊控制中模糊规则、隶属度函数的制定以及模糊推 理是基于专家经验进行的，通过模糊化处、模糊推理以及反模糊化处理，实现对 1 绪论 硕士学位论文 控制参数的调整，具有较强的干扰抑制能力【3 2 。3 1 。毕云峰，王宪将模糊控制算法 应用到轧钢生产机组多电机同步控制中【3 4 1 ，通过与传统p i d 控制相比较，该系 统具有即时响应性和良好的稳定性以及较好的抗干扰性；k u a n g - c h e n g 等人p 训 将模糊控制应用到永磁电机的同步控制中并取得较好的控制效果。 ( 2 ) 基于神经网络的同步控制算法 神经网络是由类似于生物神经系统的处理单元( 称为神经元) 广泛的相互连 接而形成的复杂网络，神经网络控制通过修正每层之间的连接权系数实现对被控 对象控制参数的在线调整，从而实现高精度的智能控制。神经网络控制具有自学 习、自适应以及非线性等特点，是目前应用比较广泛的智能控制算法之一1 3 引。 樊卫华，赵国峰p 7 】等人在双电机驱动伺服系统中，加入了神经网络控制器，实 现电机参数的实时在线整定；陈淑娟、郭兴众将神经网络与传统p i d 相结合并 应用到多电机同步控制中【3 8 】，通过神经网络的自学习特性实时在线调整p i d 控 制参数，通过仿真比较，系统的稳定性能、白适应及抗干扰能力增强，相对传统 p i d 控制，能够更好的实现多电机的同步控制。 ( 3 ) 滑模变结构同步控制算法 渭模变结构同步控制算法不依赖于系统精确的数学模型，是根据同步控制系 统的参数以及外部扰动变化的大致范围来实现同步控制的，同时滑模控制具有降 阶、解耦的功能，因此在系统运行的过程中能够较好的解决系统动态特性和静态 特性之间的矛盾，控制规律相对简单。滑模变结构控制进入滑模状态后，不再受 系统原有的参数以及外部扰动变化影响，具有完全的自适应性及鲁棒性【3 9 1 。曹 玲芝1 4 0 】等人在偏差耦合控制结构的基础上加入了滑模控制器，并将其应用到起 重机起升机构的同步控制中；j u nr e n ，c h u n w r e n “【4 1 】等人将滑模控制应用到多 电机的同步控制中，有效的抑制了负载扰动对系统的影响，系统各电机负载发生 扰动时的同步误差变小，具有较好的同步控制效果。 ( 4 ) 模糊神经网络控制算法 模糊神经网络控制是模糊控制理论和神经网络控制理论融合的产物，它同时 具有模糊控制的思想和神经网络自适应、自学习的特点，从而使得模糊神经网络 控制中模糊规则和隶属度函数等设计参数可以根据已有的样本数据进行学习而 自动生成。此外，模糊神经网络保留了和人类推理能力相近似的模糊逻辑推理能 力，并结合神经网络的并行处理能力，使得模糊推理的速度有所提升h 2 1 。朱翠， 芮延年【4 3 】等人将模糊神经网络控制应用到高速造纸机的多电机同步控制中，经 过试验验证，该控制方案稳定性能高，自适应能力强，相对传统控制，能够更好 的实现造纸机械高速运转时的多电机同步控制。 除此之外，目前比较常用的多电机智能同步控制算法还包括：自适应控制算 硕士学位论文流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 法、h 。状态变量鲁棒控制算法以及复合控制算法等【4 4 1 。 在流涎薄膜生产机组实际运行的过程中，由于各主动辊驱动特性不匹配以及 存在负载扰动等因素的影响，系统各驱动电机难以达到理想的同步性能，因此应 根据现场的实际情况以及生产线的特点制定相应的电机同步控制策略。 1 3 3 温度控制研究现状 流涎薄膜生产过程中，挤出机料筒温度控制的好坏直接影响薄膜产品的生产 质量，而在实际的生产过程中，影响挤出机温度控制的因素有很多，主要包括： 旋转送料时挤出螺杆剪切物料产生的热量，聚合物的导热性能、静液压功率、模 头阻力、室温以及信号噪音等，因此对于控制器的要求比较高。目前，工业控制 过程中温度控制常用的控制器主要有可编程控制器、单片机、a r m ( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e ) 等。 ( 1 ) 基于p l c 的温度控制 可编程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 是一种在工 业控制领域得到广泛应用的自动化装置。它具有编程简单、可靠性高、模块化设 计以及抗干扰能力强等一系列的优点【4 5 1 。以p l c 作为控制器同样广泛的应用在 温度控制系统的设计中，其系统硬件组成部分主要包括电源模块、c p u 模块、 输入输出模块、通讯模块以及相应型号的温度传感装置等。盛嘉龙将p l c 控制 应用到电炉温度控制中【46 l ，通过p l c 实现对电炉的各种控制，提高了电炉运行 的稳定性和可靠性。 ( 2 ) 基于单片机的温度控制 单片微型计算机，简称为单片机，是工控领域应用比较广泛的微型控制器。 以单片机作为控制器所设计的温度控制系统具有体积小、成本低、功耗低、简单 方便、精度高等特点 4 7 1 。利用单片机温控系统的特点，凌双明、彭小平以8 9 c 5 2 型单片机作为系统控制器，实现了模糊p i d 控制算法在空调温度控制中的应用 4 8 1 。刘迪、谭春亮等人在8 9 c 5 2 型单片机中成功实现数字p i d 控制算法，并将 其应用于水温的恒定控制中【4 9 1 ，与传统的控制相比较，无论是系统的控制精度 还是稳定性都有很大的提高。 ( 3 ) 基于a r m 的温度控制 随着电子技术和嵌入式技术的不断发展，a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 以 其较强的数据处理能力和执行高度稳定等特点，被广泛应用到工业自动控制领域 【5 们。将a r m 作为处理器应用到温度控制系统当中，成为智能温控系统的一种发 展趋势。张震，杨连发等人【5 l j 将a r m 作为嵌入式处理器，应用到人体表面温度 控制当中，根据人体表面实时采集的温度信号，控制相应气体温度和流量，从而 1 绪论硕士学位论文 使人体表面温度恒定。实践表明，采用a r m 作为处理器的温度控制系统实时性 好、控制精度高。 在硬件结构不变的前提下，合理的控制方案可以提高整个系统的控制效果。 在温度控制系统中，经常采用p i d 控制方式，它结构简单，可靠性强，容易实现。 但是由于温度控制过程中存在非线性、大滞后以及现场干扰等因素的影响，因此 采用单一的p i d 控制难以达到满意的控制效果。吴佳、翁正新1 5 2 j 在传统控制的 基础上融合了模糊控制技术，并将其应用到挤出机的温度控制系统中。根据经验 建立相应的模糊控制规则，提高了系统的稳定性和控制精度。d i a z 等人【5 3 】根据 温度控制的特点提出神经网络控制模型，并将其应用到热交换器的温度控制系统 中，结果表明，该控制方案具有较高的控制精度和自适应能力。除此之外，常用 的温度智能控制算法还包括模糊神经网络、遗传算法等。 塑料挤出机的温度控制是挤出机控制系统的重要组成部分，它的控制效果直 接影响塑料、薄膜等产品的质量。传统的挤出机温度控制系统，控制电路复杂， 故障率高，温度波动范围较大，难以满足控制要求1 5 4 1 。针对挤出机温度控制系 统的特点，胡海燕p5 j 以p l c 作为系统控制器，融合了模糊p i d 的控制思想并应 用到电缆生产中挤出机的温度控制当中。实践表明，该系统运行的可靠性、稳定 性和抗干扰能力相对于传统控制都有明显的提高。t a nm e i 等人【5 6 】将b p 神经网 络控制应用到挤出机的温度控制中，仿真结果表明，系统的自适应性有了很大的 提高。孙锡红、苏兴p7 】在注塑机料筒温度控制系统中引入了模糊神经网络智能 控制技术，构建了模糊神经网络控制器的基本结构和算法模型，通过m a t l a b 仿真，结果表明该控制方案可以使注塑机料筒的温度控制精度达到0 1 5 。 总体来讲，温度控制系统控制方案的选择需要充分考虑用户的需求，在实际 应用中，应该根据不同的加热对象、加热精度以及应用场合，从而选择不同的温 度控制方案。 1 4 课题的来源和研究内容 本论文是南京理工大学与南通三信塑胶设备科技有限公司产学合作项目“数 控智能型高速多层共挤流涎薄膜生产机组关键技术的研究”中的一部分，针对生 产线中多电机同步控制以及挤出机温度控制问题展开了一系列的研究，并对自动 控制系统进行实现。课题主要研究的内容有： ( 1 ) 流涎薄膜生产自动控制系统总体方案设计 传统的流涎薄膜生产控制系统中，其控制器和现场设备之间的信号传输主要 依靠i o 连线，并以此监控现场设备，但这种控制方式下控制器能够获取的信息 量有限，大量的数据如设备参数、故障信息等很难获取。针对传统控制方案的缺 硕士学位论文 流涎薄膜生产机组自动控制系统关键技术研究 点