化纤卷绕控制系统的研究与应用

论文摘要

近年来,国内外市场对化纤产品的需求呈现快速增长的趋势,对产品的层次要求也逐步提高。化纤卷绕是化纤生产过程中的最重要环节之一,卷绕控制系统性能的优劣直接关系到化纤产品的产量和品质。目前,国内大量化纤生产企业存在设备陈旧落后、生产率低下、产品品质跟不上市场脚步等问题。进口设备价格昂贵,生产中维护成本较高,因此,开发具有自主知识产权的新型化纤卷绕设备已经成为业界迫切的需要。化纤卷绕过程中最关键的技术就是对化纤的恒张力卷绕控制。不能准确控制张力的卷绕头都会造成良品率的下降、后续工序的难以进行。本文对粘胶纤维长丝的生产工艺流程进行了系统性的分析和研究,针对目前市场上相关产品的优点和局限性进行了归纳和总结,提出了对现有产品改良的设计方案。在控制算法方面,本文针对卷绕控制的非线性、时变、负载扰动复杂等特点,提出了采用模糊PID算法的控制解决方案,论证其合理性,给出了针对卷绕控制系统模糊PID控制器具体的设计步骤,并对所设计的控制器进行了仿真实验以进行验证。在系统结构方面,采用了嵌入式控制系统的解决方案来代替类似产品中常用的"PC+PLC+通用变频器”的方案。本文详细介绍了以MC56F8037数字信号控制器为核心的嵌入式控制系统的软硬件设计方法。恒张力卷绕控制中,交流电动机作为整个系统的执行机构,对其变频调速性能的优劣直接关系整体控制效果。为实现高可靠性的三相异步电动机调速,本系统还深入研究了三相异步电动机的变压变频调速理论,设计了基于IR2136S的三相逆变控制电路,并使用SPWM技术实现了三相变频电源。目前,本文所设计的卷绕控制系统已通过了工程测试,并投入生产使用。多种测试结果表明,该卷绕控制系统性能优于同类的传统卷绕设备,产品质量令人满意。并且嵌入式控制系统架构的成功运用也为化纤卷绕领域其他设备的升级改造提供了一种可行的新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 卷绕控制系统的几个关键点
• 1.3 论文内容与结构安排
• 2 卷绕系统分析与控制方案选择
• 2.1 卷绕系统工作原理概述
• 2.2 控制方案的选择
• 2.2.1 PID控制技术
• 2.2.2 模糊控制技术
• 2.2.3 模糊PID控制技术
• 2.2.4 控制方案的确定
• 2.3 本章小结
• 3 控制器的软硬件设计
• 3.1 数字信号控制器最小系统的设计
• 3.1.1 MC56F8037简介
• 3.1.2 MC56F8037最小系统的硬件设计
• 3.2 张力信号的检测与处理
• 3.2.1 张力臂工作原理
• 3.2.2 磁阻传感器KMZ41的应用
• 3.2.3 仪表放大电路
• 3.2.4 模数转换与数字滤波
• 3.3 直流母线电流的检测
• 3.3.1 霍尔电流传感器CSNE151-100简介
• 3.3.2 基于CSNE151-100的电流检测电路
• 3.3.3 MC56F8037的模拟比较器与过流保护的实现
• 3.4 PWM信号的输出与隔离
• 3.4.1 PWM信号的产生
• 3.4.2 PWM信号的隔离
• 2PROM的应用'>3.5 E²PROM的应用
• 3.5.1 非易失性存储元件AT24C02的应用
• 2C总线协议'>3.5.2 I²C总线协议
• 3.6 本章小结
• 4 三相异步电动机驱动的软硬件设计
• 4.1 三相异步电动机的变频调速
• 4.1.1 笼型转子三相异步电机工作原理概述
• 4.1.2 变压变频调速理论
• 4.1.3 基频以下调速
• 4.1.4 基频以上调速
• 4.2 三相变频电源的工作原理
• 4.2.1 正弦脉宽调制（SPWM）技术
• 4.2.2 SPWM信号的产生
• 4.3 正弦表数据优化存储与还原
• 4.3.1 正弦表数据的压缩
• 4.3.2 正弦表数据的还原
• 4.3.3 存储空间利用情况
• 4.4 逆变器硬件电路的设计
• 4.4.1 功率元件的选择
• 4.4.2 驱动电路的设计
• 4.5 本章小结
• 5 模糊PID控制器的设计与实现
• 5.1 输入变量的模糊化
• 5.2 模糊规则的设置
• 5.3 模糊推理
• 5.4 推理结果的解模糊化
• 5.5 模糊PID控制器的实现
• 5.6 仿真实验
• 5.7 实际控制效果
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 各模块的ProcessorExpert配置
• 附录B 相关部分实物图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢