精确柔性成型钢管生产线张力控制系统设计与研究

论文摘要

目前钢管生产行业有一种最新的精确柔性成型技术FFX（Flexible Forming Exact）,这项技术可以在同一条管道生产线上生产出各种用户定制直径的钢管（圆管或方管）,改善了以往钢管生产线加工产品单一的弊端。FFX生产线在入口（Entry）段要执行打开钢卷,平稳送料工序。由于后续工段对材料的加工是建立在入口段高质量的开卷基础之上,所以在开卷时要保持钢卷材料承受适当的张力,既不能过大,也不能过小。本文就张力控制进行了研究。张力控制在现代工厂中运用非常广泛,其优化控制对产品质量的提高尤为重要,因而此课题的研究具有普遍意义。在分析了开卷具体流程以及张力产生机理的基础上,建立了钢卷张力的数学模型。针对开卷过程中钢卷直径在不断缩小,引用了修正算法来计算不断变化着的钢卷直径以达到更好的控制效果。对于张力控制的实现,原生产线采用了闭环PID控制法,但PID控制法本身具有一些缺点,如参数配置过程复杂,张力控制不稳定,超调量大、稳态误差难以消除等等。作者结合模糊控制理论对系统进行了改进,设计了模糊张力控制算法。经过仿真,结果表明采用模糊控制算法后系统能够取得更好的控制效果。基于以上理论,经过具体实际装置的设计后,实现了物理实验平台的搭建。构筑了基于西门子S7-300PLC、Micromaster440变频器、MP277人机监控界面的张力控制系统,并在实验室里进行了试车,实验结果数据表明改进后的控制系统能够满足张力控制快速、稳定、准确的控制要求。最后,进行了经验总结,讨论了当前的不足之处,提出了进一步工作的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 FFX 钢管生产线简述
• 1.1.1 背景介绍
• 1.1.2 FFX 生产线介绍
• 1.1.3 Entry 段张力控制介绍
• 1.2 立项意义
• 1.3 张力控制现状研究
• 1.3.1 直接张力控制
• 1.3.2 间接张力控制
• 1.3.3 复合张力控制
• 1.4 本文所完成的工作及论文的内容安排
• 1.5 本章小结
• 第二章 张力控制系统模型的建立
• 2.1 张力控制系统模型
• 2.2 控制系统钢卷直径的获取
• 2.2.1 获取实时钢卷直径数值的算法
• 2.2.2 卷径修正值计算
• 2.3 控制系统仿真模型的建立
• 2.3.1 PWM 变频器简化控制模型
• 2.3.2 系统控制模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 模糊张力控制算法设计
• 3.1 模糊逻辑和模糊控制
• 3.2 模糊控制器的结构
• 3.3 模糊张力控制算法设计
• 3.4 模糊控制的特点
• 3.5 本章小结
• 第四章 张力控制系统仿真
• 4.1 模糊控制系统仿真构建
• 4.2 仿真结果分析
• 4.3 控制系统仿真比较
• 4.4 本章小节
• 第五章 PLC 控制系统设计
• 5.1 控制系统总体设计
• 5.2 S7-300PLC 硬件
• 5.3 编程软件SIMANTIC Manager
• 5.4 MICROMASTER440 变频器
• 5.5 变频器与PLC 的通讯
• 5.6 PROFIBUS 总线协议
• 5.6.1 PROFIBUS 简介
• 5.6.2 PROFIBUS 站点分类
• 5.6.3 PROFIBUS 组网
• 5.7 本章小结
• 第六章 张力控制系统的实现
• 6.1 PID 控制系统
• 6.1.1 系统硬件实现
• 6.1.2 系统软件实现
• 6.2 模糊张力控制系统
• 6.2.1 系统硬件搭建
• 6.2.2 系统软件实现
• 6.3 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢