碳纤维改性设备的PROFIBUS现场总线控制系统研究

论文摘要

对经过催化剂浸泡的粘胶纤维进行氧化和炭化（氮气保护）处理,可以滤除氮、氧等杂质元素,生产出高纯度、耐高温的粘胶基活性碳纤维。这种工艺需要对不同的纤维原材料施加不同的催化剂,同时需要对生产过程中的各个被控量实施精密控制。本文的主要研究内容是利用较为先进的控制技术对热处理箱（包括氧化箱和炭化箱）温度实现良好的控制。 为了控制好氧化箱的温度,首先建立对象的数学模型。激励信号使用伪随机码,在PROFIBUS-DP总线控制系统上完成数据的采集,在STEP7和WINCC环境下完成硬件的组态。对采集上来的多组输入与输出数据进行系统辨识时,使用遗传算法。从误差检测的结果来看,遗传算法应用于系统的辨识是可行并且是有效的。 模型的大纯滞后特性决定了常规PID控制不能完成对系统良好的控制,自适应控制系统首先被考虑。鉴于温度的大延迟特性,采用SMITH预估算法对系统进行补偿,然后设计了在线辨识和基于继电反馈自整定的自校正控制系统。仿真表明,设计的控制系统可以很好的捕捉对象特性并最终实现良好的过程控制。效果要较常规PID好的多。 针对受控对象的特性与控制要求,分析了碳纤维改性设备的工作原理与方式,讨论了如何在PROFIBUS-DP总线上实现具有在线辨识和自整定功能的控制算法。OPC技术、编程和组态过程中的相关方法与关键步骤将会被介绍。 本文的研究理论与生产需求相结合,具有较强的理论与实践意义。实验与仿真结果都比较理想,达到了预期学习与研究的目的。

论文目录

• 第一章 引论
• 1.1 碳纤维生产过程复杂性与控制发展现状
• 1.2 本文研究工作的提出
• 1.2.1 控制系统方案
• 1.2.2 开展研究的可行性与实际意义
• 1.3 本文主要工作和内容安排
• 第二章：PROFIBUS总线控制系统
• 2.1 控制总线的选取
• 2.1.1 常用总线技术
• 2.1.2 总线的选型原则
• 2.2 PROFIBUS-DP总线控制系统描述
• 2.2.1 PROFIBUS-DP总线系统配置与设备类型
• 2.2.2 PROFIBUS-DP系统行为
• 2.2.3 PROFIBUS-DP系统组成
• 2.3 面向PLC的STEP7
• 2.3.1 STEP的编程语言
• 2.4 功能强大的组态软件WINCC
• 2.4.1 WINCC系统功能
• 2.4.2 WINCC的基本控制模块
• 2.5 本章小结
• 第三章：对象数学模型的建立
• 3.1 建模方法的选择
• 3.2 采集现场输入输出数据
• 3.2.1 飞升曲线实验
• 3.2.2 伪随机信号激励
• 3.2.3 编程实现M序列
• 3.2.4 伪随机序列激励实验数据处理
• 3.2.5 温度补偿
• 3.3 遗传算法参数辨识
• 3.3.1 常用参数辨识方法
• 3.3.2 基于遗传算法参数辨识
• 3.3.3 辨识步骤
• 3.3.4 误差检验
• 3.5 本章小结
• 第四章：自适应PID控制算法研究
• 4.1 常规PID控制方法
• 4.1.1 参数整定
• 4.1.2 控制效果分析
• 4.2 复杂控制算法分析与设计
• 4.3 SMITH预估补偿
• 4.3.1 大纯滞后对控制品质的影响
• 4.3.2 SMITH预估补偿控制思想
• 4.3.3 离散SMITH预估补偿控制
• 4.4 PID控制器的参数整定
• 4.4.2 参数整定方法分析
• 4.4.3 继电型反馈的极限环法参数自整定
• 4.5 最小二乘法参数在线辨识
• 4.6 自适应控制系统的仿真
• 4.7 本章小结
• 第五章 软测量技术
• 5.1 软测量技术
• 5.2 神经网络
• 5.3 软测量模型实现
• 5.4 本章小结
• 第六章：PROFIBUS-DP总线控制系统的实现
• 6.1 氧化、炭化炉分点控制要求
• 6.2 硬件系统设计方案
• 6.2.1 总线主站结构
• 6.2.3 从站模块选择
• 6.2.4 硬件安装与组态
• 6.3 软件系统设计方案
• 6.3.1 过程监控组态软件设计
• 6.3.2 常规控制算法实现
• 6.4 OPC接口技术
• 6.4.1 OPC的任务
• 6.4.2 OPC的数据访问接口
• 6.4.3 WINCC的OPC技术
• 6.5 本章小结
• 第七章：总结与展望
• 7.1 本文研究成果
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录 1
• 附录 2
• 作者在攻读硕士期间发表的论文及科研工作
• 致谢