张力控制器的设计与实现

论文摘要

张力控制是纺织,造纸等行业应用最为广泛的一项技术,它实现的好坏直接关系到产品的生产效率的高低和质量的优劣。近些年来,随着人们对产品要求的进一步提高,张力控制越来越引起电气工程师们的注意。早期的张力控制,绝大多数借助于模拟电子器件来实现,一般控制精度低,稳定性差,效果欠佳。现代电力电子技术和集成电子技术的发展,用简便化的数字电路和微控制芯片取代了原来的模拟电路,使张力控制系统向着多功能,数字化,高精度的方向迈进。本课题研究的目的在于对张力控制系统进行细致的研究,为研制出功能齐全的张力控制器提供理论依据,为考察遗传算法在张力控制中的应用提供参考依据。本文通过数学推导对张力控制中的被控对象进行了详尽的分析,并利用所建立起来的仿真模型拟合出被控对象的传递函数,了解了遗传算法的基本理论,并通过反复的实验对遗传算法中的目标函数加以修正,对PID参数的优化起到了良好的效果。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)建立了张力控制系统的数学模型。通过受力分析和数学推导,将复杂的实际系统简洁化。并在推导过程中做了必要的近似,为以后仿真模型的建立提供了理论基础。(2)建立了张力控制系统的Matlab仿真模型。采用阶跃激励方法辨识出被控对象的模型,避免了卷径、纸张厚度、转动惯量等实际参数的测量,只需被控对象的传递函数就可进行张力控制器的设计。利用所求得的被控对象传递函数,在Matlab的Simulink中进行增量式PID控制器设计,确定PID参数,并利用确定的PID控制参数作为下一步遗传算法寻优的取值区域。(3)设计了张力控制器的硬件电路。可以满足实际应用中对张力控制器各种基本性能的需求,使研究成果最终转化为实际产品成为可能。(4)改进了基本遗传算法的适应度函数。分析出传统的ITAE参数作为目标函数存在种种不足,并对其加以修正,为PID参数的寻优提供了一条实用的途径。本文的仿真结果表明修正后的目标函数对遗传算法的寻优起到了良好的效果,并为恒张力控制提供了一个实用控制策略,本文所建立起的硬件平台也为日后张力控制器的进一步开发提供了物质基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 本课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外张力控制系统发展现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 张力控制系统的设计
• 2.1 引言
• 2.2 系统类型的选取
• 2.3 张力检测机构的设计
• 2.3.1 张力检测方式的选取
• 2.3.2 张力检测器的选取
• 2.4 执行机构的设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 受力分析及PID控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 受力分析
• 3.3 PID控制策略
• 3.3.1 PID控制
• 3.3.2 积分分离PID控制
• 3.3.3 微分先行PID控制
• 3.3.4 基于前馈补偿的PID控制
• 3.4 本章小结
• 第4章 张力控制器的硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 硬件系统整体结构
• 4.2.1 CPU电路
• 4.2.2 FPGA电路
• 4.2.3 AD转换电路
• 4.2.4 DA转换电路
• 4.2.5 模拟量输出电路
• 4.2.6 基准电路
• 4.2.7 高速数字量输入电路
• 4.2.8 其他电路
• 4.2.9 张力控制器实物图
• 4.3 本章小结
• 第5章 遗传算法在张力控制器中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 系统仿真模型的建立
• 5.2.1 实际系统参数的设定
• 5.2.2 在 Matlab中系统模型的建立
• 5.2.3 被控对象的拟合
• 5.2.4 Z-N法PID参数整定
• 5.3 遗传算法对PID参数的优化
• 5.3.1 遗传算法概述
• 5.3.2 遗传算法的实现技术
• 5.3.3 张力PID控制参数优化的具体设计步骤
• 5.3.4 仿真结果及分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢