機電張力系統(tǒng)關鍵控制技術的研究及實踐.pdf

1、張力控制是線切割機床、IC制造、印刷、纖維纏繞等工業(yè)設備中具有共性的基礎技術之一。隨著現(xiàn)代卷繞設備向高速、高精度方向發(fā)展，張力控制技術極其重要。由于大型機電張力設備結構復雜、影響因素眾多，在不同工況下系統(tǒng)參數(shù)存在著較強的耦合性、非線性、時變性和不確定性；在基礎理論、檢測技術和控制策略等方面都還有許多問題尚需解決，因此，機電系統(tǒng)張力控制問題是擺在工程技術人員面前亟需解決的重大研究課題之一。 論文以“機電張力系統(tǒng)關鍵控制技術的研究及

2、實踐”為題，分析了機電張力系統(tǒng)內各子系統(tǒng)間動態(tài)耦合關系；研究了機電張力系統(tǒng)耦合建模方法及基于神經(jīng)網(wǎng)絡解耦控制算法；以典型機電張力系統(tǒng)——多線切割機為研究對象，建立了多線切割機系統(tǒng)的耦合模型及神經(jīng)網(wǎng)絡解耦控制策略；研制了張力系統(tǒng)實時控制軟硬件和張力實驗平臺，并通過實驗對所研究內容進行驗證。論文主要工作如下： 研究了機電張力系統(tǒng)全局耦合建模方法。在復雜機電張力系統(tǒng)大范圍動態(tài)建模中，通常存在純機理建模模型精度低和辨識模型外推性能差等問

3、題。針對上述問題，論文提出了基于機理知識的耦合建模技術框架，耦合建模有效解決了大范圍內非線性、多變量、強耦合對象的動態(tài)建模問題，所建立的耦合模型能準確地反映了機電張力系統(tǒng)各子系統(tǒng)間網(wǎng)絡式、多重交互、非線性內反饋及自組織規(guī)律的耦合關系。論文分別建立了張力產(chǎn)生機理力學模型、開卷和收卷機構力學模型、擺輥機構力學模型、彈性體變形力學模型、以及機電系統(tǒng)等力學模型；研究分析了多線切割機的切絲切割力、切絲振動等子系統(tǒng)的模型及其耦合關系；根據(jù)子系統(tǒng)間耦

4、合關系，建立多線切割機系統(tǒng)全局耦合模型。 為了驗證耦合建模方法的正確性，論文采用模型參數(shù)辨識方法對所建立的多線切割機耦合模型進行驗證。針對傳統(tǒng)最小二乘系統(tǒng)模型參數(shù)辨識方法的缺陷，論文提出一種帶有權系數(shù)因子的最小二乘系統(tǒng)模型參數(shù)辨識方法，該辨識方法通過遞推解決了傳統(tǒng)最小二乘法對計算量和存儲量的限制，采用權系數(shù)因子降低歷史數(shù)據(jù)所提供的信息量，相對增加新數(shù)據(jù)的信息量，有效提高了機電系統(tǒng)模型參數(shù)辨識的精度。辨識結果也驗證了耦合建模的正確

5、性。 研究了機電張力系統(tǒng)自適應解耦控制原理和實現(xiàn)。針對機電張力系統(tǒng)非線性強、模型未知、參數(shù)時變、多重網(wǎng)絡耦合的特點，論文詳細研究了張力系統(tǒng)解耦控制的模型結構，分析了RBF解耦控制算法的原理，設計了能夠實現(xiàn)機電張力系統(tǒng)輸入、輸出完全解耦的RBF解耦控制算法；該算法利用系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，實時跟蹤被控對象的性質，動態(tài)調節(jié)控制器參數(shù)，消除了系統(tǒng)參數(shù)時變的影響，實現(xiàn)了系統(tǒng)在線動態(tài)解耦，具有極強的魯棒性。 研制了以DSP(TMS320

6、LF2407A)為核心張力實時控制系統(tǒng)。論文從硬件和軟件兩個方面詳細介紹了基于DSP的張力實時控制系統(tǒng)設計內容，完成了張力采樣電路、速度檢測電路、輸出驅動電路及必要的外圍接口電路和相關軟件功能模塊設計。針對機電張力系統(tǒng)實時多任務要求，結合實際研究條件，論文自行研制一些具有實時內核功能的控制軟件，完成了系統(tǒng)控制的任務調度、內存管理，任務流劃分等基本功能；論文所研制的張力控制系統(tǒng)無論從任務響應的實時性、硬件資源的可靠性，還是軟件模塊的條理性

7、較以往有了較大的提高，為下一代張力控制系統(tǒng)的研究提供了充裕的軟硬件資源。 對本論文所研究的理論及實際成果進行實驗和應用研究。研制具有類似負載特性的張力實驗平臺，通過對實驗平臺的動力學、運動學及系統(tǒng)動態(tài)特性分析，在實驗平臺上進行解耦控制算法實驗；將實驗結果與仿真結果比較分析，驗證和完善論文提出的機電張力系統(tǒng)耦合建模理論和基于神經(jīng)網(wǎng)絡解耦控制算法；應用所研究成果，解決工業(yè)生產(chǎn)中機電張力系統(tǒng)的張力速度相互耦合、難于整定的難題，使控制系

8、統(tǒng)性能指標在參數(shù)可調范圍內達到最優(yōu)，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒張力、恒速度控制。 機電張力系統(tǒng)的控制技術在工業(yè)生產(chǎn)中地位極其重要，機電張力系統(tǒng)控制關鍵技術的研究可提升我國制造業(yè)(如線切割、拉膜、拉絲、冶金、IC裝備等)的核心競爭力。因此，與其相關的研究工作不僅能夠帶來巨大的經(jīng)濟效益，同時也有良好的社會效益。本論文為解決機電張力系統(tǒng)控制問題提供一種新的研究思路，研究成果可為系統(tǒng)控制問題的解決提供理論依據(jù)和應用基礎，尤其對機電張力控制系統(tǒng)的研發(fā)、