機電張力系統(tǒng)關(guān)鍵控制技術(shù)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(shè)備中具有共性的基礎(chǔ)技術(shù)之一。隨著現(xiàn)代卷繞設(shè)備向高速、高精度方向發(fā)展，張力控制技術(shù)極其重要。由于大型機電張力設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)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(chǔ)理論、檢測技術(shù)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(shù)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(guān)鍵控制技術(shù)的研究及

2、實踐”為題，分析了機電張力系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)間動態(tài)耦合關(guān)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(luò)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(luò)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(nèi)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(fù)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(shù)框架，耦合建模有效解決了大范圍內(nèi)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(zhǔn)確地反映了機電張力系統(tǒng)各子系統(tǒng)間網(wǎng)絡(luò)式、多重交互、非線性內(nèi)反饋及自組織規(guī)律的耦合關(guān)系。論文分別建立了張力產(chǎn)生機理力學(xué)模型、開卷和收卷機構(gòu)力學(xué)模型、擺輥機構(gòu)力學(xué)模型、彈性體變形力學(xué)模型、以及機電系統(tǒng)等力學(xué)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(guān)系；根據(jù)子系統(tǒng)間耦

4、合關(guān)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(quán)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(quán)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(jié)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(yīng)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(luò)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(jié)構(gòu)，分析了RBF解耦控制算法的原理，設(shè)計了能夠?qū)崿F(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(zhì)，動態(tài)調(diào)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(shè)計內(nèi)容，完成了張力采樣電路、速度檢測電路、輸出驅(qū)動電路及必要的外圍接口電路和相關(guān)軟件功能模塊設(shè)計。針對機電張力系統(tǒng)實時多任務(wù)要求，結(jié)合實際研究條件，論文自行研制一些具有實時內(nèi)核功能的控制軟件，完成了系統(tǒng)控制的任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理，任務(wù)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(wù)響應(yīng)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(yīng)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(xué)、運動學(xué)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(jié)果與仿真結(jié)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(luò)解耦控制算法；應(yīng)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(biāo)在參數(shù)可調(diào)范圍內(nèi)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(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中地位極其重要，機電張力系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)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(guān)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(yīng)用基礎(chǔ)，尤其對機電張力控制系統(tǒng)的研發(fā)、