高速铝带重卷机关键技术的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.54MB 58 页 15积分

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摘要

目前铝带在生产过程中存在带材宽度变化比较大的问题。带材在卷取过中，

由于存在带材前期卷幅不整齐、带材张力变化以及传动系统的震动等干扰因素，

使得带材不能够保持直线运行而造成跑偏，严重影响了铝带的生产效率和产品质

量。鉴于以上现状，本文主要对铝带纠偏装置进行了设计。

针对纠偏装置存在的问题，本文分析了带材跑偏的原因，给出了相应的纠偏

方法，并设计了液压伺服系统，对纠偏装置的液压伺服系统进行了数学系统建模，

运用MATLAB/SIMULINK等数学软件对控制系统的稳定性进行了定量分析，并对

控制系统的数学模型进行仿真。利用龙格库塔算法对控制系统的PID参数进行整

定，仿真结果表明：系统的响应特性比较理想，说明优化后的PID控制适用于本系

统的控制。另外本文对纠偏传感器、控制器的硬件进行了设计，运用DSP作为系统

的主控制芯片，利用东芝公司生产的CCD芯片设计了外部数据采集传感器,利用可

编程逻辑阵列CPLD芯片在MAX-PLUSII软件环境中仿真了相应的CCD脉冲驱动时

序并设计了相关电路，同时完成了控制系统的软件设计。本文最后对该纠偏装置

进行总结与展望，得出相应的结论：此纠偏装置具有卷取精度高，运行速度快，

实时性强等优点，可以广泛地应用到生产实践中。

关键词：带材跑偏 PID控制 MATLAB仿真 CCD驱动时序控制器设

计

ABSTRACT

At present, the change about the width of the aluminium strip has become a major

problem during the production of the strip. During coiling, because of some interference

factors such as the unflatness of the strip, the tensility of the strip change and the shake

of the transmission system, the aluminium strip is easily out of line, so the production

efficiency and product quality are affected. To solve the above problems, this thesis is

mainly designed for the deviation-checking equipment of the aluminium strip.

This paper sets up the correct mathematical model of the hydraulic servo device of

the control system. In this mathematical model, we design the PID parameters and then

simulate to verify the accuracy of the model .And the paper uses the software of

MATLAB / SIMULINK to simulate the control system. Simulation results show that:

when the system runs the PID parameters, the control system responses an ideal

characteristics. So that PID control parameters is optimized for this control of the

system.

Then the paper design the hardware and software, and use the DSP as the main

control chip, then design the CCD sensor system as the external input. The paper

designs the appropriate data acquisition circuit, and use the CPLD chip in the

MAX-PLUSII environment to correspond the pulse-driven timing simulation. In the last

of the paper, it gives the summary of this paper. The correction device has a take-up of

high precision, fast and real time, etc. It can be widely applied to the realistic production

practice.

Keywords: Strip deviation，PID control algorithm，CCD drive，timing

simulation，Controller design

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................................................................................1

§1.1 课题来源及意义 ................................................................................................1

§1.2 自动纠偏控制系统概述 ....................................................................................1

§1.3 自动纠偏装置国内外发展现状 ........................................................................2

§1.4 本文研究的主要内容 ........................................................................................3

§1.5 本章小结 ............................................................................................................3

第二章高速铝带跑偏分析与伺服系统建模 ................................................................4

§2.1 高速铝带跑偏分析 ...........................................................................................4

§2.1.1 铝带跑偏原因分析 ......................................................................................4

§2.1.2 控制铝带跑偏的措施分析 ..........................................................................6

§2.2 伺服纠偏系统的建模 ........................................................................................7

§2.2.1 电液伺服系统的结构组成分析 ..................................................................7

§2.2.2 电液伺服技术概述 ......................................................................................7

§2.2.3 电液伺服系统建模简介 ..............................................................................8

§2.2.4 控制对象的基本要求 ..................................................................................8

§2.2.5 伺服系统的数学模型 ..................................................................................8

§2.3 本章小结 ..........................................................................................................10

第三章伺服系统动态性能及 PID 控制仿真 ............................................................. 12

§3.1 伺服系统动态性能分析 ..................................................................................12

§3.1.1 系统的稳定性条件 ....................................................................................12

§3.1.2 系统的开环传递函数与频率特性 ............................................................12

§3.2 伺服控制系统算法分析研究 .........................................................................13

§3.2.1PID 控制原理和控制方法 ......................................................................... 13

§3.2.2 控制系统 PID 控制算法参数的最优化 ................................................... 15

§3.2.3 控制系统 PID 控制算法的仿真 ............................................................... 16

§3.3 本章小结 ..........................................................................................................17

第四章纠偏传感器的设计 ..........................................................................................18

§4.1 CCD 传感器概述 ............................................................................................ 18

§4.1.1 CCD 的工作原理 ...................................................................................... 18

§4.1.2CCD 的主要参数特性分析 ....................................................................... 19

§4.1.3 CCD 的选择及检测精度分析 .................................................................. 20

§4.2 光学系统设计 ..................................................................................................20

§4.2.1 光源的选择与设计 ....................................................................................20

§4.2.2 光路系统的设计 ........................................................................................21

§4.3 CCD 传感器硬件设计 .................................................................................... 22

§4.3.1 CCD 驱动电路设计 .................................................................................. 22

§4.3.2 差分放大电路设计 ...................................................................................26

§4.3.3 二值转化处理 ...........................................................................................27

§4.3 本章小结 ..........................................................................................................28

第五章纠偏系统控制器的硬件设计 ..........................................................................29

§5.1 DSP 伺服控制器的概述 ................................................................................. 29

§5.2 TMS320F2812 DSP 的基本结构简介 ............................................................29

§5 .2.1 TMS320F2812 的功能特点及体系结构 ................................................. 30

§5.2.2 TMS320F2812 内核以及外设 .................................................................. 30

§5.3 控制系统的总体硬件设计 ..............................................................................33

§5.3.1 电源电路设计 ............................................................................................33

§5.3.2 复位电路设计 ............................................................................................33

§5.3.3 电源监视电路 ............................................................................................34

§5.3.4 时钟电路设计 ............................................................................................34

§5.3.5 TMS320F2812 与PC 通讯接口电路 ....................................................... 35

§5.3.6 DSP 信号采集电路 ................................................................................... 35

§5.3.7 电液比例阀控制电路设计 ........................................................................36

§5.4 本章小结 ..........................................................................................................36

第六章纠偏系统控制器的软件设计 ..........................................................................38

§6.1 控制系统的软件的整体方案设计 .................................................................38

§6.2 初始程序，主程序，以及子程序的设计 ......................................................39

§6.2.1 初始程序设计 ............................................................................................39

§6.2.2 主程序结构设计 ........................................................................................41

§6.2.3 数据采集模块 ............................................................................................41

§6.2.4 功能键设置模块 ........................................................................................42

§6.3 软件设计的抗干扰性与容错性的研究 ..........................................................43

§6.4 本章小结 .........................................................................................................44

第七章总结与展望 ......................................................................................................45

§7.1 总结与展望 ......................................................................................................45

§7.2 本章小结 ..........................................................................................................45

附录 ............................................................................................................................46

参考文献 ........................................................................................................................52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................54

致谢 ................................................................................................................................55

第一章绪论

§1.1 课题来源及意义

在铝带轧制过程中，形成的锯齿形裂纹经过几道冷轧工序后会使其裂纹扩大，

所以必须把裂纹剪切掉然后进行轧制。在传统工艺条件下，许多工厂的轧机中配

有切边用的剪切机，而轧机在轧制过程中为了适应剪切机的速度，必须降低其轧

制速度。随着现代科学技术的发展，为提高铝带的产量，很多高速轧机中未设有

剪切机构，而是采用专门的重卷机组来完成切边任务。铝带重卷机上既可以完成

切边，也能分卷，根据客户的要求进行分成小卷。

在科学技术越来越发达的今天，工业流水线的自动化程度也越来越高，而铝

带在收卷、放卷和剪切的过程中，带材的跑偏是不可避免的，控制带材跑偏是重

卷机的关键技术之一。在高速铝带的生产设备和后续处理中，铝带能无障碍运行，

在其收放卷过程中边缘整齐，使得铝带在后续的包装运输更为方便，而且能减少

铝带在收放卷过程中边缘不整齐的损耗，从而提高经济效益。

如果不对铝带收放卷过程中进行有效的控制及纠正，会直接影响带材的工艺

品质，造成不必要的经济损失。随着制造业的发展，自动纠偏技术所带来的巨大

的经济效益己引起国内有关部门和单位的重视。在高速铝带的收放卷过程中存在

手动控制比较难，调节不太及时，控制精度难以保证，因此研制一套自动控制的

纠偏装置具有重要意义。

§1.2 自动纠偏控制系统概述

带材跑偏是指诸如纸张、塑料等可挠性带材在运行过程中可能受到不可控制

力的作用，不能保持直线运行而使其幅宽中心线偏离基准中心线的现象[1]。故需通

过自动纠偏系统对这一现象进行修正。自动纠偏系统应用相当的广泛，如应用于

钢铁、纺织、印刷、标签、贴标、造纸、塑料薄膜、建筑材料、线缆、橡胶、无

纺布、瓦楞纸加工等行业的工业自动化均有应用。

纠偏控制是指制造商所生产的卷材在喷涂、印刷、冲切、层合、分切或者其

它卷材卷绕过程中，始终要保持卷材侧面整齐一致而采取的技术操作。因为卷材

边缘一旦没有对齐就会引起后续工艺的出错，导致材料浪费或者停工调整。所以，

在处理加工卷材的时候，需要对偏移的卷材进行及时的纠偏操作，这个过程称之

为纠偏，整个流程的设备就构成了一套纠偏装置系统。

现代的卷材处理技术向高速度、高精度等方向发展，这就越来越依赖于自动

纠偏技术，一套典型的自动纠偏系统包括纠偏控制器、纠偏传感器、纠偏框架及

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摘要：

摘要目前铝带在生产过程中存在带材宽度变化比较大的问题。带材在卷取过中，由于存在带材前期卷幅不整齐、带材张力变化以及传动系统的震动等干扰因素，使得带材不能够保持直线运行而造成跑偏，严重影响了铝带的生产效率和产品质量。鉴于以上现状，本文主要对铝带纠偏装置进行了设计。针对纠偏装置存在的问题，本文分析了带材跑偏的原因，给出了相应的纠偏方法，并设计了液压伺服系统，对纠偏装置的液压伺服系统进行了数学系统建模，运用MATLAB/SIMULINK等数学软件对控制系统的稳定性进行了定量分析，并对控制系统的数学模型进行仿真。利用龙格库塔算法对控制系统的PID参数进行整定，仿真结果表明：系统的响应特性比较理想，说明...

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