对带材收卷过程中正弦式跑偏的跟踪控制

摘要

带材跑偏是指纸张、软包装印刷材料、带钢、塑料薄膜、织物等可绕性带材在卷绕过程中，由于卷取带材的张力变化、前道工序卷绕不齐以及带材的厚度不均匀等多种因素的影响，而呈现出交替随机的横向跑偏。这种现象导致带材在收卷时边缘不整齐，若不及时纠偏，不仅影响带材的加工、无法保证产品质量，而且增加原料能源消耗，严重时会使生产设备不能正常运行。本文针对带材在收卷过程中存在的交变式跑偏，设计了一种基于重复控制与自适应PD控制两种方法相结合的纠偏控制系统。
　　首先，本文对带材跑偏控制的背景、意义及国内外同行的研究现状进行了分析，介绍了常用的跑偏传感器、纠偏执行器、纠偏控制算法，并探讨了基于CCD传感器的新型跑偏检测方法。在此基础上，根据带材纠偏控制系统的特点，以带材收卷纠偏为例提出新型跑偏跟踪控制方案，介绍了该纠偏控制系统的组成及工作原理，以及软硬件方案和主要功能。
　　其次，本文分析了收卷纠偏控制系统的数学模型，并根据PID控制具有良好的动态性能与重复控制具有良好的稳态性能的特点，设计了新型纠偏控制算法，即基于重复控制的自适应PD控制算法。然后在MATLAB环境下，对采用自适应PD控制的算法和采用重复控制与自适应PD控制相结合的算法进行仿真比较，仿真结果表明：采用新型纠偏控制算法可以很好地改善系统的跟踪性能，可以解决正弦式交变跑偏问题，使带材收卷纠偏控制系统具有良好的动、静态性能。为后续研究奠定了理论基础。
　　最后，基于嵌入式芯片STM32F103VET6对新型纠偏控制器进行软、硬件设计。其中，硬件部分主要包括主控板电路设计、人机界面设计、驱动电路设计、信号处理设计、电源电路设计；软件部分基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II的设计思路，对系统的主程序、中断服务程序及子程序进行了模块化设计，介绍了新型纠偏控制算法、信号采集和PWM输出等的实现方法。经过理论研究与实验，表明本系统达到了预期的目的。

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第1章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 国内外同行的研究现状和发展趋势

第2章 带材跑偏检测方法分析

2.1 常用的带材跑偏检测方法

2.2 基于CCD的新型跑偏检测方法

2.3 本章小结

第3章 带材收卷纠偏控制系统的组成原理

3.1 系统组成原理及主要功能

3.2 核心器件选型

3.3 本章小结

第4章 带材收卷纠偏控制系统的建模、控制算法研究

4.1 带材收卷纠偏控制系统的对象建模分析

4.2 对正弦式跑偏的跟踪控制方法研究

4.3 对多频正弦式跑偏的收卷纠偏控制方法研究

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第5章 新型收卷纠偏控制器的硬件、软件设计

5.1 新型收卷纠偏控制器的总体技术实现方案

5.2 硬件、软件的功能分配

5.3 新型纠偏控制器的电路设计

5.4 新型纠偏控制器的软件设计

5.5 本章小结

第6章 调试与实验分析

6.1 新型收卷纠偏控制器的调试

6.2 部分实验与结果分析

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录一：主控板电路图

附录二：人机界面电路图

附录三：电源与驱动电路图

附录四：信号处理电路图

附录五：作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目

附录五：作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目