基于先进控制算法的悬链式交联电缆控制系统研究与设计

发布时间：2020-06-18 14:36

【摘要】：城镇化的推进和电力基础设施的改造,使得市场对交联电缆的需求越来越大。悬链式布局方式的交联电缆(Cross-linked Polyethylene,XLPE)生产线有着投资小、易维护、效率高等优点,被广泛的应用在工业生产当中。悬链式交联电缆的张力控制系统和温度控制系统是影响电缆生产质量的关键系统。张力控制系统存在强扰动、非线性、滞后等特性和卷绕半径实时变化等难以处理的问题。温度是一个具有惯性和大滞后特性的被控对象,生产过程中要求温度控制系统响应速度快,精度高,抗干扰能力强。在实际的应用中,常规的PID算法对于这两种复杂系统不能取得很好的控制效果,无法满足生产工艺的需求。因此,研究悬链式交联电缆的张力和温度控制系统对工业生产具有实际意义。基于上述背景,本文主要的研究内容如下:(1)简单的介绍了悬链式交联电缆生产工艺,分析了张力产生原理、张力控制方式和控制装置。通过对电缆收卷过程原理的分析,得出了影响张力稳定的主要因素是收卷半径实时变化。随后总结了悬链式交联电缆张力控制系统的控制难点和需要解决的问题,并介绍了电缆温度控制的特性和原理。(2)根据悬链式交联电缆生产时的走线流程,采用机理法,如伺服电机运动方程、转动定律等电气力学原理,建立了整个张力控制系统的数学模型。然后,通过电缆生产系统的加热原理和特性分析出了温度控制系统的数学模型。(3)介绍了传统的PID算法、Smith算法以及预测PI算法,并将三种算法应用到具有一阶惯性加纯滞后特性的温度数学模型当中。通过仿真对比分析,证明了基于预测PI算法设计的温度控制系统具有更好的响应性能、抗干扰性能和鲁棒性能。(4)为解决张力控制系统收卷半径实时变化、滞后、强干扰等控制问题,分析了串级控制系统的性能,提出了一种以收卷线速度控制为副回路,电缆悬垂位置控制为主回路的串级张力控制方案,并给出了系统控制框图。接下来将双预测PI算法与几种先进的国外算法相比较,验证了双预测PI算法很适合控制非自衡时滞对象。最后,通过仿真证实了基于双预测PI算法设计的串级张力控制系统对于收卷半径实时变化,模型参数易变等问题有着良好的控制效果,并且系统具有响应快、抗干扰能力强、鲁棒性好等优点。(5)为了将研究的内容和实际工业应用相结合,设计了一套基于OPTO22 PAC Project平台的实时监控软件。首先搭建MATLAB Simulink模块用来模拟实际的张力和温度系统对象,然后在PAC Control中设计控制策略,并对控制算法进行离散化与编写。接下来通过OPC技术实现PAC Control与MATLAB Simulink的通信和数据交互,最后在PAC Display中设计人机交互界面,用户能够方便的在交互界面上修改控制器的参数和监控系统运行状态。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM75;TP273
【图文】：

布局图,悬链式,交联电缆,生产线

的交联电缆生产线，既不需要过高的厂房，又可以解决电缆的高度与水平跨度又可以按原有条件适当调整[30]，是目前联电缆生产线。悬链式交联电缆的控制系统复杂，技术难点较响着电缆的悬垂度，温度控制系统影响着交联反应的发生，核心的两个控制系统。所以在了解悬链式交联电缆工艺背景控制系统和温度控制系统的系统特性、控制方式、和控制电缆生产工艺电缆生产线系统组成上牵引挤出机组

阶跃响应,整定,稳态,调节时间

图 4.5 阶跃响应的比较从图 4.5 中可知，用 Ziegler-Nichols 法整定的 PID 控制器存在较多震荡，系统响应较慢，达到稳态所需的时间长，大约 t=1500s 时系统才达到稳定，在 2000s时加入幅值为 0.5 的干扰后，系统恢复较慢且同样存在震荡；Cohen-Coon 法整定的 PID 控制器虽然调节时间相比 Ziegler-Nichols 法稍快，但系统响应存在较大的超调量和震荡，系统抗干扰能力差。由仿真可知，在 Ziegler-Nichols 法整定 PID 参数基础上设计的 Smith 预估控制器，虽然消除了Ziegler-Nichols法给系统带来震荡和超调，具有很好地稳定性。但是系统的响应速度很慢，需要长时间才能达到稳态，抗干扰能力较差。预测 PI 算法设计的控制器，系统的调节时间最短，响应很快，在大约 t=400s时系统就已经到达稳态，且整个过程无超调和震荡。在加入干扰后，系统也能快速的恢复，具有优秀的抗干扰能力。（2）为了比较几种算法的跟踪性能，系统稳定后，在 t=1800s 时，改变了系统的设定值，从 1 变为了 1.5，系统的仿真结果如图 4.6 所示。

【参考文献】