车牌半成品自动生产线的铝带烘干系统能量最优控制研究

车牌半成品自动生产线的铝带烘干系统能量最优控制研究 摘要 摘要 本论文首先介绍了车牌半成品的生产工艺流程，对国内首条车牌半成品自动牛产线进行简要的描述，并通过对车牌半成品自动生产线的主要控制对象的，选定了铝带烘干控制系统作为本课题的研究对象。传统的烘十二控制系统往往不能在所有气候环境下都达到工程要求的蒸发速率，并且能耗浪费严蕈。本文的研究试图一种能在各种气候下工作，并且能量最优的烘干控制系统。从烘干系统的水膜蒸发模型入手，分别建立了烘,:系统中的,);,扇功率与进风流率关系方程、湿度模型及温度模型，并对其进行了分析研究。 在此基础上，对铝带烘干系统的能量最优工作点进行了探讨。本文采用的方法是建立系统的临界工作线，以缩小静态寻优的范围并有效的避开了求解大量复杂的偏微分方程的困难。同时本文还对极限工作环境作了说明，并对在此环境下,作时系统控制参数的调整做了简要分析。 最后，对系统状态点不在静态工作点时，本文分三种情况分别给以研究:平衡点控制部分研究了状态点在静态工作点附近时的控制策略;临界工作段控制部分研究了如何将临界工作线上的状态点推向静态工作点;预热段控制部分研究了开机时刻起系统的控制动作。结合能量最优控制算法研究状态点在状态空间移动的规律，以达到能量最优控制的目的。同时对难于的内部湿度参量，本文也提出软测量的方法予以解决。 车牌半成品自动生产线现已投入试运行，系统运行情况良好。关键词 车牌半成品？,产线;烘干控制系统;临界工作线;软测量;能量最优控制 ,,,,,,,, ,“, ,印,, ,,,),,;,,血, ,,,,;,,,, ,,,;,,, ,, ,,址;,, ,;,,,,,，舀,访, , ,,,,, ,?,,,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,, ,,,,,,; ,,,, ,出;,, ,;,,,,, ,,,,曲,, ,,,，,,,岫跏,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,, ;,,?, ,咄,, ,,;, ,,，,,;,, ,,;,,,,, ,,,,,;,,, ，,,,,，,, ;,,,,, ,,抽, ,,,;,, ,, ,,,,;,,, ,,,,, ,, ,，,, ,,,,, ,,,,;,(,,,,舰越,,,,, ,,,,,, ;,,,,, ,,,,,, ,,,,,,, ;,,坩,,, ,,,, ,,,,,,,,,,, ，,,, ,,？,,，?,,,,, ,,， ,,啪, ,, ,,,的,,，,,, ;,,,,,,,,，,,,, ,,,血, ,,,四, ,;，,,,,,,,,,,,, ,,,,,廿, ,, ,,,,印, ,,,，琶)„,,,,捌 ,，,,,, ;,,,,, ,,,胁,,,,;, ;,眦, ,,,, ,,吐, ,?,,,,,,, ,,,，,,廿,,,(,,, ,,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,, ,,,,础, ,,,,,，,,,,,,,,,,,, ,,,,,鲥,,, ,,,,,,, ,抽,,,,趾, ,,,,, ,,;,,? ,,,,,,黟,,,,,甜,,,,瑚辞粕舡,,,田?,,,，,,,,,,曲,砌,,,,的也,,( ,,,,,, ,, ,,,,锄,,,,,,，,,, ,,,,,?,,,, , ,,,,,,, ,,,;,,,,,，,, ,,哪蛐;, ,,,唱, 矾，,曲, ,,, ,, ,,,,,, ,”，,,(,,,,, ,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,吐,,, ,, ,,掘,,蛐,谢,;,, ,,,,,?,, ,,,,,,,，，】，锄, ,,;懈，,; ,,,廿; ,,,,，,,,,,,脚,萨,, ,,,,, ,, ,,,,,, ,,, ,,,, ,,;,,,,,,, ,,,艳呦,,,,,,,,,,,,,(,,, , ,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,吐,, ,,,,,, ,,,, ,,,,,,，,,,,,锄, ,,,, ,研,,,,,,,,,, ,,,姗,,慨, ,,,,,衄;,, ，,,,,,, ,,,,, ,,,曲蚰瑚,( ,,,,,,,?,，,, ,叩,,咖,, ,,,吐,,,, ,,,，,,,,,,,, ,,,, ,,,咖,,,, ,,,、?,, ,, ,叫;,,,, ,,,,,:, ,, ,,,, ,, ,,,,,;, ,,,,, ;,,?,,,,,,吕吐,; ,,,,, ,,,, ,,,; ;,,?,, ,,,嘲眄,,,,,,池, ,,眦,, ;,,,,,, ,,,虹;,,,, ,,,,,;,,,,,, ,,,; ,,谢廿;,, ,,收;,,?,,舀山,,,,,, ,,,,, ,,,,, ,,出廿,, ,,,士, ,,,幻,伯,;,,,,,,,匕讯,, ,,,【,,,静,喇;,,,,,,昌，,】, ,,,,, ,,,,,吐,, ;,咖向,, ,,,,血,,,(,,, ,印,, ,吣蚵,, ,,,,;,,,, ,, ,,,,,,,,,,,?,肌),锄,,, ,咖,, ,,,;,，锄,帆,,曲吐,, ,,,，琴, ,,血,,,,?,?, ,,,蝴;，,,,,;,,,】, ,,,，, ,,,,;,彰？,,,,,,;,,拄,,，,,,,印,, ,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,，,,,,,,,,咖,, ,删,,,, ,,;, ,, ,,阳,, ,,,,,,,( ,,, ,出,, ,,,,,, ,,,,,;,,, ,,,, ,,, ,;,, ,,,嘲,, ,,, ,,,, ,,,，,,姐, ,,,,咖,,,,,,,,,、,,?( ,,, ,,,,,:,,,;,, ,;,,,, ,,,,,;,,,, ,硫，,,,,,, ,,,岫,，,?;,,吐;,, ,,,, ,沁，,,,,,,,,,，,,，,,,,,, ,,,瑚证,, ;,,,瑚 第一章绪论 第一章绪论,(,本课题的研究背景与实际意义 汽车作为现代社会的卡要交通工具，在人们的生产、生活的各个领域得到大量使用。近年来，随着我围汽车普及率的提高，对车牌的需求量也越来越大，相应的也增大了对车牌半成品的需求。目前，车牌半成品的生产虽然已经实现了机械化和部分自动化，但主导生产效率和质量的关键环节，仍是以人群的集体操作为主。显然，这种生产方式已经不能满足车牌需求量发展趋势的要求。冈此，车牌半成品的自动化生产势在必行。 本课题所研究的车牌半成品自动生产线的烘干子系统，作为铝带贴膜工序的前一道上序，它作业的质量对贴膜工序的质量有着重要的影响。铝带经过冲沈后需要经过烘下作业才能进行贴膜。现有的烘干子系统大部分都是凭借工程经验设定输入值，作为一个开环控制系统，没有从外部检测环境变量，也没有从内部反馈状态变量，因此往往达不到工程要求的烘十效果，或者即使达到了烘干效果，能耗的浪费非常严重。因此开发一种能针对外界环境的变化自动的调节系统能量输入，使得系统既能保证,,程要求的烘干效率，义能使能量支,,始终最优的烘干系统下是,,分重要的。本文的研究工作即是在这样的背景下进行展开的。 车牌半成品自动生产线的研制町以从根本上提高车牌半成品的生产效率与生产质量，对于生产牟牌半成品的企业有着实际的应用价值，将使企业效益达到最大化。勿庸置疑，随着中国入世，人均汽车占有量的增加，本文所研究的车牌半成品生产线将有着更广阔的升值空间和重要的现实意义。,(,国内外车牌自动生产设备的研究现状 我国的汽车工业起步较晚，专用的车牌生产设备在解放前,,乎是空白，从八十年代起，随着汽车工业的逐渐 兴起及国外汽车的大量引进，才使得国内开始开发车号牌的专用生产设备。但时至今日，也末见有车牌半成品伞自动？,产线的相关报道。现阶段，大多数国内的车牌半成品生产企业，使用的多为手工生产或单 广东工业大学丁学硕上学位论文工位自动化生产。这样，完成车牌铝材的开卷到半成品的冲裁的生产过程，需要清洗设备、烘干设备、贴膜机、冲床等一系列设备的配合。而从一个工位到下一个工位的过渡操作，需要人工来完成，不能实现车牌半成品的连续生产，生产效率无法得到提高，产品的质量也无法得到很好的保证。 在国外，已经有车号牌半成品的自动生产线开发出来，并得到了广泛的使用。如德国【不,;,公司在九十年代初研制的车牌半成品自动生产线，该生产线融铝卷材放送设备、铝材清洗装置、反光膜贴合机、铝板材输送机、铝材定型机、冲床及相应的模具组成。整条生产线的生产装备已达到相当先进和完备的程度，主要表现在:整个生产过程连续化、自动化，普遍采用了微机控制，成型过程实现了机械化、自动化。这就使生产操作人数大大的减少，有效的提高了产品的生产效率与生产质量。,(,本课题的主要研究内容 本课题从车牌半成品的生产工艺流程入手，对国内首条车牌半成品自动生产线进行简要的描述。以车牌半成品生产线铝带烘干控制系统为研究对象，对此进行数学建模与能量最优控制设计与仿真。 工作的具体内容如下: 建立并分析烘干控制系统各主要环节的模型，包括:蒸发模型、风扇功率与进风流率关系方程、湿度模型、温度模型。湿度、温度模型是在静态和动态工作条件下分别建立，它们在寻取静态工作点和最优控制算法中各有应用。 在建立上述模型的基础上，根据系统的控制特点，以及温度、湿度模型在静态条件下的表示，研究系统的静态最优工作点，以及极限工作环境。 在求取静态工作点之后，根据已经建立的湿度、温度动态模型，进一步研究系统的最优控制算法。使得系统状态点在状态空间的任意位置总能趋近与静态工作点，并月在此过程中能量最优。 利用,,,,,,仿真的方法，验证控制算法的有效性。,(,论文结构 本文共分为五章，各章的内容安排如下 第蕈绪论 第?章为引言，主要介绍本课题的研究背景弓实际意义、国内外的车牌半成品生产设备概况和发展趋势，最后介绍本课题的主要研究内容。 第二章介绍车牌半成品生产线的设计，主要包括生产线的,,,:艺及技术要求、,:艺流程、主要控制对象及控制系统的总体。 第二三章是本论文的理论基石，在这„章我们将首先对铝带烘十控制系统做一个概述，然后阐述了烘干控制系统的结构和控制的方法，并建立各主要环节的数学模型。 第四章在第三章建立的模型基础上，寻取能量最优的静态工作点，其内容包括;静态丁作点的意义、临界工作线的研究以及静态工作时系统状态量和输入两的研究等。 第五章对系统在动态工作时的控制进行了研究，主要包括:平衡点附近的控制、，临界,作段控制和预热段控制。 广东工业人学工学硕士学位论文 第二章 车牌半成品自动生产线的设计,(,生产线的工艺及技术要求 车牌半成品自动，,产线按工艺过程主要分为:铝卷材开卷及矫直部分、焊接部分、清洗部分、牵引部分、烘干部分、贴膜部分和张力控制系统、变速送料部分、冲裁部分及成品输送计数部分。下面，将按照车牌半成品的生产流程对各个部分的工艺及技术要求加以说明。 ,(铝卷材开卷及矫直部分:铝卷材开卷机构可靠，强度高，能适应内径在,,,(,,,,,范围内，最大外径为,,,,,,,,的卷材且应调节方便。 ,(清洗部分:应保证与其他设备前后配合良好，过渡平稳，清洗后的铝材至少应符合以下: (,)表面应呈现均匀,、,致的金属光泽，不应残留 金属氧化物或其它附着物; (,)表面不应有油垢和斑点等污物，用少许水淋于板面，以不挂水珠为准; (,)表面应为干燥状态:用纸巾擦拭，纸巾应不潮湿。 ,(贴膜部分:要求设置以下装置，以保证贴膜的精度: (,)设嚣纠偏装置，在整卷反光膜长度(,,,恤)上，反光膜与锚卷材之间的贴膜误差应不超过,(,,,,; (,)设有贴膜张力控制系统，能够自动调节收放卷速度，保持膜卷张力恒定，从而控制反光膜伸长与变窄均不超过,(,,; (,)设置修边装置，当反光膜宽度大于铝带宽度时，对多余的部分进行切削，以使反光膜与铝带边缘一致。 ,(全线自动化、连续式生产，以减小生产线驱动力对薄膜的冲击，避免薄膜的瞬时张力过大。针对不同规格的车牌半成品(,,,,川《,,,,,和,,,,,×,,,聊”)，应具有多种速度自动切换与选择功能，整线运行速度要求最高为,,,，,,,，半成品生产速度为”片，,,,。 ,(成品要求: (,)贴膜均匀，无皱纹、气泡、划伤、破损、颗粒杂质等不合格现象。 , 第二章 车牌半成品自动牛产线的设计 ,,,无毛边、锚板裸露等不合格现象。,(,生产线的工艺流程 车牌半成品自动生产线的工作流程为:铝卷材开卷及矫直,铝带清洗。铝带烘干冷却(?贴膜,?半成品冲裁，其工艺流程总图如图,一】所示。 ,, 形、 ?『 ,, , (、—了,,,,,, 刎。,,泓, ?, 。节严 ,山,,，皿“ „? ,,?』,,,,”?(:,,,,, ，慕 ,,队激, 鎏 【口 铆 , ,, 日 ,,，… , , ,,酬 ??〕,业， 图,(,—, 车牌半成品自动生产线工艺流程总图 ,,,(,(,一, ,,;,,,,,,,;,, ,,,;,,, ,,,,,啪,, ,,,, ,,,,,,,,; ,,,,,;,,,,,,一铝卷开卷部分,一矫直部分,,焊接部分,一清洗部分,一烘干冷却部分,,贴膜及张力控制部分,一料何检测装置,,送料部分,一冲裁部分,,一传送及计数部分 铝卷材开卷及矫直部分的作用是将固定在双头解料器上的铝卷，通过伺服电机带动的矫直辊从解料器上牵引下来，并对拉伸变形的铝带进行矫直，保证铝带的平整。 焊接部分的主要作用是当检测到铝卷已到料尾时，完成新、旧铝卷的自动焊接过程。清洗部分主要是对铝带进行金属液清洗、循环水漂洗、清水冲洗三个步骤的操作，以去掉铝带上附着的油垢及污渍:牵引部分的主要作用是实现铝带的牵引速度与伺服电机矫直速度的同步;烘干部分主要由风刀吹扫、热风 广东工业大学,学硕上学位论文烘,二及强风冷却,三个环节构成。清洗过的铝带经过强风吹扫后，会在铝带表面上形成一层很薄的水膜，再经过热风烘干和强风冷却后，就会使铝带干燥且冷却下来。 经过以上几个工艺处理过程后，进入贴膜部分的铝带就符合了贴膜的条件，此时反光膜卷张力控制系统投入工作，在贴膜处的牵引电机的配合下，开始对铞带进,,:稳定的贴膜:贴膜后的铝带被伺服电机控制的送料辊按规定的长度快速且准确的送,,,，这时带有模具的冲床即可完成一片车牌半成品的冲制，冲裁好的半成品经后端的传送带将其送出，并由末端安置的计数装置计数。,(,控制系统总体方案 牟牌半成品自动生产线的控制系统总体方案采用三级系统结构，它是机电一体化、多轴运动控制、,,;控制、,,,,,,现场总线及工业以太网通信等技术的综合运用，其结构示意图如图,(,示。 图,(,(,控制系统总体方案 ,,,(,(,—, ,,,;, ,,,,,,,, ,,血, ;,“?, ,,,,,,?, ,,,, ,;,,,, 最底层为模拟量采样与执行器驱动级，这一层包括各类模拟量采样仪表 , 第一章车牌半成品自动生产线的设计如料位变送器、张力变送器、温 度变送器，各种电机、变频器、伺服驱动器等。 第一级为设备控制级，这一级分为变速送料、贴膜控制、开卷矫直及同步牵引控制三部分。变速送料控制部分由一台,,—,,, ,,,及,,,模块组成。其卜要实现铝板的定长(由车牌型号决定)快速送料，根据料位变送器的采样值调整变频器输出的电机频率以及各种电机、阀门的逻辑顺序控制。贴膜控制部分具有同送料部分相同的硬件组成，其主要实现对收放卷的张力控制，以及各种电机、阀门的逻辑顺序控制。开卷矫直及同步牵引控制部分是整条生产线的速度基准，主要实现铝卷材的矫直及伺服电机与两台变频电机的速度同步。 第二级为过程控制级，由一台,,—,,, ,,,、工业以太网通讯处理器(模块)及触摸屏组成，这一级主要实现生产线的启动运行及停机过程控制，设备状态的采集、数据处理、工艺流程画面显示、报警、历史记录、实时显示、控制参数的设置，以及生产报表的存储并通过工业以太网模块上传到上一级。 第三级为管理级，这一级负责生产管理，主要功能包括:查看生产报表，生产指令的下达，进行生产管理，协调生产及原材料的管理。主要是通过网络浏览器查看信息以及数据库中存储的资料。,(,主要控制对象 车牌半成品自动生产线的控制系统主要有以下几个任务: ,(，,:产线的速度同步控制，也就是控制铝卷材开卷处的伺服电机与清洗处及贴膜处的变频电机速度同步，以保证生产线运行平稳: ,(钳带烘干冷却部分的最小能量损耗的控制; ,(铝带贴膜部分的反光膜收放卷的张力控制; ,( 半成品冲裁部分的料位恒定控制，即根据铝带料位检测角度传感器的反馈值，控制冲床的变频电机，调整冲床的冲制频率; 本课题将以铝带烘干控制系统作为主要的研究对象，后面的章节会就烘干控制系统进行建模分析，并在此基础上，研究最优控制的算法。 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章烘干系统数学模型 烘干系统对于整个生产线来说是一个,一分重要的子系统，烘干系统的工作能否达到指标将直接影响到产品的质量。 物料烘干作？,，对烘干系统的工艺参数调整,,,三要是热介质流率、温度和烘干时间…。在本系统中，热介质为空气;温度由电热丝和空气的流率控制;烘干时间是一定的，因此蒸发速率也是固定的。在车牌半成品自动生产线中，铝板要进行正常的贴膜操作，必须保证铝板表面于燥，如果烘干箱内温度过低或者湿度过大，就有可能造成蒸发不完全，因此表面残留的水分会影响接下来的贴膜操作;如果温度过高或者湿度过低，虽然能够保证烘干的质量，但是会导致铝板温度过高，在接下来的冷却过程中消耗太多的时间，或者会使能量浪费严重。由此可见，对烘干系统进行最优设计是车牌半成品生产线设计的重要组成部分。 本章将从水面蒸发的一般性研究出发，建立烘干控制系统各主要环节的数学模型，对系统进行深入的研究。 为便于研究，本文在对湿度、温度建模时对如下一些对象进行简化处理: ,、认为箱体内的各点的温度是相等的，在强制对流下忽略温度场对蒸发的影响; ,、将,(,)视为常数,，因为蒸发速度,是温度和相对湿度的函数，引入时间参量将导致方程复杂无法获得解析解。 ,、箱体内的空气速度场是理想的管道模式速度场，不考虑紊流对系统的影响。 ,、水的蒸发潜热并不采用复杂的经验公式，而是采用静态工作点状态下的值，两者的区别很小，但应用的复杂度有很大差别。 ,、将空气视为理想气体。某些资料因为实际气体与理想气体的微小差别而在对气体性质的描述中加入修正项，这些修正往往很小。本文综合考虑工程对丁,精度的要求和系统的复杂性，弃用了这些修正项。 ,、视烘干系统为一封闭空间，除与热介质空气交换热量外，与外部环境没有热量交换。 第 三章烘十系统数学模型,(,烘干控制系统概述 在烘,控制系统中(提高风速和温度、降低空气湿度都有利于提高蒸发速率?,。系统足通过对烘干箱内湿度、温度以及风速的控制来完成对蒸发速率的控制。 湿度控制方面:因为铝板表面水膜在持续的蒸发，造成内部空气的湿度作出相应的改变，因此需要不断鼓入新风以调节内部空气的湿度。而如果蒸发速率确定，则新风的流率是唯一能够控制内部空气湿度的参量。本系统是通过控制风扇功率或阀『,开启度来控制进风流率，进而控制箱体内的湿度。本文为了便于分析和应用湿度的数学模型，在论文的大部分篇幅中用进风流率而不是用风扇功率或阀门开启度作为控制量。这样做的好处是使得方程的次数降低了。另外本文多次混合使用了多个参量来表征湿度，比如混合比、比瀑、相对湿度等等。这样做的目的仅仅是为了让方程更加简洁，更加便于分析。 温度控制方面:影响系统温度的因素主要有电热丝的输入功率和进风流率。系统温度随热丝输入功率增大而增大;随进风流率增大而减小。显然当进风流率增大时，系统内部湿度降低，也就是湿度参量向着有利于蒸发的方向运动，然而温度同时刚氐，向着不利于蒸发的方向运动。如何寻找最优的静态工作设定值以及控制算法是本文主要研究的对象。 对于蒸发风速方面:就蒸发模型看，风速对于蒸发的影响有限。而且获得大风速所需要的能量开销很小。在本系统中总是让风速稳定在,,,，,的速度。实际系统可采用开环控制的方法实现。 烘干系统的控制实际上可以归结为对温度和湿度的控制。 图,(,—,烘干控制示意图 ,,,(,(,?, ,,,,;, ,,, ,, ,,,,,, ;,,,,, ,,,,,, 外部温度传感器和湿度传感器从外部环境中获得环境湿度和温度，控制器根 广东工业大学工学硕,?学位论文据检测到的环境参数来设定最优的状态工作点和静态输入值。同时内部传感器检测和计算烘干箱内部状态温度和湿度，并反馈回控制器，控制器根据反馈量和设定值的偏差来决定系统的暂态输入。需要说明的是:在内部空气强制对流的情况 卜，湿度的检测是相当困难的。本文使用软测量的方法，用其它可以检测的物理量计算出内部湿度的响应，来代替实际的湿度进行反馈。 如图所示 图,(】,,烘干控制系统结构示意图 ,,,(,(,,, ,,,;,,,, ,,,,,,,, ;,,,,, ,,,,,, ,,控制器;,一烘干箱;,一外部湿度传感器;,一外部温度传感器:,一内部湿度传感器;,内部温度传感器 外部的绝对湿度和温度用‰，和,，来表示，‰(,)和,。(,)是内部的绝对湿度和温度，只。(,)和只。，(,)是风扇功率和热丝功率, 本控制系统的输入量为(,协(,)和,匕(,)，内部状态变量和输出量都是‰(,)和,(,)，外部环境变量为„。和,，。 外部变量‰、乙，以及内部状态变量‰(,)、瓦(,)经过最优控制算法后得到系统的输入量,乙(,)、只。，(,) 但系统的最优静态工作点只有外部状态变量乞。和,。，决定。 , .