双向拉伸薄膜厚度控制系统的设计与仿真

摘要

近年来，随着我国经济的快速发展，薄膜在工业、农业、食品业和包装业等各行各业的使用越来越广泛，对其质量要求也越来越高。薄膜厚度控制系统是薄膜生产线极其重要的组成部分，其控制性能的好坏决定了薄膜的质量。在双向拉伸薄膜生产线中，薄膜厚度受到原料质量、挤出压力、机头温度、拉伸车速等多种因素的影响，是一个非线性、时变、大滞后的复杂系统。因此，性能优良的薄膜厚度控制系统设计也就成了一个典型的工程难题。双向拉伸薄膜厚度控制技术，在国外发展迅速，并日趋完善。由于起步晚和技术封锁，国内双向拉伸薄膜厚度控制技术还处于起步阶段，产品质量不高，高质量薄膜生产线主要进口国外的成套薄膜生产设备。这不仅使国内成套薄膜生产设备的技术档次难以提高，而且对薄膜产品的核心竞争力和经济效益也产生了严重的影响。因此，研制国产的双向拉伸薄膜厚度控制系统，已成为一项非常紧迫的战略性任务。本论文首先介绍了课题的来源、研究背景及意义，双向拉伸薄膜厚度控制系统的结构和工作原理，以及三种相关的PID控制器。然后在充分调研的基础上，以MCGS和MATLAB为平台，设计和仿真了一个双向拉伸薄膜厚度控制系统；最后对论文的工作进行了总结和展望。主要完成了如下三项工作：(1)基于MCGS组态软件的薄膜厚度控制系统设计MCGS是一套Windows下用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件，可为用户提供解决实际工程问题的完整方案，具有现场数据采集、实时数据处理、报警、流程控制、动画显示等功能。本论文以MCGS组态软件为双向拉伸薄膜厚度控制系统的开发平台，以完成硬件接口的设置和数据的实时采集，实现人机对话和控制系统运行情况的动画显示。(2)采用基于RBF神经网络的PID控制器和基于遗传算法的PID控制器实现了对薄膜横向厚度的优化控制在双向拉伸薄膜生产线中，薄膜厚度控制系统是一个非线性、时变、大滞后的复杂系统，特别是横向厚度控制。采用传统的PID控制器来控制这样的对象，难以整定出理想的PID参数，且超调量大，响应速度慢，不易在线调整。本论文采用基于RBF神经网络的PID控制器和基于遗传算法的PID控制器，通过自学习找到最佳的PID控制参数，从而提高薄膜厚度的控制效果。仿真结果表明，这两种控制器具有超调量小、响应速度快和自适应性强等优点，其控制品质优于传统的PID控制器。(3)采用DDE动态数据交换技术，实现了MCGS和MATLAB的通信以MCGS为薄膜厚度的主控系统，用MATLAB实现PID控制参数的整定，并通过DDE技术完成双方的数据交换，以增强MCGS的控制能力。综上所述，本双向拉伸薄膜厚度控制系统超调量小、响应速度快、自适应能力强，能有效提高薄膜产品的质量，且操作方便，可视性和可维护性好，对于有效提高国产薄膜成套生产设备的行业竞争力有实际意义，具有较大的应用价值。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

第1节 课题的来源、研究背景及意义

第2节 双向拉伸薄膜生产线及其厚度控制系统的结构

一、双向拉伸薄膜的生产方法

二、双向拉伸薄膜生产线的结构

三、双向拉伸薄膜厚度控制系统的结构

第3节 薄膜厚度的测量方法

一、扫描探头简介

二、薄膜厚度的测量原理

第4节 薄膜厚度的控制方法

一、薄膜横向厚度的控制

二、薄膜纵向厚度的控制

第5节 影响薄膜厚度的主要因素

第6节 本论文的结构安排

第2章 薄膜厚度控制系统的设计

第1节 薄膜厚度控制系统的总体设计方案

第2节 基于MCGS 组态软件的厚度控制系统设计

一、MCGS 组态软件的组成结构

二、实时数据库的设计

三、用户窗口的设计

四、设备窗口的设计

五、主控窗口的设计

六、运行策略的设计

第3节 系统的仿真运行

一、主界面

二、横向厚度手动调节界面

三、纵向厚度手动调节界面

四、横向厚度自动调节界面

五、系统配置界面

第4节 本章小结

第3章 MATLAB 中的控制算法设计和仿真

第1节 薄膜厚度模型的辨识

一、被控对象模型介绍

二、薄膜横向厚度模型的辨识

第2节 传统PID 控制器仿真控制

一、传统PID 控制器简介

二、传统PID 控制器的仿真控制

第3节 基于RBF 神经网络的PID 控制器仿真控制

一、RBF 神经网络简介

二、基于RBF 神经网络的PID 控制器的结构

三、基于RBF 神经网络的PID 控制器仿真控制

第4节 基于遗传算法的PID 控制器仿真控制

一、遗传算法简介

二、基于遗传算法的PID 整定原理

三、基于遗传算法的PID 控制器的仿真控制

第5节 本章小结

第4章 MCGS 与 MATLAB 的数据交换

第1节 关于组态软件数据交换技术

一、组态软件的不足

二、组态软件的数据交换技术种类

第2节 DDE 动态数据交换技术

一、DDE 的概述

二、DDE 的通信原理

第3节 MATLAB 和MCGS 的DDE 连接

一、MCGS 中的DDE 设置

二、MATLAB 的DDE 连接函数

三、MATLAB 与DDE 通信的编程

第4节 仿真运行

第5节 本章小结

第5章 总结与展望

第1节 研究工作总结

第2节 研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文目录

致谢