基于预测控制的连续平压机热压板升降系统同步控制技术研究

摘要

热压板升降系统是人造板连续平压机的重要组成部分，决定了连续平压机的稳定性与可靠性。在热压板升降过程中需要对与热压板相连的多组液压活塞缸进行高精度同步控制。由于热压板升降系统具有非线性、强耦合、强惯性等特点，执行元件及被控对象较多，受设备加工制造精度、液压元器件性能、液压系统泄露等因素的影响，当前采用的常规PID控制方法对于连续压机多组液压缸同步运动控制精度不够高，而且容易产生瞬时偏差超限的现象，使得热压板倾斜或局部受力不均，导致不能压制合格的人造板材，容易对热压板和调节阀造成一定程度的损坏甚至造成停产，增加生产成本。为了克服因系统自身特点、制造精度及元件性能等因素对同步控制精度的影响，本文研究了热压板升降系统的群集同步控制技术，从液压同步控制策略及控制算法两方面展开研究以改善其同步控制精度。提出了基于预测控制的连续平压机热压板升降系统环形耦合同步控制策略，在理论推导、仿真实验基础上，构建基于预测控制的连续平压机热压板升降系统环形耦合同步控制算法模型，并成功应用于连续压机生产线。论文主要研究内容及结论如下:
　　第一，在分析连续平压机液压系统现存问题的基础上，建立连续平压机阀控液压缸闭环控制系统，并推导其数学模型。最后从热压板升降系统液压控制的角度分析了其同步控制需求，即单路油缸的高精度位置跟踪控制及多路油缸的高精度群集同步控制。
　　第二，针对热压板升降系统控制需求，研究其单路油缸的高精度位置跟踪控制算法，在分析几种主要的液压同步控制算法特点的基础上，提出采用广义预测控制算法改善其单路油缸的位置跟踪控制性能。详细介绍了广义预测控制器的设计方法和流程，通过Matlab软件和PID算法进行仿真实验与对比分析，验证技术参数对生产工艺和设备性能的影响，以及预测控制对热压板升降系统油缸位移的跟踪控制效果。实验结果表明，广义预测控制具有较好的定值跟踪和随动跟踪性能，具有超调小、响应速度快、抗扰动能力强和控制精度高的优点，实现热压板位置的实时跟踪控制。
　　第三，针对热压板升降系统控制需求，研究其多油缸的高精度同步控制方法，在分析了几种主要同步控制方式特点的基础上，提出采用环形耦合同步控制方式进行系统群集同步控制，并通过和主从同步控制方式的仿真对比实验进行理论验证。同时为改善升降系统的动态性能，增强系统鲁棒性，进一步提出采用预测控制取代常规PID控制对环形耦合同步控制进行改进，设计了环形耦合群集同步预测控制器，构建了包含同步误差及位置跟踪误差的最优性能指标函数，并着重推导了其同步控制规律。论文对建立的系统模型进行了理论验证并和基于PID控制的主从同步控制及基于PID控制的环形耦合同步控制分别进行了对比，结果表明，基于预测控制的环形耦合同步控制方法具有更好的位置跟踪性能和同步性能，系统抗干扰性和鲁棒性强，响应速度快，适用于被控对象较多的连续平压机热压板升降系统。
　　第四，给出了热压板升降系统测控平台的硬件组态，以及基于预测控制的环形耦合群集同步控制方法的软件实现，并检验了其实际应用效果。系统运行结果表明热压板升降过程中左右同步控制偏差极限3 mm，前后同步控制偏差极限达到10mm，同当前国内外同步控制左右同步偏差极限4mm和前后同步偏差极限15mm相比，精度分别提高了25％和33％，满足热压板升降过程的工艺要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 研究背景

1．1．2 热压板升降系统同步控制存在的主要问题

1．1．3 研究目的与意义

1．2 人造板连续平压热压机的研究现状

1．3 预测控制的发展和现状

1．3．1 预测控制的发展及特点

1．3．2 预测控制的研究及应用现状

1．4 液压闭环同步控制的研究现状及发展趋势

1．4．1 同步控制策略的研究现状

1．4．2 同步控制系统的控制算法

1．4．3 液压同步控制的发展趋势

1．5 本文的主要研究内容和论文结构

第二章 热压板升降系统的构成及系统模型

2．1 连续平压机简介

2．1．1 连续平压机结构和工作原理

2．1．2 连续平压机液压系统组成

2．1．3 机架油缸组控制系统

2．1．4 液压系统现存的问题

2．2 热压板升降系统的构成及系统模型

2．2．1 热压板升降系统的构成

2．2．2 热压板升降系统位置跟踪控制模型

2．2．3 热压板升降系统的控制需求

2．3 本章小结

第三章 热压板升降系统位置跟踪控制算法研究

3．1 引言

3．2 PID控制基本原理

3．3 预测控制的基本原理

3．3．1 预测控制器的结构

3．3．2 广义预测控制(GPC)

3．3．3 控制算法流程

3．3．4 参数对系统性能影响实验

3．4 热压板升降系统位置跟踪控制仿真研究

3．4．1 基于PID控制的Matlab仿真

3．4．2 基于GPC控制的Matlab仿真

3．4．3 存在扰动下的Matlab仿真

3．5 本章小结

第四章 热压板升降系统同步控制策略研究

4．1 引言

4．2 控制策略的选择

4．2．1 热压板升降系统的主从同步控制

4．2．2 热压板升降系统的环形耦合同步控制

4．3 热压板升降系统同步控制方法的改进

4．3．1 基于广义预测控制的环形耦合群集同步控制系统结构

4．3．2 基于预测控制的环形耦合群集控制器设计

4．3．3 基于预测控制的环形耦合群集同步控制系统模型

4．3．4 控制算法及系统模型的可行性研究

4．4 本章小结

第五章 热压板升降系统同步控制方法的应用研究

5．1 升降系统测控平台

5．1．1 PLC硬件组态

5．1．2 测控系统软件设计

5．1．3 测控系统人机界面的监控组态软件开发

5．2 同步提升系统运行

5．2．1 热压板升降系统操作

5．2．2 升降系统同步控制策略的试验

5．3 本章小结

第六章 结论

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 建议

参考文献

在读期间的学术研究

致谢