基于模型参考自适应的钢圈机排丝控制研究-陈作超.docx

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1、分类号 _ 密级 U D C _ 学 位 论 文 基于模型参考自适应的钢圈机排丝控制研究 作 者 姓 名 指 导 教 师 ： 申请学位级别 : 学科专业名称 : 论文提交曰期 : 学位授予日期 : 评阅人： 陈作超 钱晓龙副教授 东北大学信息科学与工程学院 硕士 学 科 类 别 ： 工 学 控制理论与控制工程 2010年 6月 15日论文答辩日期： 2010年 7月 3日 2010年 7月 答员会主席：刘建昌教授 井 兀 伟 教 授 吴 丽 娟 教 授 东北大学 2010年 6月 A Thesis for the Degree of Master in Control Theory and C

2、ontrol Engineering Research of Tire Wire Bead Control System Based on Model Reference Adaptive Control By Chen Zuochao Supervisor: Associate Professor Qian Xiaolong Northeastern University June 2010 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同

3、工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名 : 化祖 曰 期：q、吆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将 学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师冋意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年 - -年口 一年半 两年 学 位 论 文 作 者 签 名 ： 导 师 签 名 ：知也知 签字曰期： 签字曰期： 基于模型参考自适应的钢圈机排丝控制研究 摘要 随着中

4、国汽车工业的迅速发展，轮胎机械的需求量也持续上升，同时对轮胎的质量 提出了更高的要求。轮胎钢圈机是轮胎机械的一种重要生产设备，其生产的钢丝圈是轮 胎的关键部件。本文研究目的是提高钢圈机排丝系统的控制精度和排丝过程的稳定性， 从而进一步提高生产效率、产品质量以及生产线的自动化程度。 本文首先介绍了轮胎钢圈机生产线的组成和工作原理，分析了钢圈机排丝系统中的 几种影响产品质量和生产性能的因素。接着建立了钢圈机排丝系统的数学模型，在此基 础上使用经典的控制方法对系统进行了设计，并对钢圈机排丝系统的不确定性进行了分 析，通过仿真研究了系统不确定性对速度环特性的影响，进而分析了速度环的变化对位 置环的稳定

5、性和跟踪性能的影响。 为解决排丝系统建模近似、参数变化、外 界干扰等不确定性问题，根据模型参考自 适应控制策略具有结构相对简单、工程容易实现等特点，采用 Narendm误差模型的基于 Lyapmiov稳定理论的模型参考自适应控制策略设计自适应控制器 ,并将其应用在钢圈机 排丝系统的速度环。使排丝伺服系统能够适应各种变化而不断的修正控制器参数，控制 速度环跟随理想模型，从而使位置环输出达到理想效果。 最后在 Matlab/Simulink环境下搭建了仿真模型，通过仿真研究表明，在系统具有不 确定性因素的情况下，本文所设计的解决方案对于改善系统的性能具有较明显的效果 。 关键词：轮胎钢圈机；排丝；

6、伺服控制；模型参考自适应控制 Research of Tire Wire Bead Control System Based on Model Reference Adaptive Control Abstract With the development of auto industry, the demand for tire machinery continued rising. Meanwhile, the quality of the products has higher requirement. Wire bead array line is an essential tire

7、machinery, and ifs production is the critical component of the radial tire. The main purpose of this article is to improve the precision and stability of the wire array control system, which can also increase the production efficiency* product quality and the automation level of this system. In this

8、 paper, the component and working principle of the wire array line are expounded in detail, and the factors which influence the product quality and the performance trait is analyzed. Then the mathematical model is built. Depending on it, conventional control method is used in designing the control s

9、ystem and analyzed the uncertainty of the wire array system. The influence of the speed loop performance caused by the uncertainty factors is studied with simulation, further more, the influence to the stability of the position loop related to the variable performance of the speed loop is also analy

10、zed. In order to solve the approximate modeling, parameter variation and external disturbance of the wire array control servo system, and the model reference adaptive control strategy have simply control structure and can be easily engineering implementation, the Narendra error models model referenc

11、e control strategy which based on Lyapunov stable theory is introduced and applied to the speed loop of the system. In this case this system can adjust the controller parameter when the object changed, so the speed loop can follow the ideally reference model and the position loop can have perfect co

12、ntrol performance. Finally, a simulated model is built in the Matlab/Simulink software the simulated result indicate that when the model parameter have changed in a scope or there have random disturbance, the model reference control strategy can improve systan with more favorable performance. Keywor

13、ds： Tire wire bead; Wire array; Servo control; Model reference adaptive control 目录 独创性声明 . I m . Abstract . 111 第 1 章绪论 . 1 u课题研究的背景和意义 . 1 1,2轮胎钢圈机的发展现状 . 2 1.3伺服系统控制策略的研究现状 . 2 1.4模型参考自适应控制的研究现状 . 4 1.5本文的主要工作 . 5 第 2章轮胎钢圈机生产工艺研究 . 7 2.1轮胎钢丝圈生产线简介 . - 7 2.1.1导开装置 . 1 2.1.2电加热装置 . 8 2.1.3挤出机 . 8 2.

14、1.4缠绕缓冲装置 . 9 2.1.5缠绕主机 . 2.1.6生产线主要技术指标 . 11 2.2钢圈机排丝方式 . 11 2.2.1钢圈机排丝形状 . 11 2.2.2钢圈机排丝规律 . 13 2.3外界环境对排丝系统产生的影响 . 13 2.3.1机电综合谐振对排丝机头的影响 . 14 2.3.2系统不确定性对排丝机头的影响 . 15 2.4本章小结 . 17 第 3章钢圈机排丝系统的建模和控制 . 19 3.1轮胎寧圈机排丝控制系统组成 . 19 3.1.1轮胎钢圈机排丝伺服系统 . 19 3.1.2轮胎钢圈机排丝伺服控制系统硬件实现 . 19 3.2钢圈机排丝系统的模型建立 . 20

15、3.2.1执行机构的数学模型 . 21 -IV - 3.2.2脉宽调制装置的数学模型 . 21 3.2.3钢圈机排丝伺服系统模型建立 . 22 3.3钢圈机排丝伺服系统调节器的参数整定 . 22 3.3.1电流环调节器的设计 . 22 3.3.2速度环调节器的设计 . 23 3.3.3位置环调节器的设计 . 25 3.4系统不确定性对钢圈机排丝控制的影响 . 27 3.4.1不确定性对速度环的影响 . 27 3.4.2速度环变化对位置环的影响 . 28 3.4.3系统不确定性分析结论 . 29 3.5本章小结 . 29 第 4章模型参考自适应控制在钢圈机排丝系统中的应用 . . 31 4.1模

16、型参考自适应控制概述 . 31 4.1.1模型参考自适应控制技术基本结构 . 31 4.1.2模型参考自适应控制系统的设计步骤 . 32 4.2基于 Narendra误差模型的钢圈机排丝自适应控制方案 . . 34 4.2.1设计问题的前提条件 . 35 4.2.2控制器的基本结构 . 36 4.2.3模型匹配的分析 . 38 4.2.4自适应律的推导 . 39 4.3钢圈机排丝伺服系统速度环自适应控制器设计 . 42 4.3.1理论分析 . 42 4.3.2参考模型的选取 . 44 4.3.3控制器的设计 . 45 4.4本章小结 . 47 第 5章系统仿真及结果分析 . 49 5.1仿真模

17、型的构建 . 49 5.2参数未变时的仿真分析 . 51 5.3参数变化时的仿真分析 . 52 5.4本章小结 . 53 第 6 章 结 论 与 展 望 . 55 6.1研究工作总结 . 55 6.2未来工作展望 . 55 东北大学硕士学位论文 _ 目录 参考文献 . 57 m . 6i 第 1 章绪论 1.1课题研究的背景和意义 轮胎是机动车辆的重要组成部分，当今在轮胎领域主要以两种形式的轮胎为主， 即斜胶胎和子午线轮胎 11但是，随着高速公路等基础建设的不断改进，子午线轮胎在 世界范围内已成为轮胎工业的发展方向，斜交轮胎在一些发展中国家或地区还会存在。 跟斜胶胎相比子午线轮胎具有如下优点：

18、轮胎的滚动阻力小、牵引力和刹车性能好、转 弯能力大、噪声小、舒适性好、耐机械损伤性好等，而且斜交轮胎的耐久性能和高速性 能等方面与子午线轮胎均有很大的差别，所以斜胶胎最终将会被挤出轮胎这一历史舞 台， 5见在子午线轮胎已经占据世界轮胎总量的 60%多 2。 近十年来世界轮胎工业的竞争非常激烈。随着时间的推移，经过了几次大的合并和 重组，目前国 际上的轮胎发展趋势主要以欧洲，美国和日本为代表，其中又以法国米其 林、日本的普利司通和美国的固特异领军世界的轮胎制造业。 伴随着 1946年法国米其林公司将子午线轮胎展现给世人的那天起，其凭借更加优异 的性能逐渐的取代了斜胶胎。子午线轮胎发明 50多年来

19、，尽管在材料的应用及工艺等方 面有了很大的进步，但轮胎设计没有大的突破。各大公司为保持自己的市场份额，投入 巨资，从事基础研究及应用研究，特别是材料的物理和化学性能，小公司则通过与大学 或研究所联合，进行研究与开发 W。 子午胎的发展方向是低扁平比，现今普遍是 7系列，国际上轿车子午线轮胎普遍采 用 60至 65扁平比系列，西欧时速较高的有 60, 50, 45等系列 .降低扁平比将提高轮胎侧 向力能力，提高轮胎的抓着力。也就能提高汽车的操作稳定性，有利于提高车速，降低 油耗。 钢丝圈是轮胎的重要部件，它使轮胎能紧箍轮辋，使胎内的气体不外泄，保证胎体 承受车辆的静载荷和动载荷，以确保车辆安全平

20、稳运行。载重子午线轮胎的钢丝圈是一 个非常关键的部位，是联结汽车轮辋并与其紧密配合的扁六边形截面的钢丝结构。它主 要承载轮胎受力形变引起的抗拉和抗压应力，一旦钢圈在使用中变形严重，从轮辋中脱 开，经常会发生车毁人亡的交通事故。因此，这就要求钢圈的制作工艺非常严格。钢丝 圈是多种部件的复合处，所承受的内压应力及负荷下的附加应力比同等规格斜交轮胎高 30% 50%,需要有很强的支撑刚度和严格的生产 工艺，可以说钢丝圈就相当于是轮胎的 骨架 4。 近几年来，随着国家对汽车行业的政策支持，带动着轮胎工业特别是子午线轮胎工 业的迅速发展，各轮胎生产企业都在抢时间争上项目，扩大子午胎的生产规模。因此轮 胎

21、企业对各类子午胎生产专用设备的需求量也急速增加。轮胎钢圈机是生产子午胎的一 个必不可少的设备。国内外橡塑机械的生产厂商对此种生产线很重视。因此钢圈机的更 新换代非常迅速，值得我们好好研究。 1.2轮胎钢圈机的发展现状 由于钢圈机在轮胎产业中的重要地位，世界上包括中国的许多企业和科学研究院， 大专院校都在这方面进行着不断的探索和改进，力求在质量和产量上都能更上一层楼。 作为轮胎的重要组成部分，随着对机动车辆的需求日益增大，对轮胎性能要求的日益提 高，世界上的许多企业都在这个领域不断取得进步。 目前国外比较先进的有日本的中田公司和美国巴特尔公司生产的钢圈机。前者生产 的产品有两种不同的钢丝排列方式

22、，一种是绕盘转动，钢丝在绕盘上方按照程序移动来 成型；一种是绕盘按程序在转动的同时又上下左右移动，钢丝在绕盘上方不动来成型。 美国 巴特尔公司生产的钢圈机是双工位工作的，所以生产效率很高，约为中田公司的生 产速度的两倍。该设备的每一个工位是独立工作的，不会因为其它工位故障而影响生产。 该公司的导开部分设计得很好，解决了日本中田公司存在的问题。储丝部分的设计也很 好，便于生产人员操作。夹丝装置的设计也很有特色。总的来看，美国巴特尔生产的钢 圈机算是国际上同类产品的一流产品了。目前巴特尔研制六个工位的钢圈机，也已经得 到了相对比较广泛的应用，大大提高了生产效率。 虽然，我国已成为世界最大的橡胶机械

23、生产国，但必须看到我国国产轮胎生产设备 大多 为机械式设备，技术含量较低，因此附加值低，主要依靠低廉的劳动力成本与国外 发达国家的制造商进行竞争。特别是全自动轮胎生产设备生产能力薄弱，其原因往往是 由于控制部分的技术水平较低，造成所生产的设备所达到的技术指标及自动化程度不 高，与发达国家存在一定差距。所以，虽然我国已成为橡胶机械生产大国，但还不是橡 胶机械生产强国。而进入 21世纪，轮胎已发展到 全新概念技术 时期，世界轮胎工 业新一轮技术革命己经开始。国外大轮胎公司大多已成功运用了子午线轮胎全自动化生 产线。为此，我国在 十一五 规划对橡胶机械行业提出 了更高要求。要求进一步增强 自主创新能力，开发更多具有自主知识产权的新工艺、轹设备。瞄准世界先进水平，研 制新一代专用生产设备，向连续化、自动化、大功率、高效率、高可靠性、低能耗、低 成本和无污染方向发展，不断提高工艺水平、设备制造精度和电气控制水平，争创世界 领先水平 5。 1.3伺服系统控制策略的研究现状