连铸结晶器振动形态在线检测和操纵系统的研究大学生创新创业训练打算项目申报表.docx
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连铸结晶器振动形态在线检测和操纵系统的研究大学生创新创业训练打算项目申报表
附件4
国家级大学生创新创业训练打算
项目申报表
（创新训练项目）
推荐学校：
（盖章）
项目编号：
项目名称：
连铸结晶器振动形态在线检测和控制系统的研究
所属一级学科名称：
控制科学与工程
项目负责人：
缪媚奈
联系电话：
指导教师：
姜春娣
联系电话：
申报日期：
2014-5
浙江省教育厅制
二○一三年五月
填写说明
一、申报书要依照要求，逐项认真填写，填写内容必需实事求是，表达明确严谨。
空缺项要填“无”。
二、格式要求：
表格中的字体采纳小四号宋体，单倍行距；需签字部份由相关人员以黑色钢笔或签字笔签名。
三、项目来源为前期实验功效、自主研发、他人授权、其他。
四、项目类型为科技类、咨询类、设计类、效劳类等。
五、申报创业实践项目需附《创业打算书》。
六、填报者须注意页面的排版。
项目名称
连铸结晶器振动形态在线检测和控制系统的研究
项目所属
一级学科
控制科学与工程
项目类型
（√）创新训练项目（）创业训练项目（）创业实践项目
项目实施时间
起始时间：
2014年6月完成时间：
2016年6月
项
目
简
介
（100字以内）
本项目利用三维重构的振动形态监测技术，结合无线传感技术和计算机技术，研制出基于无线传感器的连铸结晶器振动形态检测和控制系统，直观又准确的反应结晶器振动的真实情况。
该系统易于实现，成本低，操作简单。
申请人或申请团队
姓名
年级
学号
所在院系
/专业
联系电话
E-mail
主
持
人
缪媚奈
13级
02
电气与信息工程学院/自动化
陈蒙恩
11级
22
电气与信息工程学院/电气工程及其自动化
乌婷婷
13级
11
电气与信息工程学院/自动化
董世青
11级
02
电气与信息工程学院/电气工程及其自动化
钟雨星
11级
13
电气与信息工程学院/电气工程及其自动化
指导教师
第一指导教师
姓名
姜春娣
单位
衢州学院
年龄
35
专业技术职务
讲师
主要成果
2013年入选衢州学院中青年骨干教师培养人选。
主持省教育厅项目1项和访问学者项目1项；主持市科技局项目1项；主持“铜材料加工数字控制系统的开发”企业委托项目1项。
在国内外学术期刊上发表相关论文10余篇，其中EI检索3篇。
第二指导教师
姓名
陈佳泉
单位
衢州学院
年龄
40
专业技术职务
讲师
主要成果
负责学院学生竞赛工作，先后指导学生获“蓝桥杯”全国软件大赛总决赛一等奖4人、二等奖5人、三等奖6人；浙江省程序设计竞赛3个银奖、1个铜奖；“中国航信杯”全国信息技术应用水平大赛全国三等奖6人；浙江省程序设计竞赛3个银奖1个铜奖。
一、申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）
本项目组成员热爱本专业，崇尚科学，追寻科技创新。
曾先后学习了模拟电子技术、数字电子技术、传感器技术、电机学、C语言程序设计、变频技术及应用等课程。
本项目组成员中多数参加校无线电协会，喜欢电子制作，编写软件，曾制作过一些简易电子设备，具备基本的动手能力，具有较好的从事科技创新活动的基础。
项目组成员参与了校级大学生科技创新项目“基于GPS/GSM/RFID的社区智能导盲车的开发和研究”等项目的研究工作，具有一定的开发经验,还参与了浙江省大学生电子商务竞赛，获得省级二等奖，校级一等奖。
项目组负责人有一定的开发经验和较强的组织能力，能组织协调项目组全体成员认真执行省和学校管理条例，按期保质保量完成项目研究各项任务。
指导教师先后指导了国家级大学生创新计划项目1项和浙江省大学生科技创新项目2项；指导学生获得“蓝桥杯”全国软件大赛、“中国航信杯”全国信息技术应用水平大赛和浙江省程序设计竞赛一、二、三奖多次，具有丰富的项目指导和竞赛指导经验。
二、项目方案
项目研究背景（国内外的研究现状及研究意义、项目已有的基础，与本项目有关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等）
2.1.1研究现状及研究意义：
连铸结晶器是铸坯成型设备，是连铸机的“心脏”，集多种功能于一体。
它将连续不断注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却，导出热量，使之逐渐凝固成具有所要求的断面形状和坯壳厚度的铸坯。
连铸结晶器是铸坯品质控制器，结晶器内钢水-渣相-铜板-坯壳之间的相互作用是一个复杂的动态过程，相关参数的合理匹配，对铸坯表面质量具有决定性的影响。
为了便于脱膜，避免连铸坯在凝固过程中与板坯连铸结晶器铜壁发生粘结而出现粘挂漏钢事故，连铸结晶器必须按给定的振动幅度、振动频率和波形偏斜特性沿着连铸机外弧线运动，使从连铸结晶器出来的铸坯具有一定厚度的均匀坯壳，在机械应力和热应力的综合作用下不至被拉断和产生质量缺陷。
连铸结晶器振动状况与连铸坯表面质量有着密切的联系，为了得到高质量的连铸坯，需要选择结晶器的最佳振动状态。
连铸结晶器振动检测的主要目的是能够准备记录结晶器振动的相关参数。
目前，国内外采用了多种方法对板坯结晶器振动状况进行检测，如传统的手工检测方法、结晶器自带位移测量装置检测方法、位移传感器检测方法和加速度传感器检测方法等。
传统手工检测方法是依靠现场检测人员用游标卡尺测量结晶器振动幅度和用秒表测量振动频率的方法。
该法对一般铸坯质量要求不高的结晶器振动检测也能达到要求，操作简单且成本低，但测量精度低，很难反应设备的实际运行状况，不符合高质量生产的现况。
结晶器自带位移测量装置检测方法是利用结晶器本身自带的测量装置进行参数的获取，在一定程度上能满足铸坯质量要求不高的结晶器振动检测，且能达到一定的效果。
但是，传统结晶器没有振动位移反馈监测系统，只能通过监测油缸的行程或电动缸的旋转角度间接获取结晶器的相关参数，不能准确反映结晶器的真实振动情况，只有一定的参考意义。
位移传感器检测方法是利用位移传感器直接获取结晶器振动测量值的方法，测量方便，计算简单，在很大程度上能满足现场结晶器振动检测的需要。
但是，由于传感器探头直接裸露在外面，容易造成意外损坏，存在安全隐患，且每次检修均需进行传感器拆卸、安装和校准，给生产带来了极大的不变。
且测量结果易受现场湿度、粉尘和温度的影响，实际应用的不多。
加速度传感器检测方法是对位置传感器测量的改进，集成度高，一个传感器可以测量三个方向的振动，装卸简便，传感器全钢外壳保护，工作寿命长，且测量范围大、精度高，是目前结晶器振动测量的主要手段。
国内外基于加速度传感器的测量系统，主要可以概括为在线检测和离线检测两种方式。
离线检测方法是通过传输介质把现场安装的各传感器节点的信号传入数据采集卡，数据采集卡再将信号发送给数据分析终端，最后由检测分析处理软件对数据进行分析处理、记录显示。
一般用作安装和调试设备的手段。
在线检测方法可以对装置的工作状态进行实时的检测，了解结晶器振动随拉坯速度而变化的规律，并且能快速记录连铸坯表面质量最佳时的结晶器振动参数，对铸坯的质量和铸速的提高有着重要的意义。
但由于结晶器振动具有频率低、相对精度高等特点，工作环境湿度大、温度高，在线检测具有一定的难度。
而且目前对结晶器采用单点分析，检测结果存在一定的局限性，信息缺乏全面性和直观性。
因此针对现有结晶器振动检测系统存在的缺点，开发出一种测量信息全面、判断分析直观、成本低、易操作、性能可靠的结晶器振动检测系统具有重要的意义。
2.1.2项目已有的基础：
本项目已经进行了早期调研，在调研中发现，现阶段我国结晶器振动检测大多是基于单点的检测和分析，只能获取结晶器的局部信息，不能准确反映出结晶器振动的真实情况。
由于系统的复杂性、工况的多样性和单点信息的局限性，检测效率较低，甚至会出现误判的情况，不满足生产需要。
项目组通过调研，确定了初步的技术路线。
2.1.3与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
项目组成员:
申请者与项目组成员由电气工程及其自动化专业11级和13级本科生组成，项目成员都对电子制作，软件的编写有浓厚的兴趣，并且学习了数字电子技术和C语言程序设计等相关课程，基础扎实；项目成员参与了指导教师的科研项目，同时参加过衢州学院大学生科技创新项目的研发和浙江省电子商务竞赛，有一定的科研能力与良好的团队协作精神。
项目组成员参与的项目：
1）衢州学院大学生科技创新项目：
基于GPS/GSM/RFID的社区智能导盲车的开发和研究（陈蒙恩参与了材料的整理和结题工作）
2）衢州学院大学生科技创新项目：
基于RFID和图像处理技术的学生考勤系统的设计与实现（董世青为该项目负责人）
项目组成员参与的竞赛：
1）“浙江省电子商务竞赛”获省级二等奖、校级一等奖
指导教师:
由科研第一线的青年教师和企业工程师组成，知识结构合理且具有坚实的理论基础。
指导教师团队所开展的研究方向和本课题密切相关，保证了课题研究的可行性。
本项目的执行已经具备了3项重要的基础：
1.理论基础（课题组已经发表了多篇关于连铸工艺控制方面的论文）；2.实验开发基础（课题组在连铸牵引电机控制和铜材成形方面有多年的开发经验，积累了大量的数据、算法、软件代码）；3.专家网络（建立了与国内多名前沿研究人员的专业人士的联系合作网络）。
1）指导教师主持和参与的与本项目相关的项目：
（1）浙江省教育厅科研项目：
多传感器信息融合在TP2铜管成形中的应用研究（，在研，主持）
（2）衢州市科技局项目：
铜材加工数字控制系统的开发和应用（No.，结题，主持）
（3）校企合作项目：
铜材加工数字控制系统的开发（，结题，主持）
2）指导老师发表的相关论文
（1）ChundiJiang.adaptiveforce/positioncontrollawofnonlinearroboticsystem,advancesinmechanicalengineering,2011.（EI收录:
20）.
（2）ChundiJiang.CopperCastingVariableFrequencySpeedControlofDigitalControlSystem,Electronicmechanicalengineeringandinformationtechnology,2012.（EI收录:
20）.
3）指导老师申请的相关专利
（1）一种铜管捆扎装置，实用新型专利（ZL），
（2）一种铜锭铣面机构，实用新型专利（ZL），
（3）一种链条卡槽用的压块，实用新型专利（ZL），
（4）一种铜管缠绕机上用的转桶，实用新型专利（ZL），
2.1.4已具备的条件
本项目依托浙江省重点学科“检测技术与自动化装置”、衢州市重点实验室“电器智能技术实验中心”及与企业合作共建的“智能化电器产品开发联合实验室”、“自动化装置联合研发中心”等硬软件平台，深入开展连铸结晶器振动检测与分析，各项实验措施均已得到落实。
课题组成员所在的学科2012年获得浙江省重点学科，具有很浓的学术氛围，已持续得到浙江省政府和所在单位的资助，改善了硬件环境。
综上所述，本项目具备良好的实验条件，完全可以满足本课题的实验研究所需。
项目研究目标及主要内容
2.2.1研究目标
通过对现有连铸结晶器振动现状实地调查研究和对现有振动检测方法进行对比分析，借助目前的计算机技术、无线传感器技术以及三维重构振动形态检测技术，研制出一种新型的连铸结晶器振动形态在线检测和控制系统。
2.2.2主要内容
1）设计基于传感器的数据采集和传输方案，完成结晶器振动形态的三维构建；
分析了连铸结晶器振动形态，在现存技术基础上进行了振动形态检测技术的需求分析，确定了数据采集和传输的方案，分析了振动形态的同步性并对其进行了三维构建。
2）设计具有自动调平功能的无线传感器，进行微控制器的选型；
设计了系统硬件总体方案，并根据方案实现了数据采集、自动调平和数据发送的硬件电路的具体设计，同时根据系统硬件方案相应的设计了各模块的软件方案。
3）设计基于虚拟仪器和计算机的在线检测和控制系统
设计了基于虚拟仪器和计算机的在线检测系统，结合现场控制手段，形成一个完整的闭环控制系统，以此根据现场生产情况，及时调节振动参数，达到最佳生产效果。
项目创新特色
1）重构结晶器振动形态的三维模型
由于重构了结晶器振动状态的三维模型，通过振动形态的分析，可以直观而准确的获取结晶器的相关参数，且通过多个传感器节点的信息融合处理，测量信息更加全面可靠。
2）无线传感器具有自动调平功能
本系统采用了自动调平系统，利用高精度倾角传感器采集平台水平信号，通过单片机分析处理，然后进行步进电机的精密控制，使无线传感器平台的水平状况满足测试系统的要求。
项目研究技术路线
1）结晶器振动形态三维重构
结晶器振动形态重构的过程是将布置在结晶器上各传感器节点所采集的信息进行信息融合分析的过程。
通过多个测点的信息综合分析，每个传感器节点都包含X、Y、Z三个方向的信号，得到结晶器振动的具体信息并能模拟出结晶器振动形态，重构流程如图1所示。
图1结晶器振动形态三维重构流程图
2）结晶器振动形态检测和控制系统总体设计
结晶器振动形态在线检测系统通过对振动平台的实时监测，获取结晶器的实际振动状态，并通过振动幅值、频率、相位和波形偏斜率这四个基本参数反映出结晶器的实际振动波形。
然后再由工业控制计算机对这四个振动基本参数进行计算，得出负滑动时间、负滑动率等连铸过程中比较重要的振动工艺参数，并根据这些参数通过反馈执行机构作用于驱动振动平台的电机，由此形成在线检测和控制闭环。
系统总体框图如图2所示。
图2系统总体框图
结晶器振动形态在线检测和控制系统总体由两部分组成：
下位机系统与上位机系统。
下位机系统为具有自动调平功能的无线传感器，是以T1公司生产的MSP430F149作为主控芯片的系统，主要由传感器、信号调理模块、A/D转换模块、自动调平模块、MSP430单片机最小系统及其他外围模块等组成，主要实现平台的自动调平、数据采集及数据的发送。
上位机系统为工业控制计算机，主要进行数据的接受，并负责对下位机系统发送相关指令及配置参数，承担数据的分析、处理及显示，同时利用反馈执行机构控制结晶器振动台驱动电机。
3）系统硬件设计
该系统的硬件部分主要包括传感器部分、信号调理电路、数据采集卡及工业控制计算机。
该系统首先进行检测平台的自动调平，然后传感器采集到结晶器振动信号，通过信号调理模块调理后，再经A/D转换，并通过MSP430打包后将振动信号的相关数据传给工业控制计算机。
数据终端接受传来的数据，经过数据分析、处理后在用户界面上进行结晶器振动状况的具体参数及曲线的描述，并通过数据的融合进行振动形态的三维重构，且能动态模拟并回放结晶器的振动过程，直观准确的显示结晶器的振动状况。
该检测系统的硬件总体架构如图3所示。
图3硬件总体架构图
各个模块具有各自不同的功能。
电源模块用于将锂电池提供的源电压通过不同的电压转换芯片的处理，转换为相应的适用于各模块工作的电源；信号调理模块主要分为信号滤波处理模块和运放电路调理模块，前者用于将传感器采集振动信号过程中的干扰信号去除，使经过该模块滤波后的信号最相近于结晶器振动的真实情况，后者用于将滤波后的振动信号进行一定调理；单片机模块主要把处理后的信号再次预处理，通过集成ADC模块实现电压信号转换，同时进行与数据终端的交互；自动调平模块用于将检测的传感器平台调节至水平；外围电路用于单片机的复位、状态指示、数据传输等。
4）系统的软件设计
本系统的软件设计以MSP430单片机为控制核心，用来实现数据的采集、平台的自动调平和数据的发送等功能，而数据的分析、处理等功能则由工控机实现。
具体软件结构图如图4所示。
当需要进行现场结晶器振动状况检测时，将无线传感器安装在结晶器平台上，加速度传感器将采集到的原始结晶器振动信号转换成电信号输出，该输出信号首先进行信号滤波处理，滤除杂波和其他干扰信号，再经过运放调理模块进行信号调理，得到
图4软件结构图
适合MSP430单片机可以采集的振动信号，调理后的电信号通过MSP430单片机的外部采样通道进入到模数转换模块ADC进行转换。
将进入的模拟电压信号转换成数字电信号后，将数据按一定的格式打包，传送给数据分析终端，利用数据分析终端的分析软件进行数据的分析、处理及显示等，同时通过反馈控制机构对结晶器驱动电机进行反馈控制。
本系统软件设计采用结构化程序设计方法，将待开发的软件系统划分为若干个互相独立的模块，每一个模块完成单纯而确定的功能。
软件功能模块框图如图5所示。
图5软件功能模块框图
研究进度安排
1）完成市场调研、资料查询及可行性分析；
2）完成项目总体方案的设计；
3）完成检测系统的硬件设计；
4）完成检测系统的软件设计，并进行实验和验证；
5）完善和总结相关成果，在相关工作的基础上撰写论文；
6）完善项目研究内容，总结技术资料，准备结题。
项目组成员分工
姓名
主要研究工作
校内指导
企业指导
缪媚奈
调研、方案设计、硬件设计
姜春娣
毛成
陈蒙恩
硬件设计、仿真实验
姜春娣、陈佳泉
乌婷婷
软件设计
陈佳泉
董世青
测试实验
陈佳泉
钟雨星
研究资料的收集、整理、论文写作等
姜春娣
三、学校提供条件（包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等）
本项目是产学研合作的公益性课题，我校拥有电工电子实验室、单片机实验室、嵌入式系统实验室、计算机网络通信实验室、智能仪器实验室、EDA实验室和大学生科技创新实践中心等，拥有各类相关开发装置，均向学生开放。
学校积极制定各种政策鼓励学生进行科技创新，学校成立有校级的大学生科技创新项目组织协调机构，制订切实可行的管理办法和配套政策，提供支撑条件；为参与项目的学生配备有高、中级指导教师，负责指导学生进行科技创新项目；学校的电工电子实验室、各类开发装置和重点实验室向参与项目的学生免费提供；学校给予项目经费不低于1：
1的配套经费支持；学校给予指导教师相应的工作量补贴；等等。
所有一切为项目研究提供了便利条件，为项目的顺利实施提供人力、物力和财力的大力支持。
四、预期成果
1．发表论文1-2篇；
2．争取申请大学生科技创新项目1项或获奖1项或争取立项横向项目1项；
3．整里出设计方案、设计书和技术文档，用作进一步研究的依据和基础。
五、经费预算
总经费（元）
20000
财政拨款（元）
10000
学校拨款（元）
10000
注：
总经费、财政拨款、学校拨款由学校按照有关规定核定数目进行填写
具体包括：
1.材料费：
2.差旅费
3000元
1）单片机开发板等
1套
3000元
3.资料费
2000元
2）传感器
若干
4000元
4.论文出版费
3000元
3）其他材料
若干
3000元
5.其他费用
2000元
注：
项目研究经费若有不足，由指导教师和企业合作单位自筹解决。
六、导师推荐意见
该项目选题新颖，有较强的实用性。
项目组成员参与过校级科研项目研究工作，具有一定科研工作基础，有能力完成项目的研究，项目组对本项目作了大量的调研和前期的开发准备，提出的技术方案合理，技术路线切实可行，进度安排合理。
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签名：
年月日
七、院系推荐意见
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院系负责人签名：
学院盖章：
年月日
八、评审专家组意见：
负责人签名：
年月日
八、学校推荐意见：
学校负责人签名：
学校公章
年月日
注：
表格栏高不够可增加。
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