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纤维缠绕运动中精密张力控制系统的研究

任胜乐  
【摘要】: 纤维复合材料是一种新型材料,在性能方面可以弥补金属材料的很多缺陷,因而应用越来越广泛。缠绕成型是纤维复合材料成型工艺中的常用方法,而纤维缠绕张力是复合材料缠绕成型中的一个重要参数,直接影响着缠绕制品的质量,因而张力控制是纤维缠绕工艺中的关键技术之一。在纤维缠绕中,适当和平稳的张力可增强缠绕构件承受内压的能力,提高其抗疲劳特性。 本课题研制了两种类型的张力控制系统,首先设计了以可编程控制器(PLC)为主控制器,以工业控制机为上位机,以交流数字伺服电机为执行元件,带有两种补偿技术的张力开环控制方案。采用半径跟随装置来补偿由于半径变化所带来的张力变化,采用加速度补偿来解决由于出纱速度变化而引起的张力变化问题。另外设计了以PLC为主控制器,以工业控制机为上位机,以交流数字伺服电机与气缸为执行元件,角度传感器实时反馈纱线张力变化的闭环张力控制系统。这两种方案中的交流数字伺服电机既作为执行元件又作为回纱电机,因而简化了控制系统。 对上述两种控制方案的工作原理、执行元件的动静态特性及主要组成部件的参数选取进行了较深入的分析。应用控制理论分析了张力控制系统,分别以开卷辊和摆杆为研究对象,建立了系统的数学模型。提出了适用于闭环控制系统的积分分离式PID控制算法。 从系统软件模块化的开发要求入手,针对张力控制系统的控制功能,开发了可编程控制器的梯形图控制程序、上位机监控程序以及上位机与可编程控制器交流信息的控制程序。在建立张力控制软件整体框架结构的基础上,分析了各主要功能模块的意义和功能,并着重分析了软件中的串行通讯和PID算法两大主要技术。 由于张力控制系统是一个多输入、有耦合且时变的非线性系统,应用传统的经典控制方法很难获得满意的效果,在此利用模糊控制所具有的无需知道被控对象的精确数学模型、适应性强和鲁棒性好的特点,将模糊控制理论应用于张力控制系统中。针对常规模糊控制器存在量化误差和调节死区、稳态性能差等缺点,本文提出了Fuzzy-PID双模模糊控制策略,运用在大误差范围内采用模糊控制器,在小误差范围内采用PID控制的思想,集PID控制和模糊控制的优点于一身,既消除了常规模糊控制器的稳态误差,又具有模糊控制器动态性能好的特点,同时改善了PID控制器适应能力差的缺点,大大提高了控制系统的动静态特性。 为保证张力控制系统长期可靠地工作,进行了控制系统各部分及整体调试,结合数控缠绕机进行纤维缠绕加工过程中张力控制实际缠绕验证。实验结果证明所设计的基于模糊控制理论的精密张力控制系统原理正确、张力波动小且响应快,满足了系统所要求的性能指标。


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