纖維纏繞運(yùn)動(dòng)中精密張力控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、纖維復(fù)合材料是一種新型材料，在性能方面可以彌補(bǔ)金屬材料的很多缺陷，因而應(yīng)用越來(lái)越廣泛。纏繞成型是纖維復(fù)合材料成型工藝中的常用方法，而纖維纏繞張力是復(fù)合材料纏繞成型中的一個(gè)重要參數(shù)，直接影響著纏繞制品的質(zhì)量，因而張力控制是纖維纏繞工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。在纖維纏繞中，適當(dāng)和平穩(wěn)的張力可增強(qiáng)纏繞構(gòu)件承受內(nèi)壓的能力，提高其抗疲勞特性。
　　本課題研制了兩種類型的張力控制系統(tǒng)，首先設(shè)計(jì)了以可編程控制器(PLC)為主控制器，以工業(yè)控制機(jī)為上位

2、機(jī)，以交流數(shù)字伺服電機(jī)為執(zhí)行元件，帶有兩種補(bǔ)償技術(shù)的張力開(kāi)環(huán)控制方案。采用半徑跟隨裝置來(lái)補(bǔ)償由于半徑變化所帶來(lái)的張力變化，采用加速度補(bǔ)償來(lái)解決由于出紗速度變化而引起的張力變化問(wèn)題。另外設(shè)計(jì)了以PLC為主控制器，以工業(yè)控制機(jī)為上位機(jī)，以交流數(shù)字伺服電機(jī)與氣缸為執(zhí)行元件，角度傳感器實(shí)時(shí)反饋紗線張力變化的閉環(huán)張力控制系統(tǒng)。這兩種方案中的交流數(shù)字伺服電機(jī)既作為執(zhí)行元件又作為回紗電機(jī)，因而簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)。
　　對(duì)上述兩種控制方案的工作原理、

3、執(zhí)行元件的動(dòng)靜態(tài)特性及主要組成部件的參數(shù)選取進(jìn)行了較深入的分析。應(yīng)用控制理論分析了張力控制系統(tǒng)，分別以開(kāi)卷輥和擺桿為研究對(duì)象，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。提出了適用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的積分分離式PID控制算法。
　　從系統(tǒng)軟件模塊化的開(kāi)發(fā)要求入手，針對(duì)張力控制系統(tǒng)的控制功能，開(kāi)發(fā)了可編程控制器的梯形圖控制程序、上位機(jī)監(jiān)控程序以及上位機(jī)與可編程控制器交流信息的控制程序。在建立張力控制軟件整體框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了各主要功能模塊的意義和功能，

4、并著重分析了軟件中的串行通訊和PID算法兩大主要技術(shù)。
　　由于張力控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入、有耦合且時(shí)變的非線性系統(tǒng)，應(yīng)用傳統(tǒng)的經(jīng)典控制方法很難獲得滿意的效果，在此利用模糊控制所具有的無(wú)需知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型、適應(yīng)性強(qiáng)和魯棒性好的特點(diǎn)，將模糊控制理論應(yīng)用于張力控制系統(tǒng)中。針對(duì)常規(guī)模糊控制器存在量化誤差和調(diào)節(jié)死區(qū)、穩(wěn)態(tài)性能差等缺點(diǎn)，本文提出了Fuzzy-PID雙模模糊控制策略，運(yùn)用在大誤差范圍內(nèi)采用模糊控制器，在小誤差范圍內(nèi)采用

5、PID控制的思想，集PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)于一身，既消除了常規(guī)模糊控制器的穩(wěn)態(tài)誤差，又具有模糊控制器動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)，同時(shí)改善了PID控制器適應(yīng)能力差的缺點(diǎn)，大大提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。
　　為保證張力控制系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠地工作，進(jìn)行了控制系統(tǒng)各部分及整體調(diào)試，結(jié)合數(shù)控纏繞機(jī)進(jìn)行纖維纏繞加工過(guò)程中張力控制實(shí)際纏繞驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的基于模糊控制理論的精密張力控制系統(tǒng)原理正確、張力波動(dòng)小且響應(yīng)快，滿足了系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)