喷管模压成型过程温度控制系统的研究

摘要

随着复合材料成型工艺的发展，玻璃纤维复合材料不仅在民用工业中获得了广泛的应用，而且成为航空航天工业中重要的工程材料。虽然复合材料在航空航天工业中所占的份额较小，但大多为先进复合材料，代表了复合材料的先进技术。复合材料在航天上主要用于固体火箭发动机燃烧室绝热壳体结构，导弹和卫星导流罩结构，导弹防热材料及卫星的各种结构。因此先进复合材料的成型技术直接关系到航空航天事业的发展。 本文针对目前喷管成型工艺过程中主要存在的喷管整体温度均匀性差、控制过程受外界的干扰大、制备周期长、成品质量差等问题进行深入研究。根据现有的工艺要求和设备，设计了解决的方案，并对方案的实际效果进行仿真，仿真结果完全满足工艺的要求。 本文首先利用ANSYS10.0有限元软件对模具加热系统进行建模，在此基础上对现有加热系统的瞬态温度场进行模拟，从满足工艺要求的加热速率和温度均匀度两方面考虑，分析现有加热系统的弊端。分析结果同目前的生产状况基本一致。 本文针对现有系统的弊端进行改进加热系统的设计，将现有存在耦合的三个控制器设计为单一的控制器。在保证最大加热速率的前提下，通过合理配置不同加热面的功率载荷，确保模具表面的温度均匀度满足工艺要求。在此基础上利用ANSYS的时间历程后处理器对改进的加热系统进行分析，获取对象的数学模型，为后续章节分析提供了依据。 本文对系统的控制原理，控制方式进行了深入研究。通过改变现有的间断加热为连续可调的加热方式，以此提高控制精度，这在实际中是可行的。在此基础上利用MATLAB/Simulink软件，建立了喷管模压成型温度控制系统的PID控制仿真框图，对传统PID控制效果进行了仿真分析。 由于喷管模压成型温度控制系统的特殊性，如系统材料的物性参数在控制过程发生变化，成型过程伴随反应热的产生，系统受外界干扰的影响大，系统具有大惯性，纯滞后等特点，所以，传统PID控制器的控制效果不理想。为此，本文设计了喷管模压成型过程温控的模糊控制器，并对模糊控制的效果进行了仿真。结果表明，基本模糊控制器存在偏差±0.5℃的频繁抖动，保温段性能差的弊端。为了提高系统的控制精度和响应速度，结合模糊控制器的响应速度快和PID控制器的稳态精度高的优点，本文进一步研究了喷管模压成型温度控制系统的模糊参数自调整PID控制器，并运用模糊参数自调整PID控制器对系统进行仿真，达到了无干扰时系统误差在±0.15℃范围。在干扰存在时，模糊参数自调整PID控制的系统性能优于PID控制和模糊控制，满足了模压成型过程温控的响应快、超调量小，稳态精度高的要求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1复合材料模压成型技术及固化机理的研究现状

1.1.1复合材料的发展

1.1.2复合材料模压成型技术概述

1.1.3复合材料成型过程固化机理的研究现状

1.2课题的来源及研究意义

1.3模糊控制系统的发展及应用

1.3.1模糊控制技术的概述

1.3.2模糊控制的发展应用

1.4本文的主要工作

第二章喷管模压成型过程温度控制系统中模具加热系统的设计

2.1有限元法的基本思想及应用概述

2.1.1有限元法基本思想

2.1.2有限元的应用概述

2.2 ANSYS有限元法

2.2.1 ANSYS有限元法的技术特点

2.2.2 ANSYS有限元法分析步骤

2.2.3 ANSYS有限元法热分析

2.3喷管模压成型模具加热系统的设计

2.3.1模具系统的建模

2.3.2现有加热系统的加载及分析

2.3.3改进加热系统的加载及分析

2.4模具加热系统的数学模型的确定

2.4.1测温点的选择

2.4.2测量对象的动态特性的时域分析方法

2.4.3喷管模具系统的瞬态时间响应分析

2.5本章小结

第三章喷管模压成型温度控制系统PID控制器的设计

3.1经典PID控制器的原理

3.2数字PID控制算法

3.2.1位置式PID控制算法

3.2.2增量式PID控制算法

3.3 PID控制器参数

3.4 PID控制系统仿真及其结果分析

3.4.1工艺给定输入子模型的建立

3.4.2经典PID控制算法仿真模型的建立

3.4.3仿真参数设置

3.4.4仿真结果分析

3.4.5干扰分析

3.5本章小结

第四章模糊控制器的设计

4.1模糊控制的基本思路

4.1.1精确量的模糊化

4.1.2模糊控制算法的设计

4.1.3模糊判决

4.2基本模糊控制器的设计

4.2.1输入输出的模糊化

4.2.2控制规则表

4.2.3模糊推理与解模糊化方法

4.3基本模糊控制器的仿真分析

4.4本章小结

第五章模糊参数自调整PID控制的模压成型温度控制系统及仿真

5.1模糊参数自调整PID控制器

5.2模糊参数自调整PID参数的整定原则

5.3模糊参数自调整PID控制器的设计

5.3.1输入输出变量的确定

5.3.2参数模糊自调整PID控制器模糊控制规则的构造

5.3.3模糊决策

5.4基于MATLAB的模糊参数自调整PID控制系统的仿真

5.5模糊参数自调整控制系统的鲁棒性分析

5.5.1放热干扰的误差分析

5.5.2电压突降的干扰

5.5.3电压干扰和放热干扰同时作用

5.5.4数学模型变化的干扰

5.6本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2工作展望

参考文献

附录

致谢

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