基于Fuzzy-PID的纤维缠绕张力控制系统设计

摘要

随着复合材料以其优异的性能在航空、航天、石油、化工等领域获得广泛应用，纤维缠绕工艺作为管道、容器类复合材料制品的首选成型工艺而获得蓬勃发展。缠绕工艺中的纤维张力控制技术是缠绕成型工艺中的核心技术，研制适合纤维缠绕复合材料成型工艺的高性能张力控制系统对提升缠绕制品质量具有重要意义。本文设计基于Fuzzy-PID的纤维缠绕张力控制系统，来提高复合材料缠绕工艺中张力控制系统性能，解决张力控制系统在出纱速度由高到低或由低到高切换时以及恒定出纱速度下张力设定值阶跃时存在张力控制精度低、张力波动大问题。从而保障纤维缠绕的工作效率和制品质量。　　本文综合位置式与直接反馈式的两种张力控制方案的优点，采用松下PLC作为控制器，天海科的角度传感器及丽景的压力传感器作为检测元件、以亚德客电子比例阀和松下A5交流伺服电机为执行元件，构成位置张力双闭环控制系统。分析了纤维出纱速度与张力耦合特性，以及纱团半径的时变特性，建立了控制系统的传递函数模型，进行了控制系统的稳定性分析。采用模糊控制结合变速积分PID控制方法应用到张力控制系统中，克服了模糊控制存在量化误差、调节死区以及PID参数适应性问题。使用VS2013开发了张力控制系统的上位机软件，实现了层所需的纱线张力设计、设定张力给定值以及监控张力变化、计算控制系统性能以及断纱警告等功能。使用FPWIN GR2开发环境编写了基于PLC的下位机软件，实现了与上位机的通讯、数据采集处理、以及控制算法等功能。　　基于本文所研制的张力控制系统结合龙门四轴缠绕机分别进行了圆筒缠绕实验以及压力容器缠绕试验。经过对实验数据的静差率分析，波动率分析，及调节时间的计算，验证了模糊变速PID结合位置张力双闭环控制的方案能解决恒定速度切换张力设定值时与出纱速度由高到低或由低到高速切换时的张力控制精度低及张力波动大问题。同时具有良好的动静态特性，能实现纤维缠绕工艺要求的恒张力控制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源及研究目的意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究的目的和意义

1．2 纤维张力控制器国内外研究现状

1．2．1 张力控制器的发展

1．2．2 纤维缠绕张力控制器的国外研究现状

1．2．3 纤维缠绕张力控制器的国内研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 纤维缠绕张力控制系统方案设计

2．1 张力控制系统组成

2．2 张力控制方法

2．3 执行机构分析

2．4 张力控制方案设计

2．4．1 张力控制系统方案设计

2．4．2 张力控制系统硬件组成

2．5 本章小结

第3章 纤维缠绕张力控制系统分析

3．1 张力控制系统的传递函数

3．1．1 纤维张力方程

3．1．2 交流伺服电机数学模型

3．1．3 张力控制系统传递函数模型

3．2 系统的PID控制

3．2．1 积分分离PID

3．2．2 变速积分PID

3．3 模糊控制算法

3．3．1 模糊控制基本原理

3．3．2 张力控制系统的模糊控制

3．3．3 模糊控制算法系统仿真

3．3．4 模糊加变速PID控制算法

3．4 本章小结

第4章 张力控制系统软件设计

4．1 张力控制系统的上位机软件设计

4．1．1 上位机软件整体结构

4．1．2 各功能模块的实现

4．2 张力控制系统的下位机软件设计

4．2．1 采样数据处理

4．2．2 断纱保护程序

4．2．3 模糊PID算法的控制程序实现

4．3 本章小结

第5章 张力控制系统实验及其分析

5．1 实验装置

5．2 张力控制系统元件标定

5．2．1 角度传感器标定

5．2．2 压力传感器标定

5．2．3 伺服电机转速标定

5．3 性能测试

5．3．1 系统性能指标

5．3．2 张力控制系统的圆筒缠绕试验

5．3．3 张力控制系统的压力容器实验

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢