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纤维数控铺缠设备精密张力控制器的研究

作　者: 朱洪雷
导　师: 路华
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 张力控制积分分离PID PIC单片机交流伺服电机 LabVIEW
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 39次
引　用: 1次
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内容摘要

纤维复合材料可以弥补金属材料的很多性能上的缺陷,因而应用越来越广泛。纤维缠绕和铺放是复合材料成型工艺中两种常用的方法,而纤维张力是成型过程中的一个重要参数,直接影响着材料的性能,因而张力控制是纤维铺缠工艺中的一项关键技术。由于缠绕和铺放工艺有其各自的特点,对张力控制的要求也有一定的不同,因此涉及到比其它张力器设计更多的因素,同时对系统的动静态性能也提出了较高的要求。本文建立了一种以PIC16F877A单片机为主控单元,以交流数字伺服电机为执行元件,张力传感器为反馈元件的闭环张力控制方案。交流数字伺服电机既作为执行元件又作为回纱电机,简化了控制系统结构。对上述系统进行深入分析研究,建立了主要元件的数学模型,进而获得系统的传递函数。在系统性能分析基础上加入了PID校正,并使用Matlab的SIMULINK工具箱对校正后的系统进行仿真分析。对张力控制系统的软硬件进行了设计。首先,根据控制系统性能要求,对硬件系统进行设计。完成了芯片的选型和各外围接口电路开发,并对硬件系统进行了联机调试。在此基础上完成了主控电路的PCB设计板的设计和制作。软件部分包括单片机程序设计和上位机监控软件的编制。考虑到张力控制系统的工作特点,控制算法最终采用了积分分离的PID控制。单片机程序主要包括积分分离PID算法、数字滤波、外围器件的接口程序等。基于LabVIEW构建的上位机监控软件主要实现张力系统的实时监控、断纱报警以及数据的保存等功能。对张力控制实验台的搭建进行了介绍,进行了主要器件的标定,并在此基础上对张力控制器的性能进行了测试。通过测定张力设定值变化、收卷速度变化、恒速恒张力工作和回纱时的张力值响应曲线,分析了系统的动、静态性能。实验结果表明,恒速恒张力条件下,系统波动率和静差率均能符合张力控制的要求,张力值和铺缠速度变化时,系统响应迅速、准确,且正常张力值下系统回纱性能良好。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 纤维缠绕和铺放技术简介  9-11
    1.1.1 纤维缠绕工艺概述  9
    1.1.2 纤维铺放工艺概述  9-10
    1.1.3 铺放和缠绕张力控制的比较  10-11
  1.2 张力控制器研究现状及分析  11-14
    1.2.1 张力控制器的发展  11-12
    1.2.2 国外研究现状  12-13
    1.2.3 国内研究现状  13-14
  1.3 课题研究的意义  14
  1.4 课题研究的内容  14-16
第2章张力控制系统原理和控制策略研究  16-26
  2.1 系统总体方案设计  16
  2.2 张力控制系统建模和分析  16-22
    2.2.1 系统数学模型的建立  16-19
    2.2.2 脉冲传递函数的建立  19-20
    2.2.3 系统对参考输入的响应  20-21
    2.2.4 系统对扰动信号的抑制  21-22
  2.3 控制策略研究  22-25
    2.3.1 数字PID校正  22-23
    2.3.2 PID校正分析和仿真  23-25
    2.3.3 积分分离的PID控制  25
  2.4 本章小结  25-26
第3章张力控制器的硬件实现  26-34
  3.1 硬件总体设计  26-27
  3.2 外围电路设计  27-32
    3.2.1 信号采集输入电路  27-28
    3.2.2 RS232接口电路  28-29
    3.2.3 控制电压输出电路  29
    3.2.4 键盘接口电路  29-31
    3.2.5 LCD显示接口电路  31-32
  3.3 主控电路PCB设计  32-33
  3.4 本章小结  33-34
第4章张力控制系统的软件开发  34-42
  4.1 单片机程序开发  34-37
    4.1.1 软件总体结构  34
    4.1.2 A/D转换  34-35
    4.1.3 数字滤波  35
    4.1.4 RS232串行通信  35-36
    4.1.5 SPI串行通讯  36-37
  4.2 上位机监控软件开发  37-41
    4.2.1 监控软件总体设计  37-39
    4.2.2 多线程和事件驱动体系  39
    4.2.3 串行数据采集  39-40
    4.2.4 数据格式转换与显示  40-41
  4.3 本章小结  41-42
第5章张力控制系统的实验研究  42-52
  5.1 张力控制实验台的建立  42-44
    5.1.1 实验台的总体结构  42
    5.1.2 实验台的主要元件  42-44
  5.2 主要元件的标定  44-45
    5.2.1 张力传感器的标定  44
    5.2.2 交流伺服电机输出速度标定  44-45
  5.3 张力控制器性能测试  45-51
    5.3.1 系统稳态性能测试  45-48
    5.3.2 张力值变化时系统性能测试  48-49
    5.3.3 铺缠速度变化时系统性能测试  49-50
    5.3.4 回纱响应  50-51
  5.4 本章小结  51-52
结论  52-53
参考文献  53-57
致谢  57

纤维数控铺缠设备精密张力控制器的研究

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