[發(fā)明專利]一種多束纏繞設(shè)備聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)的張力控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310167978.6
• 申請日: 2023-02-27
• 公開（公告）號: CN115847786B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段昱杰;梁建國;文新宇;江連運;趙春江;趙曉冬;李銀輝;高海峰;劉江林
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號: B29C53/60
• 分類號: B29C53/60;B29C53/80
• 代理公司: 太原晉科知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

本發(fā)明屬于纖維纏繞控制技術(shù)領(lǐng)域，提供一種多束纏繞設(shè)備聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)的張力控制方法，解決了纖維纏繞過程中張力波動大，無法恒定輸出的問題。建立張力控制系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階數(shù)學(xué)模型；建立時變分?jǐn)?shù)階PID控制器；目標(biāo)張力值和未知外界干擾輸入張力控制系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階數(shù)學(xué)模型，輸出實時張力值；目標(biāo)張力值和實時張力值作差后輸入時變分?jǐn)?shù)階PID控制器，時變分?jǐn)?shù)階PID控制器的輸出值和未知外界干擾輸入張力控制系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階數(shù)學(xué)模型，輸出實時張力值；直至張力控制系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階數(shù)學(xué)模型輸出的實時張力值逼近目標(biāo)張力值。本發(fā)明的控制系統(tǒng)輸出張力值可以很好地穩(wěn)定在目標(biāo)張力值附近，且在遇到張力突變時，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

背景技術(shù)

纏繞設(shè)備廣泛應(yīng)用于壓力容器和儲料容器制作、汽車、航天等行業(yè)，纖維纏繞主要是將纖維材料按一定的纏繞方式均勻的覆蓋在被纏繞件表面，是一種提升產(chǎn)品性能的加工技術(shù)。傳統(tǒng)的纖維纏繞設(shè)備以單束纏繞為主，為提升效率也繼續(xù)發(fā)展出多工位單束纏繞裝置，但該類纏繞設(shè)備控制系統(tǒng)自動化程度較低、纏繞效率低，纏繞控制系統(tǒng)簡單易受外界干擾，且對張力的恒定控制能力較弱。

隨著多束纏繞設(shè)備的誕生，多絲束螺旋環(huán)向纏繞設(shè)備能夠為纖維纏繞工藝開拓廣闊的發(fā)展空間，多束螺旋纏繞工藝和環(huán)向纏繞工藝可以提升纖維纏繞的效率，減少纏繞缺陷，在減少纖維用量的同時提升產(chǎn)品的性能。對于多束纏繞設(shè)備的控制系統(tǒng)開發(fā)目前研究較少，多束纏繞所面臨的控制難題是多軸多設(shè)備的協(xié)同控制，這對控制系統(tǒng)的同步性、實時性、高精度提出的更高的要求，多束纏繞涉及到的多軸聯(lián)動系統(tǒng)控制，對柔性制造系統(tǒng)變得不可或缺。

在復(fù)合材料纖維纏繞成型過程中，對纏繞張力的控制是一個重要環(huán)節(jié)。張力過大會導(dǎo)致纖維斷紗和芯模變形，張力過小會使得制品強(qiáng)度低，纖維滑紗現(xiàn)象嚴(yán)重。張力波動會導(dǎo)致纏繞制品密實度低，含膠量不均勻，從而嚴(yán)重影響制品性能。在工業(yè)實際生產(chǎn)應(yīng)用中主要目標(biāo)是盡可能保證整個生產(chǎn)過程的纏繞張力穩(wěn)定。在張力控制系統(tǒng)控制方面，由于張力控制系統(tǒng)存在實時性強(qiáng)、多參數(shù)、非線性的特點，在纖維纏繞張力控制系統(tǒng)中，纏繞纖維作為一種柔性生產(chǎn)線，由于纏繞線型和芯模的多樣性，增加了纖維張力的控制難度，由于芯模形狀的急劇變化和外界環(huán)境的干擾會導(dǎo)致纖維出紗速度會以較大的加速度變化，從而使纖維在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的張力偏差，因此需要一種動態(tài)響應(yīng)性能和魯棒性更強(qiáng)的控制器和方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于纖維纏繞設(shè)備控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多束纏繞設(shè)備聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)的張力控制方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述至少一個技術(shù)問題，提供了一種多束纏繞設(shè)備聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)的張力控制方法。

本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)：一種多束纏繞設(shè)備聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)的張力控制方法，包括以下步驟，

S1：根據(jù)放卷輥力矩方程、擺桿速度差方程和電路方程，建立張力控制系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階數(shù)學(xué)模型；

S2：在分?jǐn)?shù)階PID控制引入時變參數(shù)，建立時變分?jǐn)?shù)階PID控制器；

S3：設(shè)定目標(biāo)張力值，目標(biāo)張力值和未知外界干擾輸入張力控制系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階數(shù)學(xué)模型，輸出實時張力值；

S4：目標(biāo)張力值和實時張力值作差后輸入時變分?jǐn)?shù)階PID控制器，時變分?jǐn)?shù)階PID控制器輸出；

S5：控制器的輸出值和未知外界干擾輸入張力控制系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階數(shù)學(xué)模型，輸出實時張力值；

S6：重復(fù)步驟S4、S5，直至張力控制系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階數(shù)學(xué)模型輸出的實時張力值逼近目標(biāo)張力值。

優(yōu)選地，張力控制系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)為：

式中，為張力控制系統(tǒng)的放卷輥模塊的分?jǐn)?shù)階傳遞函數(shù)；為張力控制系統(tǒng)的擺桿模塊的分?jǐn)?shù)階傳遞函數(shù)；，其中是張力伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，是折算到張力伺服電機(jī)電機(jī)軸上的總摩擦系數(shù)，是等效電阻，是反電動勢系數(shù)；，其中是總轉(zhuǎn)動慣量；，其中是擺桿長度的一半；是引入的微分算子，且；是引入的積分算子，且。