● 摘要
本文进行了计算机控制缠绕机及其张力控制系统的工作原理研究，设计了一种新型张力控制系统，并设计及应用了单神经元自适应PID控制算法，解决了张力控制过程中的PID控制器积分饱和问题。首先，论述了数控纤维缠绕机张力控制系统的设计原理、基本构成及其实现方法。通过分析研究总结出某航天单位的缠绕机张力系统存在的问题，并提出改造后的新型张力控制系统应满足的技术要求。提出分别选用力矩电机和电流变流体阻尼器作为执行元件的两套备选方案，确定新型控制系统的最终方案。论文研究张力控制系统各机构的工作原理，建立了施力机构、张力检测子系统、PWM控制模块、力矩电机的数学模型。在张力检测部分设计信号调理电路，并应用数字滤波方法滤除干扰信号，改善了检测信号质量。设计脉宽调制电路，对脉宽调制器“死区”的产生方法作了改进，成功设计并实现了满足工程要求的功率放大装置。针对解决实际应用过程中的PID控制器积分饱和问题，设计单神经元自适应PID控制算法，并与积分分离PID控制算法相结合。通过力矩电机标定实验，研究分析了电机电压与纤维张力间的关系。利用计算机仿真技术，对新型张力闭环控制系统方案的快速性和稳定性进行研究，通过单神经元自适应PID与传统PID控制下系统模型的阶跃响应结果对比，探讨基于单神经元自适应PID算法对控制器的优化的可行性。最后，将所设计的控制系统和算法应用到缠绕张力的实际控制中进行实验，实验结果证实，改造后张力控制系统的调整时间和上升时间大大优于改造前的系统性能指标，所设计的数控缠绕机的张力控制系统精度＜5%，达到实际工程应满足的技术要求。本文设计的新型张力控制系统实现了较高的控制精度和快速稳定性。