（测试计量技术及仪器专业论文）光纤拉丝机控制系统的研究.pdf

摘要 论文题目：光纤拉丝机控制系统的研究 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：王鲲 指导老师：于殿泓副教授 姜明副教授 摘要 签名： 签名： 签名： 光纤拉丝机是光纤生产的重要设备，影响光纤丝径一致性的一个重要因素在于对拉伸 伺服电机的控制效果。为了获得满意的控制效果，设计出基于单片机的光纤拉丝机模糊控 制系统；并且对光纤拉丝机控制系统中存在的时滞问题进行了理论分析，设计了基于 s m i t h 预估器的模糊控制算法，并将其用于解决时滞所带来的问题。本课题的主要工作包 括以下几个方面： 1 在分析光纤拉丝机工作原理的基础上，设计出光纤拉丝机伺服系统和光纤丝径在 线检测模块，确定了研究所用伺服电机和系统控制算法。 2 根据操作人员的手动操作经验并结合模糊控制理论，设计出光纤拉丝机的模糊控 制算法，并且将该算法应用于光纤拉丝机控制系统中。模糊控制算法的实现采用离线部分 运用m a t l a b 计算出模糊查询表，然后通过在线查表的方式实现模糊控制。 3 为了实现对光纤拉丝机的闭环控制，设计了基于单片机的光纤拉丝机模糊控制系 统，实验研究了丝径数据的实时采集、处理及对拉丝伺服电机的控制，实现了拉丝生产过 程的自动化；完成了该系统的硬件设计、制作及软件编程、联机调试，取得了满意的控制 效果。 4 对光纤拉丝机控制系统中存在的时滞问题进行了相关的理论分析，指出滞后问题 会降低系统的稳定性，导致控制系统的控制质量下降，提出用基于s m i t h 预估器的模糊控 制算法来抑制光纤拉丝机控制系统中时滞问题。在基于s m i t h 预估器的模糊控制算法理论 分析的基础上，设计出各个仿真模块，编写了基于m a t l a b 的仿真程序对基于s m i t h 预 估器的模糊控制算法进行仿真实验，分析对比了采用基本模糊控制算法和采用基于s m i t h 预估器的模糊控制算法的控制效果，可以看出基于s m i t h 预估器的模糊控制算法的控制效 果明显优于基本模糊控制算法。 关键词：光纤拉丝机；模糊控制：s m i t h 预估器；单片机 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nf l b e rp u l l i n gm a c h l n e sc o n t r o l s y s t e m m a j o r ：m e a s u r e m e n t m e t r o l o g ya n di n s t r u m e n t a t i o n n a m e ：k u nw a n g s i g n a t u r e ：土逝 s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f d i a n h o n gy u a s s o c i a t ep r o f m i n gj i a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： f i b e rp u l l i n gm a c h i n ep l a y sa l l i m p o r t a n tr o l ei nf i b e rp r o d u c e t h ec o n t r o lr e s u l to f p u l l i n gs e r v om o t o ri sa ni m p o r t a n tp o i n tw h i c ha f f e c t st h eq u a l i t yo ff i b e r f u z z yc o n t r o l s y s t e mb a s e do nm c u h a sb e e nd e s i g n e dt og e ts a t i s f y i n gc o n t r o lr e s u l t s t h eq u e s t i o no ft i m e d e l a yi nc o n t r o ls y s t e mh a sb e e na n a l y z e di nt h e o r y a n df u z z yc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nt h e s m i t hp r e d i c a t o rh a sb e e nd e s i g n e dt or e s o l v et h ep r o b l e mo ft i m ed e l a y f o u rc o n t e n t sa r e m a i n l yi n c l u d e da sf o l l o w s ： f i r s t ，o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ff i b e rp u l l i n gm a c h i n e sw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h ef i b e r p u l l i n gm a c h i n es e r v os y s t e ma n dt h ef i b e rd i a m e t e rm e a s u r e m e n tp a r th a v eb e e nd e s i g n e da n d d e v e l o p e d a tt h es a m et i m e ，t h et y p eo fp u l l i n gs e r v om a c h i n eh a sb e e ns e l e c t e da n dt h e c o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e nd e c i d e d s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h ew o r k e r s e x p e r i e n c ea n df u z z yc o n t r o lt h e o r y , t h e - f u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mo ff i b e rp u l l i n gm a c h i n eh a sb e e nd e s i g n e da n da l s oh a sb e e na p p l i e di nt h ef i b e r p u l l i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m i no r d e rt or e a l i z et h ea l g o r i t h m ，t h ec a l c u l a t i o np r o c e s sh a s b e e nd i v i d e di n t ot w op a r t sw h i c hi n c l u d eo n l i n ep a r ta n do f f - l i n ep a r t o nt h eo f f - l i n ep a r t ， f u z z yq u e r y t a b l eh a sb e e nc a l c u l a t e db yu s i n gm a t l a b o nt h eo n l i n ep a r t ，t h ef u z z yc o n t r o l h a sb e e nr e a l i z e db yl o o k i n gu pt h ef u z z yq u e r yt a b l e t h i r d ，f u z z yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm c u h a sb e e nd e s i g n e di no r d e rt or e a l i z et h ec l o s e l o o pc o n t r o lo ff i b e rp u l l i n gm a c h i n e f i b e rd i a m e t e rr e a l t i m ea c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g h a v eb e e nm a d ee x p e r i m e n t a l l y t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mh a v e b e e nd e s i g n e da n dp u ti n t ou s es u c c e s s f u l l y b yu s i n gt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e m ，t h ea u t o m a t i o n o ff i b e rm a n u f a c t u r eh a sb e e nr e a l i z e da n dt h es a t i s f y i n gc o n t r o lr e s u l th a sb e e ng o t t e n f o r t h t h ep r o b l e mo ft i m ed e l a yi nt h ef i b e rp u l l i n gc o n t r o ls y s t e mh a sb e e na n a l y z e di n t h e o r y , w h i c hp o i n t so u tt h a tt h es y s t e ms t a b i l i t ya n dt h ec o n t r o lr e s u l tw i l lb ea f f e c t e db yt h e p r o b l e mo ft i m ed e l a y i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mo ft i m ed e l a y , t h ef u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mb a s e d o ns m i t hp r e d i c a t o rh a sb e e nd e s i g n e d t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ft h ef u z z y c o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ns m i t hp r e d i c a t o ra n dt h es i m p l ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e n c a r r i e do u t t h ef o r m e re x p e r i m e n tr e s u l ti sb e t t e rt h a nt h el a t t e r , w h i c hc a nb ed e m o n s t r a t e db y t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t k e yw o r d s ：f i b e rp u l l i n gm a c h i n e ；f u z z yc o n t r o l ；s m i t hp r e d i c a t o r ；m c u 2 群 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：j 醒匕7 年弓月扣日 学位论文使用授权声明 本人生嗌在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：i 超导师签名： d 7 年易月弓。日 l 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着2 1 世纪的到来，人类社会已经进入了信息时代。光纤通信、卫星通信、微波通 信已成为当代主要的三种通信手段。现在世界通信业务的6 0 需经光纤传输，至2 0 世纪 末达到8 5 。由于光纤通信具有传输速度快、传递信息量大和保密性强、低耗损等优 势，使该技术得到了飞速发展，这也将使光纤通信成为未来主要的通信手段。光纤通信被 视为通信史上的一次革命性的变革，光纤通信网将在长途与市话通信网中代替现用的电缆 通信网，这已是各国所公认的。随着我国现代化步伐的加快，我国通信行业必将飞速发展， 光纤通信这种未来通信的主要方式将逐步取代电缆通信方式。由此可见，不论在国内还是 在国际，光纤通信成为主要通信方式将是必然趋势，这就必然带来对光纤的巨大需求，从 而促使光纤生产业的巨大发展。我国是一个大国，通信现代化应该走独立自主的道路，所 以对光纤生产的研究有非常重要的意义。 光纤拉丝生产主要是将预制棒拉伸成不同丝径的玻璃混合物。光纤拉丝机是制作光纤 的主要设备，光纤拉丝机的性能直接决定了光纤的质量，本课题主要是针对光纤拉丝机控 制系统的研究。光纤拉丝机一般主要由加热电炉部分、预制棒送给部分、光纤拉伸部分以 及丝径在线检测部分组成“。加热电炉的作用是将预制棒加热至熔融状态，然后再通过拉 伸部分的动作将预制棒拉伸成丝经值大小符合要求的光纤。由于所用预制棒的材质不同， 其熔点也就不同，即所需电炉的温度也就不同，因此加热电炉需要专门的控制电路进行控 制。预制棒送给部分的作用是将预制棒以很缓慢的速度送入加热电炉中，该动作一般由步 进电机的运转实现。所拉出光纤的丝径值是否合格关键在于能否对拉伸部分的电机进行有 效的控制。光纤拉丝机就是通过控制拉伸电机的转速，从而实现对光纤丝径的控制。丝径 在线检测部分的作用是实时检测光纤的当前值，并将该测量值作为控制系统的反馈值，将 该反馈值与目标值比较后实现对拉伸电机的控制。 西安飞秒公司使用的光纤拉丝机系统仍然由人工操作控制。操作人员根据丝径在线检 测部分所测得的光纤值，然后由操作人员按照实际经验来手动调节控制按钮，从而实现对 拉伸电机转速的控制。可以看出，现有的光纤拉丝机系统仍然是一个开环控制系统。该系 统不仅生产效率比较低，而且产品的合格率也是较低的。本课题重点研究工作就是要设计 出光纤拉丝机闭环控制系统，实现光纤拉丝机的自动化。 考虑到光纤拉丝机控制系统中对拉伸电机的性能要求较高，所以采用交流伺服电机。 永磁同步电动机交流伺服系统具有频带宽、反应快、精度高、调速范围宽、效率高、功率 驱动器静止无噪音等一系列优点“。但由于交流伺服电机是一种多变量、强耦合、非线 性的复杂机电系统“，其控制器的设计直接影响着伺服电机的运行状态，从而在很大程度 上决定了整个系统的性能。在工业控制中，常采用p i d 控制原理实现对被控系统的控制。 p i d 控制算法在世界范围内以9 0 以上的工业控制过程中被采用“。传统p i d 控制原理 西安理工大学硕士学位论文 简单，容易实现，稳态无静差，广泛应用于工业控制过程并取得了良好的控制效果”1 。传 统p i d 控制主要应用于具有确定模型的线性过程。实际上，交流伺服电机的精确数学模 型很难建立起来8 ，并且在光纤拉丝机控制系统中存在许多不确定因素影响拉丝性能。所 以在光纤拉丝机闭环控制系统设计中采用模糊控制对拉伸电机进行控制。模糊控制的主要 特点“1 是它有很强的处理不确定信息的能力，控制器的设计不依赖被控对象的精确数学 模型。 模糊控制理论的基础是模糊数学。1 9 6 5 年美国伯克利加州大学教授扎德发表了著名 的论文( f u z z ys c t s 1 0 l 提出了模糊性问题，给出了其定量的描述方法，从而模糊数学 诞生了。模糊数学不是使数学变得模模糊糊，而是让数学进入模糊现象这个客观存在的世 界“，用数学的方法去描述模糊现象，揭示模糊现象的本质和规律。模糊数学“2 “”1 在经 典数学和充满模糊性的现实世界之间架起了一座桥梁。 模糊数学在短短3 0 年的时问里得到了长足的发展，在理论和应用中取得了令人刮目 的成果 1 4 - 1 5 1 。模糊数学的应用领域涉及自动控制、图像和文字识别、人工智能、地质地震、 医疗诊断、气象分析、航空航天、火车汽车驾驶、交通管理、决策评价、企业管理和社会 经济等等很多方面。 在自动化技术中的应用是模糊数学非常活跃而又硕果累累的一个领域。著名的自动控 制权威a u s t r o m 曾经指出：模糊逻辑控制、神经网络控制与专家控制是三种典型的智能控 制方法。1 9 7 4 年英国学者e h m a m d a n i 开模糊控制之先河，将模糊控制理论应用于热电 厂的蒸汽机控制“”。1 9 8 7 年日本仙台市模糊控制的地铁电力机车自动运输系统投入运行， 这是模糊控制成功地应用于自动控制领域的一个光彩夺目的范例。9 0 年代初，模糊家电 风靡日本，给日本企业带来了巨大的商业效益。日本的成功带动了欧美和其它国家，促进 了模糊技术的发展。1 9 8 5 年世界第一块模糊逻辑芯片在美国贝尔实验室问世，这是模糊 技术的又一个里程碑。美、日、德等许多著名的公司都积极从事这方面的研究 i s l 1 9 | 9 推 出了许多商品化的模糊逻辑芯片。这给模糊技术的应用特别是在控制领域中的应用注入了 新的活力，开辟了诱人的前景。 我国在模糊控制理论方面的研究处于世界先进水平，先后出版了几十本有关模糊理论 方面的书籍，每年发表的研究论文也非常之多，相比之下工程技术应用则相对较弱。近年 来，计算机技术的发展给模糊技术的推广应用带来了美好前景，模糊技术在我国逐步从理 论殿堂走入工程应用，不断深入发展。 1 2 本文的研究背景及意义 我国众多的光纤生产厂家广泛采用基于p l c 或单片机的开环自动控制系统。这种系 统虽然有设计方便快捷、开发周期短等独特优点，但却存在着自动化程度低、生产精度不 高和可靠性差的突出缺陷。一方面，系统在运行期间都必须配备专门的操作人员不问断地 监视系统的运行状况，并且做频繁地操作系统，无法脱离操作人员，难以实现自动化程度 2 绪论 更高的自动控制，它在本质上是一个缺陷很多的开环控制系统。自动化程度低的主要原因 是系统本身是一个建模十分困难、迟滞严重的多输入多输出，并且输出之间关联复杂的系 统，很难实现比较理想的p i d 闭环控制。另一方面，系统大多运用模拟量控制，模拟量 参数易受生产现场的恶劣环境的干扰，致使系统的生产精度低，可靠性差。 自动控制理论从诞生发展到现今，其理论丰富而成熟，在各行各业的控制应用中起到 了不可或缺的作用。但无论是采用经典控制理论还是采用现代控制理论去设计一个自动控 制系统，都需要事先建立被控对象的数学模型，要知道模型的结构、层次、参数等等，在 此基础上合理选择控制策略，进行控制器的设计。然而，大量事实告诉我们，在许多情况 下，被控对象由于其过程复杂，机理有不明之处，缺乏必要的检测手段或者测试装置不能 进入被测区域等等各种原因，致使无法建立被控过程的数学模型。这类过程的变量多，过 程往往具有非线性，强耦合等特点，各种参数也往往存在时变性。因此要建立这类过程的 数学模型非常困难，甚至是不可能。虽然我们已经有了对付非线性、时变参数系统的方法， 但是有些场合因为许多因素结合在一起，使问题解法复杂化以至缺乏使用价值。因此，用 经典控制理论和现代控制理论解决这类对象的控制往往难以奏效，得不到满意的控制效 果。在光纤拉丝机控制系统中，由于伺服电机的精确数学模型难以建立，再加之控制过程 中许多不确定因素，使得采用传统控制方法的光纤拉丝机的控制效果并不好。 对这类常规办法难以控制的对象，有经验的操作人员手动控制，却往往可以收到较为 满意的控制效果。模糊控制的基本思想咖2 仃就是利用计算机或微控制器来实现人的控制 经验。而人的控制经验一般由语言来表达的，这些语言表达的控制规则又带有相当的模糊 性。我们可以用模糊数学的方法来描述过程变量以及它们之间的关系，又可以根据这种模 糊关系及某时刻过程变量的检测值( 需要转化成模糊量) 用模糊推理的办法得出此时刻的 控制量，这就是模糊控制的基本思路。 为了提高光纤生产率和光纤拉丝机的自动化程度，将模糊控制理论应用于光纤拉丝机 控制系统中，从而实现对光纤拉丝机的闭环控制。在光纤拉丝机控制系统设计中，只需要 将熟练操作人员的操作经验转换化成全面而精炼的模糊控制规则，设计出模糊控制器。所 谓模糊控制器池脚实际上就是根据实际操作经验，再结合相关模糊控制理论而编写的一 组控制程序。在光纤拉丝机控制系统中采用模糊控制有以下几个优点： 1 1 光纤拉丝机控制系统设计时不要求知道被控制对象拉伸伺服电机的精确数学 模型，只需要提供操作人员的实际操作经验； 2 ) 控制系统的鲁棒性强，能够有效地抑制光纤拉丝机系统中的不确定因素和光纤拉 丝机控制系统中的时滞问题； 以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成基于专家的控制规则； 基于模糊控制的光纤拉丝机控制系统的控制推理采用“不精确推理”，推理过程模 仿人的思维过程，因而能够更加有效地控制光纤拉伸电机的运转： 5 ) 模糊控制逻辑是柔性的。对于给定的系统，很容易处理和增加新的功能，不用从 3 西安理工大学硕士学位论文 头做起。 1 3 本文的内容安排及主要研究工作 本文的第一章为绪论，其中主要叙述了课题研究背景和课题研究的主要工作；第二章 设计出光纤拉丝机伺服系统，重点叙述了光纤拉丝机伺服控制系统的各个组成部分，并且 确定了系统的控制算法；第三章讲述基于单片机的光纤拉丝机模糊控制系统的设计，重点 叙述模糊控制理论在光纤拉丝机控制系统中的应用，包括光纤拉丝机模糊控制系统的设计 和光纤拉丝机控制系统中模糊控制器的设计。并且详细叙述了基于单片机的光纤拉丝机模 糊控制系统的实现，其中包括光纤拉丝机模糊控制系统的硬件设计和软件实现；第四章是 对光纤拉丝机控制系统中时滞问题的研究，提出了常用的解决方法，重点从理论上分析基 于s m i t h 预估器的模糊控制算法在拉丝机控制系统中的应用，并且进行了相关的仿真实 验；第五章主要对课题研究进行总结，并且对课题中可以改进的地方进行了相关的论述。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 1 1 设计出光纤拉丝机伺服系统，其中包括伺服系统的组成设计、伺服电机选型和测 径仪的选择，以及伺服系统各个组成部分的工作原理和实际应用的掌握； 根据实际操作经验并结合模糊控制理论，编写光纤拉丝机的模糊控制算法，并且 对该算法进行仿真验证和联机实验； 3 ) 应用单片机实现该模糊控制算法，设计相应的测控电路和下位机程序，调试硬件 电路和相应的驱动程序使之正常运行： 编写操作方便，晃面友好的上位机程序，可以通过该界面实现对拉丝机的控制、 数据记录和显示、打印报表等功能； 研对光纤拉丝机控制系统中存在的时滞问题进行相关的理论分析，并且设计出时滞 问题的解决方案，即基于s m i t h 预估器的模糊控制算法的设计，并对该算法进行仿真实验。 4 光纤拉丝机伺服系统的设计 2 光纤拉丝机伺服系统的设计 光纤拉丝生产主要是将预制棒拉伸成不同丝径的玻璃混合物。光纤拉丝机是制作光纤 的主要设备，光纤拉丝机的性能直接决定了所拉出光纤是否合格。光纤拉丝机一般由加热 部分、送给部分、拉伸部分和检测部分等构成。 2 1 光纤拉丝机工作原理 光纤拉丝生产主要是利用拉丝机将预制棒拉伸成不 同丝径光纤的过程。在光纤拉丝机的整体结构中，主要 涉及到以下三个方面的控制问题： 1 ) 拉光纤的速度； 预制棒的送给速度： 3 ) 加热电炉的温度控制。 为了解决以上三个问题，必须设计出三个相应的系 统来实现： 1 ) 拉光纤的速度控制系统：由交流伺服电机、减速 器、橡胶轮等构成； 预制棒的送给速度控制系统：由步进电机、滑动 丝杠、夹具等构成； 送给电机 图2 - 1 光纤拉丝机结构示意图 f i 9 2 1s c h e m a t i co ff i b e rp u l l i n g 3 ) 电炉的温度控制系统：由电炉、热电偶、可控硅m ”h i n 。 等构成。 拉丝机整体结构示意图如图2 - 1 所示。拉丝机运行过程如下：先将预制棒悬挂于挂钩 上，打开送给电机和拉伸电机使之运行，送给电机的转动使滑动丝杠动作，从而带动夹具 运动使预制棒进入电炉中加热，过了一定时间玻璃混合物熔化，从电炉导出口流出，经过 测径仪，在拉伸电机的拉力作用下，光纤一直向下运动，达到要求的长度后，光纤被剪断。 由于光纤的材质不同，所以光纤预制棒熔化所需的温度不同。一般情况下，光纤预制 棒的熔化温度为6 0 0 7 0 0 c 之间，并且在拉伸光纤的过程之中，电炉的温度基本上保持 不变。电炉温度的调节可以由专用温度调节控制箱，并且电炉当前温度能够实时的显示在 温度调节控制箱的前面板上。 预制棒的送给速度一般是恒定的，预制棒的送给速度由步进电机的转速控制。步进电 机的转速由发的脉冲数的多少决定。 光纤拉丝机所拉出光纤的丝径值是否满足要求，光纤丝是否粗细均匀，以及丝径的误 差是否满足误差要求，这些关键还是在于对拉伸电机控制的好坏，即与电机响应的快速性 及电机运行的平稳性有着很大的关系，所以拉光纤电机的速度控制研究是本课题研究的重 点。 光纤拉丝机的实物如图2 2 所示。一般情况下，光纤拉丝机被放置在一间密闭的厂房 5 西安理工大学硕士学位论文 里。由于为了让刚拉出来的光纤有足够的定型时间，另外考虑到对玻璃混合物进行加热熔 化会产生有毒气体，所以一般将放置光纤拉丝机的工作房间分为上下两层。上层工作间进 行较好的密封，要尽量做到没有空气流动。上层工作房间中放置对光纤预制棒进行加热和 光纤预制棒送给部分，它们包括步进电机、丝杠、电炉和测径仪等构成。上层工作房间实 物如图2 - 2 ( a ) 所示。下层工作闻是工作人员对光纤拉丝机进行监测和拉伸光纤控制的地 方，并且控制箱、p c 机以及拉伸电机都放置于此。下层工作间实物图如图2 2 ( b ) 所示。 图2 - 2 光纤拉丝机的照片 f i 9 2 - 2p h o t o so ff i b e rp u l l i n gm a c h i n e 2 2 光纤拉丝机伺服系统 2 2 1 伺服控制系统 伺服控制系统嘲是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、 速度及转矩输出的自动控制系统。如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程，它是以 空中的目标为输入指令要求，雷达天线要一直跟踪目标，为地面炮台提供目标方位；加工 中心的机械制造过程也是伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算 机，通过与1 j i - r 位置目标比较，计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。绝大部分机 电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实 现运动而提供控制和动力的重要环节。 a 伺服系统的结构组成 机电一体化的伺服控制系统的结构和类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺 服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。如图 2 3 给出了伺服系统组成原理框图。 6 光纤拉丝机伺服系统的设计 号 图2 - 3 伺服系统组成原理框图 f i 9 2 0 3s c h e m a t i co fs e r v os y s t e mc o n s t i t u t i o n 1 ) 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入 间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。 2 ) 调节元件通常是计算机或p i d 控制电路，主要任务是对比较元件输出的偏差信 号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。 3 ) 执行元件作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能， 驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机、液压或气动伺服机构 等。 4 ) 被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。一般包括传 动系统、执行装置和负载。 5 1 检测环节是指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置。 一般包括传感器和转换电路。 在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在 一个硬件中，如测速直流电机即是执行元件又是检测元件。 b 伺服系统的分类 伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有： 1 1 按被控量参数特性分类按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力 矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统。 按驱动元件的类型分类按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、 气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统 和步进电机控制伺服系统。 3 ) 按控制原理分类按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环 控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。 开环控制伺服系统结构简单、成本低廉、易于维护，但由于没有检测环节，系统精度 低、抗干扰能力差。闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测，并根据输出与输入的偏差， 实时调整执行过程，因此系统精度高，但成本也大幅提高。半闭环控制伺服系统的检测反 馈环节位于执行机构的中间环节上，因此一定程度上提高了系统的性能。如位移控制伺服 系统中，为了提高系统的动态性能，增设的电机速度检测和控制就属于半闭环控制环节。 c 伺服系统的技术要求 7 西安理工大学硕士学位论文 机电一体化伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频 率范围大等基本要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等。 1 1 系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，即动 态误差、稳态误差和静态误差。稳定的伺服系统对输入变化是以一种振荡衰减的形式反映 出来，振荡的幅度和过程产生了系统的动态误差：当系统振荡衰减到一定程度以后，我们 称其为稳态，此时的系统误差就是稳态误差；由设备自身零件精度和装配精度所决定的误 差通常指静态误差。 稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状 态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。如果 系统能够进入稳定状态，且过程时间短，则系统稳定性好；否则，若系统振荡越来越强烈， 或系统进入等幅振荡状态，则属于不稳定系统。机电一体化伺服系统通常要求较高的稳定 性。 3 ) 响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应 速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼、质量等。 钔工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够 按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。在机电一体化系统中， 工作频率一般指的是执行机构的运行速度。 上述的四项特性是相互关联的，是系统动态特性的表现特征。利用自动控制理论来研 究、分析所设计系统的频率特性，就可以确定系统的各项动态指标。系统设计时，在满足 系统工作要求( 包括工作频率) 的前提下，首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高 系统的响应速度。 2 2 2 光纤拉丝机伺服系统的组成 光纤拉丝机的控制系统实际上就是一种伺服控制系统。该伺服系统的比较元件和调节 元件实际上是由a d 模块、单片机模块和d a 模块构成，检测元件由测径仪构成，它的 执行元件和被控对象可以说都是由伺服电机部分构成。测径仪将当前光纤丝径的实际值进 行测量，然后经过a ，d 模块将电压模拟信号转换为数字量送给单片机。单片机将该数字 量与上位机所给的丝径目标值( 经过相应的比例关系换算后所对应的电压值) 比较后得到 误差值，该误差值再经过单片机中控制程序运算后得到相应的输出控制量。输出控制量经 过d a 模块转换后输出相应的电压值，从而达到对伺服电机转速的控制，最后实现对光 纤丝径的控制。光纤拉丝机伺服系统的组成示意图如图2 4 所示。 8 光纤拉丝机伺服系统的设计 图2 - 4 光纤拉丝机伺服系统组成示惹图 f i 9 2 - 4s c h e m a t i co ff i b e rp u r l i n gm a c h i n e s e r v os y s t e mc o n s t i t u t i o n 2 2 3 电机的选型 生产出来的光纤质量是否合格关键在于能否对拉伸电机进行很好的控制，所以电机的 选型是整个拉丝机系统中非常关键的一步。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应 用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字 控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字 式交流伺服电机作为执行电动机。虽然这两种电机在控制方式有很多相似之处，但在使用 性能和应用场合上存在着较大的差异，所以，在电机选型时要从以下几个方面考虑： a 控制精度 两相混合式步进电机步距角一般为3 6 。和1 8 。，五相混合式步进电机步距角一般为 0 7 2 。和0 3 6 。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走 丝机床的步进电机，其步距角为0 0 9 。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服 电机为例，对于带标准2 5 0 0 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术， 其脉冲当量为3 6 0 * 1 0 0 0 0 = 0 0 3 6 。对于带1 7 位编码器的电机而言，驱动器每接收1 3 1 0 7 2 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为3 6 0 。1 3 1 0 7 2 = 0 0 0 2 7 。是步距角为1 8 。的步进电机 的脉冲当量的1 6 5 5 。 b 低频特性 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一 般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振 动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来 克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有 共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能( h 丌) ，可检 测出机械的共振点，便于系统调整。 9 西安理工大学硕士学位论文 c 矩频特性 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工 作转速一般在3 0 0 6 0 0 r p m 。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速( 一般为 2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 r p m ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 d 运行性能 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停 止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流 伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置 环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 e 速度响应性能 步迸电机从静止加速到工作转速( 一般为每分钟几百转) 需要2 0 0 4 0 0 毫秒。交流 伺服系统的加速性能较好，以y a s k a w as g m a h 交流伺服电机为例，从静止加速到其 额定转速3 0 0 0 r p m 仅需5 4 毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 由于拉丝机的拉丝速度较低，故拉丝机对电机的低速性能要求较高。如果电机在低速 运行的情况下出现振动现象，这将直接引起光纤丝径的粗细不均，降低所拉光纤的成品率。 光纤丝径的粗细与拉伸电机的转速成反比，也就是说光纤丝径值的大小直接由电机的转速 控制。所以，拉丝机控制系统对拉伸电机的速度响应性能要求较高。 综合以上因素，本控制系统选用交流伺服电机作为拉伸电机使用。所用交流伺服电机 恤由伺服马达和伺服驱动器两部分组成： 1 ) 伺服马达的型号：s g m a h - 0 4 a a a 4 1 ，其具体性能参数如表2 - 1 所示： 表2 - 1 伺服马达具体参数 1 曲2 - 1p a r a m e t e bo f s e r v om o t o r 伺服电机的容量 0 4 k w 驱动电压 2 v 编码器规格1 3 位增量型 轴端规格平直带键 制动器和油封规格无制动器和油封 伺服驱动器的型号：s g d m - 0 4 a d a ，其具体性能参数如表2 - 2 所示： 表2 - 2 伺服驱动器具体参数 t a b 2 - 2p a r a m e t e r s o fs e r v o p a c k 最大使用伺服电机的容量o 4 k w 驱动电压 2 0 0 v 驱动器型号扭矩、速度和位置控制用 光纤拉丝机伺服系统的设计 所用交流伺服电机伺服驱动器的实物如图2 - 5 ( a ) 所示，伺服马达的实物如图2 - 5 ( b ) 所示。 图2 - 5 安川交流伺服电机的照片 f i 9 2 - 5p h o t o so f y a s k a w a a cs e r v om o t o r 2 2 4 光纤丝径的在线检测 在拉丝的过程中采用非接触检测光纤丝径的方法，实时采得的丝径值信号用于拉丝机 控制系统的反馈信号，该反馈信号将用于控制算法的输入信号。本系统采用久久牌测径仪 实现该功能。久久测径仪可以在高温下动态对透明物体的外径进行在线检测。该仪器以激 光扫描方式采集信号，经处理后得到直径值和相关控制的信号。所用测径仪的型号为 x j y - 3 t j ，x j y 系列测径仪是非接触式线材外径测量仪器，可以在常温或高温下对透明或 非透明物体的外径进行在线测量。 测径仪的具体参数如下： 测量范围：0 1 3 m m 分辨率：0 2 z m 扫描速度：2 0 0 次秒环境温度：- 5 4 0 测量精度：0 2 z m 0 0 5 x 标称值 输出模拟量为1 4 位d a ，线性隔离 输出阻抗为1 0 0 q 输出与直径所对应的电压量为0 1 0 v 将测径仪输出的电压值经过a d 采集后传 送到下位单片机，经过单片机中所存模糊控制 算法后，得出相应的控制量，从而实现对拉伸 f i 9 2 - 6p 墨嚣翟瑟怒：墨毒c 。l i p 。 电机的控制。x j y - 3 t j 测径仪的实物图如图2 6 所示。可以从模拟量及报警输出端口将输出与直径对应的电压量取出，然后将其传到光纤 拉丝机控制电路板的a d 采集模块，再进行后续的控制处理。 1 1 西安理工大学硕士学位论文 2 3 控制算法的选择 光纤拉丝机伺服系统设计中，在各功能模块搭建的基础之上，控制系统所得到控制效 果的好坏关键在于系统的控制算法。在光纤拉丝机控制系统中，采用模糊控制实现对伺服 系统的控制。选用该控制算法的原因主要有以下几个方面： 1 1 由图2 6 可以看出，电炉和测径仪的有效测量位置之间有大约1 8 0 m m 的距离，这 就使测径仪所测的丝径值是过了时间f 后得到的。使用传统p i d 算法实现控制，在没有时 【a ) ( b ) 图2 - 7p i d 控制算法的仿真实验 f i 9 2 - 7s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fp i da l g o r i t h m 滞时间f 的情况下，可以实现系统的闭环控制；若考虑系统中时滞时间f 的作用，将无法 实现对光纤拉丝机的有效控制，这一点可以通过图2 7 得到证实。图2 - 7 ( a ) 是无时滞环节 作用时p i d 控制算法的控制效果图；图2 - 7 ( b ) 是加时滞环节作用时p i d 控制算法的控制效 果图。仿真实验中，伺服电机的目标角速度为2 0 0 r a d s ，时滞环节的延迟时间, g - = l s ，可以 看出，加时滞环节后，电机的角速度出现了很大的振动，说明p i d 控制算法不能有效地 抑制光纤拉丝机控制系统中的时滞问题。 交流伺服电机是一种多变量、强耦合、非线性的复杂的机电系统。在进行实际系 统控制中，合适的p i d 整定参数的确定是比较困难的，因为p i d 控制算法对数学模型较 为简单和精确的控制对象进行控制时较为容易。 3 1 在拉丝过程中需要将预制棒进行高温加热，使预制棒变成熔融状态，这就涉及到 复杂的化学过程，使得光纤丝径和电机转速的数学关系并不精确，若采用常规的控制算法 不能得到满意的控制效果。另外，控制现场电机的振动、机械噪声、空气流动等都对拉丝 控制有一定的影响。 采用人工拉丝时，操作人员可以根据经验调节电机的速度，这种开环控制系统反 而能够在一定程度上克服上面所述的各种问题，得到较为满意的控制效果。 5 1 模糊控制是一种基于模糊数学和人工操作经验的计算机控制方法。模糊控制算法 的设计不需要精确的数学模型，该控制算法的设计只需要根据人工控制经验编写合理的模 光纤拉丝机伺服系统的设计 糊控制规则语句即可。并且该控制算法有较强的抗干扰能力，即有很好的鲁棒性。 2 4 小结 本章在详细分析光纤拉丝机工作原理的基础上，重点阐述了光纤拉丝机伺服系统的设 计，其中包括交流伺服电机的选型和在线检测模块的设计；分析了有效控制伺服电机对所 拉光纤丝径是否