（机械电子工程专业论文）基于isa总线的嵌入式智能型张力控制系统.pdf

捅要 f 在那些对于力学性能要求较高的玻璃钢制品中，缠绕过程中的张力控制 直接影响了制母的质量。因此张力控制设备在一些较高要求的产品生产过程 中必不可少。i ， 本文首创了一种基于i s a 总线的嵌入式智能型张力控制系统，系统设 计包含便件和软件两个部分。 硬件部分设计包括： 1 i s a 总线的控制板卡设计( 附图) ： 2 传感器相应的机械测量电路的设计。 软件部分设计包括： 1 i s a 板卡的系统监控软件： 2 p i d 控制算法的软件实现； 3 主控计算机般控软件； 4 主控计算机远程通讯与诊断软件。 基于i s a 总线的嵌入式智能型张力控制系统，和独立的张力控制系统 相比，有很多优点。首先，它将原来一整套计算机系统集成在块智能板卡 上，省去了大量的硬件；其次，缠绕过程中的各层张力参数，张力显示参数， 历史数据由l s a 总线传递，其速度，可靠性大大提高：同时，软件的开发 环境大大优于以往的系统。 主题词：c c fw 张力控制，嵌入式。i s a 总线，单片机 一 。 a b s t r a c t i nt | l em a k i n go rt r e a t m e 小o fag i a s s s t e e l p r o d u c tt h a tr e q u i r e dah i g h p r e c i s i o n ，t e n s i o n c o n t r o l d u r i n gw i n d j n g i n n u e n c e st h e p r o d u c t sq u a l i t y d i r e c t l 弘t h u s ，t h ee q u i p m e n t so f t e n s i o n c o n t r o l j si n d i s p e n s a b l ei nt h j sc o u r s e t h i s p a p e ro g i n a t e s a ni n t e “i g e n t s y s t e mo ft e n s i o nc o n t m lb a s e do ni s a b u s ，w h i c hj n c i u d e st w op a n so f d e s j g n s h a r d w a r e s ： 1 d e s j g n m e n to f c o n t r o l - c a r db a s e do ni s a 2 r e l e v a n tm e a s u r ee l e c t r o c i r c u i t so f s e n s o r s s o 厅w a r e s ： 1 p r o g r a m o f t h ee m b e d e d s y s t e mi nt h ec o n t r o l - c a r d 2 p m g 豫m o f l h ep i dc o n t r o l 3 p r o g r a m o f t h em a i nc o m r 0 1s y s t e mi np c 4 p r o g r a m o f t h er e m o t ec o m m u n i c a t i o na n dd i a g n o s i s t h i si n t e g r a t e ds y s t e mb a s e do ni s ah a sm a n ys t r o n g p o i n t s ，w h e nc o m p a r e d w i t h s i n g l es y s t e m f i r s to fa i 【，i ti n t e g r a t e d aw h o l ec o m p u t e rs y s t e mt oa n i n t e l l j g e n tc o n t r o i - c a r d ，a n ds os a v e dl o t so f h a r d w a r e s s e c o n d l y a l ls o r t so f d a t a s u c ha se v e i yl a y e r sp a r a m e t e ro f t e n s i o nc o n t r o l 、p a t a l t l e t e ro f d i s p l a ya n da 1 i h i s t o r yl o ga r et r a n s m i l l e db yl s ab u s t h ev e l o c i c ya n dr e l i a b i l i t ya r ei m p r o v e d o b v i o u s l 斗a to n et i m e ，t h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fs o f t w a r ei sm u c hb e n e r t h a ne v e r k e y ，0 r d s ：e 堂，旦鲢i q n 立n ! q ! ! ，基地坠鲴亟鱼，! s b 丛，s i n 9 1 曼丛巳 武汉理工大学硕士学位论文 第一章概述 卜1 课题概述 自1 9 4 6 年美国发明用连续纤维缠绕成型压力容器方法以来，缠绕成 型工艺得到不断完善和发展。就全世界而言，缠绕成型工艺生产的复合 材料制品己占世界复合材料总产量的8 左右。我国在1 9 6 2 1 9 6 3 年总 结出纤维缠绕规律，设计出可缠制各种压力式容器的链条式缠绕机，揭 开了我国缠绕成型技术的历史。此后，由德国、日本、美国、意大利、 英国等引进了各种自动化程度较高的数控，微机控制缠绕机。同时，我 国自行设计制造的机械式缠绕机，微机控制自动化程度很高的大型缠绕 机和连续缠管机都相继问世，技术已达到世界先进水平，现已开始进入 国际市场。 图l - 1 缠绕工艺流程图 1 - 武汉理工大学硕士学位论文 与其它成型工艺相比，缠绕成型制得的玻璃钢制品除具有一般纤维 增强制品的优点，还具有下述更突出的特点：强度高，甚至可超过钛合 金；制品质量高而稳定，易于实现高效自动化生产，成本较低，且成品 率较高。 由于缠绕成型工艺及其制品有上述特点，因此纤维缠绕玻璃钢制品 在民用工业和军用工业上得到比较广泛的应用： 1 压力容器高内压容器( 如各种气瓶) 和高外压容器( 如潜水设备) 等； 目前，压力容器应用广泛，遍及宇航、火箭、飞机、舰艇等运载工 具及医疗卫生各个方面。 2 。化工管道用于输送石油、水、天然气、化工流体介质等，它可部分 代替不锈钢，具有价廉、轻质、高强、防腐、方便的特点。 3 。，贮罐槽车各种用以运输或贮存酸、碱、盐、油介质的贮罐、槽车， 具有耐腐蚀性好、重量轻、成型方便等优点。 饿军工制品如火箭发动机外壳、机翼、火箭发射管、雷达罩、水雷、 鱼雷发射管等而缠绕成型工艺则是指连续纤维或带经过树脂浸胶 后，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，制 成一定形状的制品，缠绕工艺流程可以用图1 1 来概括。 图1 2 ( 缠绕机) 图1 2 ( 缠绕机) 是一台作业中的缠绕机，缠绕机种类繁多，用途也大相径 一2 武汉理工大学硕士学位论文 庭。但有个共同的特点：就是在将纤维缠绕到芯模上时，要求运用张力 控制设备对纤维展开张力控制，以保持更为良好的性能。例如在加工玻 璃钢产品的过程中，就要求控制芯模外每一层玻璃钢纤维的张力，使其 按照力学特定规律呈现递减状态。为了实现这样一种控制，传统上用定 点调整的开环控制方法，即在缠绕每一层纤维前手动调整张力参量，从 而实现对一整层的张力调节，这种方法虽然成本低，设备简单。但自动 化程度不高，效率低下，控制策略也比较单一，而且开环控制系统通常 都存在着精度低，稳定性差的特点。对于不规则物体和有高精度要求的 产品，芯模外纤维的缠绕张力除了要求垂直方向的层与层之间的差异， 还存在水平方向差异，定点的控制方法则难以胜任。另外，纤维缠绕机 在缠绕火箭发动机壳体、压力容器时，纤维张力对产品的性能也有着极 为重要的影响。如果张力选择不当或不稳定，可使统统制品的强度损失 2 0 3 0 ，对于一些特殊要求的产品，各部分张力的要求又有所不同。 因此张力控制是该设备的一项关键技术。 卜2 本课题研究主要内容 由计算机对纤维张力进行程控是国内外当前最为先进控制手段，它将 整个控制部分组合到一台计算机上，充分利用计算机的软硬资源来实施 控制。计算机程控的智能型张力控制系统除了有高精度，高可靠性的优 势外，还可以根据的生产需求定制相应的控制模型，因而有广阔的扩展 空间。但这种方法要占用一整台计算机，与计算机的运算处理能力相比， 存在相当大的资源浪费，同时它还导致设备的价格过于昂贵。控制张力 的计算机与控制纤维缠绕的计算机还得靠部分端口的外拉引线来维系， 这又无疑削弱了其稳定性。 我们所开发的基于i s a 总线的嵌入式智能型张力控制系统则将整台张 力控制系统的计算机集成到一张智能i s a 插卡上，将这张智能卡插入到 纤维缠绕控制系统的计算机i s a 扩展槽内，利用i s a 总线来传递数据信 号，用插卡上内建的f 1 a s h 存储接口和部分控制数据，降低设备成本， 提高整体性能的稳定性。嵌入式智能张力控制系统的产品目前国内尚且 较少，国外的类似产品也不多而且价格较为昂贵，因此，开发这样一种 产品是具有在应用上的实际意义的。 武汉理工大学硕士学位论文 卜3 本系统控制策略概述 运用嵌入式技术实现c c f w 的张力控制是将原来的一整套计算机系 统集成在一片板卡上的基础，纤维缠绕( f w ) 张力是影响纤维缠绕玻璃 钢复合材料制品质量，特别是高性能制品质量的重要因素。纤维缠 绕制品是纤维经浸树脂胶后，按一定规律，逐层缠绕到芯模上，并加 热( 或常温) 使树脂胶固化，然后冷却到常温的制品。这类制品往往在 承载前已有一定的内应力：从固化的高温冷却到常温的过程中，由于 树脂的热膨胀系数比纤维大而形成的树脂拉应力状态和纤维压应力状 态；内层材料与外层材料大小不均匀的应力状态。这些应力状态造成 制品使用中，树脂先承受一定拉载荷后纤维才参与承受拉载荷，以及 内外层材料承载分配不均衡的不合理现象，使制品材料分部分逐次失 效，加速了制品的破坏进程。一般要求缠绕制品在承受外载荷前处于 零残余应力状态或各层纤维具有一定的等拉预应力状态而各层树脂具 有一定的等压预应力状态，从而使制品在承载时，其内各层纤维、树 脂能充分发挥各自的耐拉、耐压力学特性。实现缠绕过程各缠绕层张 力的准确控制，使制品具有所要求的预应力分布和预应力水平，可提 高材料的利用率和产品质量，减轻制品重量。因而它在国民经济、尤 其是航空、航天领域、军事领域和其它一些尖端科学领域中具有不可 忽视的重要意义和应用价值。因此，合理的f w 张力控制受到人们的普 遍关注。 f w 张力微机控制系统是实现f w 过程中纤维张力按一定设定曲线 ( 即f w 张力制度) 进行调整的自动控制系统。它同时应具有缠绕层自动 跟踪、断沙停机报警、控制张力记录等功能。微机控制纤维缠绕机( m c f w ) 中配置m c t s 系统，可使其制品质得以较大的提高，并增强m c f w 的自 动化水平、提高其生产效益。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章课题难点分析及实施方案的初步制定 该课题实现了高性能f w 制品生产过程中，在高速度缠绕条件下，对 缠绕的纤维张力进行高精度、大张力、宽范围的自动微机控制，也实现 了f w 过程动态条件下的张力设定值自动更换、断纱停机报警和张力控制 情况的记录等功能。本章在难点分析的基础上，提出满足该系统技术性 能要求的基本实现方法。 2 1 技术难点分析 该系统使用条件特殊、技术性能要求高。实现该系统主要有以下5 个技术难点( 实际开发过程，调试时出现的新技术难点及其解决方法见相 关章节) ： 1 张力施加与调整：该课题要求张力施加于纤维浸胶之后到丝嘴之间 ( 浸胶之前只施加较小的初张力) 。纤维浸胶之后，其表面物理特性有 所改变，且会因胶液粘度、胶液含量的不同而不同，这给纤维接触 式加张力带来一定的不稳定影响；纤维缠绕过程产生的波动影响较 大，要在不造成纤维过大损伤的条件下，实现张力的调整必然存在 较大的技术困难。 2 ：涨力检测：只有在丝嘴处进行张力检测，才能更准确地反映缠到芯 模上的纤维张力。该处的纤维巳浸过胶，胶液对检测机构有腐蚀性， 易影响检测精度；这种条件下检测运动的柔索( 纤维) 内张力也有一定 的难度。 3 缠绕速度高、调速范围大：该缠绕机要求最高纤维缠绕速度2 0 4 m s ，因而纤维对外界的干扰( 尤其是机械干扰) 特别敏感，容易产生 张力大幅度的扰动和断纱现象。 4 张力大、调整范围宽：张力最大值为纱线强度的5 5 ，其调整范围 为5 5 一l o ( 民用缠绕机中纤维张力不超过其强度的1 0 ) 。这种 大张力和宽调整范围给张力控制带来了比较大的困难。施加大张力 不易实现，也会对纱线造成一定损伤，甚至产生断线。 5 张力控制精度1 0 ：力的控制是一个比较难的问题，它不象速度控 制、位移控制、温度控制那样，有比较完善的理论基础和实践资料。 武汉理工大学硕士学位论文 而且速度、位移和温度本身具有一定的稳定性，力却有很大的波动 性。该系统中，影响纤维张力的因素有纤维、树脂含量、树脂粘度( 温 度) 、机械、电机、缠绕速度等因素，这些因素中大部分对张力具有 较大且随机的干扰。 2 2 实施方案的初步制定 考虑到本控制系统难度较大，功能较多，为提高该系统的控制水平， 增加其使用的方便性，采用以下基本实现方案： 1 控制系统采用大回路控制加小闭环控制。小闭环控制用以实现局部 干扰的抑制和系统局部的稳定性( 主要指硬件部分) ，大回路实现张力 的反馈调整，对张力进行踪合控制。这样有利于提高张力控制精度 和系统的稳定性。 露采用条件p i d 控制算法来实现张力控制。这种控制算法比单纯的p i d 控制算法灵活，能针对不同情况使用不同p i d 算法，从而提高系统 的整体控制品质。 3 _ ： 1 张力检测部位设在丝嘴附近。该处检测的张力最能反映缠绕到芯模 上时的纤维张力。 核心控制部件选用p c 机。该系统要求功能多，采用p c 机控制，可 使部分硬件功能比较方便地用软件实现提高系统的适应应用环境 执行机构 闲b 一 人机交互单元 图2 1 本系统的原理框图 - 6 武汉理工大学硕士学位论文 能力。 5 张力主要施加部位在浸胶与张力检测点之间此处施加张力可缩短 缠绕过程中纤维处于大张力的路程，从而减轻纤维的密损。此外， 张力施加点与张力检测点距离比较近，有利于控制系统的稳定。 系统框图如图2 1 系统各个单元的控制过程如下： 1 传感器。纤维在传动与缠绕时的张力是用压力传感器来转换与传递 的，要将张力转换为压力，采用了如图2 2 的方案： 图2 - 2 传感器工作过程示意图 主电机驱动的芯 1 、2 、3 是滚轮，用于改变纤维的传递方向并将拉力转换为压力 f 1 = f 2 = f ：i f + f i 石品石：o 是f 1 ，f 2 的夹角 1 通过安装在2 号滚轮上的压力传感器，就可以间接测出纤维张力， 之后将其转换为电信号，送入到中央控制单元。 2 冲央控制单元。它接受来自传感器和人机会话设备两个方向的信号。 一方面，中央控制单元与软件紧密结合，采集和处理来自传感器的信 号；另一方面，中央控制单元还接受人机交互式的决策控制，提高应 用上的灵活性和紧急情况的处理能力。 3 执行机构。包括可控硅控制器和和交流电机。交流可控硅控制器接受 中央控制单元的控制信号，同时产生执行情况的应答信号，它直接调 整交流电机的输入电压，从而控制其输出力矩；交流力矩电机要逆向 7 武汉理工大学硕士学位论文 运转以产生张力，如图2 - 2 ，主电机驱动芯模转动时，纱线受牵引缠绕 在芯模上，而纤维又同时带动放线一端的交流力矩电机与其上的 纱托共同逆转，交流力矩电机本身的正向扭矩与外部逆转扭矩总保持 平衡状态，正向扭矩在交流变频控制器的控制下可调，进而形成不同 的张力。 4 人机交互单元。包括显示、打印等输入输出终端设备，用以监控、调 整本张力控制系统的运行并进行设备维护和紧急状况的处理。另外， 人机交互设备同时还担负着系统板上其他嵌入系统的协同运作。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第三章本控制系统的方案总框架 方案的正确选定是系统设计成败的关键。在第二章的技术难点分析 后，在大量调查的基础上，提出了一种基于i s a 的控制系统，经过综合 分析和试验上的综合验证，证明这个控制方案是可行的，而第二章还分 析指出，本系统最大的难点是张力的施加与调整，因此本章的以下各节 仅对张力施加调整部分作评述，而其它部分将在之后的章节中进行详细 的分析与讨论。 3 1 控制方案的系统化概述 如图图3 1 该方案用与纱团 轴直联的力矩电机施加初张 力，并使初张力在微机中得以 控制。而浸胶之后用力矩电机 施加调整张力，可使张力调整 比较自由。张力检测元件离丝 嘴较近，可以较准确地反映实 际情况。 厂 在该方案中，纱线过m 1 张力辊时，在其上绕一圈使图3 2张力旅加及电机电路分析图 用，增进摩擦力。图3 2 是该 系统的局部分析及电机电路示意图 其中： r ：辊子半径； r ：内阻； e ：电机反电动势； t i 。t o ：进出处纱线的张力： u ：辊角速度； m ：电机力矩； u ：电源加给电机的电压； 9 武汉理工大学硕士学位论文 。：电机感应电动势 i ：电机电流。 图3 1 静磨擦间接施力张力微机控制系统原理图 由于此处电机使用时处于反转状态，因而要充分预计到使用中可能 的问题。纤维与辊间在适当的t o 值及抽纱速度v 条件下不出现相对滑动 是本方案的工作是本方案的工作前提。 由电机特性及电路理论可知，图2 中的参数具有以下的关系： m = k 。i( k 。电机的力矩常数) f u k ： ( k z _ 一电机反电动势常数) ，一l d i d t( l 电机的自感系数) i = u + ( e 。+ 2 ) r 由上可得： m = k 。( u 一( ) k 2 一l d i d t ) r 力学平衡方程： m _ ( t o t i ) r + j d ( 一) d t ( 2 1 ) 因此，( t o t i ) r t = k ( u uk ：一l d i d t ) r j d ( 一( 1 ) ) d t ( 2 2 ) - 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 式( 2 一1 ) 中，稳态时，若抽纱速度恒定，可通过电压u 来调整电机力矩m 。 考虑到本系统电机转向与其所加力矩方向相反，即u o ，对电源电压u = o 进行考察，式 ( 2 一1 ) 化为：m = k 。k 2 ( 一) r 稳态力学平衡方程：m = ( t o t i ) r 将u = 一v # r 和( 2 2 ) 式代入方程( 2 1 ) ，整理，得： t o = k 。k 2 v 挣r 2 + t i 从上式可知，张力经过一辊的增设勾抽沙速度成正比，其比例系数 与辊半径r 2 成反比。依此关系式及所要求的t o 范围可确定适当的r 值。 此外，从式( 2 一1 ) 可以看出，即使外加电压为0 ，但由于u 的存在，回路中 仍然有电流这一点在以后的电路设计中已给予了考虑。此方案物理参数 较少，易于控制系统的优化，可提高控制系统的可靠性。 - 为了了解交流电机反向运转的耐受能力，选交流电机，进行试验。 试验简图图3 3 测试条件： 1 t i 为纱团退纱张力，t i 5 0 0 w 。机器使用地点将在很大程度上决定其实际使用情况，例 如，如果处于平均气温2 8 0 k 左右较冷的环境下，则应采用温控仪进 行温度控制，可以选用1 0 0 0 w 的电热丝装于水套内，配合温控仪工 作，使胶槽水温可在空温至1 0 0 范围进行设定值控制。其控制精度 为 t 2 tj ) 。 2 9 武汉理工大学硕士学位论文 图4 3 2 转速控制图4 3 3 调节特性 4 3 3 堵转特性 由于电机工作在反转状态下，有必要分析一下电机的堵转特性，堵转 特性是指伺服电动机堵转转矩与控制电压的关系曲线，即t d = f ( a c ) 曲线。 不同有效信号系数a c 时的堵转转矩就是图7 4 2 中各条机械特性曲线与 纵坐标的交点。堵转转矩与a e 的关系可根据式( 7 8 5 ) 方便地求出。 由式7 4 l 可以看出，对称状态时正向和反向圆磁场所产生的堵转 转矩相等，都以t d o 表示。因而根据式( 7 8 5 ) ，不对称状态时的堵转转 矩为： t d = 【( 1 + a 。) ，2 1 2 t d o 一【( 1 a 0 ，2 1 2 t d o = a 。t d o( 4 3 2 ) 由于t d o 恒定不变，所以堵转转矩 t d 正比于a c 即交流伺服电动机堵转 转矩与有效信号系数a c 近似地成正 比，堵转特性t d ；f ( a c ) ( 心近似地是 一条直线，如图4 3 4 所示。 另一个需要考虑的特性是堵转特 性非线性度岛，在额定励磁电压下， 实际堵转待性与线性堵转特性的最。 大转矩偏差( t d 。) 。与a c = l 时的 f i 斟一3 4 堵转特性 堵转转矩t 蕊之比值的百分数，定义为堵转特性非线性度，即 - 3 0 - 武汉理工大学硕士学位论文 k d = ( t d 。) m 。t d o + 1 0 0 如图4 3 5 所示。 以上这几种特性的非线性度越 小，特性曲线越接近直线，系统的动” 态误差就越小，工作就越准确，一般 要求k 。1 0 一2 0 ，k ，2 0 一 2 5 ，k d 土5 。 4 3 4 发热和温升 为了满足一些控制性能的要求， 交流电动机转子电阻做得相当大，而 t d 图4 3 5 堵转特性非线性度 且它经常运行在反转段和不对称状态下，这样就使这种电机比一般电机 损耗大，发热多，效率低。所以如何保证电机的温升不超过允许值也是 值得注意的问题。 电机的温升与散热条件有关。改善散热条件，在同样损耗的情况下 可以降低电机温升。改善散热的方法通常是： 缫电机最好装在面积足够大的金屑支架上，电机与支架应紧密接触， 更不要垫传热不良的物质；电机连同支架要通风良好；必要时可用风扇， 甚至用水冷却； 2 几台电机之间，以及电机与其它发热件如变压器、功率管等之间要 尽量隔开。在实际工作中，应当在整个系统连接好以后，通过实际 上试运行来检查电机是否过热，如温升