面向纱线包覆设备的恒张力控制系统研究

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1、硕士学位论文面向纱线包覆设备的恒张力控制系统研究作者姓名林炯辉学科专业机械设计及理论指导教师李琳教授所在学院机械与汽车工程学院论文提交日期2016年4月ResearchonTensionControlSystemforYarnCladdingDeviceADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LinJionghuiSupervisor：Prof.LiLinSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TP273学校代号：10561学号：20132010

2、0801华南理工大学硕士学位论文面向纱线包覆设备的恒张力控制系统研究作者姓名：林炯辉指导教师姓名、职称：李琳教授申请学位级别：硕士学科专业名称：机械设计及理论研究方向：机器人系统及自动化装备的理论与应用论文提交日期：2016年4月20日论文答辩日期：2016年5月30日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：张铁委员：李琳翟敬梅邹焱飚谢龙汉华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加ｙｉ■标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的

3、成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。本人完全意识到本声明的，均己在文中明确方式标明法律后果由本人承担。作者签名；日期；知女丰＾月ｆ日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，良Ｐ：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密期内的保密论文外）；学校可公布学位论文的全、部或部分内容，可允许采用影印、缩印或其它复制手段保存ｒ编学位论文一。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。

4、本学位论文属于；□密，在年解密后适用本授权书。＾不保密，同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览；同意将本人学位论文提交中国学术期刊（光盘版）电子杂志社全文出版和编入ＣＮＫＩ《中国知识资源总库》。，传播学位论文的全部或部分内容＂＂（请在上相应方框内打Ｖ）？ｙｇ沁？扛作者签名日期：＇指导教师签名：曰期：？作者联系电话；电子邮箱联系地址（含邮编）；摘要随着我国经济的快速发展和人们生活水平的提高，人们对纺织产品的要求也越来越高。包覆纱由于具有更好的弹性、柔软性，已被广泛应用于高级织物的生产中。在包覆纱卷绕过程中

5、，张力不仅影响着纱筒的卷绕密度，还影响着纱筒成型的质量。因此，需要对纱线进行张力控制，减少纱线张力的波动，提高纱筒的质量。然而，张力控制系统的各参数之间存在着非线性、时变、强耦合、不确定的关系，传统的PID控制难于达到高速、高精度的要求。为此，论文整合了滑模控制、反演控制和扩张状态观测器的优势，设计了基于扩张状态观测器的反演终端滑模控制系统，并通过搭建张力控制系统硬件平台验证了所提出算法的可行性与优越性。本课题研究项目获国家科技重大专项项目（2015ZX04005006）和广东省科技计划项目（2012B011300056）资助。首先，为获得精确的张力模型，论文运用机理法

6、分别建立了张力、收放卷轴、伺服电机的力学模型。在此基础上，根据各模块物理量的耦合关系，推导出张力系统的整体模型。针对张力控制系统存在的非线性、时变、强耦合和不确定性等难题，论文结合滑模控制、反演控制与扩张状态观测器等多种算法设计了系统的张力控制器，并通过李雅普诺夫稳定性原理和Barbalat引理证明了所设计的张力控制系统的稳定性。由于所设计的张力控制器的参数较多，考虑到手工优化参数的困难，论文使用了自适应遗传算法对控制参数进行优化。仿真结果表明，智能算法能使控制器参数快速收敛于最优值，且经优化后的控制器性能优秀。然后，为了评估所设计的张力控制器的抗干扰性能，在矩形脉冲和

7、指数衰减两种干扰下进行系统仿真。仿真结果表明，即使是在两种不同类型的干扰下，张力和速度也表现出良好的跟踪性能。同时，扩张状态观测器的平均观测误差为分别为0.0319、0.0168。该结果表明扩张状态观测器能也有效地估计不同的外界干扰，从而使控制系统具有较强的鲁棒性。最后，论文设计和研制了一套基于德国倍福（BeckHoff）公司TwinCAT实时控制软件的张力控制平台，控制系统包括运行于TwinCAT软件实时核上的实时模块和基于MicrosoftVisualStudio2010开发的非实时模块。实时模块包括控制模块、伺服驱动模块、和张力测量