一種光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，以提高光纖纏繞過程中供纖軸的跟蹤角速度和光纖張力的控制精度；建立了基于纏繞半徑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膹埩刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型；首先按照五階段的S形加減速曲線規(guī)劃收纖軸的運(yùn)動(dòng)軌跡；然后根據(jù)建立的張力動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型，動(dòng)態(tài)規(guī)劃供纖軸的角速度軌跡，并根據(jù)張力傳感器反饋的張力偏差信號(hào)補(bǔ)償規(guī)劃的供纖軸角速度；最后采用軌跡細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)供纖軸加減速過程中的角速度軌跡的平滑過渡；本發(fā)明的張力控制精度高，超調(diào)量小，張力波動(dòng)范圍小，易于實(shí)現(xiàn)，適用于各種類型的光纖纏繞機(jī)及繞線設(shè)備，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】
一種光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，屬于光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖陀螺主要用于測量敏感載體的空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的性能發(fā)揮起著非 常關(guān)鍵的作用;光纖環(huán)是光纖陀螺的核心部件，光纖環(huán)的繞制方式、纏繞時(shí)的外部條件以及 纏繞時(shí)光纖上的張力是影響光纖陀螺性能的主要因素;在光纖環(huán)的纏繞過程中保持光纖上 張力的恒定，是光纖纏繞工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 由于光纖的四極性繞法工藝比較特殊，并且對(duì)于張力的控制精度和纏繞速度要求 很高，在光纖纏繞過程中，收纖軸和供纖軸會(huì)頻繁的啟動(dòng)、停止，如果電機(jī)的啟動(dòng)和停止控 制不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)和停止過沖的現(xiàn)象，這樣不僅影響張力的控制精度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì) 導(dǎo)致光纖脫落或者拉斷光纖。目前工業(yè)中普遍使用的張力PID控制方法已不能滿足光纖纏 繞啟停過程中收纖軸的高精度纏繞和供纖軸的快速跟隨等要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于角速度動(dòng)態(tài)規(guī)劃和軌跡細(xì) 分技術(shù)的光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，能夠在不改變現(xiàn)有光纖纏繞機(jī)工作環(huán)境的前提 下，提高被動(dòng)供纖軸跟隨主動(dòng)收纖軸的跟蹤速度，提高光纖上張力的控制精度。
[0005] 本發(fā)明包括如下技術(shù)方案：一種光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，基于角速度動(dòng)態(tài) 規(guī)劃和軌跡細(xì)分技術(shù)，包括如下步驟：
[0006] (1)建立光纖纏繞機(jī)基于纏繞半徑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膹埩刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型；
[0007] (2)建立五階段S形加減速曲線模型；
[0008] (3)按照所述五階段S形曲線加減速模型規(guī)劃收纖軸的角速度軌跡；
[0009] (4)在所述基于半徑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膹埩刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型和所述五階段SB 曲線加減速模型的基礎(chǔ)上規(guī)劃供纖軸的角速度軌跡；
[0010] (5)根據(jù)所述張力控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型和張力傳感器反饋的張力偏差信號(hào)對(duì) 供纖軸的規(guī)劃角速度進(jìn)行補(bǔ)償；
[0011] (6)采用軌跡細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)供纖軸角速度軌跡的平滑過渡。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)是：
[0013] (1)本發(fā)明建立的基于纏繞半徑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膹埩刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型，在建 立光纖纏繞張力控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)光纖纏繞時(shí)的纏繞半徑、層數(shù)的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài) 的建模和處理，有利于減小建模誤差，從而提高光纖上的張力控制精度；
[0014] (2)電機(jī)按照五階段S形加減速曲線啟動(dòng)和停止，沒有啟動(dòng)抖動(dòng)和停止過沖的現(xiàn) 象，不存在柔性沖擊，速度平滑性好；角加加速度、角加速度、角速度等參數(shù)的計(jì)算相對(duì)簡 單，計(jì)算效率高；
[0015] (3)按照S型曲線同時(shí)規(guī)劃收纖軸和供纖軸的角速度，電機(jī)在速度變化時(shí)(尤其是 加減速時(shí)）的同步性好，供纖軸的跟蹤速度快，超調(diào)量小，光纖上的張力控制精度高；
[0016] (4)在同步規(guī)劃收纖軸和供纖軸角速度軌跡的同時(shí)，根據(jù)張力傳感器反饋的偏差 信號(hào)對(duì)規(guī)劃的供纖軸角速度進(jìn)行補(bǔ)償，增加了供纖軸的跟蹤速度，提高了光纖上的張力控 制精度；
[0017] (5)采用軌跡細(xì)分技術(shù)，對(duì)供纖軸的角速度進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了供纖軸角速度的平滑 過渡；
[0018] (6)本發(fā)明的張力自適應(yīng)控制方法設(shè)計(jì)合理、易于實(shí)現(xiàn)，適用于各種類型的光纖纏 繞機(jī)和繞線設(shè)備。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法流程圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明光纖纏繞張力控制系統(tǒng)示意圖；
[0021 ]圖3是本發(fā)明五階段S形加減速曲線圖；
[0022]圖4是本發(fā)明軌跡細(xì)分技術(shù)示意圖。
[0023] 圖中：201 ·收纖軸，202 ·第一導(dǎo)纖輪，203 ·張力傳感器，204 ·張力輪，205 ·第二導(dǎo)纖 輪，206.供纖軸，207.旋轉(zhuǎn)軸線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，基于速度動(dòng)態(tài)規(guī)劃和軌跡細(xì)分技術(shù)，請(qǐng)參 見圖1所示，主要包括如下步驟：
[0026](一)建立光纖纏繞機(jī)基于纏繞半徑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膹埩刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型:請(qǐng) 參見圖2所示，本發(fā)明中的張力控制系統(tǒng)由收纖軸201、第一導(dǎo)纖輪202、張力傳感器203、張 力輪204、第二導(dǎo)纖輪2205、供纖軸206和旋轉(zhuǎn)軸線207組成;本發(fā)明中的張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 采用收纖軸201主動(dòng)收纖，供纖軸206被動(dòng)供纖的結(jié)構(gòu)，收纖軸201在收纖電機(jī)的作用下，繞 旋轉(zhuǎn)軸線207實(shí)現(xiàn)單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，第一導(dǎo)纖輪202實(shí)現(xiàn)光纖在收纖軸201和張力輪204之間的 導(dǎo)向，張力傳感器203實(shí)現(xiàn)光纖上張力信號(hào)的采集，張力輪204實(shí)現(xiàn)光纖張力對(duì)于張力傳感 器203的張力施加，第二導(dǎo)纖輪205實(shí)現(xiàn)光纖在張力輪204和供纖軸206之間的導(dǎo)向，供纖軸 206在供纖電機(jī)的作用下，繞旋轉(zhuǎn)軸線207實(shí)現(xiàn)單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0027]在建立本發(fā)明中的光纖纏繞機(jī)基于纏繞半徑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膹埩刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)自適 應(yīng)模型之前，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行如下合理假設(shè)：
[0028] (a)纏繞過程中光纖上的張力小于拉伸應(yīng)力極限；
[0029] (b)假設(shè)在光纖纏繞過程中光纖和第一導(dǎo)纖輪202、第二導(dǎo)纖輪205、張力輪204之 間沒有相對(duì)滑動(dòng)；
[0030] (C)假設(shè)在光纖纏繞過程中收纖軸201和供纖軸206之間光纖上的張力均勻分布；
[0031]基于本發(fā)明中的張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首先建立張力控制系統(tǒng)模型；張力是由收纖 軸201和供纖軸206的轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生的；本發(fā)明恒張力控制的實(shí)質(zhì)就是控制收纖軸201和供纖 軸206的線速度保持恒定，根據(jù)胡克定律，光纖應(yīng)力小于拉伸極限狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦?正比關(guān)系，即：
[0032] σ = Εε
[0033] 應(yīng)力σ可以表示為：
[0034] 〇= AF/S
[0035] 應(yīng)變?chǔ)趴梢员硎緸椋?br>[0036] ε = Δ L/L
[0037] 式中Ε表示光纖的彈性模量，S表示光纖的橫截面積，△ L表示光纖的拉伸長度，L表 示收纖軸201和供纖軸206之間的光纖總長度，AF為光纖拉伸時(shí)所受的張力變化量，則：
[0038] AF = ESe=ES( AL/L)
[0039] 根據(jù)胡克定理，光纖上的張力變化量大小可表示為：
[00411其中，R4PRP分別為收纖軸201和供纖軸206光纖的纏繞半徑(隨光纖纏繞層數(shù)的增 加緩慢變化），t為光纖纏繞時(shí)間，收纖軸201的角速度，ωρ*供纖軸206的角速度，vr為 收纖軸201的線速度，化為供纖軸206的線速度；
[0042]由于在收纖軸201和供纖軸206纏繞和釋放一層光纖的時(shí)間段內(nèi)，RJPRP為定值，假 設(shè)電機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期為T，那么在調(diào)節(jié)周期T時(shí)間內(nèi)，光纖上的張力變化量為：
[0044] 其中〇^為收纖軸201的角速度，ωρ*供纖軸206的角速度，RjPRP分別為收纖軸 201和供纖軸206光纖的纏繞半徑；
[0045] 然后在張力控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)光纖纏繞時(shí)的纏繞半徑、層數(shù)的變化進(jìn)行 動(dòng)態(tài)的分析和建模;設(shè)光纖的直徑為D，收纖軸201、供纖軸206初始時(shí)刻的纏繞半徑分別為 和，收纖軸201、供纖軸206t時(shí)刻的纏繞半徑分別為和，收纖軸201、供纖軸 206t時(shí)刻纏繞和釋放的層數(shù)分別為和，則：
[0048] 其中，和Λ]；%分別為收纖軸201和供纖軸206t_T時(shí)刻的纏繞半徑；
[0049] 設(shè)光纖骨架的寬度為Width，收纖軸201和供纖軸206t時(shí)刻纏繞的匝數(shù)為和 ,收纖軸201和供纖軸206t-T時(shí)刻的角速度分別為和,則：
[0052] 其中，〇>//廣η和Cm·/；；%分別為收纖軸201和供纖軸206t_T時(shí)刻纏繞的匝數(shù)，T為電 機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期；《廣η為收纖軸201t-T時(shí)刻的角速度，為供纖軸206t-T時(shí)刻的角速 度；
[0053]那么收纖軸纏繞的層數(shù)和供纖軸退繞的層數(shù)為：
[0056]從t時(shí)刻至Ijt+T時(shí)刻的T時(shí)間段內(nèi)，光纖上的張力變化量為：
[0058] 其中E表示光纖的彈性模量，S表示光纖的橫截面積，L表示收纖軸201和供纖軸206 之間的光纖總長度，Width為光纖骨架的寬度，i?廣η和分別為收纖軸201和供纖軸 206t-T時(shí)刻的纏繞半徑，D為光纖的直徑，和分別為收纖軸201和供纖軸 206t-T時(shí)刻纏繞的匝數(shù)，〇廠)和<-7)分別為收纖軸201和供纖軸206t-T時(shí)刻的角速度，af > 和?^^分別為收纖軸201和供纖軸206t時(shí)刻的角速度，T為電機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期；
[0059](二)建立五階段S形加減速曲線模型:請(qǐng)參見圖3所示，本發(fā)明中的五階段S形加減 速曲線包括:加加速段、減加速段、勻速段、加減速段、減減速段;其中h時(shí)間段內(nèi)為加加速 段，T2時(shí)間段內(nèi)為減加速段，T3時(shí)間段內(nèi)為勾速段，T4時(shí)間段內(nèi)為加減速段，T5時(shí)間段內(nèi)為減 減速段;電機(jī)在加減速的過程中角速度、角加速度連續(xù)變化，無突變，其角加加速度、角加速 度、角速度的計(jì)算公式分別為：

[0063] 其中，Jo為恒定的角加加速度，TAO-ti時(shí)間段長度，^為"~城寸間段長度，T3為 t2~t3時(shí)間段長度，Τ4為t3~t4時(shí)間段長度，Tdt4~t 5時(shí)間段長度，ω〇為初始角速度 = Τ4=Τδ〇
[0064] (三)按照本發(fā)明中的五階段S形曲線加減速模型規(guī)劃收纖軸201的角速度軌跡:假 設(shè)S形曲線的加減速時(shí)間為Tvar，按照五階段S形曲線公式計(jì)算收纖軸201t時(shí)刻的角加加速 度乃>、角加速度#和角速度:
[0068]其中TvaAS形曲線的加減速時(shí)間，T為電機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期，Jr_Pi an為收纖軸在加 減速過程中恒定的指令角加加速度，為收纖軸t-T時(shí)刻規(guī)劃的指令角速度，為收纖 軸t時(shí)刻規(guī)劃的指令角速度，為收纖軸t-T時(shí)刻規(guī)劃的指令角加速度，，為收纖軸t時(shí) 刻規(guī)劃的指令角加速度，為收纖軸t時(shí)刻規(guī)劃的指令角加加速度;每個(gè)調(diào)節(jié)周期T實(shí)時(shí)更 新和J, ('可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)收纖軸S曲線加減速的軌跡規(guī)劃；
[0069](四）在本發(fā)明中的基于半徑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膹埩刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型和所述五 階段S形曲線加減速模型的基礎(chǔ)上規(guī)劃供纖軸206的角速度軌跡:對(duì)光纖纏繞啟停過程中供 纖軸206的角速度軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型解算;根據(jù)上述張力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型，若要保證光 纖上張力恒定，則要求收纖軸201、供纖軸206線速度同步，則t時(shí)刻供纖軸206的規(guī)劃角速度 為：
[0071] 其中Width為光纖骨架的寬度，和 <廣7)分別為收纖軸201和供纖軸206t_T時(shí) 亥IJ的纏繞半徑，D為光纖的直徑，和CM丨>分別為收纖軸201和供纖軸206t-T時(shí)刻纏 繞的匝數(shù)，分別為收纖軸201和供纖軸206t-T時(shí)刻的角速度，#和<分別為 收纖軸201和供纖軸206t時(shí)刻的角速度，T為電機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期；
[0072](五)根據(jù)所述張力控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型和張力傳感器203反饋的張力偏差信 號(hào)對(duì)供纖軸的規(guī)劃角速度進(jìn)行補(bǔ)償:根據(jù)張力傳感器203反饋的張力值和張力控制系統(tǒng)動(dòng) 態(tài)自適應(yīng)模型，對(duì)供纖軸206的角速度進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償：
[0074] 其中，<_為丨時(shí)刻供纖軸206角速度的補(bǔ)償值，e(t)為t時(shí)刻的張力值與目標(biāo)值的 偏差，e& T)為t-T時(shí)刻的張力值與目標(biāo)值的偏差，E表示光纖的彈性模量，S表示光纖的橫截 面積，L表示收纖軸201和供纖軸206之間的光纖總長度，為供纖軸206t時(shí)刻的纏繞半徑， T為電機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期;為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，α為選擇因子，當(dāng)e(t)超過 某一范圍時(shí)，α = 0，取消積分的作用，當(dāng)e(t)在某一范圍內(nèi)時(shí)，a = 1，加入積分作用；
[0075] 則t時(shí)刻供纖軸206的指令角速度6^為：
[0077] 其中，，為t時(shí)刻供纖軸206規(guī)劃的角速度，6^_為七時(shí)刻供纖軸206規(guī)劃角速 度的補(bǔ)償值；
[0078] (六)采用軌跡細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)供纖軸角速度軌跡的平滑過渡:請(qǐng)參見圖4所示，為了 使供纖軸206t時(shí)刻到t+T時(shí)刻的角速度平滑的過渡，本發(fā)明提出了一種S形曲線細(xì)分技術(shù)， 即在每個(gè)調(diào)節(jié)周期T時(shí)間段內(nèi)，規(guī)劃供纖軸206的角速度從t時(shí)刻到t+T時(shí)刻按照S形曲線加 減速;計(jì)算t時(shí)刻到t+T時(shí)刻的恒定指令角加加速度，把t時(shí)刻到t+T時(shí)刻均分為N個(gè)時(shí) 間段，每個(gè)時(shí)間段的周期為Tsmaii，在t時(shí)刻到t+Tsmaii時(shí)刻的T時(shí)間段內(nèi)，供纖軸206的角加加 速度?、角加速度和角速度<_//的計(jì)算公式分別為：
[0082]其中Τ為電機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期，Τ_ιι為t時(shí)刻到t+T時(shí)刻的Τ調(diào)節(jié)周期內(nèi)，均分為Ν個(gè) 時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段的細(xì)分調(diào)節(jié)周期，為t時(shí)刻到t+Tsmall時(shí)刻的恒定指令角加加速 度，#_?、分別為t時(shí)刻到t+T small時(shí)刻的Tsmall時(shí)間段內(nèi)，供纖軸206的 指令角加加速度、角加速度和角速度，和分別為t_T small時(shí)刻到t時(shí)刻的Tsmall 時(shí)間段內(nèi)，供纖軸206的指令角加速度和角速度；每個(gè)細(xì)分調(diào)節(jié)周期Tsmaii實(shí)時(shí)更新 〇)p - smaU、a p - sinau 和實(shí)現(xiàn)t時(shí)刻到t+Tsmall時(shí)刻的Tsmall時(shí)間段內(nèi)供纖軸軌跡的S形曲 線細(xì)分技術(shù)。
[0083]本發(fā)明方法;首先按照五階段的S形加減速曲線規(guī)劃收纖軸206的運(yùn)動(dòng)軌跡;在建 立張力控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)規(guī)劃供纖軸206的速度軌跡，并根據(jù)張力傳 感器203反饋的張力誤差信號(hào)補(bǔ)償規(guī)劃的角速度;最后采用軌跡細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)供纖軸206加 減速過程中的角速度軌跡的平滑過渡;本發(fā)明的張力自適應(yīng)控制方法適用于各種類型的光 纖纏繞機(jī)及繞線設(shè)備，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
[0084] 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
[0085] 提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本 發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修 改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 建立光纖纏繞機(jī)基于纏繞半徑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膹埩刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型； (2) 建立電機(jī)五階段S形加減速曲線模型；五階段S形加減速曲線包括:加加速段、減加 速段、勻速段、加減速段、減減速段； (3) 按照所述五階段S形曲線加減速模型規(guī)劃收纖軸的角速度軌跡； (4) 在所述基于半徑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膹埩刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型和所述五階段S形曲線 加減速模型的基礎(chǔ)上規(guī)劃供纖軸的角速度軌跡； (5) 根據(jù)所述張力控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型和張力傳感器反饋的張力偏差信號(hào)對(duì)供纖 軸的規(guī)劃角速度軌跡進(jìn)行補(bǔ)償； (6) 采用軌跡細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)供纖軸的規(guī)劃角速度軌跡的平滑過渡。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，其特征在于:所述步驟（1)中 具體包括如下步驟： (a) 建立光纖纏繞張力控制系統(tǒng)模型，控制收纖軸和供纖軸的線速度保持恒定 張力是由收纖軸和供纖軸的轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生的，張力控制的實(shí)質(zhì)就是控制收纖軸和供纖軸 的線速度保持恒定，根據(jù)胡克定律，光纖應(yīng)力小于拉伸極限狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧汝P(guān) 系，即： σ = Εε 應(yīng)力σ表不為： 〇= AF/S 應(yīng)變?chǔ)疟硎緸椋?ε = Δ L/L 式中Ε表示光纖的彈性模量，S表示光纖的橫截面積，△ L表示光纖的拉伸長度，L表示收 纖軸和供纖軸之間的光纖總長度，A F為光纖拉伸時(shí)所受的張力變化量，則： AF = ESe=ES( AL/L) 根據(jù)胡克定理，光纖上的張力變化量大小表示為：其中，RdPRP分別為收纖軸和供纖軸光纖的纏繞半徑，t為光纖纏繞時(shí)間，〇^為收纖軸 的角速度，ωρ為供纖軸的角速度，Vr為收纖軸的線速度，Vp為供纖軸的線速度； 由于在收纖軸和供纖軸纏繞和釋放一層光纖的時(shí)間段內(nèi)，R4PRP為定值，假設(shè)電機(jī)的控 制調(diào)節(jié)周期為T，在調(diào)節(jié)周期T時(shí)間內(nèi)，光纖上的張力變化量為：ωτ為收纖軸的角速度，ωρ為供纖軸的角速度，RjPRp分別為收纖軸和供纖軸光纖的纏 繞半徑； (b) 對(duì)光纖纏繞時(shí)的纏繞半徑、層數(shù)的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分析和建模 設(shè)光纖的直徑為D，收纖軸供纖軸初始時(shí)刻的纏繞半徑分別為和i?f，收纖軸、供纖 軸t時(shí)刻的纏繞半徑分別為和收纖軸、供纖軸t時(shí)刻纏繞和釋放的層數(shù)分別為 ，則：其中，分別為收纖軸和供纖軸t-T時(shí)刻的纏繞半徑； 設(shè)光纖骨架的寬度為Width，收纖軸和供纖軸t時(shí)刻纏繞的匝數(shù)為Co#和"，收纖 軸和供纖軸t-T時(shí)刻的角速度分別為ω,(? ^和，則：其中，0^7廣^和&巧^分別為收纖軸和供纖軸t-T時(shí)刻纏繞的匝數(shù)，Τ為電機(jī)的控制調(diào) 節(jié)周期;為收纖軸t-T時(shí)刻的角速度，》為供纖軸t-τ時(shí)刻的角速度； 收纖軸纏繞的層數(shù)和供纖軸退繞的層數(shù)為：從t時(shí)刻到t+T時(shí)刻的T時(shí)間段內(nèi)，光纖上的張力變化量為：其中E表示光纖的彈性模量，S表示光纖的橫截面積，L表示收纖軸和供纖軸之間的光纖 總長度，Width為光纖骨架的寬度，和分別為收纖軸和供纖軸t-T時(shí)刻的纏繞半 徑，D為光纖的直徑，"分別為收纖軸和供纖軸t-T時(shí)刻纏繞的匝數(shù)，?fm和 分別為收纖軸和供纖軸t-τ時(shí)刻的角速度和^丨 1分別為收纖軸和供纖軸t時(shí)刻的 角速度，T為電機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，其特征在于:供纖軸軌跡細(xì)分 技術(shù)采用加減速曲線，加減速曲線為S形加減速曲線。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，其特征在于:所述建立五階段 S形加減速曲線模型具體如下： 所述的五階段S形加減速曲線包括:加加速段、減加速段、勻速段、加減速段、減減速段； 其中^時(shí)間段內(nèi)為加加速段，^時(shí)間段內(nèi)為減加速段，T3時(shí)間段內(nèi)為勻速段，T4時(shí)間段內(nèi)為 加減速段，^時(shí)間段內(nèi)為減減速段；電機(jī)在加減速的過程中角速度、角加速度連續(xù)變化，無 突變，其角加加速度、角加速度、角速度的計(jì)算公式分別為：其中，Jo為恒定的角加加速度，TAO-ti時(shí)間段長度，^為以~城寸間段長度，T3為t2~ t3時(shí)間段長度，T4為t3~t4時(shí)間段長度，Tdt4~t5時(shí)間段長度，ω〇為初始角速度JfTfTa =T5，從而得到五階段S形加減速曲線模型。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，其特征在于:按照所述五階段 S形曲線加減速模型規(guī)劃收纖軸的角速度軌跡的過程如下： 假設(shè)S形曲線的加減速時(shí)間為Tvar，按照五階段S形曲線公式計(jì)算收纖軸t時(shí)刻的角加加 速度、角加速度和角速度:其中Tvar*S形曲線的加減速時(shí)間，T為電機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期，Jr_Pi an為收纖軸在加減速 過程中恒定的指令角加加速度，^m為收纖軸t-T時(shí)刻規(guī)劃的指令角速度，?f1為收纖軸t 時(shí)刻規(guī)劃的指令角速度為收纖軸t-T時(shí)刻規(guī)劃的指令角加速度，#為收纖軸t時(shí)刻規(guī) 劃的指令角加速度，J,(/)為收纖軸t時(shí)刻規(guī)劃的指令角加加速度;每個(gè)調(diào)節(jié)周期T實(shí)時(shí)更新 和，'實(shí)現(xiàn)主動(dòng)收纖軸S曲線加減速的軌跡規(guī)劃。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，其特征在于:在所述基于半徑 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膹埩刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型和所述五階段S形曲線加減速模型的基礎(chǔ)上規(guī)劃 供纖軸的角速度軌跡的過程如下： 對(duì)光纖纏繞啟停過程中供纖軸的角速度軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型解算;若要保證光纖上張力 恒定，則要求收纖軸、供纖軸線速度同步，則t時(shí)刻供纖軸的規(guī)劃角速度為：其中Width為光纖骨架的寬度，分別為收纖軸和供纖軸t_T時(shí)刻的纏繞半 徑，D為光纖的直徑，Co/fi和分別為收纖軸和供纖軸t-τ時(shí)刻纏繞的匝數(shù)，《廣^和 分別為收纖軸和供纖軸t-T時(shí)刻的角速度和分別為收纖軸和供纖軸t時(shí)刻的 角速度，T為電機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，其特征在于:所述基于張力控 制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型和張力傳感器反饋的張力偏差信號(hào)對(duì)供纖軸的規(guī)劃角速度軌跡進(jìn) 行補(bǔ)償?shù)倪^程如下：其中，6^"_為1時(shí)刻供纖軸角速度的補(bǔ)償值，e(t)為t時(shí)刻的張力值與目標(biāo)值的偏差，e &τ)為t-T時(shí)刻的張力值與目標(biāo)值的偏差，E表示光纖的彈性模量，S表示光纖的橫截面積，L 表示收纖軸和供纖軸之間的光纖總長度，$/1為供纖軸t時(shí)刻的纏繞半徑，T為電機(jī)的控制調(diào) 節(jié)周期A為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，α為選擇因子，當(dāng)e (t)超過某一范圍時(shí)，α = 0， 取消積分的作用，當(dāng)e(t)在某一范圍內(nèi)時(shí)，a = 1，加入積分作用。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖纏繞張力自適應(yīng)控制方法，其特征在于:所述采用軌跡細(xì) 分技術(shù)實(shí)現(xiàn)供纖軸的規(guī)劃角速度軌跡的平滑過渡的過程如下： 每個(gè)調(diào)節(jié)控制周期Τ時(shí)間段內(nèi)，規(guī)劃供纖軸的角速度從t時(shí)刻到t+T時(shí)刻按照S形曲線加 減速;計(jì)算t時(shí)刻到t+T時(shí)刻的恒定指令角加加速度"，把t時(shí)刻到t+T時(shí)刻均分為N個(gè)時(shí) 間段，每個(gè)時(shí)間段的周期為Tsmaii，在t時(shí)刻到t+T_n時(shí)刻的T smaii時(shí)間段內(nèi)，供纖軸的角加加 速度?、角加速度<_//和角速度的計(jì)算公式分別為：其中T為電機(jī)的控制調(diào)節(jié)周期，Tsmaii為t時(shí)刻到t+T時(shí)刻的T調(diào)節(jié)周期內(nèi)，均分為N個(gè)時(shí)間 段，每個(gè)時(shí)間段的細(xì)分調(diào)節(jié)周期，乃％,"為七時(shí)刻到t+Tsmal^刻的恒定指令角加加速度， ?分別為t時(shí)刻到t+Tsmall時(shí)刻的Τ_11時(shí)間段內(nèi)，供纖軸的指令角加 加速度、角加速度和角速度，和分別為t-Tsmall時(shí)刻到t時(shí)刻的Tsmall時(shí)間段內(nèi)， 供纖軸的指令角加速度和角速度；每個(gè)細(xì)分調(diào)節(jié)周期Tsmall實(shí)時(shí)更新和 ，實(shí)現(xiàn)t時(shí)刻到t+Tsmaii時(shí)刻的Τ_11時(shí)間段內(nèi)供纖軸軌跡的S形曲線細(xì)分技術(shù)。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK105867135SQ201610283958
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】趙建輝, 郭仲林, 徐賀, 于濤, 任建欣, 王昊笛, 李帆
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)