模糊PID电阻丝恒速恒张力绕制控制

线绕电阻不仅具有优异的电阻温度系数和良好的热稳定性，而且电流噪声也很小，在电子装备中被广泛使用l1。在许多实际应用中，对绕线电阻的精度和体积都提出了很高的要求。因此，绕制出高精度的微型绕线电阻具有很重要的意义。而在满足-定功率的条件下，为了减小绕线电阻的体积，需要采用更细的电阻丝进行绕制。越细的电阻丝 ，对张力控制的要求就越高：张力过大，电阻丝会被拉断；张力太小，电阻丝的绕制则太松。绕线的张力由绕线速度和放线速度共同决定，因此 ，为了实现恒速恒张力绕制，关键是控制好绕线速度和放线速度∩是，在电阻绕制过程中线圈直径是时变的，导致了实现恒速放线，均匀排线的困难，常规控制效果不佳I2。而研究证明将模糊控制引入到传统的PID控制中去，能使控制系统对非线性、时变性系统有良好的控制效果：既具有模糊控制的鲁棒性强的特点 ，又继承了传统 PID控制结构简单、工作稳定等优点日。

系统根据精密电阻绕丝原理和自适应控制策略，设计了恒速恒张力绕丝控制试验系统，在所设计的平台上进行仿真实验，达到了很好的效果。

2闭环绕放线系统设计2.1控制系统原理为实现对张力的控制，传统电阻绕丝机采用外接张力计来控制张力，属于开环控制，不能有效地解决断丝的问题H。针对这- 情况，重新设计了张力控制系统，加人张力反婪节 ，实现闭环控制∝制系统中将绕线电机作为主动电机，以恒定的速度旋转；放线电机作为随动电机，转速决定于主动电机转速和瓷棒直径。

而为了保证张力在-定范围保持恒定，随动电机的转速则根据反馈的张力实时调整。所以，电阻丝张力的反劳随动电机控制策略是整个系统设计的关键和难点。

为实现恒张力绕线，系统应用杠杆原理，将张力信号转化成绝对编码器的角度位置信号并反馈到控制器 ，实现电阻丝张力的反镭制。构建试验系统，如图 1所示。拉线杆-端与编码器转轴联接，作为杠杆的支点。电阻丝的拉力作用于过线轮3，对杠杆施加动力矩；精密弹簧联接拉线杆的中点，对杠杆施加-个反作用力，对杠杆施加阻力矩。杠杆旋转的角度值撒于电阻丝的张力：绕线的张力越大，绝对旋转编码器顺时针旋转角度就越大。当绕线电机开始绕线 ，拉线杆受动力矩作用而旋转，旋转的角度将通来稿日期：2O12-05-15基金项目：国家重大科技专项资助项II(2010ZX04015-011)作者简介：徐礼平，(1986-)，男，四川乐山人，硕士研究生，硕士，主要研究方向：自动控制和信号检测；高宏力，(1971-)，男，河南洛阳人，教授 ，博士，主要研究方向：复杂机电系统智能控制及可靠性设计No.3Mar.201 3 机械 设 计 与制 造 l19反馈所得的和值进行模糊合成运算，采用 Centroid方法进行去模糊化，得到 、K 和 的修正值。用 MATLAB设计模糊控制规则，工程应用中将控制规则以表格化的方式输入控制器，以查表的方式查询调用I91。

表 1模糊规则表Tab.1 Fuzzy Rule TableKJKi/K， NB NM NS zo 曜4实验结果根据系统实际，采用 MATLAB/SIMULINK进行仿真。首先，应用模糊控制工具包 Fuzzy Logic Toolbox，根据模糊 PID控制器模糊规则表生成模糊控制器模型，在 SIMULINK中搭建仿真模型，在模型中调用模糊控制器模型1q。采样时间为 1ms，在同样条件下分析两种控制方式的阶跃响应，并人为加入随机干扰。常规PID阶跃响应，如图4所示。模糊 自适应 PID阶跃信号响应，如图5所示。分析可知，自适应 PID控制的过渡时间远小于常规 PID控制。实验表明：模糊自适应 PID控制器比常规 PID控制反应更快 、跟踪性更好、调节时问短、超调量孝鲁棒性较强的特点，能够恒速恒张力绕丝的要求。

i.乙 0 ， T -i ii； i i rrr ；.÷.i -- ；.。÷. 5 10 15 2O 25 3O图4常规PID阶跃信号响应Fig.4 Step Response in normal PID Control图 5模糊自适应 PID阶跃信号响应Fig.5 Step Response in Fuzzy PID Control5结论恒速恒张力控制是电阻绕丝机关键的控制技术 ，具有十分重要的研究价值。这里介绍了恒速恒张力控制系统的控制原理和控制算法。相比传统的张力计开环控制方式，系统设计了张力反历构，将张力值转换成绝对编码器的角度值并反馈到控制器，实现了张力的全闭环控制∝制算法方面，在传统PID控制的基础上加入了模糊控制，根据反馈值实时调整PID的比例、积分和微分参数，实现了模糊自适应的绕线控制。还叙述了试验仿真控制的系统构建，并列举了系统中所用到的的主要器件。在仿真试验系统中，采用同样的输入信号对系统进行试验对比，试验表明：将模糊自适应PID控制方法应用到电阻绕丝系统中，提高了系统的静态性能和动态性能，使系统的鲁棒性和自适应性的到提高。

这-闭环控制系统改善了恒速恒张力绕制的效果，为电阻绕丝机构提供了理论支持。