CN108516678B - 光纤拉丝塔中的***设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤拉丝塔中的***设计方法，涉及光纤拉丝塔***控制领域，该方法包括以下步骤：根据光纤拉丝塔中的***的工作条件，建立所述***中指定部件的微分方程，得到所述***的时域表达式。对所述微分方程进行拉氏变换，得到所述***的S域表达式。根据所述S域表达式确定所述***的传递函数。根据所述传递函数确定所述***的状态方程。结合所述状态方程，利用李雅普诺夫第二法判断***的稳定性。本发明中的光纤拉丝塔中的***设计方法控制精准、***稳定且能提高生产效率。

Description

光纤拉丝塔中的***设计方法
技术领域
本发明涉及光纤拉丝塔***控制领域，具体涉及一种光纤拉丝塔中的***设计方法。
背景技术
光纤拉丝塔是光纤制备过程式中的关键设备。光纤拉丝塔通常包括拉丝炉、光纤筛选机，光纤拉丝塔是塔状结构，上端有拉丝炉加热预制棒，预制棒被加热到极高的温度后逐渐软化滴落，经由主牵引器上的主牵引轮，通过末端的光纤收线机把滴落冷却的光纤收集到收线筒上。
拉丝炉是光纤拉丝塔的重要组成部分。它由拉丝炉电控柜，高温计(温度传感器)和传导大电流的铜电缆组成。光纤预制棒经过拉丝炉加热成熔融态，随着温度地不断升高，熔融态的预制棒会逐渐滴落。在收线***的拉力作用下冷却形成光纤。拉丝炉控制***的好坏直接影响到光纤的质量，是整个光纤拉丝塔的十分重要的一环。拉丝炉***的稳定性对做出合格光纤影响非常大。拉丝炉的温度如果不能控制地绝对稳定，做出来的光纤就会出现不稳定的参数，这种不合格光纤在使用上会存在潜在地问题。之前的拉丝炉采用功率控制，只能依赖于操作员的经验来判断温度，无法对温度进行精准控制。如果***不能保持稳定，拉丝炉的温度就会振荡发散，导致无法做出合格光纤。
光纤筛选机是光纤制备过程式中的关键设备。光纤筛选机把拉丝塔拉出来的光纤从大盘筛成小盘，在筛地过程中通过设置一个合适地张力值，把光纤不满足张力需求的部分筛断。确保进入成缆环节的光纤的张力都满足工艺要求。筛选机排线***是光纤筛选机中非常重要的一个环节,位于整个***的末端。筛选机排线***的目的是把从收线牵引轮传送过来的光纤有序地收在收线盘上。它由收线盘，旋转电机，平移电机及丝杠等机械连接件。平移电机通过一个旋转丝杠把转动变换成平动。旋转电机和平移电机要协同工作，使得收线盘每旋转一圈，平移电机带动收线盘正好移动一个光纤直径，这样光纤就能紧密地排列在收线盘上。当排线排到收线盘的端点后，程序使得平移电机的速度反向，继续开始下一个周期的排线。排线***如果不能正常工作，会导致后期成缆工艺出现断纤等故障。
光纤收线机排线***是光纤收线机中非常重要的一个环节,位于整个***的末端。光纤收线机排线***的目的是把从主牵引轮传送过来的光纤有序地收在收线筒上。它由收线筒，旋转电机，平移电机及丝杠等机械连接件。平移电机通过一个旋转丝杠把转动变换成平动。旋转电机和平移电机要协同工作，使得收线筒每旋转一圈，平移电机带动收线筒正好移动一个光纤直径，这样光纤就能紧密地排列在收线筒上。当排线排到收线筒的端点后，程序使得平移电机的速度反向，继续开始下一个周期的排线。光纤收线机排线***如果不能正常工作，会导致后期筛选工艺出现断纤等故障。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种控制精准、***稳定且能提高生产效率的光纤拉丝塔中的***设计方法。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种光纤拉丝塔中的***设计方法，该方法包括以下步骤：
根据光纤拉丝塔中的***的工作条件，建立所述***中指定部件的微分方程，得到所述***的时域表达式；
对所述微分方程进行拉氏变换，得到所述***的S域表达式；
根据所述S域表达式确定所述***的传递函数；
根据所述传递函数确定所述***的状态方程；以及
结合所述状态方程，利用李雅普诺夫第二法判断所述***的稳定性。
在上述技术方案的基础上，所述传递函数包括闭环传递函数和开环传递函数。
在上述技术方案的基础上，所述状态方程为能控规范型。
在上述技术方案的基础上，所述***为拉丝炉控制***，所述拉丝炉控制***中指定部件包括拉丝炉电控柜和温度传感器，
所述拉丝炉控制***的时域表达式为，
P1(t)＝kpe(t)+ki∫e(t)dt+kd[de(t)/dt]；
T1(t)≈k1P1(t)；
e(t)＝T0(t)–T1(t)；
式中，P1(t)为拉丝炉电控柜输出功率，T1(t)为检测温度，T0(t)为设定温度，e(t)为偏差信号，k1为功率温度比例系数，kd为微分系数，kp为比例系数，ki为积分系数，且k1、kd、kp和ki均大于0；
所述拉丝炉控制***的S域表达式为，
P1(s)＝(kp+ki/s+kds)E(s)＝G(s)E(s)；
T1(s)≈k1P1(s)＝H(s)P1(s)；
E(s)＝T0(s)–T1(s)；
式中，s为经拉氏变换后的微分算子，G(s)为前向通道的传递函数，G(s)＝kp+ki/s+kds，H(s)为反馈通道的传递函数，H(s)＝k1；
确定所述拉丝炉控制***的闭环传递函数为，
Φ(s)＝P1(s)/T0(s)＝(kds2+kps+ki)/(k1kds2+(1+k1kp)s+k1ki)；
确定所述拉丝炉控制***的开环传递函数为，
G(s)H(s)＝k1(kp+ki/s+kds)；
确定所述拉丝炉控制***的状态方程为，
Figure GDA0002695093220000041
Figure GDA0002695093220000042
根据李雅普诺夫第二法：ATP+PA＝-I，可以求得判据矩阵P，其中
Figure GDA0002695093220000043
Figure GDA0002695093220000044
通过判定P是否为正定矩阵，来判断所述拉丝炉控制***的稳定性。
在上述技术方案的基础上，所述***为排线***，所述排线***中指定部件包括收线装置、旋转电机和平移电机，
所述排线***的时域表达式为，
V2(t)＝kpe(t)+ki∫e(t)dt+kd[de(t)/dt]；
V3(t)＝k2V2(t)；
e(t)＝V1(t)–V3(t)；
式中，V1(t)为旋转电机的速度，V2(t)为平移电机的速度，V3(t)为V2(t)经过几何关系换算后的速度，e(t)为偏差信号，k2为换算系数，kd为微分系数，kp为比例系数，ki为积分系数，且k2、kd、kp和ki均大于0；
所述排线***的S域表达式为，
V2(s)＝(kp+ki/s+kds)E(s)＝G(s)E(s)；
V3(s)＝k2V2(s)＝H(s)V2(s)；
E(s)＝V1(s)–V3(s)；
式中，s为经拉氏变换后的微分算子，G(s)为前向通道的传递函数，G(s)＝kp+ki/s+kds，H(s)为反馈通道的传递函数，H(s)＝k2；
确定所述排线***的闭环传递函数为，
Φ(s)＝V2(s)/V1(s)＝(kds2+kps+ki)/(k2kds2+(1+k2kp)s+k2ki)；
确定所述排线***的开环传递函数为，
G(s)H(s)＝k2(kp+ki/s+kds)；
确定所述排线***的状态方程为，
Figure GDA0002695093220000051
Figure GDA0002695093220000052
根据李雅普诺夫第二法：ATP+PA＝-I，可以求得判据矩阵P，其中
Figure GDA0002695093220000053
Figure GDA0002695093220000061
通过判定P是否为正定矩阵，来判断所述排线***的稳定性。
在上述技术方案的基础上，所述排线***为光纤筛选机排线***，所述收线装置为收线盘。
在上述技术方案的基础上，所述排线***为光纤收线机排线***，所述收线装置为收线筒。
在上述技术方案的基础上，所述光纤拉丝塔中的***通过PLC控制器控制。
在上述技术方案的基础上，所述平移电机包括丝杠。
在上述技术方案的基础上，所述k2＝b/d，b为丝杠螺间距，d为光纤直径。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的光纤拉丝塔中的***设计方法，通过列写时域和频域表达式，再通过李雅普诺夫第二法的理论推导，把开环控制变成闭环控制，确保了拉丝炉控制***的稳定性。而之前的拉丝炉采用功率控制，只能依赖于操作员的经验来判断温度，无法对温度进行精准控制。如果***不能保持稳定，拉丝炉的温度就会振荡发散，导致无法做出合格光纤。本发明的光纤拉丝塔中的***设计方法通过理论推导，把开环控制变成闭环控制，能够极大地提高控制效果，提高生产效率。对提高生产效率，做出合格光纤起到了至关重要的作用。
附图说明
图1为本发明实施例1中拉丝炉控制***的结构示意图；
图2为本发明实施例1中拉丝炉控制***的控制框图；
图3为本发明实施例3中光纤筛选机排线***的结构示意图；
图4为本发明实施例3中光纤筛选机排线***的控制框图；
图5为本发明实施例4中光纤筛选机排线***的结构示意图；
图6为本发明实施例4中光纤筛选机排线***的控制框图。
图中：1-光纤预制棒，2-拉丝炉，3-拉丝炉电控柜，4-收线盘，5-收线筒，6-丝杠，7-光纤，8-主牵引轮。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种光纤拉丝塔中的***设计方法，该方法包括以下步骤：
S1.根据光纤拉丝塔中的***的工作条件，建立***中指定部件的微分方程，得到***的时域表达式；
在得到时域表达式后便可进行时域分析，时域分析是指控制***在一定的输入下，根据输出量的时域表达式，分析***的稳定性、瞬态和稳态性能。由于时域分析是直接在时间域中对***进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。***输出量的时域表示可由微分方程得到，也可由传递函数得到。
S2.对微分方程进行拉氏变换，得到***的S域表达式；
拉氏变换是为简化计算而建立的实变量函数和复变量函数间的一种函数变换。拉氏变换对于求解线性微分方程尤为有效，它可把微分方程化为容易求解的代数方程来处理，从而使计算简化。
S3.根据S域表达式确定***的传递函数；
具体的，传递函数包括闭环传递函数和开环传递函数。把具有线性特性的对象的输入与输出间的关系，用一个函数(输出波形的拉普拉斯变换与输入波形的拉普拉斯变换之比)来表示的，称为传递函数。
***的传递函数与描述其运动规律的微分方程是对应的。可根据组成***各单元的传递函数和它们之间的联结关系导出整体***的传递函数，并用它分析***的动态特性、稳定性，或根据给定要求综合控制***，设计合适的控制器。
S4.根据传递函数确定***的状态方程；
具体的，状态方程为能控规范型。能控规范型也即能控标准型，能控标准型是指：***的状态变量可由外输入作用来控制的一种性能。如果在一个有限的时间间隔内，可以用幅值没有限制的输入作用，使偏离***平衡状态的某个初始状态回复到平衡状态。
S5.结合状态方程，利用李雅普诺夫第二法判断***的稳定性。
李雅普诺夫第二法又称直接法，它是从能量观点进行稳定性分析的，它的基本思想是建立在这样一个物理事实基础之上，即：由经典力学理论可知，对于一个振动***，如果***的总能量随时间增长而连续减少，直到平衡状态为止，那么振动***是稳定的。在实际设计环节中，通过李雅普诺夫第二法进行判断后，保留那些稳定的***。
此外，光纤拉丝塔中的***是用PLC控制器控制的。由于PLC是数字控制器，而上面介绍的方法是模拟设计。故可以采用数字控制器的模拟化设计方法，通过选取一个合适的采样周期，进而可以在PLC的梯形图中编程实现。
下面结合具体的实施例做进一步说明。
实施例1
参见图1所示，***为拉丝炉控制***，拉丝炉控制***中指定部件包括拉丝炉电控柜3和温度传感器。
拉丝炉控制***的时域表达式为，
P1(t)＝kpe(t)+ki∫e(t)dt+kd[de(t)/dt]；
T1(t)≈k1P1(t)；
e(t)＝T0(t)–T1(t)；
式中，P1(t)为拉丝炉电控柜3输出功率，T1(t)为检测温度，T0(t)为设定温度，e(t)为偏差信号，k1为功率温度比例系数，kd为微分系数，kp为比例系数，ki为积分系数，且k1、kd、kp和ki均大于0；
拉丝炉控制***的S域表达式为，
P1(s)＝(kp+ki/s+kds)E(s)＝G(s)E(s)；
T1(s)≈k1P1(s)＝H(s)P1(s)；
E(s)＝T0(s)–T1(s)；
式中，s为经拉氏变换后的微分算子，G(s)为前向通道的传递函数，G(s)＝kp+ki/s+kds，H(s)为反馈通道的传递函数，H(s)＝k1；
参见图2所示，从而可以得到拉丝炉控制***的控制框图。
确定所述拉丝炉控制***的闭环传递函数为，
Φ(s)＝P1(s)/T0(s)＝(kds2+kps+ki)/(k1kds2+(1+k1kp)s+k1ki)；
确定所述拉丝炉控制***的开环传递函数为，
G(s)H(s)＝k1(kp+ki/s+kds)；
确定所述拉丝炉控制***的状态方程为，
Figure GDA0002695093220000091
Figure GDA0002695093220000092
根据李雅普诺夫第二法：ATP+PA＝-I，可以求得判据矩阵P，其中
Figure GDA0002695093220000101
Figure GDA0002695093220000102
通过判定P是否为正定矩阵，来判断所述拉丝炉控制***的稳定性。
本实施例中，通过列写时域和频域表达式，再通过李雅普诺夫第二法的理论推导，把开环控制变成闭环控制，确保了拉丝炉控制***的稳定性。对提高生产效率，做出合格光纤起到了至关重要的作用。
实施例2
***为排线***，排线***中指定部件包括收线装置、旋转电机和平移电机，
排线***的时域表达式为，
V2(t)＝kpe(t)+ki∫e(t)dt+kd[de(t)/dt]；
V3(t)＝k2V2(t)；
e(t)＝V1(t)–V3(t)；
式中，V1(t)为旋转电机的速度，V2(t)为平移电机的速度，V3(t)为V2(t)经过几何关系换算后的速度，e(t)为偏差信号，k2为换算系数，kd为微分系数，kp为比例系数，ki为积分系数，且k2、kd、kp和ki均大于0；
排线***的S域表达式为，
V2(s)＝(kp+ki/s+kds)E(s)＝G(s)E(s)；
V3(s)＝k2V2(s)＝H(s)V2(s)；
E(s)＝V1(s)–V3(s)；
式中，s为经拉氏变换后的微分算子，G(s)为前向通道的传递函数，G(s)＝kp+ki/s+kds，H(s)为反馈通道的传递函数，H(s)＝k2；
确定所述排线***的闭环传递函数为，
Φ(s)＝V2(s)/V1(s)＝(kds2+kps+ki)/(k2kds2+(1+k2kp)s+k2ki)；
确定所述排线***的开环传递函数为，
G(s)H(s)＝k2(kp+ki/s+kds)；
确定所述排线***的状态方程为，
Figure GDA0002695093220000111
Figure GDA0002695093220000112
根据李雅普诺夫第二法：ATP+PA＝-I，可以求得判据矩阵P，
其中
Figure GDA0002695093220000113
Figure GDA0002695093220000114
通过判定P是否为正定矩阵，来判断所述排线***的稳定性。
本实施例中，通过列写时域和频域方程式，通过李雅普诺夫第二法的理论推导，把开环控制变成闭环控制，确保了排线***的稳定性。对提高生产效率，做出合格光纤起到了至关重要的作用。
实施例3
作为一个较好的可选方式，本实施例与实施例2的差别在于：排线***为光纤筛选机排线***，收线装置为收线盘4。光纤筛选机排线***具体参见图3所示，利用实施例2中的方法，参见图4所示，可以得到光纤筛选机排线***的控制框图。传统的光纤筛选机排线***采用数学计算的方式来计算旋转电机和平移电机的转速关系，属于开环控制，经过一定时间的误差积累，就会出现排线问题(排线过于致密或稀疏)。本实施例中，通过列写时域和频域方程式，通过李雅普诺夫第二法的理论推导，把开环控制变成闭环控制，确保了光纤筛选机排线***的稳定性。
实施例4
作为一个较好的可选方式，本实施例与实施例2的差别在于：排线***为光纤收线机排线***，收线装置为收线筒5。光纤收线机排线***具体参见图5所示。利用实施例2中的方法，参见图6所示，可以得到光纤收线机排线***的控制框图。传统的光纤收线机排线***采用数学计算的方式来计算旋转电机和平移电机的转速关系，属于开环控制，经过一定时间的误差积累，就会出现排线问题(排线过于致密或稀疏)。本实施例中，通过列写时域和频域方程式，通过李雅普诺夫第二法的理论推导，把开环控制变成闭环控制，确保了光纤筛选机排线***的稳定性。
实施例5
作为一个较好的可选方式，本实施例与实施例2的差别在于：平移电机包括丝杠6。
实施例6
作为一个较好的可选方式，本实施例与实施例2的差别在于：k2＝b/d，b为丝杠螺间距，d为光纤直径。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种光纤拉丝塔中的***设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
根据光纤拉丝塔中的***的工作条件，建立所述***中指定部件的微分方程，得到所述***的时域表达式；
对所述微分方程进行拉氏变换，得到所述***的S域表达式；
根据所述S域表达式确定所述***的传递函数；
根据所述传递函数确定所述***的状态方程，以及
结合所述状态方程，利用李雅普诺夫第二法判断所述***的稳定性；
所述传递函数包括闭环传递函数和开环传递函数；
所述***为拉丝炉控制***，所述拉丝炉控制***中指定部件包括拉丝炉电控柜和温度传感器，
所述拉丝炉控制***的时域表达式为，
P1(t)＝kpe(t)+ki∫e(t)dt+kd[de(t)/dt]；
T1(t)≈k1P1(t)；
e(t)＝T0(t)–T1(t)；
式中，P1(t)为拉丝炉电控柜输出功率，T1(t)为检测温度，T0(t)为设定温度，e(t)为偏差信号，k1为功率温度比例系数，kd为微分系数，kp为比例系数，ki为积分系数，且k1、kd、kp和ki均大于0；
所述拉丝炉控制***的S域表达式为，
P1(s)＝(kp+ki/s+kds)E(s)＝G(s)E(s)；
T1(s)≈k1P1(s)＝H(s)P1(s)；
E(s)＝T0(s)–T1(s)；
式中，s为经拉氏变换后的微分算子，G(s)为前向通道的传递函数，G(s)＝kp+ki/s+kds，H(s)为反馈通道的传递函数，H(s)＝k1；
确定所述拉丝炉控制***的闭环传递函数为，
Φ(s)＝P1(s)/T0(s)＝(kds2+kps+ki)/(k1kds2+(1+k1kp)s+k1ki)；
确定所述拉丝炉控制***的开环传递函数为，
G(s)H(s)＝k1(kp+ki/s+kds)；
确定所述拉丝炉控制***的状态方程为，
Figure FDA0002851248280000021
Figure FDA0002851248280000022
根据李雅普诺夫第二法：ATP+PA＝-I，可以求得判据矩阵P，其中
Figure FDA0002851248280000023
Figure FDA0002851248280000024
通过判定P是否为正定矩阵，来判断所述拉丝炉控制***的稳定性；
或者，所述***为排线***，所述排线***中指定部件包括旋转电机和平移电机，
所述排线***的时域表达式为，
V2(t)＝kpe(t)+ki∫e(t)dt+kd[de(t)/dt]；
V3(t)＝k2V2(t)；
e(t)＝V1(t)–V3(t)；
式中，V1(t)为旋转电机的速度，V2(t)为平移电机的速度，V3(t)为V2(t)经过几何关系换算后的速度，e(t)为偏差信号，k2为换算系数，kd为微分系数，kp为比例系数，ki为积分系数，且k2、kd、kp和ki均大于0；
所述排线***的S域表达式为，
V2(s)＝(kp+ki/s+kds)E(s)＝G(s)E(s)；
V3(s)＝k2V2(s)＝H(s)V2(s)；
E(s)＝V1(s)–V3(s)；
式中，s为经拉氏变换后的微分算子，G(s)为前向通道的传递函数，G(s)＝kp+ki/s+kds，H(s)为反馈通道的传递函数，H(s)＝k2；
确定所述排线***的闭环传递函数为，
Φ(s)＝V2(s)/V1(s)＝(kds2+kps+ki)/(k2kds2+(1+k2kp)s+k2ki)；
确定所述排线***的开环传递函数为，
G(s)H(s)＝k2(kp+ki/s+kds)；
确定所述排线***的状态方程为，
Figure FDA0002851248280000031
Figure FDA0002851248280000032
根据李雅普诺夫第二法：ATP+PA＝-I，可以求得判据矩阵P，其中
Figure FDA0002851248280000033
Figure FDA0002851248280000041
通过判定P是否为正定矩阵，来判断所述排线***的稳定性。
2.如权利要求1所述的光纤拉丝塔中的***设计方法，其特征在于：所述状态方程为能控规范型。
3.如权利要求1所述的光纤拉丝塔中的***设计方法，其特征在于：所述排线***为光纤筛选机排线***，收线装置为收线盘。
4.如权利要求1所述的光纤拉丝塔中的***设计方法，其特征在于：所述排线***为光纤收线机排线***，收线装置为收线筒。
5.如权利要求1所述的光纤拉丝塔中的***设计方法，其特征在于：所述光纤拉丝塔中的***通过PLC控制器控制。
6.如权利要求1所述的光纤拉丝塔中的***设计方法，其特征在于：所述平移电机包括丝杠。
7.如权利要求6所述的光纤拉丝塔中的***设计方法，其特征在于：所述k2＝b/d，b为丝杠螺间距，d为光纤直径。
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