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微张力控制器设计

摘    要

Z箍缩(Z-pinch)靶是用于惯性约束聚变（ICF）实验的。Z-pinch所使用的环形丝阵负载要求某种规格的金属微丝沿圆柱面母线方向均匀排列。在丝阵负载装配的过程中，需要对将微丝张力控制在1～3g,张力过大，则会造成微丝的拉伸变形甚至是断裂，张力过小，则达不到实验要求。本课题所要设计的正是丝阵自动装配系统中的微张力控制器。
到目前为止，小张力的控制始终是控制界的难题。而各国对此也是极其保密，所以没有现成的控制方案可供选取。
本文首先通过研究国内外张力控制的发展历程和现状，明确张力控制的基本原理，研究比较常规张力控制的方案。然后提出一新的张力控制方案：将微小的张力放大为较大的力矩，通过测试弹性元件的角形变从而间接测出金属微丝张力，最后通过反馈实现微丝张力的控制。
在微张力器的具体设计中，传感器部分采用RESR(雷尼绍)的圆光栅和RGH20读数头，该数字传感器具有分辨率高、抗干扰能力强的优点；控制核心采用一能进行高速数据的微处理器；执行元件采用灵敏度高的压电陶瓷。
另外，文中涉及微张力控制器数学模型的计算，验证试验，优化设计，微张力控制器的进一步改进。

关键词：微张力控制、张力放大、反馈控制

ABSTRACT
Z-pinch is used for Inertial Confinement Fusion experiment. Annular wire-array in Z-pinch requires a certain kind of metal wire to arrange uniformly along it’s cylinder generatrix.During the assembly process of this wire-array,the tension of the metal wire must be controlled from 1g to 3g.Too large tesion will arose tensile deformation of the metal wire enven fracture,but too small tesion can not satisfy requirements of the experiment.We will design a microtension controller used in wire-array automated assembly system in this paper.
Up to now,small tesion control is always a hard problem in the control community.Countries all over the world also keep this as a secret,so there are no ready-made schemes provided for us to choose.
In this paper, at first we studied the development process and the present situation of tenion control at home and abroad,understood the basic principle of tenion control,studied and compared normal tension control shemes.Then we put forward a new control scheme:we firt enlarge the small tension to large torque,then we can detect the tesion of the metal wire through testing the angle deformation of a elastic element,at last wen control the tenion of the metal wire through feedback.
In the concrete design of this micotension controller,we chose RSER angular grating and RGH20 readhead as the part of sensor.The advantages of this digital sensor are high resolution and anti-jamming ability.The control core is a high speed data microprocessor.The actuator is a high sensitivity piezoelectric ceramics.
In addition,there are calculation of the mathematical model of the microtension controller, verification test, Optimum Design and the improvements of the microtension controller.

Keywords:microtension control,tension amplification,feedback control

目   录
摘    要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1 张力控制一般概念及意义 1
1.2 张力控制系统的国内外发展现状 1
1.3 课题来源和意义 2
1.4 本文主要研究的内容 3
2 张力控制系统一般理论 4
2.1 张力控制系统原理 4
2.1.1 开环控制原理 4
2.1.2 扰动补偿控制原理 4
2.1.3 直接张力闭环控制原理 5
2.1.4 复合控制原理 6
2.2 常用的张力控制方式 6
2.2.1 执行机构不同的张力控制方式 6
2.2.2 控制器不同的张力控制方式 7
2.2.3 调节手段不同的张力控制方式 10
2.2.4 传感检测形式不同的张力控制方式 10
3 系统设计 13
3.1 总体设计 13
3.2 重要零部件选用 15
3.2.1 光栅传感器 16
3.2.2 压电陶瓷 17
3.3 机构数学模型 17
4 优化设计与方案改进 22
4.1 转动惯量的优化 22
4.2 启动力矩优化 24
4.3 其余方案优化 25
5 实验 27
5.1 张力控制方案可行性实验 27
5.2 微张力控制器验证实验 28
6 总结与展望 30
6.1 总结 30
6.2 展望 30
参 考 文 献 32