能源金屬化膜電容卷繞機的電控設計-碩士論.docx

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學校編碼：10384 分類號 密級 學號：X200215001 UDC 工 程 碩 士 學 位 論 文 新能源金屬化膜電容卷繞機的電控設計 Electric control design of new energy metal film capacitor winding machine xxxx 指導教師姓名： 專 業(yè) 名 稱： 論文提交日期 論文答辯時間： 學位授予日期： 答辯委員會主席： 評閱人： 2016年月 摘 要 4 ABSTRACT 5 第一章 緒論 9 1.1 問題的提出 9 1.2卷繞機電控系統的現狀 11 1.3課題的背景和意義 12 1.4論文的結構 13 第二章 張力控制數學模型 15 2.1傳統PID控制模式下的放卷系統受力分析和數學模型 16 2.1.1金屬化膜線速度對張力的影響 17 2.1.2 金屬化膜材料半徑R實時變化對張力的影響 18 2.1.3 金屬化膜材料張力擾動的分析 18 2.1.4 薄膜張力控制系統的建模和仿真 19 2.2積分分離PID控制模式下的放卷系統受力分析和數學模型 20 2.2.1積分分離張力控制系統 21 2.2.2張力控制系統數學模型 21 2.2.3積分分離算法 22 2.3薄膜收卷中的張力分析和數學模型 23 2.3.1芯子內部的張力和應變分析 24 2.3.2恒卷繞張力控制 25 2.3.3錐度卷繞張力控制 25 2.3.4芯子內張力恒定情形 26 2.3.4芯子內張力恒定情形 26 2.4本章小結 27 第三章 卷繞速度控制 29 3.1速度控制公式推導 29 3.2 速度曲線分析 30 3.3程序算法的設計 32 3.4本章總結 34 第四章 控制執(zhí)行器件選型 35 4.1、新能源金屬化膜電容卷繞機電控系統設計 35 4.2、主要執(zhí)行器件介紹及選型 35 4.2.1、交流伺服電動機 35 4.2.2、可編程控制器 38 4.2.4、傳感器 44 4.3、本章總結 46 第五章 PID算法和最優(yōu)張力的實現 46 5.1、PID控制的基礎知識 46 5.2、可編程控制器實現PID控制指令簡介 49 5.3、利用PID指令實現積分分離算法的程序設計和硬件設計 52 5.4、利用控制器實現最優(yōu)張力控制的程序設計和硬件設計 53 5.5、本章總結 54 第六章 卷繞機的硬件設計 55 6.1適用環(huán)境設計 55 6.2. 設備的一般要求 57 6.3電控配件選型 57 6.4電控線路設計 58 6.5人機界面設計 60 第七章 總結 63 摘 要 新能源金屬化膜電容卷繞機是一種高精度、全自動化的機電一體化設備，該設備是生產新能源金屬化膜電容的核心設備。目前全球使用的此種設備，精度較高的主要是歐洲和日本的設備。由于國外技術的封鎖，國內的企業(yè)很難買到高精度、高可靠性的卷繞機，此種設備主要依賴臺灣進口和國內生產。研制這種設備可以突破國外對中國的技術封鎖，提高中國企業(yè)在世界新能源領域中的市場地位。作為生產新能源金屬化膜電容的核心設備，高精度的電控是其關鍵技術難點，卷繞電控性能的好壞直接決定了產品質量性能的好壞。因此本文對該設備的電控進行了研究分析，主要包括以下內容. 1、建立該機張力控制系統的數學模型，討論傳統PID張力控制方法和積分分離PID算法控制方法的優(yōu)劣，分析卷繞過程中張力值如何達到最優(yōu)以及其控制方法。 2、分析卷繞機卷繞產品的工藝特點，根據張力控制系統的要求，設計卷繞機的速度控制曲線，并設計相關程序，實現速度曲線控制。 3、介紹實現張力控制系統和速度控制需要的各種執(zhí)行器件。 4、通過講解PID知識和PLC的PID指令，使用PLC實現PID算法和實現最優(yōu)張力控制的相關知識。 5、對新能源金屬化膜電容卷繞機控制系統的硬件進行設計，包括線路安全設計和人機界面等設計。 本文的研究工作主要從工作實踐和理論學習中獲得，對新能源金屬化膜電容卷繞機的開發(fā)設計有一定的參考價值。 關鍵詞： 卷繞機；張力控制；速度控制  ABSTRACT The new energy of metallized film capacitor winding machine is a kind of high precision, full automation of electromechanical integration equipment, this equipment is the core equipment for the production of new energy metallized film capacitor. The current global use of such equipment, high precision is mainly European and Japanese equipment. Because of foreign technology blockade, domestic enterprises is very difficult get high accuracy, high reliability of the winding machine, this equipment mainly depends on imports and domestic production of Taiwan. Development of this equipment can break through technology to Chinese foreign blockade, improve its market position Chinese enterprises in the new world in the field of energy. As the core equipment for the production of new energy metallized film capacitor, electronic control high precision is Its key technical difficulties, winding electronic control performance directly determines the quality of the product quality and performance of the product. Therefore, the electronic control of the equipment is studied and analyzed, including the following. 1, the mathematical model of the machine tension control system is established, the advantages and disadvantages of the traditional PID tension control method and the integral separation PID algorithm control method are discussed, and how to reach the optimum and the control method of the tension value in the winding process is analyzed. 2, analyze the process characteristics of winding products, according to the requirements of the tension control system, design the speed control curve of the winding machine, and design the relevant procedures to achieve speed curve control. 3, the introduction of the tension control system and speed control of the various executive components. 4, by explaining the PID knowledge and PID PLC instructions, using PID to achieve the PLC algorithm and the realization of optimal tension control of the relevant knowledge 5, the design of the hardware of the control system of the new energy film capacitor winding machine is designed, including the design of the line safety design and man-machine interface. The research work in this paper is mainly obtained from the work practice and theoretical study, which has a certain reference value for the development and design of the new energy and metal film capacitor winding machine. Key words: winding machine; tension control; speed control 廈門大學學位論文著作權使用聲明 本人同意廈門大學根據《中華人民共和國學位條例暫行實施辦法》等規(guī)定保留和使用此學位論文，并向主管部門或其指定機構送交學位論文（包括紙質版和電子版），允許學位論文進入廈門大學圖書館及其數據庫被查閱、借閱。本人同意廈門大學將學位論文加入全國博士、碩士學位論文共建單位數據庫進行檢索，將學位論文的標題和摘要匯編出版，采用影印、縮印或者其它方式合理復制學位論文。 本學位論文屬于： （ ）1.經廈門大學保密委員會審查核定的保密學位論文，于　　 年　 月 　日解密，解密后適用上述授權。 （ ）2.不保密，適用上述授權。 聲明人（簽名）： 年 月 日 廈門大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人呈交的學位論文是本人在導師指導下,獨立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考其他個人或集體已經發(fā)表的研究成果，均在文中以適當方式明確標明，并符合法律規(guī)范和《廈門大學研究生學術活動規(guī)范（試行）》。 另外，該學位論文為（ ）課題（組）的研究成果，獲得（ ）課題（組）經費或實驗室的資助，在（ ）實驗室完成。（請在以上括號內填寫課題或課題組負責人或實驗室名稱，未有此項聲明內容的，可以不作特別聲明。） 聲明人（簽名）： 年 月 日 第一章 緒論 1.1 問題的提出 隨著科學技術的進步，人們對現代產品的需求越來越高，同時帶動著制造工藝與設備的快速發(fā)展。，各行各業(yè)的生產設備都在不斷的改造升級中。近年來隨著計算機技術發(fā)展，使得設備的自動化和智能化水平得到快速的提升，機械設備已經從簡單的機械傳動和電氣控制發(fā)展成集全自動、高精度，智能生產于一體的先進組合體。高尖端的設備制造是衡量一個國家實力和國際地位的重要標志，我們國家的設備制造技術由于發(fā)展較晚，基礎的數控機床和材料制造工藝發(fā)展較為落后，同時還收到西方先進國家的技術封鎖，整個設備制造技術還處于初級水平，無法和其他先進國家競爭。 電控技術是設備制造技術的重要組成部分，各行各業(yè)的設備根據現代產品制造工藝的需求，設計出合理的機械結構，由電控技術結合自動化理論知識，通過傳感器輸出的信號由計算器接受，對其讀取并執(zhí)行，然后控制各種電氣執(zhí)行裝置。自動化理論知識是歷代工程師和科學家在不斷的勞動實踐中升華出來的寶貴經驗知識，在現在的設備制造業(yè)中，對自動化理論知識的運用已經越來越多、越來越高深，很多高尖端的設備其核心競爭力就表現在其控制理論運用。計算機技術是電控技術實現的載體，隨著計算機技術的發(fā)展，各種專用于工業(yè)控制領域的計算機控制器件不斷的發(fā)展壯大，以PLC和工控機為主體配合各種軟件，現代生產設備已經發(fā)展成一個全自動、高智能的生產工具。科技的進步和工業(yè)的發(fā)展自然帶動了各種檢測器件和執(zhí)行器件的升級換代，現代的各種傳感器和執(zhí)行機構已經多得無以計數。優(yōu)質的傳感器件和執(zhí)行單元可以讓設備更好的實現設計師的設計方案。 隨著工業(yè)的發(fā)展，金屬化膜電容器行業(yè)已經從彩電、節(jié)能燈等傳統行業(yè)中開始萎縮，且制造設備和制造工藝較為成熟。但是隨著新能源領域技術的快速崛起，綠色能源與二次能源作為汽車的燃料，高穩(wěn)定性的金屬化膜電容有著巨大的需求。這無疑又給金屬化膜電容帶來了新的機遇，同時由于新技術的高要求，同樣給金屬化膜電容器的生產帶來了新的挑戰(zhàn)。新能源金屬化膜電容卷繞機作為生產金屬化膜電容器的核心設備，急需從機械開發(fā)到電控設計對原有卷繞機進行更新換代。新能源金屬化膜電容卷繞機的卷繞控制系統，對于電動機同步協調控制系統是使用最廣泛的，它被人們用為紡織、造紙印刷等多個機械加工產業(yè)。卷繞系統的結構簡圖如圖1-1所示。 圖中，M1位放卷膜M2位收卷膜，各自對應的半徑為R1和R2，收卷膜和放卷膜的運行需要由電機來提供動力，它們以一定的速度差保持著金屬化膜張力的一致。在卷繞的整個過程當中，金屬化膜張力一致性的保證是卷繞機的核心技術要求，它直接關系到生產出來的芯子質量的好壞。然而這個過程會遇到以下難點：隨著R1的不斷減小和R2的不斷加大，兩個電機的轉速要不斷的調整；同時在這個過程中兩個電機都在高速旋轉，它們的轉動慣量也會隨著材料重量的變化而變化，這又給電機轉速的調整帶來困難；卷繞用的膜，一般只有幾微米，張力輕微的變化就會引起薄膜拉斷或是褶皺，導致芯子不合格；卷繞機生產每個芯子一般幾秒鐘到幾分鐘不等，每個生產周期放卷和收卷都有一個加速，勻速減速的過程，這個過程都要保證張力大小不變。作為工業(yè)生產設備，新能源金屬化膜卷繞機的生產效率也是一個很重要的技術指標，由于市場對新能源金屬化膜的容量要求特別大，導致每生產一個芯子需要卷繞很長時間，如何加快卷繞速度而又不影響張力控制也是一個需要克服的難點。 1.2卷繞機電控系統的現狀 1.張力控制的現狀。目前較為常見的張力控制方法一般都采用直流電機＋PID控制板的方式控制張力，或者是交流伺服電機+PID控制板的方式控制。張力大小的調節(jié)主要靠扭簧扭力或者氣缸的壓力來控制，系統通過一個電位器安裝在擺臂上，擺臂離中心位置的大小反映了張力的大小，這個角度被電位器檢知，傳給PID控制板， PID控制板通過運算來控制電機正反轉的轉速，從而保證擺臂停留在中心位置，中心位置扭簧的扭力便是我們希望看到的恒定張力。其控制框圖如圖1-2所示。。 圖1-2 擺臂張力控制方式 由于放卷材料重量的變化，導致電機的轉動慣量發(fā)生變化，以及在不同張力要求時，PID控制參數應該隨著這些變化而有所改變，如圖1-3所示的PID的控制原理圖，分析控制圖可以看出PID參數基本固定不變，這樣導致卷繞機在做產品是，同一卷材料卷到不同的半徑時，其控制的精度的一致性將不能保證，做不同規(guī)格的產品時，由于對張力的要求不一樣，這樣導致同一臺機器不能很好的滿足所有規(guī)定的產品，機器的實用性不強，控制精度一般，無法做到精密控制。 2、卷繞速度控制存在的問題。薄膜電容卷繞機主要將兩條金屬化薄膜卷繞成圓柱型的芯子。生產流程：1）、在金屬化膜首端用大電流將膜的金屬層燒掉，用內封加熱頭將其熱封,此時卷針低速運轉。2）、燒掉工藝要求圈數的金屬層后，卷針開始加速，以一個較高的速度運轉。3）、芯子即將卷到設定的圈數時開始減速，達到圈數后低速運轉，同時用大電流燒掉設定圈數的金屬層。4）、將外封加熱頭靠近芯子熱封完后，芯子生產完成，開始下一周期的生產。傳統的薄膜電容卷繞機卷繞時，以固定的圈數加速到最高轉速，然后以此轉速運轉到一定圈數后，又以固定的圈數減速到一定的轉速。當芯子的直徑不同時，金屬化膜的膜速不同；當卷針直徑、材料厚度變化時，金屬化膜的加速度也跟著變化。膜的高低速及加減速不能有效控制使得不同產品的卷繞一致性不好管控，且生產效率也得不到控制，更重要的是膜速的變化是放卷張力系統最大的擾動因素，沒有控制好膜速很難控制好張力，控制不好張力就生產不出優(yōu)質的產品。 1.3課題的背景和意義 電子器件的三大原件是電阻、電容和電感，電容器是電子線路中必不可少的基礎電力電子元器件，具有阻直流、通交流的特性，廣泛應用在電源電路、信號電路中，發(fā)揮旁路、去耦、濾波、儲能、耦合、振蕩/同步、時間常數等作用。電容器全球市場規(guī)模約180 億美元，是三大被動元件中用途最廣泛、用量最大的一個。 電容器的應用分為消費電子被動元件、新能源核心器件（包括工業(yè)類應用）、儲能三重境界： 消費電子被動元件——消費電子仍是電容器的最主要下游應用，電容器在弱電領域起到旁路、濾波等功能，市場規(guī)模大約100 億美元，占消費電子終端產值的1%（手機、PC、平板、電視等消費電子終端市場規(guī)模1.2 萬億美元），目前市場增長和格局都已經比較平穩(wěn)； 新能源核心器件（包括工業(yè)類應用）——電容器在工業(yè)類的應用包括工業(yè)電源、照明、通信、變頻家電等，其中新能源應用是目前增長最快的細分領域，電容器是逆變電路中的核心器件之一，可以吸收高脈沖電流、承受瞬時過電壓、并對輸出電壓平滑濾波等功能，在光伏逆變器、風電變流器、新能源車、伺服器、變頻器等廣泛應用，單價高，在光伏逆變器成本中占比達到8%左右。新能源應用的興起使高壓薄膜電容、鋁電解電容在大功率場合的應用迅速提升，未來還將有望保持快速增長； 儲能——電容器的儲能市場剛剛啟動，超級電容超大容量的特性使之可以直接作為儲能模塊，屬于物理儲能，具有充放電速度快、放電功率大、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，目前EDLC 超級店已經開始應用在超級電容公交車、有軌電車上，未來混合超級電容能量密度進一步提升將有效提升超級電容的整體性能，并有望迅速擴大應用場合。 整體來說，電容器的應用正沿著消費電子被動元件——新能源核心器件（包括工業(yè)類）——儲能（超級電容）的路徑前進，目前新能源應用及其他工業(yè)類應用處于黃金發(fā)展期，而下一個超級市場——儲能應用市場也正在開啟。 新能源金屬化膜電容卷繞機是一種高精度、全自動化的機電一體化設備，該設備是生產新能源金屬化膜電容的核心設備。目前全球使用的此種設備，精度較高的主要是歐洲和日本的設備。國內企業(yè)主要是無錫先導生產的LDW 380 自動卷繞機和常州晟威公司生產的180系列的卷繞機。由于國外技術的封鎖，國內的企業(yè)很難買到高精度、高可靠性的卷繞機，此種設備主要依賴臺灣進口和國內生產。研制這種設備可以突破國外對中國的技術封鎖，提高中國企業(yè)在世界新能源領域中的市場地位。 1.4論文的結構 本文主要研究的是新能源金屬化膜電容卷繞機的電控技術，主要包括卷繞機的張力控制系統和卷繞機構的速度控制系統。該卷繞機的張力控制系統以交流伺服電機為驅動，以高精度電位器作為反饋檢測裝置，以PLC主控。速度控制系統同樣以交流伺服電機為驅動，以高反應速度的接近開關加4缺口碼盤為計數和速度反饋單元，PLC主控。在此基礎上對控制系統進行數學建模。從理論上深層理解新能源電容卷繞機的張力控制內涵，掌握張力控制的規(guī)律，摸索最優(yōu)的產品質量和最快生產效率。 論文的結構安排如下： 第一章：緒論 主要介紹電容器行業(yè)的現狀，新能源金屬化膜電容卷繞機的研發(fā)背景和意義，最后介紹一下論文的機構和章節(jié)中心內容。 第二章：建立該機張力控制系統的數學模型，討論傳統PID張力控制方法和積分分離PID算法控制方法的優(yōu)劣，分析卷繞過程中張力值如何達到最優(yōu)以及其控制方法。 第三章：分析卷繞機卷繞產品的工藝特點，根據張力控制系統的要求，設計卷繞機的速度控制曲線，并設相關形程序，實現速度曲線控制。 第四章：介紹實現張力控制系統和速度控制需要的各種執(zhí)行器件。 第五章：通過講解PID知識和PLC的PID指令，使用PLC實現PID算法和實現最優(yōu)張力控制的相關知識。 第六章：對新能源金屬化膜電容卷繞機控制系統的硬件進行設計，包括線路安全設計和人機界面等設計。 第七章：縱覽全文，對論文中的研究方法和取得進行進展進行匯總。  第二章 張力控制數學模型 新能源電容卷繞機作為生產新能源電容的核心設備，其主要結構包括張力控制系統、卷繞系統、電清潔系統、內外封系統和人機界面系統。它的主要功能就是將兩張金屬化膜卷繞成一個素子，我們要求卷繞出來的所有素子具有高度的一致性，這就要求卷繞機的張力控制恒定。卷繞機的卷繞系統也是生產金屬化膜電容器的關鍵系統，它不但影響產品的質量，同時也是高效率生產的關鍵。電清潔系統利用大電流將金屬化膜上面的金屬層燃燒掉，它主要保證兩張金屬化膜的兩端不會短路。內外封系統利用電熱棒加熱，控制兩張金屬化膜熱封成形。人機界面是人和機器交互的媒介，操作者可以通過人機界面把各種參數設置進機臺，并通過人機界面操作控制機器，機器通過人機界面將所有信息顯示給操作者。 如圖2-1所示，新能源電容卷繞機每個素子的生產過程都是通過兩個伺服電機牽引兩張金屬化膜，電機輸出的是金屬化膜上面的一個恒定張力，它由電位器采樣，通過張力控制系統控制。如圖假設擺臂處于豎直位置，氣缸對擺臂的壓力為F，力臂為L，薄膜導輪上的壓力位f，力臂為l，則金屬化膜上的靜態(tài)張力為： 2fl = FL (1) f = FL/2l (2) 卷繞素子的卷繞系統也是一個伺服電機通過帶動卷針，對金屬化膜進行卷繞，它主要通過控制電機的轉速來實現金屬化膜的膜速控制。在整個生產周期，金屬化膜的膜速經歷了低速、勻加速、高速、勻減速等過程，穩(wěn)定的膜速控制是生產高質量金屬化膜素子的重要保證。 2.1傳統PID控制模式下的放卷系統受力分析和數學模型 如圖2-2是放卷張力控制系統簡化以后的模型，角度傳感器（電位器）固定在擺臂上，當擺臂在豎直方向時，電位器輸出0V電壓，當擺臂左右擺動時，電位器輸出對應的-2.5V-﹢2.5V的電壓。電位器的電壓信號被控制器采集，經過運算輸出0-10V的電壓控制伺服電機，伺服電機處于扭力控制模式，不同的電壓輸出不同大小的扭力。為金屬化膜的線速度（m/s）,r為卷芯的半徑(m),R為材料的半徑（m）, w為放卷盤的轉速。 放卷盤速度不變轉動時，按照相關公式有： FR – T =βω (3) 因此，可以推導出靜止狀態(tài)下的公式： F = (T+βω)/R (4) F是金屬化膜上的張力，R為薄膜材料的實時半徑，T是伺服電機輸出的轉矩，β是材料轉盤的摩擦阻力系數，ω為材料轉盤的角速度。由公式（4）可知，只需要保持T+βω和半徑R的比值恒定，就可以保證薄膜張力的恒定。 新能源電容卷繞機在生產的過程中經常要進行加減速，當材料轉盤在薄膜加減速或者受到干擾時，得到的動態(tài)平衡方程為： FR – T = βω + J (5) J為放卷材料盤加材料的轉動慣量。 由公式（3）、（4）、（5）可以得到： F = (T+βω+J dω/dt)/ (6) 由公式（6）可以看出，放卷材料盤加材料的轉動慣量J、材料的角速度ω、加速度、以及材料的實時半徑R都對張力有影響，如此多的變量加大了張力控制系統的控制難度，給系統的設計帶來了巨大的難度。 2.1.1金屬化膜線速度對張力的影響 材料膜放卷一圈需要一定時間，且材料薄膜非常薄，故可以將材料的實時半徑R在一定的時間內看作定值，我們采用控制變量法來研究薄膜速度變化的影響因素，首先假設轉動變量J為固定值 用dt來代表時間的增加量，dl表示薄膜增加長度，dr代表材料半徑的增加量，H代表薄膜材料的厚度，薄膜材料的線速度為n,則薄膜材料端面積增量為： ds = dl X h = 2πRdR = nHdt 則： dR/dt = vH/2πR (7) 根據角速度公式ω= v/R,則有： dω/dt = dω/dR dR/dt =-v/R^2 vH/2πR =-(v^2 H)/(2πR^3)(8) 把公式（8）代入公式（5）可以得到： FR – T = -J + βn R (9) 公式（9）中J = πHρ,其中ρ為占積率。代入公式（9）中可以得到： FR – T = - πHρ + βn R = - R+ βn R (10) F = - + βn (11) 從公式（11）可以看出，當控制其他因素不變時，薄膜的線速度與張力之間成正比，薄膜線速度的變化同時帶動薄膜張力產生同樣的變化。 2.1.2 金屬化膜材料半徑R實時變化對張力的影響 新能源電容卷繞機在生產的過程中，材料盤的實時半徑隨著生產的進行不斷減小，直至用完后再換上新的材料。材料半徑R的變化會導致薄膜上的張力也發(fā)生變化，隨著材料的消耗轉動慣量J也會逐漸變小。 如圖2-2，J0代表電動機與轉盤的轉動慣量，J(t)表示薄膜材料的轉動慣量 J(t) = J0 + (R4(t) – r4) (12) 其中：b是薄膜材料的寬度，是薄膜材料的密度。將公式（12）代入公式（9）中可以得到： F = – (J0 + (R4(t) – r4))+ βn (13) 在上式中b、和H為不變值，因此可得： F = – (J0 + K1(R4(t) – r4))+ βn (14) 上試中K1=πbρ/2, K = H/2π 由公式（14）可以看出，薄膜的所收到的張力F受到卷繞過程中薄膜材料半徑R(t)和薄膜線速度n影響的同時，還與材料掛盤的轉動慣量J0，以及材料的初始卷繞半徑、金屬化膜材料的密度有關。 2.1.3 金屬化膜材料張力擾動的分析 在生產過程中，金屬化膜材料半徑的實時變化和薄膜線速度所收到的干擾是影響張力控制的最主要因素，因此我們在設計新能源金屬化膜卷繞機的張力控制系統的時候，應該重點考慮金屬化膜材料半徑的魯棒性以及克服線速度沖擊帶來的干擾。 將公式（14）進行變形，便可以得到薄膜張力的擾動方程式： F= BLσ/g dν/dt + T/R + M_f/R (15) (15) Mf和R分別是伺服放卷系統的機械阻力矩和金屬化膜材料材料的實時半徑： Mf =σ(πBσ/ρH (R^2-r^2)+P)(16) (16) R=Rm(1- PH/(πR_m^2_0^t?v(t) dt)1/2(17) (17) (15)公式中B為金屬化膜材料的寬度，L為材料開始起卷點到張力擺臂的間距，σ為金屬化膜材料的面密度，材料盤軸和電動機的阻力矩用P表示，金屬膜材料的最大半徑為Rm ，滾動摩擦系數用δ表示，重力加速度為g 2.1.4 薄膜張力控制系統的建模和仿真 利用數學建模等相關方法對放卷張力進行受力分析，按照公式8到公式17和圖2-3，利用Sinulink仿真平臺建立放卷PID的控制仿真數學模型，如圖2-3，包括張力采用電位器，張力控制器，以及伺服電機以及放卷材料盤等。 圖2-3 放卷張力控制系統PID模型結構圖 建立了放卷張力的PID數學控制模型以后，對其進行仿真模擬處理，得到了對應的仿真曲線圖，如下圖2-4位PID控制系統對方卷張力節(jié)約相應曲線 圖2-4 放卷張力PID控制系統的階躍響應曲線 從上圖可以看出，此控制系統具有比較大的超調量和比較長的過渡過程時間，這個結果驗證了放卷張力PID控制模型的正確性，為我們實際控制系統的設計和研究提供了一些理論上的依據，但是我們要研發(fā)的是快速的張力控制系統，且控制精度要求很高，此模型的超調量和過渡過程時間太長，無法達到我們實驗的目的，因此本系統需要在控制算法上需要不斷完善，才能保障系統運行時對速度以及運行的需求。 2.2積分分離PID控制模式下的放卷系統受力分析和數學模型 由2.1可知，傳統的張力PID控制措施，根據不同的PID參數以及相關數值通過PID相關算法，可以得到對應的控制曲線，但是電容素子在剛開始卷繞到素子成型首尾速度變化的范圍比較大，以及放卷材料從剛開始生產到快用完半徑變化較大，使得薄膜材料的張力控制精度不高，在某種情況下，在段時間之內就會與設定值出現較大差值，使用傳統的PID控制系統來來控制張力時，PID控制器的數值會不會積累，最終控制器的數值會累積到一定值，導致過渡段時間過長，不利于系統的快速反應和高精度控制。通過基于PLC的積分分離PID調節(jié)器對張力控制進行控制，當張力測量的值與我們設定的張力值有較大偏差的時候，可以避免數據的累積，或者減少數據累積的作用，這樣可以免于由積分作用使得系統的超調和過渡時間過大過長。當測量的張力值靠近系統定值時，采用積分控制系統，可以避免過大的靜差，從而保障控制系統數據的準確性。 電 機 伺服控制器 電位器 PLC控制器 2.2.1積分分離張力控制系統 如圖2-5所示，卷繞機在工作的時候，先通過比例閥設定氣缸壓力的大小間接設定了薄膜的張力值，PLC控制器輸出模擬電壓控制伺服電機的扭力輸出。在正常運轉下，擺桿處于平衡狀態(tài)下需要繞卷材料的張力與氣缸對擺臂共同作用。當收卷處入加減速或者遇到外界干擾時，氣缸輸出的力不變而擺臂受到薄膜的拉扯，使得擺臂會左右晃動。擺動角度被電位器檢測到后通過電壓值傳輸到PLC，PLC通過運算。當擺動角度大于一定的值，PLC進行PD運算，當擺臂角度小于一定值時，PLC進行PID運算時，系統能否在短時間之內達到穩(wěn)定狀態(tài)可以利用不同的計算方法，以此提高了張力系統的穩(wěn)定性和控制精度。 2.2.2張力控制系統數學模型 交流伺服電機可以看出一個慣性環(huán)節(jié)，它的傳遞函數可以寫成： G1(s) = 其中： K0 = T0 = ∑Ra表示交流伺服電機電樞回路的總電阻；La為電機電樞回路的電感；KE是電機反電勢常數；KT為電機轉矩常數；Kb為電機黏滯阻尼轉矩系數；J為電機的轉動慣量。 伺服電機的控制器是一個功率放大器，屬于比例環(huán)節(jié)，因此可以用一個比例環(huán)節(jié)代替，其傳遞函數可以寫成： G2(s) = KF 角度測量的電位器將擺臂的角度大小轉化成張力的大小，可以將其近似為一個比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數為： G3(s) = Ks 已知PID環(huán)節(jié)的傳遞函數為 G3(s) = Kp(1 + 1/Tis + Td s) 其中：Kp為比例常數；Ti為積分常數，Td為微分常數。在建立了伺服電機、伺服放大器、電位器以及PID的傳遞函數后，就可以得出整個張力控制系統的閉環(huán)傳遞函數，在不考慮各種隨機的干擾以及薄膜加減速造成的高次干擾后，可以得出以下的傳遞函數： = 式子中Ua(s)為張力設定量，U(s)為張力輸出量。 2.2.3積分分離算法 PID算法的使用在大多數控制器上都可以實現，從目前市場上來看，運用PID控制與控制器的產品數量非常多，并且廣泛應用在工程設計領域，各大公司自發(fā)研制的PID有著獨特的智能調節(jié)器(intelligent regulator)，使得目前市場上出現了多樣化的PID控制產品，其中PID算法的原理如下 u(k)=KP[(e(k)-e(k-1))+] (18) Dn = (-2Vn-1 + Vn + Vn-2) + . 上式中T為控制器的采用周期，ad為PID運算的微分增益，Vn為本次采樣的實際測量值（濾波后），Vn-1和Vn-2分別為前一個周期的測量值和前二個周期的測量值，Dn為本次微分項，Dn-1為上一個周期的微分項。 積分分離的控制算法可以表示為如下公式： u(k)=KP(e(k) +βki (19) 公式（19）中，T為采樣時間；β為積分項的開和關的系數，當條件（2）滿足是β=0，當條件（3）滿足是β=1。將公式（18）和公式（19）進行比較，可以引入積分項的開關系數，以此來控制積分項的用于不用，當β為0時，PLC基于PD控制運算，當β為1時，PLC基于PID進行運算。 積分分離算法張力控制系統的仿真 由上面的分析建立的張力控制系統如圖2-6所示，用2.2.3推導出來的數學模型及算法，采用Matlab中內嵌的Simulink軟件包進行仿真，如圖2-7所示。 圖2-7 Simulink仿真流程圖 基于PLC實現的積分分離的控制算法，與上述傳統的PID算法相比，它控制的根據是基于偏差的大小，在對比了多種算法之后，發(fā)現只有在偏差最小的時候運用積分計算，在偏差最大的時候應用PD運算，才能讓控制器的控制精度更加準確。而且比起其他高性能控制器和復雜的算法，其構造簡單、功能強大、影響因素少。通過對比圖2-8可以看出，此種方法具有較大優(yōu)勢。 2.3薄膜收卷中的張力分析和數學模型 2.2給出了張力控制的數學模型和控制方法，并沒討論收卷過程中張力如何變化，以及變化后對產品質量的影響。對張力控制的方式常見的有放卷和收卷兩類，我們新能源金屬化膜卷繞機雖然控制的是放卷機構，但本質上還是采用的收卷的張力控制，因為我們要求卷繞出來的產品張力一致性要好，且符合相關需要，同放卷之間存在較大差別，收卷中薄膜材料的真實張力大小數值，它不一定等于薄膜在卷繞過程中施加的張力，而是隨著薄膜材料不斷耗盡而不短減少。我們用恒張力去卷繞薄膜，最后導致材料受力不均勻，會出現下面兩個問題 （1）卷繞出來的芯子在內芯處往往會出現褶皺或擠成錐形的突出，這往往是因為在材料靠近內芯處出現負張力的原因。 （2）卷繞出來的芯子放置一段時間以后，會出現芯子厚薄不均勻的情況，這會嚴重影響芯子的容量，其原因是因為芯子內部的應變不均勻。 為了解決以上的第一個問題，現在傳統的做法是在張力控制中引入錐度控制，但是這種辦法也不能很好的解決第一個問題，因為這樣卷繞出來的芯子中的張力仍舊是不均勻的，尤其是當卷繞大體積的芯子時，卷繞膜靠內和靠外的差別非常大，靠內的材料還是會出現褶皺。 通過理論推導，我們可以得出芯子內側和外側張力和應力的分布公式，然后根據公式推導恒張力卷繞、錐度張力控制下的卷繞材料不會引起褶皺的條件，以滿足芯子內側不會產出褶皺為條件，推導出張力分布的公式以及收卷處張力隨芯子半徑變化的關系來。 2.3.1芯子內部的張力和應變分析 設芯子的內圈半徑為R0，外圈半徑為Rm，芯子卷繞過程中施加在金屬化膜材料上的張力（假設單位寬度）為Tw（r）, R0≤r≤Rm，T(r,R)是金屬化膜材料卷繞到R時，r≤R處的張力值，因此T(r,Rm)是芯子卷繞完成時，芯子內部最終的張力分布，因此T(r,R)= σθδ，ν為金屬化膜材料的泊桑比；εr為薄膜材料的半徑應變力，它決定了金屬化膜材料的厚度變化。 我們可以推導出TW(r)和T(r,Rm)之間的關系。因為金屬化膜材料有一定的寬度，所以可以按照軸對稱的平面應變問題對它進行處理。卷繞機在卷繞的過程當中，張力的大小不會超過其彈性極限，所以在計算的時候可以使用疊加原理。電容卷繞機在卷繞芯子前，其內部一般使用一個芯棒，其強度相當大，所以可以認為內部不變形。由以上分析可以求得： T(r,Rm)= σθδ= TW(r)- (20) εr(r,Rm)= (21) 可以引入無量綱變量X=r/R0，并且假設m=Rm/ R0,則式子（20）和（21）可以寫成： T(x,m)= TW(x)- 1≤x≤m (22) εr(x,m)= 1≤x≤m (23) 分析上面的兩個公式可以解決以下的兩個問題： （1）知道卷繞張力TW(x),求金屬化膜卷繞過程中張力T(x,m)和應變力εr(x,m)的分布情況?？梢詮氖阶樱?2）判斷芯子卷繞時是否產生褶皺（某些地方T(x,m)<0時一般會產生褶皺），從式子（23）可以判斷卷繞出的芯子的薄膜厚度是否均勻。 （2）通過知道T(x,m)或者εr(x,m)，計算。這是一個求解Valterra積分方程的數學問題，我們可以用數值方法求解。 2.3.2恒卷繞張力控制 由公式（22）可以求取T(x,m)，因此可以證明當X=1時T(x,m)為最小值： Tm(x,m)=a (24) 要想金屬化膜材料不出現褶皺，需要滿足以下條件： > 0 (25) 2.3.3錐度卷繞張力控制 由公式（22）可以求得： T(x,m)=a (26) 圖2-9給出了當m=5時，對于不同的b的分布情況，從圖中可以看到，當b比較小的時候（b=0.01/0.05）,芯子內圈仍然會出現一些褶皺的情況。我們可以從圖中看出，當b越大的時候，褶皺的可能性就會越小，但是b的值增大會受到b<1/m這個條件的限制，正因為如此，我們用錐度張力控制方法會非常有限。 圖2-9 錐度張力m=5的情形 2.3.4芯子內張力恒定情形 T(x,m)=a 我們可以假設a=1，由公式（22）可以求得： TW(x)- =1 1≤x≤m (27) 用數值方法可以對上面方程進行求解。圖2-9給出了不同m值所對應的TW(x)函數。從理論上來說，這個控制方案可以適用于多個M值，但是在實際中呢，我們必須考慮金屬化膜的彈性極限和最小張力的限制條件。比起上面的張力控制和錐度張力控制方式，這個方法明顯比較好。 圖2-10 芯子內張力恒定情形 2.3.4芯子內張力恒定情形 我們可以假設公式（23）中花括號的值恒為1，由公式（22）可以求得： 1≤x≤m (28) 用2.3.3同樣的方法用數值方法求解上面公式，圖2-10給出了m=5和m=8時的TW(X)函數。從下圖可以看出來，為了保證εr是常數，TW(X)就應該為增函數，但從另一方面看，它為增函數時勢必讓芯子內部褶皺的可能性變大。圖2-10中的細實線是相應的TW(X)對應的T(x,r)的分布，可以從圖中看出，當m=5時會產生褶皺。 圖2-11 芯子內應變恒定情形的卷繞張力TW(X)（細實線）和芯子內部張力的分布T(x,m)（粗實線） 2.4本章小結 由上面第1點分析可以看出，傳統的張力控制，其PID算法較為簡單，導致控制系統的具有一定的超調量和過渡過程時間，我們要研發(fā)的是快速的張力控制系統，且控制精度要求很高，傳統的PID控制模型的超調量和過渡過程時間太長，不能滿足我們的實際需求。第2點我們引入積分分離的控制算法，基于PLC實現的積分分離PID算法，與第1點的PID算法相比，其控制方式首先通過判斷偏差的大小，然后運用不同的算法，這樣做可以大大提高控制精度，減小超調和過渡時間。而且此種方法經濟可靠，影響因素對其影響較少，第2點對控制張力問題進行了明確的說明，但是并沒有說明什么樣的張力才是最優(yōu)的張力。從第3點的分析可以看出，在卷繞的過程中，并不是恒定的張力才是最好的張力，我們市場上流行的錐度張力控制也有其缺陷。第3點為了解決芯子在收卷過程中，金屬化膜材料中經常出現的芯子內側的褶皺和材料厚薄不均勻的問題（此問題嚴重影響芯子容量，屬于核心問題），首先從彈性的理論分析觸發(fā)，給出了芯子內的張力分布公式，根據這些公式討論恒定張力和錐度張力控制下芯子內部的張力分布，導出不起皺的必要條件,然后推導出兩種理想的芯子內部張力和應變力分布的情形。在芯子內部張力和應變力分布允許的條件下張力的計算公式，這個張力就是我們需要得控制的張力。  第三章 卷繞速度控制 新能源薄膜電容卷繞機是生產金屬化膜電容的重要設備，它主要將兩條金屬化薄膜卷繞成圓柱型的芯子。生產流程：1）、在金屬化膜首端用大電流將膜的金屬層燒掉，用內封加熱頭將其熱封,此時卷針低速運轉。2）、燒掉工藝要求圈數的金屬層后，卷針開始加速，以一個較高的速度運轉。3）、芯子即將卷到設定的圈數時開始減速，達到圈數后低速運轉，同時用大電流燒掉設定圈數的金屬層。4）、將外封加熱頭靠近芯子熱封完后，芯子生產完成，開始下一周期的生產。傳統的薄膜電容卷繞機卷繞時，以固定的圈數加速到最高轉速，然后以此轉速運轉到一定圈數后，又以固定的圈數減速到一定的轉速。當芯子的直徑不同時，金屬化膜的膜速不同；當卷針直徑、材料厚度變化時，金屬化膜的加速度也跟著變化。膜的高低速及加減速不能有效控制使得不同產品的卷繞一致性不好管控，且生產效率也得不到控制，更重要的是膜速的變化是放卷張力系統最大的擾動因素，沒有控制好膜速很難控制好張力，控制不好張力就生產不出優(yōu)質的產品。本文以金屬化膜的線速度為控制對象，將卷針直徑、材料厚度、工藝參數考慮在內，推導出金屬化膜恒速及加減速的轉換公式;分析了卷繞膜的四種高效卷繞曲線；介紹了如何設計程序算法、依據機臺設定的參數智能選擇并執(zhí)行高效卷繞曲線，最后介紹實現控制的硬件選型及設計。此種設計方案能夠有效控制卷繞膜速，不但有利于轉繞質量，也能提升生產效率。 3.1速度控制公式推導 卷繞膜速的控制難點在于整個生產周期內其膜速的變化過于頻繁，加減速和勻速均需要考慮芯子直徑的變化，膜的速度變化頻繁且厚度很薄不利于采用膜速檢測的方法實現閉環(huán)控制。本文采用將膜速轉換成卷針轉速、通過控制卷針轉速的方法進行膜速控制。卷針的直徑一定，薄膜的厚度一定，隨著卷針的運轉，只要圈數確定，芯子的直徑就確定，可以根據卷針轉速、直徑和膜的加速度求出芯子的膜速。膜速轉換成轉速必須推導出一種簡單的映射關系，不但要滿足膜速的準確控制，又要可操作性強 。以下是本文利用遞歸算法將卷針直徑、薄膜厚度以及加速度考慮在內，推導出來的四個速度轉換公式： 如圖1所示卷針直徑為D ，金屬化膜厚度為h（卷繞時兩張膜一起卷繞），假設： 第1圈卷針轉速為n1，金屬化膜速為v1，則v1=πDn1 第2圈卷針轉速為n2，金屬化膜速為v2，則v2=π（D +4h）n2 第k圈卷針轉速為nk，金屬化膜速為vk，由歸納法可得： vk=π[D +4（k-1）h]nk (1) 假設第1到第k圈金屬化膜的線速恒定則vk=v1,計算可得： nk=n1 (2) 假設從第k圈開始金屬化膜的線速度開始加速，此時線速度為VK，且每圈卷完才加速，加速度為a1,由a1的計算公式得： = a1 = a1 再由vk+1=π( D+4kh)nk+1 vk=π[D+4(k-1)h]nk 得nk+1= + nk (3) 當系統開始減速時，假設減速到第k+1圈時金屬化膜的線速度為VK+1,且每圈剛開始就減速，加速度為-a2,由-a2的計算公式同理可得： = -a2 = -a2 同理可得nk= + nk+1 (4) 3.2 速度曲線分析 卷繞機卷針的最大轉速為Nmax，工藝參數要求金屬化膜的膜速不能超過Vmax（否則會影響到產品質量）。假設現在有一產品如圖2，工藝要求以低速V1運行K1圈，然后以a1的加速度加速運行,到一定圈數后以-a2的加速度減速運行，這個過程的運行速度設為Vx，到K2圈后減速完畢，又以V3的低速運行到K3圈后生產完成。 低速運行V1和V3相對應的每圈轉速N，由上述公式（2）很容易求得，這里就不再述說。現在重點討論加減速及高速階段VX對應的轉速NX。在卷繞過程中VX包括加減速、勻速和恒轉速四種運轉模式。以下主要討論在滿足工藝要求的情況下，VX的四種運轉模式怎樣組合成高效的運行曲線： 1）、在整個生產周期內，卷針的最高轉速和膜的最高線速均沒有達到Nmax和Vmax。卷針以膜加速度a1加速到K圈后馬上以-a2的加速度減速，到K2圈后剛好線速度為V3，NK≤Nmax, VK≤Vmax。如圖3： 2）、在整個生產周期內，卷針的最高轉速達到Nmax，而金屬化膜的線速