能源金屬化膜電容卷繞機(jī)的電控設(shè)計(jì)-碩士論.docx

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學(xué)校編碼：10384 分類號(hào) 密級(jí) 學(xué)號(hào)：X200215001 UDC 工 程 碩 士 學(xué) 位 論 文 新能源金屬化膜電容卷繞機(jī)的電控設(shè)計(jì) Electric control design of new energy metal film capacitor winding machine xxxx 指導(dǎo)教師姓名： 專 業(yè) 名 稱： 論文提交日期 論文答辯時(shí)間： 學(xué)位授予日期： 答辯委員會(huì)主席： 評(píng)閱人： 2016年月 摘 要 4 ABSTRACT 5 第一章 緒論 9 1.1 問(wèn)題的提出 9 1.2卷繞機(jī)電控系統(tǒng)的現(xiàn)狀 11 1.3課題的背景和意義 12 1.4論文的結(jié)構(gòu) 13 第二章 張力控制數(shù)學(xué)模型 15 2.1傳統(tǒng)PID控制模式下的放卷系統(tǒng)受力分析和數(shù)學(xué)模型 16 2.1.1金屬化膜線速度對(duì)張力的影響 17 2.1.2 金屬化膜材料半徑R實(shí)時(shí)變化對(duì)張力的影響 18 2.1.3 金屬化膜材料張力擾動(dòng)的分析 18 2.1.4 薄膜張力控制系統(tǒng)的建模和仿真 19 2.2積分分離PID控制模式下的放卷系統(tǒng)受力分析和數(shù)學(xué)模型 20 2.2.1積分分離張力控制系統(tǒng) 21 2.2.2張力控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)模型 23 2.3.1芯子內(nèi)部的張力和應(yīng)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(nèi)張力恒定情形 26 2.3.4芯子內(nèi)張力恒定情形 26 2.4本章小結(jié) 27 第三章 卷繞速度控制 29 3.1速度控制公式推導(dǎo) 29 3.2 速度曲線分析 30 3.3程序算法的設(shè)計(jì) 32 3.4本章總結(jié) 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(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(dòng)機(jī) 35 4.2.2、可編程控制器 38 4.2.4、傳感器 44 4.3、本章總結(jié) 46 第五章 PID算法和最優(yōu)張力的實(shí)現(xiàn) 46 5.1、PID控制的基礎(chǔ)知識(shí) 46 5.2、可編程控制器實(shí)現(xiàn)PID控制指令簡(jiǎn)介 49 5.3、利用PID指令實(shí)現(xiàn)積分分離算法的程序設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì) 52 5.4、利用控制器實(shí)現(xiàn)最優(yōu)張力控制的程序設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì) 53 5.5、本章總結(jié) 54 第六章 卷繞機(jī)的硬件設(shè)計(jì) 55 6.1適用環(huán)境設(shè)計(jì) 55 6.2. 設(shè)備的一般要求 57 6.3電控配件選型 57 6.4電控線路設(shè)計(jì) 58 6.5人機(jī)界面設(shè)計(jì) 60 第七章 總結(jié) 63 摘 要 新能源金屬化膜電容卷繞機(jī)是一種高精度、全自動(dòng)化的機(jī)電一體化設(shè)備，該設(shè)備是生產(chǎn)新能源金屬化膜電容的核心設(shè)備。目前全球使用的此種設(shè)備，精度較高的主要是歐洲和日本的設(shè)備。由于國(guó)外技術(shù)的封鎖，國(guó)內(nèi)的企業(yè)很難買到高精度、高可靠性的卷繞機(jī)，此種設(shè)備主要依賴臺(tái)灣進(jìn)口和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。研制這種設(shè)備可以突破國(guó)外對(duì)中國(guó)的技術(shù)封鎖，提高中國(guó)企業(yè)在世界新能源領(lǐng)域中的市場(chǎng)地位。作為生產(chǎn)新能源金屬化膜電容的核心設(shè)備，高精度的電控是其關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，卷繞電控性能的好壞直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量性能的好壞。因此本文對(duì)該設(shè)備的電控進(jìn)行了研究分析，主要包括以下內(nèi)容. 1、建立該機(jī)張力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，討論傳統(tǒng)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(guò)程中張力值如何達(dá)到最優(yōu)以及其控制方法。 2、分析卷繞機(jī)卷繞產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)，根據(jù)張力控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)卷繞機(jī)的速度控制曲線，并設(shè)計(jì)相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)速度曲線控制。 3、介紹實(shí)現(xiàn)張力控制系統(tǒng)和速度控制需要的各種執(zhí)行器件。 4、通過(guò)講解PID知識(shí)和PLC的PID指令，使用PLC實(shí)現(xiàn)PID算法和實(shí)現(xiàn)最優(yōu)張力控制的相關(guān)知識(shí)。 5、對(duì)新能源金屬化膜電容卷繞機(jī)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括線路安全設(shè)計(jì)和人機(jī)界面等設(shè)計(jì)。 本文的研究工作主要從工作實(shí)踐和理論學(xué)習(xí)中獲得，對(duì)新能源金屬化膜電容卷繞機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞： 卷繞機(jī)；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(xué)學(xué)位論文著作權(quán)使用聲明 本人同意廈門大學(xué)根據(jù)《中華人民共和國(guó)學(xué)位條例暫行實(shí)施辦法》等規(guī)定保留和使用此學(xué)位論文，并向主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文（包括紙質(zhì)版和電子版），允許學(xué)位論文進(jìn)入廈門大學(xué)圖書館及其數(shù)據(jù)庫(kù)被查閱、借閱。本人同意廈門大學(xué)將學(xué)位論文加入全國(guó)博士、碩士學(xué)位論文共建單位數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版，采用影印、縮印或者其它方式合理復(fù)制學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于： （ ）1.經(jīng)廈門大學(xué)保密委員會(huì)審查核定的保密學(xué)位論文，于　　 年　 月 　日解密，解密后適用上述授權(quán)。 （ ）2.不保密，適用上述授權(quán)。 聲明人（簽名）： 年 月 日 廈門大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下,獨(dú)立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果，均在文中以適當(dāng)方式明確標(biāo)明，并符合法律規(guī)范和《廈門大學(xué)研究生學(xué)術(shù)活動(dòng)規(guī)范（試行）》。 另外，該學(xué)位論文為（ ）課題（組）的研究成果，獲得（ ）課題（組）經(jīng)費(fèi)或?qū)嶒?yàn)室的資助，在（ ）實(shí)驗(yàn)室完成。（請(qǐng)?jiān)谝陨侠ㄌ?hào)內(nèi)填寫課題或課題組負(fù)責(zé)人或?qū)嶒?yàn)室名稱，未有此項(xiàng)聲明內(nèi)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(wèn)題的提出 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)品的需求越來(lái)越高，同時(shí)帶動(dòng)著制造工藝與設(shè)備的快速發(fā)展。，各行各業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備都在不斷的改造升級(jí)中。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，使得設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平得到快速的提升，機(jī)械設(shè)備已經(jīng)從簡(jiǎn)單的機(jī)械傳動(dòng)和電氣控制發(fā)展成集全自動(dòng)、高精度，智能生產(chǎn)于一體的先進(jìn)組合體。高尖端的設(shè)備制造是衡量一個(gè)國(guó)家實(shí)力和國(guó)際地位的重要標(biāo)志，我們國(guó)家的設(shè)備制造技術(shù)由于發(fā)展較晚，基礎(chǔ)的數(shù)控機(jī)床和材料制造工藝發(fā)展較為落后，同時(shí)還收到西方先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)封鎖，整個(gè)設(shè)備制造技術(shù)還處于初級(jí)水平，無(wú)法和其他先進(jìn)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)。 電控技術(shù)是設(shè)備制造技術(shù)的重要組成部分，各行各業(yè)的設(shè)備根據(jù)現(xiàn)代產(chǎn)品制造工藝的需求，設(shè)計(jì)出合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，由電控技術(shù)結(jié)合自動(dòng)化理論知識(shí)，通過(guò)傳感器輸出的信號(hào)由計(jì)算器接受，對(duì)其讀取并執(zhí)行，然后控制各種電氣執(zhí)行裝置。自動(dòng)化理論知識(shí)是歷代工程師和科學(xué)家在不斷的勞動(dòng)實(shí)踐中升華出來(lái)的寶貴經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，在現(xiàn)在的設(shè)備制造業(yè)中，對(duì)自動(dòng)化理論知識(shí)的運(yùn)用已經(jīng)越來(lái)越多、越來(lái)越高深，很多高尖端的設(shè)備其核心競(jìng)爭(zhēng)力就表現(xiàn)在其控制理論運(yùn)用。計(jì)算機(jī)技術(shù)是電控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的載體，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種專用于工業(yè)控制領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)控制器件不斷的發(fā)展壯大，以PLC和工控機(jī)為主體配合各種軟件，現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)全自動(dòng)、高智能的生產(chǎn)工具。科技的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展自然帶動(dòng)了各種檢測(cè)器件和執(zhí)行器件的升級(jí)換代，現(xiàn)代的各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)多得無(wú)以計(jì)數(shù)。優(yōu)質(zhì)的傳感器件和執(zhí)行單元可以讓設(shè)備更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)方案。 隨著工業(yè)的發(fā)展，金屬化膜電容器行業(yè)已經(jīng)從彩電、節(jié)能燈等傳統(tǒng)行業(yè)中開始萎縮，且制造設(shè)備和制造工藝較為成熟。但是隨著新能源領(lǐng)域技術(shù)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(wú)疑又給金屬化膜電容帶來(lái)了新的機(jī)遇，同時(shí)由于新技術(shù)的高要求，同樣給金屬化膜電容器的生產(chǎn)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。新能源金屬化膜電容卷繞機(jī)作為生產(chǎn)金屬化膜電容器的核心設(shè)備，急需從機(jī)械開發(fā)到電控設(shè)計(jì)對(duì)原有卷繞機(jī)進(jìn)行更新?lián)Q代。新能源金屬化膜電容卷繞機(jī)的卷繞控制系統(tǒng)，對(duì)于電動(dòng)機(jī)同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是使用最廣泛的，它被人們用為紡織、造紙印刷等多個(gè)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)。卷繞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-1所示。 圖中，M1位放卷膜M2位收卷膜，各自對(duì)應(yīng)的半徑為R1和R2，收卷膜和放卷膜的運(yùn)行需要由電機(jī)來(lái)提供動(dòng)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(gè)過(guò)程當(dāng)中，金屬化膜張力一致性的保證是卷繞機(jī)的核心技術(shù)要求，它直接關(guān)系到生產(chǎn)出來(lái)的芯子質(zhì)量的好壞。然而這個(gè)過(guò)程會(huì)遇到以下難點(diǎn)：隨著R1的不斷減小和R2的不斷加大，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要不斷的調(diào)整；同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中兩個(gè)電機(jī)都在高速旋轉(zhuǎn)，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)隨著材料重量的變化而變化，這又給電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整帶來(lái)困難；卷繞用的膜，一般只有幾微米，張力輕微的變化就會(huì)引起薄膜拉斷或是褶皺，導(dǎo)致芯子不合格；卷繞機(jī)生產(chǎn)每個(gè)芯子一般幾秒鐘到幾分鐘不等，每個(gè)生產(chǎn)周期放卷和收卷都有一個(gè)加速，勻速減速的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程都要保證張力大小不變。作為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，新能源金屬化膜卷繞機(jī)的生產(chǎn)效率也是一個(gè)很重要的技術(shù)指標(biāo)，由于市場(chǎng)對(duì)新能源金屬化膜的容量要求特別大，導(dǎo)致每生產(chǎn)一個(gè)芯子需要卷繞很長(zhǎng)時(shí)間，如何加快卷繞速度而又不影響張力控制也是一個(gè)需要克服的難點(diǎn)。 1.2卷繞機(jī)電控系統(tǒng)的現(xiàn)狀 1.張力控制的現(xiàn)狀。目前較為常見的張力控制方法一般都采用直流電機(jī)＋PID控制板的方式控制張力，或者是交流伺服電機(jī)+PID控制板的方式控制。張力大小的調(diào)節(jié)主要靠扭簧扭力或者氣缸的壓力來(lái)控制，系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)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(gè)角度被電位器檢知，傳給PID控制板， PID控制板通過(guò)運(yùn)算來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)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(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化，以及在不同張力要求時(shí)，PID控制參數(shù)應(yīng)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(shù)基本固定不變，這樣導(dǎo)致卷繞機(jī)在做產(chǎn)品是，同一卷材料卷到不同的半徑時(shí)，其控制的精度的一致性將不能保證，做不同規(guī)格的產(chǎn)品時(shí)，由于對(duì)張力的要求不一樣，這樣導(dǎo)致同一臺(tái)機(jī)器不能很好的滿足所有規(guī)定的產(chǎn)品，機(jī)器的實(shí)用性不強(qiáng)，控制精度一般，無(wú)法做到精密控制。 2、卷繞速度控制存在的問(wèn)題。薄膜電容卷繞機(jī)主要將兩條金屬化薄膜卷繞成圓柱型的芯子。生產(chǎn)流程：1）、在金屬化膜首端用大電流將膜的金屬層燒掉，用內(nèi)封加熱頭將其熱封,此時(shí)卷針低速運(yùn)轉(zhuǎn)。2）、燒掉工藝要求圈數(shù)的金屬層后，卷針開始加速，以一個(gè)較高的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。3）、芯子即將卷到設(shè)定的圈數(shù)時(shí)開始減速，達(dá)到圈數(shù)后低速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)用大電流燒掉設(shè)定圈數(shù)的金屬層。4）、將外封加熱頭靠近芯子熱封完后，芯子生產(chǎn)完成，開始下一周期的生產(chǎn)。傳統(tǒng)的薄膜電容卷繞機(jī)卷繞時(shí)，以固定的圈數(shù)加速到最高轉(zhuǎn)速，然后以此轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)到一定圈數(shù)后，又以固定的圈數(shù)減速到一定的轉(zhuǎn)速。當(dāng)芯子的直徑不同時(shí)，金屬化膜的膜速不同；當(dāng)卷針直徑、材料厚度變化時(shí)，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(chǎn)品的卷繞一致性不好管控，且生產(chǎn)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(tǒng)最大的擾動(dòng)因素，沒(méi)有控制好膜速很難控制好張力，控制不好張力就生產(chǎn)不出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)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(chǔ)電力電子元器件，具有阻直流、通交流的特性，廣泛應(yīng)用在電源電路、信號(hào)電路中，發(fā)揮旁路、去耦、濾波、儲(chǔ)能、耦合、振蕩/同步、時(shí)間常數(shù)等作用。電容器全球市場(chǎng)規(guī)模約180 億美元，是三大被動(dòng)元件中用途最廣泛、用量最大的一個(gè)。 電容器的應(yīng)用分為消費(fèi)電子被動(dòng)元件、新能源核心器件（包括工業(yè)類應(yīng)用）、儲(chǔ)能三重境界： 消費(fèi)電子被動(dòng)元件——消費(fèi)電子仍是電容器的最主要下游應(yīng)用，電容器在弱電領(lǐng)域起到旁路、濾波等功能，市場(chǎng)規(guī)模大約100 億美元，占消費(fèi)電子終端產(chǎn)值的1%（手機(jī)、PC、平板、電視等消費(fèi)電子終端市場(chǎng)規(guī)模1.2 萬(wàn)億美元），目前市場(chǎng)增長(zhǎng)和格局都已經(jīng)比較平穩(wěn)； 新能源核心器件（包括工業(yè)類應(yīng)用）——電容器在工業(yè)類的應(yīng)用包括工業(yè)電源、照明、通信、變頻家電等，其中新能源應(yīng)用是目前增長(zhǎng)最快的細(xì)分領(lǐng)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(shí)過(guò)電壓、并對(duì)輸出電壓平滑濾波等功能，在光伏逆變器、風(fēng)電變流器、新能源車、伺服器、變頻器等廣泛應(yīng)用，單價(jià)高，在光伏逆變器成本中占比達(dá)到8%左右。新能源應(yīng)用的興起使高壓薄膜電容、鋁電解電容在大功率場(chǎng)合的應(yīng)用迅速提升，未來(lái)還將有望保持快速增長(zhǎng)； 儲(chǔ)能——電容器的儲(chǔ)能市場(chǎng)剛剛啟動(dòng)，超級(jí)電容超大容量的特性使之可以直接作為儲(chǔ)能模塊，屬于物理儲(chǔ)能，具有充放電速度快、放電功率大、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，目前EDLC 超級(jí)店已經(jīng)開始應(yīng)用在超級(jí)電容公交車、有軌電車上，未來(lái)混合超級(jí)電容能量密度進(jìn)一步提升將有效提升超級(jí)電容的整體性能，并有望迅速擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合。 整體來(lái)說(shuō)，電容器的應(yīng)用正沿著消費(fèi)電子被動(dòng)元件——新能源核心器件（包括工業(yè)類）——儲(chǔ)能（超級(jí)電容）的路徑前進(jìn)，目前新能源應(yīng)用及其他工業(yè)類應(yīng)用處于黃金發(fā)展期，而下一個(gè)超級(jí)市場(chǎng)——儲(chǔ)能應(yīng)用市場(chǎng)也正在開啟。 新能源金屬化膜電容卷繞機(jī)是一種高精度、全自動(dòng)化的機(jī)電一體化設(shè)備，該設(shè)備是生產(chǎn)新能源金屬化膜電容的核心設(shè)備。目前全球使用的此種設(shè)備，精度較高的主要是歐洲和日本的設(shè)備。國(guó)內(nèi)企業(yè)主要是無(wú)錫先導(dǎo)生產(chǎn)的LDW 380 自動(dòng)卷繞機(jī)和常州晟威公司生產(chǎn)的180系列的卷繞機(jī)。由于國(guó)外技術(shù)的封鎖，國(guó)內(nèi)的企業(yè)很難買到高精度、高可靠性的卷繞機(jī)，此種設(shè)備主要依賴臺(tái)灣進(jìn)口和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。研制這種設(shè)備可以突破國(guó)外對(duì)中國(guó)的技術(shù)封鎖，提高中國(guó)企業(yè)在世界新能源領(lǐng)域中的市場(chǎng)地位。 1.4論文的結(jié)構(gòu) 本文主要研究的是新能源金屬化膜電容卷繞機(jī)的電控技術(shù)，主要包括卷繞機(jī)的張力控制系統(tǒng)和卷繞機(jī)構(gòu)的速度控制系統(tǒng)。該卷繞機(jī)的張力控制系統(tǒng)以交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，以高精度電位器作為反饋檢測(cè)裝置，以PLC主控。速度控制系統(tǒng)同樣以交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，以高反應(yīng)速度的接近開關(guān)加4缺口碼盤為計(jì)數(shù)和速度反饋單元，PLC主控。在此基礎(chǔ)上對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。從理論上深層理解新能源電容卷繞機(jī)的張力控制內(nèi)涵，掌握張力控制的規(guī)律，摸索最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量和最快生產(chǎn)效率。 論文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章：緒論 主要介紹電容器行業(yè)的現(xiàn)狀，新能源金屬化膜電容卷繞機(jī)的研發(fā)背景和意義，最后介紹一下論文的機(jī)構(gòu)和章節(jié)中心內(nèi)容。 第二章：建立該機(jī)張力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，討論傳統(tǒng)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(guò)程中張力值如何達(dá)到最優(yōu)以及其控制方法。 第三章：分析卷繞機(jī)卷繞產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)，根據(jù)張力控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)卷繞機(jī)的速度控制曲線，并設(shè)相關(guān)形程序，實(shí)現(xiàn)速度曲線控制。 第四章：介紹實(shí)現(xiàn)張力控制系統(tǒng)和速度控制需要的各種執(zhí)行器件。 第五章：通過(guò)講解PID知識(shí)和PLC的PID指令，使用PLC實(shí)現(xiàn)PID算法和實(shí)現(xiàn)最優(yōu)張力控制的相關(guān)知識(shí)。 第六章：對(duì)新能源金屬化膜電容卷繞機(jī)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括線路安全設(shè)計(jì)和人機(jī)界面等設(shè)計(jì)。 第七章：縱覽全文，對(duì)論文中的研究方法和取得進(jìn)行進(jìn)展進(jìn)行匯總。  第二章 張力控制數(shù)學(xué)模型 新能源電容卷繞機(jī)作為生產(chǎn)新能源電容的核心設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)包括張力控制系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)、電清潔系統(tǒng)、內(nèi)外封系統(tǒng)和人機(jī)界面系統(tǒng)。它的主要功能就是將兩張金屬化膜卷繞成一個(gè)素子，我們要求卷繞出來(lái)的所有素子具有高度的一致性，這就要求卷繞機(jī)的張力控制恒定。卷繞機(jī)的卷繞系統(tǒng)也是生產(chǎn)金屬化膜電容器的關(guān)鍵系統(tǒng)，它不但影響產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)也是高效率生產(chǎn)的關(guān)鍵。電清潔系統(tǒng)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(huì)短路。內(nèi)外封系統(tǒng)利用電熱棒加熱，控制兩張金屬化膜熱封成形。人機(jī)界面是人和機(jī)器交互的媒介，操作者可以通過(guò)人機(jī)界面把各種參數(shù)設(shè)置進(jìn)機(jī)臺(tái)，并通過(guò)人機(jī)界面操作控制機(jī)器，機(jī)器通過(guò)人機(jī)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(jī)每個(gè)素子的生產(chǎn)過(guò)程都是通過(guò)兩個(gè)伺服電機(jī)牽引兩張金屬化膜，電機(jī)輸出的是金屬化膜上面的一個(gè)恒定張力，它由電位器采樣，通過(guò)張力控制系統(tǒng)控制。如圖假設(shè)擺臂處于豎直位置，氣缸對(duì)擺臂的壓力為F，力臂為L(zhǎng)，薄膜導(dǎo)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(tǒng)也是一個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)卷針，對(duì)金屬化膜進(jìn)行卷繞，它主要通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬化膜的膜速控制。在整個(gè)生產(chǎn)周期，金屬化膜的膜速經(jīng)歷了低速、勻加速、高速、勻減速等過(guò)程，穩(wěn)定的膜速控制是生產(chǎn)高質(zhì)量金屬化膜素子的重要保證。 2.1傳統(tǒng)PID控制模式下的放卷系統(tǒng)受力分析和數(shù)學(xué)模型 如圖2-2是放卷張力控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化以后的模型，角度傳感器（電位器）固定在擺臂上，當(dāng)擺臂在豎直方向時(shí)，電位器輸出0V電壓，當(dāng)擺臂左右擺動(dòng)時(shí)，電位器輸出對(duì)應(yīng)的-2.5V-﹢2.5V的電壓。電位器的電壓信號(hào)被控制器采集，經(jīng)過(guò)運(yùn)算輸出0-10V的電壓控制伺服電機(jī)，伺服電機(jī)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(zhuǎn)速。 放卷盤速度不變轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，按照相關(guān)公式有： FR – T =βω (3) 因此，可以推導(dǎo)出靜止?fàn)顟B(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(shí)時(shí)半徑，T是伺服電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，β是材料轉(zhuǎn)盤的摩擦阻力系數(shù)，ω為材料轉(zhuǎn)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(jī)在生產(chǎn)的過(guò)程中經(jīng)常要進(jìn)行加減速，當(dāng)材料轉(zhuǎn)盤在薄膜加減速或者受到干擾時(shí)，得到的動(dòng)態(tài)平衡方程為： FR – T = βω + J (5) J為放卷材料盤加材料的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)慣量J、材料的角速度ω、加速度、以及材料的實(shí)時(shí)半徑R都對(duì)張力有影響，如此多的變量加大了張力控制系統(tǒng)的控制難度，給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的難度。 2.1.1金屬化膜線速度對(duì)張力的影響 材料膜放卷一圈需要一定時(shí)間，且材料薄膜非常薄，故可以將材料的實(shí)時(shí)半徑R在一定的時(shí)間內(nèi)看作定值，我們采用控制變量法來(lái)研究薄膜速度變化的影響因素，首先假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)變量J為固定值 用dt來(lái)代表時(shí)間的增加量，dl表示薄膜增加長(zhǎng)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(jù)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(dāng)控制其他因素不變時(shí)，薄膜的線速度與張力之間成正比，薄膜線速度的變化同時(shí)帶動(dòng)薄膜張力產(chǎn)生同樣的變化。 2.1.2 金屬化膜材料半徑R實(shí)時(shí)變化對(duì)張力的影響 新能源電容卷繞機(jī)在生產(chǎn)的過(guò)程中，材料盤的實(shí)時(shí)半徑隨著生產(chǎn)的進(jìn)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(huì)導(dǎo)致薄膜上的張力也發(fā)生變化，隨著材料的消耗轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J也會(huì)逐漸變小。 如圖2-2，J0代表電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J(t)表示薄膜材料的轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)程中薄膜材料半徑R(t)和薄膜線速度n影響的同時(shí)，還與材料掛盤的轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)。 2.1.3 金屬化膜材料張力擾動(dòng)的分析 在生產(chǎn)過(guò)程中，金屬化膜材料半徑的實(shí)時(shí)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?cè)谠O(shè)計(jì)新能源金屬化膜卷繞機(jī)的張力控制系統(tǒng)的時(shí)候，應(yīng)該重點(diǎn)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(lái)的干擾。 將公式（14）進(jìn)行變形，便可以得到薄膜張力的擾動(dòng)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(tǒng)的機(jī)械阻力矩和金屬化膜材料材料的實(shí)時(shí)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(diǎn)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(dòng)機(jī)的阻力矩用P表示，金屬膜材料的最大半徑為Rm ，滾動(dòng)摩擦系數(shù)用δ表示，重力加速度為g 2.1.4 薄膜張力控制系統(tǒng)的建模和仿真 利用數(shù)學(xué)建模等相關(guān)方法對(duì)放卷張力進(jìn)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(tái)建立放卷PID的控制仿真數(shù)學(xué)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(jī)以及放卷材料盤等。 圖2-3 放卷張力控制系統(tǒng)PID模型結(jié)構(gòu)圖 建立了放卷張力的PID數(shù)學(xué)控制模型以后，對(duì)其進(jìn)行仿真模擬處理，得到了對(duì)應(yīng)的仿真曲線圖，如下圖2-4位PID控制系統(tǒng)對(duì)方卷張力節(jié)約相應(yīng)曲線 圖2-4 放卷張力PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 從上圖可以看出，此控制系統(tǒng)具有比較大的超調(diào)量和比較長(zhǎng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，這個(gè)結(jié)果驗(yàn)證了放卷張力PID控制模型的正確性，為我們實(shí)際控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供了一些理論上的依據(jù)，但是我們要研發(fā)的是快速的張力控制系統(tǒng)，且控制精度要求很高，此模型的超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間太長(zhǎng)，無(wú)法達(dá)到我們實(shí)驗(yàn)的目的，因此本系統(tǒng)需要在控制算法上需要不斷完善，才能保障系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)速度以及運(yùn)行的需求。 2.2積分分離PID控制模式下的放卷系統(tǒng)受力分析和數(shù)學(xué)模型 由2.1可知，傳統(tǒng)的張力PID控制措施，根據(jù)不同的PID參數(shù)以及相關(guān)數(shù)值通過(guò)PID相關(guān)算法，可以得到對(duì)應(yīng)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(chǎn)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(shí)間之內(nèi)就會(huì)與設(shè)定值出現(xiàn)較大差值，使用傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)來(lái)來(lái)控制張力時(shí)，PID控制器的數(shù)值會(huì)不會(huì)積累，最終控制器的數(shù)值會(huì)累積到一定值，導(dǎo)致過(guò)渡段時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于系統(tǒng)的快速反應(yīng)和高精度控制。通過(guò)基于PLC的積分分離PID調(diào)節(jié)器對(duì)張力控制進(jìn)行控制，當(dāng)張力測(cè)量的值與我們?cè)O(shè)定的張力值有較大偏差的時(shí)候，可以避免數(shù)據(jù)的累積，或者減少數(shù)據(jù)累積的作用，這樣可以免于由積分作用使得系統(tǒng)的超調(diào)和過(guò)渡時(shí)間過(guò)大過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)測(cè)量的張力值靠近系統(tǒng)定值時(shí)，采用積分控制系統(tǒng)，可以避免過(guò)大的靜差，從而保障控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 電 機(jī) 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(tǒng) 如圖2-5所示，卷繞機(jī)在工作的時(shí)候，先通過(guò)比例閥設(shè)定氣缸壓力的大小間接設(shè)定了薄膜的張力值，PLC控制器輸出模擬電壓控制伺服電機(jī)的扭力輸出。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，擺桿處于平衡狀態(tài)下需要繞卷材料的張力與氣缸對(duì)擺臂共同作用。當(dāng)收卷處入加減速或者遇到外界干擾時(shí)，氣缸輸出的力不變而擺臂受到薄膜的拉扯，使得擺臂會(huì)左右晃動(dòng)。擺動(dòng)角度被電位器檢測(cè)到后通過(guò)電壓值傳輸?shù)絇LC，PLC通過(guò)運(yùn)算。當(dāng)擺動(dòng)角度大于一定的值，PLC進(jìn)行PD運(yùn)算，當(dāng)擺臂角度小于一定值時(shí)，PLC進(jìn)行PID運(yùn)算時(shí)，系統(tǒng)能否在短時(shí)間之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)可以利用不同的計(jì)算方法，以此提高了張力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。 2.2.2張力控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 交流伺服電機(jī)可以看出一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，它的傳遞函數(shù)可以寫成： G1(s) = 其中： K0 = T0 = ∑Ra表示交流伺服電機(jī)電樞回路的總電阻；La為電機(jī)電樞回路的電感；KE是電機(jī)反電勢(shì)常數(shù)；KT為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Kb為電機(jī)黏滯阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)；J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 伺服電機(jī)的控制器是一個(gè)功率放大器，屬于比例環(huán)節(jié)，因此可以用一個(gè)比例環(huán)節(jié)代替，其傳遞函數(shù)可以寫成： G2(s) = KF 角度測(cè)量的電位器將擺臂的角度大小轉(zhuǎn)化成張力的大小，可以將其近似為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為： G3(s) = Ks 已知PID環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 G3(s) = Kp(1 + 1/Tis + Td s) 其中：Kp為比例常數(shù)；Ti為積分常數(shù)，Td為微分常數(shù)。在建立了伺服電機(jī)、伺服放大器、電位器以及PID的傳遞函數(shù)后，就可以得出整個(gè)張力控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，在不考慮各種隨機(jī)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(shù)： = 式子中Ua(s)為張力設(shè)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(shù)控制器上都可以實(shí)現(xiàn)，從目前市場(chǎng)上來(lái)看，運(yùn)用PID控制與控制器的產(chǎn)品數(shù)量非常多，并且廣泛應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，各大公司自發(fā)研制的PID有著獨(dú)特的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，使得目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了多樣化的PID控制產(chǎn)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(yùn)算的微分增益，Vn為本次采樣的實(shí)際測(cè)量值（濾波后），Vn-1和Vn-2分別為前一個(gè)周期的測(cè)量值和前二個(gè)周期的測(cè)量值，Dn為本次微分項(xiàng)，Dn-1為上一個(gè)周期的微分項(xiàng)。 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(shí)間；β為積分項(xiàng)的開和關(guān)的系數(shù)，當(dāng)條件（2）滿足是β=0，當(dāng)條件（3）滿足是β=1。將公式（18）和公式（19）進(jìn)行比較，可以引入積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)，以此來(lái)控制積分項(xiàng)的用于不用，當(dāng)β為0時(shí)，PLC基于PD控制運(yùn)算，當(dāng)β為1時(shí)，PLC基于PID進(jìn)行運(yùn)算。 積分分離算法張力控制系統(tǒng)的仿真 由上面的分析建立的張力控制系統(tǒng)如圖2-6所示，用2.2.3推導(dǎo)出來(lái)的數(shù)學(xué)模型及算法，采用Matlab中內(nèi)嵌的Simulink軟件包進(jìn)行仿真，如圖2-7所示。 圖2-7 Simulink仿真流程圖 基于PLC實(shí)現(xiàn)的積分分離的控制算法，與上述傳統(tǒng)的PID算法相比，它控制的根據(jù)是基于偏差的大小，在對(duì)比了多種算法之后，發(fā)現(xiàn)只有在偏差最小的時(shí)候運(yùn)用積分計(jì)算，在偏差最大的時(shí)候應(yīng)用PD運(yùn)算，才能讓控制器的控制精度更加準(zhǔn)確。而且比起其他高性能控制器和復(fù)雜的算法，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、影響因素少。通過(guò)對(duì)比圖2-8可以看出，此種方法具有較大優(yōu)勢(shì)。 2.3薄膜收卷中的張力分析和數(shù)學(xué)模型 2.2給出了張力控制的數(shù)學(xué)模型和控制方法，并沒(méi)討論收卷過(guò)程中張力如何變化，以及變化后對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。對(duì)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(jī)雖然控制的是放卷機(jī)構(gòu)，但本質(zhì)上還是采用的收卷的張力控制，因?yàn)槲覀円缶砝@出來(lái)的產(chǎn)品張力一致性要好，且符合相關(guān)需要，同放卷之間存在較大差別，收卷中薄膜材料的真實(shí)張力大小數(shù)值，它不一定等于薄膜在卷繞過(guò)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(dǎo)致材料受力不均勻，會(huì)出現(xiàn)下面兩個(gè)問(wèn)題 （1）卷繞出來(lái)的芯子在內(nèi)芯處往往會(huì)出現(xiàn)褶皺或擠成錐形的突出，這往往是因?yàn)樵诓牧峡拷鼉?nèi)芯處出現(xiàn)負(fù)張力的原因。 （2）卷繞出來(lái)的芯子放置一段時(shí)間以后，會(huì)出現(xiàn)芯子厚薄不均勻的情況，這會(huì)嚴(yán)重影響芯子的容量，其原因是因?yàn)樾咀觾?nèi)部的應(yīng)變不均勻。 為了解決以上的第一個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在傳統(tǒng)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(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@樣卷繞出來(lái)的芯子中的張力仍舊是不均勻的，尤其是當(dāng)卷繞大體積的芯子時(shí)，卷繞膜靠?jī)?nèi)和靠外的差別非常大，靠?jī)?nèi)的材料還是會(huì)出現(xiàn)褶皺。 通過(guò)理論推導(dǎo)，我們可以得出芯子內(nèi)側(cè)和外側(cè)張力和應(yīng)力的分布公式，然后根據(jù)公式推導(dǎo)恒張力卷繞、錐度張力控制下的卷繞材料不會(huì)引起褶皺的條件，以滿足芯子內(nèi)側(cè)不會(huì)產(chǎn)出褶皺為條件，推導(dǎo)出張力分布的公式以及收卷處張力隨芯子半徑變化的關(guān)系來(lái)。 2.3.1芯子內(nèi)部的張力和應(yīng)變分析 設(shè)芯子的內(nèi)圈半徑為R0，外圈半徑為Rm，芯子卷繞過(guò)程中施加在金屬化膜材料上的張力（假設(shè)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(shí)，r≤R處的張力值，因此T(r,Rm)是芯子卷繞完成時(shí)，芯子內(nèi)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(yīng)變力，它決定了金屬化膜材料的厚度變化。 我們可以推導(dǎo)出TW(r)和T(r,Rm)之間的關(guān)系。因?yàn)榻饘倩げ牧嫌幸欢ǖ膶挾?，所以可以按照軸對(duì)稱的平面應(yīng)變問(wèn)題對(duì)它進(jìn)行處理。卷繞機(jī)在卷繞的過(guò)程當(dāng)中，張力的大小不會(huì)超過(guò)其彈性極限，所以在計(jì)算的時(shí)候可以使用疊加原理。電容卷繞機(jī)在卷繞芯子前，其內(nèi)部一般使用一個(gè)芯棒，其強(qiáng)度相當(dāng)大，所以可以認(rèn)為內(nèi)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(wú)量綱變量X=r/R0，并且假設(shè)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(gè)公式可以解決以下的兩個(gè)問(wèn)題： （1）知道卷繞張力TW(x),求金屬化膜卷繞過(guò)程中張力T(x,m)和應(yīng)變力εr(x,m)的分布情況?？梢詮氖阶樱?2）判斷芯子卷繞時(shí)是否產(chǎn)生褶皺（某些地方T(x,m)<0時(shí)一般會(huì)產(chǎn)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(guò)知道T(x,m)或者εr(x,m)，計(jì)算。這是一個(gè)求解Valterra積分方程的數(shù)學(xué)問(wèn)題，我們可以用數(shù)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(dāng)X=1時(shí)T(x,m)為最小值： Tm(x,m)=a (24) 要想金屬化膜材料不出現(xiàn)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(dāng)m=5時(shí)，對(duì)于不同的b的分布情況，從圖中可以看到，當(dāng)b比較小的時(shí)候（b=0.01/0.05）,芯子內(nèi)圈仍然會(huì)出現(xiàn)一些褶皺的情況。我們可以從圖中看出，當(dāng)b越大的時(shí)候，褶皺的可能性就會(huì)越小，但是b的值增大會(huì)受到b<1/m這個(gè)條件的限制，正因?yàn)槿绱?，我們用錐度張力控制方法會(huì)非常有限。 圖2-9 錐度張力m=5的情形 2.3.4芯子內(nèi)張力恒定情形 T(x,m)=a 我們可以假設(shè)a=1，由公式（22）可以求得： TW(x)- =1 1≤x≤m (27) 用數(shù)值方法可以對(duì)上面方程進(jìn)行求解。圖2-9給出了不同m值所對(duì)應(yīng)的TW(x)函數(shù)。從理論上來(lái)說(shuō)，這個(gè)控制方案可以適用于多個(gè)M值，但是在實(shí)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(gè)方法明顯比較好。 圖2-10 芯子內(nèi)張力恒定情形 2.3.4芯子內(nèi)張力恒定情形 我們可以假設(shè)公式（23）中花括號(hào)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(shù)值方法求解上面公式，圖2-10給出了m=5和m=8時(shí)的TW(X)函數(shù)。從下圖可以看出來(lái)，為了保證εr是常數(shù)，TW(X)就應(yīng)該為增函數(shù)，但從另一方面看，它為增函數(shù)時(shí)勢(shì)必讓芯子內(nèi)部褶皺的可能性變大。圖2-10中的細(xì)實(shí)線是相應(yīng)的TW(X)對(duì)應(yīng)的T(x,r)的分布，可以從圖中看出，當(dāng)m=5時(shí)會(huì)產(chǎn)生褶皺。 圖2-11 芯子內(nèi)應(yīng)變恒定情形的卷繞張力TW(X)（細(xì)實(shí)線）和芯子內(nèi)部張力的分布T(x,m)（粗實(shí)線） 2.4本章小結(jié) 由上面第1點(diǎn)分析可以看出，傳統(tǒng)的張力控制，其PID算法較為簡(jiǎn)單，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的具有一定的超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，我們要研發(fā)的是快速的張力控制系統(tǒng)，且控制精度要求很高，傳統(tǒng)的PID控制模型的超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間太長(zhǎng)，不能滿足我們的實(shí)際需求。第2點(diǎn)我們引入積分分離的控制算法，基于PLC實(shí)現(xiàn)的積分分離PID算法，與第1點(diǎn)的PID算法相比，其控制方式首先通過(guò)判斷偏差的大小，然后運(yùn)用不同的算法，這樣做可以大大提高控制精度，減小超調(diào)和過(guò)渡時(shí)間。而且此種方法經(jīng)濟(jì)可靠，影響因素對(duì)其影響較少，第2點(diǎn)對(duì)控制張力問(wèn)題進(jìn)行了明確的說(shuō)明，但是并沒(méi)有說(shuō)明什么樣的張力才是最優(yōu)的張力。從第3點(diǎn)的分析可以看出，在卷繞的過(guò)程中，并不是恒定的張力才是最好的張力，我們市場(chǎng)上流行的錐度張力控制也有其缺陷。第3點(diǎn)為了解決芯子在收卷過(guò)程中，金屬化膜材料中經(jīng)常出現(xiàn)的芯子內(nèi)側(cè)的褶皺和材料厚薄不均勻的問(wèn)題（此問(wèn)題嚴(yán)重影響芯子容量，屬于核心問(wèn)題），首先從彈性的理論分析觸發(fā)，給出了芯子內(nèi)的張力分布公式，根據(jù)這些公式討論恒定張力和錐度張力控制下芯子內(nèi)部的張力分布，導(dǎo)出不起皺的必要條件,然后推導(dǎo)出兩種理想的芯子內(nèi)部張力和應(yīng)變力分布的情形。在芯子內(nèi)部張力和應(yīng)變力分布允許的條件下張力的計(jì)算公式，這個(gè)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(jī)是生產(chǎn)金屬化膜電容的重要設(shè)備，它主要將兩條金屬化薄膜卷繞成圓柱型的芯子。生產(chǎn)流程：1）、在金屬化膜首端用大電流將膜的金屬層燒掉，用內(nèi)封加熱頭將其熱封,此時(shí)卷針低速運(yùn)轉(zhuǎn)。2）、燒掉工藝要求圈數(shù)的金屬層后，卷針開始加速，以一個(gè)較高的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。3）、芯子即將卷到設(shè)定的圈數(shù)時(shí)開始減速，達(dá)到圈數(shù)后低速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)用大電流燒掉設(shè)定圈數(shù)的金屬層。4）、將外封加熱頭靠近芯子熱封完后，芯子生產(chǎn)完成，開始下一周期的生產(chǎn)。傳統(tǒng)的薄膜電容卷繞機(jī)卷繞時(shí)，以固定的圈數(shù)加速到最高轉(zhuǎn)速，然后以此轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)到一定圈數(shù)后，又以固定的圈數(shù)減速到一定的轉(zhuǎn)速。當(dāng)芯子的直徑不同時(shí)，金屬化膜的膜速不同；當(dāng)卷針直徑、材料厚度變化時(shí)，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(chǎn)品的卷繞一致性不好管控，且生產(chǎn)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(tǒng)最大的擾動(dòng)因素，沒(méi)有控制好膜速很難控制好張力，控制不好張力就生產(chǎn)不出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。本文以金屬化膜的線速度為控制對(duì)象，將卷針直徑、材料厚度、工藝參數(shù)考慮在內(nèi)，推導(dǎo)出金屬化膜恒速及加減速的轉(zhuǎn)換公式;分析了卷繞膜的四種高效卷繞曲線；介紹了如何設(shè)計(jì)程序算法、依據(jù)機(jī)臺(tái)設(shè)定的參數(shù)智能選擇并執(zhí)行高效卷繞曲線，最后介紹實(shí)現(xiàn)控制的硬件選型及設(shè)計(jì)。此種設(shè)計(jì)方案能夠有效控制卷繞膜速，不但有利于轉(zhuǎn)繞質(zhì)量，也能提升生產(chǎn)效率。 3.1速度控制公式推導(dǎo) 卷繞膜速的控制難點(diǎn)在于整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)其膜速的變化過(guò)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(cè)的方法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。本文采用將膜速轉(zhuǎn)換成卷針轉(zhuǎn)速、通過(guò)控制卷針轉(zhuǎn)速的方法進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)，只要圈數(shù)確定，芯子的直徑就確定，可以根據(jù)卷針轉(zhuǎn)速、直徑和膜的加速度求出芯子的膜速。膜速轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速必須推導(dǎo)出一種簡(jiǎn)單的映射關(guān)系，不但要滿足膜速的準(zhǔn)確控制，又要可操作性強(qiáng) 。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(nèi)，推導(dǎo)出來(lái)的四個(gè)速度轉(zhuǎn)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(shí)兩張膜一起卷繞），假設(shè)： 第1圈卷針轉(zhuǎn)速為n1，金屬化膜速為v1，則v1=πDn1 第2圈卷針轉(zhuǎn)速為n2，金屬化膜速為v2，則v2=π（D +4h）n2 第k圈卷針轉(zhuǎn)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(shè)第1到第k圈金屬化膜的線速恒定則vk=v1,計(jì)算可得： nk=n1 (2) 假設(shè)從第k圈開始金屬化膜的線速度開始加速，此時(shí)線速度為VK，且每圈卷完才加速，加速度為a1,由a1的計(jì)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(dāng)系統(tǒng)開始減速時(shí)，假設(shè)減速到第k+1圈時(shí)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(jì)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(jī)卷針的最大轉(zhuǎn)速為Nmax，工藝參數(shù)要求金屬化膜的膜速不能超過(guò)Vmax（否則會(huì)影響到產(chǎn)品質(zhì)量）。假設(shè)現(xiàn)在有一產(chǎn)品如圖2，工藝要求以低速V1運(yùn)行K1圈，然后以a1的加速度加速運(yùn)行,到一定圈數(shù)后以-a2的加速度減速運(yùn)行，這個(gè)過(guò)程的運(yùn)行速度設(shè)為Vx，到K2圈后減速完畢，又以V3的低速運(yùn)行到K3圈后生產(chǎn)完成。 低速運(yùn)行V1和V3相對(duì)應(yīng)的每圈轉(zhuǎn)速N，由上述公式（2）很容易求得，這里就不再述說(shuō)?，F(xiàn)在重點(diǎn)討論加減速及高速階段VX對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速NX。在卷繞過(guò)程中VX包括加減速、勻速和恒轉(zhuǎn)速四種運(yùn)轉(zhuǎn)模式。以下主要討論在滿足工藝要求的情況下，VX的四種運(yùn)轉(zhuǎn)模式怎樣組合成高效的運(yùn)行曲線： 1）、在整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)，卷針的最高轉(zhuǎn)速和膜的最高線速均沒(méi)有達(dá)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(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)，卷針的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到Nmax，而金屬化膜的線速