【正文】 期的測量值，Dn為本次微分項， Dn1為上一個周期的微分項。 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(shù)可以寫成： G2(s) = KF 角度測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)。當(dāng)擺動角度大于一定的值， PLC 進行 PD運算，當(dāng)擺臂角度小于一定值時， PLC 進行 PID 運算時，系統(tǒng)能否在短時間之內(nèi)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(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。當(dāng)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。 電位器 PLC控制器 伺服控制器 電 機 廈門大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 21 積分分離張力控制系統(tǒng) 如圖 25 所示，卷繞機在工作的時候，先通過比例閥設(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的扭力輸出。通過基于 PLC 的積分分離 PID調(diào)節(jié)器對張力控制進行控制，當(dāng)張力測量的值與我們設(shè)定的張力值有較大偏差的時候， 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)和過渡時間過大過長。 ? 建立了放卷張力的 PID 數(shù)學(xué)控制模型以后， 對其進行仿真模擬處理，得到了對應(yīng)的仿真曲線圖，如下圖 24 位 PID 控制系統(tǒng)對方卷張力節(jié)約相應(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)量和比較長的過渡過程時圖 23 放 卷張力 控制系統(tǒng) PID 模型 結(jié)構(gòu)圖 圖 24 放 卷張力 PID 控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 廈門大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 20 間，這個結(jié)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(tǒng)的設(shè)計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)量和過渡過程時間太長， 無法達到我們實驗的目的，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)運行時對速度以及運行的需求。 金屬化膜材料張力擾動的分析 在生產(chǎn)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(shè)計新能源金屬化膜卷繞機的張力控制系統(tǒng)的時候，應(yīng)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。 如圖 22， J0代表電動機與轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動慣量， J(t)表示薄膜材料的轉(zhuǎn)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。 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(chǎn)的過程中，材料盤的實時半徑隨著生產(chǎn)的進行不斷減小，直至用完后再換上新的材料。 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(nèi)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(shè)轉(zhuǎn)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 ??則薄膜材料端面積增量為： ?????????????????????????ds = dl X h = 2π RdR = ?Hdt 則： dR/dt = vH/2π R (7) 根據(jù)角速度公式 ω = v/R,則有： dω /dt = dω /dR dR/dt =v/R^2 vH/2π R =(v^2 H)/(2π R^3)(8) 把公式（ 8）代入公式（ 5）可以得到： FR – T = J + β ??R (9) 公式（ 9）中 J = π Hρ ,其中ρ為占積率。 新能源電容卷繞機在生產(chǎn)的過程中經(jīng)常要進行加減速，當(dāng)材料轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量。 放卷盤速度不變轉(zhuǎn)動時，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) 電位器 控 制 器 電 機 圖 22 放 卷張力 控制 系統(tǒng)簡化模型 V R r T 010V 電壓 W 廈門大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 17 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(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。電位器的電壓信號被控制器采集，經(jīng)過運算輸出 010V 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。 在 整個 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。 如圖 21 所示，新能源電容卷繞機每個素子的 生產(chǎn)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(tǒng)控制。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。卷繞機的卷繞系統(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，同時也是高效率生產(chǎn)的關(guān)鍵。 廈門大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 15 第二章 張力控制數(shù)學(xué)模型 新能源電容卷繞機作為生產(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)和人機界面系統(tǒng)。 第六章： 對 新能源金屬 化膜電容卷 繞 機控制 系統(tǒng)的 硬件進行設(shè)計，包括線路安全 設(shè)計和 人機 界面等設(shè)計 。 第四章：介紹實現(xiàn)張力控制系統(tǒng)和速度控制需要的各種執(zhí)行器件。 第二章： 建立該機 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 過程中張力值如何達到最優(yōu)以及其控制方法 。從理論上深層理解新能源電容卷繞機的張力控制內(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。速度控制系統(tǒng)廈門大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 14 同樣以交流伺服電機為驅(qū)動，以高反應(yīng)速度的接近開關(guān)加 4缺口碼盤為計數(shù)和速度反饋單元， PLC 主控。 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的電控技術(shù)，主要包括卷繞機的張力控制系統(tǒng)和卷繞機構(gòu)的速度控制系統(tǒng)。由于 國外技術(shù)的封鎖 ， 國內(nèi) 的企業(yè) 很 難買到高精度 、 高可靠性 的卷繞機， 此種 設(shè)備主要依賴臺灣 進口 和國內(nèi)生產(chǎn)。 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 。 整體來說，電容器的應(yīng)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(yīng)用及其他工業(yè)類應(yīng)用處 于黃金發(fā)展期，而下一個超級市場 —— 儲能應(yīng)用市場也正在開啟。 電容器的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用，電容器在弱電領(lǐng)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(chǎn)廈門大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 13 值的 1%（手機、 PC、平板、電視等消費電子終端市場規(guī)模 萬億美元），目前市場增長和格局都已經(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)用是目前增長最快的細分領(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、承受瞬時過電壓、并對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，單價高，在光伏逆變器成本中占比達到 8%左右。 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、信號電路中，發(fā)揮旁路、去耦、濾波、儲能、耦合、振蕩 /同步、時間常數(shù)等作用。當(dāng)芯子的直 徑不同時，金屬化膜的膜速不同；當(dāng)卷針直徑、材料厚度變化時，金屬化膜的加速度也跟著變化。 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)。 2）、燒掉工藝要求圈數(shù)的金屬層后，卷針開始加速，以一個較高的速度運轉(zhuǎn)。 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。 由于放卷材料重量的變化，導(dǎo)致電機的 轉(zhuǎn)動 慣量發(fā)生變化， 以及 在不同張力要求時， PID 控制 參數(shù) 應(yīng)該隨著 這些變化而有所改變， 如圖 13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)致卷繞機在做產(chǎn)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(chǎn)品 時 ，由于對張力的要求 不 一樣，這樣導(dǎo)致同一臺機器不能很好的滿足所有規(guī)定的產(chǎn)品，機器的 實用性 不強 ， 控制精度一般，無法做到精密控制 。張力大 小 的調(diào)節(jié)主要靠扭簧扭力 或者 氣缸的壓力來控制，系統(tǒng)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(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。 M MR1 R2 圖 11 卷繞 系統(tǒng) 的 結(jié)構(gòu)簡圖 廈門大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 11 卷繞機 電控系統(tǒng)的 現(xiàn)狀 控制 的 現(xiàn)狀 。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(zhuǎn)速要不斷的調(diào)整 ；同時在 這個過程中兩個電機 都在 高速旋轉(zhuǎn)，它們的轉(zhuǎn)動慣量也會隨 著 材料 重量 的變化而變化 ，這 又給電機轉(zhuǎn)速的調(diào)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(dǎo)致 芯子 不合格； 卷繞 機生產(chǎn)每個 芯子 一般幾秒鐘到幾分鐘不等 ， 每個生產(chǎn)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。 圖中， M1 位放卷膜 M2 位收卷膜，各自對應(yīng)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。 新能源 金屬 化膜電容卷 繞 機 的 卷繞控制系統(tǒng)， 對于電動機同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是使用最廣泛的，它被人們用為紡織、造紙印刷等多個機械加工產(chǎn)業(yè) 。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(shù)的 高 要求 ， 同 樣給金屬化膜電容器的生產(chǎn)帶來了新的挑戰(zhàn)。 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。 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(xiàn)代的各種傳感器和執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)多得 無以計數(shù) 。自動化 理論 知識是歷代工程師和科學(xué)家在不斷的勞動實踐中升華出來的寶貴經(jīng)驗 知識 ， 在 現(xiàn)在的設(shè)備制造業(yè)中，對自動化理論知識的運用 已經(jīng)越來 越多 、越來越高深，很多高尖端的設(shè)備其核心競爭力就 表現(xiàn) 在其控制理論 運用。 高 尖端的 設(shè) 備制造是衡量一個國家實力和國際地位的重要標(biāo)志 ， 我們國家的 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(shù)封鎖，整 個 設(shè)備制造技術(shù)還處于初級水平，無法和其他先進國家競爭。 ， 各行各業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備都在不斷的改造升級中 。（請在以上括號內(nèi)填寫課題或課題組負責(zé)人或?qū)嶒炇颐Q，未有此項聲明內(nèi)容的，可以不作特別聲明。本人在論文寫作中參考其他個人或集體已經(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)活動規(guī)范（試行）》。 （ ） ，適用上述