| 磁粉離合器的電解電容卷繞張力系統 |
| 來源： 點擊數：5927次 更新時間：2022/1/6 21:21:59 |
| 磁粉離合器的電解電容卷繞張力系統研究 ( 1 貴 州大學大數據與信息工程學院，貴陽 550025 ; 2 貴 州民族大學機械電子工程學院，貴陽 550025 ; 3 貴 州省光電子技藝及應用重點實驗室，貴陽 550025 ) 摘 要： 針對電解電容芯包卷繞過程中錐度張力控製問題， 在詳細分析卷繞過程中導致張力實時變化的因素的基礎上，對磁粉離合器進行數學建模並研究相應的控製算法，策劃達成了 一種基於磁粉離合器的錐度卷繞控製系統。為滿足 系統對數學模型的較高要求及解決磁粉離合器在控製中存在純滯後的問題，利用 Simulink 仿真工具建立模糊 PID 與 S mith 預估補償控製。仿真結果表明在基於磁粉離合器的卷繞錐度張力控製系統中，使用模糊 PID 與 S mith 預估補償控製可達成理想的控製效果。 關鍵詞： 磁粉離合器；錐度張力控製；模糊 PID; Smith 預估補償 Research on Electrolytic Capacitor Winding Tension System Based on Magnetic Powder Clutch ZHANG Xueheng1, ZHAO Qi2, WU Tianfe ng1·3 , Z H OU Hua1 (1 . College of Big Data 盧 Informal幻n En護neering, Gu叫hou University, Guiy血 g 550025, China; 2. School of Mechatronics En,驴neering, Gu巳hou Minzu University,Guiyang 550025, China; 3. Guizhou Key Laboratory of Optoelectron 比 Technology 叩 d Application, Guiyang 550025, China) Abstract: Aiming at the taper tension control problem in the winding p: oc e ss of electrolytic capacitor core, based on the detailed analysis of the factors that lead to the real - time change of te nsion in the winding process, the mathematical model of magne tic powder clutch is established and the conesponding control algorithm is studied, and a taper winding control system based on magnetic powder clutch is designed and implemented. In order to meet the high requirements of the system for mathematical model and solve the problem of pure lag in the control of magnetic powder clutch, fuzzy PID and Smith predictive compensation control are established by using Simulink simulation tools. The simulation results show that in the winding taper tension control system based on magnetic powder cl utch, fuzzy PID and Smith predictive compensation control can achieve ideal control effec t. Key words: Magnetic powder clutch;Taper tension control; Fuzzy PID;Smith predictive compensation 1 弓l 在 薄 膜 材 料 卷 繞 产 業 中 ，張力 控 製 是 最 關 鍵 的技 術 之 一 。 卷 繞 過 程 中 ，卷繞 材 料 張 力 過 大 在 縱 向上 容易 造 成 褶皺，形成 菊 花 狀 ，甚 至 會 使 材 料 斷 裂 ； 張 力 過 小 在 横 向 上 容 易 跑 偏 ，發生 抽 芯 現 象 。 而 對於 電 解 電 容 的 芯 包 這 一 特 殊 的 結 構 ，要 求 芯 包 呈 現內緊外松的形態，故在卷繞過程中要求采取錐度卷 繞的方式， 即 卷 繞 張 力 隨 卷 繞 半 徑 的 變 化 而 變 化 。 通 過 控 製 卷 繞 系 統 執行 機 構 的 扭 矩 是 一 個 很 好 的 改變卷繞張力的方法，而磁粉離合器正是通過控製勵 磁電流來達成扭矩改變，且磁粉離合器的輸入與輸 出為線性關系，因 此 這 一 方 法 在 卷 繞 系 統 的 執行 機構 中 有 廣 泛 的 應 用 。 但 是 磁 粉 離 合 器 是 以 磁 粉 材 料為工作介質的，磁粉材料的磁滯效應會降低系統的 響應時間。針對此問題，在此 提 出 基 於 模 糊 P I D 與Smith 預估補償控製機製的改進方法，並以 S i mulink進行仿真分析。 2、錐度張力分析 電解電容芯包卷繞系統由張力控製器、張力傳 感器卷徑檢測傳感器、磁粉離合器、功率放大器、牽引棍及驅動棍組成叽 其控製系統機構如圖 1 所示。改進策劃采用直接張力檢測方式，通過 卷 徑 檢測傳感器計算卷繞實時卷徑，通過張力控製器中的錐度張力卷繞數學模型計算當前的張力，再把 此 張力設為卷繞系統期望值，並把由張力傳感器測得卷繞的實際張力值作為反饋值，使得張力控製形成閉環，最終通過磁粉離合器控製驅動棍的扭矩，達成錐度張力控製叽 在電解電容芯包製造過程中要采取變張力，也就是錐度張力的方式進行卷繞。卷繞過程運動模型如圖 2 所示。 圖中 機 為卷繞動作的製動轉矩 ，Mr 為 摩 擦 阻力 轉 矩 ，凡 為 卷 繞 的 實 時 半 徑 ，Q 為 空間角速度，F為 材 料 所 受 張 力 。 由 此 卷 繞 機 構 力 矩 平 衡 方 程 為 ： 其 中 ，J 是 收 卷 機 構 的 等 效 轉 動 慣量，由卷 筒 、隔膜材 料 驅 動 軸 三 部 分 組 成 ，其具 體 計 算 公 式 為 ： J =JRI +JR2 + J r = — p 加 ( Rt - r4) + — P2 加 ( R; 式）+ Jr (2) 其中，f R1 為卷繞軸芯的轉動 慣量，如為 卷 繞 材 料 的轉動慣量 ，j 為 驅 動 軸 的 轉 動 慣量 ，P t 為 卷 繞 軸 芯 密度 ，P2 為 材 料 密 度 ，b 為材料寬度。 由磁粉離合器可知], 今為 定 值 ，又由式(2)可知，卷繞 軸 芯 的 轉 動 慣量 l Rt 也 為 一 個 定 值 ，由此 可得： 式 (5)即為卷繞過程中材料張力的動力學模型。由此可知，材料張力主要受到動態參數卷繞卷徑凡和卷 繞速度 凡的影響，且卷 繞 線 速 度 為 v2 = 2兀凡n , n 即為驅動軸的轉速，當此轉速不變時，凡即隨時間增大，張力 F 也 就 隨 之 改 變 。 故 此 ，為確 保 鋁 電 解 電 容芯 包 的 卷 繞 質 量 ，在 卷 繞 過 程 采 取 錐 度 張力 方 式 是必 要 的 。 3磁粉製動器原理及數學模型 在本系統中選用的錐度張力執行機構為磁粉離 合器。磁粉離合器在製動扭矩的過程中，由 於 發 熱 間題 ，會導 致 其 參 數 隨 時 間 變 化 ，故要 對 磁 粉 離 合 器 進行 數 學 建 模 分 析 ， 且 磁 粉 離 合 器 的 數 學 模 型 傳 遞 函數 是 系 統 仿 真 必 需 的 參 數 3 大部分 Smith 預測補償系統中的控製系統是傳統的 PID 控 製 ，需 要 精 確 的 數 學 模 型 ，而基 於 磁 離合 器 的 張 力 控 製 系 統 是 時 變 系 統 ，難 以 得 到 準 確 的數 學 模 型 ，所 以 傳 統 的 Smith 控製系統不 能滿足該時變系統的要求。 4.2模糊 P ID 控製 4.2.1模糊控製規則 模糊控製是根據寫在控製器 CPU 裏的規則表， 通 過 自 身 學 習 和 組 織 的 功 能 ， 利 用 特 定 的 語 言 變 量建立映射關系，完成模糊推理，並將結果輸出到控製 器( 4-6]。規則表是系統的偏差值、偏差變化量和系統輸出之間的映射。模糊控製器由模糊化、知識庫（模糊矩陣表）、糊模推理、清晰化四部分組成。完整的模糊控製流程模糊規則表是模糊控製 PID 的 核 心 ，作為 控 製規 則 寫 入 控 製 算 法 中 。 模 糊 控 製 表 一 般 是 通 過 系 統誤 差 e 的一階閉環曲線進行分析，如 表 1 所 示 即 為本 系 統 的 模 糊 規 則 表 。 4.2.2模 糊 PID 模糊 PID 控 製 是 20 世 紀 後 期 出 現 的 一 種 自適應調節算法， 在 其 使 用 過 程 中 無 需 依 靠 準 確 的 數 學模 型 ，只需 一 個“模 糊 模 型 ”就 能 達 到 良 好 控 製 效 果 。它是解決由於各種參數變化而導致時變、非線性系 統的非常有效的方法。模糊 PID控製 模糊控製器為兩輸入三輸出系統，輸入 為 誤 差值 和 誤 差 變 化 率 ，輸出 信 號 則 為 根 據 現 場 環 境 自調整的三個參數L\KP .._L\K, i L\Kd oPID控製器結構裏的比例系數 Kr、積分 系 數 K;、微 分 系 數 凡 分 別 由 初 始 設定 值 k 伽凡、凡和模糊控製輸出的三個參數組成， 從 而 實 現 模 糊 P ID 復合控製器參數的自適應調整， 最 終 會 輸出目標張力值[ 7一9] , 達成對離合器的扭矩控製。 5.仿真分析 根據電子拉力計在國標 GB/T 1040- 92 測得的應力與應變關系，本 系 統 采 用 的 磁 粉 離 合 器 額定扭矩為 2 Nm。 勵磁電流為 0.55 A;鋁電解電容卷繞材料的錐度張力應在 3 N~8 N 之 間 變 化 。 根 據磁 粉離合 器 的 使 用 手 冊 得 知 時 間 常 數 為 1.5s, 滯後時間為 仿真結果如圖 9 所示。圖 9(a)為傳統 PID 控製系統階躍響應 ，其動 態 指 標 具 體 為：延 遲 時 間 td= 0.3 s, 上升時間 t,.= 0.5 s, 峰值時間 tr= 0.7 s , 最大超調量 a %= 10.8%, 調節時間 1.5 s , 振蕩次數 N= 4 , 系統運行中出現了失調狀況。圖 9(b)為 Smith 預估補償模糊 PID 控製模型 ，其動 態 指 標 為：延 遲 時 間 t d= 2.3 S上升時間 tr= 0.4s , 峰值時間 tp = 0.5 s, 最大超調量a %= 10.5% , 調節時間 0.9s, 振蕩次數 N= l , 系統運行中無失調狀況發生。通過各項數據對比，Smith 預估補償模糊 PID 控製系統性能明顯優於傳統 PID 控製，能夠 達到預期控製效果。 6.結束語 從電解電容芯包卷繞運動情況入手，在建立其卷繞動力學模型的基礎上，策劃了基於磁粉離合器 的錐度張力卷繞系統。為了改善磁粉離合器的純滯後和系統時變的非線性間題 ， 采用Smith 補償控製和模糊 PID 控製兩種方式，搭建各自的數學模型在Simulink 中進行系統仿真進行對比。仿真表明系統具有穩定的性能和快速的響應。本策劃已被應用於某個電解電容器製造商的相關产品中。 |
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