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    Technical Q & A 技術問答

    磁粉離合器的電解電容卷繞張力系統
    來源: 點擊數:3674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 州省光電子技術及應用重點實驗室,貴陽 550025 )

    摘 要: 針對電解電容芯包卷繞過程中錐度張力控制問題, 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并研究相應的控制算法,設計實現了 一種基于磁粉離合器的錐度卷繞控制系統。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制中存在純滯后的問題,利用 Simulink 仿真工具建立模糊 PID 與 S mith 預估補償控制。仿真結果表明在基于磁粉離合器的卷繞錐度張力控制系統中,使用模糊 PID 與 S mith 預估補償控制可實現理想的控制效果。
    關鍵詞: 磁粉離合器;錐度張力控制;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,驢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 產 業 中 ,張力 控 制 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 橫 向 上 容 易 跑 偏 ,發生 抽 芯 現 象 。 而 對于 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 制 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制勵   磁電流來實現扭矩改變,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 于 模 糊 P I D 與Smith 預估補償控制機制的改進方法,并以 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制器、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嘰 其控制系統機構如圖 1 所示。改進設計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,通過張力控制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,并把由張力傳感器測得卷繞的實際張力值作為反饋值,使得張力控制形成閉環,最終通過磁粉離合器控制驅動棍的扭矩,實現錐度張力控制嘰
    在電解電容芯包制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 為卷繞動作的制動轉矩 ,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磁粉制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。磁粉離合器在制動扭矩的過程中,由 于 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制系統是傳統的 PID 控 制 ,需 要 精 確 的 數 學 模 型 ,而基 于 磁 離合 器 的 張 力 控 制 系 統 是 時 變 系 統 ,難 以 得 到 準 確 的數 學 模 型 ,所 以 傳 統 的 Smith 控制系統不 能滿足該時變系統的要求。
    4.2模糊 P ID 控制
    4.2.1模糊控制規則
    模糊控制是根據寫在控制器 CPU 里的規則表, 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,并將結果輸出到控制 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。模糊控制器由模糊化、知識庫(模糊矩陣表)、糊模推理、清晰化四部分組成。完整的模糊控制流程模糊規則表是模糊控制 PID 的 核 心 ,作為 控 制規 則 寫 入 控 制 算 法 中 。 模 糊 控 制 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 制 是 20 世 紀 后 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 制 效 果 。它是解決由于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控制
    模糊控制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控制器結構里的比例系數 Kr、積分 系 數 K;、微 分 系 數 凡 分 別 由 初 始 設定 值 k 伽凡、凡和模糊控制輸出的三個參數組成, 從 而 實 現 模 糊 P ID 復合控制器參數的自適應調整, 最 終 會 輸出目標張力值[ 7一9]   ,  實現對離合器的扭矩控制。
    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, 滯后時間為
    仿真結果如圖 9 所示。圖 9(a)為傳統 PID 控制系統階躍響應 ,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現象。圖 9(b)為 Smith  預估補償模糊 PID 控制模型 ,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 , 系統運行中無失調現象發生。通過各項數據對比,Smith 預估補償模糊 PID 控制系統性能明顯優于傳統 PID 控制,能夠 達到預期控制效果。
    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,設計了基于磁粉離合器 的錐度張力卷繞系統。為了改善磁粉離合器的純滯后和系統時變的非線性間題 , 采用Smith 補償控制和模糊 PID 控制兩種方式,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。本設計已被應用于某個電解電容器制造商的相關產品中。

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