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电子张力器etc-5000，第1步接通电源。电源线由6根线组成，黄色，红色为电源线的正负极，黑色白色为断线报警的正负极，棕色蓝色为信号输入的正负极。接通电源后已显示屏量正在运行状态。第2步穿线。首先将线穿过导轮。然后穿过羊毛毡拧紧固定螺丝固定羊毛毡。接下来根据图上的是挂线是1进行挂线。接下来进行张力器的设定，我们可以通过加减来进行张力的大小进行控制。前面的百分比为第1段张力的大小，后面的精确克数为第二阶段张力的大小。我们可以长按在参数大小进行设置。
张力自动化控制系统集成规划的高科，本着对产品的不断创新。我们已经在电线，电缆，造纸，纺织，皮革，涂层等行业积累经验，为客户创造最大的经济效益。随着社会的进步，对产品质量的要求不断提高，我们有台湾张力控制系统，同时对张力控制产品的精度也要求越来越高，伴随着新老客户一直对我们的信任和支持。我们的产品将是你们最好的选择。
我们对目前的产品进行一个演示整套控制，采用市面上常用的普通马达和力矩变频器驱动控制，配备触摸屏显示各种数据，同时也与张力控制系统实时沟通。进行技术数据处理，整套演示机我们分为三个部分张力控制。全部采用动力马达和张力控制器反馈控制，首先我们看到三部分为放料控制。我们选用的动力放量控制模式转进会随着时间的变化而减小，采用数位式控制器进行控制，独特的也算使调试方便简单。 LED多屏显示让现场人员对运行状态轻松，掌握独有的动静惯量补偿，无需担心加减速过程，让操作人员快速上手进行操作，设定实时的张力传感器反馈。运行状态下可全程生产材料，张力控制了如指掌。
中间部分我们通常称为线上张力，控制外径是不断随着时间的变化而变化。主从马达在一定速度关系下加上实时的张力传感器反馈，修正从马达实时线速度，从而保证线上材料张力的恒定。此系统中我们目前控制比例精度达到1‰独有的加减速惯量补偿等功能。使材料在加减速过程中可以克服瞬间速度变化的动静惯量。始终保持线上材料的张力恒定性，高亮度的LED灯直观显示。多角度直接可读当前张力数值，从而实时了解当前张力数据。
我们再看下部分，这部分称为收卷部分。目前市面上收卷方式有两种，一种是中心收卷控制。一种是摩擦收卷控制，我们也是采用了中心收卷方式控制。这部分同样采用普通马达配置力矩，变频器驱动，配置数位式张力控制器。精确控制收卷材料的张力，肯定同时考虑有些软性材料在受损后出现的菊花状压痕。在我们张力控制器内部写入独有的计算方法，针对软性材料利用张力退绕功能。消除收卷后出现菊花状压痕，实施张力传感器反馈。让现场人员能快速直观发现材料实际张力运行情况。我们看整体运行过程中，机器张力控制效果及在加减速过程中张力的变化情况。在整个操作台上，我们可以看到有一个速度旋钮，用于控制机器的整体运行线速度。我们将旋钮顺时针实时加速过程中张力的变化，可以看到触摸屏上实时张莉的显示值。即当前运行线速度情况。我们将旋钮逆时针实时减速过程中张力的变化，情况同样在触摸屏上可以直观看到张力的实时显示值。即当前运行线速度情况。显示屏上显示当前限速度，18.7米每分钟，当前生产程度975米，设定长度2000米。 Pv3.29线上张力pv3.01收卷设定pv3.13，翻转张立SUV3.30，线上张力SUV3.00，收卷设定SUV3.16。
在薄膜材料卷绕产业中，张力控制是最关键的技术之一。卷绕过程中卷绕材料张力过大在纵向上容易造成褶皱，形成菊花状，甚至会使材料断裂；张力过小在横向上容易跑偏发生抽芯现象。而对于电解电容的芯包这一特殊的结构，要求芯包呈现内紧外松的形态，故在卷绕过程中要求采取锥度卷绕的方式，即卷绕张力随卷绕半径的变化而变化。通过控制卷绕系统执行机构的扭矩是一个很好的改变卷绕张力的方法，而磁粉离合器正是通过控制励磁电流来实现扭矩改变，且磁粉离合器的输入与输出为线性关系，因此这一方法在卷绕系统的执行机构中有广泛的应用。但是磁粉离合器是以磁粉材料为工作介质的，磁粉材料的磁滞效应会降低系统的响应时间。针对此问题，在此提出基于模糊 PID 与Smith 预估补偿控制机制的改进方法，并以 Simulink进行仿真分析。
基于磁粉离合器的电解电容卷绕张力系统研究
摘 要: 针对电解电容芯包卷绕过程中锥度张力控制问题，在详细分析卷绕过程中导致张力实时变化的因素的基础上，对磁粉离合器进行数学建模并研究相应的控制算法，设计实现了一种基于磁粉离合器的锥度卷绕控制系统。为满足系统对数学模型的较高要求及解决磁粉离合器在控制中存在纯滞后的问题，利用 Simulink 仿真工具建立模糊 PID 与 Smith 预估补偿控制。仿真结果表明在基于磁粉离合器的卷绕锥度张力控制系统中，使用模糊 PID 与 Smith 预估补偿控制可实现理想的控制效果。
Research on Electrolytic Capacitor Winding Tension System
Based on Magnetic Powder Clutch
ZHANG Xueheng 1 , ZHAO Qi 2 , WU Tianfeng 1, 3 , ZHOU Hua 1
(1.College of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China;
2.School of Mechatronics Engineering, Guizhou Minzu University, Guiyang 550025, China;
3.Guizhou Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Application, Guiyang 550025, China)Abstract: Aiming at the taper tension control problem in the winding process of electrolytic capacitorcore, based on the detailed analysis of the factors that lead to the real-time change of tension in thewinding process, the mathematical model of magnetic powder clutch is established and the correspondingcontrol algorithm is studied, and a taper winding control system based on magnetic powder clutch isdesigned and implemented. In order to meet the high requirements of the system for mathematical modeland solve the problem of pure lag in the control of magnetic powder clutch, fuzzy PID and Smithpredictive compensation control are established by using Simulink simulation tools. The simulation resultsshow that in the winding taper tension control system based on magnetic powder clutch, fuzzy PID andSmith predictive compensation control can achieve ideal control effect.Key words: Magnetic powder clutch;Taper tension control;Fuzzy PID;Smith predictive compensation
2 锥度张力分析
电解电容芯包卷绕系统由张力控制器、张力传感器、卷径检测传感器、磁粉离合器、功率放大器、牵引辊及驱动辊组成 [1] 。其控制系统机构如图 1 所示。改进设计采用直接张力检测方式，通过卷径检测传感器计算卷绕实时卷径，通过张力控制器中的锥度张力卷绕数学模型计算当前的张力，再把此张力设为卷绕系统期望值，并把由张力传感器测得卷绕的实际张力值作为反馈值，使得张力控制形成闭环，最终通过磁粉离合器控制驱动辊的扭矩，实现锥度张力控制 [2] 。
在电解电容芯包制造过程中要采取变张力，也就是锥度张力的方式进行卷绕。卷绕过程运动模型
如图 2 所示。图中 M d 为卷绕动作的制动转矩，M f 为摩擦阻力转矩，R 2 为卷绕的实时半径，棕 为空间角速度，F为材料所受张力。由此，卷绕机构力矩平衡方程为：其中，J 是收卷机构的等效转动惯量，由卷筒、隔膜材料、驱动轴三部分组成，其具体计算公式为：
其中，J R1 为卷绕轴芯的转动惯量，J R2 为卷绕材料的转动惯量，J r 为驱动轴的转动惯量，籽 1 为卷绕轴芯密度，籽 2 为材料密度，b 为材料宽度。由磁粉离合器可知 J r 为定值，又由式(2)可知，卷绕轴芯的转动惯量
J R1 也为一个定值，由此可得：其中，棕=V 2R 2，求导得：有了式(3)、(4)，即可通过(1)求得：式(5)即为卷绕过程中材料张力的动力学模型。由此可知，材料张力主要受到动态参数卷绕卷径 R 2 和卷绕速度 V 2 的影响，且卷绕线速度为 ，n 即为驱动轴的转速，当此转速不变时，R 2 即随时间增大，张力 F也就随之改变。故此，为确保铝电解电容芯包的卷绕质量，在卷绕过程采取锥度张力方式是必要的。
3 磁粉制动器原理及数学模型在本系统中选用的锥度张力执行机构为磁粉离合器。磁粉离合器在制动扭矩的过程中，由于发热问题，会导致其参数随时间变化，故要对磁粉离合器进行数学建模分析，且磁粉离合器的数学模型传递函数是系统仿真必需的参数 [3] 。如图 3 所示为磁粉离合器结构图。
由莫尔-库仑定理可知，离合器传递的扭矩 T 为：
图 1 卷绕张力控制系统结构
图 2 卷绕过程中的运动模型
收卷机构
张力控制器张力传感器牵引辊驱动辊功率放大器磁粉离合器、卷径检测器
图 3 本系统采用的磁粉离合器结构驱动体空隙驱动体轴托架驱动体磁隙励磁线圈从动体轴托架定子
3 期式中，D 和 L 为离合器定子的直径和宽度；B 为磁粉的磁感应强度；滋 0 为磁隙磁导率；滋 啄 为磁粉内部的磁导率。将式(6)作拉式变换，得到：在离合器内部由磁场欧姆定律可知：式中 N 为励磁线圈匝数，I 为线圈电流，R i 为铁磁阻，R d 为磁粉磁阻，L 为磁感线圈电感量，S d 为磁粉所作用的有效面积。
将式(8)作拉氏变换，得到：已知磁粉离合器的传递函数：将(7)和(8)联立，得：由式(11)可知，离合器的传递函数与磁粉、磁导率、磁感量等参数有关。这些参数会随离合器的使用时间而改变，从而引起离合器制动扭矩滞后的现象。根据此特性得到更精确的传递函数：式中 K 为扭矩放大系数，T 为时间常数，子 为离合器滞后时间。由公式(12)可知，离合器的传递函数为滞后一阶惯性环节，为了改善磁粉离合器的滞后性质，在此提出 Smith 补偿环节，在控制算法上用模糊 PID控制取代传统 PID 控制，以实现更准确的控制。
4 控制算法
4.1 Smith 预估控制
如上所述，磁粉离合器传递函数具有一阶纯滞后特性。纯滞后的单回路反馈控制系统如图 4。由图中可见传递函数包含纯滞后环节 郧(s)e -ts ，该环节使系统的响应时间变长。纯滞后时间足够长，系统将会发生失调状况，降低系统的工作效率，影响闭环系统的稳定性。如将 G(s)与 e -ts 分开，并以 G(s)为控制输出的传递函数，以 G(s)的输出信号作为反馈信号，则可降低纯滞后问题带来的不稳定性。为解决此问题，可引入一个与被控对象并联的补偿器，即称为 Smith 预估补偿器。补偿系统如图 5 所示。大部分 Smith 预测补偿系统中的控制系统是传统的 PID 控制，需要精确的数学模型，而基于磁离合器的张力控制系统是时变系统，难以得到准确的数学模型，所以传统的 Smith 控制系统不能满足该时变系统的要求。
4.2 模糊 PID 控制
4.2.1 模糊控制规则
模糊控制是根据写在控制器 CPU 里的规则表，通过自身学习和组织的功能，利用特定的语言变量建立映射关系，完成模糊推理，并将结果输出到控制器 [4-6] 。规则表是系统的偏差值、偏差变化量和系统输出之间的映射。模糊控制器由模糊化、知识库（模糊矩阵表）、模糊推理、清晰化四部分组成。完整的模糊控制流程如图 6 所示。模糊规则表是模糊控制 PID 的核心，作为控制规则写入控制算法中。模糊控制表一般是通过系统误差 e 的一阶闭环曲线进行分析，如表 1 所示即为本系统的模糊规则表。
4.2.2 模糊 PID
模糊 PID 控制是 20 世纪后期出现的一种自适应调节算法，在其使用过程中无需依靠准确的数学模型，只需一个“模糊模型”就能达到良好控制效果。它是解决由于各种参数变化而导致时变、非线性系统的非常有效的方法。模糊 PID 控制流程如图 7。
图 4 纯滞后的单回路反馈控制系统
图 5 Smith 补偿反馈控制系统模糊化 模糊推理 清晰化模糊规则表输入量化 输出量化
图 6 模糊控制流程图
张学恒等：基于磁粉离合器的电解电容卷绕张力系统研究 窑41窑微 处 理 机 2021 年模糊控制器为两输入三输出系统，输入为误差值和误差变化率，输出信号则为根据现场环境自调整的三个参数 驻K p 、驻K i 、驻K d 。PID 控制器结构里的比例系数 K p 、积分系数 K i 、微分系数 K d 分别由初始设定值 K p0 、K i0 、K d0 和模糊控制输出的三个参数组成，从而实现模糊 PID 复合控制器参数的自适应调整，最终会输出目标张力值 [7-9] ，实现对离合器的扭矩控制。各参数之间的关系如下式：式中 K p1 、K i1 、K d1 为转换比例系数。
5 仿真分析
根据电子拉力计在国标 GB/T 1040-92 测得的应力与应变关系, 本系统采用的磁粉离合器额定扭矩为 2Nm。励磁电流为 0.55A；铝电解电容卷绕材料的锥度张力应在 3N耀8N 之间变化。根据磁粉离合器的使用手册得知时间常数为 1.5s，滞后时间为0.5s。以此得到磁粉离合器的传递函数为：式中放大系数 K 小于 0，在仿真时取 K=0.8。在 Similink 上搭建传统 PID 控制和 Smith 预估补偿模糊 PID 控制模型，其中，模拟控制器的输入K e =0.5，K ec =4；输出的转换比例系数 K p1 =0.01、K i1 =0.001、K d1 =0.03。传统 PID 的初试设置参数为 K p0 =0.82，K i0 =0.13，K d0 =1。为仿真搭建的两种控制模型
图 9(a)为传统 PID 控制系统阶跃响应，其动态指标具体为：延迟时间 t d =0.3s，上升时间 t r =0.5s，峰值时间 t p =0.7s，最大超调量滓%=10.8%，调节时间 1.5s，振荡次数 N=4，系统运行中出现了失调现象。图 9(b)为 Smith 预估补偿模糊 PID 控制模型，其动态指标为：延迟时间 t d =2.3s，上升时间 t r =0.4s，峰值时间 t p =0.5s，最大超调量滓%=10.5%，调节时间 0.9s，振荡次数 N=1，系统运行中无失调现象发生。通过各项数据对比，Smith 预估补偿模糊 PID 控制系统性能明显优于传统 PID控制，能够达到预期。
张力传感器 被控对象 执行机构 D/A 模糊控制器
图 8 为仿真搭建的控制模型
(a) 传统 PID 控制模型
(b) Smith 预估补偿模糊 PID 控制模型
从电解电容芯包卷绕运动情况入手，在建立其卷绕动力学模型的基础上，设计了基于磁粉离合器的锥度张力卷绕系统。为了改善磁粉离合器的纯滞后和系统时变的非线性问题，采用 Smith 补偿控制和模糊 PID 控制两种方式，搭建各自的数学模型在Simulink 中进行系统仿真进行对比。仿真表明系统具有稳定的性能和快速的响应。本设计已被应用于某个电解电容器制造商的相关产品中。
