摘 要

在21世纪，燃料电池的发展十分迅速，由于它的高效能、无污染等优点，使它广泛应用于发电、机动车、移动设备等行业。其中，质子交换膜燃料电池应用最广泛，而膜电极的制造是生产过程中非常重要的一环，质子交换膜是一种柔性材料，在进行收放卷的时候，如果张力过小，卷绕时会产生褶皱，如果张力过大，会拉伸过大甚至导致薄膜卷材断裂，所以保持合适的张力尤为重要。

本文首先介绍了课题的研究背景和意义，概述了国内外张力控制系统的发展历程、研究现状，简要介绍了常用的张力控制方法、策略以及张力控制器的发展，然后对膜电极组件制作的工艺流程进行分析，将其简化为三个阶段：放卷、热压、收卷，对卷绕系统做动力学的研究，探求张力出现的原因，找出和张力大小相关的物理量。接下来设计张力控制器，通过下文分析可知薄膜的张力和前后辊轮线速度差有关，所以我们可以采用间接控制的方法，成本较低，通过控制卷绕速度来达到控制张力的目的，我们的目标转变为设计一个调速系统。首先建立所选电动机的数学模型，然后利用PID控制方法设计电流调节器和转速调节器，最终完成双闭环调速系统的设计，然后利用工程设计的方法，对调节器的参数进行整定，用MATLAB/SIMULINK仿真软件对控制效果进行验证。最后是硬件电路的设计，我们选用PLC和变频器，配合HMI完成张力控制系统的设计。

关键词：柔性材料，张力控制，PID控制，PLC

Abstract

The development of fuel cell is very rapid in the 21st century. Its advantage of highly efficient and pollution-free make it widely used in power generation, motor vehicles, mobile equipment and other industries. One of the most widely used is PEMFC and the production of Membrane electrode is a very important link in the production process.Proton exchange membrane made by a kind of flexible material what will appear fold when the tension is too small but fracture of thin film coil when the tension is too large. So it is very important to keep a suitable tension.

This article introduces background and significance of this research firstly. We overview the development history of the tension control system all over the world. We introduce the tension control methods, strategies, and the development of tension controller briefly. And then analyze the production process of the membrane electrode component to simplify it into three stages: rolling, hot pressing, winding. We explore the reason why tension appear and analyze the winding system to find the factor that influence tension. Then we design the tension controller. Through the analysis of the below we can know the tension of thin film is be affected by the Speed difference of the roller who is in the ahead and the other is in the back. So we can adopt the method of indirect control what is cheaper. Our target is to design a speed control system. First we need to establish a mathematical model of the selected motor. Then we need to design the current regulator and speed regulator by the PID control method. Design the double closed loop speed regulation system and set the parameters of the controller by the methods of engineering design and verify the control effect by the simulation software of MATLAB/SIMULINK. Design the hardware circuit at last. We chose to use PLC and the inverter to cooperate with the HMI to finish the design of tension controller system .

Keywords: flexible material；tension control；PID control；PLC

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景和意义 1

1.2 课题的国内外研究现状 2

1.3 张力控制方法、策略及其控制器的发展 3

第2章 膜电极生产线张力控制系统分析 5

2.1 膜电极生产的工艺流程 5

2.2 张力控制系统动力学分析 6

2.2.1 张力产生的原因 6

2.2.2 收放卷的受力分析 8

第3章 张力控制器设计 10

3.1 电动机数学模型 10

3.2 双闭环调速系统概述 12

3.3 电流调节器的设计 13

3.4 转速调节器的设计 16

第4章 张力控制系统参数设定及仿真 19

4.1 电流调节器仿真的参数设计 19

4.2 转速调节器仿真参数的设计 19

4.3 双闭环控制系统的仿真 20

第5章 张力控制系统硬件设计 24

5.1 硬件介绍 24

5.2 软硬件设计过程 24

5.2.1 变频器的参数设置 26

5.2.2 PLC程序编程 26

5.2.3 绘制触摸屏界面 28

第6章 总结与展望 31

致谢 32

参考文献 33

附录 34

附录A：电气接线图 34

附录B：系统结构图 35

附录C:PLC接口图 36

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

在工业控制领域，柔性材料生产线的张力控制系统占有重要的地位，在纺织、造纸、塑料、冶金、薄膜材料的制备等行业中都需要用到，因为在制造过程中往往要将产品进行卷绕。质子交换膜就是一种柔性材料，它是生产质子交换膜燃料电池（即PEMFC）必不可少的部分，也是本文所介绍的张力控制系统的对象。

当今世界，随着工业化的不断发展，人类对能源的需求逐渐提高，但是，传统能源的资源是有限的，在人类的消耗下不断地减少，并且能源的利用率很低，还会造成严重的环境污染，如火力发电，通过煤炭资源的燃烧产生热能来发电，其能量的转化率仅有30%左右，而且会排放大量的SO2等污染气体。随着经济的发展，人们的收入水平不断提高，汽车不再属于奢侈品，越来越多的人加入买车的行列，根据公安部交管局在2015年的统计，我国现有的机动车数量已接近3亿，在此之中，汽车的数量接近2亿，绝大部分都是用的汽油、柴油等传统燃料，用新能源驱动的汽车只有58.32万辆，而纯电力的就更少了，仅有33.2万辆，不足汽车总量的千分之二。相比之下石油资源正在一天天枯竭，中国的石油仍然需要大量的进口，在能源危机之下，更可怕的还有环境危机，两亿多机动车每天会产生惊人的有害气体，尤其是人口过于集中的大城市。所以，开发新的能源利用技术显得尤为重要，我们的科学家发明了燃料电池，它有很多优点，以下做具体介绍。

燃料电池的发电方式很先进，它不同于传统的火力发电，它可以直接将化学能转化为电能，无需以热能为中介，避免了大量的能量损失，所以其能量转化率大大提高了，转换效率在45%～60%，燃料电池不仅高效能，对环境也非常友好，它的的排放物大部份是水份，有些燃料电池虽然也排放二氧化碳，但其含量远远低于汽油的排放量，仅有其六分之一。同样发电1000千瓦时，燃料电池产生的污染气体不足30g，而一般的发电方式会产生超过10千克的污染物，两者相差太大。燃料电池的用途也非常的广泛，可用于军事、发电厂、机动车、移动设备等，尤其是现在国家大力发展新能源汽车，燃料电池技术在电动车领域有很重要的应用。燃料电池有很多种，其中，PEMFC是公认的电动汽车、固定发电站等的首选能源，因为它功率密度大、储存能量多，而且构造较为简单，使用起来很方便。质子交换膜燃料电池的核心部件就是膜电极组件，它的生产成本占燃料电池成本的60%，所以掌握制备它的技术对降低成本、推动燃料电池的发展有重要意义。膜电极组件主要由质子交换膜、催化剂等组成，膜电极组件的制备方法有很多种，其中直接涂抹法在实际生产中有广泛的应用，就是将催化剂直接涂覆在质子交换膜的两侧，在涂抹过程中需要卷绕输送，本文主要研究的就是在卷绕输送过程中的张力控制系统，因为张力的控制会直接影响到成品的质量，张力过大会使薄膜拉伸过大甚至导致断裂，张力过小可能使薄膜产生褶皱也会影响产品质量，所以合适的张力对于膜电极组件的生产十分重要，良好的张力控制系统在柔性材料的加工领域是通用的，对其它柔性材料生产线也有很重要的参考价值。