柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法技术方案

本发明专利技术公开了柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法，包括如下步骤：1)卷绕系统分段：按照柔性基材的卷绕方向，将卷绕系统分为开卷段、第一过程段、主驱段、第二过程段和收卷段五个控制区段；2)卷绕系统建模：分别对所述开卷段、第一过程段、第二过程段和收卷段的柔性基材的张力和速度动态模型建模，同时对所述主驱段的柔性基材速度动态模型建模；3)跟随误差动态模型建模：在系统稳态情况下，计算控制器的输入，以保持各个控制区段中的柔性基材的张力和速度与其设定值的控制要求匹配，并提出补偿控制策略以克服扰动因素；4)分布式鲁棒控制器设计：基于所述跟随误差动态模型，设计分布式鲁棒控制器。

Construction method of distributed following error control model for flexible substrate winding system

The invention discloses a method for constructing a distributed following error control model of a flexible substrate winding system, which comprises the following steps: 1) winding system is divided into five control sections: uncoiling section, first process section, main drive section, second process section and winding section according to the winding direction of the flexible substrate; 2) winding system; Modeling: Modeling the tension and velocity dynamic models of the flexible substrate in the uncoiling section, the first process section, the second process section and the winding section respectively, and modeling the velocity dynamic model of the flexible substrate in the main drive section; 3) Modeling the following error dynamic model: calculating the input of the controller to maintain the stability of the system The tension and speed of flexible substrate in each control section match the control requirements of the set values, and a compensation control strategy is proposed to overcome the disturbance factors. 4) Distributed robust controller design: Based on the dynamic model of the following error, a distributed robust controller is designed.

【技术实现步骤摘要】
柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法
本专利技术涉及一种卷绕系统的张力控制模型，具体的为一种柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法。
技术介绍
在上世纪80年底以前，卷到卷张力控制系统一般以模拟器件为主，系统的控制精度一般较低。进入90年代以后，随着机电制造技术、电力电子技术、计算机技术和检测技术的发展，专用控制器件有了飞速的发展，出现了多种形式的张力控制器。近年来，随着生产要求的提高，张力控制越来越趋向于精密化。传统张力控制中所忽略的摩擦力、空气因素、卷径偏心率被越来越多的学者关注，特别是在卷到卷输送过程中，张力与纠偏控制之间相互影响、相互制约的关系成为了张力控制中的热点问题。一般来说，张力控制系统分为开环控制系统与闭环控制系统两大类。开环控制系统就是利用一些机械特性较软的电机或者特殊的机构来实现张力的开环控制，这种方式能满足较低的张力控制要求。目前，比较常见的开环张力控制系统包括：1)浮动辊型张力控制系统：通过调节浮动辊的质量来调整基板张力的调节。实际生产实践中可以采用增减浮辊配重盘的方式来实现。它的优点在于结构简单，成本较低。其特别适用于低速、低张力控制要求的收放料场合，也可以用于设备输送模块之间的衔接场合。其缺点为浮辊安装需要额外的空间；在非连续输送场合，浮动辊上下浮动时存在加减速冲击，而在连续输送场合，浮辊在到达上下限位时的动作也会引入加减速冲击，进而引起张力波动。2)弹簧摆臂式张力控制系统：包括摆臂辊轴、弹簧、上下位传感器等。该系统的控制原理与浮动辊式张力控制系统类似。该系统中，张力大小是通过调节弹簧压缩量来实现的。与浮动辊式张力控制系统类似，该系统结构简单、成本较低。缺点是该系统甚至比浮动辊张力控制系统需要空间更大；张力控制精度不高；浮辊的摆动也是导致张力波动的因素，但是由于弹簧的使用，相对浮动辊机构稳定一些。3)磁粉制动器(离合器)张力控制系统：根据电磁原理和利用磁粉传递转矩，具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系的特点。在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动等优点。磁粉制动器(离合器)通过设定其励磁电流可以达到开环张力控制的要求。在造纸、印刷、塑料、橡胶、纺织等实际工程应用中，磁粉制动器常作为放料张力控制系统，其后很少连接驱动电机，而磁粉离合器一般与驱动电机配合使用进行收料张力控制。在间接张力控制系统中，往往采用张力观测器来估计系统张力值，避免了应用张力传感器。Valenzuela等采用了电控式制动双棍机构作为张力估测器。Seung‐HoSong等提出了一种用于连续卷绕输送的张力控制器，该控制器电机扭矩平衡原理构造张力观测器，而后控制电机电流来进行薄膜张力控制。闭环张力控制系统又可分为有张力传感器的直接张力控制系统、没有张力传感器的间接张力控制系统。直接张力控制系统采用张力传感器获取张力检测信号形成反馈闭环控制，张力检测元件的精度直接影响张力控制的精度，目前国内外研究主要集中在张力检测元件的开发上。间接张力控制系统基于张力控制理论模型，找出系统中影响张力的所有电气物理量，并对这些物理量进行控制。间接张力控制系统中，控制算法直接影响张力控制精度,国内外对间接张力控制系统的研究主要集中在控制算法上。目前新型的智能算法正越来越多的应用到张力控制中。在直接张力控制系统中，MatthewD.Baumgart等提出了基于李雅普诺夫稳定性理论的张力鲁棒控制方法用于非线性薄膜输送系统，XiaohuiLiu等利用模糊控制算法对阐述变化不敏感、鲁棒性好的特点，将其用于时变、非线性的冷压系统中。Chen等提出了一种利用滑膜控制抑制系统非确定因素影响的控制方法，采用神经网络方法估计系统中常见的非确定干扰因素，如系统参数、外界干扰等。在间接张力控制系统中，往往采用张力观测器来估计系统张力值，避免了应用张力传感器。Valenzuela等采用了电控式制动双棍机构作为张力估测器。Seung‐HoSong等提出了一种用于连续卷绕输送的张力控制器，该控制器电机扭矩平衡原理构造张力观测器，而后控制电机电流来进行薄膜张力控制。然而，现有的闭环张力控制系统虽然在一定程度上能够提高张力控制精度，但是并没有对跟随误差进行控制。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法，能够控制卷绕系统中的跟随误差。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法，包括如下步骤：1)卷绕系统分段：按照柔性基材的卷绕方向，将卷绕系统分为开卷段、第一过程段、主驱段、第二过程段和收卷段五个控制区段；2)卷绕系统建模：分别对所述开卷段、第一过程段、第二过程段和收卷段的柔性基材的张力和速度动态模型建模，同时对所述主驱段的柔性基材速度动态模型建模；3)跟随误差动态模型建模：在系统稳态情况下，计算控制器的输入，以保持各个控制区段中的柔性基材的张力和速度与其设定值的控制要求匹配，并提出补偿控制策略以克服扰动因素；4)分布式鲁棒控制器设计：基于所述跟随误差动态模型，设计分布式鲁棒控制器。进一步，所述步骤1)中，所述第一过程段和第二过程段均包括至少一个过程输送机构；沿着所述柔性基材的卷绕方向，令所述开卷段的驱动电机为驱动电机M1，令所述主驱段的驱动电机为驱动电机MM，令所述收卷段的驱动电机为驱动电机MN；则，所述第一过程段的所有驱动电机依次为M2、M3、……、MM-1，所述第二过程段的所有驱动电机依次为MM+1、MM+2、……、MN-1，其中，M和N均为正整数，且2＜M＜N-1；Ui为第i台驱动电机的输入转矩，Vi为第i个驱动轴的线速度，Li为第i+1根驱动轴与第i根驱动轴之间的膜长，Tri为第i个驱动轴的张力设定值，Ni为驱动电机Mi的输出轴与驱动轴的齿轮比；Vri为主驱段的驱动电机Mi的速度设定值。进一步，所述步骤2)中，卷绕系统建模的方法如下：21)开卷段建模：所述开卷段的柔性基材的张力模型为：开卷段的柔性基材的速度动态模型为：其中，L1为M1与M2之间的柔性基材的长度，E为杨氏弹性模量，S为薄膜卷材截面积，T0为开卷机处薄膜的缠绕张力；J1为所述开卷段的有效转动惯量：Hw为柔性基材的厚度；J1(t)＝N12Jm1+Jc1+JR1(t)其中，N1是开卷段驱动电机输出轴与驱动轴的齿轮比，Jm1为电机侧转动惯量，Jc1为驱动轴转动惯量，JR1(t)为附着在开卷辊上柔性基材的转动惯量，Jm1和Jc1为常量，而由于开卷段的驱动轴上的柔性基材的卷径持续减少，因此JR1(t)为变量：其中，B为柔性基材的宽度，ρ为柔性基材的密度，R1c为开卷段驱动轴的半径，R1(t)为开卷段的驱动轴上的柔性基材的实时卷径；22)第一过程段建模：第一过程段的柔性基材的张力模型为：第一过程段的柔性基材的速度动态模型为：其中，μfj为第一过程段驱动电机Mj的输出轴的摩擦系数，Nj是第一过程段驱动电机Mj的输出轴与驱动轴的齿轮比；j为正整数，且1＜j＜M；Jj为第一过程段中的第j个过程输送机构的有效转动惯量；23)主驱段建模：主驱动的柔性基材的速度动态模型为：其中，μfM为主驱段的驱动电机MM的输出轴的摩擦系数；JM为主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法，其特征在于：包括如下步骤：1)卷绕系统分段：按照柔性基材的卷绕方向，将卷绕系统分为开卷段、第一过程段、主驱段、第二过程段和收卷段五个控制区段；2)卷绕系统建模：分别对所述开卷段、第一过程段、第二过程段和收卷段的柔性基材的张力和速度动态模型建模，同时对所述主驱段的柔性基材速度动态模型建模；3)跟随误差动态模型建模：在系统稳态情况下，计算控制器的输入，以保持各个控制区段中的柔性基材的张力和速度与其设定值的控制要求匹配，并提出补偿控制策略以克服扰动因素；4)分布式鲁棒控制器设计：基于所述跟随误差动态模型，设计分布式鲁棒控制器。

【技术特征摘要】
1.一种柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法，其特征在于：包括如下步骤：1)卷绕系统分段：按照柔性基材的卷绕方向，将卷绕系统分为开卷段、第一过程段、主驱段、第二过程段和收卷段五个控制区段；2)卷绕系统建模：分别对所述开卷段、第一过程段、第二过程段和收卷段的柔性基材的张力和速度动态模型建模，同时对所述主驱段的柔性基材速度动态模型建模；3)跟随误差动态模型建模：在系统稳态情况下，计算控制器的输入，以保持各个控制区段中的柔性基材的张力和速度与其设定值的控制要求匹配，并提出补偿控制策略以克服扰动因素；4)分布式鲁棒控制器设计：基于所述跟随误差动态模型，设计分布式鲁棒控制器。2.根据权利要求1所述的柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述第一过程段和第二过程段均包括至少一个过程输送机构；沿着所述柔性基材的卷绕方向，令所述开卷段的驱动电机为驱动电机M1，令所述主驱段的驱动电机为驱动电机MM，令所述收卷段的驱动电机为驱动电机MN；则，所述第一过程段的所有驱动电机依次为M2、M3、……、MM-1，所述第二过程段的所有驱动电机依次为MM+1、MM+2、……、MN-1，其中，M和N均为正整数，且2＜M＜N-1；Ui为第i台驱动电机的输入转矩，Vi为第i个驱动轴的线速度，Li为第i+1根驱动轴与第i根驱动轴之间的膜长，Tri为第i个驱动轴的张力设定值，Ni为驱动电机Mi的输出轴与驱动轴的齿轮比；Vri为主驱段的驱动电机Mi的速度设定值。3.根据权利要求2所述的柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法，其特征在于：所述步骤2)中，卷绕系统建模的方法如下：21)开卷段建模：所述开卷段的柔性基材的张力模型为：开卷段的柔性基材的速度动态模型为：其中，L1为M1与M2之间的柔性基材的长度，E为杨氏弹性模量，S为薄膜卷材截面积，T0为开卷机处薄膜的缠绕张力；J1为所述开卷段的有效转动惯量：Hw为柔性基材的厚度；其中，N1是开卷段驱动电机输出轴与驱动轴的齿轮比，Jm1为电机侧转动惯量，Jc1为驱动轴转动惯量，JR1(t)为附着在开卷辊上柔性基材的转动惯量，Jm1和Jc1为常量，而由于开卷段的驱动轴上的柔性基材的卷径持续减少，因此JR1(t)为变量：其中，B为柔性基材的宽度，ρ为柔性基材的密度，R1c为开卷段驱动轴的半径，R1(t)为开卷段的驱动轴上的柔性基材的实时卷径；22)第一过程段建模：第一过程段的柔性基材的张力模型为：第一过程段的柔性基材的速度动态模型为：其中，μfj为第一过程段驱动电机Mj的输出轴的摩擦系数，Nj是第一过程段驱动电机Mj的输出轴与驱动轴的齿轮比；j为正整数，且1＜j＜M；Jj为第一过程段中的第j个过程输送机构的有效转动惯量；23)主驱段建模：主驱动的柔性基材的速度动态模型为：其中，μfM为主驱段的驱动电机MM的输出轴的摩擦系数；JM为主驱段的有效转动惯量；24)第二过程段建模：第二过程段的柔性基材的张力模型为：第二过程段的柔性基材的速度动态模型为：其中，μfk为第二过程段驱动电机Mk的输出轴的摩擦系数，Nk是第二过程段驱动电机Mk的输出轴与驱动轴的齿轮比；k为正整数，且M＜k＜N；Jk为第二过程段中的第k个过程输送机构的有效转动惯量；25)收卷段建模：收卷段的柔性基材的张力模型为：收卷段的柔性基材的速度动态模型为：μfN为过程段电机轴摩擦系数，NN是收卷段电机轴与传动辊轴的齿轮比；JN为所述开卷段的有效转动惯量：其中，JmN为电机侧转动惯量，JcN为驱动轴转动惯量，JRN(t)为附着在收卷辊上柔性基材的转动惯量，JmN和JcN为常量，而由于开卷段的驱动轴上的柔性基材的卷径持续减少，因此JRN(t)为变量：其中，B为柔性基材的宽度，ρ为柔性基材的密度，RNc为开卷段驱动轴的半径，RN(t)为开卷段的驱动轴上的柔性基材的实时卷径。4.根据权利要求3所述的柔性基材卷绕系统的分布式跟随误差控制模型构建方法，其特征在于：所述步骤3)中，跟随误差动态模型建模的方法如下：令：Tci＝Ti-Tri，其中Ti，Tri和Tci分别为第i个驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖雪超，陈振寰，周游，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42