[发明专利]卷到卷系统的基板张力和横向偏移状态反馈解耦控制方法

说明书

本发明提供了卷到卷系统的基板张力和横向偏移状态反馈解耦控制方法，首先通过基板动力学的分析，建立包含基板张力、速度和横向偏移的非线性多变量耦合模型。然后，将非线性模型基于稳态工作点做线性化处理。进一步，基于状态反馈解耦方法设计解耦控制律，对线性化模型进行解耦。最后，为保证解耦后控制系统的动态性能，应用ITAE最优极点配置方法对解耦控制律进行优化。实现了卷到卷系统中基板张力和横向偏移的动态解耦，且张力和横向偏移能达到期望的动态特性。

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，具体涉及卷到卷系统的基板张力和横向偏移状态反馈解耦控制方法。

背景技术

卷到卷(Roll-to-Roll,R2R)制造技术用来加工连续的、柔性的带状基材，广泛应用于造纸、印刷、纺织、轧钢等传统领域，以及RFID标签、太阳能电池、柔性显示器等新兴领域。柔性基板的张力和横向偏移控制是卷到卷制造中的关键问题，目前卷到卷系统的控制结构以分散控制为主，张力和横向偏移均为独立建模和控制。卷到卷系统中的耦合问题集中在研究张力和速度的耦合与解耦控制，而实际上基板横向偏移与张力、速度也密切相关，三者存在耦合关系。在分散控制时通常将耦合问题作为外部扰动来处理，只能一定程度削弱耦合作用，效果并不理想。针对卷到卷系统中张力、速度和横向偏移耦合严重的区域，需要对多变量系统设计解耦控制律，实现输入输出解耦控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供卷到卷系统的基板张力和横向偏移状态反馈解耦控制方法，用于解耦卷到卷系统的张力、速度和横向偏移耦合问题。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：卷到卷系统的基板张力和横向偏移状态反馈解耦控制方法，包括以下步骤：

S1：根据对基板的纵向和横向动力学分析，分别建立卷到卷系统的基板张力模型、辊轴速度模型和基板横向偏移模型；

S2：根据耦合关系选择状态变量、输入变量和输出变量，将步骤S1得到的基板张力模型、辊轴速度模型和基板横向偏移模型整合成一个多变量非线性耦合模型；在系统稳态工作点附近将多变量非线性耦合模型线性化，得到卷到卷系统的基于状态空间表达的多变量线性耦合模型；

S3：将步骤S2得到的多变量线性耦合模型的解耦问题转化为将传递函数矩阵G(s)设计为非奇异对角矩阵的问题；采用状态反馈解耦理论和极点配置方法设计解耦控制器，实现卷到卷系统输入输出解耦，且使基板张力和基板横向偏移满足预期性能指标。

按上述方案，所述的步骤S1中，具体步骤为：

S11：设基板为理想弹性体，基板与辊轴之间无滑动，基板速度与辊轴速度相同；设对辊的黏滞摩擦系数、转动惯量、角速度、半径、控制输入电流和转矩常数分别为B_fd、J_d、ω_d、R_d、I_d和K_d；放卷辊的黏滞摩擦系数、转动惯量、角速度、半径、控制输入电流和转矩常数分别为B_fu、J_u、ω_u、R_u、I_u和K_u；基板横截面积为A，杨氏模量为E；基板内部摩擦引起的张力为T₀，T₀远小于T_u，取T₀＝0；放卷辊与对辊之间的基板跨距为l；根据质量守恒定律、胡克定律、力矩平衡得到基板张力T_u与放卷辊速度v_u和对辊速度v_d之间的关系，建立基板张力T_u的模型、放卷辊速度v_u的模型和对辊速度v_d的模型分别为：

S12：基板在输送过程中与辊轴之间遵循垂直进入法则，设杨氏模量为E，基板的横向偏移量为y，根据欧拉梁方程：