卷绕放料系统的基板张力和横向偏移建模与控制研究

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卷到卷制造工艺被广泛地应用于 RFID标签、柔性显示器、太阳能/燃料电池和印刷电子器件等柔性电子产品制备领域。卷绕放料系统位于卷绕生产装备的前部，其控制精度直接影响后续工位的工艺实时和产品加工质量，因此受到广泛的重视和研究。卷绕放料控制的核心问题是基板张力和横向偏移的控制，由于受到系统频繁启停、辊轴偏心、时变卷径和速度扰动等模型不确定性问题的影响、以及存在张力、速度与横向偏移的相互耦合作用的问题，基板张力和横向偏移控制往往难以获得满意的效果。
　　基于上述问题，本文对卷绕放料系统的基板张力和横向偏移建模与控制进行了系统研究，主要研究工作和创新点如下：
　　面向包含放料轴、对辊轴和纠偏轴的卷绕放料系统，建立了基板纵向、横向动力学和辊轴动力学，从而得到基板张力、速度和横向偏移模型。分析了基板速度、材料参数（杨氏模量、宽度、厚度）、跨距和卷径等因素对基板张力和横向偏移的影响。进一步建立了卷绕放料系统的三输入三输出耦合模型，以解决张力、速度和横向偏移之间的相互影响。
　　通过对三轴卷绕放料系统采取分散控制策略，将三个驱动轴分别设计为张力模式、速度模式和纠偏模式。基于 PID和前馈控制方法来控制基板张力和横向偏移，获得了较好的跟踪性能，显著减少了系统启停时造成的张力波动。提出了一种插入式重复控制方法来抑制辊轴偏心导致的基板张力和横向偏移周期性扰动，该方法能快速有效地抑制上述周期性扰动。
　　针对卷绕放料系统的时变卷径、速度扰动等模型不确定性问题，提出了一种不依赖于对象精确模型的DMC-PID预测控制算法来控制基板张力和横向偏移。该算法通过主回路DMC对局部时域的控制量进行滚动优化和反馈校正，副回路对扰动快速抑制，有效地增强了基板张力和横向偏移控制的鲁棒性。
　　为了解决基板张力、速度和横向偏移之间的强耦合问题，提出一种状态反馈解耦控制方法，以实现三输入三输出卷绕放料系统的解耦。同时，采用ITAE最优准则来配置解耦系统的极点，实现了卷绕放料系统的张力、速度和横向偏移的动态解耦，解耦系统的动态性能良好。
　　根据卷绕放料系统的基板张力和横向偏移的研究需求，构建了开放式结构的卷绕实验平台。对本文所提出的DMC-PID控制算法进行了实验验证，结果表明，DMC-PID控制方法能大幅改善张力和横向偏移的控制性能，且对时变卷径和速度扰动等模型不确定性问题具有较强的鲁棒性。
　　本文研究成果可为卷绕放料系统的张力和横向偏移控制提供理论依据和应用基础，相关控制模型和方法已经应用于RFID标签封装设备，具有较好的应用效果。

著录项

作者
熊涛;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科机械电子工程
授予学位博士
导师姓名熊有伦;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类自动控制、自动控制系统;
关键词
张力控制; 卷绕放料系统; 矩阵控制; 状态反馈解耦; 偏移建模;

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