高精度卷到卷制造过程的基板张力和横向偏移耦合建模与解耦控制

The coupling and control of the web tension and lateral displacement is the key problem in flexible high-precision roll-to-roll manufacturing process. The web tension and lateral displacement are modeling independently with distributed control in current research, which is hard to solve the coupling between the web tension, velocity and lateral displacement for the reason of the model uncertainties, such as time varying radius of the unwinding roll, velocity variations, and so on. To solve the above problems, the main research of the project is to study the multi-variable coupling model and decoupling control of the three axes unwinding system with three inputs and three outputs. The main content includes: Modeling of the coupling unwinding system, analyzing the coupling degree and relevant model variables. Studying the linear state space model of the coupling unwinding system and achieving dynamic decoupling of the web tension, velocity and lateral displacement based on state feedback decoupling and integral of time multiplied by absolute error (ITAE) optimal principles. Studying the decoupling conditions and stability of the nonlinear coupling unwinding system based on Lie algebra and Lyapunov function. Studying the decoupling control based on RBF nervous network and robust controller, to solve the cross coupling between the web tension, velocity and lateral displacement of the unwinding system. Developing a key control module with intellectual property for high-precision R2R manufacturing process based on the above theories and methods, to provide necessary technique for the precise flexible electronic device manufacturing.

张力和横向偏移的耦合与控制是柔性基板高精度卷到卷制造过程中的关键难题，现有方法都是对两者单独建模和分散控制，难以解决时变卷径和扰动等不确定性造成的张力、速度和横向偏移耦合问题，影响卷到卷制造工艺的精度。针对上述难题，本项目主要研究三轴卷绕放料系统的多变量耦合模型与解耦控制。主要内容包括：建立卷绕放料系统的三输入三输出耦合模型，揭示其耦合程度及相关模型参数的影响规律；研究耦合系统的线性状态空间模型，基于状态空间解耦控制和ITAE最优极点配置方法实现基板张力、速度和横向偏移的动态解耦；基于Lie代数、Lyapunov函数方法分析非线性耦合卷绕放料系统的解耦条件与稳定性；研究基于RBF神经网络和鲁棒控制器的解耦控制方法，解决卷绕放料系统的基板张力、速度和横向偏移之间的交叉耦合问题。应用上述理论和方法，开发具有自主知识产权的高精度卷到卷制造核心控制模块，为精密柔性电子器件制造提供必要的技术手段。

高精度卷到卷制造过程的基板张力和横向偏移耦合问题直接影响柔性产品的制造质量。针对上述难题，在本项目的资助下，研究了柔性基板拉伸应力和形变规律，为柔性电子制造工艺提供理论参考。通过基板动力学研究，基于基板张力、速度和横向偏移模型，建立了三轴放卷系统的非线性耦合模型，揭示其耦合关系及相关模型参数的影响。采用等效模糊滑模控制来消除张力和速度的耦合干扰，设计基于干扰程度的模糊规则自动调节控制律中的滑模面参数，快速有效地抑制扰动。为进一步消除抖振、抑制时变卷径和耦合干扰，结合指数和幂次趋近律优点，提出了一种改进切换控制律的等效滑模张力控制方法，提高了系统响应速度，有效抑制了抖振。针对放卷系统非线性模型的参数不确定和扰动问题，提出了一种模糊分数阶PID控制方法，显著提升了系统抗干扰性能。提出了一种插入式重复控制方法来消除辊轴偏心导致的张力周期性扰动。在放卷初始阶段的平衡点对非线性耦合模型进行线性化处理，基于ITAE极点配置的状态反馈解耦方法实现对基板张力、速度和横向偏移的动态解耦。基于Lie群理论求解放卷系统非线性耦合模型的解耦矩阵和向量相对阶，采用反馈线性化方法实现基板张力、速度和横向偏移的非线性解耦控制。将张力、速度和横向偏移子系统间的交叉耦合、不确定性和外部干扰作为复合干扰，基于RBF神经网络自适应鲁棒算法实现放卷系统的非线性解耦控制，通过控制律优化设计，大幅削弱张力和横向偏移的耦合。相关算法在卷绕输送实验平台上得到验证，为柔性电子卷到卷制造的控制技术奠定了坚实的基础。项目组在执行期间受项目资助共发表论文11篇，申请专利2项，培养研究生5名。