CN114618752A - 一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统及方法，包括PLC控制器，所述PLC控制器电连接有数据采集设备和卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置，所述PLC控制器内设有ILC计算模块，所述ILC计算模块设有闭环ILC算法，所述ILC计算模块用于将数据采集设备采集的生产数据进行ILC计算，所述PLC控制器再将ILC计算的结果用于对卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置进行控制。本发明采用在线闭环控制算法，对重复性扰动具有在线学习机制，通过不断地重复对同一过程的控制及误差学习，实现克服重复性扰动。
Description
技术领域
本发明涉及涂布机技术领域，尤其是一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统及方法。
背景技术
涂布机：锂电池是由极片卷绕、堆叠、焊接及封装而成，极片是电源充放电的载体。极片制作工艺是制造锂电池的基础工艺，目前最为广泛应用的极片制作工艺是狭缝挤压式涂布，所使用的涂布设备称为涂布机。
模头：模头是涂布机的核心组件，通过模头而实现狭缝挤压，使浆料挤出后涂在基材上。
调节装置：传统的调整装置是手动装置，新型的调节装置是可自动控制的调节装置。调节装置主要的功能是通过上下移动，在模头原有的狭缝中形成一定的阻挡，从而起到调节通过狭缝的浆料的流量的作用，从而在一定范围内调整所涂浆料厚度，起到提高涂布均匀性的效果。调节装置可以是一个整体，也可以是多个相互独立的调节装置横向组成，横向多调节装置时可以调节浆料在横向上不同位置的流量。本发明适用于可自动控制的调节装置，无论多少个调节装置均可。
参考中国专利公开号为CN112676106B的一种整体式调节条涂布模头，涉及极片涂布技术领域；包括下模、上模、位于下模和上模之间的调节垫片、蓄液槽、挤液块、滑槽、调节条、调节装置；所述挤液块固接在调节垫片下侧，所述调节垫片使得上模和下模之间隔开从而形成出浆通道，所述蓄液槽和挤液块形成横截面为U字形的挤液通道，所述挤液通道一端被调节垫片封堵，所述挤液通道另一端和出浆通道连通，所述滑槽下端和出浆通道连通；所述调节条的材质为橡胶。该专利的调节条和调节杆连接牢固，调节条采用橡胶材质调节条，不含金属材质，涂布过程中在腔体压力以及流动的状态下，涂布浆料冲刷调节条的底部，调节条被磨损产生的是非金属材料，不会对锂电池带来安全隐患。
涂布机、模头、调节装置三者属于从属关系，模头是涂布机必不可少的重要核心组件，调节装置是模头上的部件。
涂布工艺介绍：以卷对卷涂布为例，以下主要介绍以模头为核心的涂布部分，其他部分与本方案相关性不大，不做描述。在涂布机模头的上半部分和下半部分中间形成狭缝，狭缝的出口处称为唇口。唇口与背辊之间保持一个微小的间距。基材通过背辊的转动而移动，移动速度为可控速度，根据工艺的不同而调整，但在同一工艺的生产中速度保持恒定。狭缝中的浆料成分、配比等由工艺而定。通过外部力量往狭缝中输送浆料，浆料从唇口溢出，接触到基材，并随着基材的移动被带走，后续新的浆料继续溢出，接触到基材。因此，在一定的工艺下，各参数达到动态平衡，即单位时间内模头挤出的浆料与背辊转动基材带走的浆料平衡，形成稳定的涂布。在没有干扰因素的情况下，涂布的厚度、宽度应维持恒定。但由于工业现场存在诸多干扰，无法长期维持稳定的厚度，因此，在不改变其他工艺参数的情况下，通过调节装置在狭缝中添加一定的阻碍，可以对涂布的厚度进行微调，使得涂布的厚度满足工艺要求。
对于传统的手动调节装置，只能通过现场工人对涂布效果的判断，进行手动的调整。调整过程不够及时，且耗时，因此只能对时间范围较大的干扰如厚度定向漂移做修正，而对小时间范围如毫秒级的干扰无法修正、克服。
新型的自动调节装置，由于其响应速度是毫秒级的，因此可以实现毫秒级的狭缝阻碍程度的改变，从而使得对毫秒级的干扰的减小或消除成为可能。但能否成功减小或消除干扰，取决于对自动调节装置的控制。若控制的不好，反而会引入更大的干扰。
通过对大量真实涂布数据的分析后，发现，由于背辊存在不可避免的瑕疵，比如不平整、不是绝对的圆形、不平衡即旋转中心与质量中心不重合、不对中即旋转中心与几何圆心不重合等问题，会给涂布过程引入一个固定的、具有周期性的扰动，且在现有的技术条件下，因为其他扰动如泵速的扰动、唇口到背辊间距的扰动等都已经得到了较好的控制，那么背辊扰动成为了目前存在的主要的、最大的扰动，是进一步提高涂布性能的瓶颈。
现有的对自动调节装置的控制，针对背辊扰动问题，仅采用普通的开环控制，通过足够的数据预估一个固定的背辊扰动后，加入调节装置的动作中。那么这样的方法存在诸多不足，包括：(1)预估一个较为准确的背辊扰动，需要在真实的生产过程中获得大量的实验数据，而这个过程往往会影响生产，导致报废，造成高额损失。(2)预估的背辊扰动不一定准确，达不到最优的效果。(3)预估的背辊扰动设置后无法自动调整，随着时间的发展，很多扰动会发生变化如背辊逐渐磨损等，则需要重新预估背辊扰动，否则调节作用下降。
发明内容
本发明解决了现有自动调节装置采用普通的开环控制调节欠佳的问题，提出一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统及方法，采用在线闭环控制算法，对重复性扰动具有在线学习机制，通过不断地重复对同一过程的控制及误差学习，实现克服重复性扰动。
为实现上述目的，提出以下技术方案：
一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统，包括PLC控制器，所述PLC控制器电连接有数据采集设备和卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置，所述PLC控制器内设有ILC计算模块，所述ILC计算模块设有闭环ILC算法，所述ILC计算模块用于将数据采集设备采集的生产数据进行ILC计算，所述PLC控制器再将ILC计算的结果用于对卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置进行控制。
本发明通过数据采集设备采集系统所需要的数据，PLC控制器对数据采集设备下达采集指令或其他控制指令、PLC控制器获取所采集的生产数据，ILC计算模块根据获取的数据进行ILC计算，PLC控制器将计算结果下发至卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置，对调节装置进行控制。PLC控制器同时可以获得卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置的信息，用于判断控制效果等用途。
作为优选，所述PLC控制器与上位机通讯连接。上位机可与PLC控制器进行通讯，上位机可给PLC控制器下达启停ILC算法等指令，上位机可从PLC控制器获得当前ILC运行情况等数据。
作为优选，所述数据采集设备包括面密度仪和转角编码器。面密度仪采集涂布产品的面密度或厚度、转角编码器采集或换算背辊转动角度。
一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制方法，适用于上述的一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统，包括以下步骤：
S1，设定初始控制率，并根据初始控制率控制卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置；同时实时获取生产数据；
S2，根据获取的生产数据计算误差，并判断误差是否满足要求，若否，进入S3，若是，反馈误差满足要求，再进行S4；
S3，利用闭环ILC计算控制率，并将计算得出的控制率替换初始控制率，再进行S4；
S4，判断是否结束迭代更新，若是，停止更新，若否，返回S1，判断的条件是当前的总误差大小满足要求或迭代次数达到上限，决定停止控制率的迭代更新。
作为优选，还包括终止程序，当PLC控制器控制卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置时，判断是否收到结束控制任务的指令，若是，结束控制，若否，PLC控制器维持控制卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置。
作为优选，所述生产数据包括一段时间内连续的面密度和背辊转动角度的时间序列数据，且生产数据至少包含一个完整背辊转动周期。
作为优选，若S3控制率发生过更新，迭代后S1在获取数据时需要等待一定的时间。该时间通过当前的背辊转动线速度乘以唇口到面密度仪距离计算得到，也就是等待更新的控制率作用在面密度上且能够被面密度仪所测量后，方能进行下一次迭代的数据获取步骤。
本发明的有益效果是：
(1)不需要提前做实验获得数据，节约成本。
(2)迭代学习控制使得算法在一定的有限的次数运行后，达到最优性能。
(3)无论被控对象(背辊扰动)随着时间的变化出现怎样的偏移，闭环的算法都能够跟随偏移，一直保持控制性能达标。
附图说明
图1是实施例系统结构示意图；
图2是实施例方法流程图；
图3是实施例ILC算法框图；
图4是实施例效果展示图。
具体实施方式
实施例：
本实施例提出一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统，参考图1，本实施例的卷对卷狭缝挤压设备为涂布机，因此包括PLC控制器，PLC控制器电连接有数据采集设备和涂布机模头调节装置，PLC控制器内设有ILC计算模块，ILC计算模块设有闭环ILC算法，ILC计算模块用于将数据采集设备采集的生产数据进行ILC计算，PLC控制器再将ILC计算的结果用于对涂布机模头调节装置进行控制。PLC控制器与上位机通讯连接。数据采集设备包括面密度仪和转角编码器。本发明通过数据采集设备采集系统所需要的数据，PLC控制器对数据采集设备下达采集指令或其他控制指令、PLC控制器获取所采集的生产数据，ILC计算模块根据获取的数据进行ILC计算，PLC控制器将计算结果下发至涂布机模头调节装置，对调节装置进行控制。PLC控制器同时可以获得涂布机模头调节装置的信息，用于判断控制效果等用途。上位机可与PLC控制器进行通讯，上位机可给PLC控制器下达启停ILC算法等指令，上位机可从PLC控制器获得当前ILC运行情况等数据。面密度仪采集涂布产品的面密度或厚度、转角编码器采集或换算背辊转动角度。
本实施例还提出一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制方法，参考图2，ILC控制包含两个进程在PLC中同时运行。
进程1中各个步骤为：
开始：ILC控制启动。
控制率初始化：根据数据分析、或经验、或以曾经的控制率给定一个初始控制率。
PLC控制调节装置：由PLC将控制率下发给调节装置，控制其动作。
是否结束控制任务：由上位机或现场操作人员下发的停止指令所决定。
结束：结束ILC控制任务。
进程2中各个步骤为：
开始：ILC控制启动。
获取数据：获得一段时间内连续的面密度、背辊转动角度的时间序列数据。获取的数据至少要包含一个完整背辊转动周期，也可以多个。若控制率发生过更新，则至少等待一定的时间(该时间通过当前的背辊转动线速度乘以唇口到面密度仪距离计算得到)，也就是等待更新的控制率作用在面密度上且能够被面密度仪所测量后，方能进行下一次迭代的数据获取步骤。
误差计算：根据实际面密度数据与期望值计算每一个背辊角度上的误差e，从而组成ek
控制率计算：由于背辊扰动是一个周期性扰动，在一定的时间范围内，不考虑长期磨损等因素，背辊的每一次转动造成的干扰相同，符合ILC算法所需要的假设。本实施例采用了PID型闭环ILC算法，可以写作：
uk+1(t)＝L(uk(t)，ek(t)，ek+1(t))
其中L又称为迭代学习的学习算法或更新规则，算法框图参考图3，采用PID型学习算法的ILC控制算法具体写作：
其中Φ，Ψ和Γ为学习增益矩阵。
根据当前的控制率uk、上一步计算的ek、预设的算法参数Φ、Ψ、Γ，计算uk+1。
控制率更新：用所计算的uk+1代替之前的uk成为新的控制率uk
是否结束迭代更新：由当前的总误差大小满足要求、或迭代次数达到上限，决定停止控制率的迭代更新。
进程1与进程2之间的关系为：当进程2计算出新的控制率后，将新的控制率发送给进程1，进程1将用新的控制率替换原有的控制率，继续进程1的控制操作。若进程2停止更新控制率，进程1将保持使用最后一次更新的控制率，继续进行调节装置控制，直到进程1结束。
本实施例以含有多个横向调节装置的模头自动调节装置中的其中一个的ILC控制为例。参考图4，在7000毫秒时刻之前，调节装置没有启用本发明的ILC控制，而从7000毫秒时刻开始，系统启用了本发明的ILC控制。由于面密度检测延迟距离的存在，实际操作在5000毫秒时刻开启ILC，经过2000毫秒后达到面密度仪的安装处。从图4可以清晰的看到，在启动了ILC控制后，涂布产品的面密度也就是厚度的周期性的波动明显的减小，涂布产品的厚度更加均匀一致。
Claims (7)
1.一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统，其特征是，包括PLC控制器，所述PLC控制器电连接有数据采集设备和卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置，所述PLC控制器内设有ILC计算模块，所述ILC计算模块设有闭环ILC算法，所述ILC计算模块用于将数据采集设备采集的生产数据进行ILC计算，所述PLC控制器再将ILC计算的结果用于对卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统，其特征是，所述PLC控制器与上位机通讯连接。
3.根据权利要求1所述的一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统，其特征是，所述数据采集设备包括面密度仪和转角编码器。
4.一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制方法，适用于权利要求1所述的一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制系统，其特征是，包括以下步骤：
S1，设定初始控制率，并根据初始控制率控制卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置；同时实时获取生产数据；
S2，根据获取的生产数据计算误差，并判断误差是否满足要求，若否，进入S3，若是，反馈误差满足要求，再进行S4；
S3，利用闭环ILC计算控制率，并将计算得出的控制率替换初始控制率，再进行S4；
S4，判断是否结束迭代更新，若是，停止更新，若否，返回S1，判断的条件是当前的总误差大小满足要求或迭代次数达到上限，决定停止控制率的迭代更新。
5.根据权利要求4所述的一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制方法，其特征是，还包括终止程序，当PLC控制器控制卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置时，判断是否收到结束控制任务的指令，若是，结束控制，若否，PLC控制器维持控制卷对卷狭缝挤压设备模头调节装置。
6.根据权利要求4所述的一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制方法，其特征是，所述生产数据包括一段时间内连续的面密度和背辊转动角度的时间序列数据，且生产数据至少包含一个完整背辊转动周期。
7.根据权利要求4所述的一种卷对卷狭缝挤压设备调节装置的控制方法，其特征是，若S3控制率发生过更新，迭代后S1在获取数据时需要等待一定的时间。
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