【摘要】 在放卷过程中，由于膜辊的卷绕直径和转动惯量随时间的变化，以及摩擦、辊筒布置等不确定因素的影响。

锂电池在新能源领域占有举足轻重的地位，其内部关键部件之一是隔膜。锂电池隔膜分切机（LBDSM）是将大直径、大宽度的锂电池隔膜卷分切成小直径、小宽度的工业设备。在分切过程中，隔膜张力和速度是保证产品质量的两个关键因素。放卷是分切机的核心部分，其主要目标之一是实现预期的膜片传动速度，同时将膜片张力引起的跟踪误差控制在一定范围内。

 

在放卷过程中，由于膜辊的卷绕直径和转动惯量随时间的变化，以及摩擦、辊筒布置等不确定因素的影响。放卷系统已成为一个多输入、多输出、非线性、强耦合、强干扰的复杂机电系统。膜片张力控制困难。LBDSM放卷系统物理框图如图1所示。

图1 采用的LBDSM（一）整机;（b）放卷系统侧视图;（c）放卷系统俯视图。

 

随着LBDSM向高速、高精度方向发展，工业绕组系统中常用的分布式PI型控制器已不能满足生产要求。因此，学者们在相关领域进行了大量的研究。在模型完善和轧辊控制方面，建立了腹板纵向动态模型。

 

研究了卷筒网缠绕系统的带气模型，通过仿真分析解释了带气对卷筒网张力波动的影响。使用Whitworth的跨张力动力学模型讨论了主动舞者在蛛网张力控制中的作用。讨论了用H1控制器控制舞辊来控制卷绕系统的卷筒网张力。研究了带钢连续加工生产线中蓄能器的动力学和控制研究了舞蹈演员在张力干扰衰减中的作用。

 

在系统控制算法方面，对于腹板张力控制系统，提出了一种重叠分解的方法，并指出不相交分解会由于相互作用而使控制性能下降，而重叠分解可以提高控制性能将2DOF H1控制算法应用于卷绕系统。提出了一种用于卷绕系统的鲁棒集中式H控制器。

 

研究了基于神经网络的卷绕系统腹膜张力控制器。提出了用于绕组系统的多变量分散H1控制器，具有一个或两个自由度，有或没有显式积分器，并考虑了两种不同的控制器结构:集中式控制器和有或没有重叠的半分散控制器。

 

在实际应用中，摩擦和干扰是影响系统控制性能的重要因素，提出了一种考虑摩擦补偿和干扰抑制等问题的方法提出了一种带有摩擦和惯性补偿的观测器，实现了卷绕系统腹板张力的无传感器测量和控制。提出了一种基于扰动观测器的卷对卷加工腹板张力控制方法。采用并行结构的迭代学习控制方法来抑制辊对辊张力控制问题中由于摩擦引起的周期性扰动。

 

估计了被扰动观测器干扰的腹板张力，开发了迭代学习滑模控制器。滑模控制方法因其鲁棒性和收敛性得到了广泛而持续的研究和应用于各个领域。然而，以上论文只是理论分析和仿真，控制对象与本文不一样，实验结果不能满足LBDSM的控制要求，实验环境过于简化，或者只进行了单一的张力期望控制实验，难以证明控制方案的适应性。

图2 LBDSM放卷系统原理图。

 

图3 系统控制框图。

 

为解决LBDSM实际放卷过程中膜片张力控制问题，根据实际LBDSM的工作原理，Jiang等人1建立了LBDSM放卷系统的数学模型，如图2所示，并采用分散控制策略。针对放卷电机的转矩控制，本文设计了以李雅普诺夫函数作为稳定性判据的滑模控制器。在此滑模控制器的基础上，根据分切机的实际工作情况对所设计的控制器进行了改进，提高了分切机在实际工作中的容错性。

 

同时，设计了基于微分跟踪器的微分跟踪干扰观测器，对系统运行过程中未知的外部干扰进行估计和补偿（系统框图如图3所示）。最后，实验结果表明，采用微分跟踪干扰观测器补偿的容错滑模控制器（FSMCDTDOC）对放卷系统中膜片张力具有良好的控制性能。由于主速辊只需要产生放卷系统的参考速度，所以经典PID控制可以达到很好的控制性能，所以控制算法在此不再详细描述。

 

1.Jiang, C.;  Wang, H. S.;  Hou, L. W.; Jiang, L. L., Sliding Mode Compensation Control for Diaphragm Tension in Unwinding Process of Lithium Battery Diaphragm Slitting Machine. IEEE Access 2020, 8, 21302-21313.

 

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