[논문]댄서롤이 장착된 웹 장력 제어시스템의 모델링 및 규명

이상화; 이재원; 이혁진

댄서롤이 장착된 웹 장력 제어시스템의 모델링 및 규명
Modeling and Identification of Web Tension Control System with Dancer Roll 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.26 no.11 = no.224, 2009년, pp.70 - 76

이상화 (대구전략사업단) , 이재원 (영남대학교 기계공학과) , 이혁진 (영남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Web tension control system recently have been applied to OLED(Organic Light-Emitting Diode), RFID of flexible material, e-Paper and PLED(Polymeric LED) and various web control algorithms have being developed for higher productivity and product quality These system need an accuracy model to design and implement controller. In this paper, the web tension control system with dancer roll is mathematically modeled. Mathematical model consists of 8 subsystems and each subsystems can be described as impedance structure which connected by velocity and tension. Mathematical model is different from the estimated model at high frequency range because of structure dynamics which is ignored on mathematical model. The estimated model is derived using ARMAX model. The controller is designed using the estimated model. The step response of the estimated model are compared with that of physical model for a validation of estimated model. The experimental results show a good match between them.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 실제 장력 시스템에 가까운 모델을 제공하여 설계된 제어기가 원하는 성능을 보장하도록 전체 장력시스템에 대해 시스템규명을 하였다. 그리고 시스템 규명을 통해 얻은 추정 모델과 수학적 모델을 비교 분석하였다.
하지만 시스템 규명시 모든 고주파수 특성을 포함시키면 시스템 전달함수의 차수가 과도하게 높아지고 고주파수 영역의 잡음이 포함되는 문제가 발생될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 추정 모델의 높은 차수를 피하고 고주파수 영역의 잡음을 차단하기 위해 100Hz 의 차단 주파수를 가지는 저역 통과 필터를 사용하여 로드셀 데이터를 필터링한 후 시스템 규명을 하였다.
그리고 웹 핸들링 (web handling)이란 이러한 웹을 제품으로 생산하기 위해서 제어하는 물리적 시스템이라고 할 수 있다. 웹 핸들링의 목적은 생산성 및 제품의 품질에 치명적인 영향을 미치는 주름, 끊어짐 또는 잘못된 표시 및 알림 등을 방지하는 데에 목적이 있다.

제안 방법

각 구동기에 이산 백색잡음인 GBN(Generalized Binary Noise)신호 &를 입 력하고 출력을 측정하였다. 그리고 이 5000 개의 입/출력 데이터를 이용하여 시스템 규명을 하였다.
감김롤, 풀림롤과 댄서롤이 있는 웹 핸들링 시스템에 대한 수학적 모델링을 유도하였다. 장력 모델의 물리적 의미는 롤러 간 선속도차에 의해 장력 변화가 발생한다는 것을 나타낸다.
하였다. 그리고 시스템 규명을 통해 얻은 추정 모델과 수학적 모델을 비교 분석하였다.
본 논문에서의 장력제어시스템은 Fig. 3 에서와같이 8 개의 부시스템(sub system)에 대해서 속도와 장력이 서로 연결되어 있는 임피던스 구조 (impedance structure)로 표현할 수 있다.
본 절에서는 4.1과 4.2 절에서 얻은 규명 모델에 대한 유효성 및 정확성을 확인하기 위해 실험모델과 추정 모델의 폐루프 계단응답을 비교하여보았다. Fig.
이러한 4 가지의 구조물 진동을 알아보기 위해 Fig. 5 와 같이 구조물에 대해 주파수 응답 특성을 분석 하였다. 17Hz-25Hz 의 구조물 진동(1 번)은 Fig.

대상 데이터

측정하였다. 그리고 이 5000 개의 입/출력 데이터를 이용하여 시스템 규명을 하였다.

이론/모형

여기서 시스템 규명 시 적용한 모델구조는 ARMAX 모델을 사용하였고 이 모델의 차수 결정은 MATLAB 의 System Identification Toolbox 를 이용하였다. 전체 시스템 규명 중 감김/풀림롤에 입력한 GBN 신호 대해 측정된 출력신호 7와 규명된 출력 신호 %를 Fig.

성능/효과

이는 수학적 모델을 이용하여 제어기를 설계할 경우 기대하는 성능을 얻지 못할 수 있다는 것을 의미한다. 그래서 규명 모델을 이용하여 제어기를 설계한 결과 기대하는 성능을 얻을 수 있었다. 또한 시스템 규명을 통해 얻은 전달함수를 이용하여 설계한 제어기의 이득을 실제 실험에 적용하여 기존의 시행착오법에 의해 이득을 구하는 방법을 대체함으로써 시간과 노력을 줄일 수 있었다.
이는 8 개의 부시스템(sub system)으로 구성되며, 각각의 부시스템은속도와 장력으로 연결되어 있는 임피던스 구조 (impedance structure)로 표현할 수 있다. 그리고 시스템 규명 시 구조물의 진동 주파수를 파악하여고주파수 영역을 필터링하여 규명모델의 차수가 과도하게 높아지는 것을 막을 수 있었다. 이렇게 얻은 규명 모델은 수학적으로 얻은 전달함수와 비교해 보면 고주파수 영역에서 차이가 있는 것을 확인할 수 있었다.
그래서 규명 모델을 이용하여 제어기를 설계한 결과 기대하는 성능을 얻을 수 있었다. 또한 시스템 규명을 통해 얻은 전달함수를 이용하여 설계한 제어기의 이득을 실제 실험에 적용하여 기존의 시행착오법에 의해 이득을 구하는 방법을 대체함으로써 시간과 노력을 줄일 수 있었다.
그리고 시스템 규명 시 구조물의 진동 주파수를 파악하여고주파수 영역을 필터링하여 규명모델의 차수가 과도하게 높아지는 것을 막을 수 있었다. 이렇게 얻은 규명 모델은 수학적으로 얻은 전달함수와 비교해 보면 고주파수 영역에서 차이가 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수학적 모델을 이용하여 제어기를 설계할 경우 기대하는 성능을 얻지 못할 수 있다는 것을 의미한다.

참고문헌 (7)

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Zhu, Y., "Multivariable system identification for process control," Elsevier Science, 2001
Lee, S.-H., "Experimental study on tension control of web handling system with dancer roll," Mechanical Engineering, Ph. D. Thesis, Yeungnam University, 2009

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