KR20100001880A - 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀장력제어 장치 및 방법 - Google Patents

연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀장력제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 연속공정 롤투롤 시스템에서 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 외란 주파수 및 크기를 검출하는 과정; 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 시스템 로드셀 및 앰프의 동작특성을 검출하는 과정; 댄서를 이용한 정밀제어 장치에 공급되는 웹(web)의 이송거리 및 이송속도에 의한 시정수와 필터링 효과를 검출하는 과정; 및 댄서를 이용한 정밀제어 장치 전체의 전달함수 극점(pole)과 영점(zero)을 검출하는 과정; 을 포함하여 이루어지는 구성과, 연속공정 롤투롤 시스템에서 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 외란 주파수 및 크기를 검출하는 수단; 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 시스템 로드셀 및 앰프의 동작특성을 검출하는 수단; 댄서를 이용한 정밀제어 장치에 공급되는 웹(web)의 이송거리 및 이송속도에 의한 시정수와 필터링 효과를 검출하는 수단; 및 댄서를 이용한 정밀제어 장치 전체의 전달함수 극점(pole)과 영점(zero)을 검출하는 수단; 을 포함하여 이루어지는 구성을 특징으로 하여, 로드셀 또는 댄서를 이용한 PID 장력제어기에서 근궤적 선도 및 시스템 극점, 영점 분석을 통해 PID 장력제어기 게인값을 결정하는 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용하여 전자소자를 정밀하게 인쇄하고, 롤투롤 시스템의 외란 발생요인부터 분석하여 장력외란신호의 필터링 효과와 장력 측정 장치인 댄서 또는 로드셀 및 앰프의 동특성이 고려하므로, 인쇄된 전자소자에 불량이 발생하지 않도록 하는 효과가 있다.
장력제어기, 주파수 영역, 설계, 롤투롤, 고속 인쇄, 전자소자 인쇄

Description

연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 장치 및 방법{Precise tension control apparatus by dancer system in continuous roll-to-roll systems and method thereof}
본 발명은 연속공정 롤투롤 시스템에서 소재 이송 중에 발생하는 장력외란을 댄서를 사용하여 제어하는 것으로, 특히, 댄서 시스템의 운전조건을 통하여 장력외란을 측정 혹은 계산하고, 장력외란을 댄서 전후에 위치한 구동롤의 속도를 통하여 제어함으로서 정밀 장력제어를 가능하게 하는 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
웹이란 필름, 제지, 철강, 섬유등과 같이 유연하고 길이 방향으로 연속적인 소재를 의미하며, 많은 산업 현장에서 웹의 형태로서 압연 코일 혹은 필름, 제지등과 같은 중간 혹은 최종 단계의 생산품을 저장하고 있다. 이러한 웹 소재를 이송, 가공, 인쇄 및 저장하기 위한 연속공정시스템은 와인더 (winder), 언와인더 (unwinder), 여러 개의 드라이븐 롤러 (driven roller) 및 아이들롤 (idle roll)로 구성된다.
롤투롤 시스템에서 장력을 제어하는 방법은 크게 두 가지로, 첫 번째는 댄서의 변위를 측정하여 댄서 기준위치와의 차이인 에러값을 PID 제어기에 입력하여 구동롤의 속도를 제어하는 간접적인 방법이며 두 번째는 로드셀로 스팬 내의 장력을 직접 측정하여 기준 장력과의 차이인 에러값을 PID제어기에 입력하여 구동롤의 속도를 제어하는 직접적인 방법이다.
도 1 은 종래 기술의 일례에 의한 것으로 웹 소재를 이용하여 인쇄하는 연송공정 시스템의 개략 설명도 이다.
상기 도 1 을 설명하면, 웹소재(OPP, PET, 종이 등)를 roll-to-roll 공정을 이용하여 이송하며 인쇄하는 대표적인 연속공정 롤투롤 시스템을 컨버팅 머신이라고 한다.
종래 기술에 의한 일반적인 연속공정 시스템은 언와인더, 와인더, 인피더 (infeeder), 아웃피더 (outfeeder) 등으로 구성되며 인피더와 아웃피더 사이에 프린팅 (printing), 드라잉 (drying)과 같은 공정이 존재한다.
상기 프린팅에서, 일정한 수준이상의 프린팅 품질을 유지하기 위해서는 프린팅공정으로 유입되는 웹 소재가 균일한 장력(현장에서는 운전장력 기준 2%의 장력제어를 요구)을 유지하는 것이 필수요건이다.
상기와 같은 장력제어를 위해 언와인더와 인피더에 댄서시스템(dancer systems)을 장착하여 장력을 제어하고 있으며, 장력오차의 크기가 웹소재의 프린팅 품질에 직접적인 영향을 주게 된다.
도 2 는 종래 기술의 일례에 의한 것으로 연속공정 롤투롤 댄서 시스템의 동작원리 설명도 이다.
댄서롤은 공압 실린더의 변위에 의해 링크의 회전중심점을 기준으로 수평방향으로 회전운동 하도록 되어 있다. 또한 사용된 공압 실린더는 연결된 밸브에서 수동으로 설정된 압력을 일정하게 유지하는 방식으로 동작하고 있어, 적극적인 형태의 장력 되먹임 제어 시스템이라 할 수 없고, 오히려 스팬에 발생하는 장력의 변동을 흡수하는 장력에 대한 댐퍼(damper)기능을 주목적으로 한다고 할 수 있다.
먼저 공압 실린더에 가할 공기의 압력은 댄서롤의 기구적 관계와 원하는 장력(Tref)에 대해, 정상상태에서 댄서롤 링크의 회전중심에 대한 모멘트 평형관계로부터 식(1)이 성립된다.
상기 식(1)에서 얻은 압력으로 밸브의 압력을 설정하면 평형상태에서 장력은 원하는 기준 장력을 항상 유지하게 된다. 장력이 변화함에 따라 댄서롤은 위 식에서의 모멘트 평형식을 만족하는 새로운 평형점으로 이동하기 위해 회전하게 되고, 측정된 회전각은 되먹임 되어 풀림롤(또는 feeding roll)의 선속도를 변화시킴으로써, 댄서롤의 회전각도는 0으로 수렴하도록 제어된다. 아래그림은 이에 따른 장력제어 신호 흐름도를 나타낸다.
도 3 은 종래 기술의 일례에 의한 것으로 연속공정 롤투롤 댄서 시스템의 장력제어 신호 흐름도 이다.
이러한 댄서시스템을 사용하면, 소재에 발생하는 원치 않는 장력외란이 발생하였을 경우에 댄서 암의 움직임(각도변화)을 통하여 장력외란의 보상을 수행할 수 있으며, 댄서 암의 각도변화를 0으로 만들기 위한 되먹임제어(PID제어)를 수행함으로서 댄서 암의 각도를 중심으로 유지할 수 있다.
종래의 장력제어에 관한 기술들은 대한민국 특허출원 제1019840008004호, 1984년 12월 16일 (직물 장력 부하셀)로서 직물의 장력제어에 관한 것이고, 특허출원 제1019940025773호, 1994년 10월 8일, (연속 압연기에서의 스탠드 간 장력제어장치 및 방법)으로서 철강의 압연공정에서 장력제어기에 대한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 제1019920013219, 1992년 7월 24일, (스트립 장력제어장치)로서 압연 생산라인에서의 장력제어를 위한 제어시스템에 관한 것이고, 특허출원 제1019970072178호, 1997년 12월 23일, (열간압연에서 장력 안정화 방법 및 장치)로서 열간 사상 압연제어에 적용하기 위한 제어루프 구성에 관한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 제1019970072175호, 1997년 12월 23일, (열간 사상 압연에서 메인임팩트 드롭 보상을 이용한 루퍼 각도와 장력감소 방법)으로서 루퍼 시스템을 이용한 시스템의 장력제어루프의 구성에 관한 것이고, 특허출원 제1020010057447호, 2001년 9월 18일, (열간 사상 압연기의 장력제어장치 및 그 제어 방법)으로 루퍼를 이용한 제어장치 하드웨어 구성 및 하드웨어를 이용한 제어방법에 관한 것 등이 있습니다.
그러나 상기 특허출원 제1019840008004호는 직물 생산에서의 장력을 제어하는 방법에 관한 것이고, 특허출원 제1019940025773호를 포함하는 나머지는 모두 철강의 생산 공정에 적용되는 장력제어에 관한 것이다.
상기와 같은 종래의 기술들은 직물생산 및 철강생산 기술에 관한 것이고, 전자소자 인쇄와 같이 정밀도를 필요로 하는 기술에 적용할 수 없는 문제가 있다.
또한, 시스템 분석을 통한 제어기 설계방법 또는 절차 등에 대해서는 해결하지 못하는 문제가 있다.
특히, 종래 기술에 의한 장력제어기 설계 방법은 임의의 값을 PID제어기의 게인값으로 설정하고 시스템을 구동시키면서 최적의 제어기 게인값을 찾는 트라이얼 에러(trial and error) 방법을 사용하였다. 이러한 방법은 시스템 운전자의 숙련도에 매우 큰 영향을 받으며, 시스템의 운전 조건이 변경될 때마다 게인을 다시 설정해야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 특히 로드셀 또는 댄서를 이용한 PID 장력제어기에서 근궤적 선도 및 시스템 극점, 영점 분석을 통해 PID 장력제어기 게인값을 결정하는 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 장치를 제공하는 것이 그 목적이다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 특히 로드셀 또는 댄서를 이용한 PID 장력제어기에서 근궤적 선도 및 시스템 극점, 영점 분석을 통해 PID 장력제어기 게인값을 결정하는 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 방법을 제공하는 것이 그 목적이다.
또한, 본 발명은 롤투롤 시스템의 외란 발생요인부터 분석하여 장력외란신호의 필터링 효과와 장력 측정 장치인 댄서 또는 로드셀 및 앰프의 동특성이 고려된 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 방법을 제공하는 것이 그 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은, 연속공정 롤투롤 시스템에서 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 외란 주파수 및 크기를 검출하는 과정; 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 시스템 로드셀 및 앰프의 동작특성을 검출하는 과정; 댄서를 이용한 정밀제어 장치에 공급되는 웹(web)의 이송거리 및 이송속도에 의한 시정수와 필터링 효과를 검출하는 과정; 및 댄서를 이용한 정밀제어 장치 전체의 전달함수 극점(pole)과 영점(zero)을 검출하는 과정; 을 포함하여 이루어지는 구성을 제시한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은, 연속공정 롤투롤 시스템에서 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 외란 주파수 및 크기를 검출하는 수단; 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 시스템 로드셀 및 앰프의 동작특성을 검출하는 수단; 댄서를 이용한 정밀제어 장치에 공급되는 웹(web)의 이송거리 및 이송속도에 의한 시정수와 필터링 효과를 검출하는 수단; 및 댄서를 이용한 정밀제어 장치 전체의 전달함수 극점(pole)과 영점(zero)을 검출하는 수단; 을 포함하여 이루어지는 구성을 제시한다.
바람직하게, 로드셀 및 앰프 시스템으로 장력외란을 측정하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 롤러에 기반을 둔 댄서 시스템으로 장력외란을 측정하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 로드셀 또는 댄서를 이용한 PID 장력제어기에서 근궤적 선도 및 시스템 극점, 영점 분석을 통해 PID 장력제어기 게인값을 결정하는 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용하여 전자소자를 정밀하게 인쇄하 는 산업적 이용효과가 있다.
또한, 상기와 같은 구성의 본 발명은 롤투롤 시스템의 외란 발생요인부터 분석하여 장력외란신호의 필터링 효과와 장력 측정 장치인 댄서 또는 로드셀 및 앰프의 동특성이 고려하므로, 인쇄된 전자소자에 불량이 발생하지 않도록 하는 사용상 편리한 효과가 있다.
이하, 상기와 같은 구성의 본 발명에 의한 것으로, 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 장치 및 방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시 예
본 발명을 설명하기 위하여 첨부된 것으로, 도 4 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 아이들 롤(idle roll)에서 장력에 의해 발생하는 토크를 설명하는 도시도 이며, 도 5 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 댄서시스템에 작용하는 힘을 나타낸 도시도 이고, 도 6 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 보드선 도시도 이며, 도 7 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 폐루프 댄서 시스템의 보드 선도 이고, 도 8 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 Theta/V 의 보드선도 이며, 도 9 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 댄서 시스템의 장력을 피드백 하여 구동롤의 속도 제어하는 제어방법 블록 순서도 이고, 도 10 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 로드셀 및 앰프를 이용한 장력제어 시스템의 기능 구성도 이며, 도 11 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 댄서 시스템의 장력제어 시스템의 기능 구성도 이고, 도 12 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 장력제어 시스템의 운용방법 순서도 이며, 도 13은 본 발명의 일례에 의한 것으로 로드셀을 이용한 장력제어시스템의 기능 구성도 이고, 도 14 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 앰프의 bode plot 및 최소, 최대 게인 설정에 따른 대역폭 도시도 이며, 도 15는 본 발명의 일례에 의한 것으로 Tn값 증가에 따른 극점의 위치 및 게인 변화 도시도 이고, 도 16 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 Tinfeed / Tdisturbance 전달함수에 대한 Bode plot의 도시도 이며, 도 17 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 운전속도 증가에 따라 시스템의 영점과 극점이 이동 경향 도시도 이고, 도 18 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 덴서롤의 전후 스팬의 장력 도시도 이다.
본 발명의 일예를 설명함에 있어서, 본 발명과 직접적으로 관련 없고, 잘 알려져 있는 기술 내용에 대하여서는 도면 도시 및 설명을 생략하므로, 본 발명의 요지를 흐리지 않고 명확하게 전달한다.
도 10 을 참조하여 본 발명의 일례에 의한 것으로 로드셀 및 앰프를 이용한 장력제어 시스템을 설명하면, 로드셀(100); 피딩롤(110); 댄서 롤(120); 에어 실린 더(130); 에어 콤프레서(140); 리와인더(150); PID 텐션 콘트롤러(160)를 포함하는 구성이다.
산업현장에서 일반적으로 댄서를 이용하여 장력제어를 수행할 경우 댄서 암의 각 변위 θ를 이용하여 PI제어기를 이용해 피드백 제어한다. 본 발명은 오랫동안의 연구와 실험을 통해서 댄서암의 동적 특성으로 인해 오히려 특정 주파수 범위에서 댄서에 의한 장력외란이 발생하는 것을 호가인하였다.
따라서 본 발명은 댄서 암의 각 변위 θ 대신 직접 측정한 장력 T2를 피드백하여 장력을 보다 효과적으로 제어하는 방법을 포함한다.
아래는 기존에 사용되던 θ 변위 피드백 제어의 한계점에 대한 설명을 서술한다.
일반적으로 사용하고 있는 댄서시스템의 수학적 모델은 아래의 세가지 모델들로 구성된다.
- 댄서 아이들 롤의 속도 모델 : 댄서롤 양단의 장력차이에 의해 댄서롤에 토크가 발생하는 것을 나타냄
- 댄서 암의 운동방정식 : 댄서암에 작용하는 장력, 실린더힘, 힌지부분의 베어링 마찰 등을 고려한 운동방정식
- 댄서 롤의 변위가 고려된 댄서롤 전후 장력모델 : 장력 및 속도에 의해 댄서암의 변위가 일어나며, 댄서암의 변위에 의해 추가적으로 발생되는 장력변화의 영향이 고려된 장력모델
다음에 각 모델에 대한 상세한 설명을 한다.
일반적으로 사용하고 있는 댄서시스템의 수학적 모델은 댄서 아이들 롤의 속도 모델을 이용한다.
- 댄서 아이들 롤의 속도 모델
아이들 롤의 속도는 양단 장력 차이에 의해서 결정된다.
도 4 는 본 발명의 일례에 의한 것으로, 아이들 롤(idle roll)에서 장력에 의해 발생하는 토크를 설명하는 도시도 이다.
상기 도 4 를 상세히 설명하면, 아이들 롤에서 장력에 의하여 발생하는 토크를 도시하고, 상기 토크는 다음의 식을 이용한다.
Figure 112008046676247-PAT00001
(식 2)
- 댄서 암의 운동방정식
도 5 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 댄서시스템에 작용하는 힘을 나타낸다.
상기 도 5를 상세히 설명하면, 댄서롤에 발생하는 장력과 공압실린더에서 발생하는 스프링력, 공기압력으로 인하여 댄서 암이 회전운동을 하게 되며 이에 대한 운동방정식은 식(3)과 같다.
Figure 112008046676247-PAT00002
(식 3)
- 댄서롤 전후의 장력모델
댄서 암의 변위 θ가 고려된 장력의 모델은 아래와 같다. 첨부된 도18과 같다.
도 18은 본 발명의 일례에 의한 것으로 덴서롤의 전후 스팬의 장력 도시도 이다.
Figure 112008046676247-PAT00003
(식 4)
Figure 112008046676247-PAT00004
(식 5)
이를 보드선도로 나타낸다. 다음의 전달함수를 통한 보드선도는 아래와 같다.
Figure 112008046676247-PAT00005
(식 6)
단,
Figure 112008046676247-PAT00006
s는 라플라스 도메인 변수
시스템의 해석을 위해서 simplified dancer model을 사용한다. 이때의 모델은 댄서 아이들 롤러위에서의 전후 스팬에 장력차가 없다고 가정하여 정리한 모델이다. (즉, 댄서 아이들 롤 위에서의 마찰이 존재하지 않는다고 가정)
이때 댄서시스템의 열린루프(OPEN LOOP) 전달함수는 다음과 같다.
Figure 112008046676247-PAT00007
(식 7)
Figure 112008046676247-PAT00008
단,
Figure 112008046676247-PAT00009
이다.
이를 통해 보드선도를 도시하면 첨부된 도 6의 그래프와 같이 도시된다.
그래프를 통해 알 수 있듯이, 댄서 암의 각도가 작은 범위에서 변하더라도 특정 주파수(2.5~40 rad/s)에서는 장력 외란 발생할 것으로 예상된다. 결국 댄서 암 각도를 제어 기준입력으로 설정하여 되먹임 제어를 수행하는 것이 장력 외란 제어의 관점에서는 맞지 않다는 의미가 된다.
- 폐루프 (PI제어시) 댄서시스템 보드선도
산업현장의 댄서는 각도 값을 제어입력으로 설정하여 되먹임 PI제어를 수행하고 있다. 이때의 보드선도를 theta/V 와 T/V에 대하여 조사하였다. (이때 입력 레퍼런스를 위의 전달함수와 같은 V 로 사용하였다. Kp=0.8, Tn=10)
도 7 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 폐루프 댄서 시스템의 보드 선도 이다.
상기 도 7 을 참조하면, 되먹임 제어에서도 openloop transfer function과 같이 특정 구간의 장력 크기가 증가함을 알 수 있다. 따라서 댄서의 동특성 때문에 특정구간에서 정밀한 장력제어가 곤란함을 확인하였다
- 개루프 댄서시스템 보드선도
이번에는 제어입력을 댄서가 설치된 스팬의 장력으로 설정하여 PI 되먹임제어를 수행할 경우의 전달함수를 통하여 보드선도를 살펴본다.
도 8 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 Theta/V 의 보드선도 이다.
결국 댄서시스템을 사용하여 장력제어를 수행할 경우에, 댄서암의 각도를 0으로 설정하는 것보다 장력값을 직접 사용하여 장력제어를 수행하는 것이 장력제어 성능이 우수함을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 댄서시스템의 피드백 제어시 댄서암의 각도 측정 대신 장력 T2를 로드셀로 측정하여 PID 제어기 및 1차 필터를 포함하는 피드백 루프를 이용한 제어기법을 설명한다.
도 9 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 댄서 시스템의 장력을 피드백 하여 구동롤의 속도 제어하는 제어방법 블록 순서도 이다.
도 10 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 로드셀 및 앰프를 이용한 장력제어 시스템의 기능 구성도 이다.
도 11 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 댄서 시스템의 장력제어 시스템의 기능 구성도 이다.
도 12 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 장력제어 시스템의 운용방법 순서도 이다.
상기 도 12를 참조하여 설명하면, 먼저 시스템에서 발생 가능한 장력외란은 주로 롤의 편심에 의해 발생하므로 편심이 일어난 정도와 롤의 회전 반경을 이용하여 장력외란의 최대 크기와 최대 주파수에 대해 예측 또는 분석한다(S100).
편심에 의해 일어난 장력 외란은 웹의 1차 필터링 효과에 의해 고주파 성분이 차단되어 저주파 성분이 인피딩 모터로 입력된다. 따라서 1 차 필터를 거쳤을 때의 최대 주파수 성분을 구한다(S110).
로드셀로 측정한 장력외란은 앰프(amplifier)를 거쳐 제어기로 입력되는데, 실제 장력신호 Treal은 앰프의 동특성에 영향을 받는다. 따라서 앰프의 전달함수를 알아야 앰프를 거친 신호의 대역폭 특성을 확인한다(S120).
도 13은 본 발명의 일례에 의한 것으로, 로드셀을 이용한 장력제어시스템의 기능 구성도 이다.
상기 도 13 의 Treal 및 loadcell & amp 블록 참조하여, 앰프의 대역폭(bandwidth)은 항상 장력외란의 주파수대역보다 크게 설정된다.
게인(GAIN)의 변화에 의해 대역폭이 크게 영향 받아서는 곤란하다. 따라서 도 14와 같이 최소, 최대 게인에 대해 동일한 대역폭을 갖는 앰프의 전달함수를 구한다. 전달함수를 구하는 과정에서 필요하다면 Digital Signal Analyzer를 사용하여 전달함수를 구한다(S130).
장력제어 시스템은 제어기, 로드셀, 앰프, 구동 모터로 구성이 되며 시뮬레이션을 통한 장력제어기를 설계하기 위해 앰프의 전달함수 외에도 구동모터의 전달함수를 확인한다(S140, S150).
구동모터의 전달함수는 파마미터를 가정하여 2차 모델로 시뮬레이션하거나 또는 직접 측정하여 얻을 수 있다.
다음으로 모터 드라이버 내부필터 시정수, 기어비, 롤직경, 제어기를 모두 고려한 전달함수를 구하여 근궤적 방법을 이용하여 시스템의 동특성을 파악한다. 모든 요소가 고려된 제어루프는 도 13과 같다.
이 때 사용된 각 요소들의 모델 및 전달함수는 다음과 같다.
선형화된 장력모델 (식 8)
Figure 112008046676247-PAT00010
(식 8)
로드셀 및 앰프의 전달함수 (식 9)
Figure 112008046676247-PAT00011
(식 9)
인피더 모터 전달함수 (식 10)
Figure 112008046676247-PAT00012
(식 10)
이 때 infeed motor model은 2 차 시스템으로, 아래의 식 11을 이용하여 Rising time =10ms, overshoot=7% 인 시스템을 만족하도록 모터전달함수를 설정하였다.
Figure 112008046676247-PAT00013
(식 11)
모터의 마스터 RPM을 설정하기 위한 수식은 다음과 같다.
Figure 112008046676247-PAT00014
(식 12)
상기의 식들을 고려하여 유도한 전체 시스템의 전달함수는 식 13과 같다.
Figure 112008046676247-PAT00015
(식 13)
상기 식 13을 이용하여 근궤적 법을 이용하여 Tn 값을 1, 10, 100, 1000 등으로 변화시켜 가면서 가장 시스템이 안정한, 즉 극점이 가장 작을 때의 게인을 찾는다(S160).
도 15의 결과에 의하면 Tn값이 10일 때 가장 작은 극점을 얻을 수 있으며 따라서 이때의 게인을 이용해서 제어기의 게인을 설정한다.
상기의 과정까지 수행했으면 전달함수 Tinfeed / Tdisturbance에 대한 Bode plot을 그려 입력대비 출력의 범위가 원하는 백분율 이내를 충족하는지를 확인한다(S170).
도 16에 Tinfeed / Tdisturbance 전달함수에 대한 Bode plot의 예를 도시했으며 도 16에서의 제어목표는 장력외란 대비 출력이 2kgf 이내로 수렴하는 것이다. 장력외란대비 출력이 제어목표를 만족하지 못할 경우 루트로커스 선도를 다시 그려 적정한 Tn값을 선정하여 시스템이 제어성능을 만족할 경우 게인 튜닝을 시작한다(S180).
도 17에서는 운전속도 증가에 따라 시스템의 영점과 극점이 움직이는 경향을 도시하고 있다.
속도를 감속함에 따라 dominant pole 우측 이동, oscillation pole 좌측 이동하는 경향을 보이며 Tn = 10일 때 게인 Kp = 0.037로 시스템은 주어진 게인 값에 대해 충분한 제어성능을 보인다. 위의 값으로 튜닝된 제어 시스템은 계단입력 또는 시스템의 가,감속시에도 진동 없이 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 보다 정밀한 튜닝이 필요할 경우 시스템의 출력이 진동하지 않는 범위 내에서 Kp 값을 증가시키며 튜닝할 수 있다(S190, S200, S210, S220).
지금까지 설명한 방법은 로드셀을 이용한 제어기 또는 댄서를 이용한 제어기 설계에 동일하게 적용이 될 수 있으며 다른 점은 댄서를 이용한 제어기 설계시 피드백 시키기 위해 측정하는 값이 장력이 아닌 댄서 암의 각도라는 점이다.
본 발명을 일예로 설명하였으나, 반드시 이러한 일예에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 일예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 일예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1 은 종래 기술의 일례에 의한 것으로 웹 소재를 이용하여 인쇄하는 연송공정 시스템의 개략 설명도,
도 2 는 종래 기술의 일례에 의한 것으로 연속공정 롤투롤 댄서 시스템의 동작원리 설명도,
도 3 은 종래 기술의 일례에 의한 것으로 연속공정 롤투롤 댄서 시스템의 장력제어 신호 흐름도,
도 4 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 아이들 롤(idle roll)에서 장력에 의해 발생하는 토크를 설명하는 도시도,
도 5 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 댄서시스템에 작용하는 힘을 나타낸 도시도,
도 6 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 보드선 도시도,
도 7 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 폐루프 댄서 시스템의 보드 선도,
도 8 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 Theta/V 의 보드선도,
도 9 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 댄서 시스템의 장력을 피드백 하여 구동롤의 속도 제어하는 제어방법 블록 순서도,
도 10 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 로드셀 및 앰프를 이용한 장력제어 시스템의 기능 구성도,
도 11 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 댄서 시스템의 장력제어 시스템의 기능 구성도,
도 12 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 장력제어 시스템의 운용방법 순서도,
도 13은 본 발명의 일례에 의한 것으로 로드셀을 이용한 장력제어시스템의 기능 구성도,
도 14 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 앰프의 bode plot 및 최소, 최대 게인 설정에 따른 대역폭 도시도,
도 15는 본 발명의 일례에 의한 것으로 Tn값 증가에 따른 극점의 위치 및 게인 변화 도시도,
도 16 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 Tinfeed / Tdisturbance 전달함수에 대한 Bode plot의 도시도,
도 17 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 운전속도 증가에 따라 시스템의 영점과 극점이 이동 경향 도시도,
도 18은 본 발명의 일례에 의한 것으로 덴서롤의 전후 스팬의 장력 도시도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **
100 : 로드셀 110 : 피딩 롤
120 : 댄서 롤 130 : 에어 실린더
140 : 에어 콤프레서 150 : 리와인더
160 : PID 텐션 콘트롤러

Claims (4)

  1. 연속공정 롤투롤 시스템에서 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 외란 주파수 및 크기를 검출하는 과정;
    상기 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 시스템 로드셀 및 앰프의 동작특성을 검출하는 과정;
    상기 댄서를 이용한 정밀제어 장치에 공급되는 웹(web)의 이송거리 및 이송속도에 의한 시정수와 필터링 효과를 검출하는 과정; 및
    상기 댄서를 이용한 정밀제어 장치 전체의 전달함수 극점(pole)과 영점(zero)을 검출하는 과정; 을 포함하여 이루어지는 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 장치 운용방법.
  2. 연속공정 롤투롤 시스템에서 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 외란 주파수 및 크기를 검출하는 수단;
    상기 댄서를 이용한 정밀제어 장치의 시스템 로드셀 및 앰프의 동작특성을 검출하는 수단;
    상기 댄서를 이용한 정밀제어 장치에 공급되는 웹(web)의 이송거리 및 이송속도에 의한 시정수와 필터링 효과를 검출하는 수단; 및
    상기 댄서를 이용한 정밀제어 장치 전체의 전달함수 극점(pole)과 영 점(zero)을 검출하는 수단; 을 포함하여 이루어지는 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    로드셀 및 앰프 시스템으로 장력외란을 측정하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    롤러에 기반을 둔 댄서 시스템으로 장력외란을 측정하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속공정 롤투롤 시스템에서의 댄서를 이용한 정밀 장력제어 장치.
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