專利名稱：一種運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域，特別是涉及一種運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化 的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
碳纖維的生產(chǎn)是一個具有高度復(fù)雜性的工業(yè)過程。以聚丙烯腈(PAN)碳纖維的生 產(chǎn)為例，它包括PAN紡絲原液聚合、噴絲、凝固、水洗、牽伸、預(yù)氧化、碳化、后處理等環(huán)節(jié)，其 目的是產(chǎn)出具有一定線密度、強度和斷裂伸長率的優(yōu)質(zhì)碳纖維。碳纖維的生產(chǎn)環(huán)節(jié)聯(lián)系緊 密，工作條件多樣，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原料性態(tài)變化頻繁，且各個環(huán)節(jié)內(nèi)部和環(huán)節(jié)之間存在不 同程度的相互作用和影響，使得相應(yīng)的工藝優(yōu)化過程難以統(tǒng)一，增加了大規(guī)模高質(zhì)量生產(chǎn) 的難度。PAN碳纖維紡絲工藝冗長，而牽伸階段是其中最重要的環(huán)節(jié)，對最終碳纖維的結(jié)構(gòu) 與性能起著決定性作用。因為PAN基碳纖維的細(xì)旦化和高強化是提高碳纖維性能的主要措 施，而牽伸是降低纖維線密度、提高強度的必要手段。理想的取向(有序)是提高強度的一 個重要途徑，而提高有序度的方法之一是取向拉伸。經(jīng)過拉伸，使大分子微晶以及其它結(jié)構(gòu) 單元沿纖維軸發(fā)生取向，使纖維的超分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改組，包括取向度的提高以及晶態(tài)結(jié)構(gòu) 的變化，引起包括力學(xué)性能在內(nèi)的各種物理特性的各向異性，從而獲得優(yōu)良的性能。在采用 干濕法紡絲時，由于高倍的噴絲頭拉伸，從凝固浴出來的凝固絲條已經(jīng)有了比較高的取向 度。但是為了得到高強、高模原絲，還必須對凝固絲條進行水浴拉伸及二次高溫拉伸。且紡 絲中的拉伸優(yōu)于預(yù)氧化中的拉伸。因而，研究紡絲過程中PAN的拉伸工藝對制備優(yōu)質(zhì)碳纖 維原絲至關(guān)重要。目前，對碳纖維拉伸過程的工藝優(yōu)化主要是采用各種實驗儀器，測得在某種生產(chǎn) 條件下生成原絲的各種性能數(shù)據(jù)，改變某一項生產(chǎn)條件，測出相應(yīng)的原絲各種性能數(shù)據(jù)，根 據(jù)記錄的數(shù)據(jù)結(jié)果，描點得出某一單一生產(chǎn)條件變化與對應(yīng)某一單一性能的關(guān)系圖，從而 給出若要保持纖維某一單一性能優(yōu)良需要某一生產(chǎn)條件控制在一定的范圍內(nèi)。簡言之，是 一種單目標(biāo)優(yōu)化方法，沒有考慮到纖維各個性能之間的相互制約和影響，無法保證產(chǎn)出綜 合性能較高的碳纖維。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動 態(tài)規(guī)劃方法，以達(dá)到對纖維多種性能綜合優(yōu)化的目的。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu) 化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法，包括以下步驟(1)根據(jù)碳纖維拉伸的時間順序劃分為6個階段，分別為噴頭拉伸比^、空氣拉伸 比r2、DEF浴拉伸比r3、熱水拉伸比r4、沸水拉伸比r5和三級拉伸比r6 ；(2)用纖維的性能指標(biāo)反映經(jīng)過各級拉伸后的纖維狀態(tài)xk = F(PMl^jut),其
3中，P Ut為線密度、1^為強度、Eut為斷裂伸長率；(3)用狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程表示碳纖維性能狀態(tài)的演變規(guī)律xk+1 = Tk(xk, rk)，k = 1，2， K, η ；(4)用xk+1 = rk(xk)表示第k拉伸階段處于狀態(tài)Xk時的決策變量，由第k拉伸階 段的狀態(tài)Xk開始到終止?fàn)顟B(tài)η的后部子過程的策略記作Pkn(Xk) = {rk(xk),K,rn(xn)},k = l，2，K，n-l ；(5)用Vkn(xk, rk, xk+1, K，xn+1)表示指標(biāo)函數(shù)，總拉伸比是各階段拉伸比的乘積，階
η
段指標(biāo)為第k階段后各階段指標(biāo)的積，指標(biāo)函數(shù)為ΚΑ，。A+1，K，= EK(xPrZ)，目
j=k
標(biāo)是使得階段指標(biāo)取得極大值，得到,X +1) = mafsgin)V7^'0) ‘(6)用/P(Xw) = (、，0/λ+1(τ;(、,0)表示遞歸方程，在當(dāng)前狀態(tài)Xk給定
時，指標(biāo)函數(shù)Vkn對策略pto的最優(yōu)值稱為最優(yōu)值函數(shù)，記為fk(xk) = max (Vkn(xk, pj)；(7)用倒序法求得最優(yōu)牽伸比分配方案。所述的運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法，在所述的步驟(2)中 纖維的性能指標(biāo)用主要目標(biāo)函數(shù)法簡化，將多目標(biāo)任務(wù)轉(zhuǎn)為單目標(biāo)任務(wù)，降低線密度、提高
強度、斷裂伸長率作為約束項限制拉伸比的增大，描述為 所述的運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法，在所述的步驟(3)中 狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程所描述的拉伸比與原絲性能之間的關(guān)系是用實驗數(shù)據(jù)曲線擬合得到的，數(shù)據(jù)
擬合模型所用的函數(shù)為 所述的運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法，在所述的步驟(5)中 指標(biāo)函數(shù)中各拉伸階段的影響權(quán)值是用系統(tǒng)工程中專家打分法采用Satty標(biāo)度法構(gòu)造判 斷矩陣，用和積法計算得到。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效 果本發(fā)明把碳纖維多級牽伸這一多階段決策過程轉(zhuǎn)化為一系列單階段問題逐個求解，解 決了采用單目標(biāo)優(yōu)化方法沒有考慮到纖維各個性能之間的相互制約和影響，無法保證產(chǎn)出 綜合性能較高的碳纖維的問題，以達(dá)到對纖維多種性能綜合優(yōu)化的目的。本發(fā)明還具有計 算量小，可靠性高的特點。


圖1是本發(fā)明的碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃結(jié)構(gòu)圖；圖2是線密度和強度與拉伸比關(guān)系圖；圖3是斷裂伸長率與拉伸比關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。本發(fā)明的實施方式涉及一種運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法， 把碳纖維多級牽伸這一多階段決策過程轉(zhuǎn)化為一系列單階段問題逐個求解；通過主要目標(biāo) 函數(shù)法將碳纖維牽伸工藝這一多目標(biāo)優(yōu)化任務(wù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化任務(wù)；通過大量實驗數(shù)據(jù) 擬合牽伸過程中工藝參數(shù)拉伸倍數(shù)與碳纖維原絲性能的關(guān)系；通過系統(tǒng)工程的專家打分制 確定各拉伸階段對碳纖維原絲性能的影響權(quán)重。最終確定碳纖維拉伸工藝的狀態(tài)變量、狀 態(tài)轉(zhuǎn)移方程和指標(biāo)函數(shù)，得到各牽伸階段的拉伸比優(yōu)化分配方案。其具體步驟如下如圖1所示，根據(jù)拉伸的時間順序劃分階段，以便按階段的次序解優(yōu)化問題，階段 變量用k= 1,2, Λ，η表示。拉伸工藝主要分6個階段，依次為噴頭拉伸比Γι，空氣拉伸比 r2，DEF浴拉伸比r3，熱水拉伸比r4，沸水拉伸比r5，三級拉伸比r6。狀態(tài)表示每個階段開始時過程所處的自然狀況，在確定性過程中，一旦某階段的 狀態(tài)和決策為已知，下一階段的狀態(tài)便完全確定。在牽伸工藝中，用纖維的性能指標(biāo)反映經(jīng) 過各級拉伸后的纖維狀態(tài)& = (口&，1^』」。式中，Put，TgkAk分別代表線密度、強度 和斷裂伸長率。對于碳纖維牽伸工藝，是一個多目標(biāo)任務(wù)，纖維性能狀態(tài)用主要目標(biāo)函數(shù)法簡化， 將多目標(biāo)任務(wù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)任務(wù)，降低線密度、提高強度，而斷裂伸長率作為約束項限制拉
伸比的增大，描述為 用狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程表示碳纖維性能狀態(tài)的演變規(guī)律xk+1 = Tk(xk, rk)，k = 1,2, K， η。即在狀態(tài)xk時可以通過第k階段的拉伸比rk轉(zhuǎn)換到狀態(tài)xk+1。拉伸過程與原絲性能間的關(guān)系可以通過實驗進行估計，用以表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程。 數(shù)據(jù)擬合模型所用的函
其中，ri為拉伸比，f(ri)為第
i次實驗的性能參數(shù)，需確定的未知常數(shù)有(a，b，c)。依次取N ^ 3組以上的實驗數(shù)據(jù)對 Ovf^ri)),組成N個線性方程組，根據(jù)最小二乘法，可以求解出模型參數(shù)(a，b，c)。表1為 部分拉伸-性能實驗數(shù)據(jù)。
表1根據(jù)表1的數(shù)據(jù)得出如圖2和圖3所示的結(jié)果。即關(guān)系式如下拉伸比(r,)與線密度(Sli)的關(guān)系為
(1)拉伸比(r,)與強度(S2i)的關(guān)系為
(2)拉伸比(ri)與斷裂伸長率(S3i)的關(guān)系為 由式(1)和式(2)可得各階段牽伸后纖維性能簡化后狀態(tài)為 各階段拉伸比對原絲性能的影響趨勢大致相同，可適用同一模型f (A)，由于各拉 伸階段的作用不一樣，則各階段影響權(quán)值Wk不同。原絲的最終性能狀態(tài)為各階段影響因素
的加權(quán)和
，即指標(biāo)函數(shù)。各拉伸階段的影響權(quán)值是用系統(tǒng)工程中專家打分法
采用Satty標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，用和積法計算得到，并通過了相容性檢驗。用Stty標(biāo)度 法構(gòu)造判斷矩陣如下rX r2 r3 r4 r5 r6 rx 1 2 3 2 2 3 r2 1/2 12 1 12r3 1/3 1/2 1 1/2 1/2 1 r4 1/2 12 1 12 r5 1/2 12 1 12 r6 1/3 1/2 1 1/2 1/2 1則各拉伸段(ri r6)的權(quán)重分別為0. 3102，0. 1703，0. 0895，0. 1703，0. 1703，
0.0895。用Xk+1 = rk(xk)表示第k拉伸階段處于狀態(tài)Xk時的決策變量，即第k拉伸階段的 拉伸比。由第k拉伸階段的狀態(tài)Xk開始到終止?fàn)顟B(tài)η的后部子過程的策略記作pkn(Xk)= Irk(Xk), K, rn(xn)}, k = 1, 2, K, n-l。用Vkn(xk，rk, xk+1, A，χη+1)表示指標(biāo)函數(shù)，由于總拉伸比是各階段拉伸比的乘積，階
η
段指標(biāo)為第k階段后各階段指標(biāo)的積，即yj^bXwA，、！)= !!、·…，。)。目標(biāo)是使
j-k
得階段指標(biāo)取得極大值，即Κ&，。、1，Λ，hi) = “13^^11)、 々)。遞歸方程表示為
JVD = ^An)+ZkATk^ AJ)))，在當(dāng)前狀態(tài)xk給定時，指標(biāo)函數(shù)Vkn對策略Pkn的 最優(yōu)值稱為最優(yōu)值函數(shù)，記為fk(xk) = max (Vkn (Xkn, Pkn))。一般而言，碳纖維的總拉伸倍數(shù)應(yīng)控制在10-18倍為宜，在此選取18倍，斷裂伸長 率應(yīng)大于 10%, Bp ELTh = 10。最后，用倒序法求得最優(yōu)牽伸比分配方案噴頭拉伸比是1. 2倍，空氣拉伸比是
1.1倍，DEF浴拉伸比是2. 6倍，熱水拉伸比是4. 0倍，沸水拉伸比是1. 2倍，三級拉伸比是 1. 1倍。若總牽伸倍數(shù)變化，則可用本發(fā)明方法得到相應(yīng)的各階段的牽伸比分配。不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明把碳纖維多級牽伸這一多階段決策過程轉(zhuǎn)化為一系列單階段問 題逐個求解，解決了采用單目標(biāo)優(yōu)化方法沒有考慮到纖維各個性能之間的相互制約和影 響，無法保證產(chǎn)出綜合性能較高的碳纖維的問題，以達(dá)到對纖維多種性能綜合優(yōu)化的目的。 本發(fā)明還具有計算量小，可靠性高的特點。
權(quán)利要求
一種運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟(1)根據(jù)碳纖維拉伸的時間順序劃分為6個階段，分別為噴頭拉伸比r1、空氣拉伸比r2、DEF浴拉伸比r3、熱水拉伸比r4、沸水拉伸比r5和三級拉伸比r6；(2)用纖維的性能指標(biāo)反映經(jīng)過各級拉伸后的纖維狀態(tài)xk＝F(ρLk，Tgk，ELk)，其中，ρLk為線密度、Tgk為強度、ELk為斷裂伸長率；(3)用狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程表示碳纖維性能狀態(tài)的演變規(guī)律xk+1＝Tk(xk，rk)，k＝1，2，K，n；(4)用xk+1＝rk(xk)表示第k拉伸階段處于狀態(tài)xk時的決策變量，由第k拉伸階段的狀態(tài)xk開始到終止?fàn)顟B(tài)n的后部子過程的策略記作pkn(xk)＝{rk(xk)，K，rn(xn)}，k＝1，2，K，n-1；(5)用Vkn(xk，rk，xk+1，K，xn+1)表示指標(biāo)函數(shù)，總拉伸比是各階段拉伸比的乘積，階段指標(biāo)為第k階段后各階段指標(biāo)的積，指標(biāo)函數(shù)為目標(biāo)是使得階段指標(biāo)取得極大值，得到(6)用表示遞歸方程，在當(dāng)前狀態(tài)xk給定時，指標(biāo)函數(shù)Vkn對策略pkn的最優(yōu)值稱為最優(yōu)值函數(shù)，記為fk(xk)＝max(Vkn(xk，pkn))；(7)用倒序法求得最優(yōu)牽伸比分配方案。FSA00000161969200011.tif,FSA00000161969200012.tif,FSA00000161969200013.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法，其特 征在于，在所述的步驟(2)中纖維的性能指標(biāo)用主要目標(biāo)函數(shù)法簡化，將多目標(biāo)任務(wù)轉(zhuǎn)為 單目標(biāo)任務(wù)，降低線密度、提高強度、斷裂伸長率作為約束項限制拉伸比的增大，描述為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，在所述的步驟(3)中狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程所描述的拉伸比與原絲性能之間的關(guān)系是用實驗 數(shù)據(jù)曲線擬合得到的，數(shù)據(jù)擬合模型所用的函數(shù)為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法，其特征 在于，在所述的步驟(5)中指標(biāo)函數(shù)中各拉伸階段的影響權(quán)值是用系統(tǒng)工程中專家打分法 采用Satty標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，用和積法計算得到。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種運用于碳纖維牽伸工藝優(yōu)化的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃方法，把碳纖維多級牽伸這一多階段決策過程轉(zhuǎn)化為一系列單階段問題逐個求解；通過主要目標(biāo)函數(shù)法將碳纖維牽伸工藝這一多目標(biāo)優(yōu)化任務(wù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化任務(wù)；通過大量實驗數(shù)據(jù)擬合牽伸過程中工藝參數(shù)拉伸倍數(shù)與碳纖維原絲性能的關(guān)系；通過系統(tǒng)工程的專家打分制確定各拉伸階段對碳纖維原絲性能的影響權(quán)重。最終確定碳纖維牽伸工藝的狀態(tài)變量、狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和指標(biāo)函數(shù)，得到各牽伸階段的拉伸比優(yōu)化分配方案。本發(fā)明解決了碳纖維牽伸過程中拉伸比分配以人工實驗為指導(dǎo)，難以滿足生產(chǎn)高質(zhì)量碳纖維原絲要求的問題，計算量小，可靠性高。
文檔編號D01D5/12GK101880918SQ20101020373
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者丁永生, 任立紅, 梁霄, 郝礦榮, 陳佳佳, 齊潔 申請人:東華大學(xué)