專利名稱：一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制的碳纖維原絲噴頭拉伸工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制的碳纖維原絲噴頭拉伸エ藝。
背景技術(shù)：
碳纖維是ー種新型高性能纖維材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐疲勞、耐腐蝕、抗輻射、傳熱、導(dǎo)電、降噪、減震和相對(duì)密度小等一系列優(yōu)異性能。聚丙烯腈基碳纖維綜合性能最好，占目前國(guó)內(nèi)外碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。目前眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在研究如何進(jìn)ー步改善聚丙烯腈原絲的性能和品質(zhì)。聚丙烯腈原絲的生產(chǎn)制備過(guò)程エ藝復(fù)雜、環(huán)節(jié)眾多、易受各種環(huán)境因素干擾，而原絲的質(zhì)量卻是制約碳纖維性能的主要因素。目前，國(guó)內(nèi)外已有的原絲生產(chǎn)技術(shù)還存在一定的不足，原絲質(zhì)量還有較大的提升空間。為了提高原絲的性能與品質(zhì)，一方面需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的控制精度以及抗干擾能力進(jìn)行研究，另ー方面需要對(duì)碳纖維原絲的生產(chǎn)エ藝做進(jìn)ー步研究改善。近幾年來(lái)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能控制、協(xié)同優(yōu)化等技術(shù)在系統(tǒng)建模和過(guò)程控制領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并在實(shí)踐中取得了比傳統(tǒng)方法更加優(yōu)越的性能。因此，碳纖維原絲生產(chǎn)過(guò)程中引入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能控制與協(xié)同優(yōu)化等方法，構(gòu)建統(tǒng)一的碳纖維生產(chǎn)過(guò)程協(xié)同智能控制系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定、指標(biāo)優(yōu)越的高性能原絲具有一定的指導(dǎo)意義。控制策略而言，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制策略是指利用被控對(duì)象的在線或離線I/O數(shù)據(jù)以及由數(shù)據(jù)的處理而獲得的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)控制器。目前ー些較為復(fù)雜エ業(yè)生產(chǎn)對(duì)象，往往由于對(duì)象機(jī)理中牽扯許多過(guò)程不明確或隨機(jī)的因素，無(wú)法建立對(duì)象模型，或建模存在較大誤差。傳統(tǒng)控制器的基于模型的設(shè)計(jì)方法便無(wú)法勝任。而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制策略從存儲(chǔ)的大量的生產(chǎn)、設(shè)備和過(guò)程數(shù)據(jù)挖掘隱含著的エ藝和設(shè)備等信息，直接基于數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)控制器而不嘗試對(duì)對(duì)象建模，有效的解決了這ー問(wèn)題?？刂扑惴ǘ?，現(xiàn)代復(fù)雜信息環(huán)境中的復(fù)雜系統(tǒng)控制，要求研究開(kāi)發(fā)智能化程度更高，實(shí)用性更強(qiáng)的智能控制優(yōu)化算法。生物智能控制技術(shù)就是從對(duì)自然界中各種生物，尤其是人類智能行為的研究而產(chǎn)生出的控制算法。生物智能算法在控制速度、精度和抗干擾能力了等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的控制算法?？刂葡到y(tǒng)而言，碳纖維紡絲過(guò)程流程長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多，并且環(huán)節(jié)間相互作用復(fù)雜，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性具有時(shí)變、非線性耦合、時(shí)滯等特點(diǎn)，屬于大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)。協(xié)同控制是指采用一定的連接方式和信息交換機(jī)制協(xié)同控制來(lái)適應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備狀況的變化，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和諧，為高性能碳纖維原絲的質(zhì)量提供了保障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種優(yōu)于傳統(tǒng)控制的控制策略，及其控制器設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚丙烯腈基碳纖維原絲凝固浴導(dǎo)輥的高性能控制，同時(shí)提出一種多組件數(shù)據(jù)協(xié)同的智能協(xié)同優(yōu)化控制エ藝，實(shí)現(xiàn)碳纖維原絲噴頭拉伸比率的協(xié)同控制，提高原絲質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制的碳纖維原絲噴頭拉伸エ藝，其エ藝路線為紡絲熔體經(jīng)計(jì)量泵精確計(jì)量，進(jìn)入噴絲組件，由噴頭擠出后進(jìn)入凝固浴，經(jīng)凝固浴導(dǎo)輥實(shí)現(xiàn)噴頭拉伸，最后離開(kāi)凝固浴，其特征是:所述的凝固浴導(dǎo)輥由凝固浴導(dǎo)輥控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，凝固浴導(dǎo)輥控制系統(tǒng)包括PID控制器、神經(jīng)內(nèi)分泌超短反饋控制器、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)參考模型和協(xié)同控制模塊，所述的協(xié)同控制模塊通過(guò)采集具有協(xié)同關(guān)系的其他紡絲組件數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，計(jì)算得到適宜的凝固浴導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)噴頭拉伸的智能協(xié)同控制，使噴頭拉伸比率保持相對(duì)穩(wěn)定；所述的其他紡絲組件數(shù)據(jù)包括計(jì)量泵數(shù)據(jù)以及噴絲組件數(shù)據(jù)，所述的協(xié)同優(yōu)化為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制エ藝的優(yōu)化。所述的ー種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制的碳纖維原絲噴頭拉伸エ藝，其特征在于，所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制エ藝由基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生物智能控制器設(shè)計(jì)エ藝以及基于多組件數(shù)據(jù)協(xié)同的智能協(xié)同優(yōu)化控制エ藝兩個(gè)部分組成。所述的ー種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制的碳纖維原絲噴頭拉伸エ藝，其特征在于，所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生物智能控制器設(shè)計(jì)エ藝，主要エ藝路線為:主控制器采用內(nèi)分泌超短反饋生物智能控制器，其中包括傳統(tǒng)PID模塊以及NUC模塊；控制器設(shè)計(jì)方案采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，具體是用于PID模塊設(shè)計(jì)的虛擬參考反饋整定法以及用于NUC模塊設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)的NUC優(yōu)化設(shè)計(jì)法；具體包括以下步驟:a.對(duì)凝固浴導(dǎo)輥的控制電機(jī)進(jìn)行一次開(kāi)環(huán)測(cè)試，給電機(jī)施加一組隨機(jī)的電壓輸入uop (k)，測(cè)量其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速輸出y。。(k);得到ー組測(cè)量數(shù)據(jù)[Utjp (k) ; yop (k) ]，k=l,…，Nop, k為測(cè)量序列號(hào)，Nop為本次測(cè)試的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；b.基于測(cè)量數(shù)據(jù)[U()p(k) ;y()p(k)]，采用VRFT數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，無(wú)需對(duì)凝固浴導(dǎo)輥進(jìn)行建模，便可直接辨識(shí)PID控制器參數(shù)，得到期望的PID控制模塊；VRFT算法框圖如圖3所不，具體算法可參考文獻(xiàn):[I] Campia MC, Lecchinib A, Savaresic SM.Virtual referenceieedback tuning:a dir ect method for the design of feedback controllers.Automatica[J], 2002, 38(8):1337-1346.)c.將所述期望的PID控制模塊接入凝固浴導(dǎo)輥控制系統(tǒng)，作為閉環(huán)系統(tǒng)的控制器，組成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，進(jìn)行一次階躍響應(yīng)測(cè)試，得到一組閉環(huán)測(cè)量數(shù)據(jù)[rd(k) ;ycl(k)],k=l, -,Ncl, k為測(cè)量序列號(hào)，Ncl為本次測(cè)試的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；該數(shù)據(jù)用于對(duì)引入的NUC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)。傳統(tǒng)的NUC控制器算法可參考文獻(xiàn):[2]劉寶，丁永生，王君紅.一種基于內(nèi)分泌超短反饋機(jī)制的智能控制器[J].計(jì)算機(jī)仿真.2008，25 (I): 188-191。d.基于閉環(huán)測(cè)量數(shù)據(jù)[rel(k) ;yel(k)]，計(jì)算NUC的期望輸出。具體計(jì)算方法為:根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到系統(tǒng)存在的控制誤差e(k):e (k) =rcl (k) -ycl (k)(I)為了彌補(bǔ)e(k)，令e(k)為NUC的輸出u。' (k)作用于P(Z)后的期望輸出，有:e GO=P(Z)Uc' (k)(2)其中，P(Z)為凝固浴導(dǎo)輥的傳遞函數(shù)；由于對(duì)象模型P(Z)未知，根據(jù)之前VRFT的算法，引入控制器、對(duì)象與參考模型間的關(guān)系:
權(quán)利要求
1.種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制的碳纖維原絲噴頭拉伸エ藝，其エ藝路線為紡絲熔體經(jīng)計(jì)量泵精確計(jì)量，進(jìn)入噴絲組件，由噴頭擠出后進(jìn)入凝固浴，經(jīng)凝固浴導(dǎo)輥實(shí)現(xiàn)噴頭拉イ申，最后離開(kāi)凝固浴，其特征是:所述的凝固浴導(dǎo)輥由凝固浴導(dǎo)輥控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，凝固浴導(dǎo)輥控制系統(tǒng)包括PID控制器、神經(jīng)內(nèi)分泌超短反饋控制器、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)參考模型和協(xié)同控制模塊，所述的協(xié)同控制模塊通過(guò)采集具有協(xié)同關(guān)系的其他紡絲組件數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，計(jì)算得到適宜的凝固浴導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)噴頭拉伸的智能協(xié)同控制，使噴頭拉伸比率保持相對(duì)穩(wěn)定；所述的其他紡絲組件數(shù)據(jù)包括計(jì)量泵數(shù)據(jù)以及噴絲組件數(shù)據(jù)，所述的協(xié)同優(yōu)化為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制エ藝的優(yōu)化。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制的碳纖維原絲噴頭拉伸エ藝，其特征在于，所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制エ藝由基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生物智能控制器設(shè)計(jì)エ藝以及基于多組件數(shù)據(jù)協(xié)同的智能協(xié)同優(yōu)化控制エ藝兩個(gè)部分組成。
3.據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制的碳纖維原絲噴頭拉伸エ藝，其特征在于，所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生物智能控制器設(shè)計(jì)エ藝，主要エ藝路線為:主控制器采用內(nèi)分泌超短反饋生物智能控制器，其中包括傳統(tǒng)PID模塊以及NUC模塊；控制器設(shè)計(jì)方案采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，具體是用于PID模塊設(shè)計(jì)的虛擬參考反饋整定法以及用于NUC模塊設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)的NUC優(yōu)化設(shè)計(jì)法；具體包括以下步驟: a.對(duì)凝固浴導(dǎo)棍的控制電機(jī)進(jìn)行一次開(kāi)環(huán)測(cè)試，給電機(jī)施加一組隨機(jī)的電壓輸入uop (k)，測(cè)量其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速輸出y。。(k);得到ー組測(cè)量數(shù)據(jù)[Utjp (k) ; yop (k) ]，k=l,…，Nop, k為測(cè)量序列號(hào)，Nop為本次測(cè)試的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度； b.基于測(cè)量數(shù)據(jù)[ivGO^^GO]，采用VRFT數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，無(wú)需對(duì)凝固浴導(dǎo)輥進(jìn)行建模，便可直接辨識(shí)PID控制器參數(shù)，得到期望的PID控制模塊； c.將所述期 望的PID控制模塊接入凝固浴導(dǎo)輥控制系統(tǒng)，作為閉環(huán)系統(tǒng)的控制器，組成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，進(jìn)行一次階躍響應(yīng)測(cè)試，得到一組閉環(huán)測(cè)量數(shù)據(jù)[rd(k) ;ycl(k)],k=l,…，Nd，k為測(cè)量序列號(hào)，Ncl為本次測(cè)試的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度； d.基于閉環(huán)測(cè)量數(shù)據(jù)[rd(k);yc;1(k)]，計(jì)算NUC的期望輸出；具體計(jì)算方法為: 根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到系統(tǒng)存在的控制誤差e(k):e (k) =rcl (k) -ycl (k)(I) 為了彌補(bǔ)e(k)，令e(k)為NUC的輸出u。' (k)作用于P(Z)后的期望輸出，有: e GO=P(Z)Uc' (k)(2) 其中，P(Z)為凝固浴導(dǎo)輥的傳遞函數(shù)； 由于對(duì)象模型P(Z)未知，根據(jù)之前VRFT的算法，引入控制器、對(duì)象與參考模型間的關(guān)系:
4.據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制的碳纖維原絲噴頭拉伸エ藝，其特征在于，所述的基于多組件數(shù)據(jù)協(xié)同的智能協(xié)同優(yōu)化控制エ藝，主要エ藝路線為:在凝固浴導(dǎo)輥控制系統(tǒng)中增加協(xié)同組件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊以及協(xié)同計(jì)算模塊。其中所述的協(xié)同組件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊采集具有協(xié)同關(guān)系的其他紡絲組件數(shù)據(jù)，包括計(jì)量泵數(shù)據(jù)以及噴絲組件數(shù)據(jù)；所述的協(xié)同控制模塊進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化計(jì)算。實(shí)現(xiàn)噴頭拉伸的智能協(xié)同控制，使噴頭拉伸比率保持相對(duì)穩(wěn)定；具體エ藝包括以下步驟: a.選取計(jì)量泵變頻轉(zhuǎn)速、計(jì)量泵供料量、噴絲板孔數(shù)、噴絲板孔徑作為協(xié)同控制參數(shù)；噴頭拉伸比率作為協(xié)同控制目標(biāo)；所述協(xié)同控制參數(shù)與噴頭拉伸比率的協(xié)同關(guān)系，具體為:
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制的碳纖維原絲噴頭拉伸工藝，該工藝路線為紡絲熔體經(jīng)計(jì)量泵精確計(jì)量，進(jìn)入噴絲組件，由噴頭擠出后進(jìn)入凝固浴，在凝固浴導(dǎo)輥的協(xié)同智能控制下，實(shí)現(xiàn)一定比率的噴頭拉伸，最后離開(kāi)凝固浴。本發(fā)明由基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生物智能控制器設(shè)計(jì)工藝以及基于多組件數(shù)據(jù)協(xié)同的智能協(xié)同優(yōu)化控制工藝兩個(gè)部分組成。其中提出的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生物智能控制器設(shè)計(jì)工藝，控制器采用內(nèi)分泌超短反饋生物智能控制器，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)改進(jìn)，成為不依賴對(duì)象模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的控制器；提出的基于多組件數(shù)據(jù)協(xié)同的智能協(xié)同優(yōu)化控制工藝，通過(guò)采集具有協(xié)同關(guān)系的其他紡絲組件數(shù)據(jù)并協(xié)同優(yōu)化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)噴頭拉伸比率的智能協(xié)同控制。
文檔編號(hào)G05B13/02GK103088448SQ201310046670
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者丁永生, 徐楠, 郝礦榮 申請(qǐng)人:東華大學(xué)