一種去偽控制的碳纖維凝固浴工藝制造技術

本發明專利技術涉及一種去偽控制的碳纖維凝固浴工藝，碳纖維凝固浴工藝為紡絲原液由噴絲頭擠出進入凝固浴中，在雙擴散作用下逐漸凝固成形為初生纖維，凝固浴的液位和濃度采用去偽控制的液位?濃度耦合控制方法，在數據驅動基礎上，引入去偽控制算法對碳纖維凝固過程進行控制，該算法在候選控制器集合基礎上，計算虛擬參考信號，根據性能指標辨識出當前采樣時刻的非偽控制器，切換到控制回路中，既可以使系統具有較好的瞬時響應性能，還能夠維持閉環系統的穩定性。根據去偽控制得到的非偽控制器參數，對其進行差分進化優化，經過差分變異、交叉和選擇操作后，再將改進后的非偽控制器切換至閉環控制回路，可達到更好的控制效果。

Carbon fiber coagulation bath process for eliminating pseudo control

The invention relates to a carbon fiber coagulation process to pseudo control, coagulation process of carbon fiber for spinning by extrusion spinneret into the coagulation bath, the effect of double diffusion under the solidification of as spun fibers gradually, the level concentration coupled control method to control the liquid level and pseudo concentration in coagulation bath. Data driven based on the introduction to the pseudo control algorithm to control the solidification process of carbon fiber, the algorithm in the candidate controller set based on the calculation of the virtual reference signal, according to the performance index to identify the current sampling time unfalsified controller, switch to the control loop, which can make the system has good transient response, stability to maintain the closed-loop system. According to the pseudo control to get the non pseudo controller parameters, differential evolution to optimize them. After the difference of mutation, crossover and selection operations, then the control loop controller is switched to non pseudo closed loop improved, can achieve better control effect.

【技術實現步驟摘要】
一種去偽控制的碳纖維凝固浴工藝
本專利技術屬紡絲領域，涉及一種去偽控制的碳纖維凝固浴工藝。
技術介紹
碳纖維是一種新型纖維材料，因其優良性能，在工業各領域都有廣泛的用途，特別是在國防軍工和民用方面。碳纖維凝固是原絲生產過程中十分重要的一個環節，原液細流在凝固過程的雙擴散作用中逐漸成為初生纖維，而凝固浴過程中的各項條件變化會直接影響得到初生纖維以及最終的碳纖維的性能。凝固浴溶液準備槽的液位、濃度是影響凝固浴品質的兩個關鍵變量。同時，考慮到大型化工過程工藝中的時滯，因此，碳纖維凝固浴過程的控制是一個耦合時滯控制問題。傳統控制方法分別對凝固浴的受控變量利用PID控制器形成若干獨立閉環回路進行控制,也有以某個受控變量為主，設計串級控制系統如KaramanM,BaturC.Drawresonancecontrolforpolymerfiberspinningprocess[C]//AmericanControlConference,1998.Proceedingsofthe1998.IEEE,1998,4:2155-2159.和CarrollJR,GivensMP,PieferR.Designelementsofthemodernspinningcontrolsystem[C]//Textile,FiberandFilmIndustryTechnicalConference,1994IEEE1994Annual.IEEE,1994:1-12.在文章中已有報道的。因為這些方法主要是對凝固浴單一變量進行控制，沒有考慮變量之間的相互影響對綜合控制效果的影響，調節手段單一，有其局限性，不利于產出高質量的碳纖維初生纖維；WuM,YanJ,SheJH,etal.Intelligentdecouplingcontrolofgascollectionprocessofmultipleasymmetriccokeovens[J].IndustrialElectronics,IEEETransactionson,2009,56(7):2782-2792.已在文章中明確指出上述缺點。針對這種情況，采用數據驅動控制方法對碳纖維凝固過程進行控制。數據驅動控制是一種利用受控系統的在線和離線I/O數據以及經過數據處理而得到的知識來設計控制器的一種控制方法，有收斂性、穩定性保障和魯棒性結論。基于受控系統的在線數據主要有同步擾動隨機逼近控制(SPSA)、無模型自適應控制(MFAC)、和去偽控制(UC)這三種數據驅動控制方法。SPSA控制器設計較復雜(函數逼近器)，收斂速度較慢，且在閉環實驗中要對控制器參數進行擾動，可能會導致廢產品的出現。MFAC首先要對非線性系統建立動態線性化模型，根據控制輸入準則函數得到控制律，再根據參數估計準則函數得到偽偏導數，繼而得到控制方案，但是MFAC控制器參數變化對控制系統穩定性有較大影響。本專利技術引入另一種基于在線數據的數據驅動方法——去偽控制。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種去偽控制的碳纖維凝固浴工藝，本專利技術在數據驅動基礎上，引入去偽控制算法對碳纖維凝固過程進行控制，該算法在候選控制器集合基礎上，計算虛擬參考信號，根據性能指標辨識出當前采樣時刻的非偽控制器，切換到控制回路中，既可以使系統具有較好的瞬時響應性能，還能夠維持閉環系統的穩定性。差分進化算法(DifferentialEvolution,DE)是一種比較新穎的智能優化算法，對當前代數的種群在全局進行隨機并行直接搜索。因為其原理易懂，結構簡單，收斂速度快且優化效果出色而在實際工程項目優化技術中得到了極大的應用。在去偽控制基礎上對其進行差分進化優化，進一步優化了控制效果。一種去偽控制的碳纖維凝固浴工藝，所述的碳纖維凝固浴工藝為紡絲原液由噴絲頭擠出進入凝固浴中，在雙擴散作用下逐漸凝固成形為初生纖維，所述凝固浴的液位和濃度采用去偽控制的液位-濃度耦合控制方法，具體控制步驟為：(1)初始條件：a、初始輸入：液位實際輸出y1(k)在采樣時刻1～3的值y1(1)～y1(3)；濃度實際輸出y2(k)在采樣時刻1～3的值y2(1)～y2(3)；液位非偽控制器輸出u1(k)在采樣時刻1～2的值u1(1)～u1(2)；濃度非偽控制器輸出u2(k)在采樣時刻1～2的值u2(1)～u2(2)；b、初始化：液位期望輸出y1*(k)，初始化時將其設定為常值a，即為實際生產過程需要的液位目標值，在任何采樣時刻k，y1*(k)＝a；濃度期望輸出y2*(k)，初始化時將其設定為常值b，即為實際生產過程需要的濃度目標值，在任何采樣時刻k，y2*(k)＝b；對液位-濃度耦合控制系統進行PID參數工程整定，得到X組PID參數:比例系數KP候選值，從X組PID參數中提取出KP值，共有l個不同的取值：KP1,KP2,...,KPl；積分系數KI候選值，從X組PID參數中提取出KI值，共有m個不同的取值：KI1,KI2,...,KIm；微分系數KD候選值，從X組PID參數中提取出KD值，共有n個不同的取值：KD1,KD2,...,KDn；在初始化中每次分別從l個比例系數KP候選值、m個積分系數KI候選值以及n個微分系數KD候選值中各自按序選擇一個候選值組成一組候選控制器參數，將每組候選控制器參數依次賦值到一個矩陣的相應行，組成為一個候選控制器集合矩陣：其中，l×m×n＝N，則排列組合后有N組候選控制器參數，最終形成一個N×3矩陣，即候選控制器集合為一個N×3矩陣，形成的候選控制器集合矩陣中，KPi為第i組控制器的KP參數值，KIi為第i組控制器的KI參數值，KDi為第i組控制器的KD參數值；液位偏差e1(k)，為任一采樣時刻k液位期望輸出y1*(k)與液位實際輸出y1(k)之間的差值：e1(k)＝y1*(k)-y1(k)；濃度偏差e2(k)，為任一采樣時刻k濃度期望輸出y2*(k)與濃度實際輸出y2(k)之間的差值：e2(k)＝y2*(k)-y2(k)；(2)在采樣時刻k，結合候選控制器集合矩陣中每組候選控制器參數，按照如下公式計算采樣時刻k每組候選控制器參數對應的液位虛擬參考信號和濃度虛擬參考信號其中，e1(k-1)為k-1時刻的液位誤差；e1(k-2)為k-2時刻的液位誤差；e2(k-1)為k-1時刻的濃度誤差；e2(k-2)為k-2時刻的濃度誤差；u1(k-1)為k-1時刻的液位非偽控制器輸出；u2(k-1)為k-1時刻的濃度非偽控制器輸出；(3)在采樣時刻k，按照如下公式計算候選控制器集合矩陣中每組候選控制器參數的液位性能指標J1(i,k)和濃度性能指標J2(i,k)：其中，τ是在0～k之間的任意一個采樣時刻；β為一個正的常數，取值范圍為0＜β＜0.01；u1(τ)為τ時刻的液位非偽控制器輸出；u2(τ)為τ時刻的濃度非偽控制器輸出；為τ時刻第i組控制器的液位虛擬參考信號；為τ時刻第i組控制器的濃度虛擬參考信號；y1(τ)為τ時刻的液位實際輸出；y2(τ)為τ時刻的濃度實際輸出；(4)在當前采樣時刻k，比較候選控制器矩陣中所有組候選控制器參數相應的液位性能指標J1(i,k)，使得液位性能指標值最小的一組相應序號記為液位非偽控制器序號也是候選控制器參數對本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種去偽控制的碳纖維凝固浴工藝，所述的碳纖維凝固浴工藝為紡絲原液由噴絲頭擠出進入凝固浴中，在雙擴散作用下逐漸凝固成形為初生纖維，其特征是：所述凝固浴的液位和濃度采用去偽控制的液位?濃度耦合控制方法，具體控制步驟為：(1)初始條件：a、初始輸入：液位實際輸出y1(k)在采樣時刻1～3的值y1(1)～y1(3)；濃度實際輸出y2(k)在采樣時刻1～3的值y2(1)～y2(3)；液位非偽控制器輸出u1(k)在采樣時刻1～2的值u1(1)～u1(2)；濃度非偽控制器輸出u2(k)在采樣時刻1～2的值u2(1)～u2(2)；b、初始化：液位期望輸出y1

【技術特征摘要】
1.一種去偽控制的碳纖維凝固浴工藝，所述的碳纖維凝固浴工藝為紡絲原液由噴絲頭擠出進入凝固浴中，在雙擴散作用下逐漸凝固成形為初生纖維，其特征是：所述凝固浴的液位和濃度采用去偽控制的液位-濃度耦合控制方法，具體控制步驟為：(1)初始條件：a、初始輸入：液位實際輸出y1(k)在采樣時刻1～3的值y1(1)～y1(3)；濃度實際輸出y2(k)在采樣時刻1～3的值y2(1)～y2(3)；液位非偽控制器輸出u1(k)在采樣時刻1～2的值u1(1)～u1(2)；濃度非偽控制器輸出u2(k)在采樣時刻1～2的值u2(1)～u2(2)；b、初始化：液位期望輸出y1*(k)，初始化時將其設定為常值a，即為實際生產過程需要的液位目標值，在任何采樣時刻k，y1*(k)＝a；濃度期望輸出y2*(k)，初始化時將其設定為常值b，即為實際生產過程需要的濃度目標值，在任何采樣時刻k，y2*(k)＝b；對液位-濃度耦合控制系統進行PID參數工程整定，得到X組PID參數:比例系數KP候選值，從X組PID參數中提取出KP值，共有l個不同的取值：KP1,KP2,...,KPl；積分系數KI候選值，從X組PID參數中提取出KI值，共有m個不同的取值：KI1,KI2,...,KIm；微分系數KD候選值，從X組PID參數中提取出KD值，共有n個不同的取值：KD1,KD2,...,KDn；在初始化中每次分別從l個比例系數KP候選值、m個積分系數KI候選值以及n個微分系數KD候選值中各自按序選擇一個候選值組成一組候選控制器參數，將每組候選控制器參數依次賦值到一個矩陣的相應行，組成為一個候選控制器集合矩陣：其中，l×m×n＝N，則排列組合后有N組候選控制器參數，最終形成一個N×3矩陣，即候選控制器集合為一個N×3矩陣，形成的候選控制器集合矩陣中，KPi為第i組控制器的KP參數值，KIi為第i組控制器的KI參數值，KDi為第i組控制器的KD參數值；液位偏差e1(k)，為任一采樣時刻k液位期望輸出y1*(k)與液位實際輸出y1(k)之間的差值：e1(k)＝y1*(k)-y1(k)；濃度偏差e2(k)，為任一采樣時刻k濃度期望輸出y2*(k)與濃度實際輸出y2(k)之間的差值：e2(k)＝y2*(k)-y2(k)；(2)在采樣時刻k，結合候選控制器集合矩陣中每組候選控制器參數，按照如下公式計算采樣時刻k每組候選控制器參數對應的液位虛擬參考信號和濃度虛擬參考信號其中，e1(k-1)為k-1時刻的液位誤差；e1(k-2)為k-2時刻的液位誤差；e2(k-1)為k-1時刻的濃度誤差；e2(k-2)為k-2時刻的濃度誤差；u1(k-1)為k-1時刻的液位非偽控制器輸出；u2(k-1)為k-1時刻的濃度非偽控制器輸出；(3)在采樣時刻k，按照如下公式計算候選控制器集合矩陣中每組候選控制器參數的液位性能指標J1(i,k)和濃度性能指標J2(i,k)：其中，τ是在0～k之間的任意一個采樣時刻；β為一個正的常數，取值范圍為0＜β＜0.01；u1(τ)為τ時刻的液位非偽控制器輸出；u2(τ)為τ時刻的濃度非偽控制器輸出；為τ時刻第i組控制器的液位虛擬參考信號；為τ時刻第i組控制器的濃度虛擬參考信號；y1(τ)為τ時刻的液位實際輸出；y2(τ)為τ時刻的濃度實際輸出；(4)在當前采樣時刻k，比較候選控制器矩陣中所有組候選控制器參數相應的液位性能指標J1(i,k)，使得液位性能指標值最小的一組相應序號記為液位非偽控制器序號也是候選控制器參數對應在候選控制器集合矩陣中的行號：在當前采樣時刻k，比較候選控制器矩陣中所有組候選控制器參數相應的濃度性能指標J2(i,k)，使得濃度性能指標值最小的一組相應序號記為濃度非偽控制器序號也是候選控制器參數對應在候選控制器集合矩陣中的行號：(5)滯后切換：當時，即在當前采樣時刻k相應的最小液位性能指標值min(J1(i,k))與前一采樣時刻k-1的液位非偽控制器序號的當前采樣時刻性能指標值之間的差值小于等于滯后切換閾值e時，液位非偽控制器序號和前一采樣時刻的相同，仍然采用前一時刻的液位非偽控制器序號；當時，即在當前采樣時刻k相應的最小液位性能指標值min(J1(i,k))與前一采樣時刻k-1的液位非偽控制器序號的當前采樣時刻性能指標值之間的差值大于滯后切換閾值e時，液位非偽控制器序號為當前采樣時刻液位性能指標值最小的一組相應序號，采用當前采樣時刻的最小性能指標值對應的液位非偽控制器序號；當時，即在當前采樣時刻k相應的最小濃度性能指標值min(J2(i,k))與前一采樣時刻k-1的濃度非偽控制器序號的當前采樣時刻性能指標值之間的差值小于等于滯后切換閾值e時，濃度非偽控制器序號和前一采樣時刻的相同，仍然采用前一時刻的濃度非偽控制器序號；當時，即在當前采樣時刻k相應的最小液位性能指標值min(J2(i,k))與前一采樣時刻k-1的液位非偽控制器序號的當前采樣時刻性能指標值之間的差值大于滯后切換閾值e時，濃度非偽控制器序號為當前采樣時刻濃度性能指標值最小的一組相應序號，采用當前采樣時刻的最小性能指標值對應的濃度非偽控制器序號；(6)根據得到的非偽控制器序號和對應在候選控制器集合矩陣中的行號，得到相應的候選控制器參數，即液位非偽控制器和濃度非偽控制器其中，為候選控制器集合矩陣中第行第一列的KP值；為候選控制器集合矩陣中第行第二列的KI值；為候選控制器集合矩陣中第行第三列的KD值；為候選控制器集合矩陣中第行第一列的KP值；為候選控制器集合矩陣中第行第二列的KI值；為候選控制器集合矩陣中第行第三列的KD值；(7)根據(6)的液位非偽控制器和濃度非偽控制器得到采樣時刻k的液位非偽控制器輸出u1(k)和濃度非偽控制器輸出u2(k)：其中，k＞3；(8)根據液位-濃度控制系統，如下公式所示，得到采樣時刻k的液位實際輸出y1(k)和濃度實際輸出y2(k)：y1(k)＝0.001273·y1(k-1)+0.9987·u1(k-3)+0.9987·u2(k-6)；y2(k)＝0.001273·y2(k-1)-6.4817·u1(k-3)+1.4981·u2(k-6)；其中，k＞3；y1(k-1)是采樣時刻k-1的液位實際輸出；y2(k-1)是采樣時刻k-1的濃度實際輸出；u1(k-3)是采樣時刻k-3的液位非偽控制器輸出；u2(k-6)是采樣時刻k-6的濃度非偽控制器輸出；(9)若當前采...

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁永生，伊金靜，陳磊，任立紅，郝礦榮，
申請(專利權)人：東華大學，
類型：發明
國別省市：上海,31