一种去伪控制的碳纤维凝固浴工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种去伪控制的碳纤维凝固浴工艺，碳纤维凝固浴工艺为纺丝原液由喷丝头挤出进入凝固浴中，在双扩散作用下逐渐凝固成形为初生纤维，凝固浴的液位和浓度采用去伪控制的液位‑浓度耦合控制方法，在数据驱动基础上，引入去伪控制算法对碳纤维凝固过程进行控制，该算法在候选控制器集合基础上，计算虚拟参考信号，根据性能指标辨识出当前采样时刻的非伪控制器，切换到控制回路中，既可以使系统具有较好的瞬时响应性能，还能够维持闭环系统的稳定性。根据去伪控制得到的非伪控制器参数，对其进行差分进化优化，经过差分变异、交叉和选择操作后，再将改进后的非伪控制器切换至闭环控制回路，可达到更好的控制效果。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种去伪控制的碳纤维凝固浴工艺
本专利技术属纺丝领域，涉及一种去伪控制的碳纤维凝固浴工艺。
技术介绍
碳纤维是一种新型纤维材料，因其优良性能，在工业各领域都有广泛的用途，特别是在国防军工和民用方面。碳纤维凝固是原丝生产过程中十分重要的一个环节，原液细流在凝固过程的双扩散作用中逐渐成为初生纤维，而凝固浴过程中的各项条件变化会直接影响得到初生纤维以及最终的碳纤维的性能。凝固浴溶液准备槽的液位、浓度是影响凝固浴品质的两个关键变量。同时，考虑到大型化工过程工艺中的时滞，因此，碳纤维凝固浴过程的控制是一个耦合时滞控制问题。传统控制方法分别对凝固浴的受控变量利用PID控制器形成若干独立闭环回路进行控制,也有以某个受控变量为主，设计串级控制系统如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.在文章中已有报道的。因为这些方法主要是对凝固浴单一变量进行控制，没有考虑变量之间的相互影响对综合控制效果的影响，调节手段单一，有其局限性，不利于产出高质量的碳纤维初生纤维；WuM,YanJ,SheJH,etal.Intelligentdecouplingcontrolofgascollectionprocessofmultipleasymmetriccokeovens[J].IndustrialElectronics,IEEETransactionson,2009,56(7):2782-2792.已在文章中明确指出上述缺点。针对这种情况，采用数据驱动控制方法对碳纤维凝固过程进行控制。数据驱动控制是一种利用受控系统的在线和离线I/O数据以及经过数据处理而得到的知识来设计控制器的一种控制方法，有收敛性、稳定性保障和鲁棒性结论。基于受控系统的在线数据主要有同步扰动随机逼近控制(SPSA)、无模型自适应控制(MFAC)、和去伪控制(UC)这三种数据驱动控制方法。SPSA控制器设计较复杂(函数逼近器)，收敛速度较慢，且在闭环实验中要对控制器参数进行扰动，可能会导致废产品的出现。MFAC首先要对非线性系统建立动态线性化模型，根据控制输入准则函数得到控制律，再根据参数估计准则函数得到伪偏导数，继而得到控制方案，但是MFAC控制器参数变化对控制系统稳定性有较大影响。本专利技术引入另一种基于在线数据的数据驱动方法——去伪控制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种去伪控制的碳纤维凝固浴工艺，本专利技术在数据驱动基础上，引入去伪控制算法对碳纤维凝固过程进行控制，该算法在候选控制器集合基础上，计算虚拟参考信号，根据性能指标辨识出当前采样时刻的非伪控制器，切换到控制回路中，既可以使系统具有较好的瞬时响应性能，还能够维持闭环系统的稳定性。差分进化算法(DifferentialEvolution,DE)是一种比较新颖的智能优化算法，对当前代数的种群在全局进行随机并行直接搜索。因为其原理易懂，结构简单，收敛速度快且优化效果出色而在实际工程项目优化技术中得到了极大的应用。在去伪控制基础上对其进行差分进化优化，进一步优化了控制效果。一种去伪控制的碳纤维凝固浴工艺，所述的碳纤维凝固浴工艺为纺丝原液由喷丝头挤出进入凝固浴中，在双扩散作用下逐渐凝固成形为初生纤维，所述凝固浴的液位和浓度采用去伪控制的液位-浓度耦合控制方法，具体控制步骤为：(1)初始条件：a、初始输入：液位实际输出y1(k)在采样时刻1～3的值y1(1)～y1(3)；浓度实际输出y2(k)在采样时刻1～3的值y2(1)～y2(3)；液位非伪控制器输出u1(k)在采样时刻1～2的值u1(1)～u1(2)；浓度非伪控制器输出u2(k)在采样时刻1～2的值u2(1)～u2(2)；b、初始化：液位期望输出y1*(k)，初始化时将其设定为常值a，即为实际生产过程需要的液位目标值，在任何采样时刻k，y1*(k)＝a；浓度期望输出y2*(k)，初始化时将其设定为常值b，即为实际生产过程需要的浓度目标值，在任何采样时刻k，y2*(k)＝b；对液位-浓度耦合控制系统进行PID参数工程整定，得到X组PID参数:比例系数KP候选值，从X组PID参数中提取出KP值，共有l个不同的取值：KP1,KP2,...,KPl；积分系数KI候选值，从X组PID参数中提取出KI值，共有m个不同的取值：KI1,KI2,...,KIm；微分系数KD候选值，从X组PID参数中提取出KD值，共有n个不同的取值：KD1,KD2,...,KDn；在初始化中每次分别从l个比例系数KP候选值、m个积分系数KI候选值以及n个微分系数KD候选值中各自按序选择一个候选值组成一组候选控制器参数，将每组候选控制器参数依次赋值到一个矩阵的相应行，组成为一个候选控制器集合矩阵：其中，l×m×n＝N，则排列组合后有N组候选控制器参数，最终形成一个N×3矩阵，即候选控制器集合为一个N×3矩阵，形成的候选控制器集合矩阵中，KPi为第i组控制器的KP参数值，KIi为第i组控制器的KI参数值，KDi为第i组控制器的KD参数值；液位偏差e1(k)，为任一采样时刻k液位期望输出y1*(k)与液位实际输出y1(k)之间的差值：e1(k)＝y1*(k)-y1(k)；浓度偏差e2(k)，为任一采样时刻k浓度期望输出y2*(k)与浓度实际输出y2(k)之间的差值：e2(k)＝y2*(k)-y2(k)；(2)在采样时刻k，结合候选控制器集合矩阵中每组候选控制器参数，按照如下公式计算采样时刻k每组候选控制器参数对应的液位虚拟参考信号和浓度虚拟参考信号其中，e1(k-1)为k-1时刻的液位误差；e1(k-2)为k-2时刻的液位误差；e2(k-1)为k-1时刻的浓度误差；e2(k-2)为k-2时刻的浓度误差；u1(k-1)为k-1时刻的液位非伪控制器输出；u2(k-1)为k-1时刻的浓度非伪控制器输出；(3)在采样时刻k，按照如下公式计算候选控制器集合矩阵中每组候选控制器参数的液位性能指标J1(i,k)和浓度性能指标J2(i,k)：其中，τ是在0～k之间的任意一个采样时刻；β为一个正的常数，取值范围为0＜β＜0.01；u1(τ)为τ时刻的液位非伪控制器输出；u2(τ)为τ时刻的浓度非伪控制器输出；为τ时刻第i组控制器的液位虚拟参考信号；为τ时刻第i组控制器的浓度虚拟参考信号；y1(τ)为τ时刻的液位实际输出；y2(τ)为τ时刻的浓度实际输出；(4)在当前采样时刻k，比较候选控制器矩阵中所有组候选控制器参数相应的液位性能指标J1(i,k)，使得液位性能指标值最小的一组相应序号记为液位非伪控制器序号也是候选控制器参数对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种去伪控制的碳纤维凝固浴工艺，所述的碳纤维凝固浴工艺为纺丝原液由喷丝头挤出进入凝固浴中，在双扩散作用下逐渐凝固成形为初生纤维，其特征是：所述凝固浴的液位和浓度采用去伪控制的液位‑浓度耦合控制方法，具体控制步骤为：(1)初始条件：a、初始输入：液位实际输出y1(k)在采样时刻1～3的值y1(1)～y1(3)；浓度实际输出y2(k)在采样时刻1～3的值y2(1)～y2(3)；液位非伪控制器输出u1(k)在采样时刻1～2的值u1(1)～u1(2)；浓度非伪控制器输出u2(k)在采样时刻1～2的值u2(1)～u2(2)；b、初始化：液位期望输出y1

【技术特征摘要】
1.一种去伪控制的碳纤维凝固浴工艺，所述的碳纤维凝固浴工艺为纺丝原液由喷丝头挤出进入凝固浴中，在双扩散作用下逐渐凝固成形为初生纤维，其特征是：所述凝固浴的液位和浓度采用去伪控制的液位-浓度耦合控制方法，具体控制步骤为：(1)初始条件：a、初始输入：液位实际输出y1(k)在采样时刻1～3的值y1(1)～y1(3)；浓度实际输出y2(k)在采样时刻1～3的值y2(1)～y2(3)；液位非伪控制器输出u1(k)在采样时刻1～2的值u1(1)～u1(2)；浓度非伪控制器输出u2(k)在采样时刻1～2的值u2(1)～u2(2)；b、初始化：液位期望输出y1*(k)，初始化时将其设定为常值a，即为实际生产过程需要的液位目标值，在任何采样时刻k，y1*(k)＝a；浓度期望输出y2*(k)，初始化时将其设定为常值b，即为实际生产过程需要的浓度目标值，在任何采样时刻k，y2*(k)＝b；对液位-浓度耦合控制系统进行PID参数工程整定，得到X组PID参数:比例系数KP候选值，从X组PID参数中提取出KP值，共有l个不同的取值：KP1,KP2,...,KPl；积分系数KI候选值，从X组PID参数中提取出KI值，共有m个不同的取值：KI1,KI2,...,KIm；微分系数KD候选值，从X组PID参数中提取出KD值，共有n个不同的取值：KD1,KD2,...,KDn；在初始化中每次分别从l个比例系数KP候选值、m个积分系数KI候选值以及n个微分系数KD候选值中各自按序选择一个候选值组成一组候选控制器参数，将每组候选控制器参数依次赋值到一个矩阵的相应行，组成为一个候选控制器集合矩阵：其中，l×m×n＝N，则排列组合后有N组候选控制器参数，最终形成一个N×3矩阵，即候选控制器集合为一个N×3矩阵，形成的候选控制器集合矩阵中，KPi为第i组控制器的KP参数值，KIi为第i组控制器的KI参数值，KDi为第i组控制器的KD参数值；液位偏差e1(k)，为任一采样时刻k液位期望输出y1*(k)与液位实际输出y1(k)之间的差值：e1(k)＝y1*(k)-y1(k)；浓度偏差e2(k)，为任一采样时刻k浓度期望输出y2*(k)与浓度实际输出y2(k)之间的差值：e2(k)＝y2*(k)-y2(k)；(2)在采样时刻k，结合候选控制器集合矩阵中每组候选控制器参数，按照如下公式计算采样时刻k每组候选控制器参数对应的液位虚拟参考信号和浓度虚拟参考信号其中，e1(k-1)为k-1时刻的液位误差；e1(k-2)为k-2时刻的液位误差；e2(k-1)为k-1时刻的浓度误差；e2(k-2)为k-2时刻的浓度误差；u1(k-1)为k-1时刻的液位非伪控制器输出；u2(k-1)为k-1时刻的浓度非伪控制器输出；(3)在采样时刻k，按照如下公式计算候选控制器集合矩阵中每组候选控制器参数的液位性能指标J1(i,k)和浓度性能指标J2(i,k)：其中，τ是在0～k之间的任意一个采样时刻；β为一个正的常数，取值范围为0＜β＜0.01；u1(τ)为τ时刻的液位非伪控制器输出；u2(τ)为τ时刻的浓度非伪控制器输出；为τ时刻第i组控制器的液位虚拟参考信号；为τ时刻第i组控制器的浓度虚拟参考信号；y1(τ)为τ时刻的液位实际输出；y2(τ)为τ时刻的浓度实际输出；(4)在当前采样时刻k，比较候选控制器矩阵中所有组候选控制器参数相应的液位性能指标J1(i,k)，使得液位性能指标值最小的一组相应序号记为液位非伪控制器序号也是候选控制器参数对应在候选控制器集合矩阵中的行号：在当前采样时刻k，比较候选控制器矩阵中所有组候选控制器参数相应的浓度性能指标J2(i,k)，使得浓度性能指标值最小的一组相应序号记为浓度非伪控制器序号也是候选控制器参数对应在候选控制器集合矩阵中的行号：(5)滞后切换：当时，即在当前采样时刻k相应的最小液位性能指标值min(J1(i,k))与前一采样时刻k-1的液位非伪控制器序号的当前采样时刻性能指标值之间的差值小于等于滞后切换阈值e时，液位非伪控制器序号和前一采样时刻的相同，仍然采用前一时刻的液位非伪控制器序号；当时，即在当前采样时刻k相应的最小液位性能指标值min(J1(i,k))与前一采样时刻k-1的液位非伪控制器序号的当前采样时刻性能指标值之间的差值大于滞后切换阈值e时，液位非伪控制器序号为当前采样时刻液位性能指标值最小的一组相应序号，采用当前采样时刻的最小性能指标值对应的液位非伪控制器序号；当时，即在当前采样时刻k相应的最小浓度性能指标值min(J2(i,k))与前一采样时刻k-1的浓度非伪控制器序号的当前采样时刻性能指标值之间的差值小于等于滞后切换阈值e时，浓度非伪控制器序号和前一采样时刻的相同，仍然采用前一时刻的浓度非伪控制器序号；当时，即在当前采样时刻k相应的最小液位性能指标值min(J2(i,k))与前一采样时刻k-1的液位非伪控制器序号的当前采样时刻性能指标值之间的差值大于滞后切换阈值e时，浓度非伪控制器序号为当前采样时刻浓度性能指标值最小的一组相应序号，采用当前采样时刻的最小性能指标值对应的浓度非伪控制器序号；(6)根据得到的非伪控制器序号和对应在候选控制器集合矩阵中的行号，得到相应的候选控制器参数，即液位非伪控制器和浓度非伪控制器其中，为候选控制器集合矩阵中第行第一列的KP值；为候选控制器集合矩阵中第行第二列的KI值；为候选控制器集合矩阵中第行第三列的KD值；为候选控制器集合矩阵中第行第一列的KP值；为候选控制器集合矩阵中第行第二列的KI值；为候选控制器集合矩阵中第行第三列的KD值；(7)根据(6)的液位非伪控制器和浓度非伪控制器得到采样时刻k的液位非伪控制器输出u1(k)和浓度非伪控制器输出u2(k)：其中，k＞3；(8)根据液位-浓度控制系统，如下公式所示，得到采样时刻k的液位实际输出y1(k)和浓度实际输出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)是采样时刻k-1的液位实际输出；y2(k-1)是采样时刻k-1的浓度实际输出；u1(k-3)是采样时刻k-3的液位非伪控制器输出；u2(k-6)是采样时刻k-6的浓度非伪控制器输出；(9)若当前采...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁永生，伊金静，陈磊，任立红，郝矿荣，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31