一种碳纤维凝固浴的智能协同控制器及方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维凝固浴的智能协同控制器及其控制方法，所述的控制器具有一个控制方法选择单元和多个控制单元；每个控制单元的控制算法或策略可根据控制方法选择单元的指令动态切换，实现协同调节；控制单元之间交换受控变量信息，对控制对象进行解耦与综合控制。本发明专利技术提出一种对凝固浴受控变量进行综合控制的智能协同控制方法，形成一个统一的控制器，并在该控制器内部对各个受控变量进行协同调整与控制，以达到对凝固浴的综合控制与协同优化的目的。本发明专利技术解决了碳纤维凝固浴控制系统中控制精度低、难以满足高质量碳纤维初生丝条控制要求的问题。

Intelligent synergistic controller and method for carbon fiber coagulation bath

The invention relates to an intelligent carbon fiber coagulation collaborative controller and its control method, the controller has a control method selection unit and a plurality of control units; each control unit control algorithm or strategy according to the control method of the dynamic unit selection instruction switch, to achieve coordinated regulation; controlled variable information exchange control unit between the decoupling and control of control object. The invention provides a method of cooperative control of comprehensive control of coagulation bath controlled variable intelligence, to form a unified controller, and each controlled variable in the internal controller collaborative adjustment and control, to achieve the comprehensive control of the coagulation bath and collaborative optimization purposes. The invention solves the problem that the control precision of the carbon fiber coagulation bath control system is low and the control requirement of the high quality carbon fiber primary yarn is difficult to meet.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属自动控制
，特别是涉及。
技术介绍
碳纤维的生产是一个具有高度复杂性的工业过程。以聚丙烯腈(PAN)碳纤维的生产 为例，它包括P緒纺丝原液聚合、喷丝、凝固、水洗、牵伸、预氧化、碳化、后处理等环 节，其目的是产出具有一定强度和模量的优质碳纤维。碳纤维的生产环节联系紧密，工作 条件多样，设备结构复杂，原料性态变化频繁，且各个环节内部和环节之间存在不同程度 的耦合与滞后，使得相应的自动控制系统也极为复杂，增加了大规模高质量生产的难度。由于PAN碳纤维纺丝工艺冗长，而凝固阶段是其中最基本的环节，对最终碳纤维的结 构与性能起着决定性作用。PAN原液的凝固流程如下PAN纺丝原液(主要成分为高浓度 的PAN聚合物)经喷丝板喷出后，直接进入具有一定浓度配比的凝固浴(湿纺法)，或经 过一段空气层进入凝固浴(干喷湿纺法)。在凝固浴中，原液细流与凝固浴溶液间由于所 含PAN的浓度差而发生双扩散现象，原液细流中的溶剂组分进入凝固浴，而凝固浴中的水 则扩散进入原液细流。通过双扩散作用，原液细流凝固形成固态的初生丝条，送入下级工 序进一步处理。初生丝条的质量直接关系到最终产出碳纤维的性能，而凝固浴的各种物理 化学因素均会直接影响到丝条的质量，这些因素内部关系复杂，互相耦合制约，不易进行高质量的控制。目前，对凝固浴的工业控制主要集中在对凝固浴溶液的温度、浓度和液面高度(干喷 湿纺法)的控制，以及它们的相互作用上。目前主要是采用传统的PID控制方法，利用多 个PID控制器建立单回路控制系统，分别对凝固浴的温度、浓度、液面高度等受控变量单 独进行控制，形成一个个独立的闭环控制回路；或者以某个受控变量为主，设计串级控制 系统；有时也可借助辅助设备，强制固定凝固浴的温度及浓度等，这样便无需进行闭环调 节(实验室环境下)。这些方法简单，但每个控制器仅能影响凝固浴的某一个方面，调节 手段单一，且没有考虑到各控制变量之间的耦合和滞后，无法保证凝固浴的综合状态持续 稳定，不利于产出高质量的PAN碳纤维初生丝条。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种对凝固浴受控变量进行综合控制的智能协同控 制方法，形成一个统一的控制器，并在该控制器内部对各个受控变量进行协同调整与控制，以达到对凝固浴的综合控制与协同优化的目的。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种碳纤维凝固浴的智能协同控制 器，包括一个凝固浴溶液配液槽及凝固浴本体，凝固浴溶液配液槽具有一个溶质入口、 一 个溶剂水入口以及一个溶液出口，各出入口均有阀门调节，所述的凝固浴溶液配液槽与智 能协同控制器相连，所述的智能协同控制器包括一个控制方法选择单元，其一端与输入接 口相接，另一端分别与温度控制单元、液位控制单元及浓度控制单元相连；三个控制单元 向控制方法选择单元反馈控制信息，通过温度控制单元解耦输出信号、浓度控制单元解耦 输出信号和液位控制单元解耦输出信号解耦信号交换解耦信息，并通过输出接口与凝固浴 配液槽对应的阀门连接；所述的控制方法选择单元和上述的三个控制单元分别与人机界面 相连。所述的温度控制单元、液位控制单元及浓度控制单元的内部均串联配置一个控制单元 子控制器、 一个解耦模块和一个综合输出模块。所述的智能协同控制器包括两个中央处理器，即控制方法选择单元CPU和控制器主体 CPU,两个中央处理器与数据存储器相连。使用权利要求1所述的一种碳纤维凝固浴的智能协同控制器的方法，包括下列步骤(1) 控制器加电，控制程序开始运行；(2) 监测受控变量及其相关参数变化情况；(3) 判断受控变量及其相关参数变化是否出现异常，若出现异常变化，则进入步骤(4)， 否则进入步骤(ll);(4) 使用智能协同控制器中的PID算法对受控变量进行初步控制；(5) 延迟数十秒至数分钟时间(时间长短视受控变量性质而定，需要调试确定)；(6) 对PID算法的控制效果进行评价，若控制效果好，则进入步骤(7)，否则进入步骤(8);(7) 保存本次控制方案，进入步骤(ll);(8) 查询历史控制数据是否有类似情况，如有进入步骤(9)，否则进入步骤(10);(9) 提取历史控制数据中的已有控制方案；(10) 控制方法选择单元发出指令，各控制单元切换控制方法；(11) 对各控制变量进行智能解耦和控制量综合；(12) 输出控制信号，返回步骤(2)。本专利技术所述的智能协同控制方法及其控制器，主要包含以下几个方面的内容5(1) 具有一个控制方法选择单元和多个控制单元(含多种控制算法或策略)；(2) 每个控制单元的控制算法或策略可根据控制方法选择单元的指令动态切换，实现协同调节；(3) 控制单元之间交换受控变量信息，对控制对象进行解耦与综合控制。一、 控制单元控制单元，是指针对凝固浴的某个特定受控对象所建立的闭环控制系统及其输入输出 接口，也包括用于与控制器中其它部分通信的渠道。每个控制单元包含一个控制器，内置多种控制算法或策略，控制算法或策略的种类和 数量视受控变量的性质不同而配置，在控制器设计时确定。可选的控制算法或策略包括但 不限于常规PID控制算法及其变型(积分分离、微分先行等)、智能控制算法(免疫记忆 控制器、仿生控制器等)等。控制单元的初始控制算法默认为PID控制算法。每个控制单元按照控制算法选择单元发出的指令，选定一种控制算法进行实时控制， 同时向控制算法选择单元和其它控制单元传递受控变量的信息及相应的控制信息，作为下 一步控制的决策依据。二、 控制算法选择策略控制算法选择策略内置于控制器的控制算法选择单元中，用于为每个控制单元选择合 适的控制算法，并向控制单元发出指令改变其控制算法。对每个控制单元，控制算法选择策略根据以下因素为其选择控制算法(1) 该控制单元对应受控变量的给定值、实际值、误差以及误差变化速率；(2) 该控制单元对应受控变量与其它受控变量的实际值比较，以及受控变量的总体变 化趋势；(3) 控制器的历史数据积累，包括受控变量变化特征统计、各种控制算法使用统计等。 控制算法选择策略根据以下原则切换控制算法(1) 当受控变量变化异常且超过设定的稳定阈值时，考虑切换控制算法；(2) 当受控对象(可能包括多个受控变量)整体变化异常时，考虑切换控制算法；(3) 控制算法切换首先保证受控变量有所改善(控制算法不一定最优)，其次是考虑应 用最优算法；(4) 如果先前保留有类似情况的最优控制方案，则优先采用该最优控制方案。三、 控制单元智能协同解耦控制方法设碳纤维凝固浴的受控变量为凝固浴温度r、凝固浴浓度D和凝固浴液面高度//，则该凝固浴可以看作一个三输入三输出的线性对象，其表达式可以写成:<formula>formula see original document page 7</formula>其中^、 S分别是线性系数阵，^6^' = 1，2,3;/ = 1,2,3)为线性系数，=1,2,3)分别为各受控变量所对应控制单元的输出值，因为每个受控变量均受到其它控制器对其的解耦输出作 用，故有m2 ="12 +"22+"32 "3 ="13 +"23 +"33(2)其中 (/ = 1，2,3;_/ = 1,2,3)分别为编号为；的浓度控制单元(/ = 1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维凝固浴的智能协同控制器，包括一个凝固浴溶液配液槽（１４）及凝固浴本体（４５），凝固浴溶液配液槽（１４）具有一个溶质入口、一个溶剂水入口以及一个溶液出口，各出入口均有阀门调节，其特征在于：所述的凝固浴溶液配液槽（１４）与所述的智能协同控制器相连，所述的智能协同控制器包括一个控制方法选择单元（３），其一端与输入接口（４２）相接，另一端分别与温度控制单元（４３）、液位控制单元（４７）及浓度控制单元（４８）相连；三个控制单元向控制方法选择单元（３）反馈控制信息，通过温度控制单元解耦输出信号（９）、浓度控制单元解耦输出信号（２９）和液位控制单元解耦输出信号（３０）交换解耦信息，并通过输出接口（４４）与凝固浴配液槽（１４）对应的阀门连接；所述的控制方法选择单元（３）和上述的三个控制单元分别与人机界面（４９）相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁永生，梁霄，王华平，郝矿荣，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]