一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法，属于控制实验教学技术领域。包括：建立碳纤维凝固浴过程机理模型；过程数据采集与预处理；采用ARX模型进行系统辨识；利用PID控制器对控制模型进行系统控制；检测控制参数值与系统输出值并计算控制性能指标；根据专家经验制定调参规则，对系统控制性能指标进行判断并给出调参策略，指导参数调节。本发明专利技术可以实现碳纤维凝固浴过程控制实验的指导工作，有效解决目前PID控制实验教学中缺少工业应用背景、缺乏控制效果反馈等问题，加深学生对碳纤维凝固浴过程建模的认识，强化PID控制教学的实际效果。

A simulation method of carbon fiber solidification bath process control

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法
本专利技术涉及一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法，属于控制实验教学

技术介绍
近年来，随着碳纤维应用领域的不断扩大，各高校也在逐渐加大对碳纤维材料的研究力度。在碳纤维生产的凝固浴过程中，双扩散作用直接影响原丝的性能。目前碳纤维工业中大多采用比例-积分-微分(ProportionIntegrationDifferentiation，简称PID)控制，而在现有的控制实验教学中，缺乏碳纤维生产的工业背景,并且大多数的控制教学软件针对学生调节参数的控制效果没有给出合适的反馈以指导学生调节参数。因此，需要对具有碳纤维研究背景院校的学生提供一种碳纤维生产PID控制教学并进行调参指导，加深对碳纤维凝固浴过程的认识，强化PID控制教学的实际效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决具有碳纤维研究背景院校的学生如何加深对碳纤维凝固浴过程的认识，强化PID控制教学的实际效果的技术问题。为达到解决上述问题的目的，本专利技术所采取的技术方案是提供一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法，包括以下步骤：步骤1：建立碳纤维凝固浴过程机理模型；步骤2：过程数据采集与预处理；步骤3：采用ARX模型进行系统辨识；步骤4：搭建碳纤维凝固浴模型的PID闭环控制系统,利用PID控制器对控制模型进行控制；步骤5：检测控制参数值、系统输出值与输入输出偏差值并计算控制性能指标；步骤6：根据专家经验制定调参规则，对系统的控制性能指标进行判断并给出调参策略。优选地，所述的步骤1所述的碳纤维凝固浴过程机理模型以补水量(补水量＝进水量＝溶液出量)为输入、凝固浴溶液浓度为输出，具体如下：上述公式中，t为采样时刻，Ct为t时刻该碳纤维凝固浴的浓度，Ct-1为t时刻的上一时刻凝固浴的浓度；DdSn为纺丝的丝条中的溶剂DMSO向凝固浴扩散的量：设定DMSO溶液的扩散系数Dd为1.89*10-10m2/s、设定凝固浴中一根0.5m长的原丝条发生扩散的面积S为1.256*10-5m2、设定凝固浴中生产的原丝条数为7*107根；设定凝固浴中溶质质量mf为1.22*107g；QoρdCt-1为t-1时刻凝固浴排出的溶液中DMSO的量：Qo为凝固浴溶液出量、设定DMSO溶液的密度ρd为1.1*106g/m3；(Dd-Dh)Sn为丝条中进入凝固浴的DMSO量与凝固浴中进入丝条的水量之差：设定水溶液扩散系数Dh为1.34*10-10m2/s；Qiρh为进水量：Qi为进水流量、设定水的密度ρh为1*106g/m3；Qoρd为排出溶液中DMSO的量；设定初始时刻碳纤维凝固浴浓度Ct＝0为68％。优选地，所述的步骤2过程数据采集与预处理；具体包括数据采样和数据处理；数据采样是保持补水量在1-4000g/cm3s的范围内波动并获取碳纤维凝固浴机理模型产生的数据，包括凝固浴的补水量与凝固浴浓度；数据处理包括对采集的数据进行高斯噪声的添加、数据的有效性检验、数据类型转换的处理。优选地，所述的步骤3采用自回归各态历经(AutoRegressiveeXogenous，简称ARX)模型进行碳纤维凝固浴系统辨识；以补水量和凝固浴浓度作为辨识系统的输入和输出，包括模型结构选择、参数估计、模型验证等步骤。优选地，所述的步骤4中利用PID控制器对控制模型进行控制，包括PID控制回路的建立和系统的运行；PID控制回路是将PID控制器与ARX辨识出的控制模型前后串联，输入在PID控制器之前，输出在ARX模型之后，并且将输出的全部信号送回到系统的输入端建立闭环负反馈系统；系统运行是提供系统一个阶跃信号，调节PID控制器的KP、TI、Td三个参数，记录系统运行输出。优选地，所述的步骤5中检测系统输出并计算控制性能指标包括稳定性S、稳态误差E、调整时间tS、超调量δ和振荡次数N；系统偏差值是输出值与设定输入之差e；稳定性S是判断系统是否发散和收敛的指标；E为期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之间的差值，是判断系统性能的静态指标；ts是系统响应并保持在终值±2％误差内所需要的最短时间，是判断系统性能的快速性指标；N是0≤t≤ts内y(t)穿越其稳定值y(∞)的一半，是判断系统稳定性的指标。优选地，所述的步骤6所述的基于专家经验的调参策略，包括以下步骤：步骤6.1：控制实验交互界面输入系统预期性能指标：δ0、tS0、E0；步骤6.2：检测运行系统性能指标；步骤6.3：查询匹配规则并反馈调参策略；步骤6.4：根据反馈进行人工调参。更优选地，所述的步骤6.3中调参规则为：规则1：S发散，建议增大KP、增大TI、增大Td，查询结束；S稳定，继续查询其他规则；规则2：δ≤δ0、|E|≤|E0|、tS≤tS0、N≤2，性能符合要求，查询结束；规则3：δ>δ0、|E|≤|E0|、tS≤tS0、N≤2，建议小幅度减小KP，查询结束；规则4：δ≤δ0、|E|>|E0|、tS≤tS0、N≤2，建议小幅度增大KP、减小TI，查询结束；规则5：δ≤δ0、|E|≤|E0|、tS>tS0、N≤2，建议小幅度增大Td，查询结束；规则6：δ≤δ0、|E|≤|E0|、tS≤tS0、N>2，建议小幅度增大Td，查询结束；规则7：δ>δ0、|E|>|E0|、tS≤tS0、N≤2，建议增大KP、减小TI，查询结束；规则8：δ>δ0、|E|≤|E0|、tS>tS0、N≤2，建议增大Td，查询结束；规则9：δ>δ0、|E|≤|E0|、tS≤tS0、N>2，建议增大Td，查询结束；规则10：δ≤δ0、|E|>|E0|、tS>tS0、N≤2，建议增大KP、减小TI、增大Td，查询结束；规则11：δ≤δ0、|E|>|E0|、tS≤tS0、N>2，建议增大KP、减小TI、增大Td，查询结束；规则12：δ≤δ0、|E|≤|E0|、tS>tS0、N>2，建议增大Td，查询结束；规则13：δ>δ0、|E|>|E0|、tS>tS0、N≤2，建议减小KP、减小TI、增大Td，查询结束；规则14：δ>δ0、|E|>|E0|、tS≤tS0、N>2，建议减小KP、减小TI、增大Td，查询结束；规则15：δ>δ0、|E|≤|E0|、tS>tS0、N>2，建议小幅度减小KP、小幅度增大TI、增大Td，查询结束；规则16：δ≤δ0、|E|>|E0|、tS>tS0、N>2，建议减小TI、增大Td，查询结束；规则17：δ>δ0、|E|>|E0|、tS>tS0、N>2，建议增大KP、减小TI、增大Td，查询结束。相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术可实现碳纤维凝固浴过程控制实验的指导工作，有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：建立碳纤维凝固浴过程机理模型；/n步骤2：过程数据采集与预处理；/n步骤3：采用ARX模型进行系统辨识；/n步骤4：搭建碳纤维凝固浴模型的PID闭环控制系统,利用PID控制器对控制模型进行控制；/n步骤5：检测控制参数值、系统输出值与输入输出偏差值并计算控制性能指标；/n步骤6：根据专家经验制定调参规则，对系统的控制性能指标进行判断并给出调参策略。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立碳纤维凝固浴过程机理模型；
步骤2：过程数据采集与预处理；
步骤3：采用ARX模型进行系统辨识；
步骤4：搭建碳纤维凝固浴模型的PID闭环控制系统,利用PID控制器对控制模型进行控制；
步骤5：检测控制参数值、系统输出值与输入输出偏差值并计算控制性能指标；
步骤6：根据专家经验制定调参规则，对系统的控制性能指标进行判断并给出调参策略。


2.如权利要求1所述的一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法，其特征在于，所述的步骤1所述的碳纤维凝固浴过程机理模型以补水量(补水量＝进水量＝溶液出量)为输入、凝固浴溶液浓度为输出，具体如下：



上述公式中，t为采样时刻，Ct为t时刻该碳纤维凝固浴的浓度，Ct-1为t时刻的上一时刻凝固浴的浓度；DdSn为纺丝的丝条中的溶剂DMSO向凝固浴扩散的量：设定DMSO溶液的扩散系数Dd为1.89*10-10m2/s、设定凝固浴中一根0.5m长的原丝条发生扩散的面积S为1.256*10-5m2、设定凝固浴中生产的原丝条数为7*107根；设定凝固浴中溶质质量mf为1.22*107g；Q°ρdCt-1为t-1时刻凝固浴排出的溶液中DMSO的量：Qo为凝固浴溶液出量、设定DMSO溶液的密度ρd为1.1*106g/m3；(Dd-Dh)Sn为丝条中进入凝固浴的DMSO量与凝固浴中进入丝条的水量之差：设定水溶液扩散系数Dh为1.34*10-10m2/s；Qiρh为进水量：Qi为进水流量、设定水的密度ρh为1*106g/m3；Qoρd为排出溶液中DMSO的量；设定初始时刻碳纤维凝固浴浓度Ct＝0为68％。


3.如权利要求1所述的一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法，其特征在于，所述的步骤2过程数据采集与预处理；具体包括数据采样和数据处理；数据采样是保持补水量在1-4000g/cm3s的范围内波动并获取碳纤维凝固浴机理模型产生的数据，包括凝固浴的补水量与凝固浴浓度；数据处理包括对采集的数据进行高斯噪声的添加、数据的有效性检验、数据类型转换的处理。


4.如权利要求1所述的一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法，其特征在于，所述的步骤3采用ARX模型进行碳纤维凝固浴系统辨识；以补水量和凝固浴浓度作为辨识系统的输入和输出，包括模型结构选择、参数估计、模型验证等步骤。


5.如权利要求1所述的一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法，其特征在于，所述的步骤4中利用PID控制器对控制模型进行控制，包括PID控制回路的建立和系统的运行；PID控制回路是将PID控制器与ARX辨识出的控制模型前后串联，输入在PID控制器之前，输出在ARX模型之后，并且将输出的全部信号送回到系统的输入端建立闭环负反馈系统；系统运行是提供系统一个阶跃信号，调节PID控制器的KP、TI、Td三个参数，记录系统运行输出。


6.如权利要求1所述的一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法，其特征在于，所述的步骤5中检测系统输出并计算控制性能指标包括稳定性S、稳态误差E、调整时间tS、超调量δ和振荡次数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李陈新，齐洁，孔维健，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31