CN101782758B - 一种纤维生产线上多级牵伸环节的智能协同控制器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维生产线上多级牵伸环节的智能协同控制器及其方法，包括安装在牵伸装置箱体上的主牵伸辊和从牵伸辊，所述的主牵伸辊的速度给定端连接速度给定控制器，速度给定控制器依次与主牵伸辊闭环调速系统、前向通路换算单元串联；所述的从牵伸辊的速度给定端连接从牵伸辊速度给定控制器，从牵伸辊速度给定控制器与从牵伸辊闭环调速系统串联，并与从牵伸辊反馈换算单元组成反馈通路。本发明在控制器内部及控制器之间实现牵伸辊工作状态信息的交换和处理，使牵伸辊的工作状态保持相对稳定，以达到提高牵伸过程精度及提高牵伸环节稳定性的目的，可解决纤维牵伸过程的高精度调速、牵伸率动态调整及同步问题。

Description

一种纤维生产线上多级牵伸环节的智能协同控制器及其方法

技术领域

本发明属自动控制技术领域，特别是涉及纤维生产线上的多级牵伸装置的智能协同控制器及方法。

背景技术

纤维生产是一个具有高度复杂性的工业过程，其产品包括通用纤维、碳纤维等纤维本体和多种纤维制品。以聚丙烯腈碳纤维的生产为例，它包括聚丙烯腈纺丝原液聚合、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。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。

牵伸环节是多种纤维生产工艺的重要组成部分。其作用是在所纺纤维尚未完全成形、结构仍具有可塑性时，利用不同转速的多个旋转机构，将缠绕在上面的纤维在不同的环境条件下以不同的倍率逐级拉伸，以使纤维内部的分子链排列趋向一致，从而改善纤维结构，提高制成纤维的强度和韧性。牵伸过程一般是由多个牵伸环节级联组成的，每个牵伸环节负责以单一牵伸率对行经该环节的纤维进行拉伸，牵伸环节的数量由纤维生产工艺决定。牵伸环节的基本组成结构是卷绕辊，一个牵伸环节至少包括两个卷绕辊。卷绕辊的外形为直径不一的圆柱体，需拉伸的纤维按照牵引方向依次通过并缠绕在这些卷绕辊上。同一个牵伸环节的数个卷绕辊以不同的转速转动，其上的纤维即被机械拉伸，拉伸倍率(即牵伸率)主要由环节内各个卷绕辊的相对转速决定。牵伸是纤维生产过程中的关键环节，其牵伸效果的好坏直接影响到最终制成的纤维原丝及成品的性能。如碳纤维的牵伸过程一般包括三级以上的牵伸环节，可依照工艺要求分别在空气、干热空气、蒸汽、沸水等环境中进行。这种牵伸过程对各级牵伸率的稳定和同步要求很高，且牵伸率间的相互关系与所纺碳纤维的质量密切相关，使得纤维牵伸环节的控制和牵伸率的设定及同步具有较高的难度。

控制方面，目前的纤维牵伸环节的调速与同步基本是通过对多个卷绕辊的独立或联合调速实现的。所谓独立调速，是指卷绕辊和其上的纤维作为负载，由电机驱动(电机可以是直流电机、交流电机或伺服电机)，电机与其连接的PLC、变频器等设备构成反馈控制系统，按照生产工艺设置好的速度稳速运行，或接收上级控制站传来的控制信号进行调速。每个卷绕辊都具有这样一套反馈控制结构，数个可调速的卷绕辊再组成若干牵伸环节进行生产。而联合调速则是在每个牵伸环节中选择一个主动牵伸辊(或多个牵伸环节共享一个主动牵伸辊)，由具有上述可调速结构的电机驱动，其余牵伸辊依靠机械传动机构(如齿轮、连杆等)与该主动牵伸辊作刚性连接，牵伸率即由机械机构之间的传动比决定。这两类调速与同步方法各有优缺点：独立调速配置灵活，能够动态适应牵伸率的改变，但牵伸率的设置需要独立调节多个电机的速度，不易实现较高精度的同步；联合调速的牵伸率稳定，精度取决于机械传动机构的误差，稳定性好，但牵伸率一旦改变则整个设备都需改动，灵活性不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对纤维牵伸过程及其牵伸率进行动态调整和同步智能协同控制的方法，形成一个统一的控制器，并在该控制器内部实现对纤维牵伸过程各个牵伸环节及其牵伸率的动态调整，以及牵伸辊和牵伸环节之间的同步，以达到提高牵伸精度，提高所纺纤维质量的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种纤维生产线上多级牵伸环节的智能协同控制器，一个中央处理器、输入接口、输出接口、程序及数据存储器以及人机界面，还包括一个含有两个牵伸辊的牵伸环节。所述牵伸环节包括安装在牵伸装置箱体上的主牵伸辊和从牵伸辊，被牵伸的纤维按照生产流程方向依次缠绕在主牵伸辊和从牵伸辊上，所述的主牵伸辊的速度给定端连接速度给定控制器，速度给定控制器依次与主牵伸辊闭环调速系统、前向通路换算单元串联；所述的从牵伸辊的速度给定端连接从牵伸辊速度给定控制器，从牵伸辊速度给定控制器与从牵伸辊闭环调速系统串联，并与从牵伸辊反馈换算单元组成反馈通路，所述的从牵伸辊反馈换算单元与主牵伸辊反馈换算单元相连；主牵伸辊速度给定与经过主牵伸辊反馈换算单元换算后传回的速度同步信号相比较，生成主牵伸辊速度给定控制器输入，主牵伸辊速度给定控制器据此计算主牵伸辊闭环调速系统的实际速度给定，主牵伸辊速度输出通过前向通路换算单元换算后与经过从牵伸辊反馈换算单元的换算后传回的速度稳定信号，生成从牵伸辊速度给定控制器输入，从牵伸辊速度给定控制器据此计算从牵伸辊闭环调速系统的实际速度给定，送入主牵伸辊闭环调速系统进行调速；从牵伸辊速度输出经换算后，分别提供给主牵伸辊速度给定控制器和从牵伸辊速度给定控制器，构成闭环反馈系统。

所述的主牵伸辊闭环调速系统和从牵伸辊闭环调速系统的控制器采用的受控电机为直流电机或交流电机。

一种使用权利要求1所述的一种纤维生产线上多级牵伸环节的智能协同控制器的方法，包括下列步骤：

(1)系统上电，控制器和牵伸辊启动；

(2)比较主牵伸辊速度给定值和换算后的从牵伸辊速度反馈值，得到误差；

(3)主牵伸辊速度给定控制器根据误差，对主牵伸辊速度给定进行调节；

(4)主牵伸辊速度输出进行换算，生成从牵伸辊速度给定输入；

(5)比较从牵伸辊速度给定值和换算后从牵伸辊速度反馈值，得到误差；

(6)从牵伸辊速度给定控制器根据误差，对从牵伸辊速度给定进行调节；

(7)从牵伸辊速度输出经换算后，返回步骤(2)和(5)。

本发明中包括：

电机闭环反馈调速系统

本发明所述的智能协同控制器，是建立在已有的电机闭环反馈调速系统的基础上，通过影响和改变电机调速系统的输入输出达到调速和同步的目的。本发明所涉及的受控电机可以是直流电机、交流电机等，相应的电机闭环反馈调速系统的形式即为上述种类的电机特定的调速系统。

速度给定控制器

速度给定控制器位于每个受控电机之前，用于对各电机的速度给定值进行动态调整。该控制器接收期望给定与实际给定之差作为输入，输出电机的动态速度给定值。速度给定控制器的形式可以是目前常用的各种控制器形式，如PID控制器、模糊控制器等。

多级反馈通路

多级反馈通路在牵伸环节各牵伸辊之间建立量的联系，实现牵伸辊之间的信息交换。具体而言，该多级反馈通路由一条前向通路和两条反馈通路组成：

前向通路：前向通路从主牵伸辊的输出引出，通过换算环节后与从牵伸辊的输出反馈(亦经过相应的换算环节)相比较，其误差作为从牵伸辊的速度给定控制器的输入，进而计算从牵伸辊的真实速度给定值，从牵伸辊没有独立的速度给定输入。前向通路建立了从主牵伸辊到从牵伸辊的控制路径，使主牵伸辊能够利用自身的工作信息对从牵伸辊的工作状态进行调节(调速)，达到对从牵伸辊速度的控制与协调作用。

主牵伸辊同步反馈通路：该反馈通路从从牵伸辊的输出引出，通过换算环节后与主牵伸辊的速度给定相比较，其误差作为主牵伸辊的速度给定控制器的输入，进而计算主牵伸辊的真实速度给定值。该反馈通路的作用是将从牵伸辊的动态速度信息反馈给主牵伸辊，使主牵伸辊能够感知从牵伸辊的工作状态，从而对自身的工作状态进行动态调整(调速)。

从牵伸辊稳定反馈通路：该反馈通路从从牵伸辊的输出引出，通过换算环节后与前向通路传来的主牵伸辊输出(经过换算环节)相比较，其误差作为从牵伸辊的速度给定控制器的输入，进而计算从牵伸辊的真实速度给定值。该反馈通路的作用是为主牵伸辊调节从牵伸辊速度提供参考，避免前向通路传输过程中可能引入的干扰，达到更好的同步效果。

换算环节

换算环节设置在前向通路和两条反馈通路上，进行牵伸辊输出与速度给定控制器输入之间的量值匹配。如前所述，牵伸辊所采用的电机及其控制系统可能有很多方案，每个方案所采用的电机速度给定和速度输出的形式、量纲、取值范围等可能都有很大差异，为满足所述智能协同控制器的控制要求，需要增设换算环节，将输出值“翻译”为能够与输入相比较的合适值。同时，换算环节包含了两个牵伸辊速度比值的信息(牵伸率)，需要调节牵伸率时，只需调整换算环节即可。

换算环节的具体实现方式根据被换算量的性质可以有不同的形式，如：

(1)级联调速时前向通路的换算环节：该环节设置在主牵伸辊输出之后，从牵伸辊控制器之前。设该换算环节的输入为主牵伸辊电机转速值C_V，in(单位为rpm)，输出为从牵伸辊的电压给定值C_U，out(单位为V)，这也是级联调速时最常见的换算模式。此时的换算公式可以是

                                   (1)

式中K是换算的比例系数，σ(C_U，out，C_V，in)是与换算环节输入和输出有关的一个函数。比例系数K反映了电机电压与相应转速的关系，以及生产工艺确定的主牵伸辊和从牵伸辊电机的转速比。函数σ(C_U，out，C_V，in)的作用是在非线性换算时根据非线性关系进行比例系数补偿，该非线性关系可以通过预先测量输入输出的一系列对应值拟合，或建立补偿值查找表得到。在线性换算环节中，σ(C_U，out，C_V，in)＝0。

例如，设某牵伸环节的主牵伸辊工作点转速为C_V，in＝1000rpm，该牵伸辊自身闭环控制系统的给定值类型为直流电压，电压同转速的比值为K_U＝100(即1V的电压可以造成100rpm的转速变化)，二者之间的转换关系为线性转换。现要求从牵伸辊与主牵伸辊转速比为K_V＝1.5(即该牵伸环节牵伸倍率为1.5倍)，则在工作点处的比例系数为

相应地，在工作点附近的调速过程遵循(1)式所给出的关系进行。

(2)级联调速时反馈通路的换算环节：反馈通路包括上述主牵伸辊反馈通路和从牵伸辊反馈通路两条。在通常的情况下，这两条反馈通路上的换算环节的任务仍然是将电机转速值转换为合适的电压给定值，因此换算方法可以参照上述(1)式和(2)式进行。但在某些情况下(如需要短时间大范围调速、克服传输中出现的干扰或是进行误差补偿)，换算环节需要按照控制器的方法进行设计。例如，采用最普遍的PID控制器型换算环节

C_out＝C_in×K

式中C_out为经换算后的输出，C_in为换算环节的输入，K为总换算系数，K_s为由输入输出量纲和生产工艺所引起的比例系数(类似于前向通路换算环节中的比例系数K)，K_p为PID比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，e_in(t)为换算环节的输入误差。与普通PID控制器不同的是，这里的输入误差不是与某个给定值比较得到的，而是与前一采样时刻的换算环节输入值比较产生的。

需要注意的是，上述换算环节的实现方式都是针对输入输出量的无量纲值进行的，不涉及其物理意义。因此，如果采用硬件方法实现换算环节，还需要根据输入输出的类型设计不同的接口装置。

本发明所述的一种智能协同控制器的具体工作流程如下(以两个牵伸辊组成的一个牵伸环节为例，该牵伸环节具有生产工艺要求的牵伸比和牵伸辊转速)：

(1)准备阶段

1)按照生产工艺对主牵伸辊转速的要求，确定主牵伸辊的速度给定的输入形式及量值。

2)按照生产工艺对牵伸率的要求，以及牵伸辊速度给定和速度输出之间的转换关系，分别确定前向通路和反馈通路上换算环节的换算公式。

3)对两个牵伸辊的输入和输出进行改造，增加本专利所述的内容以构成协同控制系统。

(2)运行与调整阶段

1)系统上电，牵伸辊开始加速直至到达给定的速度。

2)当从牵伸辊出现干扰导致速度波动时，从牵伸辊自身的闭环控制系统首先作用，抑制该波动并防止该波动被反馈到主牵伸辊去。

3)当干扰过大，从牵伸辊自身的控制系统无法完全抑制干扰时，波动的转速信号首先沿从牵伸辊稳定反馈通路反馈到从牵伸辊的控制器输入端，控制器经运算得到改变的从牵伸辊速度给定，从而使从牵伸辊跟随改变后的速度给定，将干扰消除。

4)另一方面，从牵伸辊受到干扰后的转速信号沿主牵伸辊同步反馈通路反馈到主牵伸辊的控制器输入端，使主牵伸辊得知从牵伸辊的干扰情况，并通过主牵伸辊的控制器运算，动态调节主牵伸辊相对于从牵伸辊的转速，保证两个牵伸辊的速度始终按照工艺要求的牵伸率进行匹配。

5)当干扰消除后，从牵伸辊恢复到正常工作状态，其速度信息分别通过两条反馈回路通知自身以及主牵伸辊，使整个系统恢复到无干扰的正常状态。

本发明所述的智能协同控制器的上述结构和工作方式，充分考虑到了单个牵伸辊的稳定和多个牵伸辊之间的协调。由于是利用各个牵伸辊的输入输出进行调节，并不涉及每个牵伸辊自身的调速机理，在实际应用时，原有的牵伸辊调速系统可不必改变，直接在其输入端进行改造，嵌入上述控制结构即可。同时，牵伸率的动态改变只需调整相应的换算环节即可(这可以通过建立高层的控制结构完成)，不需要改变调速部分，增加了整个系统的灵活性。

需要指出的是，以上叙述并不仅仅针对由两个牵伸辊组成的单一牵伸环节。在实际牵伸工艺中，可能有多个牵伸辊组成多个牵伸环节，按照不同的牵伸率设定共同完成牵伸工作。在此种情况下，可将本发明所述的智能协同控制器及其结构作为一个单元，多个此种单元再级联起来，应用于具有多个牵伸环节的牵伸过程中。

有益效果

本发明提出的一种对纤维生产线上多级牵伸环节各牵伸辊进行综合控制的智能协同控制器，在控制器内部实现牵伸辊之间工作信息的交换和处理，使牵伸辊的工作状态保持相对稳定，以达到提高牵伸过程精度及提高牵伸环节稳定性的目的，可解决纤维牵伸过程的高精度调速、牵伸率动态调整及同步问题。

附图说明

图1为简化的牵伸环节示意图；

图2为智能协同控制器结构框图；

图3为本发明硬件组成框图；

图4为本发明软件原理图。

图中：

1：牵伸装置箱体；2：被牵伸纤维；3：从牵伸辊；4：主牵伸辊；5：主牵伸辊速度给定输入；6：主牵伸辊速度给定控制器输入；7：主牵伸辊速度给定控制器；8：主牵伸辊速度给定控制器输出；9：主牵伸辊闭环调速系统；10：主牵伸辊速度输出；11：前向通路换算单元；12：前向通路；13：从牵伸辊速度给定控制器输入；14：从牵伸辊速度给定控制器；15：从牵伸辊速度给定控制器输出；16：从牵伸辊闭环调速系统；17：从牵伸辊速度输出；18：从牵伸辊稳定反馈通路；19：从牵伸辊反馈换算单元；20：主牵伸辊同步反馈通路；21：主牵伸辊反馈换算单元；24：中央处理器；22：输入接口；25：输出接口；26：程序及数据存储器；23：人机界面。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1、2所示，设某聚丙烯腈碳纤维牵伸环节，包括一个安装在牵伸装置箱体1(用于支持和容纳牵伸辊及其附属机构)上的一个主牵伸辊4和从牵伸辊3。被牵伸的聚丙烯腈纤维2按照生产流程方向依次缠绕在主牵伸辊4和从牵伸辊3上。现需综合控制该牵伸环节的两个牵伸辊，使其各自转速恒定，并能保持较高精度的速度同步，以保证该牵伸环节具有稳定的牵伸率来进行纤维牵伸。采用本发明所述的一种智能协同控制器，选择该牵伸装置的主牵伸辊4和从牵伸辊3组成被控单元进行控制，通过建立各牵伸辊之间的信息反馈和控制来实现上述生产要求。

如图2所示，本发明所采用的一种智能协同控制器，包括一个连接在主牵伸辊速度给定端的速度给定控制器7，一个连接在从牵伸辊速度给定端的速度给定控制器14、前向通路12、从牵伸辊稳定反馈通路18、主牵伸辊同步反馈通路20、以及前向通路换算单元11、从牵伸辊反馈换算单元19和主牵伸辊反馈换算单元21。系统工作时，主牵伸辊速度给定5与主牵伸辊同步反馈通路20传回的速度同步信号(经过主牵伸辊反馈换算单元21换算后)相比较，生成主牵伸辊速度给定控制器输入6。主牵伸辊速度给定控制器7据此计算主牵伸辊闭环调速系统9的实际速度给定(即主牵伸辊速度给定控制器输出8)，送入主牵伸辊闭环调速系统9进行调速。主牵伸辊速度输出10与从牵伸辊稳定反馈通路18传回的速度稳定信号(经过从牵伸辊反馈换算单元19换算后)，生成从牵伸辊速度给定控制器输入13。从牵伸辊速度给定控制器14据此计算从牵伸辊闭环调速系统16的实际速度给定(即从牵伸辊速度给定控制器输出15)，送入主牵伸辊闭环调速系统16进行调速。从牵伸辊速度输出17经换算后，分别提供给主牵伸辊速度给定控制器7(用于两牵伸辊速度同步)和从牵伸辊速度给定控制器14(为调节从牵伸辊速度提供参考)，构成闭环反馈系统。

本发明所述的一种智能协同控制器的软件流程如下(如附图4所示)：

(1)系统上电，控制器和牵伸辊启动；

(2)比较主牵伸辊速度给定值和从牵伸辊速度反馈值(换算后)，得到误差；

(3)主牵伸辊速度给定控制器依照误差，对主牵伸辊速度给定进行调节；

(4)主牵伸辊速度输出进行换算，生成从牵伸辊速度给定输入；

(5)比较从牵伸辊速度给定值和从牵伸辊速度反馈值(换算后)，得到误差；

(6)从牵伸辊速度给定控制器依照误差，对从牵伸辊速度给定进行调节；

(7)从牵伸辊速度输出经换算后，转(2)和(5)。

本发明所述的一种智能协同控制器，其硬件组成包括一个中央处理器24、输入接口22、输出接口25、程序及数据存储器26以及人机界面23。

其中，

(1)中央处理器24采用内核不低于ARM7等级或其他相同处理能力的嵌入式处理器，并具有至少4个通用输入输出端口(GPIO)；

(2)输入接口24、输出接口22具有标准USB、RJ45、RS232、RS485等数字信号接口，具有4～20mA电流输入/输出、0～5V DC电压输入/输出的工业标准模拟信号接口；

(3)程序及数据存储器26采用SDRAM作为控制器主存储器，采用Flash闪存或3.5英寸计算机硬盘作为后备存储器；

(4)人机界面23具有触摸式液晶屏和键盘。

本发明所述的一种智能协同控制器，其硬件部分工作电源由外界提供。

Claims (3)

1.一种纤维生产线上多级牵伸环节的智能协同控制器，包括一个中央处理器24)、输入接口(22)、输出接口(25)、程序及数据存储器(26)以及人机界面(23)，还包括安装在牵伸装置箱体(1)上的主牵伸辊(4)和从牵伸辊(3)，被牵伸的纤维(2)按照生产流程方向依次通过并缠绕在主牵伸辊(4)和从牵伸辊(3)上，其特征在于：所述的主牵伸辊(4)的速度给定端连接主牵伸辊速度给定控制器(7)，主牵伸辊速度给定控制器(7)依次与主牵伸辊闭环调速系统(9)、前向通路换算单元(11)串联；所述的从牵伸辊(3)的速度给定端连接从牵伸辊速度给定控制器(14)，从牵伸辊速度给定控制器(14)与从牵伸辊闭环调速系统(16)串联，并与从牵伸辊反馈换算单元(19)组成反馈通路，所述的从牵伸辊反馈换算单元(19)的反馈点取自从牵伸辊闭环调速系统(16)的输出端，所述的从牵伸辊反馈换算单元(19)与主牵伸辊反馈换算单元(21)相连；主牵伸辊速度给定(5)与经过主牵伸辊反馈换算单元(21)换算后传回的速度同步信号相比较，生成主牵伸辊速度给定控制器输入(6)，主牵伸辊速度给定控制器(7)据此计算主牵伸辊闭环调速系统(9)的实际速度给定，主牵伸辊速度输出(10)通过前向通路换算单元(11)换算后与经过从牵伸辊反馈换算单元(19)的换算后传回的速度稳定信号，生成从牵伸辊速度给定控制器输入(13)，从牵伸辊速度给定控制器(14)据此计算从牵伸辊闭环调速系统(16)的实际速度给定，送入主牵伸辊闭环调速系统(16)进行调速；从牵伸辊速度输出(17)经换算后，分别提供给主牵伸辊速度给定控制器(7)和从牵伸辊速度给定控制器(14)，构成闭环反馈系统。

2.根据权利要求1所述的一种纤维生产线上多级牵伸环节的智能协同控制器，其特征在于：所述的主牵伸辊闭环调速系统(9)和从牵伸辊闭环调速系统(16)的控制器采用的受控电机为直流电机或交流电机。

3.一种使用权利要求1所述的一种纤维生产线上多级牵伸环节的智能协同控制器的方法，包括下列步骤：

(1)系统上电，控制器和牵伸辊启动；

(2)比较主牵伸辊速度给定值和换算后的从牵伸辊速度反馈值，得到误差；

(3)主牵伸辊速度给定控制器根据误差，对主牵伸辊速度给定进行调节；

(4)主牵伸辊速度输出进行换算，生成从牵伸辊速度给定输入；

(5)比较从牵伸辊速度给定值和换算后从牵伸辊速度反馈值，得到误差；

(6)从牵伸辊速度给定控制器根据误差，对从牵伸辊速度给定进行调节；

(7)从牵伸辊速度输出经换算后，返回步骤(2)和(5)。

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