CN105887286A - 一种碳纤维多层角联织机纱线张力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维多层角联织机纱线张力的控制方法。该方法根据碳纤维机织材料的“柔性”、“不确定性”及工艺过程的“时变”特性和“非线性”特性，按照位移、角度、弹性变形、加压力等送经过程后梁处动力学特性取拉普拉斯变换，应用梅逊公式得到高阶微分方程的传递函数特征方程，根据纺织工艺过程的线速度、稳度等分布参数系统特性，利用非线性系统分析方法，建立部分数学模型。经纱张力采用多变量前馈和张力反馈相结合的控制结构和迭代智能控制算法，它是以系统的实际输出与期望输出的偏差修正不理想的控制信号，通过控制伺服电机转速以及张力调节装置来保持纱线张力恒定。

Description

一种碳纤维多层角联织机纱线张力控制方法

技术领域

本发明涉及纺织工艺及设备技术领域，特别是涉及一种碳纤维多层角联织机纱线张力控制的方法。

背景技术

在科学技术迅猛发展的今天，碳纤维及其碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，受到航空航天、能源、船舶等高新技术领域的青睐。碳纤维织物作为复合材料的增强结构骨架，其制备技术显得尤为重要。角联机织技术是在多层经纱织造技术基础上发展起来的一种新型复合材料骨架织造技术。天津工业大学通过技术攻关，研制出了具有完全知识产权的碳纤维多层角联机织装备。同传统的普通织机相比，碳纤维多层织机的送经系统及其张力控制具有较大的变化，表现在以下几个方面：(1)经纱层数增多，经纱跨度变大，送经装置庞大，经纱张力控制难度增大。(2)随织物厚度增加，经纱开口幅度剧增。织物结构不同引起经纱间的开口幅度不同，因而开口过程对经纱张力干扰增加。(3)高强度、高模量和耐摩性差的碳纤维或玻璃纤维为主要织造纤维，经纱与棕丝眼、输送辊摩擦导致断经率，织造效率降低。(4)为确保多层织物相关性能，不同层经纱间张力要均匀。从整个织造过程分析，经纱张力系统是一个时变、非线性、多变量干扰并且张力与速度之间存在强耦合的复杂系统，传统的经纱张力控制方法已经不能满足其控制要求。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，采用多变量前馈和张力反馈相结合的控制结构和迭代控制智能算法，通过控制伺服电机转速以及张力调节装置，精确控制碳纤维多层角联织机织造过程中的经纱张力，实现纱线张力恒定，提高碳纤维多层织物的织造质量。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

根据碳纤维机织材料的“柔性”、“不确定性”及工艺过程的“时变”特性和“非线性”特性，按照位移、角度、弹性变形、加压力等送经过程后梁处动力学特性取拉普拉斯变换，应用梅逊公式得到高阶微分方程的传递函数特征方程，根据纺织工艺过程的线速度、稳度等分布参数系统特性，利用非线性系统分析方法，建立开口环节经纱动态数学模型以及张力摆辊动态数学模型。

在恒线速度卷绕的情况下，由理论计算和实验相结合确定合适作为设定张力，在该张力下，碳纤维整经盘头成形良好，退绕不出现纱线分叉、毛羽等现象。通过对称布置的传感器去检测片纱张力的大小，检测到的信号经A/D转换后与设定张力比较，通过迭代智能控制系统控制主轴转速以及纱线张力调节装置的调节，保持纱线的张力恒定。

具体控制过程为：经纱张力增加-后梁下降(后梁位置传感器发出加快送经速度的控制信号)-送经电机加速(送经量增加)-经纱张力减小后梁上升-后梁恢复正常位置。反之亦然，最终使送经量与卷取量一致，同时保持经纱张力稳定。

本发明的优点在于，碳纤维多层角联织机经纱张力系统是一个时变、非线性、多变量干扰并且张力与速度之间存在强耦合的复杂系统，经纱张力采用多变量前馈和张力反馈相结合的控制结构和迭代控制智能算法，通过控制伺服电机转速以及张力调节装置来保持纱线张力恒定。

附图说明

图1是本发明的织机工作原理图。

图2是本发明迭代学习智能控制算法的经纱张力控制原理图。

图3是本发明带材张力通用模型图。

图4是本发明送经系统参数分布图。

图5是本发明经纱开口运动模型。

图6是本发明建立张力摆辊动态数学模型的示意图。

图7是本发明的迭代控制算法实施过程中摆辊的跟踪误差图。

图8是本发明的迭代控制算法实施过程中张力误差曲线图。

图中：1、经轴，2、张力补偿装置，3、送经装置，4、笼纱装置，5、开口系统，6、打纬系统，7-10卷曲系统，9、碳纤维织物，11、卷曲辊，12、分纱辊，13、张力调节摆辊，14、导纱辊，15、送经辊，16、下部摆动张紧辊，17、上部摆动张紧辊。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细描述。但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式所表述的范围。

根据织机工作原理图1，将经纱系统按照输送过程分为六大区域，经纱参数分布图如图4所示，在对送经系统动力学建模之前，将系统中的速度、张力等参数分别表达，图中T_i为辊轴跨距内碳纤维经纱的张力，L_i为跨距内碳纤维经纱的长度，V_i为辊轴转动线速度。

引入如图3所示带材类材料张力通用模型。将送经纱等效为带材的输送过程，每经过一个辊轴，碳纤维的弹性模量和传送速度会产生变化，据胡克定律、质量守恒定律，忽略摩擦对张力的影响，在微时间段d_t内，得到两辊轴间L_i+1段经纱的动态数学模型为：

$L_i\frac{{\mathrm{dT}}_i}{EA}=v_{i}dt-v_{i-1}dt+v_{i-1}dt\frac{T_{i-1}}{EA}-v_{i}dt\frac{T_i}{EA}$

下面对开口环节进行模型分析：图5所示，其中，A为织机织口，B为平棕时棕眼位置，C为分纱辊，H为梭口高度，h＝H/2为梭口高度的一半。设经纱总伸长量为λ，梭口前部经纱伸长量为λ₁，梭口后部经纱伸长量为λ₂，L₁和L₂分别为梭口前后部长度。假设梭口为等张角梭口，即开口时上、下层经纱是对称的，上、下层经纱的伸长量相等，棕平时棕眼位于AC连线的B点处。开口时，棕丝带动纱线由B点提升至D点，梭口纱线长度有AC段变为ADC段。公式表达如下：λ＝AD+DC-L＝λ₁-λ₂。

由三角形勾股定理可得：AB²+BD²＝AD²。

结合图5，由于λ₁ ²值极小，对上式进行整理可得：

同理可得：

所以经纱伸长量为：

将上式两边对时间求导，得到棕丝眼处纱线的运动速度为：

$V_1=\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{4}(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2})H\stackrel{\·}{H}.$

由上式可以看出，棕丝眼处纱线的运动速度为开口高度与开口高度变化率的乘积，鉴于提花机运动曲线类正弦性，所以，开口时经纱运动规律呈现出较强的非线性。引入速度参考值、张力参考值和开口高度参考值X_r＝0，令V_i＝v_i-v_r，T_i＝t_i-t_r，X＝x代入上式可得：

$L_1{\stackrel{\·}{T}}_1=(EA-t_r)(V_1-V_0)+v_r(T_0-T_1)-\frac{EA}{L_1{\mathrm{sin\θ}}_1}{v}_{r}x+EA\frac{\stackrel{\·}{x}}{{\mathrm{sin\θ}}_1}$

$L_2{\stackrel{\·}{T}}_2=(EA-t_r)(V_2-V_1)+v_r(T_1-T_2)-{\mathrm{EAxv}}_r(\frac{1}{L_2{\mathrm{sin\θ}}_2}-\frac{1}{L_2{\mathrm{sin\θ}}_1})+EA\frac{\stackrel{\·}{x}}{{\mathrm{sin\θ}}_2}.$

上式表达了开口高度的变化与开口前后段经纱的张力间的关系，可得开口模块的状态方程为：其中：

D₂表示开口与织物牵引模块之间的耦合项。

然后研究主动摆辊式张力调节装置动力学模型，原理示意图如图6所示。根据质量守恒定律可得：

式中，x_i(t)为第i辊的位置，v_i为第i辊处经纱的速度，ρ为纱线的密度，A为纱线的横截面积。假设纱线仅在长度方向上产生弹性变化，则：dx＝(1+∈)dx_u，

ε为纱线的弹性系数，下标u表示为发生弹性变化时值。

再次利用质量守恒定律，得到以下关系式：

dm＝ρ(x，t)A(x，t)dx＝ρ_u(x，t)A_u(x，t)dx_u

忽略纱线弹性变化前后的纱线密度和横截面积的变化，将以上各式整理得：

$\frac{d}{dt}{\∫}_{x_{i\left(t\right)}}^{x_{i+1\left(t\right)}}\frac{1}{1+\mathrm{\ϵ}(x,t)}dx=\frac{v_i\left(t\right)}{1+\mathrm{\ϵ}(x_i,t)}-\frac{v_{i+1}\left(t\right)}{1+\mathrm{\ϵ}(x_{i+1},t)}$

由于ε远小于1，考虑到摆辊摆动时，纱线长度的变化，令x_i＝0，x_i+1＝L_i(t)得：

$\begin{array}{c}{\∫}_0^{L_i}dx\frac{d}{dx}(-{\mathrm{\ϵ}}_i(t))+(1-{\mathrm{\ϵ}}_i(t))\frac{d}{dt}\left(L_i\right(t))\\ =v_i\left(t\right)(1-{\mathrm{\ϵ}}_i(t))-v_{i+1}\left(t\right)\left(1{\mathrm{\ϵ}}_{i+1}\right(t))\end{array}$

由胡克定律可得：t_i-1＝ε_iAEt_i＝ε_i+1AE。

结合张力调节装置原理图6，对上式整理可得：

$\begin{array}{c}{L}_1\left(t\right){\stackrel{\·}{t}}_i=AE(v_2-v_1)+t_0{v}_1-t_1{v}_2+(AE-t_1){\stackrel{\·}{L}}_1\left(t\right)\\ L_2\left(t\right){\stackrel{\·}{t}}_2=AE(v_3-v_2)+t_1{v}_2-t_2{v}_3+(AE-t_2){\stackrel{\·}{L}}_2\left(t\right)\end{array}$

由牛顿运动定律得：

$J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+b\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}+mgz\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+t_m+t_{2}lcos(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_2)+t_1(l+d)cos(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_1)=0$

式中b为摩擦系数，m为摆辊的质量，z为摆辊的重心与摆动中心轴间的距离。

建立以上数学模型以后，利用迭代学习智能控制方法进行经纱张力的控制，设被控对象的动态过程为：式中，x∈Rⁿ，y∈Rⁿ，u∈Rⁿ分别为系统的状态、输出和输入变量，f(·)、g(·)为适当维数的向量函数，其结构与参数均未知。若期望控制u_d(t)存在，则迭代学习控制目标为：给定期望输出y_d(t)和每次运行的初始状态x_k(0)，要求在给定的时间t∈[0，T]内，按照一定的学习控制算法通过多次重复的运行，使控制输出u_k(t)→u_d(t)，而系统输出y_k(t)→y_d(t)。第k次运算时，上式表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_k\left(t\right)=f\left(x_k\right(t),u_k\left(t\right),t)\\ y_k\left(t\right)=g\left(x_k\right(t),u_k\left(t\right),t)\end{array}\right.$

跟踪误差为：e_k(t)＝y_d(t)-y_k(t)。

在Armoto等给出的线性时变系统的D型迭代学习控制律基础上，采用PID迭代学习控制率，表示为：

式中Г为常数增益矩阵。

迭代学习智能控制原理如图2所示，在开口动作同时，伺服电机控制摆辊摆角，同时由安装在拢纱装置4上的张力传感器作为张力反馈信号，为提高张力响应时间和稳定性，实时检测摆辊角度，构建张力角度双闭环控制系统。

根据上述系统动力学模型结论，结合迭代控制过程，代入装置参数得：

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-2.26& 3.19\\ 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_1\left(t\right)\\ u_2\left(t\right)\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\left(t\right)\\ y_2\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0.965& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\end{array}\right]$

其中，x₁(t)为摆辊的跟踪轨迹，x₂(t)为经纱张力。

系统期望跟踪轨迹为：τ∈[0，1]。

将开口运动假设为正弦运动，取系统参数 Ψ＝0，系统初始状态为在Matlab软件环境下进行仿真分析。

得到的结果如图7和图8所示，可见迭代学习方法有效的实现了碳纤维多层织机纱线张力的控制。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所以理解的是，以上所述为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种碳纤维多层角联织机纱线张力控制方法，其特征在于根据碳纤维机织材料的“柔性”、“不确定性”及工艺过程的“时变”特性和“非线性”特性，按照位移、角度、弹性变形、加压力等送经过程后梁处动力学特性取拉普拉斯变换，应用梅逊公式得到高阶微分方程的传递函数特征方程，根据纺织工艺过程的线速度、稳度等分布参数系统特性，利用非线性系统分析方法，建立部分数学模型。碳纤维多层角联织机经纱张力系统是一个时变、非线性、多变量干扰并且张力与速度之间存在强耦合的复杂系统，经纱张力采用多变量前馈和张力反馈相结合的控制结构和智能控制算法，通过控制伺服电机转速以及张力调节装置来保持纱线张力恒定。

2.根据权利要求1所述的碳纤维多层角联织机纱线张力控制方法，其特征在于经纱张力控制需要根据内部机理建立数学模型，结合外部干扰因素、系统特点设计控制算法，研究利用偏微分方程和泛函微分方程建立时空领域的建立了开口环节经纱动态数学模型以及张力摆辊动态数学模型。

3.根据权利要求1所述的碳纤维多层角联织机纱线张力控制方法，其特征在于采用一种用来改善具有重复运动特性的过程、机械、装置或系统的瞬态响应和跟踪特性的智能控制技术，它是以系统的实际输出与期望输出的偏差修正不理想的控制信号，使系统的跟踪性能得以提高。

4.根据权利要求1所述的碳纤维多层角联织机纱线张力控制方法，其特征在于采用迭代智能控制算法控制纱线张力。该算法不依赖系统的精确的数学模型，能在给定的时间范围内，以非常简单的算法实现不确定性高的非线性强耦合动态系统的控制，并能高精度跟踪给定期望轨迹。

5.根据权利要求1所述的碳纤维多层角联织机纱线张力控制方法，其特征在于其控制过程为：经纱张力增加-后梁下降(后梁位置传感器发出加快送经速度的控制信号)-送经电机加速(送经量增加)-经纱张力减小后梁上升-后梁恢复正常位置。反之亦然，最终使送经量与卷取量一致，同时保持经纱张力稳定。