CN113848706B - 一种丝线张力检测方法、控制方法及控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种丝线张力检测方法、控制方法及控制装置,包括以纺丝工艺参数作为模型输入,以目标罗拉电机电流和丝线张力作为模型输出,构建三层BP神经网络模型;通过样本数据集对神经网络模型进行训练;将实时采集的纺丝工艺参数输入经训练的神经网络模型中,得到预测的目标罗拉电机电流和丝线张力;基于对预测值的判定,实现电机转速调节。本发明在检测丝线张力时,不再需要专门的张力检测仪器,节约了成本。同时,本发明还可实现目标罗拉电机转速根据丝线张力变化进行实时调节,降低丝线张力异常带来的次品率,提升丝线品质。
Description
技术领域
本发明涉及假捻变形机自动控制,具体涉及一种丝线张力检测方法、控制方法及控制装置。
背景技术
如图1所示,丝线在假捻变形机上绕过(绕过指丝线在转动体上卷绕两圈)第一罗拉1,牵伸后进入上热箱(图中未示出)经化学物质联苯处理后,通过第五罗拉6(假捻器)假捻变形,然后依次绕过速度设定罗拉7和第二罗拉2(牵伸盘),再经下热箱定型处理,接着绕过第三罗拉3进行牵伸,在穿过罗拉导丝5后卷绕在压在第四罗拉4上的纸管上。第一罗拉1、第二罗拉2、第三罗拉3和第五罗拉6均为单锭体单电机驱动(简称为单锭驱动),而第四罗拉4为多锭体单电机驱动。
另一方面,假捻变形机纺丝张力大小关乎丝线质量等级。目前该机型纺丝过程中的丝线张力是通过在线张力传感器或其他张力仪器进行监测的,而修正张力则是在监测结果基础上,人工调整罗拉速度实现,人工调整方式依赖于经验且无法实现罗拉速度随丝线张力变化实时调节,导致假捻变形机纺出的丝线经常出现次等品。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种低成本的丝线张力检测方法;本发明的第二目的是提供一种提升丝线品质的丝线张力控制方法;本发明的第三目的是提供一种实现上述丝线张力控制方法的控制装置。
技术方案:本发明所述的丝线张力检测方法,包括如下步骤:
(1)以纺丝工艺参数作为模型输入,以目标罗拉电机电流I0和丝线张力F0作为模型输出,构建三层BP神经网络模型;
(2)通过样本数据集对神经网络模型进行训练;
(3)将实时采集的纺丝工艺参数输入经训练的神经网络模型中,得到预测的目标罗拉丝线张力F′0。
其中,纺丝工艺参数共有7个,分别为目标罗拉转速、对位罗拉转速、罗拉导丝横动角度和其他四个罗拉的牵伸比。本技术方案中,BP神经网络在经过训练后可对丝线张力进行准确预测,这样就不用再通过张力检测仪器对丝线张力进行检测,节约了成本。需要说明,神经网络如果仅以丝线张力F0作为模型输出,那么最终得到的预测值是没有将目标罗拉电机电流I0和相应位置丝线张力F0同时作为模型输出准确的,而不准确的张力预测并无实际意义。理论上细丝比粗丝张力小,但是在故障缠丝时,张力会持续变大,在张力变大又在预测范围内的时候,电流会持续变化,通过张力和电流做双保险判断,预测更为准确。
进一步地,神经网络中间层节点个数α取[1,10]间任意常数,n为输入层节点个数,l为输出层节点个数。
进一步地,设定第t次输出层学习训练权值调整量为ΔW(t)=η(δoYT)T+εoΔW(t-1)+τoΔW(t-2),其中,ΔW(t-1)为(t-1)次学习的权值调整量,ΔW(t-2)为(t-2)次学习的权值调整量,η为学习率,δo为输出层误差,Y为中间层输出向量;εo、τo为动量因子。
进一步地,设定第t次中间层学习训练权值调整量为ΔV(t)=η(δyXT)T+εyΔV(t-1)+τyΔV(t-2),其中,ΔV(t-1)为(t-1)次学习的权值调整量,ΔV(t-2)为(t-2)次学习的权值调整量,δy为中间层误差,X为输入层输入向量;εy、τy为动量因子。
引入前两次权值调整量加入当前训练权值调整,相当于加入了前两次的学习经验,可减小振荡趋势,加快网络的学习训练速度。
进一步地,εo、τo、εy、τy取值范围为(0,1)。
本发明进一步保护了一种丝线张力控制方法,包括如下步骤:
(a)采用上述的丝线张力检测方法,获取预测的目标罗拉电机电流I′0和丝线张力F′0,预测的目标罗拉电机电流I′0和相应位置丝线张力F′0在神经网络模型中是同时输出的;
(b)进行预测值判定,若I′0与目标罗拉电机实时电流I间的绝对差值IE小于设定值IEmin,则丝线张力正常,数据异常Derr清零;若F′0异常,或I′0异常,或绝对差值IE大于等于设定值IEmin,则丝线张力异常,数据异常Derr累加1并回到步骤(a);若采集次数NOcol达到设定的最大连续采集次数NOcolmax,且数据异常Derr不为零,则进入步骤(c);
(c)调整目标罗拉电机转速为N+ΔN,N为当前目标罗拉电机转速,ΔN为单次转速调整量;转速调整后,回到步骤(a);若F′0和I′0恢复正常,且绝对差值IE小于设定值IEmin,则调整结束;若转速调节次数NOadj达到设定的最大转速调整次数NOadjmax,丝线张力仍异常,则报警切丝。
通过该技术方案可实现目标罗拉电机转速根据丝线张力变化实时调节,降低丝线张力异常带来的次品率,提升丝线品质。
进一步地,ΔN<N*0.1%。
本发明还保护一种丝线张力控制装置,包括植入有训练好的神经网络模型和判定调节程序的处理器,当神经网络模型和判定调节程序被执行时,实现上述的丝线张力控制方法。如前所述,该技术方案可提升丝线品质。
有益效果:本发明与现有技术相比,具有如下显著优点:(1)本发明不需要张力检测仪器即可实现对丝线张力的检测,节约了成本;(2)本发明可实现目标罗拉电机转速根据丝线张力变化进行实时调节,从而提升丝线品质。
附图说明
图1是丝线在假捻变形机上的丝路示意图;
图2是本发明中,丝线张力控制方法流程图;
图3是本发明中,丝线张力控制装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明的张力检测及控制是就单锭驱动而言的,下面以第二罗拉2作为目标罗拉对本发明的技术方案进行示例性说明,第二罗拉2的对位罗拉为速度设定罗拉7,二者间的丝线张力F待测,参见图1。
一种丝线张力检测方法,包括如下步骤:
(1)以纺丝工艺参数作为模型输入,以第二罗拉2电机电流I0和相应位置丝线张力F0作为模型输出,构建三层BP神经网络模型;
(2)通过样本数据集对神经网络模型进行训练;
(3)将实时采集的纺丝工艺参数输入经训练的神经网络模型中,得到预测的第二罗拉2电机电流I′0和相应位置丝线张力F′0。
具体地,神经网络输入层输入向量X=(x1,x2,…,xi)T,i=1,2,…,n,n=7,即输入层节点为7个,分别为速度设定罗拉7转速N7、第二罗拉2转速N2、罗拉导丝5横动角度NP5、第一罗拉1牵伸比NP1、第三罗拉3牵伸比NP3、第四罗拉4牵伸比NP4和第五罗拉6牵伸比NP6,对应于7个纺丝工艺参数。
神经网络输出层输出向量O=(o1,…,ok)T,k=1,…,l,l=2,即输出层节点为2个,分别为第二罗拉2电机电流I0和相应位置丝线张力F0。
神经网络中间层输出向量Y=(y1,y2,…,yj)T,j=1,2,…,m, α取[1,10]间任意常数。本实施例中,经多次试验确定m=6,即中间层节点为6个。
输入层到中间层权值矩阵为V,vij为输入层第i个神经元至中间层第j个神经元的权值,传递函数为
其中,/>
中间层到输出层权值矩阵为W,wjk为中间层第j个神经元至输出层第k个神经元的权值,传递函数为
其中,/>
神经网络期望输出期望输出向量d=(d1,…dk)T,k=1…l,l=2,分别为第二罗拉2期望电机电流I′和期望丝线张力F′。
期望输出d与实际输出O存在误差
根据以上神经网络结构和各层传递函数,有
由此,通过不断训练学习,调整神经网络的权值wjk和vij,可调整误差E,使之不断减小。
设定网络学习训练每次权值调整量。中间层第j个神经元至输出层第k个神经元的权值调整量,输入层第i个神经元至中间层第j个神经元的权值调整量分别为Δwjk、Δvij,向量表达为ΔW、ΔV。
向量表达即ΔW=η(δoYT)T,ΔV=η(δyXT)T。
式中,负号表示梯度下降,η为学习率,取(0,1)之间的数。为输出层误差,/>为隐层误差。
设定第t次输出层学习训练权值调整量为ΔW(t)=η(δoYT)T+εoΔW(t-1)+τoΔW(t-2),其中,ΔW(t-1)为(t-1)次学习的权值调整量,ΔW(t-2)为(t-2)次学习的权值调整量,η为学习率,δo为输出层误差,Y为中间层输出向量;
设定第t次中间层学习训练权值调整量为ΔV(t)=η(δyXT)T+εyΔV(t-1)+τyΔV(t-2),其中,ΔV(t-1)为(t-1)次学习的权值调整量,ΔV(t-2)为(t-2次学习的权值调整量,δy为中间层误差,X为输入层输入向量;
εo、τo、εy、τy为前两次学习对本次学习的影响因子,称为动量因子。εo、τo、εy、τy取(0,1)。此处引入前两次权值调整量加入当前训练权值调整,相当于加入了前两次的学习经验,可减小振荡趋势,加快网络的学习训练速度。
设计学习率η自适应调整,即根据上一次学习的误差值E来变化,如果误差上升,则本次学习无效,且ηt+1=η*β(β<0)。反之误差下降,则本次学习有效,且ηt+1=η*θ(θ>0)。ηt+1为第t+1次的学习率,β、θ为学习率调整系数。
当误差E达到设定的最小误差Emin时,神经网络训练结束,取此时的wjk和vij作为学习训练后的网络权值,同时得到权值矩阵W和V。训练后的神经网络非线性映射能力、泛化能力和容错能力均得到保证。
训练样本收集客户现场15d/30d/75d/150d/300d五个不同品种旦数的数据共34280组,筛选掉不合格数据后,针对不同旦数的数据,分别进行数据归一化并构建样本数据集,用不同样本数据集分别对神经网络进行训练,得到对应不同旦数的权值矩阵W和V。在张力检测时,可根据不同的旦数进行调用。
如图2所示,一种丝线张力控制方法,包括如下步骤:
(a)采用上述的丝线张力检测方法获取预测的第二罗拉2电机电流I′0和相应位置丝线张力F′0;
(b)进行预测值判定,当I′0和F′0在正常范围时(设定【Imin,Imax】为【0.15,0.25】,【Fmin,Fmax】为【6,150】),将I′0与第二罗拉2实时电流I进行比较,计算绝对差值IE=|I′0-I|,若I′0与第二罗拉2电机实时电流I间的绝对差值IE小于设定值IEmin,则丝线张力正常,数据异常Derr清零;若F′0异常,或I′0异常,或I′0与实时电流I间的绝对差值IE大于等于设定值IEmin,则丝线张力异常,数据异常Derr累加1(即Derr=Derr+1)并回到步骤(a),进行下一次采集判定;若在采集次数NOcol后,NOcol小于设定的最大连续采集次数NOcolmax,且数据异常Derr为零,则重新计采集次数NOcol;若NOcol达到NOcolmax,且数据异常Derr不为零,则进入步骤(c);
(c)调整第二罗拉2电机转速为N2+ΔN2,N2为当前第二罗拉2电机转速,ΔN2为单次转速调整量;转速调整后,回到步骤(a);经过NOadj次的调整,NOadj小于设定的最大转速调整次数NOadjmax,若F′0和I′0恢复正常,且I′0与I间的绝对差值IE小于设定值IEmin,则调整结束;若经过NOadj次的调整,NOadj达到设定的最大转速调节次数NOadjmax,丝线张力仍异常,则报警切丝。本实施例中,ΔN2<N2*0.1%。
如图3所示,一种丝线张力控制装置,包括样本数据库、数据存储模块、参数采集模块,以及植入有训练好的神经网络模型和判定调节程序的处理器。
样本数据库中存有收集的样本数据,包括速度设定罗拉7转速N7、第二罗拉2转速N2、罗拉导丝5横动角度NP5、第一罗拉1牵伸比NP1、第三罗拉3牵伸比NP3、第四罗拉4牵伸比NP4和第五罗拉6牵伸比NP6,以及第二罗拉2电机电流I和对应位置丝线张力F。样本数据库中的样本数据经筛选和数据处理后,形成对应不同旦数的样本数据集存入数据存储模块中,供神经网络训练学习。参数采集模块实时采集速度设定罗拉7转速N7、第二罗拉2转速N2、罗拉导丝5横动角度NP5、第一罗拉1牵伸比NP1、第三罗拉3牵伸比NP3、第四罗拉4牵伸比NP4和第五罗拉6牵伸比NP6,以及第二罗拉2电机电流I。当神经网络模型和判定调节程序被执行时,实现上述的丝线张力控制方法,调速指令由处理器发送至第二罗拉2电机执行。
Claims (9)
1.一种丝线张力检测方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)以纺丝工艺参数作为模型输入,以目标罗拉电机电流I0和丝线张力F0作为模型输出,构建三层BP神经网络模型;
(2)通过样本数据集对神经网络模型进行训练;
(3)将实时采集的纺丝工艺参数输入经训练的神经网络模型中,得到预测的目标罗拉丝线张力F′0。
2.根据权利要求1所述的丝线张力检测方法,其特征在于:纺丝工艺参数共有7个,分别为目标罗拉转速、对位罗拉转速、罗拉导丝横动角度和其他四个罗拉的牵伸比。
3.根据权利要求1所述的丝线张力检测方法,其特征在于:神经网络中间层节点个数α取[1,10]间任意常数,n为输入层节点个数,l为输出层节点个数。
4.根据权利要求1所述的丝线张力检测方法,其特征在于:设定第t次输出层学习训练权值调整量为ΔW(t)=η(δoYT)T+εoΔW(t-1)+τoΔW(t-2),其中,ΔW(t-1)为(t-1)次学习的权值调整量,ΔW(t-2)为(t-2)次学习的权值调整量,η为学习率,δo为输出层误差,Y为中间层输出向量;εo、τo为动量因子。
5.根据权利要求4所述的丝线张力检测方法,其特征在于:设定第t次中间层学习训练权值调整量为ΔV(t)=η(δyXT)T+εyΔV(t-1)+τyΔV(t-2),其中,ΔV(t-1)为(t-1)次学习的权值调整量,ΔV(t-2)为(t-2)次学习的权值调整量,δy为中间层误差,X为输入层输入向量;εy、τy为动量因子。
6.根据权利要求5所述的丝线张力检测方法,其特征在于:εo、τo、εy、τy取值范围为(0,1)。
7.一种丝线张力控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
(a)采用权利要求1至6中任一项所述的丝线张力检测方法,获取预测的目标罗拉电机电流I′0和丝线张力F′0;
(b)进行预测值判定,若I′0与目标罗拉电机实时电流I间的绝对差值IE小于设定值IEmin,则丝线张力正常,数据异常Derr清零;若F′0异常,或I′0异常,或绝对差值IE大于等于设定值IEmin,则丝线张力异常,数据异常Derr累加1并回到步骤(a);若采集次数NOcol达到设定的最大连续采集次数NOcolmax,且数据异常Derr不为零,则进入步骤(c);
(c)调整目标罗拉电机转速为N+ΔN,N为当前目标罗拉电机转速,ΔN为单次转速调整量;转速调整后,回到步骤(a);若F′0和I′0恢复正常,且绝对差值IE小于设定值IEmin,则调整结束;若转速调节次数NOadj达到设定的最大转速调整次数NOadjmax,丝线张力仍异常,则报警切丝。
8.根据权利要求7所述的丝线张力控制方法,其特征在于:ΔN<N*0.1%。
9.一种丝线张力控制装置,其特征在于:包括植入有训练好的神经网络模型和判定调节程序的处理器,当神经网络模型和判定调节程序被执行时,实现权利要求7或8所述的丝线张力控制方法。
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