一種碳纖維多層角聯織機紗線張力控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種碳纖維多層角聯織機紗線張力的控制方法。該方法根據碳纖維機織材料的“柔性”、“不確定性”及工藝過程的“時變”特性和“非線性”特性，按照位移、角度、彈性變形、加壓力等送經過程后梁處動力學特性取拉普拉斯變換，應用梅遜公式得到高階微分方程的傳遞函數特征方程，根據紡織工藝過程的線速度、穩度等分布參數系統特性，利用非線性系統分析方法，建立部分數學模型。經紗張力采用多變量前饋和張力反饋相結合的控制結構和迭代智能控制算法，它是以系統的實際輸出與期望輸出的偏差修正不理想的控制信號，通過控制伺服電機轉速以及張力調節裝置來保持紗線張力恒定。
【專利說明】
一種碳纖維多層角聯織機紗線張力控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及紡織工藝及設備技術領域，特別是涉及一種碳纖維多層角聯織機紗線 張力控制的方法。
【背景技術】
[0002] 在科學技術迅猛發展的今天，碳纖維及其碳纖維復合材料因其獨特、卓越的性能， 受到航空航天、能源、船舶等高新技術領域的青睞。碳纖維織物作為復合材料的增強結構骨 架，其制備技術顯得尤為重要。角聯機織技術是在多層經紗織造技術基礎上發展起來的一 種新型復合材料骨架織造技術。天津工業大學通過技術攻關，研制出了具有完全知識產權 的碳纖維多層角聯機織裝備。同傳統的普通織機相比，碳纖維多層織機的送經系統及其張 力控制具有較大的變化，表現在以下幾個方面：（1)經紗層數增多，經紗跨度變大，送經裝置 龐大，經紗張力控制難度增大。（2)隨織物厚度增加，經紗開口幅度劇增。織物結構不同引起 經紗間的開口幅度不同，因而開口過程對經紗張力干擾增加。（3)高強度、高模量和耐摩性 差的碳纖維或玻璃纖維為主要織造纖維，經紗與棕絲眼、輸送輥摩擦導致斷經率，織造效率 降低。（4)為確保多層織物相關性能，不同層經紗間張力要均勻。從整個織造過程分析，經紗 張力系統是一個時變、非線性、多變量干擾并且張力與速度之間存在強耦合的復雜系統，傳 統的經紗張力控制方法已經不能滿足其控制要求。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的是解決上述技術問題，采用多變量前饋和張力反饋相結合的控制結 構和迭代控制智能算法，通過控制伺服電機轉速以及張力調節裝置，精確控制碳纖維多層 角聯織機織造過程中的經紗張力，實現紗線張力恒定，提高碳纖維多層織物的織造質量。
[0004] 本發明的目的通過以下技術方案實現： 根據碳纖維機織材料的"柔性"、"不確定性"及工藝過程的"時變"特性和"非線性"特 性，按照位移、角度、彈性變形、加壓力等送經過程后梁處動力學特性取拉普拉斯變換，應用 梅遜公式得到高階微分方程的傳遞函數特征方程，根據紡織工藝過程的線速度、穩度等分 布參數系統特性，利用非線性系統分析方法，建立開口環節經紗動態數學模型以及張力擺 輥動態數學模型。
[0005] 在恒線速度卷繞的情況下，由理論計算和實驗相結合確定合適作為設定張力，在 該張力下，碳纖維整經盤頭成形良好，退繞不出現紗線分叉、毛羽等現象。通過對稱布置的 傳感器去檢測片紗張力的大小，檢測到的信號經A/D轉換后與設定張力比較，通過迭代智能 控制系統控制主軸轉速以及紗線張力調節裝置的調節，保持紗線的張力恒定。
[0006] 具體控制過程為:經紗張力增加-后梁下降（后梁位置傳感器發出加快送經速度的 控制信號)_送經電機加速(送經量增加)_經紗張力減小后梁上升-后梁恢復正常位置。反之 亦然，最終使送經量與卷取量一致，同時保持經紗張力穩定。
[0007] 本發明的優點在于，碳纖維多層角聯織機經紗張力系統是一個時變、非線性、多變 量干擾并且張力與速度之間存在強耦合的復雜系統，經紗張力采用多變量前饋和張力反饋 相結合的控制結構和迭代控制智能算法，通過控制伺服電機轉速以及張力調節裝置來保持 紗線張力恒定。
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發明的織機工作原理圖。
[0009] 圖2是本發明迭代學習智能控制算法的經紗張力控制原理圖。
[0010] 圖3是本發明帶材張力通用模型圖。
[0011] 圖4是本發明送經系統參數分布圖。
[0012] 圖5是本發明經紗開口運動模型。
[0013]圖6是本發明建立張力擺輥動態數學模型的示意圖。
[0014] 圖7是本發明的迭代控制算法實施過程中擺輥的跟蹤誤差圖。
[0015] 圖8是本發明的迭代控制算法實施過程中張力誤差曲線圖。
[0016] 圖中：1、經軸，2、張力補償裝置，3、送經裝置，4、籠紗裝置，5、開口系統，6、打煒系 統，7-10卷曲系統，9、碳纖維織物，11、卷曲輥，12、分紗輥，13、張力調節擺輥，14、導紗輥， 15、送經輥，16、下部擺動張緊輥，17、上部擺動張緊輥。
【具體實施方式】
[0017] 為使本發明的發明目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實 施方式作進一步的詳細描述。但本發明要求保護的范圍并不局限于實施方式所表述的范 圍。
[0018] 根據織機工作原理圖1，將經紗系統按照輸送過程分為六大區域，經紗參數分布圖 如圖4所示，在對送經系統動力學建模之前，將系統中的速度、張力等參數分別表達，圖中 為輥軸跨距內碳纖維經紗的張力，U為跨距內碳纖維經紗的長度為輥軸轉動線速度。 [0019]引入如圖3所示帶材類材料張力通用模型。將送經紗等效為帶材的輸送過程，每經 過一個輥軸，碳纖維的彈性模量和傳送速度會產生變化，據胡克定律、質量守恒定律，忽略 摩擦對張力的影響，在微時間段d t內，得到兩輥軸間L1+1段經紗的動態數學模型為：
[0020]
[0021 ]下面對開口環節進行模型分析：圖5所示，其中，A為織機織口，B為平棕時棕眼位 置，C為分紗輥，Η為梭口高度，h = H/2為梭口高度的一半。設經紗總伸長量為λ，梭口前部經 紗伸長量為λ?，梭口后部經紗伸長量為A2，Ll和L2分別為梭口前后部長度。假設梭口為等張 角梭口，即開口時上、下層經紗是對稱的，上、下層經紗的伸長量相等，棕平時棕眼位于AC連 線的B點處。開口時，棕絲帶動紗線由B點提升至D點，梭口紗線長度有AC段變為ADC段。公式 表達如下:λ=AD+DC-L = λχ-λ〗。
[0022] 由三角形勾股定理可得:AB2+K)2=AD2。
[0023] 結合圖5,由于h2值極小，對上式進行整理可得：
。
[0024] 同理可得
[0025] 所以經紗伸長量為
[0026] 將上式兩邊對時間求導，得到棕絲眼處紗線的運動速度為：
[0027]
[0028] 由上式可以看出，棕絲眼處紗線的運動速度為開口高度與開口高度變化率的乘 積，鑒于提花機運動曲線類正弦性，所以，開口時經紗運動規律呈現出較強的非線性。引入 速度參考值、張力參考值和開口高度參考值X r = 〇，令Vi = Vi-Vr，Ti = ti-tr，X = X代入上式可 得：
[0031]上式表達了開口高度的變化與開口前后段經紗的張力間的關系，可得開口模塊的

D2表示開口與織物牽引模塊之間的耦合項。 9
[0033]然后研究主動擺輥式張力調節裝置動力學模型，原理示意圖如圖6所示。根據質量 守恒定律可得
?1 °
[0034]式中，xi (t)為第i輯的位置，Vi為第i輯處經紗的速度，P為紗線的密度，A為紗線的 橫截面積。假設紗線僅在長度方向上產生彈性變化，則:dx = (1+ e )dxu， ε為紗線的彈性系數，下標u表示為發生彈性變化時值。
[0035]再次利用質量守恒定律，得到以下關系式：
[0036] dm = p(x，t)A(x，t)dx = pu(x，t)Au(x，t)dxu
[0037] 忽略紗線彈性變化前后的紗線密度和橫截面積的變化，將以上各式整理得：
[0038]
[0039] 由于ε遠小于1，考慮到擺輥擺動時，紗線長度的變化，令Xi = 0，Xi+1 = Li(t)得：
[0040]
[0041 ]由胡克定律可得：ti-1 = eiAEti = ei+1AE。
[0042] 結合張力調節裝置原理圖6,對上式整理可得：
[0043]
[0044] 由牛頓運動定律得：
[0045] _ _
式中b為摩擦系數，m為擺輥的質量，z為擺輥的重心與擺動中心軸間的距離。
[0046] 建立以上數學模型以后，利用迭代學習智能控制方法進行經紗張力的控制，設被 控對象的動態過程為：
'式中^￡1?%7￡1^，11￡1^分別為 系統的狀態、輸出和輸入變量，f( · )、g( ·)為適當維數的向量函數，其結構與參數均未知。 若期望控制Ud(t)存在，則迭代學習控制目標為:給定期望輸出yd(t)和每次運行的初始狀態 Xk(0)，要求在給定的時間te[0，T]內，按照一定的學習控制算法通過多次重復的運行，使 控制輸出Uk( t )-Ud(t)，而系統輸出yk( t)4yd(t)。第k次運算時，上式表示為：
[0047]
[0048] 跟蹤誤差為：ek(t) =yd(t)-yk(t)。
[0049] 在Armoto等給出的線性時變系統的D型迭代學習控制律基礎上，采用PID迭代學習 控制率，表不為：
式中Γ為常數增益矩陣。
[0050] 迭代學習智能控制原理如圖2所示，在開口動作同時，伺服電機控制擺輥擺角，同 時由安裝在攏紗裝置4上的張力傳感器作為張力反饋信號，為提高張力響應時間和穩定性， 實時檢測擺輥角度，構建張力角度雙閉環控制系統。
[0051] 根據上述系統動力學模型結論，結合迭代控制過程，代入裝置參數得：
[0052]
其中，X1(t)為擺輥的跟蹤軌跡，x2(t)為經紗張力。
[0053]
[0054] 系統期望跟蹤軌跡為
e[0，l]。
[0055] 將開口運動假設為正弦運動，取系統參數
Ψ =〇,系統初始狀態）
：Matlab軟件環境下進行仿真分析。
[0056] 得到的結果如圖7和圖8所示，可見迭代學習方法有效的實現了碳纖維多層織機紗 線張力的控制。
[0057]以上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步 的詳細說明，所以理解的是，以上所述為本發明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發明 的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改，等同替換，改進等，均包含在 本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種碳纖維多層角聯織機紗線張力控制方法，其特征在于根據碳纖維機織材料的 "柔性"、"不確定性"及工藝過程的"時變"特性和"非線性"特性，按照位移、角度、彈性變形、 加壓力等送經過程后梁處動力學特性取拉普拉斯變換，應用梅遜公式得到高階微分方程的 傳遞函數特征方程，根據紡織工藝過程的線速度、穩度等分布參數系統特性，利用非線性系 統分析方法，建立部分數學模型。碳纖維多層角聯織機經紗張力系統是一個時變、非線性、 多變量干擾并且張力與速度之間存在強耦合的復雜系統，經紗張力采用多變量前饋和張力 反饋相結合的控制結構和智能控制算法，通過控制伺服電機轉速以及張力調節裝置來保持 紗線張力恒定。2. 根據權利要求1所述的碳纖維多層角聯織機紗線張力控制方法，其特征在于經紗張 力控制需要根據內部機理建立數學模型，結合外部干擾因素、系統特點設計控制算法，研究 利用偏微分方程和泛函微分方程建立時空領域的建立了開口環節經紗動態數學模型以及 張力擺輥動態數學模型。3. 根據權利要求1所述的碳纖維多層角聯織機紗線張力控制方法，其特征在于采用一 種用來改善具有重復運動特性的過程、機械、裝置或系統的瞬態響應和跟蹤特性的智能控 制技術，它是以系統的實際輸出與期望輸出的偏差修正不理想的控制信號，使系統的跟蹤 性能得以提尚。4. 根據權利要求1所述的碳纖維多層角聯織機紗線張力控制方法，其特征在于采用迭 代智能控制算法控制紗線張力。該算法不依賴系統的精確的數學模型，能在給定的時間范 圍內，以非常簡單的算法實現不確定性高的非線性強耦合動態系統的控制，并能高精度跟 蹤給定期望軌跡。5. 根據權利要求1所述的碳纖維多層角聯織機紗線張力控制方法，其特征在于其控制 過程為:經紗張力增加-后梁下降（后梁位置傳感器發出加快送經速度的控制信號)-送經電 機加速(送經量增加)_經紗張力減小后梁上升-后梁恢復正常位置。反之亦然，最終使送經 量與卷取量一致，同時保持經紗張力穩定。
【文檔編號】D03D23/00GK105887286SQ201610382928
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】劉薇, 侯仰強, 陳云軍, 劉國輝, 鐘蒲
【申請人】天津工業大學