一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法与流程
本发明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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
本发明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，本发明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，本发明具有如下有益效果：
本发明可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。
附图说明
图1为本发明一种碳纤维凝固浴过程控制仿真方法的系统框图；
图2为pid控制性能参数评估与专家策略结构图；
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1，2所示，本发明提供了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。
其中步骤6中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。
本发明提供一种碳纤维凝固浴过程控制实验教学系统，包括基于碳纤维凝固浴模型的pid闭环控制系统、基于专家经验规则的pid控制策略模块、显示控制参数、指标、曲线、策略以及三维场景的过程控制实验交互平台。基于碳纤维凝固浴模型的pid闭环控制系统包括碳纤维凝固浴控制模型辨识、pid闭环控制回路的搭建与运行、控制过程性能指标的计算。
上述步骤1中，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，建立的机理模型为：
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％。
上述步骤2：过程数据采集与预处理；具体包括对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的产生的数据，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。
上述步骤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，arx模型表示如下：
a(z-1)y(k)＝b(z-1)u(k)+v(k)
上式中：u(k)为输入序列；y(k)为输出序列；v(k)随机噪声；a(z-1)、b(z-1)为关于平移算子t(z-1)的多项式。系统输出形式的描述方程为：
y(k)＝-a1y(k-1)-…-anay(k-na)+b1u(k-1)+b2u(k-2)+…+bnbu(k-nb)+v(k)
上式中：y(k)为输出的第k次观测值，y(k-1)为输出的第k-1次观测值；u(k-1)为系统的第k-1次输入值，依此类推。
arx模型辨识碳纤维凝固浴模型的具体步骤为：
a.确定模型集
根据碳纤维凝固浴机理模型运行产生的大量数据，进行数据采集与数据处理，具体特征如步骤2所述。
b.模型结构选择
利用最小信息准则法对实测数据进行模型定阶，假设含k个参数的参数模型并定义准则为
c.模型参数辨识采用最小二乘法确定模型的参数，将系统的输入输出化为一个标准的最小二乘格式为：
y(k)＝ht(k)θ+v(k)
上式中：为被辨识的参数集合，表示为θ＝[a1,a2,…,ana；b1,b2,…,bnb]；h(k)为辨识样本集合，表示为h(k)＝[-y(k-1),…,-y(k-na),u(k-1),…,u(k-nb)]t。
取残差的平方和为最小二乘法准信函数:
上述步骤4中：pid闭环控制回路的搭建与运行中，pid控制回路的搭建是将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，输出信号在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。
上述步骤5中控制过程指标的计算中控制性能指标；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。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差，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(∞)数量的一半，是判断系统稳定性的指标。将pid控制过程数据和计算获得的性能指标存入后台数据库并返回控制实验交互平台的界面显示。
上述步骤6中，基于专家经验规则的pid控制策略模块主要包括控制实验交互界面输入系统预期性能指标包括δ0、ts0、e0，检测运行系统性能指标，查询匹配规则并反馈调参策略，根据反馈进行人工调参。
控制实验交互界面输入系统预期性能指标：δ0、ts0、e0中，将预期超调量δ0范围设定为0～40％、预期调整时间ts0范围设定为0～10s、预期稳态误差e0范围设定为0～|±2％*u|(给定阶跃信号值的±2％)。
查询匹配规则并反馈调参策略中调参规则为：
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。
本发明所应用的过程控制实验交互平台包括登录模块、pid控制实验教学模块、三维场景交互模块。登录模块中，用户首次登陆时可以通过注册账号和密码设置进入实验平台。当出现忘记密码情况，用户通过忘记密码操作找回密码或者重设。用户数据将自动存储至相应数据库中。pid控制实验教学模块包括控制参数输入、预期指标输入、控制曲线和参数显示、反馈策略显示。三维场景交互模块是利用三维动画软件设计的碳纤维凝固浴三维动画，接入过程控制交互界面实时显示凝固浴过程动画和相关工业参数。
如图1所示，本发明提出了一种碳纤维凝固浴过程控制实验教学系统包括基于碳纤维凝固浴模型的pid闭环控制系统、基于专家经验规则的pid控制策略模块、数据库的搭建、碳纤维凝固浴过程控制交互平台、三维场景漫游模块。
其中，建立碳纤维凝固浴模型的pid闭环控制方法具体实现步骤如下：
步骤1：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，建立机理模型为：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％。
步骤2：数据采集与预处理具体包括对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的产生的数据，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合理添加高斯噪声、数据有效性检验、数据类型转换处理。
步骤3：在matlab系统辨识工具箱进行碳纤维凝固浴过程arx模型辨识。其中，辨识过程包括确定模型结构和模型参数。调用工具箱中的选择模型结构函数selstruc和计算arx模型类损失函数arxstruc计算模型的损失函数值，以获得极小损失函数值所对应的阶次即为系统离散模型的系数。
步骤4：调用matlab模型辨识工具箱中的d2c函数，将系统辨识获得的离散模型转换为控制系统的连续时间模型。
步骤5：在matlab中构建arx模型的pid控制回路，通过控制教学交互平台输入阶跃信号并存入数据库，后台pid控制系统读取数据库中的信号并运行系统。
步骤6：将控制系统中生成的过程数据和参数指标记录在建立好的数据库中。
步骤7：将完成的闭环控制回路系统进行软件接口模型的转换，接入对应控制教学交互平台制作框架接口。
如图2所示，基于专家经验规则的pid控制策略模块具体实现步骤如下：
步骤1：在人机交互界面预期参数中输入δ0、ts0、e0。
步骤2：在输入的阶跃信号作用下，调用系统的过程数据并计算评估控制性能的5个参数指标。
步骤3：利用交互界面输入预期效果参数与后台计算获得的控制性能参数进行规则的匹配查询，将获得的结果存入数据库并向界面反馈调参策略，指导学生调节参数。
碳纤维凝固浴过程控制交互平台包括登录模块、pid控制实验教学模块、三维场景交互模块。具体实现步骤如下：
步骤1：用户首次登陆时可以通过注册账号和密码设置进入实验平台。当出现忘记密码情况，用户通过忘记密码操作找回密码或者重设。用户数据将自动存储至相应的数据库中。
步骤2：输入pid控制系统的阶跃信号、调节参数、预期性能指标，若出现超出参数限定范围情况，将弹出提示框提示用户参数的限定范围，输入规范后系统自动将数据存入数据库。
步骤3：点击三维漫游模块，实时观看碳纤维凝固浴各参数的三维动画显示。
步骤4：读取实时数据库中的系统响应数据和时间，实时显示控制曲线。点击结束按钮停止系统运行，获取数据库中系统性能指标与调参策略。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
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