一种闭环控制的过程张力控制方法、系统、设备及介质与流程

1.本发明涉及机械控制领域，尤其涉及一种闭环控制的过程张力控制方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.在连续纤维纱线预浸片卷材生产过程中，展纱机用于将从纱架出来的束状纱线重新整经成片状，以便后续工序直接进入挤出机进行预浸，最终经过冷却成型形成片状卷材。
3.目前的展纱机大部分应用多组错位压辊上下交叉的张力调节器，来使纱线形成一定的张力。由于连续纤维纱线的生产线属于连续系统，展纱机参数的调节需要在生产过程中实时调节，现有的机械式张力调节系统难以实时调节张力的大小，且需要通过人工来调节。而展纱机张力的调节不准确或不及时时，会引起勒纱、磨纱的现象。现有的张力调节机构操作繁琐，响应慢，精度调节不精确，张力波动范围大，极大地影响了成品的性能和良品率。
4.随着技术的发展，运用领域的不断拓展，用户对生产的产品性能的要求不断精细化，对产品品质的要求不断提高，现有的展纱机控制方式已经无法满足用户对产品高质量的需求。


技术实现要素：

5.为了克服现有张力调节机构操作繁琐、响应慢、调节精度差，以及张力波动范围大的问题，本发明提供一种闭环控制的过程张力控制方法、系统、设备及介质。
6.本发明提供了一种闭环控制的过程张力控制方法，包括：
7.实时读取牵引伺服的第一运行数据，以及张力传感器的测量值；
8.检测测量值是否符合第一预设值；其中，所述第一预设值是过程张力控制的目标张力数值；
9.当测量值不符合第一预设值时，则以第一运行数据为基准，通过闭环控制算法，计算获得输出值；
10.将输出值发送给张力控制伺服，控制其运行速度为输出值。
11.作为优选地，所述闭环控制算法，具体为：
12.开始计算测量值与第一预设值的差作为偏差值，同时开始计时，得到时间值；
13.计算偏差值与第一比例系数的乘积，得到比例值；
14.根据预设的第一微分系数，计算偏差值随时间值变化的微分，得到微分值；
15.根据预设的第一积分系数，计算偏差值随时间值变化的积分，得到积分值；
16.计算比例值、积分值和微分值之和，得到输出值；
17.当偏差值等于零的持续时间大于第二阈值时，停止计算偏差值，并将计时归零。
18.优选地，所述计算比例值、积分值和微分值之和，得到输出值之前，还包括：
19.比较偏差值的绝对值是否大于等于第一阈值；
20.如是，且当偏差值为负，则将输出值设为极大值；当偏差值为正，则将输出值设为极小值；其中，极大值是张力控制伺服的控制参数上限，极小值是张力控制伺服的控制参数下限；
21.否则，计算比例值、积分值和微分值之和，得到输出值。
22.优选地，还包括：
23.针对第一比例系数、第一微分系数和第一积分系数，建立深度学习模型；
24.收集若干个在不同测量值与第一预设值下的输出值随时间值的变化曲线，并用其建立训练集和测试集；
25.设定所述深度学习模型的损失函数；其中，当所述变化曲线的长度越短、波动越小时，损失函数的解越逼近最优解；
26.通过训练集和测试集完成深度学习模型的训练；
27.依据输入的测量值与第一预设值，通过深度学习模型获得第一比例系数、第一微分系数和第一积分系数的最优解。
28.优选地，所述第一预设值是根据上位机主牵引的实时运行速度而计算确定。
29.本发明还提供了一种闭环控制的过程张力控制系统，包括：测量模块、判断模块、计算模块和控制模块；
30.所述测量模块用于实时读取牵引伺服的第一运行数据，以及张力传感器的测量值；
31.所述判断模块用于检测测量值是否符合第一预设值；其中，所述第一预设值是过程张力控制的目标张力数值；
32.所述计算模块用于当测量值不符合第一预设值时，则以第一运行数据为基准，通过闭环控制算法，计算获得输出值；
33.所述控制模块用于将输出值发送给张力控制伺服，控制其运行速度为输出值。
34.本发明还提供了一种闭环控制的过程张力控制设备，包括：控制器、张力传感器、牵引伺服和张力控制伺服；
35.所述控制器用于通过上述闭环控制的过程张力控制方法，计算出输出值；
36.所述张力传感器用于实时检测整体纱线的张力，并将检测信号传至控制器；
37.所述牵引伺服用于按照第一运行数据牵引整体纱线，
38.所述张力控制伺服用于按照所述控制器的输出值控制运行速度，以调整整体纱线的张力；
39.所述控制器分别与所述张力传感器、所述牵引伺服和所述张力控制伺服电性相连。
40.优选地，还包括触摸屏；
41.所述触摸屏用于显示和操控所述控制器的控制界面；
42.所述控制器分别与所述触摸屏电性相连。
43.优选地，还包括线速度检测编码器；
44.所述线速度检测编码器用于检测上位机主牵引的运行速度，使所述控制器与上位机联动，并根据所述上位机主牵引的运行速度，设置第一预设值。
45.优选地，所述牵引伺服和所述张力控制伺服之间设有张力检测辊，所述张力传感
器设于张力检测辊上，所述整体纱线与所述张力检测辊成60
°‑
180
°
的包角。
46.本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述闭环控制的过程张力控制方法。
47.本发明的有益效果是：
48.通过闭环控制算法动态调节过程张力，使过程张力的控制平稳、高效且快速，提高了产品质量和良品率。
49.优选地，通过运用了微分和积分闭环控制算法，实现了高精度、适用场景广泛、运用便捷的张力控制方法及系统，使过程张力的控制更加高效、快速和精确。
50.优选地，通过深度学习模型，自动计算最优的第一比例系数、第一微分系数和第一积分系数，从而得到张力变化最快最平稳的输出值。
附图说明
51.下文将结合说明书附图对本发明进行进一步的描述说明，其中：
52.图1为本发明其中一个实施例的闭环控制的过程张力控制方法；
53.图2为本发明其中一个实施例的闭环控制算法流程图；
54.图3为本发明其中一个实施例的设备框图。
55.图中：1、触摸屏；2、线速度检测编码器；3、可编程控制器；4、牵引伺服；5、牵引轴；6、张力检测辊；7、张力传感器；8、张力控制伺服；9、张力控制轴。
具体实施方式
56.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.参见图1和图2，是本发明的其中一个实施例，本实施例公开了一种闭环控制的过程张力控制方法、系统、设备及介质，运用于连续纤维纱线预浸片卷材生产过程中的展纱机的张力控制。
58.本实施例包含的闭环控制的过程张力控制方法，其实现步骤如下：
59.s1、实时读取牵引伺服4的第一运行数据，以及张力传感器7的测量值；
60.s2、检测测量值是否符合第一预设值；
61.s3、当测量值不符合第一预设值时，则以第一运行数据为基准，通过闭环控制算法，计算获得输出值；
62.s4、将输出值发送给张力控制伺服8，控制其运行速度为输出值。
63.其中，所述第一预设值是过程张力控制的目标张力数值。通过闭环控制算法动态调节过程张力，使过程张力的控制平稳、高效且快速，提高了产品质量和良品率。
64.作为本实施例的一种举例，第一预设值是根据上位机主牵引的实时运行速度而计算确定。上位机主牵引的实时运行速度可以但不限于通过线速度检测编码器进行检测，本发明能够控制牵引伺服的运行速度与上位机的运行速度同步，提高控制的准确率和同步准
确率。另外，根据运行速度计算出目标张力数值为现有技术，在此不再赘述。
65.作为优选地，所述闭环控制算法，具体实现步骤如下：
66.a1、开始计算测量值与第一预设值的差作为偏差值，同时开始计时，得到时间值；
67.a2、计算偏差值与第一比例系数的乘积，得到比例值；根据预设的第一微分系数，计算偏差值随时间值变化的微分，得到微分值；根据预设的第一积分系数，计算偏差值随时间值变化的积分，得到积分值；
68.a3、计算比例值、积分值和微分值之和，得到输出值；
69.a4、判断偏差值等于零的持续时间是否大于第二阈值；
70.a41、如是，则停止计算偏差值，并将计时归零。
71.在本实施例中，利用偏差值为零的持续时间与第二阈值进行比较，第二阈值用于表征可接受的误差范围，具体数值可以自行设定。由于张力控制需要一定的时间，因此通过第二阈值的设置能够调节误差范围，适用于不同的应用场景。
72.本实施例通过运用了微分和积分闭环控制算法，实现了高精度、适用场景广泛、运用便捷的张力控制方法及系统，使过程张力的控制更加高效、快速和精确，从而提高产品质量和良品率。
73.优选地，所述步骤a3之前，还包括分步骤如下：
74.a21、比较偏差值的绝对值是否大于等于第一阈值；
75.a211、如是，且当偏差值为负，则将输出值设为极大值；当偏差值为正，则将输出值设为极小值；
76.a212、否则，继续执行步骤a3。
77.其中第一阈值对应展纱机的张力伺服在单位时间内，可以调节的张力的最大值；极大值是展纱机张力伺服的控制参数上限，极小值是展纱机张力伺服的控制参数下限。在张力的波动大于展纱机可以调节阈值时，直接将张力伺服的输出功率调至极值。
78.优选地，还包括步骤如下：
79.a5、针对第一比例系数、第一微分系数和第一积分系数，建立深度学习模型；
80.a6、收集若干个在不同测量值与第一预设值下的输出值随时间值的变化曲线，并用其建立训练集和测试集；
81.a7、设定所述深度学习模型的损失函数；其中，当所述变化曲线的长度越短、波动越小时，损失函数的解越逼近最优解；
82.a8、通过训练集和测试集完成深度学习模型的训练；
83.a9、依据输入的测量值与第一预设值，通过深度学习模型获得第一比例系数、第一微分系数和第一积分系数的最优解。
84.通过深度学习模型，自动计算最优的第一比例系数、第一微分系数和第一积分系数，从而得到张力变化最快最平稳的输出值。
85.本实施例还提供了一种闭环控制的过程张力控制系统，包括：测量模块、判断模块、计算模块和控制模块；
86.所述测量模块用于实时读取牵引伺服4的第一运行数据，以及张力传感器7的测量值；
87.所述判断模块用于检测测量值是否符合第一预设值；其中，所述第一预设值是过
程张力控制的目标张力数值；
88.所述计算模块用于当测量值不符合第一预设值时，则以第一运行数据为基准，通过闭环控制算法，计算获得输出值；
89.所述控制模块用于将输出值发送给张力控制伺服8，控制其运行速度为输出值。
90.本实施例还提供了一种闭环控制的过程张力控制设备，包括：控制器、张力传感器7、牵引伺服4和张力控制伺服8；
91.所述控制器用于通过上述闭环控制的过程张力控制方法，计算出输出值；
92.所述张力传感器7用于实时检测整体纱线的张力，并将检测信号传至控制器，其中还设有信号放大器来放大信号属于本领域的常规设置，本方案不再赘述；
93.所述牵引伺服4用于按照第一运行数据带动牵引轴5，以牵引整体纱线运动；
94.所述张力控制伺服8用于按照所述控制器的输出值控制张力控制轴9的运行速度，以调整整体纱线的张力；
95.所述控制器分别与所述张力传感器7、所述牵引伺服4和所述张力控制伺服8电性相连。
96.优选地，过程张力控制设备还包括触摸屏1；
97.所述触摸屏1用于显示和操控所述控制器的控制界面；
98.所述控制器分别与所述触摸屏1电性相连。
99.优选地，过程张力控制设备还包括线速度检测编码器2；所述线速度检测编码器2用于检测上位机主牵引的运行速度，使所述控制器与上位机联动，保持所述牵引伺服4与所述上位机的运行速度相同。控制器还用于根据所述上位机主牵引的运行速度，设置第一预设值。
100.优选地，张力控制轴9和牵引轴5之间设有张力检测辊6，所述张力传感器7设于张力检测辊6两侧，所述整体纱线与所述张力检测辊6成60
°‑
180
°
的包角。
101.作为本发明的另一实施例，本实施例的控制器为西门子公司的可编程控制器3；本实施例的闭环控制算法采用pid compact算法，pid compact连续采集在控制回路内张力传感器7测量的测量值，并将其与设定的所需张力值进行比较。pid compact根据所生成的控制偏差来计算输出值，通过该输出值，可以尽可能快速且稳定地将测量值调整为第一预设值。如前一实施例所用的闭环控制的过程张力控制方法，测量值会尽快校正到第一预设值。如果控制偏差的变化率下降，则微分作用将再次减弱。指令pid compact在预调节期间计算受控系统的比例、积分和微分参数，精确调节可用于进一步调节这些参数。
102.在又一实施例中，还设有一台电脑通过数字信号线或无线信号与可编程控制器3相连，所述电脑内运行有深度学习模型程序，该程序实时监测可编程控制器3接收到的测量值以及输出的输出值，并可监测和修改可编程控制器3的pid compact算法的第一比例系数、第一微分系数和第一积分系数。
103.所述张力伺服通过所述张力控制轴9来控制张力，是通过张力伺服的伺服电机输出扭矩大小变化或者伺服电机输出转速变化来调节所述张力控制轴9的运行速度，以实现张力控制轴9与所述牵引轴5同向转动的同时，保持其上的连续纤维纱线维持一定的张力。
104.张力的第一预设值为5n，当实际值大于5n时，输出值变小/变大(取决于相位设定)无限趋近于100％/0(取决于相位设定)从而控制伺服电机输出扭矩或者伺服电机输出转
速。当张力过大或过小时就要适当的调整第一预设值的大小。
105.在设备安装调试阶段，一般先把微分d值设为零，积分i设为一个较小的数值，例如为5-10之间，改变p值从小到大，直到系统能调整稳定，当p调整好后，加一个外界干扰，看系统恢复到平衡所需的时间，如果太慢，增加i值，直到达到满意效果，一般系统改变经过两个波动周期达到平衡为最好。
106.以此为基础，在调试设备的同时，收集数据以建立训练集和测试集，并对深度学习模型进行迭代更新，最后得到深度学习模型的最优解，用于实时控制pid compact算法的参数，从而得到张力变化最快最平稳的输出值。
107.本发明还公开了一种终端设备，包括处理器和存储装置，存储装置用于存储一个或多个程序；当一个或多个程序被处理器执行时，处理器实现上述的运用闭环控制算法的张力控制方法。所称处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所称处理器是测试设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个测试设备的各个部分。
108.存储装置可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储装置内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储装置内的数据，实现终端设备的各种功能。存储装置可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储装置可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
109.其中，运用闭环控制算法的张力控制设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于至少一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
110.需说明的是，以上所描述的设备及装置的实施例仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例的附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以
理解并实施。
111.以上所述的具体实施例，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，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种闭环控制的过程张力控制方法，其特征在于，包括：实时读取牵引伺服的第一运行数据，以及张力传感器的测量值；检测测量值是否符合第一预设值；其中，所述第一预设值是过程张力控制的目标张力数值；当测量值不符合第一预设值时，则以第一运行数据为基准，通过闭环控制算法，计算获得输出值；将输出值发送给张力控制伺服，控制其运行速度为输出值。2.根据权利要求1所述的一种闭环控制的过程张力控制方法，其特征在于，所述闭环控制算法，具体为：开始计算测量值与第一预设值的差作为偏差值，同时开始计时，得到时间值；计算偏差值与第一比例系数的乘积，得到比例值；根据预设的第一微分系数，计算偏差值随时间值变化的微分，得到微分值；根据预设的第一积分系数，计算偏差值随时间值变化的积分，得到积分值；计算比例值、积分值和微分值之和，得到输出值；当偏差值等于零的持续时间大于第二阈值时，停止计算偏差值，并将计时归零。3.根据权利要求2所述的一种闭环控制的过程张力控制方法，其特征在于，所述计算比例值、积分值和微分值之和，得到输出值之前，还包括：比较偏差值的绝对值是否大于等于第一阈值；如是，且当偏差值为负，则将输出值设为极大值；当偏差值为正，则将输出值设为极小值；其中，极大值是张力控制伺服的控制参数上限，极小值是张力控制伺服的控制参数下限；否则，计算比例值、积分值和微分值之和，得到输出值。4.根据权利要求2所述的一种闭环控制的过程张力控制方法，其特征在于，还包括：针对第一比例系数、第一微分系数和第一积分系数，建立深度学习模型；收集若干个在不同测量值与第一预设值下的输出值随时间值的变化曲线，并用其建立训练集和测试集；设定所述深度学习模型的损失函数；其中，当所述变化曲线的长度越短、波动越小时，损失函数的解越逼近最优解；通过训练集和测试集完成深度学习模型的训练；依据输入的测量值与第一预设值，通过深度学习模型获得第一比例系数、第一微分系数和第一积分系数的最优解。5.根据权利要求1所述的一种闭环控制的过程张力控制方法，其特征在于，所述第一预设值是根据上位机主牵引的实时运行速度而计算确定。6.一种闭环控制的过程张力控制系统，其特征在于，包括：测量模块、判断模块、计算模块和控制模块；所述测量模块用于实时读取牵引伺服的第一运行数据，以及张力传感器的测量值；所述判断模块用于检测测量值是否符合第一预设值；其中，所述第一预设值是过程张力控制的目标张力数值；所述计算模块用于当测量值不符合第一预设值时，则以第一运行数据为基准，通过闭
环控制算法，计算获得输出值；所述控制模块用于将输出值发送给张力控制伺服，控制其运行速度为输出值。7.一种闭环控制的过程张力控制设备，其特征在于，包括：控制器、张力传感器、牵引伺服和张力控制伺服；所述控制器用于通过上述权利要求1至5中任意一项所述的闭环控制的过程张力控制方法，计算出输出值；所述张力传感器用于实时检测整体纱线的张力，并将检测信号传至控制器；所述牵引伺服用于按照第一运行数据牵引整体纱线，所述张力控制伺服用于按照所述控制器的输出值控制都运行速度，以调整整体纱线的张力；所述控制器分别与所述张力传感器、所述牵引伺服和所述张力控制伺服电性相连。8.根据权利要求7所述的一种闭环控制的过程张力控制设备，其特征在于，还包括线速度检测编码器；所述线速度检测编码器用于检测上位机主牵引的运行速度，使所述控制器与上位机联动，并根据所述上位机主牵引的运行速度，设置第一预设值。9.根据权利要求7所述的一种闭环控制的过程张力控制设备，其特征在于，所述牵引伺服和所述张力控制伺服之间设有张力检测辊，所述张力传感器设于张力检测辊上，所述整体纱线与所述张力检测辊成60
°‑
180
°
的包角。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至5中任意一项所述的闭环控制的过程张力控制方法。

技术总结
本发明涉及机械控制领域，具体公开了一种闭环控制的过程张力控制方法、系统、设备及介质，包括实时读取牵引伺服的第一运行数据，以及张力传感器的测量值；检测测量值是否符合第一预设值；其中，所述第一预设值是过程张力控制的目标张力数值；当测量值不符合第一预设值时，则以第一运行数据为基准，通过闭环控制算法，计算获得输出值；将输出值发送给张力控制伺服，控制其运行速度为输出值。本发明实现了高精度、适用场景广泛、运用便捷的张力控制方法及系统，使过程张力的控制更加高效、快速和精确。精确。精确。


技术研发人员：冯敏 邓荣坚 何永俊 肖鹏 刘玲 林红 孟姗姗
受保护的技术使用者：广州金发碳纤维新材料发展有限公司
技术研发日：2022.01.28
技术公布日：2023/8/9