[發明專利]一種三維多層仿形織造過程多機協同智能控制系統

有效

• 申請號: 202010558192.3
• 申請日: 2020-06-18
• 公開（公告）號: CN111733509B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 蔣曉梅;芮曉光;芮延年
• 申請（專利權）人: 常熟理工學院
• 主分類號: D03J1/00
• 分類號: D03J1/00;H02P5/74;H02P21/10;H02P21/14;H02P21/18;H02P21/20
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 李嘉寧

1.一種三維多層仿形織造過程多機協同智能控制系統，包括斜紗引導機構(1)、綜框(2)、打緯機構(3)、卷取機構(4)、定型機構(5)、織口(6)、鋼筘(7)和垂紗引導機構(8)，其特征在于：所述斜紗引導機構(1)位于綜框(2)的左側，并且垂紗引導機構(8)位于綜框(2)正面的上方和下方設置有兩個，所述鋼筘(7)位于綜框(2)的右側，并且定型機構(5)位于鋼筘(7)的右側，所述織口(6)位于鋼筘(7)的右側和定型機構(5)的左側之間，并且織口(6)設置在定型機構(5)頂部的左側，所述打緯機構(3)位于定型機構(5)頂部左側的上方，并且卷取機構(4)位于定型機構(5)頂部的右側；

按照如下步驟進行：

S1、三維多層仿形織造工藝的經紗x與斜紗b₁、b₂經斜紗引導機構(1)進入綜框(2)內部后，穿過鋼筘(7)被引導至織口(6)中；

S2、垂紗引導機構(8)通過綜框(2)在斜紗引導機構(1)與織口(6)之間做往復運動，并引導垂紗z由上部分貫穿上部分的經紗層和斜紗層，由下部分貫穿下部分的經紗層和斜紗層；

S3、緯紗引導機構引導緯紗y在經紗層間形成緯紗層，最終，紗線在織口(6)處通過打緯機構(3)、定型機構(5)形成三維多層仿形織物，利用卷取機構(4)對織物進行收集；

所述步驟S1中，三維五向多層仿形織造工藝裝備的控制涉及到經紗、垂紗和2組斜向紗和一組緯紗五個方向的控制；

所述步驟S1-S3中，依據磁場定向控制作用機理，通過對磁場磁鏈定向和力矩控制，來分別對多個感應電動機的速度和力矩進行智能控制；

所述步驟S1中，在紗線陣列中沿厚度方向，即垂紗方向加入定向紗線，以及在垂直于交織厚度方向的面內加入兩組互相垂直的橫向纖維，即經紗方向和縱向纖維，即緯紗方向，形成三維五向纖維交織物；

即將定子電流和轉子磁鏈作為狀態變量，將定子電壓作為輸入參量，則第i臺感應電動機在隨定子速度的d-q坐標系下的狀態方程為：

式中：i_dsi——d坐標下電動機i的定子電流；

i_qsi——q坐標下電動機i的定子電流；

λ_dri——d坐標下電動機i的轉子磁鏈；

λ_qri——q坐標下電動機i的轉子磁鏈；

v_si——電動機i的定子電壓；

狀態方程中對傳遞函數矩陣A_i和B_i做如下定義：

B_i＝b_iI (3)

式中：b_i＝1/(σ_iL_si)；

a_r11i＝(1-σ_i)/(σ_iτ_ri)-R_sib_i；

a_r12i＝M_ib_i/(L_riτ_ri)；

a_i12i＝M_ib_iω_ri/L_ri；

a_r21i＝M_i/τ_ri；

a_r22i＝-1/τ_ri；

a_i22i＝ω_ri；

τ_ri＝L_ri/R_ri；

M_i——電動機i的定子與轉子間互感；

L_si——電動機i的定子電感；

L_ri——電動機i的轉子電感；

R_si——電動機i的定子電阻；

R_ri——電動機i的轉子電阻；

σ_i——電動機i的漏感系數；

τ_ri——電動機i的轉子時間常數；

ω_ri——電動機i的轉子電氣角速度；

則，感應電動機i的電磁轉矩為：

式中：n_p——電動機i的電極對數；

感應電動機i的轉子運動方程為：

式中：ω_mi＝ω_ri/n_p；

J_i——電動機i的轉子轉動慣量；

K_i——電動機i的轉子阻尼系數；

ω_mi——電動機i的轉子機械角速度；

T_oi——電動機i的轉子外負載轉矩；

由電動機i基于d-q坐標的狀態方程(1)可構建其轉子的全維狀態估計器的表達式：

式中：——電動機i的定子電流和轉子磁鏈的估計值；

——電動機i的傳遞函數矩陣A_i的估計值；

C_i——電動機i的反饋增益矩陣；

對反饋增益矩陣進行如下配置：

式中：

c_22i＝g_ic_12i；

g_i＝(σ_iL_siL_ri)/M_i；

k——估計器的極點為原始系統極點的k倍；

由式(1)、(6)建立的誤差方程：

式中：

由自適應率可以估算感應電動機的轉子電氣角速度；

由式(1)、(7)可得轉子電氣角速度、定子電阻和轉子電阻的控制率：

式中：κ_ωpi、κ_wli、κ_Rspi、κ_Rsli、κ_Rrpi和κ_Rrli均為正向增益；

由反饋增益矩陣(7)可知，估計器的極點為原始系統極點的k倍，則轉子速度取任意值時，感應電動機的定子電流和轉子磁鏈估計值都將趨近于真實值，由式(9)并結合超穩定性定理可知，當時間t→∞時，轉子電氣角速度、定子電阻和轉子電阻的估計值也將趨近于真實值；

將各量從d-q異步旋轉坐標系轉化為M-T同步旋轉坐標系，則電動機i的電磁轉矩為：

式中：i_Ti——電動機i的轉矩電流；

——電動機i的轉子磁鏈絕對值；

因此，電動機i在某一時刻電磁轉矩的估計值表示為：

式中：——電動機i在k時刻電磁轉矩的估計值；

——電動機i在k時刻轉矩電流的估計值；

感應電動機轉子的電氣角加速度估計值由下式獲得：

式中：——電動機i在k時刻轉子的電氣角速度估計值；

——電動機i在k-1時刻轉子的電氣角速度估計值；

T——電動機i的采樣時間周期；

由全維轉子狀態估計器可以估計某一時刻的外負載轉矩：

式中：——電動機i在k時刻外負載的估計值；

假設感應電動機i在k-1時刻的指令性電氣角加速度為其k時刻所需的指令性轉矩電流由下式獲得：

考慮到利用轉子加速度辨識瞬時外負載會存在著一定的滯后性，因此引入PID控制器進行補償控制，對指令性轉矩電流做進一步修正：

式中：——電動機i在k時刻補償轉矩電流。

2.根據權利要求1所述的三維多層仿形織造過程多機協同智能控制系統，其特征在于：首先將電壓和電流經過三相靜止到兩相靜止，兩相靜止到兩相旋轉進行變換，將其轉化為隨定子速度d-q坐標系下的電壓和電流，利用全維轉子狀態估計器對定子電流和轉子磁鏈進行估計，并辨識感應電動機的轉子電氣角速度定子電阻和轉子電阻將辨識值反饋給估計器以便對傳遞矩陣進行估計，從而構成全維轉子狀態估計器的閉環回路；

將估計的轉子磁鏈經k/p變換器解耦后，得到方向角估計值和磁鏈絕對值將轉子的電氣角速度估計值傳給磁鏈發生器用以判斷該值是否大于額定值，在超過額定值時采取磁弱措施，否則采取恒磁措施，最終由磁鏈發生器輸出指令性磁鏈λ^*_i，將λ^*_i與的差值傳遞給磁鏈調節器，以獲得所需的指令性磁鏈電流

通過對進行微分獲得感應電動機轉子的電氣角加速度再利用全維轉子狀態估計器對外負載轉矩進行辨識，將帶入公式中，計算當前時刻所需的指令性轉矩電流將轉子的電氣角速度估計值與指令性值ω^*_ri的差值輸入PID速度調節器，獲得補償轉矩電流與之和，即為電動機下一時刻所需的電磁轉矩電流最后將和輸入PWM電流逆變器，向電動機輸入三相電流。