基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法

2023-05-14 17:04:31

專利名稱：基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法
技術領域：
本專利涉及的是一種基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法，屬於自動化技術領域。
背景技術：
電紡絲纖維因其巨大比表面積和高孔隙率而得到組織工程、同軸電纜、藥物緩釋等多領域的關注，具有廣闊應用前景。電紡絲纖維直徑決定了形成的纖維製品的化學品質， 電紡絲纖維直徑的控制技術研究成為電紡絲纖維進一步發展的關鍵，而纖維直徑尺寸多在微納級，不能有效在線檢測纖維直徑，無法實現纖維直徑有效控制。經過對現有文獻檢索發現，Ravikant Samatham等在文章Electric Current as a Control Variable in the Electrospinning Process (Polymer Engineering and Science, 2006, Vol. 1002，pp. 954-959)中採用檢測纖維表面電荷的方法來控制纖維直徑，但是由於不同材料纖維電導率的差異導致這種方法的使用有局限性，而纖維表面電荷形成的電流極小在0-500nA之間，也使得測量難以達到較高的精度。Xuri Yan等在文章 Analysis of electrospinning nanofibers diameter distribution, process dynamics, and control (2008 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Proceedings of IMECE2008)中採用泰勒錐檢測的方法控制纖維直徑， 但是電紡絲纖維在高壓電場中運動的整個過程異常複雜，而且整個運動過程參數多樣化， 單純泰勒錐檢測是不能反映纖維完整運動過程的，這就使得泰勒錐檢測的方法降低了控制的準確性。因此很多學者在分析機理運動控制纖維直徑，但是根據能量守恆方程、動量守恆方程等建立的纖維運動過程模型是複雜的多元高階偏微分方程(組)，求解難度非常大； 而依據試驗數據擬合建立的模型則過於簡單，往往適用於特定實驗條件下的幾種聚合物液體，模型使用範圍較窄。近期，D.Reneker等在文章Electrospinning jets and polymer nanofiber (Polymer, 2008, Vol. 49，pp. 2387-2425)中使用了有限元模型分析纖維運動。 該模型把聚合物運動過程離散化，用有限元方法分析離散後的粘彈性纖維段的拉伸鞭動過程，並計算每個纖維段在電場作用下的運動參數，包括粘性纖維的拉長以及由此引起的直徑變化，這使得描述過程得模型階次明顯降低，克服了求解困難的缺點。此外，在該模型中帶入不同的實驗條件便可用數值求解的方式求得該實驗條件下的射流運動參數，克服了數據擬合模型使用範圍窄的問題。東華大學的肖婉紅在博士論文《靜電紡絲工藝參數及鞭動對纖維形態影響的研究》(2008, 12，12)中用有限元電紡絲纖維運動模型結合實驗數據對纖維形態進行了分析。Y. C. Zeng 等在文章Numerical Approach to Modeling Fiber Motion During Melt Blowing(Journal of Applied Polymer Science, 2011, Vol. 119, pp. 2112-2 123)中用有限元電紡絲纖維運動模型對電紡絲不穩定階段進行了模擬，分析了實驗參數對纖維直徑的影響。這些研究更加明確了有限元電紡絲纖維運動模型的有效性。然而需要指出的是，有限元電紡絲纖維運動模型是基於空間的數值分析模型(分布參數模型)，而控制系統的中控制器是基於時間的集中參數模型，基於空間的數值分析模型與基於時間的集中參數模型是彼此獨立的，不能直接建立閉環系統，因此有限元電紡絲纖維運動模型被直接用於訓練控制器.因此實現二者的有效結合，是提高電紡絲纖維直徑閉環控制的關鍵。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法，實現電紡絲纖維直徑閉環控制，該方法能利用了有限元電紡絲纖維運動模型，，直接整定PID控制器，實現電紡絲纖維直徑閉環控制的仿真，克服了現有裝備中纖維直徑實時響應性差，纖維直徑難以控制的問題。為了達到上述目的，本發明的基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法是通過以下技術方案實現的，
(1)、採用matlab軟體求解建立有限元電紡絲纖維運動模型，實現對電紡絲纖維運動過程的模擬，獲得虛擬的實驗系統；
(2)、基於虛擬的實驗系統獲得輸入和輸出數值，代替實驗數據，採用最小二乘的系統辨識方法處理輸入和輸出數值，得到系統的過程傳遞函數；
(3)、整定過程傳遞函數控制器；
(4)、把控制器重新作用在有限元電紡絲纖維運動模型上，實現對電紡絲纖維直徑的閉環控制仿真。上述步驟(1)所述的採用matlab軟體求解建立有限元電紡絲纖維運動模型，實現對電紡絲纖維運動過程的模擬，由此獲得虛擬的實驗系統，其具體步驟如下
(1)、建立有限元電紡絲纖維運動模型首先把纖維運動過程離散化，分析離散後每個粘彈性纖維段的運動過程，建立纖維運動狀態在電場力、庫侖力、粘滯力、回復力作用下的微分方程組，並在matlab軟體中求解，其具體步驟如下
①、根據系統仿真的電壓V，時間步長Δt，接收距離H，計算微分方程組，得到第i個纖維段的所受的外力，空間位置坐標和以及纖維段的拉伸長度Ii-U ；
②、計算出第i個纖維段的拉伸直徑，該拉伸直徑記為Cli^；該拉伸直徑Cli^和上述電壓V作為系統辨識算法的輸入，上述第i個纖維段的拉伸直徑的計算表為；
權利要求
1.一種基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法，其特徵在於，該方法具體步驟如下(1)、採用matlab軟體求解建立有限元電紡絲纖維運動模型，實現對電紡絲纖維運動過程的模擬，獲得虛擬的實驗系統；(2)、基於虛擬的實驗系統獲得輸入和輸出數值，代替實驗數據，採用最小二乘的系統辨識方法處理輸入和輸出數值，得到系統的過程傳遞函數；(3)、整定過程傳遞函數控制器；(4)、把控制器重新作用在有限元電紡絲纖維運動模型上，實現對電紡絲纖維直徑的閉環控制仿真。
2.根據權利要求1所述的基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法，其特徵在於，上述步驟(1)所述的採用matlab軟體求解建立有限元電紡絲纖維運動模型，實現對電紡絲纖維運動過程的模擬，由此獲得虛擬的實驗系統，其具體步驟如下(1)、建立有限元電紡絲纖維運動模型首先把纖維運動過程離散化，分析離散後每個粘彈性纖維段的運動過程，建立纖維運動狀態在電場力、庫侖力、粘滯力、回復力作用下的微分方程組，並在matlab軟體中求解，其旦體步驟如下①、根據系統仿真的電壓V，時間步長ut，接收距離H，計算微分方程組，得到第i個纖維段的所受的外力，空間位置坐標和以及纖維段的拉伸長度Ii-U ；②、計算出第i個纖維段的拉伸直徑，該拉伸直徑記為Cli^；該拉伸直徑Cli^和上述電壓V作為系統辨識算法的輸入，上述第i個纖維段的拉伸直徑的計算表為；
3.根據權利要求2所述的基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法，其特徵在於，上述步驟(2)所述的基於虛擬的實驗系統獲得輸入和輸出數值，代替實驗數據， 採用最小二乘的系統辨識方法處理輸入和輸出數值，從而得到系統的過程傳遞函數，其具體步驟如下採用最小二乘辨識方法處理有限元分析提供的系統輸入和輸出數據，得到系統基於時間的集中參數模型，將基於空間的數值分析模型映射到基於時間的集中參數模型，其具體如下首先，將採用最小二乘辨識方法處理，將有限元分析提供的系統輸入電壓值和輸出直徑值，最小二乘辨識方法的矩陣方程的表達式為
4.根據權利要求3所述的基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法， 其特徵在於，上述步驟(3)所述的整定控制器，基於系統的過程傳遞函數，首先採用經典 Ziegler-Nichols法整定PID控制器，控制器參數為Kp=O. 7*yi/XlKI=y1/x1/2Κ^γ/χ^δ然後，將拉伸直徑di-1，i輸入已整定的PID控制器，計算出下一個時間步長t+ t，再將電壓V作為下一步有限元電紡絲纖維運動模型計算的輸入。
5.根據權利要求4所述的基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法，其特徵在於，上述步驟(4)所述的再把控制器重新作用在有限元電紡絲纖維運動模型上，實現對電紡絲纖維直徑的閉環控制仿真，其具體步驟如下首先，將階躍電壓信號作用在有限元電紡絲纖維運動模型上，計算得到的輸出直徑d，然後，將直徑d輸入整定的PID控制器， 計算控制器輸出值，該輸出值為下一時間步長的作用電壓V，最後，將該V作用在有限元電紡絲纖維運動模型上，重複上述步驟(1)，計算在整定的PID控制器中的纖維直徑，直到射流到達接收板，計算終止，實現對電紡絲纖維直徑的閉環控制仿真。
全文摘要
本發明公開了一種基於有限元和系統辨識的電紡絲纖維閉環控制仿真方法，其步驟(1)採用matlab軟體求解建立有限元電紡絲纖維運動模型，對電紡絲纖維運動過程的模擬，獲得虛擬的實驗系統；(2)基於虛擬的實驗系統獲得輸入和輸出數值，採用最小二乘的系統辨識方法處理輸入和輸出數值，得到系統的過程傳遞函數；(3)整定過程傳遞函數控制器；(4)把控制器作用在有限元電紡絲纖維運動模型上，實現對電紡絲纖維的閉環控制仿真。該方法將基於時間的PID控制作用直接反映到有限元運動模型中，進行閉環控制仿真，消除分別獨立進行電紡絲纖維運動分析和控制器的局限，降低成本，解決現有裝備中纖維直徑的控制，為電紡絲纖維製造裝備自動化提供支持。
文檔編號G05B17/02GK102393648SQ201110386569
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月29日 優先權日2011年11月29日
發明者井長娟, 劉大利, 劉媛媛, 李慶偉, 王強高, 胡慶夕 申請人:上海大學