基于右互質分解的紗線張力跟蹤控制方法及仿真

李偉鋒，王 哲

(中原工學院電子信息學院，河南鄭州 450007)

紗線拉伸至斷裂所能承受的最大抗拉伸力或拉伸斷裂負荷，是研究最多的紗線機械性質之一［1－3］。由于紗線的拉伸變形能力很大，并且具有黏彈性體的性質，紗線拉伸過程所產生的形變情況以及紗線成品質量控制也受到充分的關注［4］。拉力對紗線拉伸性質的影響，可用多元件或一般化的黏彈模型來研究［5－7］。本文利用典型的三元素模型進行分析，加入非線性部分，從而得到更接近實際的模型。

1 紗線張力數學模型

三元素模型，也叫做標準固體模型，可較好地模擬高分子材料黏彈性區的受力與變形關系，用以特定型號紗線的模型建立［8－9］。模型構成如圖 1所示。

圖1 三元素模型Fig.1 Three element model

圖中，上部位彈簧的彈性系數為E0，下部位彈簧的彈性系數為E，牛頓型黏滯杯的阻尼系數為η。整個模型受到的應力設定為σ，相應的應變為ξ。于是構建如下方程組:

式中:ξ1、ξ2分別為彈簧 E0和彈簧 E、黏滯杯 η 的應變;σ1、σ2分別為彈簧E和黏滯杯η受到的應力。

將方程組(1)化簡，得到下面等式:

繼續化簡，得出如下傳遞函數的形式:

再轉化為狀態空間方程的形式，即為

式中:x為狀態變量;μ為輸入;y為輸出;f(t，x)為紗線拉伸過程中的非線性擾動部分。該模型即為單根紗線張力模型的數學表示形式，該狀態空間方程即為單根紗線張力數學模型的算子。

2 右互質分解

互質分解的概念最早出現在線性反饋控制系統中，并對反饋控制系統的輸入輸出穩定問題提供了合理的解決方案。之后，非線性控制系統的互質分解問題開始出現，指導并應用于非線性系統的分析、設計、鎮定和控制當中，尤其是非線性系統的右互質分解問題，得到了更為廣泛的關注［10］。

定義:如果P存在右分解P=ND－1，且存在因果穩定的映射A∶Y→U，B∶U→U使如下的Bezout恒等式成立:

或

式中IU為U上的單位映射。則稱算子P具有右互質分解。

3 紗線張力模型的右互質分解

上文中，計算得到了紗線張力模型的算子，在此，將證明該算子具有右互質分解并計算得到右互質分解的結果。

對于方程組(2)的右互質分解結果，D和N分別寫作如下形式:

下面根據算子右互質分解的定義來證明P=ND－1且N和D滿足Bezout恒等式。

由式(4)、(5)，可得到:

對于任意的輸入μ，都有x2(t)≡x3(t)，因此上式與式(1)是相同的，即算子P具有右分解。

式中，v1=v3=v，x1=x3，因此得到(K1N+K2D)(v)=v(v∈U)，即滿足 AN+BD=I(A 即 K1，B 即K2)，故算子P具有右互質分解。

4 紗線張力的跟蹤控制系統設計

綜合以上各部分的分析結果，基于右互質分解的理論，對紗線張力進行跟蹤控制的設計研究，設計控制器和反饋狀態矩陣，結果如圖2所示。

圖2 紗線跟蹤控制結構框圖Fig.2 Yarn tracking control structure diagram

圖中:r為期望輸入值;b為反饋值;e為誤差量;y為輸出值;u為紗線系統的輸入;P為右互質分解后的紗線模型。

根據圖2的結構，計算得到輸出y=CN(r)，因此，如果令C=N－1，那么系統就可完成跟蹤工作。

5 仿真

使用MatLab/simulink進行模塊化仿真，搭建系統模型。為簡化計算，假設彈簧E和E0的彈性系數為1，黏滯杯的阻尼系數η為1，則可得到系數A=1，B=1，C=2。則搭建原系統模型如圖3所示。仿真結果如圖4所示。設定輸入期望值為一按正弦變化的序列，分別測試原系統的輸出與跟蹤控制系統的輸出是否能夠完全跟蹤期望輸入。

根據第4節的跟蹤控制系統設計，加入控制和反饋部分，仿真系統如圖5所示。仿真結果如圖6所示。

圖3 紗線張力系統模型Fig.3 Yarn tension system model

圖4 紗線系統模型仿真結果Fig.4 Simulation result of Yarn tension system model

圖5 紗線張力跟蹤控制系統模型Fig.5 Yarn tension tracking control system model

圖6 紗線張力跟蹤控制系統模型仿真結果Fig.6 Simulation result of yarn tension tracking control system model

由仿真結果可知，右互質分解之后的紗線張力跟蹤控制模型，輸出實際值能夠完全跟蹤輸入的期望值，實現紗線張力的跟蹤控制。

6 結束語

在紗線的模型基礎上，結合右互質分解理論，對紗線張力模型進行分解，并設計得到紗線張力的跟蹤控制方法，通過仿真驗證了該方法的合理性。該方法能夠快速測得紗線張力并對其進行有效的跟蹤控制。

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