基于温速调节的恒温控制方法

技术领域

本发明提出针对溢流染色机染色过程的恒温过程实施高精度控制方法，属于印染设备技术领域。

背景技术

目前国内织物印染行业普遍地采用溢流染色设备，以用于各类纯棉、纯涤、涤棉、氨纶等针织坯布的前后处理及染色，特别对高附加值的新合纤及超细纤维染色尤为适宜，同时也可作为织物的煮炼、漂白、预缩、碱减量等加工。

溢流染色机是现有印染厂应用较为广泛的染色设备，其工作原理是染液从染槽底部由主泵抽出，送至热交换器加热，再进入染槽前端溢流槽中。溢流槽内平行装有两根或多根下倾溢流管。织物由主动导布辊及染液溢流带动进行循环。织物印染是一个复杂过程，受多个因素影响，并且多种因素相互耦合、共同作用，染色质量较难控制，影响溢流染色机染色质量的主要因素较多，如染液及加入方式、染色温度、盐和碱剂的种类、用量及加入方式、染色时间、染液浴比等。染色工艺对温度控制要求非常严格，染液的升温、保温和降温必须符合工艺要求，否则将会产生色差、缸差、着色不匀等次品。

现有技术溢流染色机在进行染色时，需要升高染剂的温度来提高染色剂活性，并保持在一定温度范围内即需经历一恒温过程，从而提高染色效率。由于不同环境及机器的差异，染色过程的实际温度曲线与理想设定曲线差异较大，相应地会导致出现相关的染色质量问题，从而导致染色效率较差和生产成本较高的问题，无法满足现代生产工艺和高效批量生产的需要。另外，由于温控水平较低还会浪费大量的水资源、增加了环保成本投入，得不到满意的印染质量控制效果。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述的基于温速调节的恒温控制方法，在于解决现有技术存在的问题而提出维持染色机染液温度恒温过程中的温度波动较小、超调量较小的控制手段，以期提高恒温过程的控制智能化、有效地自动检测并精准控制染色过程温度，从而实现稳定保温、达到工艺预设染液温度条件的设计目的，显著地提高染色效果与产品品质。

为实现上述设计目的，所述的基于温速调节的恒温控制方法，是在印染过程中，根据印染工艺对温度、温速指标的要求，在确定染液的保温温度Th后，初始温速V0依据温差ΔT的大小确定；

控制器依据实时监测的温度与工艺温度进行对比，通过调节气动薄膜调节阀开度的大小以间接地实现染液在恒温过程中的温度控制；

设在t0时刻温差ΔT的大小为TE，依据温差ΔT的大小，温速的设定值可以进行分段设定以实现连续无级控制，则有：

式中，V

V0为温速的初始设定值，单位：℃/min；

ΔT为保温温度Th与实时温度Ts的温差值，单位：℃；

TE为常数，当ΔT趋于0时，V

ω为衰减系数；

t为时间，单位：min。

1、根据权利要求1所述的基于温速调节的恒温控制方法，其特征在于：

式中，V为实时温速，单位：℃/min；

因采样周期为TS，k为第k次采样，对上述公式(4)进行离散化得出：

温速控制器的控制规律采用增量PID算式，在k时刻，控制器温速偏差Ve离散算式如下：

Ve(k)＝Vset(k)-V(k) (6)

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

或 (11)

u(k)＝u(0)+Δu(k)

公式(10)、公式(11)是迭代增量温速控制算式。

进一步地，当温速设定Vset小于0.2℃/min时，

K

T

式中，α为减小的放大倍数；

β为增加积分作用的倍数；

将上述公式(12)、公式(13)分别代入公式(10)中可得到：

依据温速的大小实现PID参数的自整定。

如上所述，本申请所述基于温速调节的恒温控制方法具有的优点是：

1、本申请能够满足染色行业工艺对温度控制精度和稳定性的要求，通过温速调节而实现高精度控制，能够实现超调量较小、智能化与可控性较好的特点，具备反应迅速、跟踪性能好和实时消除染液温度偏差的性能，显著提高了染色质量的均一性和稳定性。

2、本申请能够有效地按工艺要求维持染液的温度条件，既提高了染色效果、保证产品品质的同时，还显著地提高了生产效率与降低生产成本，同时避免了染色过程中水资源的浪费，减轻了环保压力。

3、本申请是集染色工艺、自动控制、机电一体、软测量技术、计算机监控等技术综合应用的智能方法，从而为溢流染色行业技术的数字化、智能化、信息化发展打下了坚实的基础。

附图说明

图1是应用本申请所述控制方法的溢流染色机工艺与系统结构原理图；

图2是升温保温曲线图；

图3是温度设定曲线图。

图4是恒温实时控制原理图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1，本申请提出一种基于温速调节的恒温控制方法，基于如图1所示的溢流染色机工艺与系统结构，为了满足染色工艺对温度控制精度和稳定性的要求，溢流染色机包括染缸、主泵、换热器、喷嘴、温度传感器、控制系统、气动薄膜调节阀等。在印染过程中，需对染缸里的染液进行升温、保温、降温等操作，加热升温、保温的换热介质是蒸汽，降温的换热介质是冷水，热交换均是通过换热器实现的，即在某一段时间内换热器中只能有一种介质流过，也就是说加热升温、保温过程是不能降温的，降温只来自设备本身的散热。

基于气液溢流温速调节原理，在印染过程中，以主泵为动力将染缸底部的染液送到换热器加热或冷却，使染液的温度达到工艺要求的温度，然后由喷嘴将染液喷洒在织物上，达到染色的目的，同时被染织物随着液流向下移动，染液也自然地落到染缸底部，如此循环地工作。染液加热时换热器通的是蒸汽，冷却时换热器通的是冷水。根据印染工艺对温度、温速指标的要求，控制器依据实时监测的温度与工艺温度进行对比；通过测量染液温度，计算与设定温度的偏差，依据温度偏差计算温速的设定值实时地计算与实际温速的偏差，控制气动薄膜调节阀开度的大小以间接地实现染液温度与温速的控制，以达到控制温度、温速的目的。

由于现有技术溢流染色机的系统温度存在超温不可控的问题，本申请提出通过分段温速控制的方法。即温度的状态控制以达到控制温度为目的，工艺温度期望曲线如图2所示。

具体地，依据实时染液温度Ts与保温温度Th的温差ΔT来确定温速设定值V

设在t0时刻温差ΔT的大小为TE，依据温差ΔT的大小，温速的设定值可以进行分段设定以实现连续无级控制，则有：

式中，V

V0为温速的初始设定值，单位：℃/min；

ΔT为保温温度Th与实时温度Ts的温差值，单位：℃；

TE为常数，当ΔT趋于0时，V

ω为衰减系数；

t为时间，单位：min。

依据上述公式(1)，温速设定值V

设减速过程经历tn-t0＝m分钟，采样周期TS，总的采样次数为n＝m/ts，也就是说经过n次采样后，使得ΔT≈0，同时Vset≈0，因ΔT＝Th-Ts，故Vset的符号与ΔT相同，将公式(1)变化部分离散化得到：

V

式中，m为调节过程时间，单位：min；

n为调节过程时间内的调节次数；

sgn(ΔT)取ΔT的符号；

TS为采样周期，单位：min；

i为第i次采样(i＝0,1,2,3,…,n)；

依据试验结果，当i＝n时，Vset＝0.05℃/min可以满足温度的控制的要求，将该参数代入上述公式(2)以解得：

如上述分析与推导，在温度不可控的情况下，采用随动控制系统理论和常规PID算法，基于温速控制实现下述温度控制方法。

本申请所述基于温速调节的恒温控制方法，应用于各类具有相同工艺的溢流染色机，在印染过程中，根据印染工艺对温度、温速指标的要求，在确定染液的保温温度Th后，初始温速V0依据温差ΔT的大小即可确定，控制器依据实时监测的温度与工艺温度进行对比，通过调节气动薄膜调节阀开度的大小以间接地实现染液在恒温过程中的温度控制。

如图4所示，依据随动控制系统理论，实时染液温度Ts由装在换热器染液出口与主缸染液入口之间的温度传感器测得，实时染液温度Ts与温速V的关系为：

式中，V为实时温速，单位：℃/min；

因采样周期为TS，k为第k次采样，对上述公式(4)进行离散化得出：

温速控制器的控制规律采用增量PID算式，在k时刻，控制器温速偏差Ve离散算式如下：

Ve(k)＝Vset(k)-V(k) (6)

在k时刻，PID位置离散算式为：

式中，u为控制器输出值；

K

T

T

TS为控制器微分时间，单位为min；

由上述公式(7)，在k-1时刻，PID位置离散算式为：

设温速控制增量为Δu，则有：

Δu(k)＝u(k)-u(k-1) (9)

式中，Δu为控制器输出增量；

在k时刻将式(7)、式(8)、代入式(9)中，有

上述公式(10)即为差分的PID增量算式。

由式(9)可变换为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

或 (11)

u(k)＝u(0)+Δu(k)

上述公式(10)、公式(11)是迭代增量温速控制算式。

为了更好地消除温度偏差，增强系统的稳定性，当温速设定Vset小于0.2℃/min时，减少比例作用，增加积分作用，即

K

T

式中，α为减小的放大倍数；

β为增加积分作用的倍数；

将上述公式(12)、公式(13)分别代入公式(10)中可得到：

如上所述，依据温速的大小可实现PID参数的自整定，从而保证温速的控制精度、间接地实现对恒温过程中染液温度的精准控制。

如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，均仍属于本发明技术方案的权利范围。