（纺织工程专业论文）并条牵伸系统预报模型的研究.pdf

】 f 一 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 日期： 学位论文作者签名： 川年l 立关惨 只l9 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 - 保密囱，在一二l 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者躲耋奥 日期：川年f 月p e t 獬 日期砷年f 月加 _ ； 一 并条牵伸系统预报模型的研究 摘要 近年来，对纤维制品加工过程智能检测与质量控制的研究越来越 多，这一领域已经成为纺纱新技术中极为重要的研究方向。另一方面， 在纺纱工艺流程中，并条工序处于重要的中间环节。并条的最终产品 条子( 熟条) ，其性能对纱线的质量有很大影响。在国外最新型 并条机上，具有质量预报功能的专家系统得到了广泛应用。因此，对 于并条过程中纤维制品质量预报与控制的研究具有重要的意义。 o6 、，- 、_ 一 在介绍了新技术在并条机上的应用情况以及相关背景的基础上， 论文将一种新的进化计算模型遗传规划算法引入到纺织领域中 来，利用遗传规划算法的全局搜索最优途径的能力，通过m a t l a b 平 台下的灵活编码，实现对条子并合后条干c v 值的预报。 作为纺纱过程中的一个重要概念，牵伸力反映了牵伸区中快速纤 维和慢速纤维的相对运动。牵伸力波动的大小对条子质量有很大影 响，因此在纺纱过程中，合理控制牵伸力是保证质量的一个关键问题。 课题研制了牵伸力测量装置，并采用该装置检测粘胶纤维在牵伸区中 所受牵伸力的大小，研究了牵伸力与条子质量、牵伸力与并合参数之 间的关系。 在条子质量预报以及牵伸力检测的研究中，论文得到以下结论： ( 一) 在本课题的试验条件下，并合后条子的条干c v 值与前罗 拉速度、前区隔距、前后区牵伸倍数关系密切。 ( 二) 为使预测结果合理准确，使用正交试验选取遗传规划算法 部分参数的最优值。经过试验，得到当m = 1 5 0 ，p r _ o 1 5 ，p c = 0 6 ， p m = 0 0 2 ，d m = 1 8 时，遗传操作最为稳定，收敛迅速，遗传结果准确。 ( 三) 论文将遗传规划算法引入纺织行业中，完成对并合后条子 质量的预报，预测结果的误差均在5 以内，这说明遗传规划算法在 纺织行业中有广阔的应用前景。 ( 四) 利用牵伸力与传感器中应变片的应变之间存在线性关系的 原理，本课题自行研制了一套牵伸力在线检测装置。使用该装置可以 正确测量牵伸力的大小。 ( 五) 分别给出了牵伸力与条干c v 值和重量不匀率之间的关系 曲线。通过分析，说明在本课题试验条件下，牵伸力与条子两项重要 质量指标之间相关性不显著。 ( 六) 研究了牵伸力与牵伸倍数、罗拉隔距、前罗拉速度之间的 关系。通过对试验数据的研究，本文得到了牵伸力与牵伸倍数、罗拉 隔距、喂入量之间的回归方程。 关键词：并合牵伸，遗传规划，条子质量预报，牵伸力，传感器 r r e s e a r c ho nf o r e c a s t i n gm o d e la b o u td r a f t i n gs y s t e mo f d r a w i n gf r a m e a b s t r a c t r e c e f i t l y , t h e r ew e r em o r ea n dm o r er e s e a r c h o nt h ei n t e l l i g e n t i n s p e c t i o na n dq u a li t yc o n t r o lf o rt h ef i b e rp r o d u c t i o np r o c e s s ，a n dt h i s f i e l dh a sb e e na ni m p o r t a n td i r e c t i o ni nt h es p i n n i n gt e c h n o l o g y o nt h e o t h e rh a n d ，i t si m p o r t a n tt ou n d e r s t a n dt h er o l eo fd r a w i n gi n t h e s p i n n i n gp r o c e s s i na d d i t i o n ，t h ep r o p e r t i e so f s l i v e rh a v eg r e a te f f e c tt o y a r nq u a l i t i e s s l i v e rp r o f e s s i o n a lw i t hq u a l i t yf o r e c a s t i n gf u n c t i o hh a s b e e n w i d e l ya p p l i e d t o h i g h p e r f o r m a n c ed r a w i n g f r a m ea b r o a d t h e r e f o r e ，i t ss i g n i f i c a t i v et oq u a l i t yf o r e c a s t i n ga n dc o n t r o lf o r t h e d o u b l i n gs l i v e r s a f t e ri n t r o d u c i n gs o m ea p p l i c a t i o n sa n dr e l e v a n tb a c k g r o u n do ft h e n e wt e c h n o l o g yi nd r a w i n gf r a m e ，t h i sp a p e rd e p i c t e dt h eb a s i cp r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i co fg e n e t i cp r o g r a m m i n g ，w h i c hi san e we v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o nm o d e la n du s e dt of o r e c a s tt h eq u a l i t yo fs l i v e r b yf l e x i b l e e n c o d i n g o fm a t l a ba n dp o w e r f u ls e a r c hp e r f o r m a n c eo fg e n e t i c p r o g r a m m i n g ，t h e c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o nu n e v e n n e s so fs l i v e ri s f o r e c a s t e d d r a f t i n gf o r c e ，a sa ni m p o r t a n tc o n c e p ti ns p i n n i n gp r o c e s s ，r e f l e c t s t h er e l a t i v em o v e m e n t so ff a s tf i b e r sa n ds l o wf i b e r s t h ef l u c t u a t i o no f ，1 1 j d r a f t i n gf o r c eg r e a t l yi n f l u e n c e so ns l i v e rq u a l i t y t h e r e f o r e ，c o n t r o l l i n g d r a f t i n gf o r c ei se s s e n t i a lt og u a r a n t e ey a mq u a l i t y ad e s c r i p t i o ni sg i v e n o ft h ed e s i g na n do p e r a t i o no fad r a f t i n gf o r c et e s t e r , e m p h a s i z i n go nt h e r e l a t i o nb e t w e e nd r a f t i n gf o r c ea n dd r a f t i n gp a r a m e t e r s t h i sp a p e ro b t a i n sf o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 。( 1 ) f r o n tr o l l e rs p e e d ，g a u g ea n dd r a f tr a t i oi n f l u e n c e do b v i o u s l yt o t h es l i v e rc o e f f i c i e n to fv a r i a t i o nu n e v e n n e s su n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h i s p a p e r ( 2 ) t h i sp a p e rp r o p o s e so p t i m i z i n ga c c e s so fg e n e t i cp r o g r a m m i n g p a r a m e t e r s w i t ha n o a h o g o n a le x p e r i m e n t m e t h o d t h eo p t i m i z e d p a r a m e t e r sa r em = 1 5 0 ，p r = 0 15 ，p c = 0 6 ，p r o = 0 0 2 ，d m = 1 8 ( 3 ) a l lt h ee r r o r so ff o r e c a s t i n gr e s u l t sa r el o w e rt h a n5 an e w r o u t et op r e d i c tt h eq u a l i t yo fs l i v e rh a sb e e ne x p l o r e da n di ti sc o n c l u d e d t h a tg e n e t i cp r o g r a m m i n gw i l lb ew i d e l ya p p l i e di nt e x t i l ef i e l d s ( 4 ) m a k i n gu s eo ft h el i n e a r r e l a t i o n sb e t w e e nd r a f t i n gf o r c ea n d s t r a i np l a t e ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dad r a f t i n gf o r c et e s t e r , w h i c hi su s e dt o t e s tt h ea c c u r a t ev a l u eo fd r a f t i n gf o r c e ( 5 ) r a y o ni su s e da st h et e s tm a t e r i a lt om e a s u r ed r a f t i n gf o r c ei nt h e d r a f tz o n e f o rt h er e l a t i o n s h i po fd r a f t i n gf o r c ea n dq u a l i t yo fs l i v e r , c u r v e sb e t w e e nt h e ma r ed r a w n t h ec o r r e l a t i o no ft h e mi sn o ts i g n i f i c a n t t h i sp h e n o m e n o nc a nb ee x p l a i n e dt h a td r a f t i n gf o r c ei s n 。tt h eo n l yf a c t o r f o rt h eq u a l i t yo fs l i v e r ( 6 ) t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd r a f t i n gp a r a m e t e r s ( s u c ha sd r a f t i n g r a t i o ，r o l l e rg a u g e ，f r o n tr o l l e rs p e e d ，a n dr o l l e rp r e s s u r e ) a n dd r a f t i n g f o r c ea r ed i s c u s s e d t h ed r a f t i n gf o r c ec u r v e sr e v e a ls o m ed i f f e r e n c e s b e t w e e nt h e ma n dd r a f t i n gf o r c ei ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yd r a f t i n g p a r a m e t e r s r e g r e s s i o ne q u a t i o n sb e t w e e nd r a f t i n g f o r c ea n dd r a f t i n g p a r a m e t e r sa r eg i v e n j i a n g x i a o y i ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yw a n g j u n k e yw o r d s ：d o u b l i n ga n dd r a f t i n g ，g e n e t i cp r o g r a m m i n g ，s l i v e rq u a l i t y f o r e c a s t i n g ，d r a f t i n gf o r c e ，s e n s o r 圆 之：少 i；_ 第一章前言。 目录 1 1 控制并条工序条子质量的意义1 1 2 并条机新技术2 1 3 有关牵伸理论以及牵伸力的研究3 i 4 本课题的研究内容与意义6 1 5 文章组织架构8 第二章遗传规划算法 9 2 1 遗传规划算法概述9 2 2 遗传规划的基本原理1 0 2 3 遗传规划算法的研究现状。1 7 2 4 m a t l a b 简介及相关函数说明1 8 2 5 本章小结2 0 第三章条子并合试验及结果分析 。2 l 3 1 并条工序概述。2 i 3 2 部分名词以及测试指标释义2 2 3 3 不同参数下的并条试验2 3 3 4 本章小结。2 8 第四章基于遗传规划算法的条子质量预报 3 1 4 1 遗传规划算法的先进性3 i 4 2 方案流程3 2 4 3 个体的表达和初始种群3 3 4 4 适应度函数。3 4 4 5 基本算子3 5 4 61 吏用正交试验优化遗传规划参数。3 6 4 7 条干c v 值预测及结果分析3 9 4 8 本章小结。4 l 第五章并条机牵伸力检测装置 5 1 牵伸力测量的研究背景。4 3 5 2 牵伸力测试装置的结构4 5 5 3 装置设计原理。4 6 5 4 称重传感器和测量显示控制仪4 7 5 5 计算机和五位仪表通讯软件5 l 5 6 具体操作步骤5 3 5 7 应用实例5 3 5 8 本章小结5 4 第六章牵伸力测试结果及数据分析 5 7 6 1 牵伸力与条子质量关系。5 7 6 2 牵伸力与牵伸倍数关系5 9 6 3 牵伸力与前区隔距之间的关系6 2 6 4 牵伸力与喂入定量的关系。6 2 6 5 本章小结6 3 第七章结论与展望 7 1 结论6 5 7 2 存在的问题。6 6 7 3 展望6 7 附录一 附录二 附录三 攻读学位期间发表的学术论文 致谢 7 3 7 5 7 7 8 l 8 3 第一章前言 本章从叙述并条工序的目的和任务入手，分析控制并条丁序条子质量的意 义。然后介绍国内外新型并蔡机的最新技术。接着通过回顾历史上对纺纱牵仲理 论以及牵伸力理论的研究，说明牵伸理论对生产实践指导的重要意义。在详细阐 述本课题的研究内容与研究意义之后，对本论文的组织架构及各章内容作了简要 的介绍。 1 1 控制并条工序条子质量的意义 1 1 1 并条工序的目的和任务 纤维材料经梳理后，制得的生条长片段不匀率较大，且纤维伸直度较差，大 部分纤维都呈弯钩或卷曲状态，并有部分小纤维束存在。精梳条虽然纤维的伸直 度较好，但条干均匀度较差，若直接经粗纱后纺纱，必然影响成纱质量。因此， 它们都必须先经过并条工序的加工。 。 并条工序的目的和主要任务是： ( 一) 并合 利用纤维条之间的并合作用，降低生条的中片段不匀率。 ( 二) 牵伸 利用罗拉牵伸改善纤维的伸直平行度及分离度。 ( 三) 混合 利用并合和牵伸，使生条中各种不同形状的纤维得到充分的混合。 ( 四) 成条 制成条干均匀的条子( 熟条) ，并将其有规律的圈放在条筒内，供后道工序 使用。 1 1 2 并条工序的重要性 基本的纺纱工艺流程为：初加工、梳理前准备工序、梳理工序、精梳工序、 并条( 针梳) 工序、粗纱工序、细纱工序、后加工。并条在纺纱生产工艺流程中 处于承上启下的中间环节。并条的最终产品- 条子( 熟条) 作为重要的半成品， 其质量对后道工序的影响非常大。高速、高效、机电一体化后，并条工序的机台 配置更少( 如纺细支纱万锭仅需配置2 台) ，并条机一旦停台，对后道连续生产 的影响面广量大。同时并条条子质量奠定了细纱质量的基础，决定了细纱重量不 匀率和重量偏差的水平，后道工序很难有根本性的弥补，机台数量很少的并条工 序在整个纺纱工艺流程中属承上肩下的瓶颈工序。再者，并条的投资约占整个纺 并条牵仲系统预报模犁的研究 部投资的4 ，其投资在整个纺部经济效益中能明显得到体现f 2 1 。 1 2 并条机新技术 1 2 1 国外并条机新技术 ( 一) 伺服传动系统 采用伺服传动系统，取消了众多齿轮，在二三罗拉间仅需要几个齿轮，形成 较彻底的无间隙传动。在牵伸倍数调整上，只需要通过牵伸指令器键入牵伸罗拉 间的线速差，即可精确、便捷地完成工艺参数的调整，节省了时间，降低了成本。 ( 二) 高精度传感器 新型高速并条机都配有粗节检测系统。德国特吕茨勒公司h s r l 0 0 0 型并条 机装有高精度机械弹簧负荷扫描系统“s l i v e rf o c u s ，这种监控系统反应灵刨引。 特有的“t r u e t z s c h l r 自调匀整监控系统，它是利用弹簧片式的传感系统， 测量喂入条子的粗细，经过电脑数据分析来控制伺服电机调节中后罗拉的转速， 改变牵伸区的牵伸倍数起到匀整作用。这种弹簧片表面光滑、耐磨损、耐高温、 质量轻、灵敏度蒯引。 ( 三) 专家系统 瑞士立达公司的r s b d 3 5 并条机配有专家系统( s l i v e rp r o f e s s i o n a l ) 。可提 供独立于机器之外的软件支持，在输入原料数据和条子克重之后，该程序会产生 一整套并条机工艺设置的建议。这样做的优点是可以在原料更换时，缩短工艺调 整的时间；分析波谱图上的周期性疵点，分析波谱牵伸波并提出消除牵伸波的建 议，所有分析结论及文本数据可存储或打印。 1 2 2 国产并条机的技术进步 ( 一) 机械制造技术 近年来，国内并条机的设计制造水平有了较大的提高，主要体现在并条机的 一些关键部件，如改善和提高了圈条盘机构的设计制造技术和加工精度。对主要 牵伸元件从材质、规格、加工工艺、表面处理、制造质量、运转要求等多方面进 行改进和提高。改进了牵伸罗拉的材质，提高了其韧性和刚度，增强抗扭、抗弯 能力。采用螺旋沟槽，提高表面硬度、光洁度，握持纤维可靠而不打滑，使用寿 命长，并且提高了对罗拉偏心度的要求。另外，适当加大罗拉轴径，选用较大的 滚针轴承、防磨轴承，以适应更高的出条速度；牵伸胶辊提高了芯轴的韧性与刚 度，高速时能降低胶辊表面温度，以适应更高的出条速度。 ( - - ) 电子应用技术 现代新型并条机应用了各种电子技术，使其技术档次不断提升。如广泛应用 自动控制技术，自动清洁、自动换筒、满简自动断条、自动检测等；积极引用 p l c ( 可编程序控制器) 控制技术，利用可编程逻辑线路的合理布控，在增加机 第一章前占 器运转稳定性的同时，使机器结构更加简化、合理；设置了液晶显示触摸屏t 生 产工艺、管理数据记录、故障显示等都可以通过人机对话界面米完成。 ( 三) 传动技术 现代并条机大都采用先进合理的传动系统，较好地满足了并条机不断提高出 条速度的需要。如大量采用同步齿形带传动，传动级数少，噪音低，承受载荷能 力强，平稳性好，几乎可以实现无间隙传动。调换变换齿轮快捷方便，同时在频 繁开关车时，因传动元件间的软接触，惯性冲量小，损耗小：实现伺服电机与变 频电机相结合的多电机传动，变频电机可实现软启动，启动转矩不太大，特别适 合开关车较频繁的并条机，其平稳启动可避免牵伸罗拉转动时差可能造成的细 节，并消除频繁开关车引起的故障，变频调速控制系统可高精度高速运行，不用 变换齿轮，调速方便，且比较经济。 ( 四) 密封技术 在高速并条机上，前罗拉速度往往高达8 0 0 0 d m i n 以上，甚至达到 1 0 0 0 0 r m i n ，且加大了钳口压力，在高速重压下成倍的运转负荷，都由罗拉两端 的滚针轴承承受。为使设备长期在良好的润滑条件下运转，完善的密封技术非常 必要。沈阳纺织机械集团有限公司的f a 3 2 9 型并条机采用的是唇式密封套，据 资料介绍，能适应1 0 m s 1 5 m s 线速度的运动。陕西宝成新型纺织机械有限公 司的f a 3 2 2 型并条机，则采用的是迷宫式密封。该并条机在罗拉轴头两端设有 凹凸槽，与轴承座的凸凹槽形成迷宫，罗拉高速回转时，带起油膜封闭了间隙很 小的迷宫通路，阻止了细小尘绒的侵入p j 。 ( 五) 环保技术 环保技术的提高主要表现在清洁滤尘系统的改进与噪声的降低。加大了清洁 牵伸区中上下罗拉风机的风量、风压：有些机型专门配置了滤尘箱，为设备气流 的循环提供了较好的条件。以下三方面的改进有利于并条机高速后噪声的降低。 一是随着电子化程度的提高，许多硬性接触的传动元件、控制元件被无接触的电 子元件代替。二是大量齿轮型带的应用，消除了金属间直接撞击的噪声。三是各 传动和回转元件制造精度的提高，减少了累积间隙产牛的冲击力i i z j 。 由上可见，国内并条机在技术的发展目前仍落后于国外先进机型。外国的大 多数并条机先进机型都配有专家系统，这是并条机未来的发展趋势。本课题的最 终目的就是实现此类专家系统的部分功能，推动国内- 并条机技术的发展。 1 3 有关牵伸理论以及牵伸力的研究 1 3 1 历史状况 纺纱牵伸理论的研究自h a 瓦西里耶夫1 9 1 5 年导出第1 个牵伸方程以来， 至今已过9 0 年。这期问，国外众多学者采用不同方法，进行了更深入的研究： 井条牵仲系统预报模型的研究 或对牵伸区中条子截面纤维端头密度分布进行数理分析；或从纤维相对位移出 发，探讨牵伸区中纤维的运动规律；或以运动力学为基础，描绘牵伸区中，受前 后罗拉控制的纤维的运动形态。5 0 年代，m a r g a r e t th a n n a h 用力学观点导出了罗 拉牵伸方程1 5 】，此后的研究中，人们多以相近的力学方法探讨牵伸工艺。还有人 进行了一些专门性的试验研究，以探讨纤维在牵伸区的运动规律以及牵伸力的变 化规律【6 1 。但时至今日，牵伸理论对纺纱生产实践的指导还仪停留在定性分析上， 尚不能提供更具体的指导原则。 1 3 2 部分专家学者对牵伸理论提出新的见解 天津第六棉纺厂的吕恒正在他的文章17 j 中就牵伸理论存在的盲点进行了分 析，并对此提出了自己的解决办法。他认为：在并条工序中，因需处理纤维排列 杂乱且有弯钩，所以长片段不匀率较高，不同成分纤维混合后的生条混合不匀， 因此，一要竭力消除或减少锡林道夫间纤维转移时产生的弯钩；二要改善生条的 支数不匀；三要提高不同成分纤维的混合均匀程度。其中二、三两项有实施多根 并合的要求。并条机实行的是并合牵伸，其目的是改善条子的内部结构( 提高条 子中纤维的伸直度、平行度和分离度) ，长、短片段均匀度和不同成分纤维的混 合均匀度，而其关键是消除或减少纤维的弯钩数，并匹配好并合数与牵伸倍数。 国立台湾科技大学( n a t i o n a lt a i w a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 高分子工程系( d e p a r t m e n to fp o l y m e re n g i n e e r i n g ) 的苏清渊副教授在其论文i 驯 中使用聚丙烯为原料对牵伸的影响因素进行研究。通过对原料品质长度、牵伸力、 隔距、后区牵伸倍数等因素间相互关系的研究，他认为牵伸倍数是对牵伸过程主 要影响最重要的因素。 在国内各种纺织类期刊、杂志上，有关并条机工艺参数如何配置的讨论屡见 不鲜，对各种并条机针对不同原料的工艺参数选优试验从未停止过。这说明了并 条工序对整个纺纱过程影响的重要程度 1 3 3 选择并条机作为研究牵伸理论的平台 将条子拉长变细的过程称为牵伸。牵伸不仅能使条子单位长度的重量变轻， 还能使条子中纤维伸直平行。牵伸的这些基本作用是通过条子中纤维与纤维间产 生相对位移，使纤维分布在更长的片段上而达到的1 9 1 。用以实现牵伸的装置称为 牵伸装置，目前应用最广泛的牵伸装置是由罗拉组成，每对罗拉组成一个有力的 钳口，两对罗拉有一定的距离，罗拉要连续不断的回转，且速度有差异。组成慢 速钳口的一对罗拉称为后罗拉，组成快速钳口的一对罗拉称为前罗拉，前、后罗 拉钳口之间组成牵伸区，两者之间的距离称为隔距。 纺纱工程各上序都有牵伸，但一般常指罗拉牵伸，即并、粗、细3 个工序。 在租纱工序中，因为需要处理的纤维已经伸直、平行，分散度较高，不同成分纤 维的混合较好，并且是长、短片段已经改善了的熟条，无并合作用，只是单根拉 细。按传统工序( 梳棉、租纱间2 道并条工序) ，输入租纱的熟条仍有小部分残 圆 ：少 第一章前富 余纤维呈前弯钩，故其总牵伸倍数常受限制。在细纱工序，处理的是内部结构较 好、略具捻回的粗纱，其中还残存小部分呈后弯钩的纤维( 前弯钩几近完全消除) ， 存在高倍大牵伸的条件。其牵伸区中条子截面纤维数较之并条已经大大减少，纤 维间的摩擦力、抱合力的相互影响也大大降低，故牵伸区中纤维的运动，受牵伸 元件的灵敏、准确控制程度的影响较大【7 1 。综上原因，本课题选择在并条机上进 行牵伸试验，并以并条机作为牵伸力检测方法的研究平台。 1 3 4 有关牵伸力的研究 ( 一) 文献【8 j 中给出了牵伸力的表达式： 卜一乏聃，意格出m 。) 厶纤维最大长度； r 牵伸力； 尺前罗拉隔距； r ( 工) 摩擦力界分布； k ( x ) 慢速纤维分布； k ( x ) 二快速纤维分布。 由上式可知，牵伸力的大小与牵伸区内条子的摩擦力界分布，纤维数量的分 布，纤维长度分布和罗拉钳口握持距都有密切关系。并条机牵伸过程中的牵伸力， 除以上因素，还与牵伸倍数、出条速度等有关。即：( a ) 随着k ( x ) 变小，也就 是牵伸倍数增大，则牵伸力越小：( b ) 随着k ( 工) 的增大，牵伸力增大；( c ) 随着纤维间摩擦系数p 的增大，牵伸力增大；( d ) 随着纤维长度的变化，牵伸力 亦不同，纤维长度越长，所需的牵伸力也越大【m l 。 ，、 z v 穴 量 斟 图卜i 喂入条子线密度不变时牵伸力与牵伸倍数的关系 牵仲倍数与牵伸力的关系如图1 i 和图1 2 所示。 圆 ；：少 并条牵仲系统预报模型的研究 ，、 z 、- ， r 垂 甘 晕1 申倍数 图i - 2 输出定量不变时牵伸力与牵伸倍数的关系 ( 二) 影响牵伸力的因素有：牵伸倍数、摩擦力界、纤维性能等。 摩擦力界：牵伸区中摩擦力界分布对牵伸力的大小有很大影响，包括罗拉隔 距、牵伸区中附加摩擦力界的分布以及喂入条子的宽度、厚度等l 。 当罗拉隔距变化时，牵伸力变化曲线如图1 3 所示。 、 z 、一， r 垂 莳 隔距_ j c m 图1 3 隔距与牵伸力的关系 喂入条子厚度和宽度的改变，对牵伸力亦有影响，但影响摩擦力界扩展的主 要因素是厚度，所以，喂入条子负荷增加时，摩擦力界分布长度扩展，牵伸力变 大。牵伸区中带有附加摩擦力界时，牵伸力增大。 若喂入条孑条干结构不匀，会引起牵伸力的波动，而牵伸力的波动又导致牵 伸条子的变形，使纺出来的条子条干恶化。条子的喂入方式不同，牵伸力大小也 不同，两根同样线密度的条子，上下重叠喂入比平行喂入时牵仲力大l i z ，”j 。 1 4 本课题的研究内容与意义 i 4 1 课题的研究内容 在并条机上进行若干组条子并合试验，记录各组试验中相关参数并对试验产 品即条子的质量指标进行检测。利用m a t l a b 软件，使用遗传规划算法编写脚 固 ；：， 第一章前茸 本，将所得到数据输入脚本进行分析，得到预测公式，并将预测结果与实测结果 进行比较，得到的结果并加以分析。在进行并条试验的同时，使用牵伸力测量装 置对并条过程中的牵伸力进行测量，分析牵伸力与并条机各项参数之间的关系， 分析牵伸力与条子质量之间的内在联系。 具体研究内容为： ( 一) 研究对牵伸效果产生影响的各种因素 通过对所查资料的学习，总结出前人的研究成果中对牵伸效果产生影响的因 素，对各种因素进行分析。提出自己的看法，分析资料中的影响因素在实际生产 中，是否可以调节，是否对产品成本有影响，是否会加速机器老化。并将有用的 信息列为编程的条件或者作为程序中调节的手段，以备编程所需【悼1 6 j 。 ( 二) 了解遗传规划基本概念掌握其使用方法 查阅相关书籍，简单了解遗传规划的主要内容，理解遗传规划的基本原理， 掌握遗传规划的基本使用方法，能够利用一些编程软件实现对遗传规划理论的语 言化，将文字原理用软件编程实现。 ( 三) 使用遗传算法预测并条机条子质量 在掌握遗传规划这种算法的前提下，使用m a t l a b 软件编写相应的脚本文 件，使用试验得到的各种参数预测并条机条子质量，对预测结果进行分析。现实 并条机条子质骨= 的离线控制，为下一。步并条机条子质量在线控制的研究打下坚实 基础。 ( 四) 牵伸力的研究 牵伸区中把以前罗拉速度运动的全部快速纤维，从以后罗拉速度运动的慢速 纤维中抽引出来，克服摩擦力总和所用的力称为牵伸力( d r a f t i n gf o r c e ) 。从文献 综述所查阅的资料中发现，影响牵伸效果的大部分因素都与牵伸力有关。若能仔 细研究牵伸力，会对研究影响牵伸效果有所帮助，并且可以将牵伸力作为各种因 素与牵伸效果之间桥梁，找出它们之间内在的关系。2 二 这部分的研究内容就是要对牵伸力及其影响因素觑行研究。通过自制的牵伸 力测试装置，研究牵伸力与产品质景、并条机各参数之间的内在联系。 综上所述，本课题主要从前人的研究成果出发，通过找出在牵伸过程中对牵 伸效果产生影响的因素，以遗传规划为研究工具，分析出在对牵伸效果产生影响 的各因素中，每种因素的重要程度。实际生产中，在更换原料时使用本课题的软 件脚本，给出新原料在各种不同参数配置下并合结果的预测值，为新原料生产时 机器参数的选择提供重要的依据。 1 4 2 课题的意义 并条工序在整个纺纱工艺流程中起到承前启后的作用，一方面提高纤维的平 行伸直度，另一方面是对条子的均匀作用。并条的均匀作用不仅体现在纤维的混 并条牵仲系统预撒 ! ；! 型的研究 合均匀上，还体现在条子长短片断质量的均匀上，其均匀作用是明显的，但与理 想状态的效果仍有较大差距，即并条机的附加不匀率大。 本课题的研究意义在于： ( 一) 目前大多数国外先进并条机机型都装有类似的专家系统，对于不同的 原料和不i 司的产品，专家系统可以自动调节相应的并条机工作参数。而周内机型 在这方面发展较为缓慢，本论文利用遗传规划理论，模拟出专家系统的部分功能， 为国内机型的发展提供了一条新的途径。 ( 二) 多年以来对牵伸力的研究还停留在理论阶段，即使有关测量牵伸力的 测量也都停留在试验室的阶段。这些专家学者或是自己开发新的牵伸机构模拟实 际生产中的牵伸装置，或是将现有生产中的牵伸部件做了较大调整，自然所得到 的研究结果与实际生产存在较大差异。本论文以并条机为基础，通过在它上面安 装相应的传感器，在未改变牵伸机构的基础上；对并条机正常生产时的牵伸力进 行测量，分析牵伸力与产品质量和机器参数之间的关系，为下一步研究，即并条 机产品质量的在线智能化控制打下基础。 ( 三) 遗传规划作为一种新型的搜索寻优方法，在建筑结构、飞机设计、电 网管理、通信网络、路径规划等行业的结构性优化问题中得到了很好的应用。通 过本论文的研究，把这一方法在纺织行业进行推广应用，使纺织工业与先进技术 结合更加紧密【1 7 。2 3 1 。 1 5 文章组织架构 本文由以下几部分组成： 第一章概述本课题相关理论的背景和研究内容。 第二章从不同方面详细介绍遗传规划理论。 第三章在并条机上，进行若干组的并条试验，积累大量的试验参数和条子 质量的数据，总结分析各参数对条子质量的影响。 第四章基于第三章的试验数据，通过遗传规划操作，建立预报模型，完成 对并条机条子质量的预报。 第五章利用称重传感器，制作在线检测牵伸力装置，记录即时牵伸力数据， 比对条子质量，分析内在联系。 第六章测量牵伸力，研究牵伸力与条子质量之间关系，牵伸力与牵伸倍数、 前罗拉速度、条子喂入量等因素之间的内在联系。 第七章总结全文，并对后续课题的研究，提出见解。 第二章遗传规划算法 在本章中，首先对遗传规划的基本原理进行了概述。然后从个体的表示方法、 初始群体的生成、适应性度量、基本算子( 复制、交叉、变异) 、终止准则、结 果标定等方面深入浅出的对遗传规划算法的原理进行了详细描述。在对遗传规划 的研究方向和研究现状进行展望之后，给出了m a t l a b 下实现遗传规划算法核 心部分的代码。最后对全章的内容进行了总结。 2 1 遗传规划算法概述 遗传规划是一种新型的搜索寻优方法。它仿效生物界中进化和遗传的过程， 遵从“优胜劣汰，适者生存”的原则，从一组随机生成的初始可行解开始，通过 选择、复制、交叉及突变等遗传操作，逐步迭代而逼近问题的最优解。 1 9 8 9 年美国斯坦佛大学的j r k o z a 首次提出遗传规划的概念，用层次化的 计算机程序代替遗传算法中的字符串表达问题。1 9 9 2 年和1 9 9 4 年他又先后出版 专著遗传规划应用自然法则计算机程序设计( g e n e t i cp r o g r a m m i n g ，o nt h e p r o g r a m m i n go fc o m p u t e r sb ym e a n so fn a t u r a ls e l e c t i o n ) 和遗传规划可重 用程序的自动发现( g e n e t i cp r o g r a m m i n gi i ，a u t o m a t i cd i s c o v e r yo fr e u s a b l e p r o g r a m s ) ，全面介绍了遗传规划的原理及应用实例，表明遗传规划作为一种新 技术己经形成，k o z a 因此被视为遗传规划的奠基人。遗传规划的求解过程是一 个在适应度指导下的自适应的非线性搜索过程，其实质是用广义的层次化计算机 程序描述问题。这种广义的计算机程序能够根据环境状况动态地改变其结构和大 小，在工程中具有广泛的代表性，已经应用于建筑结构、飞机设计、电网管理、 通信网络、路径规划等结构性优化问题。 在遗传规划中，解决问题的过程就是在许多可行的计算机程序组成的解空间 中，寻找出一个具有最佳适应度的计算机程序。这种算法具有自适应性、求解动 态性、编程通用性、空间搜索性等特点。 应用遗传规划算法的一般步骤为： ( 一) 依据一定的方式( 一般采用随机方法) 生成一定规模的初始种群，其 中每个个体都包括函数和变量集合的随机组合； ( 二) 通过适应度函数，评估种群中的每个个体解决目标问题的能力，然后 将适应度赋予对应的个体； ( 三) 依据个体的适应度值的比例从当前代中选择个体，使得适应度较高的 个体有较高的概率参与下一代个体的生成，即优势基因得到保留： 并条牵仲系统预报模型的研究 ( 四) 依据交叉概率，从一个个体中随机选择一个树枝替换从另一个个体中 随机选择的树枝。一旦选择和根据给定交叉概率进行的交叉操作执行完毕( 如果 有其他辅助算子参与的活，同时对辅助算子进行操作。) ： ( 五) 遗传算子操作执行完毕，形成新的个体种群； ( 六) 如果满足设定条件，则算法结束运行。否则，跳转到步骤( 二) ，迭 代进行至满足设定的条件( 例如：指定的代数等) 为止。 ，遗传规划算法提出了一种灵活的表示方式用分层结构来表示解空间，其 实质是用广义的层次化计算机程序描述问题( 这种广义的计算机程序能根据环境 状况动态改变其结构和大小) 。 这些分层结构的叶结点是问题的原始变量，枝结点则是组合这些变量的函数 ( 如s i n ，c o $ ，e x p ，l o g ，a n d ，o r ，n o t 等) 。它们很类似于l i s p 语言中的 s 表达式。这样的每个分层结构对应问题的一个解，也可以理解为求解该问题的 一个计算机程序。遗传规划算法是使用一些遗传操作动态地改变这些结构以获得 解决该问题的可行的计算机程序。 由于遗传规划算法采用一种更自然的表示方法，使得它应用领域非常广，特 别在工程中具有广泛的代表性，因为很多工程问题可以归结为对特定输出的计算 机程序。 遗传规划算法求解问题的总体特征如下： ( 一) 个体表示具有层次化的特点，易于理解，也易于对问题进行表述。 ( 二) 个体表示是问题的自然描述，无需或少需对输入数据的预处理和对输 出结果的后处理，降低了问题处理的复杂性。 ( 三) 不需事先确定或限制最终答案的结构或大小，遗传规划算法将根据环 境自动确定。这样，增大了搜索空间，最终导致找到