Echtzeitfähige Modellprädiktive Regelung des Schusseintrags beim Luftdüsenweben

• Real-time model predictive control of weft insertion during air-jet weaving

Wu, Tong; Abel, Dirk (Thesis advisor); Trimpe, Johann Sebastian (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Die Effizienz von Luftdüsenwebmaschinen und die Qualität der hergestellten Gewebeprodukte hängen stark von den Einstellungen der Maschinensteuerung ab. Dabei stellt das stochastische Flugverhalten des Schussfadens eine große Herausforderung dar. Eine Regelung des Schusseintrags, welche auf schussindividuelles Verhalten reagiert, birgt großes Verbesserungspotenzial des Luftdüsenwebprozesses. Hinsichtlich seines maßgeblichen Einflusses auf die Gewebequalität kann der Bremsvorgang mittels einer hochdynamischen Fadenbremse optimiert werden. Die vorliegende Arbeit fokussiert sich daher auf eine gesamtheitliche Untersuchung eines Regelungssystems während des Abbremsens beim Luftdüsenweben. Die modellprädiktive Regelung ermöglicht neben der Bestimmung der optimalen Stellgrößentrajektorie die explizite Berücksichtigung von Nebenbedingungen und kann somit den Abfall der Fadenspannung sowie eine Rückwärtsbewegung der Fadenspitze beim Abbremsen vermeiden. Angesichts der schnellen Dynamik während des Bremsvorgangs gilt es, die Echtzeitfähigkeit des Regelungssystems sicherzustellen. Zunächst wird ein echtzeitfähiges Prozessmodell entwickelt, das die relevanten physikalischen Zusammenhänge während des Abbremsens beschreibt. Dazu werden sowohl die konzentriert-parametrische als auch die verteilt-parametrische Modellierung des Schussfadens unter Einbeziehung der aerodynamischen Kräfte und der Bremskraft untersucht. Mithilfe jeweils geeigneter Modellreduktionsverfahren wird je ein Prozessmodell für den Einsatz in der Regelung aufgestellt. Um den Regelkreis schließen zu können, wird die aktuelle Position der Fadenspitze als Messgröße benötigt. Diese wird mittels eines kamerabasierten Messsystems, bestehend aus zwei Hochgeschwindigkeitskameras und einer echtzeitfähigen Bildverarbeitung, ermittelt. Eine automatische Anpassung der Parameter in der Bildverarbeitung ermöglicht zusätzlich eine robuste Anwendung. Abschließend werden echtzeitfähige modellprädiktive Regler auf Grundlage der beiden Prozessmodelle entwickelt und im geschlossenen Regelkreis evaluiert. Zusätzlich zu den echtzeitfähigen Reglern bieten eine explizite modellprädiktive Regelung und eine approximierte modellprädiktive Regelung unter Verwendung maschinellen Lernens das Potenzial, eine vergleichbare Regelqualität bei reduzierter Rechenzeit zu gewährleisten. Die Validierung an einer Luftdüsenwebmaschine beweist, dass die vorgestellten Regelungsansätze die Geschwindigkeit der Fadenspitze echtzeitfähig und ohne Rückwärtsbewegungen regeln können. Auf diese Weise kann die Gleichmäßigkeit der Schusseinträge erhöht werden, was weiteres Potenzial zur Vermeidung von Maschinenstillständen bietet.