автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка методов анализа и расчета динамических режимов управляемых электротехнических систем технологического оборудования

На правах рукописи

СЕРЯКОВ ИЛЬЯ НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

Специальность: 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (легкая промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5.ДПР Ш

иизО20092

Москва - 2012

005020092

На нравах рукописи

СЕРЯКОВ ИЛЬЯ НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

Специальность: 05.13.06-«Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (легкая промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

Работа выполнена на кафедре электротехники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Поляков Анатолий Евгеньевич

Официальные оппоненты: Севостьянов Петр Алексеевич

доктор технических наук, профессор федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина» зав. кафедрой информационных технологий и систем автоматизированного проектирования

Никоноров Павел Васильевич кандидат технических наук руководитель опытного производства ОАО «Центральный научно-исследовательский текстильный институт»

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский

институт технологической оснастки текстильного оборудования ОАО «ЦНИИМашдеталь»

Защита состоится «_//» лк/хял 2012 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212^139.03 при Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина» по адресу: ул. Малая Калужская, д. 1, Москва, 119071

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

Автореферат разослан «/£%>2012 г.

Ученый секретар диссертационног д.т.н., профессор

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.139.03

д.т.н.. профессор ■ / Фйрсов Андрей Валентинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение эффективности текстильных производств и производств нетканых материалов требует разработки научно-обоснованных методов выбора оптимальных параметров технологических процессов и скоростных режимов узлов и механизмов, учитывающих показатели качества сырья и готовой продукции и разработки на их основе современных автоматизированных управляемых электротехнических комплексов.

До настоящего времени недостаточно полно исследованы процессы и механизмы формования, транспортирования и наматывания волокнистых материалов. Не выявлено в должной мере влияние физико-механических свойств химических волокон и нитей на процесс холстообразования нетканых материалов, недостаточно изучены динамические свойства основных звеньев электромеханических систем указанного оборудования, не разработаны научно-обоснованные критерии и методы оптимизации скоростных режимов сложных электротехнических комплексов. Не сформулированы в полной мере требования к многодвигательному электроприводу, не выявлена их оптимальная структура, не разработано в достаточной степени устройств и систем, обеспечивающих оптимальное управление и энергосберегающие режимы. Недостаточно исследованы процессы в зонах формования, вытягивания, транспортирования и наматывания и влияние на них рабочих органов, непосредственно управляемых регулируемым электроприводом.

Учитывая, что многие из перечисленных вопросов недостаточно полно изучены или совсем не рассмотрены в научных трудах, их решение представляет теоретический и практический интерес. Можно считать разработку и исследование методов анализа и расчета динамических режимов сложных управляемых систем технологического оборудования на базе современных комплектных энергосберегающих электроприводов постоянного и переменного тока с микропроцессорным управлением и оптимизацию скоростных режимов рабочих органов узлов формования, транспортирования и наматывания волокнистого материала перспективной задачей.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка методов расчета и повышения эффективности сложных динамических объектов для производства нетканых материалов за счет управления и оптимизации скоростных режимов рабочих органов электромеханических систем с наматывающими и транспортирующими механизмами.

Для достижения поставленной цели решены следующие научные и технические задачи:

1. Разработаны основные принципы построения и исследования сложных динамических объектов с многодвигательным электроприводом.

2. Осуществлена постановка задач исследования процессов формирования, холстообразования и наматывания нетканых материалов на агрегате ЯекоШ.

3. Установлена взаимосвязь технологических параметров с энергетическими характеристиками в частности, со скоростными режимами оборудования с целью повышения производительности, рационального использования электроэнергии, улучшения качественных показателей конечного продукта путем совершенствования электромеханических систем и режимов обработки волокнистых материалов.

4. Предложены алгоритмы управления скоростными режимами исследуемых электромеханических систем с транспортирующими и наматывающими механизмами.

5. Предложены научные методы повышения эффективности и расчета электромеханических систем.

6. Разработаны научные положения метода выбора, анализа и расчета энерготехнологических режимов управляемых электромеханических систем и соответствующие технические решения энергосберегающего управления и их реализация в лабораторных условиях.

На защиту выносятся:

1. Концепция построения структуры и исследования управляемых электротехнических комплексов сложных динамических объектов с транспортирующими и наматывающими механизмами.

2. Модернизированный способ автоматического управления сложной электромеханической системой для производства нетканых материалов на агрегате 11екой1.

3. Метод электромеханических аналогий для характеристики физико-механических свойств нетканых материалов.

4. Метод выбора и расчета качественных показателей системы автоматического регулирования (САР) и рациональных скоростных режимов узлов и механизмов управляемого комплекса производства химических нитей и нетканых материалов.

5. Алгоритмы управления, функциональные и структурные схемные решения системы автоматического управления сложным динамическим объектом.

6. Технические решения системы управления скоростными режимами агрегата ЯекоШ на базе современных электроприводов с микропроцессорным управлением.

7. Элементы технологии нейронных сетей для разработки и исследования управляемого электротехнического комплекса приемно-наматывающего устройства агрегата 11еюоШ.

Методы исследования. В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. Теоретические исследования основывались на классических методах теории автоматического управления, теории автоматизированного электропривода, современной технологии нейронных сетей. При построении математических моделей процес-

сов применялись методы экспериментальной идентификации технологических параметров с использованием аппроксимирующих уравнений.

Моделирование и обработка данных исследований, расчеты при анализе и синтезе систем управления производились с использованием современных информационных и компьютерных технологий.

Расчёты проводились по стандартным и разработанным автором программам математической среды Matlab. Графическая обработка результатов выполнена в MS Excel с использованием VBA-макросов и стандартных средств Windows 7.

Научная новнзиа работы заключается в следующем:

1. Предложена и реализована структура разработки и исследования электромеханических систем оборудования с транспортирующими и наматывающими механизмами.

2. Получено математическое описание динамики электромеханической системы с транспортирующими и наматывающими механизмами с учетом физико-механических свойств волокнистого продукта, гибких деформируемых связей, упругих механических звеньев кинематических передач и электромагнитных процессов в электроприводах.

3. Дано научное обоснование принципам построения функциональных и структурных схем систем автоматического регулирования и управления электроприводами постоянного и переменного тока, обеспечивающих энергосберегающие режимы эксплуатации.

4. Разработан метод расчета и проектирования сложных электромеханических комплексов, обеспечивающий программное управление многодвигательным электроприводом, соответствующее заданным нормам потребления электроэнергии, сырья и качества продукции.

5. Путем экспериментальной идентификации получена уточненная математическая модель зоны формирования и наматывания нетканого материала.

6. Разработан принцип управления многомерным процессом формования, вытягивания, транспортирования и наматывания волокнистого продукта, обеспечивающий адаптацию к изменению параметров объекта управления и инвариантность по отношению к гармоническому возмущающему воздействию, возникающему вследствие колебаний питающего напряжения, меняющихся линейной плотности продукта и параметров электромеханической системы в процессе интенсивной эксплуатации, вызывающих повышенный расход материальных и энергетических ресурсов.

7. Проведена параметрическая оптимизация процесса транспортирования и наматывания волокнистого материала методом случайного поиска.

8. Разработаны функциональная и структурная схемы компьютерной системы управления агрегатом Reicofil производства химических нитей и нетканых материалов.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций.

содержащихся в диссертации, основана на удовлетворительном совпадении

аналитических и численных расчетов с результатами эксперимента, на использовании информационных технологий и современных методов и средств проведения исследований. Широко использовались методы лабораторных испытаний и моделирования.

Практическая ценность работы. Предложенные в работе алгоритмы управления и схемные решения использованы при разработке компьютерной системы автоматического управления процессами формования, вытягивания, транспортирования и наматывания волокнистых материалов на агрегате КеюоШ. Разработан модернизированный способ автоматического управления сложной электромеханической системой производства нетканых материалов на базе комплектных электроприводов постоянного и переменного тока с микропроцессорным управлением, обеспечивающий синхронизацию частот вращения рабочих органов, быстродействие и заданное качество переходных процессов. С целью повышения эффективности управления процессом хол-стообразования предложена частичная модернизация электромеханической системы за счет установки регулируемых электроприводов переменного тока на линии нагнетания и разряжения воздушных потоков. Предложен метод электромеханических аналогий для характеристики физико-механических свойств волокнистых материалов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на межвузовской научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» (2007); на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск-2008, 2009, 2010)»; на межвузовской научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс-2008)»; на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности (Дни науки-2008, 2009)»; на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2008,2009)».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 23 научно-технических статьи, в том числе: 10 - в рецензируемых журналах из списка ВАК, 2 патента РФ, 11 - в виде тезисов докладов в сборниках материалов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 157 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, ^основных выводов, списка используемой литературы из 105 наименований, 9 таблиц, 66 иллюстраций, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертационной работе проблемы повышения эффективности оборудования для производства нетканых материалов за счет управления и оптимизации режимов электромеханических систем. Сформулированы цель работы и основные решаемые задачи. Дана характеристика научной новизны и практической значимости полученных результатов. Предложена структура разработки и исследования управляемой электротехнической системы с транспортирующими и наматывающими механизмами.

В первой главе определены основные этапы процесса формализации и математического описания динамических режимов энергоемких электротехнических комплексов. Проведен анализ методов решения задач оптимизации скоростных режимов энергоемкого оборудования для производства химических нитей и нетканых материалов.

Систематизированы характерные особенности технологического процесса и оборудования для производства нетканых материалов методом спан-бонд. Определены направления энергосбережения за счет оптимизации режимов электромеханических систем, включающие в себя теоретические и экспериментальные исследования энергетических и технологических характеристик. Предложен модернизированный способ автоматического управления технологическим процессом на агрегате КеюоШ, реализуемый разработанной структурной схемой, представленной на рис.1.

Во второй главе определены основные требования, предъявляемые к процессу формования на агрегате ЯекоШ экструдерным способом. Установлено, что основным режимом работы электропривода является режим регулирования давления расплава в головке экструдера, а режим постоянной частоты вращения необходим только при пуске и торможении.

Разработана модернизированная структурная схема управления электроприводом экструдера (рис. 2). Исследовано влияние упругости механической части приемного вала экструдера на динамические характеристики электропривода. Сформулированы рекомендации повышения быстродействия электропривода экструдера.

С целью совершенствования процесса формирования слоя волокнистого материала (холста) разработана двухдвигательная система управления приводами вентиляторов аэродинамической шахты.

Установлено, что за счет применения регулируемых электроприводов вентиляции нагнетания и разряжения возможно повысить интенсивность осаждения волокон в зоне формирования холста, а этим самым его равномерность и производительность процесса формирования холста.

Аэродинамическая камера по своей динамической структуре является совокупностью инерционного и запаздывающего звеньев, регулируемых по

химических нитей и нетканых материалов

1 - электропривод экструдера; 2 - микро-ЭВМ; 3, 13, 21, 29, 37, 43, 53 - цифро-аналоговые преобразователи; 4, 14 - регуляторы давления; 5, 15 - преобразователи частоты; 6, 23, 31, 50 - асинхронные двигатели; 7, 17, 24, 32, 40, 51, 58 - редукторы; 8 - вал шнека экструдера; 9 - дозирующие насосы; 10, 25, 34, 45, 47 - датчики частоты вращения; 11, 26, 35, 44, 54 - суммирующие устройства; 12 - электропривод дозирующих насосов; 16 - синхронный двигатель; 18 - датчик давления расплава; 19 - аэродинамическая камера; 20 - электропривод вентилятора нагнетания воздуха; 22, 26, 30, 49 - регуляторы напряжения; 27 - вентилятор нагнетания воздуха; 2.8 -электропривод вентилятора разряжения воздуха; 33 - вентилятор разряжения воздуха; 36 - электропривод сетчатого транспортера; 38, 56 - усилители мощности; 39, 57 - двигатели постоянного тока; 41 - сетчатый транспортер; 42 - электропривод двухвалкового каландра; 46 - вал каландра; 48 - вал привода наматывающего устройства; 52 - электропривод наматывающего устройства; 55 - датчик натяжения

Рис. 2. Структурная схема управления зкструдером электротехнической системы в математической среде моделирования МаЛаЬ

двум зонам. Устойчивое стационарное состояние исследуемого объекта анализировалось по следующей передаточной функции:

АЭ Тр + 1

где Т= 1,83с, тпр = 0,1с, Кр= 1.

Для расчетов использовалась программа Ма(;ЬаЬ. Система устойчива, так как все корни ее характеристического уравнения имеют отрицательные вещественные части и лежат в левой комплексной полуплоскости как показано на карте нулей и полюсов (рис. 3).

О.Ь*- OS. 'о-М 019 .0.7* ' ' .80

'>"■'. ■■ во 'ме / ч.....у—V..... -•'....."••■ .;•"' . ..>Ч \ \ •■ « ом . ••: " ' / ....../ " ••• ,. ."•• '"•- го ;«.в8би........ ------------ • I ■ 3 : . ;•' -'!Ив ■«.Мб* ' "■..-■•••• "v." '"■■'••■/: .....:-,.............• ;,••'..••/» ■ " ■ ' • . ' ' / - м * О

9?в ад 0«<4- 0.»* ОМ 0 19 о

"О 40

Real Axis

5 6 7 а Time (sec)

Рис. 3. Карта нулей и полюсов

Рис. 4. Переходный процесс формирования волокнистого слоя

Качество переходного процесса формирования холста на поверхности сетчатого транспортера исследовалось при подаче и снятии ступенчатого управляющего воздействия изменением разности давлений нагнетания и всасывания. Характеристика имеет плавный характер (рис. 4), установившийся процесс осуществляется не более чем за 10 с, что соответствует технологическому регламенту.

Качество переходного процесса влияет на режим работы камеры и может быть обеспечено выбором рациональных параметров САР, обеспечивающих заданное быстродействие и точность, при которых время переходного процесса согласуется с интенсивностью осаждения волокон в зоне формирования волокнистого слоя.

Разработана функциональная схема зоны вытягивания и транспортирования. Осуществлен анализ динамики согласованного вращения рабочих органов электромеханической системы (ЭМС) (рис. 5). Получена и решена нелинейная система алгебраических и дифференциальных уравнений первого порядка, позволяющая исследовать сложную электромеханическую систему с учетом: статических характеристик рабочих органов; уравнений, описывающих электромагнитные процессы в электроприводах; выражений, определяющих влияние гибких связей; уравнений движения главного и приемного валов, образующих замкнутую кинетическую связь (табл. 1).

Интегрирование системы уравнений осуществлялось методом Рунге-Кутта в математической среде Ма&аЬ. Установлено, что гибкие связи влияют на рассогласование линейных скоростей транспортерной ленты и каланд-

ра. При этом возможно натяжение холста, приводящее к необратимым деформациям (рис. 6). Корректировка скоростного режима путем задания программы в микропроцессорном регуляторе напряжения МРН000 позволяет получить рассогласование Ду = 0 и вытяжку Е ~ = 1 (рис. 7).

Рис. 5. Функциональная схема зоны транспортирования волокнистого материала

Таблица 1

сІЮі/сІІ = Ац(М,эм - Мсі) - А22(М2эм - МС2); Динамика движения рабочих органов транспортерной ленты и каландра. (1)

сісо2/ск = [М2Эм - Кгв Р Е п (єі - є2)]/І2; Ж. (3)

с1согв/ск = А22[Кгв'Р'Е'п (єі - є2) - МС2];

сії а, а2 (1 + є2) Деформация гибких связей (4)

Л а2 а, (1 + є,) (5) (6)

~ = ^ (и,-кФсо,-Яі); сії Ь Электромагнитные процессы в двигателе постоянного тока.

М|зм = к-Ф-і; (7)

<1\|/ХІ/ск = ихі -а'8 \|)х, + а'3 кКуХ2 + ш0\і>УІ; січ/ = -а'5 у У1 + а'8 кК у ї2 - ш0\|/ХІ; сЬ|/Х2/ск = -а'К уХ2 +а'К к5ух1 + (ш0 -ю2)ч/У2; ауу2/ск = -а1 к уУ2 +а'„. к8уу, -(а>0 -«Ч)^ М2эм = 3/2ркКкК/(ЙЬ5)(х|/Х2ч/1,1 Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе. (8)

у2(і)-у,(і) (1 + е(1))\ сИ 1 + е(0 V Динамические свойства волокнистого материала. (9) (10)

у, = соїКр/іі; Линейные скорости транспортерной ленты и каландра

у2 = Ю2Кк/(І2І3). (11-)

В третьей главе систематизированы условия и характерные особенности технологического процесса транспортирования, формирования и наматывания волокнистого материала и их взаимосвязь со скоростными режимами рабочих органов. Проведено исследование физико-механических свойств полотна с целью решения задачи оптимизации скоростных режимов управляемого агрегата ІІеісоШ. В результате получены полуцикловые и одноцикловые характеристики (рис. 8).

Е

1,2

0,8 0,4 0

1

) к

г

/

Ч /1

0,5

1

2 3 4 Тіше, вес

2 3 4 Тіте, вес

Рис. 6. Вытяжка (Е) волокнистого Рис. 7. Характер изменения вытяжки продукта в зоне транспортирования: нетканого полотна при скоростной 1 - без учета гибких связей; 2-е коррекции АД от

учетом гибких связей микропроцессорного регулятора

напряжения МРН000

нагрузка

разгрузка

10

* 20

30

40

50

60 і, мин.

с о/ Є, /о

нагрузка

разгрузка

£э

10

"Но

30

40

50

6,0 ♦ мин.

нагрузка

разгрузка

Рис. 8. Одноцикловые диаграммы, полученные при нагрузке равной 6-11%

от

разрывной: а - плотность полотна 15 г/м , б - 40 г/м , в - 90 г/м

12

На основе результатов испытаний определена зависимость между скоростными режимами и отклонением относительной деформации (е) и вытяжки (Е):

= < 0,03; Е = — < 1,03, V, V,

где V), V2 - соответственно линейная скорость выпуска полотна из каландров и наматывания его на валик.

Поставлена и решена задача повышения эффективности энергоресурсосбережения, согласно которой оптимизации скоростных режимов должно предшествовать исследование поведения волокнистого продукта в процессе его транспортирования, формирования и наматывания. С этой целью использован метод электромеханических аналогий для характеристики физико-механических свойств волокнистых материалов. Особенностью предложенного метода является его физическая направленность на основе метода электромеханических аналогий, то есть представления электромеханических систем и зон деформации волокнистого продукта (рис. 9) в виде эквивалентных электрических цепей (рис. 10).

В проводимых исследованиях зона деформации представлена в качестве системы автоматического регулирования, основным требованием к которой является обеспечение заданного соотношения линейных скоростей и V2, определяющих требуемую вытяжку или относительную деформацию волокнистого продукта.

При подаче на исследуемый объект (зону деформации) уставки в виде единичного ступенчатого воздействия, установившееся значение вытяжки может не совпадать с его заданными значениями 1,01 -ь 1,03, то есть появляется статическая погрешность в виде рассогласования между требуемым и реальным значением выходной переменной. Параметрическое моделирование передаточной функции методом случайного поиска с использованием теоремы о конечном значении преобразования Лапласа позволило обеспечить отслеживание ступенчатого воздействия с нулевой статической погрешностью (рис. 11).

Сі(еі)

п

К, Г] І С2 -

1 У ("'М>Р («2)

Г і 7 1 "

I

. 4

Рис. 9. Механическая модель зоны деформации

Рис. 10. Эквивалентная электрическая цепь зоны деформации

В четвертой главе поставлена и решена задача применения современных методов и технологий для разработки и исследования сложных динамических объектов, а также диагностики зоны деформации при транспортировании и наматывании полотна. Результаты моделирования следящей двух-

двигательной системы автоматического управления скоростными режимами электромеханической системы транспортирования и наматывания (рис. 12) без нейроконтроллера и с синтезированным нейроконтроллером представлены на рис. 13. Переходный процесс в электромеханической системе без нейронной сети имеет колебательный характер и большую длительность по сравнению с нейронной сетью.

Результаты моделирования позволяют сделать заключение о возможности использования нейросетевых технологий в качестве регуляторов напряжения, а также для прогнозирования работы электромеханических систем.

Step Response

0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 Time (sec)

0.035 0.04 0,045

Рис. 11. Статическое отклонение ошибки системы для уставки ступенчатого типа

и-

КїЧ4

Neural Controller I

ІІДЧ5

tvi'u

1+Тр

Ш«д

Км Кк

Шдпт

Neural Controller 2

1/С

кдіі

-Ф:

W„(p)

E = vz/v, 0,6 0,4 0,2

/

/л

Рис. 12. Структурная схема следящей Рис. 13. Переходный процесс в зоне

двухдвигательной ЭМС транспорта- транспортирования и наматывания

рования и наматывания с использо- нетканого материала: 1 - без нейрон-

ванием нейроконтроллера ной сети; 2-е нейронной сетью

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили целесообразность использования многофункционального микропроцессорного регулятора напряжения для управления энергосберегающими и скоростными режимами энергоемких объектов с асинхронными электроприводами. При-

менение ре1улятора МРНООО позволило снизить ток в фазах асинхронного двигателя в режиме холостого хода в 2,5 раза, потребляемую мощность в 2 раз, увеличить коэффициент мощности до 30%.

Для проверки полученных теоретических положений был создан лабораторный стенд, моделирующий работу двухдвигательного электропривода с коррекцией скоростных режимов от микропроцессорного регулятора напряжения.

Получены осциллограммы переходных процессов двигателя постоянного тока, работающего в следящем режиме с асинхронным двигателем и управляемого от МРНООО при максимальном и минимальном темпах разгона, из которых видно, что система обладает астатизмом первого порядка по управляющему воздействию и частота вращения двигателя постоянного тока с достаточной точностью следует за возрастанием задающего напряжения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Определены основные этапы процесса формализации и математического описания динамических режимов модернизированного управляемого комплекса производства химических нитей и нетканых материалов.

2. Проведен анализ методов решения задач оптимизации скоростных режимов энергоемкого оборудования.

3. Получено приближенное уравнение динамики экструдера.

4. Определены качественные показатели САР, характеризующие динамические свойства канала управления экструдера.

5. Аэродинамическая камера агрегата для производства химических нитей и нетканых материалов исследована как элемент управляемого электротехнического комплекса.

6. Проведен анализ заключительного периода аэродинамического формирования волокнистого настила как один из основных этапов получения продукта с заданными свойствами.

7. С целью повышения эффективности управления процессом холстообразо-вания предложена частичная модернизация электромеханической системы за счет установки регулируемых электроприводов переменного тока на линиях нагнетания и разряжения воздушных потоков.

8. Проведено математическое описание электромеханических процессов, происходящих в многодвигательном электроприводе, позволяющее анализировать статические и динамические характеристики рабочих органов управляемого комплекса при различных стадиях наматывания и колебаниях напряжения питающей сети с учетом деформации гибких связей, электромагнитных процессов в двигателях постоянного и переменного тока, физико-механических свойств волокнистого материала в свободной зоне.

9. Наряду с оправдавшими себя принципами структурного моделирования электромеханических систем технологического оборудования рассмотрены возможности прямого и косвенного использования электрических ана-

логий механических систем, а также вопросы обобщения экспериментов и создания инженерных методов анализа и расчета для решения задач управления процессом формирования, транспортирования и наматывания волокнистого материала.

10.Проведен анализ трехпараметрических и четырехпараметрических моделей механических систем для оценки физико-механических свойств полимерных материалов. Предложен метод электромеханических аналогий для характеристики физико-механических свойств полимерных и волокнистых материалов, особенностью которого является физическая направленность, то есть представление элементов механических систем в виде эквивалентных электрических цепей.

11.Предложена структура механической модели волокнистого материала, формируемого в свободной зоне комплекса для производства нетканых материалов. Проведен анализ зоны деформации на основе метода электромеханических аналогий. Полученная математическая модель зоны деформации волокнистого продукта представлена в качестве объекта автоматического регулирования, соответствующего прямой аналогии физической системы формования, транспортирования и наматывания. Проведены исследования зоны деформации на устойчивость и наличие автоколебаний. Осуществлена параметрическая оптимизация режима транспортирования волокнистого материала с целью получения удовлетворительного качества переходного процесса и минимума экстремума функционала технологического параметра.

12.Осуществлено решение научной проблемы, связанной с исследованием сложных динамических объектов с использованием элементов технологии нейронных сетей. Результаты исследований позволили разработать методы расчета и оптимизации управляемых электротехнических комплексов технологического оборудования с использованием способов имитации их динамических характеристик и с применением технологии нейронных сетей. Применение указанных методов позволило синтезировать устойчивые технологические процессы, объединенные в единый программный комплекс, который может быть применен для исследования широкого круга прикладных задач.

Основное содержание изложено в 23 печатных работах, в числе которых:

1. Серяков И.Н., Шилов A.B., Матвеев П.В., Феоктистова Т.А., Поляков К.А., Поляков А.Е., Бычков В.В. Анализ и расчет электропривода экструдера управляемого электротехнического комплекса для производства синтетических нитей. // Химические волокна. - 2008. - №2. - С. 56-59.

2. Поляков К.А., Поляков А.Е., Шилов A.B., Серяков И.Н., Бычков В.В. Метод электромеханических аналогий для характеристики реологических свойств полимерных материалов. // Химические волокна. - 2008. - №2. - С. 24-27.

3. Серяков И.Н., Шилов A.B., Матвеев П.В., Поляков К.А., Поляков А.Е. Анализ динамики асинхронного электропривода приемного вала ровничной

машины. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. -2008.-№2С (307). - С.109-112.

4. Поляков А.Е., Поляков К.А., Шилов A.B., Трыков Р.В., Серяков И.Н., Матвеев П.В. Исследование динамики волокнистого материала при его формировании и транспортировании. // Химические волокна. - 2009. - №2. - С. 16-19.

5. Поляков А.Е., Поляков К.А., Трыков Р.В., Серяков И.Н., Павлов Н.К., Бардовская Т.П. Основные принципы построения управляемых комплексов для производства синтетических волокон и нетканых материалов. // Химические волокна. - 2009. - №4-С. 35-37.

6. Поляков А.Е., Поляков К.А., Феоктистова Т.А., Серяков И.Н., Трыков Р.В., Бардовская Т.П. Разработка методики поэтапного дозирования волокнистого материала в самовес чесального аппарата. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2009. - №2С (315). - С. 98-101.

7. Polyakov К.А. Basic theoretical principles of the electric analogy method / K.A. Polyakov, A.E. Polyakov, A.V. Shilov, I.N. Seryakov, // Texstile industry technology.-2009. -№3C (317).-P. 80-83.

8. Серяков И.Н., Поляков K.A., Поляков A.E., Павлов Н.К. Основные требования, предъявляемые к процессу формования волокон и синтетических нитей. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2010. -№3 (324).-С. 90-94.

9. Поляков А.Е., Поляков К.А., Чесноков A.B., Серяков И.Н., Павлов Н.К., Бардовская Т.П., Козлова JI.A. Исследование динамики рабочих органов управляемого электротехнического комплекса для производства химических волокон и нетканых материалов. II Химические волокна. - 2010. - №1 - С. 49-54.

10. Поляков А.Е., Поляков К.А., Павлов Н.К., Серяков И.Н., Козлова JI.A. Влияние упругости механической части приемного вала экструдера на динамические характеристики электропривода. // Химические волокна. — 2010. — №1-С. 55-58.

11. Шилов A.B., Поляков А.Е., Поляков К.А., Серяков И.Н. Устройство для управления подачи волокнистого материала в самовес чесального аппарата. Патент на полезную модель №79101, Опубл. 20.12.2008. Бюл. №35 .

12. Поляков А.Е., Поляков K.Ä., Серяков И.Н., Трыков Р.В., Бардовская Т.П. Устройство для управления процессом формирования синтетических волокон и нитей, холстообразования и наматывания. Патент на полезную модель №86191, Опубл. 27.08.2009. Бюл. № 24.

Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.иеч.л. 1,75 Подписано в печать 02.03.12

Заказ 77 Тираж 80 © ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина» 2012

61 12-5/2347

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕКСТИЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А.Н. КОСЫГИНА»

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ.

Специальность: 05.13.06- «Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (легкая промышленность)»

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой кандидата технических на?

профессор Поляков А.Е.

Москва - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.......................................................................................................................4

Глава I. Постановка задач исследования процессов формирования синтетических нитей, холстообразования и наматывания нетканых материалов на агрегате ЯеюоШ с целью повышения производительности и экономии материальных и энергетических ресурсов..............................................................12

1.1. Математическая постановка задач ресурсосберегающего управления сложными электромеханическими системами для производства химических нитей и нетканых материалов.............................................................................12

1.2. Разработка модернизированного способа автоматического управления сложной электромеханической системой для производства синтетических нитей и нетканых материалов.............................................................................21

Выводы.......................................................................................................................27

Глава II. Разработка и исследование системы автоматического управления процессом формования, транспортирования, вытягивания и холстоформирования на агрегате ЫеюоШ для производства синтетических нитей и нетканых материалов..................................................................................28

2.1. Основные требования, предъявляемые к процессу формования волокон и синтетических нитей............................................................................................28

2.2. Исследование динамических режимов управляемой электромеханической системы экструдера агрегата ЯеЬоШ..........................34

2.3. Аэродинамическая камера как элемент управляемого электротехнического комплекса для получения химических нитей и нетканых материалов...........................................................................................47

2.4. Особенности исследования динамики асинхронных электродвигателей управляемой системы холстоформирования.....................................................53

2.5. Исследование движения рабочих органов управляемого комплекса в зоне транспортирования и формирования волокнистого материала...... ........59

Выводы.......................................................................................................................68

Глава III. Разработка и исследование электротехнического комплекса приемно-наматывающего устройства агрегата для производства синтетических нитей и нетканых материалов................................................................................................69

3.1. Условия и особенности процесса транспортирования, формирования и наматывания волокнистых материалов и их взаимосвязь со скоростными режимами рабочих органов.................................................................................69

3.2. Исследование физико-механических свойств нетканых полотен различной плотности............................................................................................73

3.3. Основные теоретические положения метода электромеханических аналогий.................................................................................................................82

3.4. Зона деформации волокнистого продукта как объект системы автоматического регулирования.........................................................................87

3.5. Анализ и расчет динамических режимов управляемой электромеханической системы приемно-наматывающего устройства..........93

Выводы.....................................................................................................................И2

Глава IV. Применение современных методов и технологий для исследования сложных управляемых электротехнических комплексов...................................113

4.1. Применение технологии нейронных сетей для разработки и исследования сложных динамических объектов............................................113

4.2. Экспериментальное определение характеристик специальных режимов управляемого электротехнического комплекса для производства синтетических волокон и нетканых материалов.............................................122

4.3. Решение поставленных задач повышения эффективности управления сложными динамическими объектами.............................................................135

Выводы.....................................................................................................................

Основные результаты и выводы............................................................................144

Библиографический список используемой литературы......................................148

Приложение..............................................................................................................158

Введение

Общая характеристика работы. Выпуск синтетических волокон, нитей и нетканых материалов вызывает необходимость создания современного высокопроизводительного оборудования для их производства. Такое оборудование предусматривает высокую степень автоматизации всего технологического процесса и его отдельных стадий.

Возможности экономии материальных и энергетических ресурсов в текстильной промышленности и производстве синтетических волокон и нитей связаны со спецификой работы автоматизированных управляемых электротехнических комплексов. Важнейшим условием сохранения технического состояния электрооборудования является правильная ориентация при оценке и применении научно-обоснованных методов выбора оптимальных параметров технологических процессов, скоростных режимов рабочих органов и средств их реализации, учитывающие показатели качества сырья и готовой продукции. Оборудование для производства синтетических волокон и нитей обладает рядом особенностей, сказывающихся на режимах потребления как материальных, так и энергетических ресурсов. Среди них следует отметить зависимость между технологическими и энергетическими параметрами. Существенной особенностью является кинематическая сложность рабочих органов машин для производства синтетических волокон и нитей и динамическая напряженность режимов их работы. К электроприводу указанных машин в одних случаях предъявляются высокие требования поддержания и синхронизации скоростей вращения узлов и механизмов, в других - регулирование частоты вращения по заданной программе.

Повышение эффективности текстильных производств и производств нетканых материалов требует разработки научно-обоснованных методов выбора оптимальных параметров технологических процессов и скоростных режимов узлов и механизмов, учитывающих показатели качества сырья и готовой про-

дукции и разработки на их основе современных автоматизированных управляемых электротехнических комплексов.

До настоящего времени недостаточно полно исследованы процессы и механизмы формования, транспортирования и наматывания волокнистых материалов. Не выявлено в должной мере влияние физико-механических свойств химических волокон и нитей на процесс холстообразования нетканых материалов, недостаточно изучены динамические свойства основных звеньев электромеханических систем указанного оборудования, не разработаны научно-обоснованные критерии и методы оптимизации скоростных режимов сложных электротехнических комплексов. Не сформулированы в полной мере требования к многодвигательному электроприводу, не выявлена их оптимальная структура, не разработано в достаточной степени устройств и систем, обеспечивающих оптимальное управление и энергосберегающие режимы. Недостаточно исследованы процессы в зонах формования, вытягивания, транспортирования и наматывания и влияние на них рабочих органов, непосредственно управляемых регулируемым электроприводом. В должной мере не использованы современные методы и технологии для исследования сложных управляемых электротехнических комплексов.

Учитывая, что многие из перечисленных вопросов недостаточно полно изучены или совсем не рассмотрены в научных трудах, их решение представляет теоретический и практический интерес. Можно считать разработку и исследование методов анализа и расчета динамических режимов сложных управляемых систем технологического оборудования на базе современных комплектных энергосберегающих электроприводов постоянного и переменного тока с микропроцессорным управлением и оптимизацию скоростных режимов рабочих органов узлов формования, транспортирования и наматывания волокнистого материала перспективной задачей.

В данных исследованиях задача оптимального управления сложной динамической системой имеет две различные постановки. Первая относится к задаче стабилизации как энергетических, так и технологических параметров, в

которой управляемый объект исследуется в установившемся режиме или режиме слежения. Вторая относится к процессам управления, в которых рабочий орган переводится из одного состояния в другое при условии достижения максимума (минимума) заданного критерия качества.

Если первая задача сводится к выбору оптимальных параметров управления, то вторая ставит своей целью нахождение закона управления в функции технологических и скоростных параметров.

Работа проведена в соответствии с разработанной концепцией построения, исследования и проектирования сложных управляемых электротехнических комплексов по производству синтетических волокон, нитей и нетканых

материалов (рис. 1.1).

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка методов расчета и повышения эффективности сложных динамических объектов для производства нетканых материалов за счет управления и оптимизации скоростных режимов рабочих органов электромеханических систем с наматывающими и транспортирующими механизмами.

Для достижения поставленной цели решены следующие научные и технические задачи:

1. Разработаны основные принципы построения и исследования сложных динамических объектов с многодвигательным электроприводом.

2. Осуществлена постановка задач исследования процессов формирования, холстообразования и наматывания нетканых материалов на агрегате ЯеюоШ.

3. Установлена взаимосвязь технологических параметров с энергетическими характеристиками в частности, со скоростными режимами оборудования с целью повышения производительности, рационального использования электроэнергии, улучшения качественных показателей конечного продукта путем совершенствования электромеханических систем и режимов обработки волокнистых материалов.

4. Предложены алгоритмы управления скоростными режимами исследуемых электромеханических систем с транспортирующими и наматывающими меха-

Классификация энергоемкого технологического оборудования по характерным режимам эксплуатации и энергопотребления

Управляемые сложные динамические комплексы для производства химических

волокон, нитей и нетканых материалов

51

Многодвигательный электропривод управляемого комплекса

5 Ь

Асинхронный электропривод с микропроцессорным регулятором напряжения для привода систем вентиляции

51

Электропривод постоянного тока с цифровым управлением для привода намоточного

устройства _

Исследуемые системы электроприводов сложных ЭМС для управления скоростными режимами

Определение технологических параметров и энергетических характеристик

сложного динамического объекта

Анализ технологических особенностей и критериев оценки качественных показателей холста и их взаимосвязь со скоростными режимами работы оборудования, осуществляющего процессы формования, вытягивания, транспортирования и наматывания

Разработка технических решений и основных принципов построения и методов расчета

управляемых электромеханических систем в свете современного состояния теории и методов математического описания систем управления

Порядок исследования ресурсосберегающих режимов ЭМС технологического оборудования

Расчет электромеханических переходных процессов и устойчивости

Определение параметров и характеристик узлов и механизмов

Учет влияния упругости и гибкости механических звеньев кинематических передач и электромагнитных процессов в электроприводе

Разработка научных положений методики выбора, анализа и расчета ресурсосберегающих режимов

управляемых электромеханических систем

Рис. 1.1. Концепция построения сгругауры и исследования управляемых электромеханических комплексов сложных технологических объектов

низмами.

5. Преждложены научные методы повышения эффективности и расчета электромеханических систем.

6. Разработаны научные положения метода выбора, анализа и расчета энерготехнологических режимов управляемых электромеханических систем и соответствующие технические решения энергосберегающего управления и их реализация в лабораторных условиях.

На защиту выносятся;

1. Концепция построения структуры и исследования управляемых электротехнических комплексов сложных динамических объектов с транспортирующими и наматывающими механизмами.

2. Модернизированный способ автоматического управления сложной электромеханической системой для производства нетканых материалов на агрегате ЯеюоШ.

3. Метод электромеханических аналогий для характеристики физико-механических свойств нетканых материалов.

4. Метод выбора и расчета качественных показателей системы автоматического регулирования (САР) и рациональных скоростных режимов узлов и механизмов управляемого комплекса производства химических нитей и нетканых материалов.

5. Алгоритмы управления, функциональные и структурные схемные решения системы автоматического управления сложным динамическим объектом.

6. Технические решения системы управления скоростными режимами агрегата ЛеюоШ на базе современных электроприводов с микропроцессорным управлением.

7. Элементы технологии нейронных сетей для разработки и исследования управляемого электротехнического комплекса приемно-наматывающего устройства агрегата ЯеюоШ.

Методы исследования. В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. Теоретические исследова-

ния основывались на классических методах теории автоматического управления, теории автоматизированного электропривода, современной технологии нейронных сетей. При построении математических моделей процессов применялись методы экспериментальной идентификации технологических параметров с использованием аппроксимирующих уравнений.

Моделирование и обработка данных исследований, расчеты при анализе и синтезе систем управления производились с использованием современных информационных и компьютерных технологий.

Расчёты проводились по стандартным и разработанным автором программам математической среды Matlab. Графическая обработка результатов выполнена в MS Excel с использованием VBA-макросов и стандартных средств Windows 7.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена и реализована структура разработки и исследования электромеханических систем оборудования с транспортирующими и наматывающими механизмами.

2. Получено математическое описание динамики электромеханической системы с транспортирующими и наматывающими механизмами с учетом физико-механических свойств волокнистого продукта, гибких деформируемых связей, упругих механических звеньев кинематических передач и электромагнитных процессов в электроприводах.

3. Дано научное обоснование принципам построения функциональных и структурных схем систем автоматического регулирования и управления электроприводами постоянного и переменного тока, обеспечивающих энергосберегающие режимы эксплуатации.

4. Разработан метод расчета и проектирования сложных электромеханических комплексов, обеспечивающий программное управление многодвигательным электроприводом, соответствующее заданным нормам потребления электроэнергии, сырья и качества продукции.

5. Путем экспериментальной идентификации получена уточненная матема-

тическая модель зоны формирования и наматывания нетканого материала.

6. Разработан принцип управления многомерным процессом формования, вытягивания, транспортирования и наматывания волокнистого продукта, обеспечивающий адаптацию к изменению параметров объекта управления и инвариантность по отношению к гармоническому возмущающему воздействию, возникающему вследствие колебаний питающего напряжения, меняющихся линейной плотности продукта и параметров электромеханической системы в процессе интенсивной эксплуатации, вызывающих повышенный расход материальных и энергетических ресурсов.

7. Проведена параметрическая оптимизация процесса транспортирования и наматывания волокнистого материала методом случайного поиска.

8. Разработаны функциональная и структурная схемы компьютерной системы управления агрегатом Яеюой производства химических нитей и нетканых �