автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка системы автоматического управления температурными режимами в процессе текстурирования синтетических нитей

На правах рукописи

JTO.VLV "КИНА Мари* Васильевиа

ИССЛЕДОВАНИЕ H РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМЛЕ'АТУТЕШММ РЕЖИМАМИ В ПРОЦЕССЕ ТЕКСТ УРКРОВАНИЯСИШ РТКЧЕСШХ НИТЕЙ

Сцециально.ть; út - .чигомаппаш.:» и jправление технологическими п хцесеичл i¡ rpot JEv^CTEOMtl (легкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

Джхср* ащ и на соискание > чеьон пеяени г веских hjvk

\!olke.I - _;)0t?

Работа выполнена в Московском государственном текстильном университете им. А. Н. Косыгина на кафедре автоматики и промышленной электроники

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Защита состоится » )(}!_й(М)б г. в /5~ часов на заседании диссертационного совета Д212.139.03 в Московском государственном текстильном университете им. А.Н. Косыгина по адресу: 119071, Москва, М. Калужская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного текстильного университета им. А.Н. Косыгина.

Автореферат разослан « » X /_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. профессор

кандидат технических наук, доцент Румянцев Ю.Д. доктор технических наук, профессор Севостьянов П.А. кандидат технических наук, доцент Никифоров ГО.Н Закрытое акционерное общество«Метротекс»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РА1ЮТЫ

Актуальность работы. Основными целями концепции развития текстильной промышленности РФ являются: повышение эффективности производства современных конкурентно способных товаров, удовлетворяющих потребности населения и государства; обеспечение глубокой переработки отечественного сырья, в частности, химических волокон и нитей; а также увеличение удельного веса химических волокон в сырьевом балансе отрасли.

Технологический процесс текстурпрования, обеспечивающий получение высокообъемных нитей из синтетических волокон является важной составляющей для достижения поставленных в указанной концепций целей.

Текстурнрованные нити, мировое производство которых превышает полтора миллиона тонн б год, успешно применяют для изготовления текстильных изделий широкого потребления: чулок, носков, верхнего и нижнего трикотажа^ формоустой-чнвою трикотажного полотна, используемого для пошива мужских и женских костюмов, пальто, для производства искусственного меха, ковров, одеял, драпировочных и обивочных тканей и т.п. В этих условиях важным является обеспечение высокого качества текстурированных нитей, позволяющего существенно повысить конкурентную способность отечественных товаров. .' ■ ' "

Повышение качества н производительности процесса текстурирования неразрывно связанно с постоянным совершенствованием технологического процесса, оборудования, а таюке систем автоматического контроля и управления.

В связи с вышеизложенным, тема диссертационной работы, посвящённая исследованию и разработке системы автоматического управления температурными режимами в процессе текстурирования является весьма актуальной.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование и разработка системы управления температурными режимами в процессе текстурирования синтетических нитей, обеспечивающей получение конечного продукта с заданными ф нзи ко-механическим и свойствами

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ особенностей технологического процесса текстурирования синтетических нитей. Исследование существующих технологических процессов, оборудования, а также известных систем автоматического контроля и управления температурными режимами в процессе текстурирования, <;,,-,

2. Экспериментально-теоретическое исследование технологического процесса нагрева нагревательного устройства и синтетической нити, как объекта управления.

3.Получение математической моделей процесса нагрева нагревательного устройства и текстур ируемой нити,

4. Выбор структур систем автоматической стабилизации температуры нагревательного устройства и синтетической нити в процессе тексту рирования.

5. Синтез системы автоматической стабилизации температуры синтетической нити в термокамере текстурирующей машины.

6.Разработка и исследование микропроцессорной системы управления шаговым электроприводом.

7. Исследование н разработка волоконно-оптического датчика температуры синтетической нити непосредственно в термокамере текстурирующей машины.

8. Экспериментальное исследование макетного образца волоконно-оптического датчика температуры синтетической нити.

На защиту выносятся:

1 .Математическая модель процесса нагрева синтетической нити в процессе те кету рирования. Результаты параметрической идентификации.

2. Конструкция нагревательного устройства текстурирующей машины, обеспечивающая новый подход к системе управления нагревом синтетической нити.

3. Принцип управления процессом нагрева синтетической нити с использованием в качестве управляющего воздействия времени контакта нити с нагревателем.

4. Двух канальная структура системы управления процессом нагрева синтетической нити.

5. Имитационная модель системы управления процессом нагрева синтетической

нити.

б.Оптоэлектроиный бесконтактный способ измерения температуры синтетической нити непосредственно в термокамере текстурирующей машины.

7. Результаты экспериментальных исследований » математического моделирования разработанных алгоритмов и схем контроля и управления.

Методика проведения исследований, В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. При построении математической модели процесса натрева синтетической нити был использован метол экспериментальной идентификации и компьютерной обработки информации. Теоретические исследования основывались иа методах современной теории автоматического управления, теории информационно-измерительных систем. Экспериментальная часть исследований проводилась с использованием высокоточных регулирующих и измерительных приборов. Для исследования алгоритмов управления использовались методы математического моделирования в среде Ма11аЪ.

Научная новизна. Исследован процесс нагрева синтетической нити, как объекта автоматического управления. Предложена математическая модель процесса нагрева нити. Разработана система стабилизации температуры синтетической нити в процессе тексту риро в аиия, использующая в качестве основного управляющего воздействия время контакта нити с нагревателем.

Предложена конструкция иафевательного элемента, позволяющая реализовать новый подход к системе управления процессом нагрева синтетической нити.

Разработан волоконно-оптнческий датчик температуры синтетической нити непосредственно в термокамере текстурирующей машины.

Достоверность результатов, работы. Адекватность полученных моделей процесса нагрева синтетической нити, системы стабилизации температуры текстурируе-мой нити, а также система автоматического контроля нити в процессе текстурирова-ння подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

Практическая ценность. Полученные научные результаты могут быть использованы при создании и совершенствовании систем управления процессом нагрева синтетической нити.

Развиваемые в диссертации методы автоматического контроля и управления могут найти применение дня автоматизации аналогичных операций в производстве химических волокон, а также других продуктов, получаемых путем вытягивания из расплавов.

Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2004, Текстиль-2005), Всероссийской научной конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2004). ■

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 81 наименований и 1 приложений. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит И таблицы, 82 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

По введении обоснована актуальность темы диссертации, (изложены цели и задачи ; исследования, сформулированы защищаемые научные положения, указана новизна ^практическая ценность полученных результатов, ; ) Ч , . , . .' * °

Глава I. Анализ процесса тексту рисования, как объема, автомат^-ческого управления.

Рассматривается состояние технологического процесса текстурирования синтетических волокон.

Анализ технологического процесса показал, что важнейшей составляющей этого процесса является термообработка текстурируемой нити в нагревательном устройстве, поскольку она в основном определяет качество конечного продукта. Необходимо отметить, что требования к процессу термообработки постоянно повышаются по мере увеличения производительности и соответственно скоростных режимов текстурируемой машины.

В связи с увеличением скоростных режимов температура среды в нагревающем устройстве существенно выше температуры, которая необходима и достаточна для термофиксации и крутки нити.

Поэтому задача управления температурными режимами нагрева и охлаждения нити в процессе текстурнрования приобретает особую актуальность, В этих условиях особое требование предъявляется к системе автоматического регулирования температуры как среды в термокамере текстурирующей машины, так и самой текстурируемой нити. Как следует из анализа технологического процесса текстурнрования, к управляющим воздействиям следует отнести: ток в обмотке нагревателя, скорость движения текстурируемой нити, а также время контакта нити с нагревающим устройством. К неконтролируемым возмущениям следует отнести колебания сетевого напряжения и изменения параметров текстурируемой нити. На основе анализа температурных режимов в термокамере текстурирующей машины было определено распределение температуры по длине термокамеры. Установлено, что распределение температуры в камере является неравномерным.

На основе параметрической иде1пнфикацин были определены динамические свойства объекта управления. Путем аппроксимации переходных характеристик получены математические модели процесса нагрева нити в термокамере при различных скоростных режимах текстурируемой нити. Примерный вид передаточной функции, полученной по этому каналу, соответствует апериодическому звену первого порядка.

^(Я)^. О)

В данном разделе проведено исследование нагрева нити в термокамере как обь-екта'управления. Коэффициент передачи и постоянная времени, которые незначительно изменяются при изменении скоростных режимов процесса текстурнрования, характер изменения показаны на рис. 1.

Рис. I

Глава 2. Исследование и разработка полокон но-опти ч еского датчика температуры с И К-с вето в о дом ......

В этом разделе рассмотрено решение важной задачи автоматического контроля температуры текстурнруемой ниги непосредственно в термокамере, что позволило синтезировать высокоэффективную систему управления температурными режимами нагрева и охлаждения текстурируемых нитей.

Данная задача является весьма сложной, поскольку необходимо контролировать температуру движущейся с высокой скоростью нити в среде с температурой адекватной температуре нагреваемого продукта.

Нить, нагреваемая в термокамере, имеет температуру I70.-.220 "С и испускает электромагнитное излучение в средней области IiK-спектра, что н используется в данной работе для измерения температуры нити с помощью оптических волокон, обеспечивающих передачу ИК-иэлучения из зоны контроля к первичному фотопреобразователю. -

В работе предложено устройство для автоматического контроля температуры нити бесконтактным методом. В основе способа измерения температуры лежит использование волоконных световодов с помощью которых передается ИК-излучение из высокотемпературной зоны контроля. Основной сложностью является то, что спектр электромагнитного излучения лежит в области недоступной для передачи по кварцевым оптическим подокнам. •

В связи с указанным в данной работе обоснован выбор элементов волоконной оптики, способных передавать требуемый оптический диапазон длин волн, осуществлен выбор фотоприемного элемента, способного «различать» температуру движущегося объекта в воздушной среде.. Кроме того, в данном разделе проведен расчет оптической части измерительного устройства, определена функциональная схема датчика, реализован его макетный образец и определены метрологические характеристики преобразователя.

Прежде чем приступить к изготовлению одноканального датчика температуры были проведены расчеты энергетики при транспортировке ИК-излучения по

световоду. Необходимость расчета обусловлена тем, что сечение оптических волокон мало и сигнал, поступающий на вход прием, ника, близок к его порогу чувствительности.

Анализ и результаты расчетов, приведенные в диссертационной работе, позволили определить наиболее рациональный вариант реализации волоконно-оптического канала, с помощью которого передается максимальный объем полезной информации. С учетом минимального размера контролируемой поверхности наилучшим вариантом ввода теплового излучения в волокно является вариант с использованием фокусирующей линзы рис. 2. / рис_ 2 — расстояние от линзы до контролируемого

объекта, Ы ~ расстояние от лннзы до оптического волокна, - площадь контролируемого объекта, Ил - радиус линзы, Р — фокусное расстояние, а - аппертурный угол. ч ^ . ' ■ ,

ШР^^МА1,

(2)

где ИА - числовая апертура, /щ — плотность мощности излучения с единицы поверхности, 5л - площадь линзы.

Зависимость мощности, вводимого в волокно (Вт), от его апертуры, при диаметре лннзы 0 3 мм приведена на рис. 3.

Мощность теплового излучения на входе в волокно от ограниченной излучаемой поверхности определяется следующей формулой:

1 01 32/

О)

где с!^, - диаметр контролируемого объекта, - диаметр лннзы.

В данном разделе осуществлен выбор фотоприемного элемента волоконно-оптической системы, который основывался на результатах анализа известных фотоприемников ИК-излучения.

I

Рис. 3

В результате проведенного анализа был выбран датчик, работающий на основе пироэлектрического эффекта, сущность которого заключается в изменении поляризации пироакти вного кристалла в процессе изменения температуры. Пироэффект в этом элементе проявляется только при наличии изменения температуры контролируемого объекта во времени. Анализ известных ...... датчиков, работающих на основе пиро-

эффекта, позволил выбрать в качестве основного пироэлектрический датчик фирмы Мигай.

На основе полученных результатов в данной главе была предложена конструкция стенда для исследования одноканального датчика температуры с поликристаллическим ИК-световодом, который представлен на рис. 4.

В основу стенда положен имн-. татор теплового излучения «черного I тела» 2. Регулируемое напряжение от блока питания Глодается на нагревательный элемент блока 2.

Температура излучающей .поверхности контролируется .термопарным измерителем температуры 3 с точностью ±0Л°С. В качестве вспомогательных элементов, для проверки пироэлектрического датчика и электронной схемы усилителя используются: модулятор светового потока 4 фильтр 5, селективный усилитель 8 и осциллограф 9. В процессе работы отрабатывалась также система ввода данных от датчика 7 в персональный компьютер 10.

С помощью данного устройства были проведены следующие испытания. Измерения температуры контролируемого объекта проводились на различных расстояниях от излучаемых поверхностей и при различных температурах. _

Затем была проведена проверка работоспособности измерительного устройства. Результаты испытания одноканального датчика температуры при излучаемой поверхности диаметром 25 и 150мм, приведены на рис. 5 а, б.

№

О

СН

.Рис. 4

Результаты испытаний показали, что одноканальный датчик температуры с ИК-световодом на основе пироэлектрического сенсорного элемента пригоден для измерения температуры в диапазоне от 30 до 250 °С с точностью 0.3 °С.

4 ; > Рис. 5

Глава 3. Исследование и разработка ¡системы автоматического управления температурный режимом в процессе текстурированця

Как было показано в первой главе, задача управления температурными режимами может быть решена различными способами.

' Традиционный подход состоит в том, что с помощью автоматических средств обеспечивается стабилизация либо температуры нагревающего устройства, либо температуры воздушной среды в термокамере текстурирующей машины. Однако при таком подходе конечный результат - стабильность температурных параметров самого продукта а, следовательно, и его качественных параметров зависит от большой инерционности объекта управления -термокамеры текетурирующей машины.

"■'■■. Другой подход к задаче управления связан с использованием в качестве управляющего воздействия скорости прохождения синтетической нити через термокамеру текстурирующей машины/На№ о температуре нити непосредственно в термокамере позволяет синтезировать систему управления. Основная сложность при этом заключается в обеспечении стабильности крутки конечного Продукта, для чего необходимо задействовать дополнительный канал управления, либо менять скорость прохождения нити через термокамеру лишь в небольших пределах, в которых изменение скорости слабо влияет на крутку.

Наконец, третий подход заключается в использовании такого управляющего воздействия, которое обеспечит изменение времени пребывания синтетической

и

нити в термокамере и, следовательно, оперативность управления температурным режимом. ,

В данной работе наряду с традиционными способами управления были рассмотрены два других варианта реализации системы управления: один связан с использование канала «скорость движения нити — температура нити», второй использует в качестве управляющего воздействия время контакта нити с нагревателем,

И в том и другом случае предполагается наличие датчика температуры тек-стурируемой нити непосредственно в термокамере.

На рис. 6 приведена схема моделирования системы использующего в качестве управляющего воздействия скорость движения нити. Моделирования проводились для различных скоростных режимов. В результате моделирования было установлено, что характер переходного процесса по возмущающему воздействию (рис. 7) практически одинаков для различных в указанных переделах скоростных режимов.

Рис.6

Рис.7

Для повышения эффективности рассматриваемого подхода к задаче управления, был проведен синтез системы управления в пространстве состояний с использование наблюдателя в цепи обратной связи.

Проведен синтез системы регулирования путем о преде-! ления коэффициентов обратных связей.

Система управления задана уравнениями:

Х' = АХ + В1Г, У = СХ. Матрицы коэффициентов системы имеют вид:

0 10 0

0 0 1 ' в- 0

11 -Тх Лг. к

Г, Г, J\

, С=(1 0 0].

Доказано что система управляема и наблюдаема:

" С ' СА СА1

рассмотрена задача синтеза системы управления, уравнение состояния которой имеет вид:

Г(г)=[1 0 -орГ(г)

ПО-

0 1 0 0

.0.0. 1 0

_Л Л .Ь. к

. Ъ г, ■ г,. .4.

т

Г(() = [1 0 0]ЛГ(Г),Л: = [525 460 98],

Рис. 8

В приложении БдаиНпк пакета Ма^аЬ представлены структурная схема (рис. 8), которая синтезирована с регулятором-наблюдателем в цепи обратной связи.

На рис, 9 приведен переходной процесс в системе с наблюдателем в цепи обратной связи при действии возмущающего воздействия в виде 1(1), который по-

— -»о*

Аа^ V

Т|иУII Г«к< '')■' -"I

ан*««

Рис.10

казывает, что время регулирования удастся уменьшить вдвое. Однако такая система обладает серьезным недостатком. При изменении скорости будет меняться число кручений на единицу длины, в связи с чем, конечный продукт обладает различными свойствами.

Распределение крутки по , длине текстурируемого продукта

будет . уменьшаться, поэтому такую систему необходима дополнить -еще одним управляющим воздействием -число кручений необходимо изменять синхронно с изменением скорости

текстурируемого продукта с целью сохранения крутки постоянной,

В силу изложенного в данной. работе предложена модификация способа

управления температурой нити, которая связана с

регулированием времени контакта нити с нагревательным устройством. ,

На рис, 10 представлена схема моделирования данной системы. В качестве возмущающего воздействия рассматривается реальный характер изменения температурного режима нагревателя. Также показаны результаты моделирования системы (рис. 11), свидетельствующие о ее эффективности. Действительно при длительной отработке возмущения но каналу тирнсторный преобразователь-нагревающее устройство, температура текстурируемой нити сохраняется практически неизменной

Как показали проведенные исследования, рассмотренная выше система является высокоэффективной и отвечает всем техническим требованиям, предъявляемым к системам управления процессом текстурировакия, .

«Д —; ■---- ----

Л_У

1 -- 1 111' 1

Рис.11

Глава 4. Техническая реализация систем управления процессом нагрева синтетических нитей в процессе тексту рн ров а ння

В результате анализа устройств для нагревания синтетической нити, проведенного в первой главе, была предложена конструкция нагревательного элемента, обеспечивающая возможность регулирования времени контакта нити с нагревателем; На рис. 12 представлена конструкция предлагаемого нагревателя 1, который имеет выпуклую поверхность, на внешней стороне которой расположены вращающиеся ролики, которые с помощью исполнительного механизма могут перемещаться вдоль нагревателя, обеспечивая тем самым изменение времени контакта синтетической ннти с нагревателем. Подвижные ролики 3, приводятся в'движение исполнительным механизмом, в качестве которого может быть использован шаговый электродвигатель. Подвижные ролик» обеспечивают низкий коэффициент трения, в результате чего нити не сообщается дополнительная вытяжка.

• Информация о темперагуре текстурируемой нити, поступившая с измерительного преобразователя поступает на АЦП, и затем обрабатывается на ЭВМ

с помощью предложенной в данной работе программы.

В зависимости от текущего значения температуры ■нити используется один из возможных каналов управления.

В качестве основного исполнительного механизма используется шаговый

■ электродвигатель, который в случае отклонения температуры от заданного значения перемещает исполнительные ролики в пределах определяемых конечными выключателями. ■ -

; При достижении роликами границы этой' зоны подается команда на тнристорный преобразователь, который увеличивает или уменьшает ток нагревательного элемента. ■ "

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ГАБОТЕ

1. Проведен всесторонний анализ технологического процесса текстуриро-вания, как объекта автоматического управления. Сформулированы основные тре-

Рис. 12

бования, предъявляемые к системам автоматического управления температурными режимами в процессе текстурирования, '

2. Путем моделирования исследованы три варианта системы управления температурными режимами и определены их возможности по стабилизации температур текстурируемых нитей. * '

3. Проведено исследование процесса нагрева нити в термокамере, как объекта автоматического управления при использовании в качестве управляющего воздействия скорости движения нити

4. Проведен синтез системы управления температурным режимам с наблюдателем состояния и путем моделирования определена эффективность этой системы.

5. Предложена конструкция нагревательного устройства позволяющая реализовать систему управления процессом нагрева текстурирующей нити при использовании а качестве управляющего воздействия время контакта нити с нагревателем.

6. Исследован и разработан одноканальный датчик температуры движущейся нити. Разработан и изготовлен стенд для испытаний одноканального датчика температуры с ИК-световодом, проведены сравнительные измерения температуры радиационным и контактным методом.

. 7. Разработаны функциональная и структурная схемы системы автоматического управления температурным режимом нагрева синтетической нити при использовании в качестве управляющего воздействия время контакта нити с нагревающем устройством. .

, 8. Разработано программное обеспечение, обеспечивающее компьютерную реализацию систем управления температурными режимами.

9. Путем моделирования установлена высокая эффективность системы управления обеспечивающая минимальное время регулирования.

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. Круглова C.B., Лопаткина М.В., Ру мянцев Ю.Д., Тимохин АД. Устройство для автоматического бесконтактного контроля температуры, - Тезисы докладов научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности».— И.: ПРОГРЕСС 2004. е.-143-144.

2. Лопаткина МБ, Румянцев Ю.Д. Устройство для автоматического контроля температуры текстильных материалов. - Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текста] ь-2004.- М.; МГТУ им. А.А.Косыгина 2004.-205 с. .'.''..

• i ., 3. Лопатхина М.В,, Ачкасова Н.Г.. NeueAutomatisirungsmöglichkemen

auf dem Gebit des Textilmaschinenbaus. Тезисы докладов научно-прахтической конференции аспирантов на иностранных языках. М.: МГТУ им. А Л .Косыгина 2004. -17с. . ■ ... ,

4. ' Лопатки на МБ, Румянцев Ю Д. Устройство для автоматического контроля темперапуры текстильных материалов. - Современные технологии и оборудование текстильной промышленности.'Текстиль-2004 - М.; МГТУ им. А А. Косыгина

; 2004.-205 с.

5. Лопаткина М.В., Румянцев ЮД. Автоматический контроль температуры нити в процессе текстурирования. Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 10 - M. MI "ГУ им. A.A. Косыгина 2005. е.- 70-73.

- , 6. Лопаткина М.В., Румянцев Ю.Д. Система управления температурными режимами в процессе текстурирования. - Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстапь-2005 - М.; МГТУ им. А.А.Косыгина 2005.-232 с. . --.

- 7. Лопаткина Mi, Меер ЕА., Румянцев Ю.Д., Берикашвилн В.Ш, Автоматический контроль температуры нити в процессе текстурирования. - Тезисы докладов научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» — И.: ПРОГРЕСС 2005.

. С.-60-61.

8: Круглова C.B., Лопаткина М.В. Устройство для автоматического бесконтактного контроля температурных режимов при производстве фторидных оптиче-

. ских волокон. Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Дни науки-2005». - С-Петер. 2005. - 75 с.

■'■,'. 9. Лопаткина МЛ „Румянцев Ю.Д., Берикашвили В.Ш. Автоматический контроль температуры нити в процессе текстурирования. - Химические волокна №6 2006. с - 19-21. ■ .

10. Лопаткина М.В., Румянцев Ю.Д. Расчет параметров волоконно-оптической системы, - Деп. в ВИНИТИ Хя 832-В 2006. - 13 с.

Подписано в печать 24.11.06 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ, Усл.печл. 1,0 Заказ 459 Тираж 80 МГТУ им. А.Н. Косыгина, 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ процесса текстурирования, как объекта автоматического управления.

1.1. Анализ современных однопроцессных текстурирующих машин, оснащенных системами автоматического контроля и управления.

1.2. Анализ влияния термообработки в процессе текстурирования на физико-механические свойства конечного продукта.

1.3. Известные методы и средства автоматического контроля и управления температурой в процессе текстурирования.

1.4. Анализ температурных режимов в термокамере текстурирующей машины.

1.5. Влияние скорости движения лавсановых нитей на температуру нитей. 49 Выводы по главе.

Глава 2. Исследование и разработка волоконно-оптического датчика температуры с ИК-световодом.

2.1. Анализ свойств волоконно-оптических преобразователей.

2.2. Расчет параметров волоконно-оптической системы датчика.

2.3. Выбор активного элемента волоконно-оптической системы.

2.4. Разработка конструкции стенда для исследования одноканального датчика температуры с поликристаллическим ИК-световодом.

Выводы по главе.

Глава 3. Исследование и разработка системы автоматического управления температурным режимом в процессе текстурирования.

3.1. Структурная схема системы управления процессом нагрева текстурируемой нити.

3.2. Синтез системы управления по каналу «скорость движения нити -температура нити».

3.3. Система, использующая в качестве управляющего воздействия время контакта нити с нагревательным устройством.

Выводы по главе.

Глава 4. Техническая реализация систем управления процессом нагрева синтетических нитей в процессе текстурирования.

4.1. Модернизированная конструкция нагревательного устройства.

4.2. Микропроцессорная система управления шаговым двигателем.

4.3. Волоконно-оптический датчик температуры.

4.4 Системы управления временем контакта нити с термокамерой.

Выводы по главе.

Актуальность работы. Основными целями концепции развития текстильной промышленности РФ являются: повышение эффективности производства современных конкурентно способных товаров, удовлетворяющих потребности населения и государства; обеспечение глубокой переработки отечественного сырья, в частности, химических волокон и нитей; а также увеличение удельного веса химических волокон в сырьевом балансе отрасли.

Технологический процесс текстурирования, обеспечивающий получение высокообъемных нитей из синтетических волокон, является важной составляющей для достижения поставленных в указанной концепции целей.

Текстурированные нити, мировое производство которых превышает полтора миллиона тонн в год, успешно применяют для изготовления текстильных изделий широкого потребления: чулок, носков, верхнего и нижнего трикотажа, формоустой-чивого трикотажного полотна, используемого для пошива мужских и женских костюмов, пальто, для производства искусственного меха, ковров, одеял, драпировочных и обивочных тканей и т.п. В этих условиях важным является обеспечение высокого качества текстурированных нитей, позволяющего существенно повысить конкурентную способность отечественных товаров.

Повышение качества и производительности процесса текстурирования неразрывно связанно с постоянным совершенствованием технологического процесса, оборудования, а также систем автоматического контроля и управления.

В связи с вышеизложенным, тема диссертационной работы, посвященная исследованию и разработке системы автоматического управления температурными режимами в процессе текстурирования является весьма актуальной.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование и разработка системы управления температурными режимами в процессе текстурирования синтетических нитей, обеспечивающей получение конечного продукта с заданными физико-механическими свойствами.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ особенностей технологического процесса текстурирования синтетических нитей. Исследование существующих технологических процессов, оборудования, а также известных систем автоматического контроля и управления температурными режимами в процессе текстурирования.

2. Экспериментально-теоретическое исследование технологического процесса нагрева нагревательного устройства и синтетической нити, как объекта управления.

3. Получение математической моделей процесса нагрева нагревательного устройства и текстурируемой нити.

4. Выбор структур систем автоматической стабилизации температуры нагревательного устройства и синтетической нити в процессе текстурирования.

5. Синтез системы автоматической стабилизации температуры синтетической нити в термокамере текстурирующей машины.

6. Разработка и исследование микропроцессорной системы управления шаговым электроприводом.

7. Исследование и разработка волоконно-оптического датчика температуры синтетической нити непосредственно в термокамере текстурирующей машины.

8. Экспериментальное исследование макетного образца волоконно-оптического датчика температуры синтетической нити.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса нагрева синтетической нити в процессе текстурирования. Результаты параметрической идентификации.

2. Конструкция нагревательного устройства текстурирующей машины, обеспечивающая новый подход к системе управления нагревом синтетической нити.

3. Принцип управления процессом нагрева синтетической нити с использованием в качестве управляющего воздействия времени контакта нити с нагревателем.

4. Двухканальная структура системы управления процессом нагрева синтетической нити.

5. Имитационная модель системы управления процессом нагрева синтетической нити.

6. Оптоэлектронный бесконтактный способ измерения температуры синтетической нити непосредственно в термокамере текстурирующей машины.

7. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования разработанных алгоритмов и схем контроля и управления.

Методика проведения исследований. В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. При построении математической модели процесса нагрева синтетической нити был использован метод экспериментальной идентификации и компьютерной обработки информации. Теоретические исследования основывались на методах современной теории автоматического управления, теории информационно-измерительных систем. Экспериментальная часть исследований проводилась с использованием высокоточных регулирующих и измерительных приборов. Для исследования алгоритмов управления использовались методы математического моделирования в среде Matlab.

Научная новизна. Исследован процесс нагрева синтетической нити как объекта автоматического управления. Предложена математическая модель процесса нагрева нити. Разработана система стабилизации температуры синтетической нити в процессе текстурирования, использующая в качестве основного управляющего воздействия время контакта нити с нагревателем.

Предложена конструкция нагревательного элемента, позволяющая реализовать новый подход к системе управления процессом нагрева синтетической нити.

Разработан волоконно-оптический датчик температуры синтетической нити непосредственно в термокамере текстурирующей машины.

Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей процесса нагрева синтетической нити, системы стабилизации температуры тексту-рируемой нити, а также система автоматического контроля нити в процессе текстурирования подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

Практическая ценность. Полученные научные результаты могут быть использованы при создании и совершенствовании систем управления процессом нагрева синтетической нити.

Развиваемые в диссертации методы автоматического контроля и управления могут найти применение для автоматизации аналогичных операций в производстве химических волокон, а также других продуктов, получаемых путем вытягивания из расплавов.

Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2004, Текстиль-2005, Текстиль-2006), Всероссийской научной конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы тактильной и легкой промышленности» (Прогресс-2004, Прогресс-2005).

Публикации, По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 81 наименований и 1 приложений. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 11 таблицы, 82 иллюстраций.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведен всесторонний анализ технологического процесса текстурирования как объекта автоматического управления. Сформулированы основные требования, предъявляемые к системам автоматического управления температурными режимами в процессе текстурирования.

2. Путем моделирования исследованы три варианта системы управления температурными режимами и определены их возможности по стабилизации температур текстурируемых нитей.

3. Проведено исследование процесса нагрева нити в термокамере как объекта автоматического управления при использовании в качестве управляющего воздействия скорости движения нити.

4. Проведен синтез системы управления температурным режимом с наблюдателем состояния и путем моделирования определена эффективность этой системы.

5. Предложена конструкция нагревательного устройства, позволяющая реализовать систему управления процессом нагрева текстурирующей нити при использовании в качестве управляющего воздействия времени контакта нити с нагревателем.

6. Исследован и разработан одноканальный датчик температуры движущейся нити. Разработан и изготовлен стенд для испытаний одноканального датчика температуры с ИК-световодом, проведены сравнительные измерения температуры радиационным и контактным методом.

7. Разработаны функциональная и структурная схемы системы автоматического управления температурным режимом нагрева синтетической нити при использовании в качестве управляющего воздействия времени контакта нити с нагревающем устройством.

8. Разработано программное обеспечение, обеспечивающее компьютерную реализацию систем управления температурными режимами.

9. Путем моделирования установлена высокая эффективность системы управления, обеспечивающая минимальное время регулирования.

1. В.А. Усенко. Переработка химических волокон (технология кручения и текстурирования). М: «Легкая индустрия» 1975.

2. В.А. Усенко. Производство крученых и текстурированных химических нитей. М.: Легпромбытиздат, 1987.

3. Л.С. Смирнов, В.А. Шавлюк. Текстурированные нити. М.: «Легкая индустрия», 1979. -232 с.

4. В.А. Усенко, В.А. Ивашова. Оборудование для прядильного производства и производства химических волокон. -М.: ЦНИИТЭИлегпищемаш, 1979.

5. А.Г. Севостьянов, В.Г. Козлов, А.А. Осмин и др. Механическая отехнология текстильных материалов. М.: Легпромбытиздат, 1989. - 512 с.

6. Д.И. Каландаров. Особенности переработки текстурированных нитей эластик малой линейной плотности. М.: Легпромиздат, 1988.

7. Г.Г. Трошина. Временный технологический режим текстурирования химических нитей на машине ТК-600 М.: ЦНИИТЭИлегпром 1983.

8. Э.М. Айзенштейн. Мировое производство химических волокон и нитей. Часть III. Химические волокна в современной России. Журнал «Текстильная промышленность», № 11, 2004.

9. Э.М. Айзенштейн. Оборудование для производства и переработки химволо-кон и нитей на «ИНЛЕГМАШ 2004». Журнал «В мире оборудования», № 9, 2004.

10. Э.М. Айзенштейн, В.А. Ефремов. /Каталог «В мире оборудования», № 5-6 (10-11), май-июнь 2001, с. 24.

11. Chemical Fibers International, 53, № 4, September 2003, s. 225

12. M.Pura, D.Noss, M.Herzberg. Barmag/Sauer. Developments. Trends. Technologies./октябрь 2003.

13. В.В. Живетин. Перспективы развития Российского комплекса по производству и переработке химволокон и нитей для текстильной промышленности. «Российский химический журнал», № 2, 2002.

14. Ю.А. Кузнецов. Интенсификация процесса термофиксации синтетических нитей способом ложного кручения. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МТИ, 1987.

15. Dupeuble I.C. Исследование условий текстурирования химических нитей. «L'industrie textile», 1977, № 1073, с.642.644.

16. Seidel Leon Е. Контроль качества текстурированных нитей. «Textil Industries», 1977,141, №7 с. 25.28, 49.

17. Исследование колебаний линейной плотности нити. «Chemiefasern/textile-industrie», 1977, №9 с. 776, 778, 782, 787-778.

18. Anahara Meiji, Fujita Takayoski. Устройство для регулирования ложной крутки. Пат. США, Кл.57/34 Hs. № 551782.

19. Fischer К. Фрикционное текстурирование нитей. «Chemiefaserrn/textile-industrie», 1977, № 10, с. 895-896.

20. С.А. Игнатенко, И.Д. Пупышев. Устройство для регулирования температуры нити. -Барноульское опытно-конструкторское бюро автоматики Научно-производственого объединения «Химавтоматика»; Авторское свидетельство СССР № 735679, Кл. D 02 J 1/22,1978.

21. В.С.Балакирев, Е.Г. Дудников, A.M. Цирлин. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления. М.: «Энергия», 1967.

22. Н.П. Осипов и др. Определение температуры движущейся нити. Журнал «Химические волокна», № 2,1989.

23. А. Скобова, С. Медвецкий. Технология получения искусственных текстурированных нитей. Журнал «В мире оборудования», № 11,2003.

24. Автоматизация процесса текстурирования. Журнал «Химические волокна», № 4,1993.

25. Круглова С. В. Система автоматического управления температурным режимом нагрева заготовки при производстве фторидных волокон. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

26. Ю. Д. Румянцев, А. А. Тимохин. «Параметрическая оптимизация систем автоматического управления технологическими процессами». Учебное пособие. -М., 2002.

27. Жансагимов Б.Ж. Математическая модель нагрева нити в процессе текстурирования волокон. Статья депонирована в ЦНИИТЭИлегпром, сентябрь 1983, № 804.

28. Жансагимов Б.Ж., Епифанов А.Д., Володин В.М. определение оптимальной скорости движения нити в процессе текстурирования синтетической нити. Статья депонирована в ЦНИИТЭИлегпром, сентябрь 1983, № 805.

29. Жансагимов Б.Ж. разработка оптимальной системы автоматического управления процессом текстурирования синтетических нитей. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1984

30. Рабкин P.JL, Смагоринский А.Б. Автоматизированные электроприводы машин для производства синтетических нитей. Л.: Машиностроение, 1982.

31. Думченко Ю.В., Соколов П.М. Способ стабилизации режима термовытяжки химических нитей. Авторское свидетельство СССР № 619552, Кл. D 01 D 5-22,1978.

32. Трухан А.А., Минак Я.А., Шекера С.А. Устройство для термического окисления материала при производстве углеводных волокон. Авторское свидетельство СССР № 1144432 Кл. D 02 J 13/00 1983.

33. Кодайра А. Нагреватель синтетической нити. Авторское свидетельство СССР № 518144 Кл. D 02 J 13/00 1976.

34. Кодайра А. Устройство для термической обработки пряжи. Авторское свидетельство СССР № 579918 Кл. D 06 J 13/00 1978.

35. Изоар Б. Устройство для термообработки нити. Авторское свидетельство СССР № 575041 Кл. D 02 J 13/00 1978.

36. Альтер-Песоцкий Ф.Л., Бровченков В.Е., Гонтарев Г.Г., Корьев А.С. -Устройство для термообработки крученых изделий из синтетических и натуральных волокон. Авторское свидетельство СССР № 347378 Кл. D 02 J 13/00 1970.

37. Самосюк П.А. Камера для нагрева непрерывно движущихся нитей. № 580832 D 02 J 13/00 1986.

38. Масанов Д.В., Себина Л.П. Автоматическая диагностика процесса текстурирования- Химволокна, 2005. -№ 2.

39. Лопаткина М.В., Румянцев Ю.Д. Устройство для автоматического контроля температуры текстильных материалов. Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2004 - М.; МГТУ им. А.А. Косыгина 2004. - 309 с.

40. М.В. Лопаткина, Круглова С.В., Румянцев Ю.Д. Устройство для автоматического контроля температуры текстильных материалов. Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 8 М. МГТУ им. А.А. Косыгина. - 128 с.

41. Лопаткина М.В., Румянцев Ю.Д. Автоматический контроль температуры нити в процессе текстурирования. Деп. в ВИНИТИ № 831-В 2006. - 9 с.

42. Лопаткина М.В., Румянцев Ю.Д. Расчет параметров волоконно-оптической системы. Деп. в ВИНИТИ № 832-В 2006. - 13 с.

43. Ламекин В.Ф., Галкин С.Л., Шишигин Р.В., Прилуцкая Г.В. Волоконно-оптические датчики в контроле качества продукция, Обзорная информация: М., 1990. - (Сер. «Управление качеством продукции»; Вып.З/ВНИИКИ). В нздззг.: Госстандарт СССР. Я-блиогр.: с. 42.

44. Шишигин Р.В. Техника средств связи. М.: Экое, 1985

45. Широков Г.И., Светиков Ю.В. Техника волоконно-оптических датчиков. -М.: Экое, 1988

46. The prezent and future status of fitjre optic sensorp in industry Medcloc E.S. «Meascand Contr», 1987,20, №3, p. 14-17.

47. Бутусов М.И., Галкин С.Л., Оробинекий СП. Волоконная оптика и приборостроение.-Л.: Машиностроение, 1987

48. Giallorenai T.G., Bucano Y.A., Dandridge A, Cole Y.A. Optical fiber sensors, challenge the conrpetion // IEEE Spectrum 1986, September. - p. 44-49.

49. Пароль H.B., Кайдалов C.A. Фоточувствительные приборы и их применение. М.: Радио и связь, 1991. - 110 с.

50. Иванов В.В., Аксенов А.И., Юшин A.M. Полупроводниковые оптоэлек-тронные приборы. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 448 с.

51. Носов Ю.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение. М.: Радио и связь, 1987.-276 с.

52. Электронные приборы. /Под ред. Г.Г. Шишкина. М.: Энерго-атомиздат. 1989. - 254 с.

53. Быстров Ю.А., Гамкрелидзе С.А., Иссерлин Е.Б., Черепанов В.П. Электронные приборы и устройства на их основе. Справочная книга. «РадиоСофт», М., 2002. 656 с.

54. Лайнс М., Глас А. Сегнетоэлектрики и родственные материалы. М.: МИР, 1981.-524 с.

55. MURATA: пьезоэлектрические, магниторезистивные и пироэлектрические датчики. -М.: Изд. Дом «Додэка-ХХ1», 2003. 80 с.

56. Волоконно оптические датчики. Под ред. Т. Окоси: Пер с япон. - JL: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.-256 с.

57. В.И. Брусурин, Ю.Р. Носов. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы рачета и применения. М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1990.

58. Н.А. Бабаков, А.А. Воронов и др. Теория автоматического управления.Ч.1. Теория линейных систем автоматического управления. М.: «Высшая школа», 1997.

59. Костылева Н.Е. методы анализа и синтеза линейной системы управления сложными объектами текстильной промышленности. Конспект лекций. М.: МТИ, 1983,-с. 68.

60. Соседка В.Л. Современная теория управления. Конспект лекций. К.: КГУ, 1999.-с. 68.

61. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Учебник для студентов высш.техн.заведений. Изд.2-е, перераб. И доп. Л.: «Энергия», 1975. - 416 с.

62. Андреев В.А. Управление конечномерными линейными объектами. -М.: Наука, 1976.-424 с.

63. Воронов А.А. Введение в динамику сложных управляемых систем. М.: Наука, 1985.-351 с.

64. Петелин Д.П., Козлов А.Б., Джелялов А.П., Шахнин В.А. Уч. Пособие: Автоматизация технологических процессов в текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1980. - 320 с.

65. Петелин Д.П., Козлов А.Б., Джелялов А.П., Шахнин В.А. Учеб.

66. Для вузов в 5 книгах: Автоматизация производственных процессов текстильной промышленности. Автоматизация химико-технологических процессов текстильного производства. М.: Легпромиздат,1994. - 96с.

67. Кенио Т., Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 200 с.

68. А.А Макаров, Д.П. Петелин, Ю.Д. Румянцев, С.Е. Рыбкин, Математическое описание процессов управления в электрических двигателях. -М.: МГТУ, 2000 60 с.

69. Козлов А.Б., Румянцев Ю.Д., Тимохин А.Н., Круглова С.В. Автоматизация процесса производства оптических волокон. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2005. -192 с.

70. Старченко С.А. Система автоматического управления процессами вытяжки и намотки оптического волокна. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М 2001.

71. Како Н., Ямане Я. Датчики и микро ЭВМ: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1986.

72. Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: БИНОМ, 1994.

73. Гелль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс. Пер. с франц. - М.: ДМК, 1999.

74. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение.-М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1990.