автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование методов компьютерного моделирования систем управления процессом кардочесания двухкомпонентных смесей

На правах рукописи

005014700 /">

у/.//

ГРОМОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ ?ч'^'/ ''

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КАРДОЧЕСАНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ¿0:2

Москва - 2012 г.

005014700

На правах рукописи

ГРОМОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КАРДОЧЕСАНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012 г.

Работа выполнена на кафедре информационных технологий и систем автоматизированного проектирования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Севостьянов Петр Алексеевич

Официальные оппоненты Макаров Александр Анатольевич

доктор технических наук, профессор федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

профессор кафедры автоматики и промышленной электроники

Ордов Константин Васильевич кандидат технических наук ООО «Оценка-ДАКО» заместитель директора

Ведущая организация Некоммерческая организация

Учреждение «Центр «СКС»

/ 00

Защита диссертации состоится «&£» марта 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 улица, 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 «£{ » февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.139.03, доктор технических наук, профессор

Фирсов Андрей Валентинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важных задач мирового рынка товаров является установка строгих требований к качеству изделий, выпускаемых всеми отраслями хозяйства, в том числе и текстильной. Качество пряжи в текстильной промышленности напрямую зависит от неровноты продуктов первых технологических переходов, одним из которых является процесс кардочесания.

Обеспечение однородности сырья заданного качества на производстве достигается смешиванием в однородную массу волокон различной природы и свойств в соответствии с компонентным составом. Многокомпонентные смески - это основное сырье для переработки в прядильном производстве.

Стабильность линейной плотности волокнистого материала с требуемыми долями компонентов, составляющих смеску, на выходе кардочесального оборудования является главным условием получения качественной ленты, ровницы и пряжи.

Большое число разработок в этой области основано на проведении натурных экспериментов с использованием производственного или лабораторного оборудования, которые требуют больших трудовых и материальных затрат. Другой подход основан на аналитических методах динамики систем и теории автоматического регулирования, которые оказались недостаточно мощными в связи с обобщенными оценками качества смешивания и свойств смешиваемого материала. В этих условиях метод компьютерного моделирования динамических систем оказывается наиболее эффективным и перспективным: для решения задач построения систем автоматического управления (САУ). Реализация метода включает в себя построение модели объекта и системы управления, а ее эффективность связана с возможностью автоматизации исследований.

Целью данной диссертационной работы является разработка методов моделирования и компьютерных моделей смешивания волокнистого материала в процессе чесания на валичной кардочесальной машине и исследование САУ изменением долевого состава волокнистого материала.

Предмет исследования. Объектом исследования являются задачи смешивания и выравнивания продукта в процессе кардочесания на валичной кардочс.-сапьной машине и разработки систем управления этим процессом.

Методы исследования. В работе использованы методы математического и имитационного компьютерного моделирования, корреляционного я спектрального анализа, статистической обработки данных, теории автоматического регулирования.

Научная новизна работы.

1. Разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования потока волокнистого материала, описываемого линейной плотностью и компонентным составом.

2. Разработаны алгоритмы компьютерной имитации внутрикомпонентно-го смешивания на основе загрузки и волокнообмена рабочих органов валичной кардочесальной машины, математические модели процессов межкомпонентного смешивания с учетом долевого состава компонентов и коэффициентов перехода волокон на съемный барабан.

3. Методом статистического моделирования исследованы переходные режимы процессов выравнивания и смешивания долевого состава двухкомпо-

нентной волокнистой смеси.

4. Разработана структура САУ с использованием передаточных функций для оценки изменения и регулирования компонентного состава волокнистого продукта на выходе валичной машины.

5. Разработана система автоматического выравнивания разнородных волокнистых смешанных масс с регулятором линейной плотности и регулятором

долевого компонентного состава.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Эксперименты с применением методов математического и компьютерного моделирования на построенных имитационных моделях кардочесальной машины и САУ позволили выработать рекомендации по обеспечению заданного компонентного состава смеси, проверить и оптимизировать структуру системы автоматического управления долевым составом. Это позволяет усовершенствовать процесс чесания волокнистой массы, снизить неровноту волокнистой массы по линейной плотности и компонентному составу.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Тек-стиль-2009)" (г.Москва, МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2009); на всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности (Дни науки 2009)" (г. Санкт-Петербург, СПГУТД, 2009); на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов "Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск-2009)" (г.Иваново, ИГТА, 2009); на международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики и региона (ЛЕН-2010)" (г.Кострома, КГТУ, 2010); на международной научно-технической конференции "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2010)" (г.Москва, МГТУ им.

А.Н.Косыгина, 2010).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи, входящие в список изданий, рекомендованных ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 55 наименования и 1 приложения. Основное содержание изложено на 162 страницах, в т.ч. приложение на 12 страницах, содержит 54 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование выбора темы и доказывается ее актуальность, излагается научная новизна и практическая значимость работы, формулируются цель и задачи исследования.

Первая глава посвящена обзору работ по математическим моделям, описывающим задачи смешивания и выравнивания процесса кардочесания валич-ной кардочесальной машины при переработке многокомпонентных смесок. Рассмотрены исследования процесса чесания при переработке однокомпонент-ных смесей и основные типы схем систем автоматического выравнивания линейной плотности волокнистого материала (ВМ). Приведены основные факторы, влияющие на однородность выпуска одно и многокомпонентного продукта кардочесальной машины, которая должна контролироваться системой управления.

Во второй главе изложены разработанные математические модели изменения компонентного состава ВМ в динамических режимах процесса кардочесания на валичной чесальной машине с одним выпуском и системами рабочий -съемный валики. На основании рассмотрения основных зон перехода волокон между трущимися поверхностями рабочих органов была построена модель движения волокнистой массы внутри машины с учетом линейной плотности продукта (рис.1-а) и с учетом транспортного времени запаздывания (рис. 1-6)

Рис.1

Соотношения, описывающие преобразования линейной плотности внутри однокомпонентного ВМ, имеют вид:

(') = et> s2(0 = + ei3<'-Tii)Ki-P); *3(0 = -Ti):

g7(0 = s5(< - + - = *7<f - T5^2; = «7(i - T5)(1 - Ks2y'

g10(O = *8C -16) + y9(i - т7); g,!(0 = g10C -^12W = *10<' ~T8)(1 ~ 3 (0 = gu (' - V + «12С " T10);

где t - текущий момент времени; g,(t) - загрузка BM на z-ой зоне чесания; х, -время транспортного запаздывания волокнистой массы на г'-м участке барабана; X - коэффициент съема съемного барабана; Р - коэффициент выпадов сорных примесей волокна из питающей загрузки; Ks, - коэффициент перехода волокна с главного барабана на i-yio рабочую пару.

Для двухкомпонентного ВМ зависимость фактического коэффициента съема от долевого компонентного состава волокнистого потока была аппроксимирована линейными зависимостями следующего типа:

xfaKm =Л[ + ДЦ/q - Pq), 4аКт = Л2 + ШР0 ~ Ф'

° g\(t) +81 (.')' ° g\«) + gf(t~)'

где "kf"""" - фактический коэффициент съема i'-го компонента в ВМ; Л,- - среднее значение коэффициента съема г'-го компонента в ВМ; А\ - коэффициент чувствительности; Ро - доля j-го компонента от общей доли ВМ; g\(t) - загрузка г-го компонента ВМ.

С моделями были выполнены эксперименты, которые подтвердили наличие неровноты по компонентному содержанию волокнистой массы на выходе и позволили ее оценить с помощью оценок среднего значения доли компонента смеси, среднеквадратического отклонения (СКО) и коэффициента вариации (KB).

В первом эксперименте варьировались коэффициенты съема для компонентов. Это позволило оценить неровноту компонентного состава смеси. Результаты эксперимента, представленные табл.1, показали, что как при разных, так и при одинаковых коэффициентах съема независимо от закона распределения питающей загрузки длительность переходного режима по линейной плотности для каждого из компонентов различна. Поэтому и длительность переходного режима по долевому составу компонентов отличается от длительности переходного процесса по линейной плотности. При синтезе системы автоматического регулирования (САР) необходимо учитывать это различие динамики процессов преобразования для компонентов, составляющих смесь.

Второй эксперимент был проведен для оценки влияния коэффициента чувствительности на изменение компонентного долевого состава ВМ. Результаты эксперимента показали, что при увеличении коэффициента чувствитель-

ности увеличиваются случайные вариации в переходном процессе долей компонентов.

Таблица 1

Коэф. съема компонентов: Расход продукта на входе ЧМ Среднее значение доли СКО КВ, %

1-го 2-го компонент компонент компонент

1 2 1 2 1 2

0.1 0.1 1* 0.298 0.702 0.049 0.049 16.44 6.98

0.08 1* 0.319 0.681 0.053 0.053 16.48 7.78

0.1 2* 0.298 0.702 0.049 0.049 16.31 6.98

0.08 2* 0.317 0.683 0.052 0.052 16.39 7.61

0.1 3* 0.357 0.643 0.058 0.058 16.29 9.02

0.08 3* 0.380 0.620 0.062 0.062 16.37 10.0

0.1 4* 0.325 0.675 0.053 0.053 16.33 7.85

0.08 4* 0.351 0.649 0.058 0.058 16.39 8.94

1 * - Случайный по нормальному закону; 2* - периодический по гармоническому закону; 3* - ступенчатое изменение; 4* - случайный по равномерному закону

Третий эксперимент был проведен для исследования автоматической системы регулирования с использованием ПИ-регулятора в обратной связи. На вход машины поступал двухкомпонентный ВМ в пропорции 30% х 70%. Линейная плотность ВМ на входе чесальной машины (ЧМ) моделировалось вероятностным временным рядом с коэффициентом вариации 20% для первого и второго компонентов. Значения параметров передаточных функций первого и второго компонентов представлены таблицей 2.

Результаты эксперимента представлены графиками переходных процессов, изображенными на рис.2. Кривая РЪ показывает изменение разностной характеристики компонентов (Р1-Р2) в общей доле смеси.

Таблица 2

Показатели Усл.обозначение Значение Ед. измерения

Постоянная времени объекта по ком- То\,То2 15 сек

понентам ТЫ, ТЫ 6 сек

Коэффициент передачи Кр\,Кр2,КрЪ,КрА 1 -

Время транспортного запаздывания ТаиОІ, Таи02 3 сек

ТаиВІ, ТаиВ2 6 сек

Коэффициент съема А1/а\ А1/а2 0.1 0.08 _

Доля компонента к\ 0.7 _

к.г 0.3 -

Коэффициент чувствительности <1А1/а 0.06 -

Результаты эксперимента показали, что время регулирования и число колебаний у системы с использованием регулятора (рис.2-б) в отличие от системы без регулятора (рис.2-а) значительно уменьшилось, однако наблюдалась стати-

ческая ошибка доли компонентов. Поэтому для обеспечения заданного запаса устойчивости при любых возможных вариациях параметров процесса требуется соответствующая точная настройка параметров регулятора

Р| 0.7 О.В 0.5 0.4 0.3

В третьей главе проведены результаты однофакторных компьютерных экспериментов с разработанными моделями валичной машины при загрузке ее двухкомпонентным ВМ; обработки и анализа этих результатов для исследования неровноты волокнистого потока по линейной плотности и долевому составу в переходных режимах работы машины.

С целью уточнения списка варьируемых факторов и диапазона их варьирования был проведен предварительный эксперимент. Результаты этого эксперимента были использованы для оценки чувствительности линейной плотности и долевого компонентного состава к вариациям различных конструктивных и технологических параметров валичной машины, а также для отсеивания несуществующих факторов и оптимизации плана протекания последующих экспериментов.

В качестве контролируемых характеристик ВМ использовались: переходная характеристика доли компонентов на выходе валичной машины Р1(!,*), среднее значение доли компонента (Слг*), СКО (Sig*) и КВ {Су*). Результаты экспериментов для всех групп опытов представлены также оценками спектральной плотности дисперсии и автокорреляционной функции.

Однофакторные эксперименты включали в себя 4 группы опытов, отличающихся варьируемыми параметрами.

В эксперименте Э1 варьируемым параметром являлось число рабочих пар валиков машины п. Результаты, представленные табл. 3, показали, что при увеличении числа рабочих пар валиков наблюдается снижение неровноты по линейной плотности как смеси, так и отдельных ее компонентов.

В эксперименте Э2 исследовалось влияние фактора наличия двух съемных барабанов 51 и ¿2 на производительность машины и равномерность вырабатываемого волокнистого потока.

Зависимости коэффициента вариации Су от двухкомпонентного состава

; Р2

г——

рз :

О 100 200 300 400 500 600 700 I

а) без регулятора;

Р1

; р2

—:

; ; РЗ

0 100 200 300 400 (

б) с регулятором

Рис.2

смески: 10% х 90%, 20% х 80%, 30% х 70%, 40% х 60% и 50% х 50%, - приведены рис.3, где: 1,2- зависимости для 1-го и 2-го компонентов съемного барабана л і ; 3, 4 - зависимости СуЗ(^г), 04^эг) для 1-го и 2-го компонентов съемного барабана $2. Результаты эксперимента выявили, что наличие второго съемного барабана способствует не только повышению производительности, но и выравниванию ВМ.

Таблица 3

п Среднее значение доли СКО КВ, %

компонент компонент компонент

1 2 1 2 1 2

3 0.320 0.677 0.053 0.053 16.27 7.82

4 0.317 0.680 0.048 0.048 15.25 7.06

5 0.315 0.682 0.042 0.042 13.35 6.16

6 0.313 0.684 0.036 0.036 11.52 5.26

7 0.312 0.685 0.030 0.030 9.48 4.38

8 0.310 0.687 0.021 0.021 6.72 3.06

■ 1 т..... - і і

ч

25 - \ -

\ 1

10 /

\ / 2

15 - / 3

10 '----

г і ' '

0.1 /0 3 0.2/0.8 0.3/0.7 0.4 /0.6 06/

Рис.3

В эксперименте ЭЗ варьировался параметр коэффициент чувствительности с!Л1/а для оценки его влияния на выравнивание компонентного состава волокнистого потока. Зависимость коэффициента вариации Су от коэффициента чувствительности (1А1/а приведена на рис.4.

Кривые 1 и 2 представляют зависимости СіЛ^.чг), Cv2(gsr) для 1-го и 2-го компонентов съемного барабана лі; кривые 3 и 4 - зависимости для 1-

го и 2-го компонентов съемного барабана ¡2. Результаты показали, что влияние коэффициента чувствительности на изменение компонентного состава незначи-

тельное, поэтому при синтезе САР вариациями этого коэффициента можно пренебречь.

В эксперименте Э4 варьируемым фактором был диаметр главного барабана валичной машины. Результаты эксперимента показали, что при числе рабочих нар валиков до 5 диаметр барабана может быть в пределах до 1250 мм, а при большем числе пар валиков эффективность машины возрастает при увеличении диметра главного барабана до 1500 мм.

В четвертой главе описывается разработанная одноконтурная система автоматического регулирования линейной плотности ВМ при переработке двух-компонентных смесей на валичной кардочесальної"! машине: приводятся выбор и обоснование инструментальных средств, описываются особенности и специфические условия задачи выравнивания и возможности САР в виде ее детализированной структуры с блоками (рис.5).

Рис.5

Блок подсистемы Step генерирует линейную плотность смесевого потока, питающую машину в пропорции: для первого компонента (74 и для второго компонента G5. При переработке смесей важную роль играет учет эффекта многокомпонентное™ состава смеси, так как различные по своей природе компоненты по-разному перерабатываться на ЧМ. Например, лавсан, в отличие от шерстяных волокон, обладая очень высокой упругостью, цепкостью и пушистостью, быстро «забивает» гарнитуру. Поэтому следует учитывать различие во времени транспортировки между рабочими органами машины, коэффициентах перехода волокна на рабочие пары при основном чесании и коэффициентах съема разных компонентов при переработке в составе смеси. Таким образом, звенья модели машины, образующие канал прямой связи и канал обратной связи у разных компонентов одинаковы, однако значения параметров передаточных функций: постоянных времени запаздываний Л 1, 712, 721, Т22 и коэффициентов передачи Кр\, Кр2, КрЗ, Кр4, времени транспортного запаздывания каналов динамической системы TauR\, TauRl, ТаиМ\, TauMl и коэффициентов съема al, а2 компонентов, - различны.

Канал прямой связи первого компонента состоит из блока постоянной времени запаздывания TciuR 1, дробно-рациональной передаточной функций TranFnc 1 модели преобразования линейной плотности компонента потока, движущегося по главному барабану от приемного барабана до места перехода

на съемный барабан с учетом коэффициента съема равного а\ блока G6. Канал обратной связи движения волокон под главным барабаном от съемного барабана до приемного барабана приведен звеньями: ТаиМ\, TranFncl, G1 и дополнительным звеном G8, имитирующим выпад сорных примесей.

Моделирование процесса переработки на валичной машине второго компонента но каналу прямой связи представлено звеньями: TauRl, ТгапГпсЗ и (79; канала с обратной связью: ТаиМ2, TranFncA, G10 и Gl 1.

Суммирующие элемента подсистемы 53 и 54 моделируют переход волокон из канала с обратной связи в канал прямой связи и прием новых волокон потока питания машины. Сумматор S5 выполняет задачу выпуска общего смесовой потока волокнистой массы из машины, а блок D - вычисления долевого состава компонентов. Вывод графических результатов на экран осуществлен с помощью блока Scope.

г&-<

ТаиМ1

Кр2

T12.S+1 /

/ \

ч Кр1 t »1

) У T11s*1 Ч

67 Ь6

Кр4

T22.S1-1

S4 КрЗ ♦

T21.S+1

|»сэ

0и<2

□

Scope

Рис.6

С моделью проведены три группы опытов с целью исследования выравнивающей способности системы при переработке смешанных двухкомпонент-ных масс.

В эксперименте Э5 исследовалась одноконтурная САР с ПИД - регулятором в обратной связи по линейной плотности выпускного продукта валичной машины при загрузке смесью 50% х 50%. Установлено, что регулятор линейной плотности смеси «не следит» за регулированием долевого компонентного состава смеси. При равном соотношении компонентов в смеси и одинаковых значениях коэффициентов съема а 1 и а2, равных 0.08, смещение отсутствует (табл.4), при а2<а\ имеет место смещение в сторону уменьшения РЦГ) второго компонента, при а2>а\ имеет место смещение в сторону увеличения РИ() второго компонента. Таким образом, происходит смещение долевого состава смеси на выходе машины. Причина смещения - нарушение коэффициентов съема для компонентов смеси и различие динамики процессов преобразования каждого из компонентов.

Таблица 4

№ опыта Выпуск смеси Расход, х 10 г/с Смещение долевого состава а\ и!

доля компонента 1 доля компонента 2

1 0.574 0.426 0.9647 0.074 0.08 0.06

2 0.536 0.464 0.9713 0.036 0.07

3 0.502 0.498 0.9766 0.002 0.08

4 0.473 0.527 0.9808 -0.027 0.09

5_ 0.447 0.553 0.9843 -0.053 0.1

Эксперимент Э6 проводился с целью изучения возможностей коррекции среднего процентного содержания компонентов в смеси на выходе машины. Его результаты (табл.5) установили: если рационально спрогнозировать питание машины - подачу на вход компонентного состава смеси, имевшего расчетное долевое смещение , то можно обеспечить выпуск нужного состава ленты, что следует рассматривать как один из целесообразных вариантов решения задачи выравнивания и регулирования двухкомпонентной смеси на валичной чесальной машины.

Таблица 5

№ оныга Холст на входе | Лента на выходе Смещение долевого состава 1'асход, х 10 г/с

доля компонента

1 2 1 2

1 0.52 0.48 0.467 0.533 -0.033 0.9840

2 0.53 0.47 0.477 0.523 -0.023 0.9839

3 0.54 0.46 0.487 0.513 -0.013 0.9838

4 0.55 0.45 0.497 0.503 -0.003 0.9837

5 0.56 0.44 0.507 0.493 Н 0.007 0.9835

Эксперимент Э7 связан с проектированием двухконтурной САР по отдельным компонентам (рис.7). Для этой цели была создана система с каналом обратной связи, содержащим параллельно ПИД - регулятору линейной плотности смеси ПИД - регуляторы долевого состава компонентов для двухкомпо-нентных смесей.

Результаты эксперимента с моделью позволили сделать вывод, что регулирование доли компонентов в смеси с учетом различной их природы и разными коэффициентами цепкости и съема (при любых рецептурных долях состава смески, в частности: 0.1/0.9, 0.2/0.8, 0.3/0.7, 0.4/0.6, 0.5/0.5; и при коэффициентах съсма в диапазоне значений от 0.06 до 0.1) полностью выполняется системой без расчета и прогнозирования коррекционного смещения состава смеси на входе (рис.8).

S4 Кр1 + »1

>■ >

ки

T22.S+1

КрЗ + »1

* 1

Рис.7

смесь Ю%*ао% смесь 20% х 80% -смесь 30% * 70% смесь 40% / -смесь S0% < 5Ci%

Рис.8

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате выполненных научных исследований решена важная научно-техническая задача разработки методологии и комплекса алгоритмов для моделирования процесса кардочесания на валичной машине при переработке двухкомпонентных смесей различной природы и свойств.

2. Проведен сравнительный анализ существующих математических моделей кардочесального оборудования при переработке различных смесей и задач управления линейной плотностью ВМ с точки зрения однородности компонентного состава и стабильности линейной плотности.

3. Разработаны методология и алгоритмические основы для математического моделирования и анализа процесса волокнообмена на валичной кардоче-сальной машине при переработке смешанных волокнистых масс с разной не-ровнотой с целью максимального снижения вариаций компонентного состава смеси.

4. Приведен пример синтеза САР валичной машины, которая позволяет рассматривать задачи оптимизации режимов запуска и перезаправки кардочесального промышленного текстильного оборудования, повышения эффективности процессов выравнивания и смешивания компонентного состава ВМ и улучшения его структурной неровноты по линейной плотности с целью повышения эффективности следующих технологических процессов.

5. Разработаны и программно реализованы различные алгоритмы и компьютерные имитационные статистические модели преобразования линейной плотности двухкомпонентного материала на валичной машине, среди которых:

алгоритмы имитации работы питателя машины, узлов «главный - съемный» барабаны и «рабочая пара - главный барабан», модели динамики изменения одно- и двухкомпонентного ВМ и система регулирования линейной плотности ВМ с использованием регулятора и с учетом долевого состава компонентов смеси, определение динамических свойств и расчет различных числовых и функциональных статистических показателей неровноты ВМ, методика их оценивания, алгоритм проведения однофакторных экспериментов с моделью и САР валичной машины.

6. Предложена система с ПИД-регулятором в обратной связи, которая автоматически выравнивает двухкомпонентную смесь не только по линейной плотности материала, но и по долевому составу содержащихся в ней компонентов, в зависимости от характеристик одного из четырех вариантов сгенерированного смесевого потока питающего слоя машины, а также параметров, характеризующих технологическую особенность конструкции кардочесальной машины.,

7. Разработанные модели и САР позволяют варьировать необходимое число параметров валичной машины и предоставляют пользователю возможность оценивания неровноты волокнистого потока по его нескольким характеристикам: линейной плотности, долевому составу компонентов смеси, различным числовым и функциональным статистическим показателям неровноты волокнистого потока. К первой группе относятся такие показатели, как средние значения характеристик, их среднеквадратические отклонения и коэффициенты вариации, ко второй - временные диаграммы, гистограммы, графики спектральных плотностей дисперсий и автокорреляционных функций.

8. Компьютерные эксперименты, проведенные для влияния состава смеси на переходный процесс валичной машины, позволили установить степень влияния варьируемых параметров на выравнивание смеси по линейной плотности и ее долевой компонентный состав без регуляторов и с их применением.

9. Результаты проведенных экспериментов с помощью имитационных моделей валичной машины и системы автоматического регулирования позволили выявить, что:

а) длительность переходного режима по линейной плотности одинакова у каждого из компонентов при постоянных и различных коэффициентах съема независимо от закона распределения питающей загрузки, тогда как по доле компонентов она различна;

б) увеличение числа рабочих пар машины п с 3 до 8 способствует снижению коэффициента вариации неровноты ленты по линейной плотности для 1-го компонента с 16.27% до 6,2% и для 2-го компонента с 9.45% до 6.34%;

в) двухсъемная валичная машина более эффективно выравнивает и смешивает смесь волокон при одновременном повышении ее производительности. При содержании одного из компонентов в диапазоне от 10% до 30% ее неров-нота на первом съемном барабане ¿-1, выраженная коэффициентом вариации, характеризуется широким диапазоном разброса от 12.0% до 28.45%, а на втб-ром съемном барабане ¿'2 - от 8.66% до 16.75%. Содержание компонента больше 30% сужает диапазон разброса значений вариаций для 1-го компонента

съемного барабана j1 от 8.56% до 12.08 и для 1-го компонента съемного барабана s2 от 7.68% до 8.66%.

г) диаметр главного барабана d желательно увеличивать с 1250мм до 1500мм совместно с увеличением числа рабочих пар валиков п, участвующих в основном процессе чесания и волокнообмена, начиная с шести пар;

д) для уменьшения общей неровноты долевого состава волокнистого потока смесь необходимо составлять при допустимой разнице коэффициентов съема, готовя ее компоненты из разных волокон; при одинаковом долевом соотношении компонентов, составляющих смеску, наблюдается эффект перерегулирования и смещения требуемого долевого состава на выходе из машины в сторону компонента с большим коэффициентом съема;

е) при выпуске смеси составом 50% х 50% и одинаковых значениях коэффициентов съема al и а2 смещение отсутствует, при a2<al имеет место смещение в сторону уменьшения Pi(t) второго компонента, при a2>al имеет место смещение в сторону увеличения Pi(t) второго компонента;

ж) эффект перерегулирования по долям смески с постоянными коэффициентами съема компонентов составил 10%; превышение этой составляющей способствует насыщению выпускной смеси машины;

з) система покомпонентного регулирования позволяет выравнивать смесь не только по линейной плотности, но и снижать долевую компонентную неровноту смеси, выраженную коэффициентом вариации, до 2%.

10. Имитационные модели и САР могут быть использованы в практике научных исследований при проектировании и модернизации промышленного кардочесального оборудования и систем регулирования линейной плотностью смесевым ВМ.

Основное содержание диссертационной работы отражено в публикациях:

1. Громов С.С., Севостьянов П.П. Анализ динамики долевого состава двухкомпонентного волокнистого материала в процессе кардочесания // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - Иваново, 2009. - №6. -С.109-112.

2. Громов С.С. Автоматическая система регулирования кардочесальной машины при переработке двухкомпонентных смесок // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - Иваново, 2010. -№3. - С.16-18.

3. Громов С.С., Севостьянов П.А. Исследование переходных режимов на валичной чесальной машине для двухкомпонентных смесей из натуральных и химических волокон // Химические волокна. - 2011. - №2. - С.48-49.

4. Громов С.С., Севостьянов П.А. Моделирование динамического процесса смешивания волокнистого материала на стадии // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2009). - М.: ФГБОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2009. - С.242.

5. Громов С.С., Севостьянов П.А. Компьютерная модель изменения двухкомпонентного состава волокнистого материала в процессе кардочесания // Сборник научных трудов аспирантов. - М.: ФГБОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2009. - №15. - С.45.

6. Громов С.С., Севостьянов П.А. Компьютерная модель смешивания волокнистого материала в процессе кардочесания // Тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки-2009). - С.-Пб.: СПГУТД, 2009. -С.274.

7. Громов С.С., Севостьянов П.А. Математическая модель изменения компонентного состава волокнистого материала в динамических режимах процесса кардочесания // Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК-2009). - Иваново: ИГТА, 2009. - С.346.

8. Громов С.С., Севостьянов П.А. Имитационное статистическое моделирование смешивания волокнистог о материала в процессе кардочесания // Тезисы докладов VI Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве». - Камышин, 2009. - С.37.

9. Громов С.С. Система автоматического регулирования валичной кардо-чесальной машины при переработки двухкомпонентных смесей.//Тезисы докладов в международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона (ЛЕН-2010). - Кострома, 2010. - С.140-141.

10. Громов С.С., Забродин Д.А. Система авторегулирования валичной машины при переработке двухкомпонентных смесок // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2010). - М.: ФГБО-УВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2010. - С.205.

Подписано в печать 20.02.12 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ 51 Тираж 80 ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

61 12-5/1741

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КАРДОЧЕСАНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ

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

На правах рукописи

Громов Сергей Сергеевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

доктор технических наук профессор Севостьянов П.А.

Научный руководитель

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КАРДОЧЕСАНИЯ И МОДЕЛЕЙ ЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л. Место, сущность и роль процесса кардочесания 9

1.2. Обзор существующих моделей процесса кардочесания 18 1.2 Л. Геометрические модели 21

1.2.2. Марковские модели 33

1.2.3. Модели с использованием передаточных функций 37

1.3. Способы управления процессом и параметры, влияющие на эффективность чесания 44 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 52

ГЛАВА 2. КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА КАРДОЧЕСАНИЯ

Введение 53

2.1. Имитационная модель узла питания чесальной машины

одно ком понентным волокнистым материалов 53

2.2. Модель узла «главный - съемный» барабаны 56

2.3. Модель узла «рабочая пара - главный барабан» 58

2.4. Модель динамики изменения однокомпонентного волокнистого материала кардочесальной машины 61

2.5. Модель управления динамикой изменения двухкомпонентного волокнистого материала валичной машины 65

2.6. Система автоматического регулирования валичной машины при переработке двухкомпонентных смесей 69

2.7. Верификация компьютерных моделей валичной кардочесальной машины 72

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 81

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАВНОМЕРНОСТИ

ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ВЫХОДЕ ВАЛИЧНОЙ ЧЕСАЛЬНОЙ МАШИНЫ

3.1. Планирование компьютерных экспериментов с моделью валичной машины 83

3.2. Исследование переходных режимов работы ВЧМ при различном числе рабочих пар валиков (эксперимент Э1) 85

3.3. Исследование переходных режимов работы ВЧМ с двумя съемными барабанами (эксперимент Э2) 93

3.4. Исследование переходных режимов работы ВЧМ при изменении коэффициента чувствительности (эксперимент ЭЗ) 105

3.5. Исследование переходных режимов работы ВЧМ с увеличенным размером диаметра главного барабана (эксперимент Э4) 110 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 115

ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЧЕСАНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ВАЛИЧНОЙ МАШИНЕ

4.1. Вопросы автоматизации процесса кардочесания 118

4.2. Структура системы автоматического регулирования валичной чесальной машины 120

4.3. Исследование регулирования линейной плотности смеси с разными компонентными коэффициентами съема (эксперимент Э5) 126

4.4. Исследование регулирования линейной плотности смеси и его влияние на долевой компонентный состав (эксперимент Э6) 130

4.5. Исследование регулирования линейной плотности смеси и его влияние на долевой компонентный состав (эксперимент Э7) 133 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 139

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

141 145 151

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одной из важных задач мирового рынка товаров является установка строгих требований к качеству изделий, выпускаемых всеми отраслями хозяйства, в том числе и текстильной. Качество пряжи в текстильной промышленности напрямую зависит от неровноты продуктов первых технологических переходов, одним из которых является процесс кардочесания.

Обеспечение однородности сырья заданного качества на производстве достигается смешиванием в однородную массу волокон различной природы и свойств в соответствии с компонентным составом. Многокомпонентные смески - это основное сырье для переработки в прядильном производстве.

Стабильность линейной плотности волокнистого материала с требуемыми долями компонентов, составляющих смеску, на выходе кардочесального оборудования является главным условием получения качественной ленты, ровницы и пряжи.

Большое число разработок в этой области основано на проведении натурных экспериментов с использованием производственного или лабораторного оборудования, которые требуют больших трудовых и материальных затрат. Другой подход основан на аналитических методах динамики систем и теории автоматического регулирования, которые оказались недостаточно мощными в связи с обобщенными оценками качества смешивания и свойств смешиваемого материала. В этих условиях метод компьютерного моделирования динамических систем оказывается наиболее эффективным и перспективным для решения задач построения систем автоматического управления (САУ). Реализация метода включает в себя построение модели объекта и системы управления, а ее эффективность связана с возможностью автоматизации исследований.

Целью данной диссертационной работы является разработка методов моделирования и компьютерных моделей смешивания волокнистого

материала в процессе чесания на валичной кардочесальной машине и исследование САУ изменением долевого состава волокнистого материала.

Предмет исследования.

Объектом исследования являются задачи смешивания и выравнивания продукта в процессе кардочесания на валичной кардочесальной машине и разработки систем управления этим процессом.

Методы исследования.

В работе использованы методы математического и имитационного компьютерного моделирования, корреляционного и спектрального анализа, статистической обработки данных, теории автоматического регулирования.

Научная новизна работы.

1. Разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования потока волокнистого материала, описываемого линейной плотностью и компонентным составом.

2. Разработаны алгоритмы компьютерной имитации внутрикомпонент-ного смешивания на основе загрузки и волокнообмена рабочих органов валичной кардочесальной машины, математические модели процессов межкомпонентного смешивания с учетом долевого состава компонентов и коэффициентов перехода волокон на съемный барабан.

3. Методом статистического моделирования исследованы переходные режимы процессов выравнивания и смешивания долевого состава двухкомпонентной волокнистой смеси.

4. Разработана структура САУ с использованием передаточных функций для оценки изменения и регулирования компонентного состава волокнистого продукта на выходе валичной машины.

5. Разработана система автоматического выравнивания разнородных волокнистых смешанных масс с регулятором линейной плотности и регулятором долевого компонентного состава.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Эксперименты с применением методов математического и компьютерного моделирования на построенных имитационных моделях кардочесальной машины и САУ позволили выработать рекомендации по обеспечению заданного компонентного состава смеси, проверить и оптимизировать структуру системы автоматического управления долевым составом. Это позволяет усовершенствовать процесс чесания волокнистой массы, снизить неровноту волокнистой массы по линейной плотности и компонентному составу.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2009)" (г.Москва, МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2009); на всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности (Дни науки 2009)" (г. Санкт-Петербург, СПГУТД, 2009); на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов "Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск-2009)" (г.Иваново, ИГТА, 2009); на международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики и региона (ЛЕН-2010)" (г.Кострома, КГТУ, 2010); на международной научно-технической конференции "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2010)" (г.Москва, МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2010).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи, входящие в список изданий, рекомендованных ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 55 наименования и % приложений- Основное содержание изложено на 162 страницах, в т.ч. приложение на 12 страницах, содержит 54 рисунков и 15 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КАРДОЧЕСАНИЯ И МОДЕЛЕЙ ЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Место, сущность и роль процесса кардочесания

Первые орудия труда служили для выпрямления длинных волокон и очистке от оставшихся после трепания коротких волокон в пучке. После многократной прочески орудиями волокна были готовы к получению из них пряжи.

Переход от ручного чесания к машинному способу сопровождался изобретением первых чесальных машин более 200 лет назад.

Первые кардочесальные машины валичного типа были сконструированы во второй половине XVIII в. Паулем и Борном. Производительность этих машин фабричного типа достигала 3-4 кг/час.

В первую четверть XIX в. повышению эффективности процесса кардочесания способствовали работы механиков и изобретателей Стеда, Дайера, Мейна и Крайтона [55] в области улучшения . технических характеристик машины: большой быстровращающийся барабан и несколько маленьких медленно вращающихся рабочих валиков, между поверхностями которых, обитыми изогнутыми крючками, и поверхностью барабана и происходило основное чесание.

Однако производительность кардных машин с развитием машинной техники прядения начала больше отставала от повышающейся производительности тонкопрядильных машин. Это было связано с малой поверхностью соприкосновения между волокном и рабочими валиками.

В начале 20-х гг. XIX в. Арчибальдом Бюхененом была предпринята попытка по улучшению конструкции кардной машины [53]. Новый метод кардочесания предлагал замену рабочих валиков неподвижными шляпками с кардной обтяжкой, вследствие чего количество крючков подносящих к поверхности барабана стало значительно больше по сравнению с валиками

конструкций старых машин. Трудной задачей становилась постоянная ручная зачистка шляпок от коротких волокон, поскольку оставшиеся волокна при обратном вкладывании шляпок вызывали неравномерность ленты и портили обивку кард.

И только в 1834 г. Д.Смиту изобретением «бесконечных» подвижных шляпок удалось внести существенные улучшения производительности и прочесу в кардочесальную машину.

Постепенно машины шляпочного типа начинают вытеснять валичные машины. Но наличие в выпускаемой ленте коротких волокон, неоднородность и пригодность ленты только для пряжи низких и средних номеров (не более №50) ограничивали характер новых машин.

Чесание шерсти занимало первостепенное значение, чем чесание хлопка, так как в суконном производстве шерсть с последней карды поступает прямо на тонкопрядильную машину, где от равномерности и чистоты прочеса напрямую зависит качество нити.

В начале XIX в. техническая и сырьевая база текстильного производства нашей страны была одним из отсталых участков промышленности: 75% иностранного оборудования и импорт всех текстильных волокон, кроме лубяных.

Новая экономическая политика в стране взяла на себя задачи по изготовлению предметов широкого потребления, возникновению собственного текстильного машиностроения, за чем последовала широкая творческая работа по линии выработки новых конструкций, методов и принципов текстильнсй техники.

Научные исследования и теоретические основы процесса чесания волокнистых материалов зарубежных, русских и советских ученых первой половины XX века способствуют повышению эффективности процессов, протекающих внутри кардочесальной машины, качеству выпускаемой ленты и увеличению производительности машин с 8 кг/час до 15 кг/час.

и

Во второй половине XX в. повышение производительности зарубежных кардочесальных машин достигало 140 кг/час (в хлопкопрядении), в то время как производительность современных отечественных машин не превышала 30 кг/час [30].

Результатом работ Ф. Монфорта, Д. Кауфмана, А. Хаузера, С.А. Федорова, Ф.М. Дмитриева, В.А. Ворошилова, И.А. Васильева, Н.Я. Канарского, А.Г. Севостьянова, М.В. Эммануэля, Я.Я. Липенкова, П.М. Панина, В.И. Будникова, И.Г. Борзунова, Г.И. Карасева, Н.М. Ашнина, В.В. Крылова, В.Е. Гусева и других исследователей стала модернизация и совершенствование конструкций отдельных узлов, решение вопросов по увеличению скоростного режима, интенсивности и эффективности внутри протекающих технологических процессов [54, 11, 19, 36, 47, 24, 33, 6, 3, 16].

Так в процессе чесания происходит окончательная очистка волокна от сорных примесей и различных волокнистых дефектов (узелков, коротких и спутанных волокон), приводящих к обрывности при производстве пряжи или появлению пороков кардочесания (мушек, неровноте ровницы и пряжи), устранение которых невозможно на последующих переходах, и, которые портят внешний вид изделий.

Поэтому, цель процесса кардочесания - создание необходимых условий для успешного протекания последующих технологических процессов обусловлена многообразием задач стоящих перед процессом в различных производствах:

1. Очистка от сорных примесей. Удаление сорных примесей представляет большие трудности, поскольку волокнистый материал состоит из клочков спутанных и сильно переплетенных волоконец, выделение которых на последующих переходах представляет большие трудности [36].

Требования к повышению эффективности очистки, в том числе и на чесальной машине, повысились в последнее время в связи с увеличением доли перерабатываемого хлопкового волокна повышенной засоренности,

повышением требований к качественным показателям пряжи и необходимостью снижения обрывности в прядении.

Коэффициент корреляции между качеством прочеса (число пороков на 1г прочеса) и обрывностью в кольцевом прядении по данным ЛенНИИТП составил 0.632, в пневмомеханическом прядении эта зависимость по данным ЦНИХБИ равна 0.834, а в аппаратной системе прядения шерсти по исследованиям ЦНИИШерсти - 0.84 [12, 21, 30].

В кардной системе хлопкопрядения и в аппаратной системе шерстопрядения процесс кар дочесан ия является последним завершающим технологическим переходом, на котором осуществляется очистка волокнистого материала, что и определяет повышение требований к очищающей способности кардочесальной машины.

2. Частичное разъединение волокон. Значительное число волокон на входе машины сильно переплетены, составляя до 80% массы питающего настила, и взаимно проникают в пространство друг друга. В результате обработки чешущими поверхностями рабочих органов кардочесальной машины волокна отделяются друг от друга, следовательно, степень их взаимодействия значительно уменьшается. Благодаря индивидуализации волокон открывается возможность изменить ориентацию волокон, направив их вдоль потока, и обеспечить большую их распрямленность, т.е. «облагородить» волокнистый поток, подготовить его к следующему переходу, например, обработке на ленточных, гребнечесальных или ровничных прядильных машинах. Без этого обеспечить получение равномерного продукта оказывается невозможным [22].

3. Частичное распрямление (с 0.5 до 0.62) и ориентация волокон вдоль направления движения потока, что способствует получению ровной и легко поддающейся вытягиванию волокнистой ленты, а затем ровницы и пряжи.

4. Удаление из общей волокнистой массы коротких волоконец (длиной менее 15мм) и пуха, которые практически не поддается прядению, так

называемых «непрядомых» волокон. Наличие этих сорных компонентов в волокнистых потоках при прядении приводит к нестабильности процесса, к неравномерности получаемой пряжи и к обрывности пряжи на прядильных машинах [23].

5. Смешивание волокон. Как правило, обработке подвергается смесь из нескольких компонентов разнородных волокон. Процесс прядения протекает стабильно, только если компоненты хорошо перемешаны. Даже одного вида компоненты могут значительно отличаться друг от друга по свойствам, поэтому важно обеспечить и качественное внутрикомпонентное перемешивание.

Каким бы образом не обеспечивалось перемешивание и дозирование большой массы волокнистого материала на приготовительных переходах и незначительной массы на уровне волокон, эффективное перемешивание в малых объемах может быть обеспечено только на кардочесальных машинах. Это осуществляется за счет того, что волокна, находясь в рабочих областях барабанов машины, многократно проходят зоны взаимодействия с иглами или зубьями чешущих поверхностей. При этом волокна перераспределяются по