автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Компьютерное моделирование динамики процесса вытягивания волокнистого материала в вытяжных приборах

Введение

Глава 1. Вытягивание волокнистых материалов, его роль в прядении, способы исследования и управления.

1.1. Теретические основы вытягивания.

1.2. Основные характеристики вытягиваемых продуктов и способы их исследования.

1.2.1. Неровнота и ее виды.

1.2.2. Методы исследования неровноты.

1.3. Вытяжные приборы и их основные характеристики.

1.4. Управление процессом вытягивания

1.4.1. Измерительные устройства в вытяжных приборах.1!

1.4.2. Способы управления процессом вытягивания.Ъ

1.5. Виды и способы моделирования систем вытягивания.2:

Выводы по главе 1 .3'

Глава 2. Компьютерное моделирование многозонных вытяжных приборов.

2.1. Кинематика и динамика движения волокон в зоне вытягивания.У

2.2. Особенности процесса вытягивания в многозонных вытяжных приборах.

2.3. Алгоритм имитации вытягивания волокнистого продукта в однозонном вытяжном приборе.

2.4. Обработка результатов моделирования.

2.4.1. Исследуемые характеристики линейной плотности продукта.

2.4.1. Алгоритм обработки данных.

2.5. Верификация модели.

2.5.1. Постановка задачи.

2.5.2. Моделирование «идеального» вытягивания.

2.5.3. Исследования при изменении скорости цилиндров по гармоническому закону.

2.5.4. Моделирование процесса вытягивания продукта со случайным распределением волокон.

2.6. Исследование зависимости точности компьютерного моделирования от объема выборочных испытаний.

2.7. Алгоритм имитации работы многозонного вытяжного прибора.

2.8. Динамическая модель многозонного вытяжного прибора.

2.9. Верификация динамической модели.

2.9.1. Постановка задачи.

2.9.2. Результаты моделирования.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Применение wavelet-анализа для исследования нестационарной неровноты продукта по линейной плотности.

3.1. Источники и виды нестационарной неровноты и проблемы ее анализа.

3.2. Основы wavelet-анализа и методика его применения.

3.3. Сравнение базовых функций wavelet-анализа при исследовании нестационарной неровноты волокнистых продуктов.

3.4. Применение методов wavelet-анализа в исследованиях неровноты продукта по линейной плотности.

3.4.1. Базовая модель продукта с нестационарной неровнотой.

3.4.2. Использование непрерывного wavelet-преобразования для исследования нестационарной неровноты продукта.

3.4.3. Использование дискретного многоуровневого wavelet-разложения линейной плотности продукта для исследования нестационарной неровноты.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Компьютерные эксперименты с имитационностатистической моделью многозонного вытяжного прибора.

4.1. Описание модели многозонного вытяжного прибора.

4.2. Исследование влияния гармонических колебаний линейной плотности продукта.

4.2.1. Исследование влияния амплитуды колебаний.

4.2.2. Исследование влияния частоты колебаний.

4.3. Влияние величины разводки на качество вытягиваемого продукта.

4.3.1. Вытягивание «случайного» продукта.

4.3.2. Вытягивание продукта содержащего гармоническую неровноту.

4.4. Исследование переходного процесса.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Автоматизированная система моделирования и управления процессом вытягивания волокнистых продуктов

5.1. Адаптивные системы управления.

5.2. Адаптивная система управления процессом вытягивания волокнистого продукта.

5.3. Автоматизированная система моделирования и управления процессом вытягивания волокнистых продуктов в многозонных вытяжных приборах

Выводы по главе 5.

Выводы по диссертационной работе.

Научно-технический прогресс в текстильной промышленности представляет собой совершенствование всех аспектов производства на основе новейших достижений науки и техники.

Процесс вытягивания является одним из важнейших процессов прядильного производства. Он реализуется на ленточных, ровничных и прядильных машинах. Его цель утонение продукта, параллелизация и распрямление волокон, а также их перераспределение на большей длине.

Фундаментальная теория вытягивания была создана русскими и советскими учеными. Основы современной науки о процессах вытягивания были заложены в работах Н.А. Васильева (1915г.). Дальнейшим развитием теории вытягивания в 30-х годах занимались такие ученые как В.Е. Зотиков, И.В. Будников, Ф.А. Афончиков. Глубокие исследования процесса вытягиваниях применением современного математического аппарата выполнены А.Г. Се-востьяновым, С.С. Ковнером, В.П. Хавкиным, J1.H. Гинзбургом.

Процесс вытягивания исследовался теоретическими и экспериментальными методами, а также методами математического моделирования многими отечественными и зарубежными учеными. Их исследования явились основой для разработки современных высоко скоростных вытяжных приборов. Вместе с тем, анализ использованных математических моделей и экспериментальных исследований показал, что ограниченность возможностей аналитических методов и измерительных средств не позволили осуществить системный подход к изучению процесса вытягивания и построить единую модель, связывающую совместно такие факторы как распрямление волокон по длине, распрямленности, ориентации, силы трения и взаимодействия между волокнами, а также наличие конструктивных особенностей вытяжных приборов: наличие уплотнителей, ремешков, нескольких зон вытягивания, нагрузки на валики. 7

В настоящее время получает распространение метод имитационного моделирования, отличительной особенностью которого является описание технологического процесса не системой уравнений, а алгоритмом, реализуемым в виде программы для электронных вычислительных машин. При выполнении программы машина воспроизводит протекание процесса во времени. Этот алгоритм в упрощенном виде отражает структуру связей, логику и последовательность функционирования во времени моделируемой системы, поэтому имитационная статистическая модель — всегда динамическая модель. Имитационное моделирование включает как конструирование модели, то есть алгоритма функционирования системы, так и выборочный эксперимент с моделью, причем оба этапа циклически повторяются, что ведет к совершенствованию модели и уточнению результатов моделирования. Имитационное моделирование, являющееся не математической теорией, а численным методом, пригодно для применения в различных областях. Оно может использовать одновременно разный математический аппарат для имитации системы. Возможность проведения машинных экспериментов сближает имитационную статистическую модель с физическими моделями систем и позволяет рассматривать машинный эксперимент как имитацию соответствующего натурного эксперимента с моделируемой системой.

Преимущество машинного эксперимента по сравнению с натурным -его полная управляемость, что позволяет организовывать и проводить его оптимальным образом. При этом значительно возрастает роль планирования и выбора методики обработки результатов эксперимента.

К недостаткам имитационного моделирования можно отнести трудности построения модели, частный характер результатов (для получения общей зависимости требуется многократное проведение экспериментов при различных значениях факторов), а также сложности, связанные с проверкой адекватности модели. Имитационно статистическая модель выдает большое ко8 личество различной информации соответствующей реальным процессам, что может вызвать неоправданно высокое доверие к результатам.

В работе предполагается построить компьютерную модель процесса вытягивания волокнистых продуктов и управления им, основанную на методе статистической имитации, и позволяющую учесть вышеперечисленные факторы процесса вытягивания. Такая модель послужит удобным инструментом для более глубоких исследований процесса вытягивания и источником информации для проектирования более совершенных вытяжных приборов. 9

Общие выводы по работе

1. Решена важная научно-техническая задача создания методологических и алгоритмических основ системного исследования процесса вытягивания в одно- и многозонных вытяжных приборах на базе компьютерного моделирования.

2. Для целей исследования вытяжных устройств разработан новый вариант имитационной модели однозонного вытяжного прибора, учитывающий характеристики как каждого волокна (длина, местоположение, скорость движения), так и волокнистого продукта в целом (линейная плотность, интервалы между волокнами, длина продукта) и вытяжного прибора (разводка, скорость вращения цилиндров).

3. Результаты экспериментов, проведенных с имитационной моделью однозонного вытяжного прибора с целью проверки правильности моделирования, показали, что результаты моделирования соответствуют предварительным теоретическим оценкам и положениям теории вытягивания. Одновременно оценивалась эффективность работы модели на современных персональных компьютерах. В частности, длительность моделирования для продукта длиной 1600 мм и линейной плотностью 1000 текс на входе в вытяжной прибор составила 96 секунд для процессора Pentium с тактовой частотой 600 МГц при объеме оперативной памяти 128 Мб. Что приемлемо для решения актуальных задач моделирования и управления однозонными вытяжными приборами в режиме реального времени.

4. Были выполнены исследования возможностей применения теории подобия для использования в компьютерных моделях с целью сокращения затрат времени на моделирование. В результате для волокнистого продукта с линейной плотностью в 20 раз меньше реальной (порядка 1000 текс) время моделирования сократилось в 25 раз, что практически не сказалось на оценке

164 средней линейной плотности исходного продукта и ее точности, однако заметно отразилось на величине коэффициента вариации для продукта на выходе из вытяжного прибора и мало сказывается (в пределах 10%) на отношениях их коэффициентов вариации. Вместе с тем наблюдаемые изменения оценок носят закономерный характер и поэтому могут быть скорректированы с учетом коэффициентов подобия.

5. Впервые разработан алгоритм, имитирующий работу многозонного вытяжного прибора. На основе алгоритма разработана модель, учитывающая характеристики волокон (длину, местоположение), вытяжного прибора (величина разводки каждой зоны вытягивания, скорости вращения цилиндров), взаимодействия волокон (точка перехода волокна на скорость вытяжной пары).

6. На основе ранее описанных в литературе динамических моделей впервые получена передаточная функция для многозонного вытяжного прибора от линейной плотности волокнистого продукта на входе в вытяжной прибор к линейной плотности продукта на выходе из него, учитывающая вытяжку, длину волокон и вариацию точки перехода волокна на скорость вытяжной пары.

7. В работе впервые исследованы возможности применения wavelet-анализа как нового направления в области исследования нестационарных сигналов для изучения особенностей неровноты по линейной плотности в волокнистых продуктах.

8. На основе выполненного анализа основных видов базовых wavelet-функций осуществлен выбор наиболее подходящих типов wavelet-функций для основных видов неровноты по линейной плотности волокнистого продукта. Ими являются wavlets Добеши и Койфлета первого порядка.

9. Выполнено сравнение непрерывного wavelet-преобразования и дискретного многоуровневого wavelet-разложение, которое показало, что оба этих метода пригодны для локализации участков нестационарности.

165

10. В результате выполненных исследований впервые установлена возможность применения wavelet-анализа и предложена методика наиболее рационального использования этого перспективного направления для исследования нестационарной неровноты по линейной плотности для продуктов прядения, которая может быть рекомендована для применения в исследованиях по неровноте волокнистых продуктов.

11. Выполнены серии компьютерных экспериментов, включавших моделирование волокнистых продуктов с разными видами неровноты и различные характеристики вытяжного прибора, которые позволили выявить зависимость коэффициента вариации волокнистого продукта на входе в вытяжной прибор от вытянутого и провести спектральный анализ.

12. Исследованы возможности применения адаптивного управления на основе анализа литературных данных. Установлено, что адаптивное управление является наиболее перспективным для управления процессом вытягивания и предложена структура автоматизированного моделирующего комплекса, который включает в себя модель вытяжного прибора, разработанную в диссертационной работе, и модель адаптивной системы управления. Этот комплекс позволяет моделировать процесс вытягивания и систему управления им, тем самым синтезировать оптимальную систему управления.

13. Полученные в работе результаты исследований, разработанные методы и алгоритмы моделирования могут быть использованы для создания компьютерного автоматизированного моделирующего комплекса, который позволит ускорить и решать в рамках системного подхода задачу исследования и управления процессом вытягивания в одно- и многозонных вытяжных приборах. Разработанные модели могут быть также использованы в учебном процессе при исследовании динамики движения волокон, влиянии неровноты волокнистого продукта на процесс вытягивания и нестационарной неровноты.

1. Гизлегпром, 1932.-54с. Винтер Ю.М. Исследование структурной и весовой неровноты продуктов, получаемых в результате гребнечесания и вытягивания. //Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -М.: МТИ, 1967 г.'-343с.

2. Дьяконов В.П. Simulink 4.Специальный справочник. -СПб.: Питер, 2002. -528с.

3. Емельянов С.В. Технология системного моделирования. -М.: Машиностроение, 1989.

4. Ордов К.В. Компьютерная имитация вытягивания волокнистого продукта в однозонном вытяжном приборе с учетом взаимодействия волокон. //Тезисы докладов «Внутривузовской научной конференции». -М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001. -с. 111.

5. Ордов К.В., Севостьянов П.А. Динамическая модель многозонного вытяжного прибора. //Сборник научных трудов аспирантов, вып.4. -М.: МГТИ, 2002. -с.96-99.

6. Патент Германии №720200 //Всеобщая электрическая компания, 1942.

7. Протасова В.А. Вопросы теории и практики процесса вытягивания. //Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. -М.: МТИ, 1972. -371с.

8. Рабинович О.А. Регулятор толщины ленты на ленточной машине. //Труды семинара «Автоматизация технологических процессов в текстильной промышленности». -М.: МТИ, 1971.

9. Радько В.И. Моделирование процессов вытягивания волокнистых материалов на аналоговых вычислительных машинах. //Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -М.: МТИ, 1973. -258с.

10. Решетников Я.Я. Ленточные машины фирмы «Ритер» гарантия конкурентоспособной продукции. //Текстильная промышленность, №1, 1997.-с. 16-20.

11. Савельев В.Г. Исследование возможности использования датчика силы вытягивания в регуляторах вытяжки //Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -М.: МТИ, 1972. -205с.

12. Севостьянов А.Г., Севостьянов П.А. Моделирование технологических процессов. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. -344с.

13. Севостьянов А.Г. и др. Механическая технология текстильных материалов. -М.: Легпромбытиздат, 1989.

14. Севостьянов А.Г. Методы и средства исследования механико-технологических процессов текстильной промышленности. -М.: Легкая индустрия, 1980. -392с.

15. Севостьянов А.Г. Методы исследования неровноты продуктов прядения. -М.: РОСТЕХИЗДАТ, 1962. -386с.

16. Севостьянов А.Г. Магнитные валики и силы, действующие в вытяжных приборах. -М.: ГИЗЛЕГПРОМ, 1963. -99с.

17. Севостьянов А.Г. Теория и практика выравнивания лент авторегуляторами вытяжки. //Доклад на семинаре, -М.: МТИ, 1970.

18. Севостьянов А.Г. Применение радиоактивных излучений для контроля, регулирования и исследований в прядильном производстве. -М.: Гиз-легпром, 1958.-59с.

19. Сергеев К.В., Хавкин В.П. Динамика автоматического регулирования коротковолновых материалов. -М.: Труды ВНИИЛТЕКМАШ №13, 1967.

20. Слотинцева О.М. Движение волокон в поле вытягивания. //Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., фонды МТИ, 1953.

21. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. -М.: Высшая школа, 1998.-319с.

22. Сухарев В.В. Автоматизированные методы моделирования волокнистых продуктов при проектировании систем измерения линейной плотности. //Диссертация на сосикание ученой степени к.т.н., -М.:МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2002. -170с.

23. Теория и практика выравнивания лент авторегуляторами вытяжки. //Труды семинара. -М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1970.

24. Тимофеев А.В. Построение адаптивных систем управления программным движением. -JL: Энергия, 1980. -85с.

25. Тодуа И.Ф., Свитрадзе Т.О. Алгоритм имитационной статистической модели процесса вытягивания. //Технология текстильной промышленности, №1, 1990. -с.25-28.

26. Турбо Паскаль 7.0. -Киев: BHV, 2-е издание, 1996.

27. Фаронов В.В. Delphi 4. Учебный курс. -М.: Нолидж, 1998.

28. Хавкин В.П., Ильин Э.Р., Молчанов А.С. и др. Автоматический контроль и регулирование развеса текстильных материалов. -М.: Легкая индустрия, 1975. -248с.

29. Хинш Патент Великобритании №642942, 1950.

30. Чаки Ф. Современная теория управления. Нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. -М.: Мир, 1975. -424с.

31. Шварце X., Хольцгрефе Г. Использование компьютеров в регулировании и управлении. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -176с.

32. Языкин И.Б. и др. Адаптивное управление непрерывными технологическими процессами. -М.: Энергоатомиздат, 1985. -240с.

33. Johnson N.A.G. Computer simulation of drafting. //Journal Textile Institute, vol. 72, No. 2, 1981.-pp.69-79.

34. Martindale I.G. A new method of measuring the irregularities of yarns with some observations on the origin of irregularities in worsted slivers and yarns. //Journal Textile Institute, vol. 36, №3, 1945.

35. Martindale I.G. An instrument for the measurement of the forces operating between fibers during drafting. //Journal Textile Institute, vol.35, 1945.

36. Misiti M., Misiti Y., Oppenheim G., Poggi J. Wavelet toolbox user's guide. Version 2.1 //www.mathworks.com, 2001. -89lp.

37. Noda Takahiro и др. Roller drafting of blended sliver composed of long and small fibres. //Journal of the Machinery Society of Japan, №3, vol. 43, 1997. -pp. 59-64.

38. Su Ching-Iuan Evaluating uniformity of drafted roving. //Textile Research Journal, №9, vol. 69, 1999. -pp. 630-634.

39. Stantch N.D. Modeling a double-zone drafter as an object of control. //Textile research journal, № 8, vol. 64, 1994.

40. Weber M.O., Wulfhorst B. Fiber motion in roller drafting. //Textile research journal, № 67(1), 1997. -pp. 10-13.172