автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Принципы управляемой синхронизации машин в технологических агрегатах для производства ленточных и волоконных материалов

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ имени С. М. КИРОВА

Ни правах рукописи

ТАРАРЫКИН Сергей Вячеславович

ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЯЕМОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ МАШИН В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕНТОЧНЫХ И ВОЛОКОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальности: 05.02.13 — Машины и агрегаты

легкой промышленности

05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Ивановском ордена «Знак Почета» энергетическом институте имени В. И. Ленина.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузнецов Г. К., доктор технических наук, профессор Толкачев Э. А., доктор технических наук, профессор Ковчин С. А.

Ведущая организация —

Ивановский научно-исследовательский и экспериментально-конструкторский машиностроительный институт (НИЭКМИ).

Защита состоится « /лГ» . . 1992 г.

в час. на заседании специализированного совета Д 063.67.02 в Ленинградском ордена Трудового Красного Знамени институте текстильной и легкой промышленности имени С. М. Кирова по адресу: 191065, г. Санкт-Петербург, ул. Герцена, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

литлп.

Автореферат разослан « 1Н. » . . . 1992 г.

Ученый секретарь специализированного сосста

НИКИТИНА Л. Н.

;■> -гг-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕШСШКА. РАБОТЫ

альностъ. Машиностроение составляет одну из важнейших основ материального производства, его главную техническую базу, определяя уровень развития всех отраслей народного хозяйства. Электрификация, химизация, механизация и автоматизация различных сфер человеческой деятельности обеспечивается современными машинами, аппаратами, приорами, средствами управления и контроля.

В малинах и агрегатах легкой промышленности находят отражение все основные тенденции современного машиностроения, состоящие в совершенствовании технологических процессов и операций на базе их интенсификации и концентрации, в реализации принципиально новых совмещенных технологий, основанных на применении непрерывных способов получения и обработки продукта; в повышении технических показателей традиционного оборудования и создании принципиально новых машин для реализации более эффективных технологических операций; в создании комплексных универсальных агрегатов и поточных линий, обеспечивающих реализацию совмещенных технологий, повышение гибкости производства; в расширении возможностей и функций автоматического управления машинами непосредственно в ходе технологического процесса.

Большой вклад в развитие технологического оборудования легкой промышленности внесли ученые ИХНР, ИВШИ1, ЦШХШ, В1ШПХВ, ПКИЛВ, ЦНИИ Шерстя, ЕШНШ, ВШИШ, ВЕШСВ, ВКИМСВ, КИШ, ВНИИЛШМАШ, НИЗШИ, ЛИТЛП, МШ, Ш, ИХШ, ИвТИ, МШЛП, ВЗИТЛП и других организаций.

Достигнутые результаты.в области совершенствования конструкций . и улучшения технических показателей пропиточного, промывного, прессового, сушильного, формовочного, печатного, конвейергого, перематывающего, чесатьного, вытяжного и другого оборудования, интенсивная разработка новых видов машин создают реальные предпосылки для повышения эффективности производства за счет совершенствования традиционных и реализации перспективных технологических процессов.

, В наиболее полной мере достижения современной технологии легкой промышленности и максимальные возможности новых рабочих машин реализуются при создании на их основе универсальных поточно-непрерывных технологических агрегатов и линий, представляющих собой комплексы взаимосвязанных длинномерным ленточным или волоконным материалом малин роторного и конвейерного типов, реализующих последовательные стадии первичного формирования, преобразования и заключительной отделки вырабатываемого продукта и обеспечивающих максп-

мальную концентрацию технологических процессов в пространстве и во " времени.

Вследствие этого агрегатирование оборудования, создание комплексных технологических установок и поточных линий является перспективным и активно разрабатываемым направлением развития оборудования легкой промышленности, которое определяется как важнейшая народнохозяйственная задача в государственных научно-технических программах . ;

Однако необходимым условием для реализации больших потенциальных возможностей современных малин и технологий в поточно-непрерывных агрегатах по производству ленточных и волоконных матер1алов яв-" ляется достижение высокой степени согласованности движений arpera- . . . руемых машин во всех режимах работы оборудования, обеспечение возможности независимого управления как общим уровнем скорости всего агрегата, так и относительными скоростями входящих в него машин в соответствии с требованиями технологического процесса.

Это формулируется как задача управляемой синхронна ации машин, решением которой обеспечивается безобрывное транспортирование обрабатываемого материала и его заданная деформация, оптимальные условия выполнения технологических операций и значительно расширяются возможности управления качественными по. каэателями вырабатываемого продукта.

Б то же время результаты промышленной эксплуатации действующего поточного оборудования в различных отраслях легкой промышленности, а такие испытаний его новых экспериментальных образцов свидетельст-"вуют о том, что качество синхронизации рабочих машин не может удовлетворить современным технологическим требованиям из-за принципиальных недостатков синхронизирующих узлов и систем. Поэтому задача агрегирования и управляемой синхронизации машин представляет собой важнейшую научно-техническую проблему, требующую выработки новых подходов и решений для развития перспективного направления современного машиностроения - создания высокопроизводительного поточно-непрерывного технологического оборудования.

Значительный вклад в решение проблемы согласованного движения элементов электромеханических,систем, создания прецизионных электроприводов рабочих машин внесен работали ученых ЛЭ11, МЭИ, ЛТУ, ЫЩ, MIMO, УПИ, ВШЙЭП, БШР и др.

Однако эти работы ориентированы, главным образом, на решение задач станкостроения Я робототехники, управления такими уникальными объектами, как телескопы и антенные установки, поэтому использование

полученных результатов в многомашинном агрегатарованном оборудовав гази легкой промышленности- оказывается затрудщтельным или малоэффективным.

Круг исследований, непосредственно ориентированных на задачи синхронизации малин технологических агрегатов по производству ленточных и волоконных материалов, оказывается ограниченным. Среда работ этого направления следует выделить труды Барышникова В.Д.', Бы-строва'А.М., Глазунова В. 5?., Дружинина H.H., Иванова Г .И., Шестако-ва В ,!Л.

Недостаточно высокий уровень развитая синхронизирующих систем затрудняет оптимизацию технологических режимов, усложняет эксплуатацию и обслуживание поточных линий, приводит к снижению их КПВ и надежности работы, вызывает ухудшение качества продукции и-является, таким образом, тормозящим фактором на пути прогресса в области техники и технологии производства ленточно-волоконных материалов.

Цель работы. Разработка, всесторонние исследования и практическая реализация принципов агрегирования и управляемой синхронизации машин, позволяющих обеспечить оптимальные условия выполнения технологических операций, увеличение производительности по-•точно-кепрерывного оборудования и улучшение качества выпускаемой продукция за счет повышения точности, быстродействия и гибкости управления деформацией, натянением, а также весовыми, геометрячески--га.и другиг.и физико-механическими параметрами ленточных н волоконных материалов при их формировании и последующей обработке.

Достижение поставленной цели предполагается путем решения сле-». дующих основных задач:

1. Выявление комплекса требований управляемой синхронизации машин в составе технологических агрегатов и ланий легкой промышленности как совокупности статических и динамических показателей управления их скоростным режимами и физико-механическими нарамзтра-щ вырабатываемого материала.

2. Разработка новых принципов электронно-цифровой синхронизации машин, способных обеспечить высокую жесткость их электрических связей в статических и динамических режимах с сохранением заданного относительного рассогласования, централизованное управление обеда уровнем скорости всего агрегата и независимое точное управление деформацией полотна в каждой зоне его формирования И обработки

3. Совершенствование способов синхронизации малин на основе регулирования натяжения обрабатываемого материала с учетом особенностей деформации движущегося полотна и нелинейных свойств элементов

его транспортирования.

4. Исследование влияния езэлмных связей локальных узлов к систем синхронизации на общую динамику многомашинных технологических агрегатов и разработка принципов рационального построения многс-связ1шх систем транспортирования материала.

5. Разработка и исследование принципов построения координационных систем для управления основными физико-механическими параметрами ленточных и волоконных материалов в процессах формирования и последующей обработки.

Связь с целевыми программами. Работа выполнялась в' соответствии с "Программой создания и освоения серийного производства систем высокоэффективного технологического оборудования для легкой прошшенности" СМ СССР (в рамках конверсии оборонных отраслей) и соответствукшкш приказам Минавиалрома И Министерства машиностроения; с Программами ГКНТ 0.85.03 , 0,37.01 по созданию и освосшш поточных линий для производства нетканых материалов и 0.80.03 по созданию САПР пршодов и следяцих систем; с Межвузовской комплексной научно-технической программой' "ОПТИМУМ" (этап 03.05.Н4) и приказом Минхимпрока (& 32 от II.01.89г.) о создании линий по производству полимерных оптических волокон и кабеля.

Основные методы исследований. Постановка, проведение и обработка результатов экспериментальных исследований производились'методами теории идентификации, планирования экспершента, регрессионного и спектрального анализа. Разработка и исследование новых принципов синхронизации машин осуществлялись на ' основе применения операторного исчисления, структурных и частотных методов исследования непрерывных и дискретных систем, гармонической линеаризации нелинейностей, теорш пространства состояний и модального управления, использования теорий чувствительности и инвариантности, методов оптимизации и адаптивного управления, элементов те-орш конечных автоматов, теории сингулярных возмущений и теорш распределенных систем. Активно использовались также методы имитационного математического моделирования сложных динамических объектов и проведение вычислительных экспериментов на ЭВМ.

Достоверность теоретических положений подтверждается результатам экспериментальных исследований на лабораторном, опытно-производственном и серийном промышленном оборудовании.

Научная новизна. Определяется разработкой и реализацией новых подходов к решению .проблемы агрегирования и управляемой синхронизации машин как на локальном уровне отдельных техноло-

гических зон, участков и переходов, так и на общем уровне объединенных многомашинных агрегатов.

1. В результате аналитических исследований взаимосвязи качественных показателей вырабатываемого материала со скоростными режима-га рабочих машн, а такие активных экспериментов на действующем оборудовании с использованием разработанных гакропроцессоршх средств идентификации выявлен комплекс единых требований к статическим и динамическим показателям систем управляемой синхронизации машин технологических агрегатов легкой промыиленностп.

2. На основе классификационного анализа существующих электромеханических систем выработаны перспективные направления развития принципов управляемой синхронизации малин в виде создания систем прямого измерения и регулирования деформации материала или соотношений скоростей пршодшх устройств, а также развития концепции, построения следящих систем элэктропртвода и реализации идеи непосредственного управления соотношением угловых перемещений электродвигателей.

3. Разработаны новые принципы построения (А.С.Йг 1224726, I3649S3) адаптивных цифровых измерителей соотношений скоростей электродвигателей и синхронизирующих систем электропривода на их основе. Получены аналитические соотношения для выбора параметров импульсных датчиков и определения алгоритмов самонастройки регулято-

. ров скорости.

4. На основе исследования различных вар1антов синхрхлпзпругощих

. систем в лаборатории: и производственных условиях с применением разработанных микропроцессорных средств идентификации получены аналитические выражения и статистические характеристики дот.янируюцих вЪ-змущений, вызванных вариациями момента сопротивления малин, а также неточностями изготовления и установки датчиков скорости."

5. В результате решения задачи оптимизации системы синхронизации малин по критерш минимума среднего квадрата ошибга деформации материала получены аналитические соотношения для определения опта-мальных параметров и алгоритмов самонастройки управлящих устройств при различном влияшш основных возмущений.

6. Разработан новый способ синхрхшизадид рабочих малин (A.C. яг 1354381, I4327I6, I568I95), основанный на принципе измеришя и ' регулирования фазового рассогласовшщя пршсдных электродвигателей

■ путем непрерывного координатного преобразования их углевых перемещений и обеспечивающий управление деформацией матер1ала, синхронное движение машин и точное регулирование их скорости. Создана методика

расчета и настройки цифровых и цифроаналоговых систем, реализующих " разработанный способ.

7. Разработаны новые программные средства в виде макромоделей дискретных элементов, позволяющих вести анализ электромеханических систем на уровне реальных физических эффектов, а также отладку микропроцессорных программ кросс-средствами универсальных ЭВМ.

8. С помощью разработанного цифроаналогового экспериментального комплекса выявлены и исследованы нелинейные свойства текстильных и полимерных пленочных материалов, определяемые наличием гистерезиса взаимосвязи их деформации и натяжения, а также вариациям! приведенной жесткости при изменениях модуля упругости и скорости транспортирования полотна. Разработаны нелинейные математические модели зон.

. деформации транспортируемых материалов, обеспечивающие адекватное отражение гистерозисных эффектов и параметрических возмущений.

9. Разработаны способы стабилизации динамических характеристик систем регулирования 'натяжения материала (Решение о выдаче A.C. по заявке Je 4869342/12) в условиях проявления нелинейных свойств и па-раметр1ческих возмущений на основе применения робастногои адаптяв-' ного подходов. Получены аналитические соотношения для определения рациональных конструктивных параметров петлеобразователей-компенса-торов и датчиков натяжения материала с механическими и пн.евматичес-

.. кими упругими элементами.

10. Выведены аналитические соотношения для количественной оценки влияния нереверсивных приводных устройств на динамику синхронизирующих- систем технологических линий. Разработаны упрощенная и уточненная методики оценки этого влияния и предложены эффективные решения (A.C. J£ II92090) по его компенсации.

11. Разработана методика оценки влияния технологических, механических и электр1ческих взаимосвязей приводных устройств на общую динамику многомашинной системы транспортирования материала.

12. Предложен способ улучшения динамических характеристик технологических агрегатов за счет компенсации дестабилизирующих связей дополнительными автоношзирующиш каналами. Получены выражения передаточных функций автономизирующих звеньев и разработана рациональная- структура многосвязной системы синхронизации машин на основе объединения принципов регулирования соотношений их скоростей (угловых перемещений) и натяжения транспортируемого материала.

13. Синтезированы и исследованы в сравнении вар1анты многодви-гателышх синхронизирующих систем, с • модальный регуляторами состояния.'Разработан эффективный способ (Решение о выдаче A.C. по заяв-

ке J£ 4862417/07) построения многодаигательного электропривода, по-" зволяющий формировать заданное распределение скоростей и нагрузок на основе принципа разделения абсолютного и относительного движений машин.

14. На основе объединения методов пространства состояний с методами применения передаточных функций конкретизирована процедура выбора оптимального распределения корней характеристического уравнения синтезируемой системы.

15. Предложен способ авар1йного торможения многодаигательного электропривода технологических агрегатов, позволяющий удовлетворить требованиям их технологического останова при сохранении максимальной надежности.

16. Выработаны общие принципы аппаратно-программной микропроцессорной реализации согласованного управления агрегируемыми машинами поточных линий легкой промышленности в реальном масштабе времени.

17. Разработана комплексная система автоматического управления поверхностной плотностью ленточного материала в условиях многозонного холстофор.мрующего агрегата (A.C. № I534III), обеспечивающая рзяимнуга перестройку структуры и параметров регуляторов, компенсацию транспортного запаздывания и стабилизацию производительности за счет частотного разделения сигналов управления пространственно распределенным приводным устройством.

18. В результате экспериментов на производственном оборудовании выявлены общие закономерности и специфические особенности процессов экструзионного формования, термического вытягивания л ориентации полимерных волоконно-ленточных матер:адов.

19. Разработана и реализована на. ЭВМ программа численного расчета стационарных и переходных режимов формования тонких полимер- • ных материалов, основанная на совместном решении уравнений динамики, записанных в-частных производных.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований составлена эквивалентная модель формования полимерного матер1вла, имеющая сосредоточенные параметры и облегчающая синтез управляющих устройств.

20. Разработана комплексная система управления диаметром биком-понентного волокна в объединенной установке формования и тер.ичес-кого вытягивания (A.C. М 1686047,- решение о выдаче A.C. по заявке

Я 4764306/12), основанная на пршенении нижнеуровневой подсистемы электрической синхронизации машин и реализации пряшипов програм-

много управления, прогнозирования и адаптации на верхнем уровне координационного управления технологическими машинами.

Практическая ценность и промыт -ленное внедрение результатов. Полученные научные результаты являются основой для совершенствования существующих и создания новых образцов устройств и систем синхронизации агрегируемых машин, разработки инженерных методов их расчета и настройки, составления рекомендаций по модерю!завди действующего и проектированию перспективного технологического оборудования.

В 1982 г. в Ивановском НИЭКШ внедрены рекомендации по проектированию многодвигательных электропршодов и систем транспорта-' рования текстильных материалов поточных линий для их высокоскоростной и малонатяжной обработки, экономический эффект от использования которых в линиях, типа ЛПСС-140, ЛК0-140 1Ш составляет 32,4 тыс.руб. в год.

В 1983 г. при участии отдела электропривода и автоматики Ивановского НИЭКШ в серию поточных линий ЛН1-220 Т ÜIHI-I80 НИ) внедрена разработанная система многоступенчатого бесконтактного торможения многодвигательного электропршода с годовым эффектом 59,1 . ТЫС.руб.

В' 1985-1986 гг.-в Ивановском НИЭКШ внедрены опытные образцы ' цифровых устройств для точного измерения и регулирования соотношений скоростей электродвигателей, а также цифровая система управления электроприводом поточной линии AK-I800 для производства нетканых материалов и микропроцессорная система управления электроприводом холстоформирующего агрегата с экономическими эффектами соответственно 43,9' тыс.руб. и 46,9 тыс.руб. в год.

С 1988 г. по 1991 г. на технологических установках ВНИИСВ и Инженерного центра полимерного оптического волокна г.Твер1 внедрены и находятся в стадии активной эксплуатации микропроцессорные системы электропршода, обеспечивающие управление скоростным режимами машин, а также диаметром и вытяжкой полимерных оптических волокон в процессах их формования и термического вытягивания с общим экономическим эффектом 205 тыс.руб. в год.

В 1990 г. Киевским КБ "ЛУЧ" Шнавиапрома принята к внедрению разработанная микропроцессорная система синхронизации электродвигателей, Ьснованная на концепции следящего управления, а в Ивановском В13КШ внедрена методика расчета микропроцессорных синхронизирующих систем и исходные требования для их серийного промышлен-

ного образца (общая стоимость работ - 45 ткс.руб.). ~ -

В 1991 г. в НПО "1ШД-Ы,1АШ" г.Москвы внедрены некомендации по проектированию систем взаимосвязанного электропривода поточных линий для производства синтетических пленок, а также пакет математических моделей элементов систем транспортирования ленточных материалов технологических агрегатов с экономическими эффектами соответственно 25 тыс.руб. и 20 тыс.руб. на одну проектируемую линию." '

Общий экономический эффект от промышленного Енедрения результатов работы составляет 450 тыс.руб. в год. Передано научно-технической продукции по договорной цене (без оценки эконом, эффекта) на общую сумму 65 тыс.руб.

Использование в учебном процессе. Результаты работы послужили основой для создания 4 лабораторных стендов, 8 методических разработок по курсам "Автоматизация типовых технологических процессов и промысленных установок" и "Теория электропривода" , постановки автоматазированного курсового проекта по электроприводу технологических машин.

Апробация работы. Материалы по теме диссертации докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции (НТК) "Развитие производства, повышение технического уровня текстильного оборудования" (Иваново, 1983); на Всесоюзных НТК по электротехнологии (I - У Бенардосовские чтения, Иваново,

1983, 1985..... 1991); на Всесоюзном научно-техническом семинаре

(НТО) "Системы электропривода и промышленной автоматики с управлением от микропроцессоров и ЗБМ" (Ленинград, ДШТП, 1983); на Всесоюзной НТК "Следящие электроприводы промышленных установок, роботов и манипуляторов" (Челябинск, 1986); на Всесоюзной НТК "Техничесгай* прогресс в развитии ассортимента и качества изделий легкой промышленности" (Иваново, 1987); на Республиканской НТК "Использование вычислительной техники и САПР в НИР и ОКР" (Владимир, 1989); на Всесоюзной НТК "Проблемы управления промышленными электромеханическими системами" (Ульяновск, 1989); на Всесоюзной НТК с международным участием "Современные проблемы электромеханиш" (Москва, M3I,

1989); на Всесоюзной НТК "Новое в технике и технологии текстильного производства" (Прогресс-90, Иваново, 1990); па Всесоюзной НТК "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990); на Всесо- ' юзном НТО "Приводы-90" (Ленинград, ЛШ, 1990); на Всесоюзном НТС "Математическое моделирование процессов и аппаратов" (Иваново-Плес,

1990); на Всесоюзном НТС "Электропривод с цифровым и цифроаналогс-екм управлением" (Ленинград, ЛДНШ, 1991); на XI Всесоюзной 1ПК по

проблемам автоматизированного электропривода (Суздаль, 1991),

Публи кации. По результатам исследований опубликовано 40 научных работ в центральных изданиях, II статей в тематических межвузовских сборниках; получено II авторских свидетельств на изобретения и 3 решения об их выдаче.

СОДЕШШЕ РАБОТЫ

В первой главе определена и конкретизирована проблёма агрегирования и согласованного двикения машин в технологических линиях легкой промышленности, сформулированы научное направление работы и задачи исследований.

Показано, что легкую, промышленность следует рассматривать как единый машинно-технологический комплекс, характеризующийся тесной взаимосвязью отраслей матерюльными потоками готовой продукции и полуфабрикатов, общностью технологических процессов и оборудования, единством формы представления продукта как ленточного или волоконного матер1ала в основных стадиях его формирования и переработки.

Отмечены тенденции развития машиностроения и их проявление в современном оборудовании легкой промышленности. Показано, что высшей ступенью развития технологических машин являются агрегатарован-.ные установки и непрерывно-поточные линии, способные в полной мере реализовать достижения современной технологии и повысить эффективность производства.

Общность технологических операций, рабочих.машин, а такне формы представления продукта определяют аналогию в построении и функционировании агрегатированного оборудования различных отраслей легкой промышленности.

Это структурное и функциональное единство закрепляется общими тенденциями развития технологических агрегатов, состоящими в увеличении количества машин, включаемых в единый поток, максимальном сокращении размеров технологических зон и переходов, повышении рабочих скоростей, использовании индивидуальных пртодов машин или их рабочих органов для повышения числа степеней свободы и гибкости управления, расширения ассортимента выпускаемой продукции.

В свою очередь, общность структуры, особенностей функционирования и тенденций дальнейшего развития непрерывно-поточного оборудования обусловливает единую проблематику агрегирования машин и совершенствования малинных комплексов легкой промышленности.

Сформулированы общие требования управляемой синхронизации машин

технологических агрегатов.

На основе результатов теоретических и экспериментальных'исследований ряда авторов выявлены требования к величине скоростного диапазона, точности и плавности регулирования скоростей, соотношений скоростей малин, а также натяжения полотна для поточного оборудования различного типа.

Проведены дополнительные факторные экспершенты и выявлены количественные взаимосвязи между точностью стабилизации скоростных режимов машин и качественными показателями продутсции для новых процессов "тонкой" технологии получения бикомпонентных полимерных волокон оптического назначения.

На пршере производства нетканых текстильных полотен клеевым способом, характер1зутацегося реализацией процессов формирования, преобразования и заключительной обработки материала в пределах одного агрегата (поточной линии АК-1800), разработана методика аналитического определения требований к точности управления скоростными режимами машин-на. основе установленных требований к качественным (весовым) показателя!,1 готового продукта с учетом особенностей трансформации материала, отражаемой структурной схемой массопереноса •(рис.1). Здесь: , щ, , ш" , Ш$ - поверхностная плотность материала соответственно на входе лиши, выходах холстоформирующей части (ХЧ), клеевой бескомпенсаторной части (КБКЧ) и всей линии, ■ = =п1&>екк; еК5 , екк - дали связующего в го-

товом материале, вносимого в КБКЧ и клеевой компенсаторюй части (ККЧ); 6Х , , £кк - вытяжка полотна соответственно в ХЧ, КБКЧ и ККЧ.

При статистическом подходе к расчету допустимых отклонений вытяжек получено:

|дб*Ы &*-§**

(I)

где бх =1дт;1/т* ; ■{■ 5 =1дт&1/т4 ;

бк = ; вк 5 6« = 1дт®"\/ т;*« (символ & обо-

значает возможные отклонения соответствующей величины).

Соотношения (I), (2) определяют требования к точности синхронизации машин на стадии холстофоротровшшя, которые должны обеспечиваться пршодными устройствами.

Рис. I. Структурная схема массопереноса аля производства неткан-ного материала на поточной линии АК-1800

Рис. 2. Схема мехинической части и спектрограммы тока и скорости Электродвигателя двухвальной плюсовки

Полученные результаты показывают, что современные тенденциима=~ шностроения приводят к существенному повышению и одновременному сближению требований согласованного движения машин технологических агрегатов различных отраслей легкой промышленности. Они- выражаются в необходимости точного регулирования скоростей и соотношений скоростей машин, а также натяжения материала с соответствующими погрешностями (0,5.,.0,05)% и (15...5)%, обеспечения показателей плавности на уровне допустимых погрешностей регулируемых координат в условиях расширения основного (рабочего) и общего скоростных диапа^-зонов поточного оборудования соответственно до (5...50) : I и (50...150) : I.

Требования к динамическим показателям управления скоростнквд параметрам, а также натяжением обрабатываемого материала определялись путем исследования доминирующих возмущений.

Для этого был разработан универсальный комплекс аппаратно-программных микропроцессорных средств (АПК), обеспечивающий многоканальную обработку, аналоговых, импульсных и цифровых информационных сигналов частотой до 35 кГц и последующий расчет их основных статистических характеристик.

Проведены экспериментальные исследования изменений моментов статического сопротивления технологических машин путем спектрального анализа флуктуаций тока силовой цепи и угловой скорости их приводных устройств (рю.2). Полученные результаты позволяют описывать изменения моментов нагрузка технологических машин роторного типа в виде полигармокических детерминированных функций времени:

МСШ= Мс15»гЦи)^+«РЛ, <3)#

где Мсо - постоянная составляющая; Мц - амплитуда I - той периодической составляющей; П - количество роторов малины; , о)^ - начальный угол и частота вращения I -того ротора. ^ •

Применение индивидуальных приводов приводит к упрощению кинематики машин а к преобладанию колебаний момента сопротивления основного рабочего органа:

МсШ~Мсо+Мс,-31П(иЦ+1М- (4)

Амплитуда колебаний момента нагрузки не превышает щи этом (10...20)5» от его среднего значения.

Полученные спектрограммы натянений транспортируемых материалов в технологических агрегатах подтвердили доминирующий характер флуктуаций моментов сопротивления основных органов рабочих машин.

Связь между фяуктуацяями момента нагрузки ДМй и соответствую-

щими изменениями деформации ДЕ. материала была описана передаточной функцией общего Еида:

и ^_

где ^ = К /I- , ^ - радиус основного рабочего органа машины, I -передаточное отношение механической части; I - пршеденный к валу двигателя момент инерции; - скорость подачи материала в зону деформации; & - оператор Лапласа; Тт = Ь /% , Ь- заправочная дайна ыатер}ала в зоне; Нр (5 ) - передаточная функция разомкнутого контура скорости (соотношения скоростей).

Исследование (5) на частоте и)< позволило определить диапазон значений частоты среза и)с локальной системы регулирования скорости (соотношения скоростей),-при которых отклонения деформации материала (а следовательно, весовых и гёометрческих размеров) не превышают допустимых значений Дб в условиях действия возмущения- (4) (ДМЬ =МС, ):

N

¿»ДМс-М • . .. ^ДМс

где М - показатель колебательности.

Расчеты, выполненные для машин различ1шх технологических линий (АЦ-1800, ПЭТФ-2400 и др.) показали, что частоты среза синхронизирующих систем должны находиться в пределах (4...35)рад/с. Это соот-вётствует времени регулирования скорости порядка (0,75...0,09)с пр» монотонном или малоксяебательном характере переходных процессов.

Исследование технологической роли натяжения материала пр! обработке в оборудовании различных отраслей определило необходимость повышения собственных частот контуров его регулирования до (1...7) рад/с.

Выполненный анализ применяемых систем синхронизации машин технологических агрегатов выявил их существенные недостатки: большие га-бар(ты, вес, низкая надежность, значительная мощность управления (механические систеш на базе варшторов, диф.редукторов и т.п.); возможность выпадения из синхронизма (системы "электрического вала" с вариатора),а); изменение показателей точности при вар!аодях рабочей скорости (аналоговые системы электропривода с тахогенераторами); ухудшение динамики, плавности управления деформацией, необходимость дискретной коррекции (импульсно-фазовые систеш); сложность сочетания высокой.точности и быстродействия в широком скоростном диапазоне (цифровые систеш). Систеш регулирования натяжения полотна не обеспечивает требуемую точность и быстродействие, поскольку включа-

гот б контур обратной связи движущийся материал и органы его транс-' портированкя со сложными-динамическими характеристиками.

Аналитические исследования подтЕерэдены результата».!! эксперимен- . тов на текстильных агрегатах (ЛПСС-140, ЛГО-220 Т), линиях по производству нетканых материалов (AK-I800), синтетических пленок (ПЭТС5-2400) и волокон (ГлГЫ-1).

В итого сделан вывод о том, что решение проблемы агрегирования и согласованного движения машин технологических линий легкой промышленности следует искать на пути разработки и реализации новых прш-ципов их управляемой синхронизации, способных обеспечить жесткую связь машин в установившихся и переходных режимах npi точной стабилизации их относительного рассогласования, централизованное управление. движением всего агрегата и независимое управление деформацией и натяжением полотна в каждой зоне его обработки, компенсацию механических, электрических и технологических возмущений, расширение возможностей автоматического управления физико-механическими параметрами вырабатываемого продукта.

Во зторой главе решается задача управления деформацией материала и синхронизации машин по принципам точного регулирования соотношений их угловых скоростей и перемещений, особенно актуальная для стадий формирования структуры и начальной обработки аморфного продукта с низкой механической прочностью.

Показано, что прз повышении скоростей современного оборудования и сокращении размеров технологических зон задачи управления деформацией полотна и соотношением скоростей машин становятся тождественными из-за уменьшения инерции их взаимосвязи. В области малых скоростей деформация определяется-разностью перемещений транспортирующих устройств, отнесенной к заправочной длине материала в зоне обработки.

Выполнен анализ прецизионных систем электропривода различного назначения и направлений их развития. Показано, что современные разработки обеспечивают определенное повышение точности, быстрх>действия, расширение скоростного диапазона ценой значительного увеличения сложности и стоимости, что снижает их эффективность в многодвигательных агрегатах. Тенденции развития прецизионных систем, ор!ентированных на задачи станкостроения и робототехники, не соответствуют специфи- • ческим особенностям и требованиям поточного оборудования легкой промышленности.. Это определяет необходимость разработки новых пртци-пов ранис ального построения синхронизирующих систем, способных обеспечить сочетание высокой жесткости связей валов, свойственной меха- ■ ническим вариаторам, с быстродействием электрических аналоговых уст-

ройств и повышенной статической точностью импульсно-фазовых и цифрой вых сишчронизаторов при минимальном усложнении и удорожании электрооборудования. .

Предложены два направления совершенствования пршципов управляемой синхронизации, машин: создание систем прямого измерения и регулирования деформации материала или соотношений скоростей (СС) приводных устройств- и развитие концепции построения следящих систем электропривода на основе управления соотношением угловых перемещений электродвигателей.

В основу первого подхода положены разработанные (А.С.)Уё 1224726, 1364993) адаптивные цифроаналоговые устройства измерения и регулирования соотношения скоростей электродвигателей (УИГСС). Они построе- . ны по принципам периодомера, самонастройки опорной частоты ^ оп или дискретности р измерительных каналов на уровень базовой скорости, определяемым формула/а: '.

i .. fon-TWon-T* (fi/p)-(f,/p)

^ " J0n-Ta ~ st/p .

где í - соотношение скоростей ; г «T^j, - частоты и периоды импульсных сигналов датчиков скорости.

Путем соответствующих схемных переключений УИГСС могут перестраиваться на измерение и регулирование отношения í скоростей, определяемого Формулами:

-у" f.n-T< h/р

v- ~ fonТ,. ~ Ыр • • (8>

Принципы построения локальной системы синхронизации машин с использованием УИГСС поясняются функциональной схемой на рмс.З. Здесь: Mj 2 - электродвигатели; СП-^ 2 - силовые преобразователи; FTj- 2 » icdj 2~ регуляторы тока и соотношения скоростей; ИД^ 2 - импульсные датчики; УИСС^- 2 - узлы измерения СС; , ^ - заданные значения^ и 0 . Стабилизация динамических характеристик системы обеспечивается за счет самонастройки коэффициента усиления (Jb ) ГСС в функции оценки ^ величины базовой скорости ведущего электродвигателя.

В результате исследования цифровых систем на основе операторных методов Z- и UT-преобразований получены соотношения доя определения дискретности импульсных датчиков скорости исходя из заданных требований быстродействия и точности:

• __А" А У fon

где 'S min,та* - минимальное и максимальное значения частоты вращения; Ттк - эквивалентная постоянная времени аналогового контура тока;Д^ - абсолютная погрешность стабилизации СС.

Проведены испытания разработанных систем в многодвигательном исполнении на линии по производству нетканых текстильных материалов. Они показали, что удается обеспечить стабилизацию соотношений скоростей машин и вытяжки полотна с погрешностью 0,1$ в скоростном диапазоне 30:1 щи времени регулирования 0,1 с на основе использования инкрементных датчиков с дискретностью р = 128.

Реализация перестройки величины дискретности измерительных ка' налов согласно (7) при максимальном значении р = 1024 позволила расширить скоростной диапазон до (60...80) : I.

Решение проблемы стабилизации периода измерения в условиях вариации скорости было-достигнуто за-счет использования принципа частотной модуляции выходных сигналов индукционных датчиков

и вычисления соотношения скоростей по формуле

} =ТН(Т,-Тг)/[Т,(ТН-Та], ' (II)

где JH , - значения несущей частоты и соответствующего ей

периода; fy - число пар полюсов датчика. ' .

■ -Снижение статической ошибки регулирования СС и решение проблемы "бесконечной" перестройки коэффициента усиления регулятора при уменьшении скорости было обеспечено за счет организации релейного режима работы цифровой систеш, вибрационного сглаживания.нелинейности, обусловленной квантованием сигналов по уровню.

Исследования, выполненные методом гармонического баланса, позволили получить аналитические соотношения для определения параметров возникающих автоколебаний: частоты, амплитуды, смещения их центра от действия момента нагрузки.

Стендовые испытания систеш, реализованной на базе микропроцессорного контроллера MC 2702, комплектного электропривода ЭТ-6 и синус-косинусных датчиков'скорости Ш.Ш-1, показали, что удается обеспечить стабилизацию СС с погрешностью'0,2$ в скоростном диапазоне 150:1 щи времени регулирования 0,09 с и сохранением работоспособности до полной рстановки двигателей (режим силового удержания). Однако .повышение технических показателей достигается здесь ценой ухудшения энергетических характеристик щиводных-устройств.

В результате исследований синхронизирующих систем в лабораторных и производственных условиях с использованием специально-разработанных микропроцессорных средств установлено, что их доминирующими во-

змущеняята являются изменения среднего уровня ( Л !ДС) и гармонические флуктуации (МСг) ) моментов сопротивления рабочих машин, а также помехи в виде так называемых зубцовых С ) и оборотных ( ) пульсаций выходного сигнала измерителей скорости, вызванные неточностям их изготовления и установки на валу двигателя.

Решена задача оптимизации цифровых систем в условиях действия указанных возмущений на основе кр1тер!я минимума среднего киадрата ошибка стабилизации деформации матер1ала:

Z^a Z^b Zt + c-Z^^dZ^, m)

где. a , Ь , С ,cL - весовые коэффициенты, соотношение которых отражает степень нежелательности появления составляющих ошибки Zjz I Zf* , определяемых действием соответствующих

некорреларуемых возмущений.

Получены соотношения для расчета и настройки на заданную скорость оптимального усиления регулятора[Jb= , позволившие по-, высить точность синхронизирующих систем на (20-25)$.

Б процессе исследований было установлено, что операция вычисления соотношения скоростей обладает свойством статистического дифференцирования, т.е, усиления помех высокой и средней частот, что ухудшает работу систем на пониженных скоростях.

Более полное соответствие особенностям управления деформацией материалов обеспечивает разработанный в рамках второго направления способ синхронизации машин (А.С Js I35438I), основанный на прищнпе измерения и регулирования фазового рассогласования электродвигателей в режиме непрерывной заводки с предварительным координатным преобразованием.

Сущность нового способа поясняется функциональной схемой на рис.4-а. Здесь: ФП| 2 ~ функциональные преобразователи, БЗСС - блок задания соотноиеная скоростей, Б$С - блок фазового сравнения. ФПj 2 формируют ограниченные по модулю M вспомогательные сигналы Т^г, ' (pic.4-6) ,• которые'связаны с исходны!,si сигналами угловых перемещений и заданным отноше1щем скоростей 5>j следующим образом:

пр!чем = + (14)

В качестве Б2С используется устройство вычитания по модулю М, реала зующ'ее' вычисление дополнения Fj сигнала Fj, до модуля M

^Дл^м-Шл.), (К)

сложение сигнала и дополнения

и вычитание полови ни модуля пз результата сложения ■

и = ад Л Л^- м/г (17)

для получения двуполярного управляющего воздействия I) на ведомый элэктропрдаод. Совпадение сигналов и , обеспечиваемое контуром слежения, гарантирует заданное рассогласование синхронизируемых

валов (18) и стабилизацию соотношения их скоростей с астатазмом первого порядка за счет естественной интегральной связи ^ и "э^

(19)

Разработанный способ является универсальным, позволяя решать задачи управления соотношением скоростей, синхронного вращения машин, регулирования скорости и перемещения на основе использования как инкрементных, так и индукционных датчиков угла.

Аналогичный результат достигается, если периодические сигналы Чал измерителей ограничиваются разными модулями М| 2» причем М^ = = ' ^Ь ' а обеспечивает формирование управляющего сигнала в соответствии с выражением: _

(20)

где ^^('"ЫтойМд'Мг./Мг В этом случае обеспечивается стабильность петлевого усиления следящего контура и улучшение его динамических характер! с тик.

Разработаны (А.С.Ш 1432716, 1568195) и построены на микропроцессорной основе различные варианты следящих систем, реализующих новый способ синхронизации. Составлена методика их расчета и настройки.

Всесторонние испытания систем, построенных на базе серийных электроприводов постоянного тока (ЭТ-6, ЗПУ2-2, УКЕЙ-ЗЗШ) и фотоимпульсных датчиков (ВЕ-178) дали следующие результаты: диапазон скоростей - 1000:1; диапазон отношений скоростей - 0,3...4,0; дискретность задания скорости и СС - 0,001; абсолютные погрешности стабилизации СС - 0,0015; 0,003; 0,03 в скоростных диапазонах соответственно - 10:1; 100:Г; 1000:1; время реакции на ступенчатое управляющее воздействие 0,09 с.

Таким образом, результаты, полученные в рамках обоих направлений развития синхронизирующих систем, дают разработчикам свободу выбора в соответствии с их конкретными требованиями и возможностями.

Для ускорения анализа дискретных систем разработаны новые сред-

ства имитационного моделирования, основание на использовании адап--тивного алгорцма коррекции шага интегрирования в зависимости от характера дискретных сигналов и определении моментов переключения их уровней по методу линейной интерполяции. Составлены макромодели типовых дискретных элементов синхронизирующих систем. Сделана оценка точностных характеристик усовершенствованных программных средств.

Третья глава посЕящена совершенствованию способов синхрошюации малин на основе регулирования натякения обрабатываемого матер!ала с учетом особенностей его деформации и динамических ха-рактерютик транспортирующих элементов. Такая Синхргашзация целесообразна в заключительных стадиях обработки матер5алов с высокой механической прочностью, а танке в случаях сильного влияния на полотно технологических возмущений.

Разработан универсальный экспериментальный комплекс для исследо-' вания локальных систем регулирования натяжения (СЕН), содержащий физическую модель зоны транспортирования матер;ала (ЗШ) с датчиком-компенсатором, ведущее и .ведомое пршодные устройства, аналоговую систему идентификации и управления в виде АВ1.1 с набором моделей зоны деформации полотна и цифровую информационную систему на базе фотоимпульсных датчиков утлоЕых перемещений валов, датчиков электропроводной метки, наносимой на материал, частотомеров и шкроЗВМ, обеспечивавшей регистрацию и обработку результатов экспер1ментов.

Исследования, проведенные на экспериментальном комплексе и промышленном оборудовании, показали, что одной из главных пр!чин неудовлетворительной работы синхронизирующих систем, построенных по прш-пдпу регулирования натяжения матер!ала, является влияние нелинейных свойств основных элементов контуров управления (рю.б-а): движущегося деформируемого полотна, датчиков-компенсаторов натяжения, исполнительных пршодных устройств.

Неоднозначная взаимосвязь натяжения и деформации матер1ала, имеющая характер гистерезиса (р1С.5-б,в), пршодит к эффекту неполной управляемости объекта, снижению быстродействия СН1, неблагопрштно-му форсированию двигателей и наиболее сильно проявляется в первых циклах (зонах) нагружения, а также при определенной степени влажности - для текстильных полотен и повышении температуры нагрева и ско- • рости деформации - для полимерных матер! злов.

К нелинейным эффектам' деформации полотна, ухудшающим динамику синхронизирующих систем, пр1водят также вариации его параметров, вызванные изменениями скорости транспортирования и величины приведенной жесткости.

Г) д)

Разработаны нелинейные математические модели ЗИЛ, способные пе-" рестраивать свои структуру и параметры при изменениях направления деформации и скорости движения полотна. В основу описания динамики текстильных материалов положены уравнения, отражающие упруго-необратимый характер деформации, а полимерных материалов - уравнения упругой и необратимой пластической составляющих деформации.

Для улучшения динамических характерютик локальных СШ в условиях проявления гистерезисов деформации матер1ала рекомендовано исключение быстрых интегральных составляющих из закона управления, снижение инерционности всех элементов контура натяжения. В качестве более радикального решения предложены использование регуляторов" натяжения с переменной структурой, автоматически перестраивающейся npi изменении направления деформации полотна, а также дополнение локальных СРН контурам управления соотношением скоростей машин на ба-. зе цифровых синхронизаторов, разработанных в главе 2.

Выявлена возможность стабилизации динамики локальных CHI в условиях вариаций упругих свойств и скорости транспортирования материала на основе робастного подхода (Реи. о выдаче A.C. по заявке № 4869342/12), заключающегося в использовании эффекта саморегулирования натяжения упругим датчиком-петлеобразователем с оптимальной жесткостью. Получены аналитические выражения для оптимальных значений приеденной жесткости Ку упругого элемента

(21)

и массы Ш подвижной части датчика

m^C^L+kX^V^L, (22)

где кг - геометрический коэффициент заправки полотна; Emjn - минимальное значение пршеденного к ширине модуля упругости матерюла; U)^ £idc(MM)/[ М~£Ты(М-Н)и)с] ; ^с» М - желаемые значения частоты среза и показателя колебательности СШ; Ты - эквивалентная постоянная времени приводного устройства. Разработана методика выбора параметров датчика натяжения. Определены границы и условия применимости робастного подхода.

Пр1 отсутствий возможностей сохранения параыетраческой грубости СШ предложено использовать адаптивный подход, основанный на стабилизации петлевого усиления контура натяжения путем автоматической перестройки 'коэффициента передачи i<Bpпрямого канала управления npi изменениях модуля упругости Е согласно, выражению

E-knp = Const, (23)

где Ец - эталонное значение Е, соответствующее базовой настройке системы; "Rp- коэффициент передачи регулятора натяжения.

Соблюдение (23) обеспечивается npi следующем алгориме самонаст>= ройке системы: (24)

где 6l = (E-IMVE=(T-TrM-VMtV(V-TM1)l (25)

Fmi,m¡¡, - составляющие эталонного значения натяжения, получаемые с помощью моделей ЗЯ.1 в соответствии с фор.улалщ

T^moJLs+TW/ÍLs-^), (26)

WMEK/as*m>, (27)

¥(0) - начальное значение натяжения в данной зоне, "F0 - натяжение матер;ала на её входе.

Использование быстродействующих прецизионных измерпелей СС, разработанных в главе 2, позволяет обеспечить оперативную и точную адаптацию системы к многократным изменениям жесткости полотна.

Исследованы нелинейные свойства датчиков и компенсаторов натяжения матер!ала как элементов синхронизирующих систем.

На основе применения частотного подхода и метода гармонической линеаризации нелинейностей получены аналитические выражения для оптимальной величины сухого трения () подвижной часта датчика натяжения. Б качестве иллюстрации на рю.5-г пршедены переходные ха-рактерютики локальной СГО, полученные при оптимальном значении Ftp = 30 Н (график I) и повышенном значении FTP = 300 Н (графики 2, 3), где график 3 отражает попытку компенсации влияния нелинейности ва счет увеличения коэффициента усиления регулятора натяжения.

На основе использования теорш пневмосиловых механизмов составлено математическое описание и разработаны модели пневматического компенсатора (ПК) натяжения, адекватно отражающие нелинейные зависимости его структуры и параметров от направления перемещения пориь ня (рю.б-д), положения поршня в пневмоцилиндре и давления воздуха в рабочей полости. Выработаны рекомендации по совершенствованию конструкции ПК, обеспечивающие компенсацию неблагопрштного влияния нелинейностей на динамику СШ и приближение динамических характерю-тик ПК к аналогичным характеристикам датчика натяжения.

Получены соотношения, позволяющие производить количественную оценку влияния нереверсивных приводных устройств (рис.5-е,ж) на да-'намику синхронизирующих систем в основных режимах работы линий.

На основе использования метода гармонической линеаризации разработаны упрощенная и уточненная методики оценки влияния неполной управляемости приводных устройств (НУП) на качество регулирования натяжения материала соответственно при нестрогом соблюдении "гипо-

тезы фильтра" а учете второй гармоника входного сигнала электропривода.

Для снижения неблагоприятного влияния НУП рекомендовано: исключение интегральных составляющих из закона управления натяжением материала, замена грузовых компенсаторов малоинерциошшми датчиками натяжения, введение перекрестных электрических связей отдельных приводов, использование блоков динамического подтормажпвашш. В качестве наиболее эффективного и универсального способа предложено применение регуляторов скорости с переменной структурой, изменяющейся при проявлении НУП, и использование контура автоматического управления токоогряничением электродвигателей (А.С.й 1192090), оперативно устраняющего автоколебания, возникающие под действием возмущений.

В четвертой главе разрабатываются принципы согласованной' работы машин в многосвязной системе единого технологичес- ■ кого агрегата.

Показано, что пр! объединении локальных систем синхронизации машин в единую многосвязную структуру (рис.б-а) возникающие между ними взаимосвязи (технологические, механические й электрические) через транспортируемый матер!ал, механические узлы и электр1ческие канаш пршодных устройств могут вызвать значительное ухудшение динамики и даже полную потерю работоспособности агрегата.

Разработаны и пршедены к удобному для анализа виду поэлементная развернутая и обобщенная матричная структурные схемы шогосвяз-ной синхронизирующей системы П - машинной технологической линии (рис.6—6) • Здесь: Н =Н(5 )= = [11^] =[^¡1 - переда-

точная матрица приводных устройств, = (5 )" ^ • (5 )/ 5 ), ]= 1,2,..., п !

L-

0 0 0...0 I 0 0 ... 0

-I I 0...0 I 0 ... 0

0 -I I...0 tfbí I ... 0

0 0 O...I .'47 I

(матрща электр!ческих связей) (матрща технологических связей)

. ( s )=i/(t ь +1); т= Tis )= dlagltial = [tjj] = tt¡] .

= Е/ ^(TTjs + I),

TJ

- 4

-mA 0 0 .Пи -nu 0 ' 0. ... 0 m2y o _mi... o

0 0 0 ..."Wn

- передаточная матрица механических (силовых) связей приводных устройств;

11У,

РнП '

ж

1Г„

11Уп..

5

ПУ - приводные устройства РН - регуляторы натяжения

а)

Рис. 6.

б)

-----4--(СБ}»......-'-ДрСрЬ'-

1,2,...,(п- 1),п - приводные устройства; СВ - прецизионные синхровариаторы рис>

Рис. 8. - 26 -

)= (6 ) ) = ^И-д5 г

К = К ($ ) - передаточная матрица регуляторов натяжения, причем, если направление связей противоположно направлению движения полотна (система I), то

0 а 0 ... 0

0 0 ... о

0 0 0 ... 0

0 0 0 • • •

0 0 0 ... о

а при совпадении направлений (система 2):

Получены общие выражения характеристических матриц А^ и Ад синхронизирующих систем I и 2 П-машинного агрегата: А, = [1-№Т1ЛК&»+МУ]; А-ЬИ(К^Н)]}(X -единичная матрица) На основе использования методов локализации собственных значений характеристических матриц получены аналитические соотношения для оценки степени автономности (связности) локальных подсистем в объединенной структуре технологического агрегата:

(28) (29)

где

1 <1 J i

U)c , 0 - собственная частота локального контура натяжения и

допустимое изменение запаса его устойчивости по модулю; Т«^ - эквивалентная постоянная времени приводного устройства при (Ъ ) = = + 2£Т^5 +1); 0 <■ ¡Л < (Юе/20-1).

Введены понятия управляющих и силовых связей пр!Еодных устройств (1Д -связей, где М = I Ир ($ ), и | -связей, где f = t Ьт (5 ) ), разработана методика оценки их влияния на динашку объединенной системы. Установлено, что при упреждающем характере силовых связей относительно управляющих их влияние на динамику системы оказывается стабилизирующим, а при одинаковом характере связей область улучшения динамики определяется соотношением:

+ \

0,5

(30)

Улучшение динамических характерзютик синхронизирующих систем предлагается обеспечивать путем достижения доминирующего характера элементов главных диагоналей матриц А2 2 за счет компенсации дестабилизирующих управляющих связей с помощью автономлзир/ющих каналов, описываемых матричным звеном К (рис.6-6), где

К=Кт

I 0

0 I •••Wo 0

0 0 I 0

0 О 0 ... I 0

0 0 0 ... 0 0_

k=V

(для системы I )

"о 0 0 .. 0 o"

0 I 0 .. 0 0

0 kjl I . .. 0 0

О k(>M)t .. I 0

0 ■kni. I

Реализация автономизирующпх связей может быть выполнена так, как это показано на рис.7 (для системы I).

Устанозлоно, что автономизирувщую роль могут выполнить односторонне связанные га с теш согласования скоростей, строящиеся на базе прецизионных синхроварааторов (глава 2), как это показано штриховыми линиями на рис. 7.

При определяющем характере силовой взаимосвязи пр1Водных устройств заданные динамические и энергетические характерютики многомассовой системы предлагается обеспечивать на основе использования методов пространства состояний, синтеза модальных регуляторов посредством условной декомпозиции системы с однотипными каналами при нестрогом соблюдении условия управляемости по состоянию. Разработаны и исследованы в сравнении различные варианты построения многодвигательных электроприводов с модальным регуляторами. Показана наиболее высокая эффективность новой система (Реш.о выдаче A.C. по заявке M8624I7/07), построенной в соответствий с принципами теории сингулярных возцпцэний на базе общего модального регулятора ведущего электроприода и синхронизирующих локальных модальных регуляторов ведомых приводных устройств (ряс.8). Разработана процедура выбора оптимального распределения корней характер! стического уравнения, обеспечивающего отработку наиболее широких диапазонов частот и амплитуд входного гармонического воздействия в линейной зоне работы системы, обусловленной ограничениями её координат.

Усовершенствован способ торможения многодвигательного электроприода поточных агрегатов на общий тормозной резистор за счет автоматического регулирования его сопротивления пассивны® ключевыми элементами. Это позволило пр!близить возможности аварийного торможения к требованиям технологического останова пр! сохранении максимальной надатаосга.

Разработаны общие принципы построения децентрализованной микропроцессорной системы управляемой синхронизации машин, включая функциональную схему локальной вычислительной сети с необходимым набо-

ром элементов, требования к их аппаратному и программному обеспечению, оршнтированные на реализацию унравле1щя сложными технологическими агрегата!® в реальном масштабе Бремени.

Пятая глава посвящена решезпш вопросов применения синхронизирующих систем дая управления физико-механическими параметрами ленточных и волоконных материалов.

Достижение управляемой синхронизации агрегируемых машин расширяет возможности оперативного регулировашш весовых, геоыетр1ческих и других физико-механичесщх параметров вырабатываемых материалов, которое целесообразнее осуществлять на оборудовании дая первичного формирования продукта.

Основная специфика технологических агрегатов легкой промышленности как объектов автоматизации состоит в относительно частой смене режима работы, многократных изменениях параметров полотна, наличии переменного транспортного запаздывания информационных сигналов.

Разработана (А.С.гё 1534Ш) комплексная система управления поверхностной плотностью ленточного матер1ала для многозонного холсто-формирующего текстильного агрегата. Ее нижний уровень управления строится на базе и вдавидуальных регулируемых электроприводов и прецизионных синхроЕаршторов, обеспечивающих регулирование соотношений скоростей питающего цилиндра (ПЦ), главного и съемного барабанов (ГБ и СБ), вытяжного ир!бора (ВП) в соответствии с пршципаш, разработанными в главе 2. Ведущим является электропривод ГБ; согласованное изменение скоростей ПЦ, СБ и ВП обеспечивает оперативное управление производительностью агрегата, а раздельное регулирование соотношений скоростей машин элементами верхнего, урхзвня позволяет изменять поверхностную плотность вырабатываемой ленты. При изменениях режима холстоформирования система перестраивает свою структуру, а при вариациях рабочей скорости - параметры регуляторов. Компенсация транспортного запаздывания и стабилизация производительности достигается разделением'информационно-управляющих сигналов на высокочастотную, среднечастотную и низкочастотную составляющие и формированием независимых воздействий на последовательно расположенные приводные устройства, имеющие различные функциональные возможности и быстродействие .

Проведены экспериментальные исследования объединенной технологической установки формования и термовытяжки полимерного оптического волокна,.которые позволили выявить общие закономерности и характерные эффекты, прюутцле процессам экструзионного формования, термачес-

СО о

БВД

1, вид /

1 (

'X

I . ". ПТП 11 П II) I |

¡0

лэ.

5

дВТ

Рис. 9. Функциональная схема комплексной системы управления диаметром бикомпонентного волокна

кого вытягивания и ориентации полимерных материалов, произвести ~ оценку доминирующих возмущений.

На основе использования положегеШ "теории тонкой нити" разработана и реализована на ЭВМ комплексная программа численного расчета стационарных и дпнамичешшх режимов формования полимерного волокна, заключающаяся в совместном репзиш записанных в частных производных уравнений движения, материального и теплового баланса, а также реологически уравнеш!й Ньютона пли Максвелла, дополненных температурной зависимостью Аррениуса для вязкости полимера. Это позволило ускорить исследование сложных технологических процессов, установить пргашно-следственные связи, объяснить и провер!ть экспериментально выявленные закономерности.

По результата!.! экспериментальных и теоретических исследований разработана эквивалентная математическая модель управляемого объек- • та, имеющая сосредоточенные параметры и способная обеспечить адекватное отраженно взаимосвязей натяжения и диаметра формуемого волокна со скоростными режимами пршдгого и подающего устройств.

Разработана (A.C.J5 1686047) эффективная система управлет!я диаметром бикомпонентного волокна для установки формовштя п термпчес-кого вытягивания (рис .9). Её нижний уровень строится на базе элек-тропр*водов nj 2 з - Mj 2 з подающего, npieMHoro и вытяжного устройств, а также блока управлешш вытяжкой (БУВ) в соответствии с пршципами синхротюаидп машн, разработанный] в главе' 2. Верхшш уровень системы строится на основе принципов программного управления, прогнозирования и адаптации.

В ражиме программного управления установкой (npi пуско-заправоч-ных операциях) на основе заданной величины расхода 0Я устанавливается соответствующая скорость подачи расплава ядра; по заданным значениям диаметра готового волокна и кратности вытяжки Tj блок Бычисл91шя диаметра (ЕВД) формирует заданное значение диаметра на Еыходе зош формоЕшшя: = DjfTj' • По величине и заданной толщине Н0 оболочки блоком вычисления скорости (БЗС) определяется, а электропр!водом П3 - Mg устанавливается расчетная скорость "l^p приемного устройства'

. тгпр=ая/Вя4 = ся wcd^-^Ho)"- OD -

где =Bj( - 2Н0; Ся - параметр устройства подачи ядра. Скорость внтяхки формируется на осноЕе действительной скорости Д^ир и заданного значения }<, блоком управления вытяжкой и электро-пр!В0Д0м , В-лок вычисления расхода (ЕВР) определяет необходимый расход GL полимера оболочки и формирует соответствующую ско-

рость подачи ^по с помощью электропривода в соответствии с

формулой: ,

= О0/С0 = <В* -Вд,) й«/С0Вя4 , (32)

где Со - параметр устройства подачи оболочки.

Окончательная доводка размера волокна до заданного уровня производится контуром управления диаметром, построенным на базе лазерного датчика (ДД) и адаптивного Ш-регулятора, синтезирозачного по критерию оптимального модуля с использованием самонастройки его параметров на величину расчетной скорости приемки волокна.

Снижение высокочастотных флуктуации поперечного размера волокна обеспечивается блоком прогнозирования диаметра (БПД) г. форсирующим звеном (ФЗ) на основе обработки информации о натяжении волокна.

Оперативные переходы из пускового режима в основной и обратно, а такнв бисграя смена диаметра волокна реализуются за счет использования управляемых ключей, блока далекая и логического элемента (ЛЭ) на основе сопоставления относительной ошибки управления = /3)}< с заданным пороговым значением .

Разработанные принципы построения синхронизирующих систем и их применения для управления весовыми и геометрически!,л показателями материалов носят универсальный характер и могут использоваться для решения задач автоматизации различного технологического оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненных исследований, разработок и их практической реализации в лабораторном и промышленном оборудовании свидетельствуют о решении поставленных задач диссертационной работы.

Опредален комплекс статических и динамических показателей управления скоростными режимами и физико-механическими параметрами ленточно-волоконных матер!алов, количественно определивших проблему управляемой синхронизации машин технологических агрегатов и создавших ор:ентационную основу для её разрешения.

Разработаны новые принципы и построены соответствующие системы электронно-цифрового, в том числе микропроцессорного, управления деформацией вырабатываемых материалов и синхронизации рабочих малин на основе регулирования соотношений их скоростей и угловых перемещений, обеспечившие сочетышз высоких значений жесткости связей, характерной для механических синхронизаторов, уровня быстродействия, свойственного аналоговым электрическим системам, и показателей точности, присущих цифровым системам электропривода.

Выявление нелинейных свойств движущегося деформируемого материала и элементов его транспортирования, а также исследование влияния

нелинейностей на качество синхронизации машин по принципу регулирования натяжения полотна позволили усовершенствовать существующие системы за счет определения рациональных параметров транспортирующих устройств и разработать новые способы синхрмшзации машин на основе прммене1ия робастного и адаптивного подходов, обеспечивших компенсацию нелинейных эффектов и параметрических возмущеш1й.

В результате исследований влияния взаимных связей! локальных син-хро'шзирущих систем на общую динамику объединенных многомашинных агрегатов и его количественной оценки, пршенешш вход-Еыходтх передаточных соотношений и методов теории пространства состояний разработаны конкретные рекомендации и методы улучшения динамических характеристик поточного оборудования на основе компенсации дестабили-зируктдх связей, предао®ены эйфгхтавнне способы синхронизации многодвигательных систем б основных и тормозных режимах работы.

На оснозе результатов теоретических и экспериментальных исследований наиболее распространенных технологических процессов и оборудования, содержащего больше потенциальные возможности воздейст-еия на весовые, геометрические и другие физико-механические параметры волоконных и ленточ1шх материалов, разработаны новые пршципы координационного автоматического управления агрегируемыми машинами в условиях значительного транспортного запаздывания, больших вар!аций параметров, широкого скоростного диапазона, основанные на режимной адаптации, прогнозировании, частотном разделении управляющих сигналов и пространственном разделении функций управления приводными устройствами, обеспечившие улучшение качественных показателей готового продукта.

Детально проработаны вопросы практической реализации разработанных способов и алгоритмов управления агрегатарованшм технологическим оборудованием на основе широкого использования цифровых, в том числе микропроцессорных, средств, информационно-управляющих вычислительных сетей и их адаптации к задача!,1 синхронизации машин в реальном масштабе времени, что соответствует современным требованиям высокодинамичного, гибкого и надежного управления многомашинным технологическим оборудовав ем.

Степень решения поставленных задач и уровень полученных результатов, определяемых новыми возможностями разработанных принципов управляемой синхронизации ма::щн и обеспечивающих оптимальные условия проведения технологических операций, повышение производительности оборудования и улучшешю качества вырабатываемой продукции, свидетельствует о достижении главной цели диссертационной работы и рех—

нии важной народнохозяйственной проблемы на пути развития перспективного направления современного машиностроения - создания высокопроизводительного поточно-непрерывного технологического оборудования легкой промышленности.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах: ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. A.c. 1666047. Способ управления вытягиванием волокон при формовании и устройство для его осуществления./Тарарыкин С .В.,Бурков

A.П..Сойронов С 3. .Красильникъянц Е.В..Левин B.W. .Коломиец С.Н. -Бюл. № 39, 1991.

2. A.c. I568I95. МногодЕИгательный электропривод./ Тарарыкин С .В.,Бурков А.П.,Красильникьянц ЕЗ. - Бюл. Js 20, 1990.

3. A.c. I534III. Устройство для регулирования линейной плотности чесальной ленты./ Красильни къянц В »В., Тарарыкин С 3..Глазунов

B.0.,Бурков A.n. - Бия. Уг I, 1990.

4. A.c. I4327I6. Уногодвигательный электропривод./ Бурков А.П., Тарарыкин С 3..Глазунов Б.Ф..Красильникъянц ВЗ. - Бюл. JJ 39, 1988.

5. A.c. 1354381. Способ управления соотношением скоростей взаимосвязанного электропршода./ Бурков А.П. .Тарарыкин СЗ..Красиль-

никьянц Е.В. - Бюл. J6 43, IS87.

6. A.c. 1364993. Устройство для изменения и регулирования соотношения скоростей./ Тарарыкин С 3.. Красильникъянц ЕЗ..Бурков А.П., Иванников В.С.,Сшрнов В Л. - Бюл. Js I, 1988.

7. A.c. 1224726. Устройство для измерения и регулирования соотношения скоростей./ Тарарыкин С .В.,Глазунов В .0.,Красильникъянц

Е 3. .Иванников В .С. - ыи. № 14, 1986.

8. A.c. II92090. Вентильный электропршод постоянного тока./ Глазунов В .Тарарыкин С .В. .Спичков ¡u.U., Красильни ков АЛ..Смирнов В Л. - Бия. В 42, 1985.

9. A.c. 926119. Ролик для транспортирования ткани при жидкостной обработке./ Глазунов В.Ф.,Пруднов А.В.,Тарарыкин C.B..Бурков А.П. - Бюл. Ü 17, 1982.

10. A.c. 924521. Устройство для измерения веса транспортируемой ткани./ Глазунов В.Ф.,Пруднов A3..Тарарыкин СЗ.,Бурков А.П. -Бюл. Уе 16, 1982. .

11. A.c. 882903. Устройство для управления натяжением ткани./ Глазунов В.Ф.,Тарарыкин СЗ. - Бщ. К 43, 1981.

СТАТЬИ И ДРУГИЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Тарарыкин СЗ.Дютиков ВЗ. Особенности применения теории модального управления при синтезе многодвигательных электромеханических систем//Изв. Еузов. Электромеханика, 1991, Н2,-с .27-33.

2. Тарарыкин СЗ. Исследование динамики многосвязных систем синхронизации машин технологических агрегатов// Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 1991, Jè 5.-е.80-86.

3. Тарарыкин СЗ. Принципы синхронизации машин в технологических агрогатах для производства ленточных 'материалов// Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 1991, Ш 3.-е.75-81.

4. Тарарыкин С Д..Глазунов В.Ф.,Спичков Ю.П. Исследование влия-~ ния нереверсивных приводных устройств на динамические характерюти-ки АСР натянения материала// Изв.вузов. Технология текстильной промышленности, 1991, й I.e.86-90.

5. Электропршод установки формования и термоЕытяг.ки полимерного оптического волокна с микропроцессорным управлением/ Тарарлшн C.B.,Глазунов В.Ф..Софронов С .В. .Бурков А.П. и др./Д!атер1алы Всес. Hit. семинара "Электропршод с цифровым и цийроаналоговым управлеш-ем"-Л. : ЛДНТП, 1991.^с.24-28.

6. Спичков Ю.П. Датгрыкин С Д.,Глазунов В.Ф. К вопросу оценки влияния нереверсивных татасторных преобразователей на работу электропривода поточных линии.//Лзв. вузов. Технология текстильной промышленности, 1990, JS 4.-с.65-68.

7. Софронов С.В.,Тарарыкин C.B. Разработка системы управления электропр!водом зоны вктяяки полимерного волокна// Проблем электропривода и автоматизации промышленных установок: маквуз сб.-Иваново: ИвГУ, 1989,-с. I0I-IC6.

8. Бурков А.П.,Тарарыкин С.В..Красильникъянц. Разработка следящей системы взаимосвязанного электроприода с микропроцессорным уп- • равлением// Проблемы электропривода и автоматизации промышленных установок: Межвуз.сб.-Иваново,. ИвГУ, 1989.-е. 94-100.

9. Глазунов В Ж, Тарарыкин C.B..Спичков Ю.П. Управление торможением взаимосвязанного электропривода поточной линии для обработки ткани// Изв. вузов, Технология текстильной промышленности, 1990,

J& X 1^*0 « 73 ""77 •

10. Тарарыкин С .В., Левин В .11. Задачи управлешш скоростными режимами Формования ползи.*,ерных оптических волокон средствами автоматизированного электропривода// Полимеры и оптические волокна на их основе: Сб.н.тр. BHHIICB.- Калинин, 1988.-е. 92-100.

11. Разработка микропроцессорной системы управления электроприводом установок по производству волоконных изделий/ Софронов C.B., Тарарыкин С.В.,Бурков А.П.,Красильникъфнц Е.В.// Полимеры и оптические волокна на их основе: Сб, н.тр. ШМСВ,- Калинин, 1988.-

с. 101-106.

12. Исследование динамических характерютак установок для получения полимерных оптических волокон как объектов автоматического управления/ Согоронов C.B.,TapapjKHH С .В. .Глазунов Б.Ф. и др.// Полимеры и оптические волокна на их основе: Сб. н.тр, ВНИИСВ,- Калинин, 1988.-с. I07-II3. . •

13. Исследование на ЭВМ динамических режимов дискретных электромеханических систем/ Тараршш С .В., Красильникъянц Е.В.,Шубин А.Б.,Дурдцн Ц.Ю.//-Электромашиностроение и электрооборудование: Респ. межвед.н.-т. сб. - Киев: Тэхника, 1988, вып.42.-с.28-35.

14. Оптимизация системы управлешш соотношением скоростей электродвигателей в-условиях действия помех /Быстров A.M.,Тарарыкин

С .В. .Красильникъянц Е.В.,Бабиков А.В.// Электроприводы с улучшенными характерютиками для текстильной и легкой промышленности: Межвуз., сб. - Иваново; ИвГУ, 1986.-е. 12-19.

15. Тараршш С .В., Красильникъянц Е.Е.,Иванников B.C. Разработка цифровой системы взаимосвязанного электропривода для технологических линий по производству нетканых Материалов// Изв. вузов. Технология, текстильной- промышленности, 1986, К б.-Ci 73-76.

16. Быстров А.М.,Тарарикин С^..Красилышкъянц Е.В. Статистический синтез цифровой системы управления взаимосвязанным электропрл-

водом поточных линий// Методы анализа и синтеза систем управления многодвигательными электроприводами! Ыежвуз. сб.н.тр. - Иваново: ИвГУ, 1985.-с. 4-11.

IV. Тарарыкин С Л. .Глазунов В.О.,Красильникъянц Е.В. Определение требований к системам управления взаимосвязанным здектрхшршодом поточных линий дня производства нетканых матер1алов//Изв. вузов. Технология текстильнои промышленности, 1985, К 5.-с.57-60.

18. Исследование процесса деформации вязкоупругого полотна в зоне транспортирования/ Глазунов в.Ф.,Тарарыкин СЗ.,Спичков Ю.П., Бурков А.П.// Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 1985, В 1.-е. 78-82.

19. Цифровое управление соотношениям! скоростей электродвигателей в системе взаимосвязанного электропривода технологических ли-,, ний/ Быстров А.1,1.,Тарарыкин С«В.,Красильникьянц Е.В.,Спичков Ю.П.// Системы управления взаимосвязанными электроприводами: Межвуз. сб. н.тр. - Иваново; ИвГУ, 1984.-е. 4-10.

20. 0 динамических свойствах пневыокомпенсатора б отделочных машинах/ Глазунов В.Ф.,Тарарыкин С.В.,Спичков Ю.П.,Бурков А.П.// Изв. вцов. Технология текстильной промышленности, 1984, № 2,-с.

21. Тарарыкин С3.,Глазунов В. 5. .Бурков А.П. К построению систем автоматического управления еытяякой ткани при её обработке в машинах отделочного производства// Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 1983, № 5.-е. 75-79.

22. Глазунов В.Ф.,Тарарыкин С»В.,Спичков Ю.П. Особенности применения нереверсивных вентильных преобразователей в электропр!Водэ поточной линии для обработки ткани// Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 1983, Л 3.-с. 81-85.

Подписано к печати 29.04.92. Формат бумаги 60x84 1/16. Печ.л. 2,25. Усл.п.л.2,09.Тиррц 100 экз. Заказ 1558/р.

Типография УУЗ,153025, г. Иваново, ул. Ермака, 4Т