автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование эффективных способов управления сложными динамическими объектами с транспортирующими и наматывающими механизмами

На правах рукописи

ДУБОВИЦКИИ Вячеслав Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ С ТРАНСПОРТИРУЮЩИМИ И НАМАТЫВАЮЩИМИ МЕХАНИЗМАМИ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 ОКТ 2013

005535127

На правах рукописи

ДУБОВИЦКИЙ Вячеслав Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ С ТРАНСПОРТИРУЮЩИМИ И НАМАТЫВАЮЩИМИ МЕХАНИЗМАМИ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре электротехники и кафедре автоматики и промэлектроники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

кафедры автоматики и промэлектроники Поляков Анатолий Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой информационных технологий и систем автоматизированного проектирования

Севостьянов Петр Алексеевич

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

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский

институт технологической оснастки текстильного оборудования ОАО «ЦНИИМашдеталь»

Защита состоится « ¿Г» 2013 г. в ¿//часов на заседании диссерта-

ционного совета Д 212.144.03 в Московском государственном университете дизайна и технологии по адресу:

ул. Садовническая, д. 33, Москва, 117997

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии»

Автореферат разослан «3 »СХТЯ&Я 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.144.03

канд. техн. наук, профессор - Андреенков Евгений Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Рост производства нетканой продукции и разнообразие сырья требуют автоматизации процессов ее изготовления и повышения эффективности эксплуатации оборудования. В связи с тем, что в системах управления, построенных по традиционным методам, не используются в достаточной степени современные информационные технологии, применение таких систем для управления сложными динамическими объектами приводит к снижению качества управления. Этого недостатка лишены системы управления на основе искусственных нейронных сетей (ИНС) и нечеткой логики, которые относятся к интеллектуальным. Нейронные сети — один из основных архитектурных принципов построения ЭВМ шестого поколения.

Необходимость интеллектуализации систем управления обусловлена развитием высоких технологий автоматизации и информатизации технологических процессов, базирующихся на фундаментальных научных открытиях, что позволяет эффективно реализовывать сложные вычислительные процедуры и повышает эффективность контроля и управления, а также качество готовой продукции. Кроме того, выбранное научное направление входит в программу приоритетных исследований ведущих международных научных организаций (IFAC, IEEE, ACM), а идеи этого направления получают все более широкое распространение в различных областях науки и производства.

Вопросы повышения эффективности работы динамических объектов производства нетканых полотен отражены в трудах иностранных и отечественных авторов, среди которых можно отметить А.П. Сергеенкова, П.А. Севостьянова. В настоящее время недостаточно полно исследованы процессы формирования, транспортирования и наматывания волокнистых материалов и влияние на них рабочих органов, непосредственно управляемых регулируемым электроприводом. В должной мере не использованы современные методы и технологии для разработки и исследования сложных управляемых электротехнических комплексов. В недостаточной степени разработаны научно обоснованные критерии и методы оптимизации скоростных режимов сложных электротехнических комплексов. Не сформулированы в полной мере требования к многодвигательному электроприводу, не выявлена его оптимальная структура. Учитывая, что многие из перечисленных вопросов недостаточно полно изучены или совсем не рассмотрены в научных трудах, их решение представляет теоретический и практический интерес. Можно считать разработку эффективных способов управления сложными динамическими объектами технологического оборудования перспективной задачей. Цели и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка методики анализа и расчета управляемых электротехнических комплексов (ЭТК) для производства нетканых материалов, позволяющей согласовать и оптимизировать скоростные режимы с учетом статических и динамических свойств зон и узлов формирова-

ния, транспортирования и наматывания волокнистых материалов, используя при этом интеллектуальные алгоритмы, обеспечивающие инвариантность регуляторов к изменению параметров ЭТК.

Для достижения поставленной цели решены следующие научные и технические задачи:

- разработана научная концепция повышения эффективности работы управляемого ЭТК для производства нетканых материалов;

- определена взаимосвязь показателей качества волокнистого продукта и скоростных режимов ЭТК;

- разработана функциональная и структурная схемы модернизированной системы управления процессом производства объемного нетканого полотна, обеспечивающей внедрение интеллектуальных технологий и повышение качества выпускаемой продукции;

- определены динамические объекты многоканального управляемого ЭТК для применения интеллектуальных технологий, а также выделены и проанализированы этапы оптимизации;

- предложены и исследованы алгоритмы на базе ИНС и нечеткой логики, основанные на нелинейной теории управления;

- разработаны технические решения для оптимального управления взаимосвязанными электромеханическими системами (ЭМС) самовеса и устройства для наматывания нетканого полотна.

- проведены экспериментальные исследования по определению разрывной нагрузки и компонентов деформации объемного нетканого полотна при его нагружении; реализации скоростной диаграммы самовеса и наматывающего устройства; идентификации механических параметров асинхронного двигателя АИР56А4УЗ, используя аппарат линейных нейронных сетей.

На защиту выносятся:

1. Концепция построения структуры, проектирования и исследования сложной электромеханической системы производства нетканых материалов.

2. Модернизированный способ автоматического управления сложной электромеханической системой для производства объемных нетканых полотен.

3. Алгоритмы интеллектуализации при решении задач адаптации систем автоматического управления к изменяющимся параметрам объекта.

4. Метод расчета качественных показателей систем автоматического регулирования и рациональных скоростных режимов узлов и механизмов управляемого комплекса производства нетканых материалов.

5. Алгоритмы управления, функциональные и структурные схемные решения системы автоматического управления самовесом чесальной машины, механическим преобразователем прочеса, наматывающим устройством.

6. Технические решения модернизации самовеса чесальной машины «Бефа-ма Си-311» и наматывающего устройства линии производства объемных нетканых полотен.

7. Метод нейросетевой идентификации асинхронного двигателя.

Методы исследования.

В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. Теоретические исследования основывались на классических методах теории автоматического управления, теории автоматизированного электропривода, современной нелинейной теории управления, такой как нечеткая логика, искусственные нейронные сети. При построении математических моделей динамических процессов применялись методы экспериментальной идентификации технологических параметров с использованием технологии линейных нейронных сетей.

Моделирование и обработка данных исследований, расчеты при анализе и синтезе систем управления производились с использованием современных информационных и компьютерных технологий. Использованы пакеты современной версии системы Matlab (Simulink, Neural Network Toolbox, Fuzzy Logic Toolbox) и программа для моделирования электрических схем Multisim. Расчёты проводились по стандартным и разработанным автором программам математической среды Matlab. Графическая обработка результатов выполнена средствами MS Excel, Matlab и стандартными средствами Windows. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработаны и исследованы алгоритмы интеллектуального управления самовесом чесальной машины и наматывающим устройством с целью адаптации систем автоматического управления к изменяющимся параметрам объекта.

2. Предложена и реализована структура разработки и исследования сложных электромеханических систем оборудования с транспортирующими и наматывающими механизмами, образующие поточную линию производства объемных нетканых полотен.

3. Разработаны функциональная и структурная схемы компьютерной системы управления поточной линией производства объемных нетканых полотен.

4. Разработаны и реализованы нейросетевые алгоритмы параметрической идентификации механической модели нетканого материала и асинхронного двигателя, учитывающие наличие шума в измеренных электромеханических параметрах, а также возможные отклонения каталожных данных от реальных.

5. Получено математическое описание динамики ЭМС механического преобразователя прочеса с учетом физико-механических свойств волокнистого продукта, гибких деформируемых связей, упругих механических звеньев кинематических передач и электромагнитных процессов в электроприводах.

6. Разработан метод расчета и проектирования сложных электромеханических комплексов на примере линии производства объемных нетканых полотен методом термоскрепления, базирующийся на применении интеллектуальных технологий, таких как искусственные нейронные сети, нечеткая логика, и учитывающий особенности технологического оборудования.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, основана на удовлетворительном совпадении аналитических и численных расчетов с результатами эксперимента, на использовании информационных технологий и современных методов и средств проведения исследований. Теоретические положения и экспериментальные выводы многократно уточнялись и проверялись. При проверке использовались методы лабораторных испытаний волокнистого материала и макета модернизированной части управляемого комплекса, а также методы моделирования. Практическая ценность работы.

Разработанные структуры систем управления с использованием интеллектуальных технологий, модели нейросетевых и нечетких регуляторов, алгоритмы и методики обеспечивают повышение эффективности производства нетканых материалов и могут быть использованы на предприятиях легкой и текстильной промышленности.

Практически значимыми являются: теоретические модели объектов ЭМС, экспериментально и (или) теоретически подтвердившие их адекватность; лингвистическое описание нечеткого регулятора натяжения, позволяющее адаптировать систему управления к изменяющимся параметрам объекта управления -моментам инерции и сопротивления.

Представленные алгоритмы управления и идентификации подтверждаются схемами БтшНпк и листингами программ, которые могут стать основой для аппаратной реализации и дальнейших исследований.

Структурная схема усовершенствованного способа управления процессом производства объемных нетканых полотен рекомендована для использования при проведении частичной модернизации действующей поточной линии, установленной на предприятии ООО «Торнет-ЛТВ», г. Дрезна.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2010, 2011, 2012, «МГТУ», Москва); на межвузовской научной конференции «Инновации молодежной науки» (2011, 2012, «СПГУТД», Санкт-Петербург); на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2011, ИГТА, Иваново); на межвузовской научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» (2011, 2012, КГТУ, Кострома); всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике» (2012, ДИТИ НИЯУ МИФИ, Димитровград); на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2012, ИГТА, Иваново); всероссийском конкурсе НИР студентов и аспирантов в области технических наук (2012, Политехнический университет, Санкт-Петербург).

Публикации. По материалам диссертационной работы получен патент РФ, опубликовано 19 научно-технических статьей, в том числе, из них 6 - в рецен-

зируемых журналах из списка ВАК; 3 - в отраслевых журналах и сборниках; 11 - в виде тезисов докладов в сборниках материалов конференций. Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 163 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы из 80 наименований, 91 иллюстрация, 17 таблиц. Приложения составляют 10 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертационной работе проблемы повышения эффективности оборудования для производства нетканых материалов за счет управления и оптимизации режимов электромеханических систем. Сформулированы цель работы и основные решаемые задачи. Дана характеристика научной новизны и практической значимости проведенных исследований. Предложена концепция построения структуры и исследования управляемых электротехнических комплексов для производства нетканых материалов.

В первой главе проведен анализ технических решений и научной литературы, посвященных исследованию режимов работы технологического оборудования для производства объемного нетканого полотна. Определены технологические особенности и критерии оценки качественных показателей волокнистого материала и их взаимосвязь со скоростными режимами работы оборудования, осуществляющего процессы подачи, чесания, транспортирования, термообработки и наматывания волокнистого продукта. Составлена структурная схема действующего ЭТК на базе чесальной машины «Бефама Си-311».

Осуществлен анализ исследуемой поточной линии. В результате данного анализа установлено, что в действующем ЭТК не обеспечивается требуемая точность порции волокнистой массы в самовесе чесальной машины. Вследствие этого изменяется линейная плотность по длине полотна и его общая масса в готовом продукте. Отсутствие контроля качества выпускаемого полотна не позволяет осуществлять коррекцию скоростных режимов машин управляемого ЭТК. Кроме того, отсутствует возможность контролировать колебания вытяжки прочеса и деформации нетканого полотна.

Осуществлен анализ динамических режимов машин, входящих поточную линию, результаты которого позволили выявить важные взаимосвязи со скоростными режимами.

Поставлена задача частичной модернизации управляемого комплекса, реализация которой позволит улучшить качество конечной продукции, повысить производительность оборудования и обеспечить рациональное потребление материальных и энергетических ресурсов.

Сформулированы основные требования, предъявляемые к управляемому ЭТК линии производства нетканого полотна.

Во второй главе предложен модернизированный способ автоматического управления технологическим процессом производства объемного нетканого

полотна, реализуемый разработанной структурной схемой, представленной на рис. 1.

Пуск линии производится в двух режимах: заправочном и рабочем с автоматическим переключением. С помощью установленного в начальной зоне транспортера датчика осуществляется слежение за линейной плотностью формирующегося холста. Замена коромысла весового механизма на тензорезистор-ный датчик массы типа БВА позволяет повысить точность измерения массы до 0,02%. За счет датчиков частоты вращения обеспечивается согласование производительности машин и линейных скоростей на переходах. Наматывание осуществляется по заданной в микро-ЭВМ программе и корректируется с помощью датчика натяжения.

Проведен анализ динамических свойств системы управления самовесом на основе полученной передаточной функции самовеса:

Ж Ы-АМ-_0-0057_

и2(р) 0.0202р3+2.24р2+61.1р + Г где Ат - производительность самовеса (г/мин); и2 - задающее напряжение для электропривода эксцентрика; т - заданная масса порции; р - оператор дифференцирования.

Разработана методика оптимизации дозирования волокнистого материала в самовес чесальной машины, позволяющая рассчитать коэффициент усиления интегрального регулятора в замкнутом контуре, исходя из формулы производительности А = т / {г + < 18.1 (г/с), где /, - соответственно время наполнения и выстоя.

Автором разработаны модели нечеткого и нейросетевого регулятора, которые обеспечивают скоростной режим игольчатой решетки самовеса, учитывающий изменения потока волокнистого продукта. В основе нечеткого регулятора лежит система нечеткого вывода Мамдани, которая использована в разработанной схеме вместо интегрального регулятора (рис. 2). Нейрорегулятор основан на искусственной нейронной сети с одним скрытым слоем.

В третьей главе проанализирована работа двухдвигательного электропривода, обеспечивающего работу преобразователя прочеса.

По расчетной схеме составлена система дифференциальных и алгебраических уравнений (табл. 1), позволившая исследовать скоростные режимы рабочих органов с учетом физико-механических свойств волокнистого продукта, гибких деформируемых связей, упругих механических звеньев кинематических передач. Электромагнитные моменты асинхронных двигателей рассчитывались по дифференциальным уравнениям, выраженным через потокосцепления.

Проведенное исследование показывает, что в переходных режимах имеют место затухающие колебания и запаздывание частот вращения при разгоне. Это приводит к увеличению относительной деформации прочеса как при пуске, так и при подаче управляющих воздействий (рис. 3).

] ДМ [—>

Весовая коробка

из2

Уос2

—*-»[ цап |—к^Днрн2

—|"НЦАП1—НПЧ1

Подводящая решетка

Игольчатая решетка

Эксцентрик

кшм

уплотняющего щитка

Редук тор 3

Питающая решетка

Укатывающий валик

ДЧ1

Редуктор органов чесания

ЦАП

Редуктор съемного вала

—¡4 ЦАП I-Ч^)—Н ПЧ2)->^Д^

Редуктор транспортера преобразователя прочеса (ПП)

ДЧ2

| __7 __\

—ЦАП -ПЧЗ^ДД5)-|-

|Электронный переключатель| -цдп |—I 1_-

Редуктор раскладчика ПП

ДЛП

Нетканое полотно

—¡-| ЦАП [—РНЗ |—^Дб)-

Редуктор транспортера термокамеры

ДЧЗ

I _ -г; О _

—¡-Ц ЦАП |-ЦХН РН4 |->^Ц7)-

Редуктор наматывающего устройства

ДН

Нетканое полотно

АЦП

Рисунок 1 - Модернизированная функциональная схема управляемого электротехнического комплекса для производства объемного нетканого полотна

fa

Крн PHI

к

Г,р+1

Весовая коробка

АД1 Редуктор 1 Игольчатая решетка

Нечеткий регулятор Счетчик

Датчик массы

жи

Рисунок 2 - Структурная схема управления процессом подачи волокнистого материала в самовес с нечетким регулятором

Таблица 1 - Система уравнений, описывающая механический преобразователь

прочеса

^L = ±(Mai-R2S-E-n{sl-s2)); at JM

"t ГП

My, = с, {(pm -срм\) + к, (com - tyMl); dt dt "" dt

dsx _ 1 ~dt~~l

°>Л в>пЛ

vl + f, \ + e2j

ds, 1( <уп„Л, <уд1Д,

dt 11 1 + e2 1 + sx

dco^ 1

dt J

= -L(Ma2-My2);

Д2

da,.

dt J.

м2

My2 = C2 ■ A(p2 + кт2 (con2 - COm2)\

d(PR2 _ ^ .d(Pul_m . — ""-A-"*' L ds

l + s dt

= vc-vB(l + <);

\=rB®uUVc=rcC0M2>

где соД], юд2, согп, сомь wM2 - соответственно угловые скорости вала первого и второго двигателя, ведомого шкива гибкой передачи, рабочего механизма верхней и средней решетки; <ра\, <рд2, <рт <ры\, <P»i - соответственно угол поворота вала первого и второго двигателя, ведомого шкива гибкой передачи, рабочего механизма верхней и средней решетки; А/д|, Мйг, Л/уЬ Му2, Мс\, Ma - соответственно моменты первого и второго двигателя, противодействующие им упругие моменты в передаче и моменты сопротивления; Е - модуль упругости Юнга; S, п - площадь и количество ремней; гь £г -

деформации свободных участков соответственно набегающей и спадающей ветвей гибкой передачи; / - длина ветвей гибкой передачи; Ль Л2 - радиусы ведущего и ведомого шкива. Сь С2, &гь Кг ~ соответственно коэффициенты жесткости вязкого трения в материале вала для первой и второй механической передачи; УдЬ УмЬ Ум2 - соответственно моменты инерции первого и второго двигателя, гибкой передачи, рабочего механизма верхней и средней решетки; ? - время; Ь - длина свободной зоны деформации; е - деформация прочеса; г„, гс - радиусы ведущих шестерней верхней и нижней решеток.

г

Рисунок 3 — Характер изменения деформации прочеса

Установлено, что каждый из учитываемых факторов является источником возникающих колебаний. Основную часть колебаний низкой частоты производит двигатель. Увеличение амплитуды колебаний и появление запаздывания происходит за счет деформации гибких связей. Жесткость механических передач добавляет высокочастотную составляющую и влияет на характер переходных процессов в специальных режимах.

Используя известные математические модели и экспериментальные данные, определены силовые и временные ограничения внешних воздействий на нетканое полотно из полиэфирных волокон со стороны наматывающего устройства. Для объемного нетканого полотна, поверхностной плотностью 250 г/м2 получена следующая передаточная функция:

F(p)=_50 р2+р_

s{p) 0,49/р2 +0,023р + 0,000000676'

где F - натяжение.

В результате эксперимента рассчитано максимальное значение нагрузки, при которой исключается необратимая деформация нетканого материала.

В четвертой главе разработана система автоматического управления натяжением с последовательной коррекцией (рис. 4), которая обеспечивает реализацию заданного скоростного режима с постоянным натяжением волокнистого продукта.

Для измерения радиуса наматывания используется косвенный метод, который заключается в том, что при заданной скорости подачи каждому значению частоты вращения товарного валика соответствует определенное значение радиуса.

При настроенных коэффициентах регулятора в конце переходного процесса сигнал управления по натяжению становится равным нулю. Следовательно, данный контур необходим только для подрегулирования.

№

Рисунок 4 - Структурная схема САУ натяжением

В процессе исследования схемы установлено снижение уровня натяжения полотна к концу процесса его наматывания вследствие увеличения момента сопротивления на валу двигателя наматывающего устройства. В связи с чем, автором предложено изменить схему САУ, используя нечеткую логику (рис. 5). В итоге путем уменьшения коэффициента усиления обратной связи совместно с фаззи-коррекцией коэффициентов регулятора достигнуто снижение чувствительности системы управления к шумам измерения натяжения. Это позволило получить желаемые переходные характеристики системы управления и уменьшить статическую ошибку. Переходные процессы в системе с интеллектуальным регулятором представлен на рис. 6.

Рисунок 5 - Обратная связь по натяжению: кик2- масштабные коэффициенты

В соответствии со структурной схемой САУ (рис. 4) при отключенной обратной связи по натяжению автором написана программа на языке БМЬ, которая реализует изменение угловой скорости наматывающего устройства в зависимости от радиуса наматывания: а>1 = где V, - скорость подачи. Компиляция программы и ее запуск показал, что дискретизация по уровню при ма-

лых значениях радиуса влияет на отработку алгоритма наматывания.

О 2 4 6 8 10

Рисунок 6 - Переходные процессы в системе с интеллектуальным регулятором

Для уменьшения относительной погрешности необходимо, чтобы диапазон выходных значений сигнала диаметра находился как можно дальше от нулевого значения.

Предложен метод нейросетевой идентификации механических параметров модели асинхронного двигателя, который заключается в обучении нейронной сети с линейной функцией активации по схеме, представленной на рис. 7. Обучающая выборка состоит из данных угловой скорости (й>д), статорных токов (г'л, г'?1) и напряжений ич!) в системе координат ОсЦ. Веса нейронной сети используются для нахождения значения момента инерции и коэффициента вязкого трения.

0

1 .е

Ё 3 Ц .

о X — ?

3 х

I £ '<?

О

а

г4 =

о

1/1 I Л 1/1 I \

г, = | 4 - V \ijdt л- 2, = ] »„ - \lJJt Л.

04 о о У 04 о о у

Рисунок 7 - Схема обучения нейронной сети

Используя полученные параметры, момент на валу двигателя определен по следующей формуле:

Мс(0 - Мс(0) = - ) ■-^ - ^.

где гр - число пар полюсов; у/^, у/д! - потокосцеплеиия в синхронной системе координат; 3— момент инерции; ^ - коэффициент вязкого трения.

Полученные в ходе решения дифференциальных уравнений результаты, достаточно точно совпадают с экспериментальными. При этом отклонения незначительны по всему решению.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате реализации поставленных задач показана актуальность проведенных исследований.

2. Сформулированы научные принципы разработки и исследования сложных электромеханических систем оборудования для производства объемных нетканых полотен с различными критериями оптимальности.

3. Поставлена и решена задача разработки научной концепции повышения эффективности работы управляемого ЭТК, согласно которой оптимизации скоростных режимов должно предшествовать исследование поведения волокнистого продукта в процессе его транспортирования, формирования и наматывания.

4. Предложены функциональная и структурная схемы усовершенствованного способа управления процессом производства объемных нетканых полотен. Используя программное обеспечение 81шиНпк, дано математическое описание и проведено моделирование многоканальной системы управления скоростными режимами, обеспечивающими программное управление технологическим процессом.

5. Осуществлен анализ статических характеристик узлов поточной линии производства объемных нетканых полотен, переходных процессов и устойчивости предложенной системы автоматического управления при управляющих и возмущающих воздействиях.

6. Представлены одноконтурные схемы программного управления скоростным режимом игольчатой решетки самовеса, использующие нечеткие и нейросе-тевые алгоритмы адаптации. При этом модернизированный управляемый ЭТК обеспечивает: контроль массы порции; снижение вариации массы порции за счет оптимизации скоростного режима; уменьшение влияния неравномерности потока поступающего волокна на производительность самовеса.

7. Получена нелинейная система дифференциальных и алгебраических уравнений, позволившая исследовать сложную замкнутую ЭМС механического преобразователя прочеса. Обобщен и систематизирован ряд специфических особенностей математического описания статических и динамических свойств электромеханических систем для холстоформирования с учетом деформаций гибких звеньев кинематических передач, электромеханической инерции и электромагнитных процессов в АД, упругости механической передачи, относительного удлинения прочеса в свободной зоне между транспортерами.

8. Для определения требований к электроприводу наматывающего устройства

проведена оценка физико-механических свойств объемного нетканого полотна. На основе экспериментальных данных рассчитаны коэффициенты передаточной функции механической модели, которая позволяет определить поведение образца и составляющие деформации при заданной нагрузке в динамических режимах. Предложен нейросетевой метод определения коэффициентов данной модели.

9. Предложены два способа косвенного вычисления диаметра наматывания, реализованные с помощью моделей БтиПпк.

10.Разработан алгоритм управления электроприводом наматывающего устройства, сочетающий в себе принципы нечеткого и пропорционально-интегрального регулирования. Установлено, что нечеткий логический контроллер имеет преимущество в робастности при малом коэффициенте усиления обратной связи. Система менее чувствительна к инерционности и шумам датчика натяжения. Результаты моделирования показывают, что ошибка по натяжению в течение всего времени наматывания практически исключена. Благодаря малой вычислительной сложности алгоритмов нечеткого вывода и относительной инвариантности к изменяющемуся моменту сопротивления, представленный алгоритм может быть использован при практической реализации.

11.Приведены уравнения асинхронного двигателя в интегральной форме. Используя данные уравнения и линейную нейронную сеть, обученную по экспериментальным данным, получены значения моментов инерции и сопротивления, а также коэффициент трения.

12.Проведены четыре эксперимента, проверяющие адекватность предложенных алгоритмов и моделей: 1) определение разрывной нагрузки объемного нетканого полотна при его нагружении и компонентов деформации; 2) реализация скоростной диаграммы наматывающего устройства; 3) нейросетевая идентификация механических параметров асинхронного двигателя АИР56А4УЗ; 4) режимы пуска двигателя и проверка полученных параметров.

13.Представленные алгоритмы управления и идентификации подтверждаются схемами БшшНпк и листингами программ, которые могут стать основой для аппаратной реализации и дальнейших исследований.

14.На основе разработанных теоретических положений определены методы исследования и расчета сложных электромеханических систем с транспортирующими и наматывающими механизмами с использованием интеллектуальных технологий.

Основное содержание изложено в 20 печатных работах, в числе которых:

1. Поляков А.Е., Поляков К.А., Дубовицкий В.А. Исследование управляемого комплекса для производства синтетических нитей и нетканых материалов.// Хим. волокна.-2011. - №2. - С. 35-40. (0,13 п.л. лично автором).

2. Дубовицкий В.А., Поляков А.Е., Поляков К.А., Бордовская Т.П. Модернизация автопитателя чесальной машины для производства нетканых материа-

лов.//Хим. волокна. -2011. - №2. - С. 41-44. (0,1 п.л. лично автором).

3. Серяков И.Н., Дубовицкий В.А., Поляков К.А., Поляков А.Е., Бордовская Т.П., Максимова Е.М. Исследование физико-механических свойств нетканых полотен различной плотности.// Изв. вузов. Технол. текст, пром-ти. -2012.-№3. - С. 8-11. (0,05 п.л. лично автором).

4. Поляков А.Е., Поляков К.А., Дубовицкий В.А., Максимова Е.М., Бордовская Т.П., Павлов Н.К. Исследование динамики управляемого электротехнического комплекса.// Изв. вузов. Технол. текст, пром-ти. - 2011. -№4. - С. 128-133. (0,12 п.л. лично автором).

5. Дубовицкий В.А., Успенский A.A., Поляков А.Е., Поляков К.А., Филимонова Е.М., Бычков В.В., Степанова М.С. Модернизированный способ управления процессом холстообразования и наматывания нетканых материалов.// Хим. волокна. - 2012. - №1. - С. 45-48. (0,09 п.л. лично автором).

6. Поляков А.Е., Дубовицкий В.А., Филимонова Е.М., Степанова М.С. Исследование динамических режимов управляемого электротехнического комплекса для производства нетканых материалов.// Вестник Московского государственного текстильного университета. - М.: ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2012. - С. 76-79. (0,08 п.л. лично автором).

7. Поляков А.Е., Поляков К.А., Успенский A.A., Дубовицкий В.А., Филимонова Е.М., Степанова М.С. Математическая постановка задач управления сложными динамическими объектами для производства нетканых материалов.// Хим. волокна. - 2012. - №3. - С. 53-57 (0,08 п.л. лично автором).

8. Дубовицкий В.А., Павлов Н.К., Филимонова Е.М., Поляков А.Е. Исследование электромеханической системы холстоформирующих машин.// Сборник научных трудов аспирантов. Вып. 18. - М.: ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2012. - С. 65-70. (0,13 п.л. лично автором).

9. Дубовицкий В.А. Проектирование нечеткого регулятора электропривода наматывающего устройства линии производства нетканых полотен.// Хим. волокна. - 2013. — №3. - С. 56-58 (0,25 п.л. лично автором)

10.Дубовицкий В.А., Поляков А.Е., Поляков К.А., Бордовская Т.П., Максимова Е.М. Устройство для управления процессом холстообразования и наматывания. Патент на полезную модель № 110091. Опубл. 10.11.2011. Бюл. №31. (0,15 п.л. лично автором).

Дубовицкий Вячеслав Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ С ТРАНСПОРТИРУЮЩИМИ И НАМАТЫВАЮЩИМИ МЕХАНИЗМАМИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Усл.-печ. 1,0 п.л. Тираж 80экз. Заказ № ИН-Т Информационно-издательский центр МГУДТ 117997, г. Москва, ул. Садовническая, 33, стр. 1 Тел./факс (495) 506 72 71 e-mail: rfrost@vandex.ru Отпечатано в ИИЦ МГУДТ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ» (ФГБОУ ВПО «МГУДТ»)

04201363183 На правах рукописи

ДУБОВИЦКИЙ Вячеслав Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ С ТРАНСПОРТИРУЮЩИМИ И НАМАТЫВАЮЩИМИ

МЕХАНИЗМАМИ

Специальность:

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (лёгкая промышленность).

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Поляков А.Е.

Москва-2013

Оглавление

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

Глава 1 Постановка задачи исследования и частичной модернизации управляемого электротехнического комплекса для производства объемного нетканого полотна..........................................................13

1.1 Анализ энерготехнологических параметров и характеристик процесса подачи, формирования и наматывания волокнистого продукта

на линии производства нетканого материала.....................................................13

1.2 Исследование динамики управляемого электротехнического комплекса поточной линии...................................................................................28

1.3 Исследование управляемого электротехнического комплекса поточной линии с помощью нечетких когнитивных карт.............36

Выводы.............................................................................................................41

Глава 2 Разработка и исследование управляемого электротехнического комплекса для производства объемного нетканого полотна .................................................................................................44

2.1 Разработка функциональной схемы модернизированной системы управления автоматизированной линией для производства объемного нетканого полотна............................................................................44

2.2 Исследование модернизированного управляемого электротехнического комплекса для производства объемного нетканого полотна ............................................................................................................53

2.3 Разработка методики оптимизации дозирования волокнистого материала в самовес чесальной машины....................................58

2.4 Разработка способов адаптации самовеса к изменению величины потока поступающего волокна...........................................................63

Выводы.............................................................................................................70

Глава 3 Исследование проблемы согласования скоростных режимов электромеханических систем с транспортирующими механизмами...................72

3.1 Анализ сложной ЭМС преобразователя прочеса..........................72

3.2 Физико-механические свойства объемного нетканого полотна ............................................................................................................92

Выводы...........................................................................................................100

Глава 4 Применение современных методов и технологий для исследования управляемых электротехнических комплексов...........................103

4.1 Исследование электропривода наматывающего устройства с

использованием нечеткой логики на базе алгоритмов Мамдани и Сугено... 103

4.2 Анализ и классификация методов нейро- и фаззилогики для разработки алгоритмов параметрической идентификации объектов

управления ..........................................................................................................121

4.3 Нейросетевая идентификация объемного нетканого полотна... 125

4.4 Разработка экспериментальной установки для исследования динамических режимов наматывающего устройства......................................129

4.5 Основные положения методики разработки и исследования электромеханических систем оборудования для производства нетканых материалов ..........................................................................................................141

Выводы...........................................................................................................149

Основные результаты и выводы..................................................................152

Список используемых источников..............................................................155

Приложение....................................................................................................164

Введение.

Общая характеристика работы.

Рост производства нетканой продукции и разнообразие сырья требует автоматизации процессов ее изготовления и повышения эффективности эксплуатации оборудования. Методы решения указанных задач и их реализация путем управления скоростными режимами должны учитывать ряд особенностей используемого технологического оборудования. Условия жесткой стабилизации технологических параметров в процессе формирования и наматывания волокнистого материала предъявляют к системам автоматического регулирования (САР) высокие требования в отношении поддержания заданных скоростных режимов и качественных показателей волокнистого материала. При проектировании управляемых электромеханических систем (ЭМС) определяющими факторами являются физико-механические свойства волокнистого продукта - прочность, удлинение, коэффициент заполнения объема, плотность намотки, упругие, эластические и пластические деформации при вытягивании.

Системы управления, построенные по традиционным методам, не используют современные информационные технологии, в результате чего применение таких систем для управления сложными динамическими объектами приводит к снижению качества управления. Этого недостатка лишены системы управления на основе искусственных нейронных сетей (ИНС) и нечеткой логики, которые относятся к интеллектуальным. Нейронные сети - один из основных архитектурных принципов построения ЭВМ шестого поколения.

Для обеспечения высокого уровня надежности функционирования сложных динамических объектов технологического оборудования ставится задача совершенствования систем управления путем разработки новых подходов, в том числе основанных на методах искусственного интеллекта и принципах адаптивного управления [1].

Начиная с 1990 г., использованию искусственного интеллекта при исследовании и разработке электромеханических систем технологического оборудования уделяется большое внимание. Результаты теоретических и эксперимен-

тальных разработок на данную тему отражены в многочисленных публикациях [2,3,4,5].

Актуальность интеллектуализации систем управления обусловлена развитием высоких технологий автоматизации и информатизации технологических процессов, базирующихся на фундаментальных научных открытиях, что позволяет эффективно реализовывать сложные вычислительные процедуры и повышает эффективность контроля и управления, а также качество готовой продукции [6]. Кроме того, выбранное научное направление входит в программу приоритетных исследований ведущих международных научных организаций: IFAC, IEEE, ACM, а идеи этого направления находят все большее распространение в различных областях науки и производства.

До настоящего времени недостаточно исследованы процессы формирования, транспортирования и наматывания волокнистых материалов и влияние на них рабочих органов, непосредственно управляемых регулируемым электроприводом. В должной мере не использованы современные методы и технологии для разработки и исследования сложных управляемых электротехнических комплексов. Не разработаны научно-обоснованные критерии и методы оптимизации скоростных режимов сложных электротехнических комплексов. Не сформулированы в полной мере требования к многодвигательному электроприводу, не выявлена их оптимальная структура.

Учитывая, что многие из перечисленных вопросов недостаточно полно изучены или совсем не рассмотрены в научных трудах, их решение представляет теоретический и практический интерес. Можно считать разработку эффективных способов управления сложными динамическими объектами технологического оборудования перспективной задачей.

Методы проектирования и исследования современных систем управления отличаются от известных в классической теории управления. Поэтому применение современных методов и технологий для управления сложными динамическими объектами требует разработки методики, базирующейся на

применении конкретных технологий, таких как искусственные нейронные сети, нечеткая логика, учитывающих особенности технологического оборудования.

В данной работе проблема управления динамическими объектами для производства нетканых материалов исследована на теоретическом и алгоритмическом уровне.

Разработка эффективных способов управления основана на понимании физической системы рассматриваемого объекта. С этой целью исследовано влияние на выходные параметры объекта управления как электромеханических факторов (переходных процессов в электродвигателе, упругости гибких передач, жесткости механических передач, моментов инерции и сопротивления), так и метрологических (шумов измерений в каналах обратной связи, точности коэффициентов математических моделей).

Основываясь на современной нелинейной теории управления, такой как нечеткая логика, искусственные нейронные сети, представлены алгоритмы интеллектуального управления самовесом чесальной машины и наматывающим устройством. Эффективность данных алгоритмов состоит в адаптации системы управления к изменяющимся параметрам объекта.

Также представлены нейросетевые алгоритмы параметрической идентификации объектов, описывающихся линейными дифференциальными уравнениями. Данные алгоритмы учитывают наличие шума в измеренных данных, а также возможные отклонения каталожных данных от реальных.

Построение структуры управляемого электротехнического комплекса (ЭТК) производства нетканых материалов, его проектирование и исследование осуществлено в соответствии с разработанной концепцией (рис. 1).

Цели и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка методики анализа и расчета управляемых ЭТК для производства нетканых материалов, позволяющей согласовать и оптимизировать скоростные режимы с учетом статических и динамических свойств зон и узлов формирования, транспортирования и наматывания волокнистых материалов, используя при этом интеллектуальные

Рисунок 1 - Концепция построения структуры и исследования управляемых электротехнических комплексов для производства нетканых материалов

алгоритмы, обеспечивающие инвариантность регуляторов к изменению параметров ЭТК.

Для достижения поставленной цели решены следующие научные и технические задачи:

- разработана научная концепция повышения эффективности работы управляемого ЭТК для производства нетканых материалов;

- определена взаимосвязь показателей качества волокнистого продукта и скоростных режимов ЭТК;

- разработана функциональная и структурная схемы модернизированной системы управления процессом производства объемного нетканого полотна, обеспечивающей внедрение интеллектуальных технологий и повышение качества выпускаемой продукции;

- определены динамические объекты многоканального управляемого ЭТК для применения интеллектуальных технологий, а также выделены и проанализированы этапы оптимизации;

- предложены и исследованы алгоритмы на базе ИНС и нечеткой логики, основанные на нелинейной теории управления;

- разработаны технические решения для оптимального управления электромеханическими системами (ЭМС) самовеса и наматывающего устройства.

- проведены экспериментальные исследования по определению разрывной нагрузки и компонентов деформации объемного нетканого полотна при его нагружении; реализации скоростной диаграммы самовеса и наматывающего устройства; идентификации механических параметров асинхронного двигателя АИР56А4УЗ, используя аппарат линейных нейронных сетей.

На защиту выносятся: 1. Концепция построения структуры, проектирования и исследования

сложной электромеханической системы производства нетканых материалов.

2. Модернизированный способ автоматического управления сложной электромеханической системой для производства объемных нетканых полотен.

3. Алгоритмы интеллектуализации при решении задач адаптации систем автоматического управления к изменяющимся параметрам объекта.

4. Метод расчета качественных показателей САР и рациональных скоростных режимов узлов и механизмов управляемого комплекса производства нетканых материалов.

5. Алгоритмы управления, функциональные и структурные схемные решения системы автоматического управления самовесом чесальной машины, механическим преобразователем прочеса, наматывающим устройством.

6. Технические решения модернизации самовеса чесальной машины «Бефама CU-311» и наматывающего устройства линии производства объемных нетканых полотен.

7. Метод нейросетевой идентификации асинхронного двигателя. Методы исследования.

В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. Теоретические исследования основывались на классических методах теории автоматического управления, теории автоматизированного электропривода, современной нелинейной теории управления, такой как нечеткая логика, искусственные нейронные сети. При построении математических моделей динамических процессов применялись методы экспериментальной идентификации технологических параметров с использованием технологии линейных нейронных сетей.

Моделирование и обработка данных исследований, расчеты при анализе и синтезе систем управления производились с использованием современных информационных и компьютерных технологий. Использованы пакеты современной версии системы Matlab (Simulink, Neural Network Toolbox, Fuzzy Logic Toolbox) и программа для моделирования электрических схем Multisim.

Расчёты проводились по стандартным и разработанным автором программам математической среды Matlab. Графическая обработка результатов выполнена средствами MS Excel, Matlab и стандартными средствами Windows. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработаны и исследованы алгоритмы интеллектуального управления самовесом чесальной машины и наматывающим устройством с целью адаптации систем автоматического управления к изменяющимся параметрам объекта.

2. Предложена и реализована структура разработки и исследования сложных электромеханических систем оборудования с транспортирующими и наматывающими механизмами, образующие поточную линию производства объемных нетканых полотен.

3. Разработаны функциональная и структурная схемы компьютерной системы управления поточной линией производства объемных нетканых полотен.

4. Разработаны и реализованы нейросетевые алгоритмы параметрической идентификации механической модели нетканого материала и асинхронного двигателя, учитывающие наличие шума в измеренных данных, а также возможные отклонения каталожных данных от реальных.

5. Получено математическое описание динамики ЭМС механического преобразователя прочеса с учетом физико-механических свойств волокнистого продукта, гибких деформируемых связей, упругих механических звеньев кинематических передач и электромагнитных процессов в электроприводах.

6. Разработан метод расчета и проектирования сложных электромеханических комплексов на примере линии производства объемных нетканых полотен методом термоскрепления, базирующийся на применении интеллектуальных технологий, таких как искусственные нейронные сети, нечеткая логика, и учитывающий особенности технологического оборудования.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, основана на удовлетворительном совпадении аналитических и численных расчетов с результатами эксперимента, на использовании информационных технологий и современных методов и средств проведения исследований. Теоретические положения и экспериментальные выводы многократно уточнялись и проверялись. При проверке использовались методы лабораторных испытаний, а также методы моделирования.

Практическая ценность работы.

Разработанные структуры систем управления с использованием интеллектуальных технологий, модели нейросетевых и нечетких регуляторов, алгоритмы и методики обеспечивают повышение эффективности производства нетканых материалов и могут быть использованы на предприятиях легкой и текстильной промышленности.

Практически значимыми являются: теоретические модели объектов ЭМС, экспериментально и (или) теоретически подтвердившие их адекватность; лингвистическое описание нечеткого регулятора натяжения, позволяющее адаптировать систему управления к изменяющимся параметрам объекта управления - моментам инерции и сопротивления.

Представленные алгоритмы управления и идентификации подтверждаются схемами 81тиНпк и листингами программ, которые могут стать основой для аппаратной реализации и дальнейших исследований.

Структурная схема усовершенствованного способа управления процессом производства объемных нетканых полотен рекомендована для исп