автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование электротехнической системы управления линейной плотностью волокнистого текстильного материала

На правах-рукописи УДК [621.313.323:681.518.3]:677.021.188(043.3)

ЕРМАКОВ Александр Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ВОЛОКНИСТОГО ТЕКСТИЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

Москва - 1998

Работа выполнена в Московской государственной текстильной академии им. А.Н. Косыгина,

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Козлов А.Б.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Смольников Л.Е.

Ведущая организация -

кандидат технических наук, доцент Никифоров Ю.Н.

Центральный научно-исследовательский институт хлопчатобумажной промышленности (ЦНИХБИ)

Защита состоится " 3 " д аЪрЛ 1998 г. в часов на заседании диссертационного совета К 053.25.08 в Московской государственной текстильной академии им. А.Н. Косыгина по адресу: 117918, Москва, М.Калужская, 1.

.а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной текстильной академии им. А.Н. Косыгина.

Автореферат разослан "3 " // Ш 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Жмакин Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Одной го основных задач текстильного производства является уменьшение количества обрывов волокнистого материала на различных переходах прядильного процесса 141. Данная проблема, в основном, решается путем,применения систем выравнивания, которые позволяют значительно снизить неровноту продукта (ленты, ровницы, пряжи), а следовательно и уменьшить его обрывность.

Управление линейной плотностью (ЛП) текстильного продукта является эффективным средством выравнивания и уменьшения значения градиента неровноты /61. Широко распространены системы управления ЛП в прядильном производстве (на ленточных и чесальных машинах), где большое число технологических переходов определяется, в первую очередь, высокими требованиями к неровноте продукта. В хлопкопрядении применение систем управления ЛП началось в связи с внедрением бесхолстового питания, при котором возникает заметный дрейф среднего значения ЛП. Подавляющее большинство известных в прядении таких систем - это системы управления вытяжными приборами (ВП).

На основании вышесказанного актуальность темы диссертационной работы связана с разработкой электротехнической системы управления (ЭСУ) ЛП текстильного продукта, позволяющей обеспечивать выравнивание в широком диапазоне частот колебания ЛП за счет использования комбинированной структуры, применения микропроцессорной техники, шаговых двигателей (ШД) в приводе ВП, а также повышения точности и быстродействия разрабатываемой системы, путем использования усовершенствованных цифровых алгоритмов управления и инфракрасных (ИК) оптоэлектронных преобразователей (ОЭП) ЛП волокнистого материала.

Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры автоматики и промышленной электроники МГТА им. А.Н. Косыгина. Работа проводилась в соответствии с госбюджетной темой: "Комплексная автоматизация процессов текстильной технологии до 2000 года". /

Цель и задачи работы. Целью данной диссертационной работы является разработка научно-обоснованных рекомендаций по исследованию и созданию ЭСУ ЛП текстильного продукта на основе микропроцессорного комплекта, а также разработка математического аппарата и программ для анализа и синтеза системы и программного обеспечения для функционирования самой системы.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие' задачи:

1. Анализ особенностей технологического процесса вытягивания. Исследование существующих математических моделей ВП. На основе анализа динамических свойств процесса выработка рекомендации по проектированию ЭСУ ЛП волокнистого материала.

• 2. Анализ существующих, а также разработка новых функциональных схем систем контроля и управления ЛП текстильного продукта.

• Проведение качественного анализа систем управления ЛП, соответствующих различным структурным схемам.

3. Разработка оптимальной системы привода ВП. Анализ динамических свойств привода ВП на основе ШД.

4. Разработка математического аппарата для синтеза регуляторов ЭСУ ЛП. Синтез регуляторов разомкнутого и замкнутого контуров комбинированной ЭСУ ЛП волокнистого материала. Разработка математического и программного обеспечения для функционирования ЭСУ ЛП.

На защиту выносятся:

1. Научные положения разработки ЭСУ ЛП текстильного продукта.

2. Математическая модель системы, реализующая функционирование ЭСУ ЛП согласно комбинированной структуре.

3. Алгоритмы управления разомкнутым и замкнутым контурами комбинированной ЭСУ ЛП.

4. Результаты экспериментально-теоретического моделирования.

Методика проведения исследований. Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования, проведенные современными математическими и инструментальными методами. Синтез дискретных элементов системы управления проводился на основе теории цифровых систем автоматического управления. Моделирование и обработка данных исследований, расчеты при синтезе и анализе ЭСУ ЛП производились на ЭВМ, для чего были разработаны необходимые программы.

Научная новизна работы: состоит в теоретическом и схемотехническом обосновании и разработке ЭСУ ЛП с использованием ШД в качестве исполнительных механизмов ВП; разработке ЭСУ ЛП согласно комбинированной структуре, на основе ОЭП. ЛП; представлении соответствующих алгоритмов и программного обеспечения.

Достоверность результатов работы подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования, а также результатами испытаний ИК ОЭП ЛП на АТПП "Болшевский текстиль". Научные решения диссертации строго обоснованы и аргументированы в рамках принятых автором допущений, теоретические положения и' экспериментальные выводы многократно уточнялись. .

Практичеекая ценность работы состоит в уменьшении неровноты ЛП текстильного продукта. Результаты работы могут быть использованы при разработке ленточных и чесальных машин с использованием систем автоматического выравнивания ЛП, а также в учебном процессе и методических пособиях Для студентов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях, на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТА им. А.Н.Косыгина, проходивших в 1995-1997 годах.

Публикации. По вопросам, связанным с диссертацией, опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 60 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 34 иллюстрации.

ОСНОВНОЕ СОД ЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении определена структура диссертации на осрове сформулированного комплекса научных вопросов, требующих решети и поставлены цели диссертационной работы, обоснована актуальность темы диссертации, указаны новизна, практическая и теоретическая значимость полученных результатов.

Глава 1. Аналитическое исследование технологического процесса вытягивания. Уточненная математическая модель вытяжного прибора.

Технологический процесс вытягивания имеет, в основном, две цели - непосредственно вытягивание (утонение) волокнистого продукта, а также параллелизацию и распрямление волокон. В данной работе рассматривается регулирование ЛП при вытягивании второго рода.

Математическое описание процесса вытягивания второго рода -сложная задача при которой необходимо брать в расчет взаимодействие многих тел (волокон и рабочих органов ВП).

Возможно также введение упрощающих положений при определении математической модели ВП, учитывая существенные факторы, влияющие на процесс вытягивания. В основу используемой модели положена "первая предельная схема". При этом кинематика волокон определяется параметром £ - координатой точки перехода группы волокон со скорости питающей пары валиков ВП VI на скорость выпускной пары \2-

Изменение ЛП на входе ВП приводит к непрерывному смещению которое благоприятствует дальнейшему изменению числа волокон в ту

же сторону, куда бьшо направлено первое изменение (вознихаегг положительная обратная связь). Показатель положительной обратной связи в ВП В=К(Е-1) характеризует степень монотонности затухания колебаний и устойчивости процесса вытягивания в зависимости от вытяжки Е и параметра контроля К.

Передаточная функция (ПФ) ВП имеет вид:

= - -- (1)

М-В^-е"^)

где /ср - средняя длина волокна, м

е- оператор Лапласа Технологический процесс вытягивания в работе рассматривается относительно параметра плотности передних концов волокон п, поскольку изменение плотности перед них концов волокон Дп находится в прямой динамической зависимости от нестационарности движения V] (либо ^2).

Глава 2. Исследование и разработка информационно-измерительного канала электротехнической системы управления линейной плотностью.

Повышение интенсивности технологических процессов предопределяет использование совершенных методов и средств контроля качества продукции и технологических параметров, а также управления этими процессами, что требует наличия обширной и достоверной информации о состоянии контролируемого и управляемого объектов 191. С учетом проведенного анализа известных методов измерения ЛП и современных технических средств, проведена схемотехническая разработка информационно-измерительного канала системы, обеспечивающей высокую точность в измерении ЛП.

На рис.1 представлена функциональная схема ИК ОЭП ЛП с использованием микропроцессорного устройства (МПУ), которая является основой для разработки информационно-измерительного канала ЭСУ ЛП.

Основной принцип работы ИК ОЭП ЛП заключается в следующем III: МПУ 13, вырабатывает управляющее воздействие в виде цифрового кода гд, который преобразуется с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 11 в аналоговый сигнал 11о и далее преобразователем 9 напряжение-ток в соответствующий ток 1о свегтодиода 7. Инфракрасный (ИК) поток <Х>о от свегтодиода 7, пройдя через световоды 2, 3 и контролируемый материал (ленту, пряжу) 1, ослабляется до значения Ф| (в соответствии с ЛП контролируемого материала 1) и при поднятой светоотражающей заслонке 4 попадает на фотодиод 8. Далее сигнал 13} усиливается (коэффициент усиления Ку=10000) с помощью нормирующего преобразователя 10.

Функциональная схема ИК ОЭП ЛП

Рис. 1

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12 преобразует усиленный аналоговый сигнал Ку-и[ в цифровой вид Z¡, в результате чего последний через шину данных поступает в МПУ 13 и подвергается первичной обработке (нормирование, сглаживание, логарифмирование сигнала Ъ\ и т. д.). МПУ производит систематическую коррекцию ИК потока Фо, компенсируя температурную и временную нестабильность светодиода 7 и фотодиода 8. Для этого МПУ периодически через усилитель мощности 6 воздействует на электромагнитный привод 5, что вызывает опусканию светоггроводящей заслонки 4.

Необходимой составляющей разрабатываемой измерительной части ЭСУ ЛП является интерфейс Ш, содержащий совокупность правил и программного обеспечения процесса обмена информацией между отдельными блоками, а также соответствующих средств сопряжения. В работе выявлена целесообразность использования последовательного интерфейса ввода-вывода между управляющим МПУ и ПЭВМ, производящей вторичную обработку сигнала ЛП.

Глава 3. Разработка и исследование привода вытяжного прибора в электротехнической системе управления линейной плотностью.

Применение ШД в сйстеме привода ВП оправдывается рядом причин: скорость вращения ШД имеет четкую синхронизацию, зависящую только от управляющего импульса, что позволяет исключить использование обратной связи для контроля за частотой вращения двигателей; ШД являются бесколлекторными двигателями, значительно увеличивающих срок службы и надежность ЭСУ ЛП по сравнению с двигателями других типов; ШД относятся к цифровым электроприводам, что значительно упрощает их управление от МПУ и исключает необходимость в дополнительных преобразователях; ШД являются малогабаритными приводами, с развиваемыми скоростью и моментом вращения достаточными для работы ВП.

Особенностью использования ЩЦ в системе привода ВП, является необходимость учета пусковых характеристик двигателя в момент разгона привода ВП.

I. Особенности пусковых характеристик шагового двигателя в приводе вытяжного прибора.

Когда ШД синхронизируется с последовательностью импульсов управления 161, момент, создаваемый им, уравновешивает момент нагрузки, который представляет сумму моментов, обеспечивающих ускорение нагрузки и трение в системе привода ВП:

^ + С® + (||мун+МдВ) = Мтах-аГ (2)

где Т>\Ю2 - отношение передаточного механизма в ВП;

ю - частота вращения ротора ШД, рад/с;

Лдв - момент инерции вала двигателя, кг-м^;

Мдв - момент постоянного трения в системе привода ВП, Н-м;

О - коэффициент вязкого трения в системе привода ВП, Н-м-с/рад;

Лн - момент инерции, развиваемый валиками ВП, кг-м^;

Мун - усредненный момент трения, возникающий в ВП, Н-м;

Мтах - предельный момент развиваемый ШД;

£ частота управления ШД, шаг-с

а - угол аппроксимации предельной механической характеристики, Н-м-с/шаг, в рабочем диапазоне частот вращения.

На основании выражения (2) можно сделать вывод, что ЩЦ не может мгновенно набрать рабочую частоту вращения из состояния покоя и для того, чтобы ШД вошел в рабочий режим после запуска на вход двигателя требуется подавать импульсы управления строго синхронизированные с частотой вращения. При управлении ЩЦ в момент запуска могут применяться, в основном, два простых вида ускорения вращения ротора ШД: линейное и экспоненциальное.

Использовать линейное ускорение возможно в случае малого коэффициента вязкого трения О, тогда при интегрировании (2) получаем:

мтах " ^г"Мун + Мдв

Г = Т-Щ--_1+Гн О)

[(1}/В2)21н+1ДВ}р

где значение Г при 1=0, шаг-с;

Ф - угол поворота ЩЦ, рад.

ш

+ -*дв

Моменты появления импульсов управления 1т в случае линейного ускорения могут бьггь получены из решения уравнения:

tin =

lf„-+2(m-l)-

D2

унТ1У1дв

[(D,/D2)2J„

+ JflB I <P

Мшах-^Мун+Мдв ^

[(D,/D2)2JH+^B]<P

Когда вязким трением 0 пренебречь нельзя, следует использовать экспоненциальное ускорение. Из решения, дифференциального уравнения получаем:

f = fH +

м,

-В.!

max _ ^ Муд - Мдв

tpQ+a

—Т«

••|1-ехр

-[(cpQ+a).t]

(D

(5)

Моменты появления импульсов при экспоненциальном запуске ШД для различных га могут быть получены из решения трансцендентного уравнения:

m(t)=at-exp(bt)/exp(b/f) (6)

где a=[A4raax-(D 1/02)Мун-Мдв]/К; b=-K/[(Di/D2)2JH+JflB]<p; K=a+<?Q

II. Математическая модель системы привода вытяжного прибора.

В соответствии с функциональным назначением ШД определяемая ПФ привода ВП долгота установить связь между скоростью вращетм ротора ШД (аналоговая величина) и длительностью временных интервалов импульсов управления (дискретная величина). Длительность временных интервалов между импульсами управления может реализоваться либо специальным контроллером Intel 8039, либо программируемым таймером общего назначения КР580ВИ53 /10/, входящего в микропроцессорный комплект "Электроника МС2702". Таким образом ШД наряду с контроллером формирования временных интервалов может представлять собой ЦАП типа "код-скорость" и определяется ПФ фиксирующего звена нулевого порядка (z-l)/(s-z). Однако динамическое описание ШД включает.и другие составляющие: 1) одношаговая реакция 131 - coc2/(s2+ci)cs+conp2) (где юс - собственная угловая частота ШД; 2) механическое демпфирование ШД - 1/(1+Tnps). Соотношение ТПр»1/еос позволяет нам отказаться от составляющей одношаговой реакции и при расчете ЭСУ ЛП можно использовать ПФ привода:

ф

Wnp(s,z)=(z-l)/[(l+Tnps)-S-z]

(7)

Глава 4. Программная и техническая реализация электротехнической системы управления линейной плотностью.

I. Разработка функциональной схемы ЭСУ ЛП.

На рис.2 приведена функциональная схема комбинированной ЭСУ ЛП, содержащая: ВП, состоящий из подающей 17 и выпускной 18 пар валиков, приводящихся в движение ШД 19 и 20, соответственно; преобразователи импульсного сигнала 21, 22; световоды 11, 14 и 13, 15, позволяющие контролировать ЛП на входе и выходе ВП, соответственно (световод 12 разветвляется на световоды 14 и 15); заслонку 9 со свегопроводящим слоем 8, совершающую вертикальное управляемое движение, благодаря приводу 10 и усилителю мощности импульсного сигнала 23; светодиод 6, работающий от управляемого преобразователя "напряжение-ток" 3; усилители фототока 2 и 4; фотодиоды 5 и 7; электронный коммутатор 1, управляемый от МПУ 24; АЦП 26 и ЦАП 25.

Таким образом, данная ЭСУ ЛП осуществляет: 1) измерение ЛП на входе и выходе ВП; 2) коррекцию режимов управления оптопарами 5,6 и 6,7; 3) стабилизацию ЛП текстильного продукта (ленты или ровницы) 16.

Для ЭСУ ЛП разработана программа /2/, позволяющая корректировать режимы управления оптоэлектронными парами, производить обработку информации об измеренной ЛП на входе и выходе ВП и формировать управляющее воздействие ра ВП.

Функциональная схема комбинированной ЭСУ ЛП Ц>(Цд)_

м

1С

и

О

X

>

1 Ньр Ыб ТйГ?

ф1(фз?Г ФоТШФог) „п

Ът^ ад шгт-

У ¿7 у уу у ¿у,

Рис.2

и

- и -

II. Синтез динамического компенсатора ЭСУ Л П.

На рис.3 приведена разработанная структурная блок-схема динамической модели ЭСУ ЛП комбинированной структуры.

На основе принципа суперпозиций комбинированную ЭСУ ЛП можно рассматривать как двухступенчатый фильтр для сигнала возмущения Дп j 0(s) (относительное изменение плотности передних концов волокон на входе системы), состоящий из разомкнутого и замкнутого контуров. Наличие звена запаздывания W](s)=e~STl позволяет заранее отслеживать изменение ЛП перед тем как ВП воздействует на измеренный участок волокнистого продукта.

В противоположность вышесказанному запаздывающее звено W4(s)=e"ST2 не позволяет контролировать коротковолновые колебания ЛП. Запаздывания на величину tj и т2 обусловлены тем, что ОЭП ЛП технологически не могут быть установлены непосредственно в зоне вытягивания, а лишь на некотором расстоянии от подающей и выпускной пар валиков ВП. Таким образом динамический компенсатор Rk(z) ЭСУ ЛП должен иметь большее быстродействие по сравнению с регулятором R(z), что необходимо учитывать при эффективном перераспределении вычислительных ресурсов микропроцессора.

Структурная блок-схема ЭСУ ЛП комбинированной структуры

Ari1o(s)

W/s)

MI

Жй

W„p(s,z)

■Avio-Av^

;vWs)—vwfe),

WpK(S,Z)

.J

R(z)

Рис.3

Основой синтеза регулятора-компенсатора разомкнутого контура ЭСУ ЛП RK(z) является принцип инвариантности:

M2o(s)=An , 0(s)[W ] (s)-\V2(s)W03n] (z)RK(s)Wnp(s,z)]S0 ,

(8)

где Дп]0(з) и Лп2о(з) - относительные изменения плотностей передних

концов волокон на входе и выходе ВП, соответственно, м-1; ъ - оператор дискретного преобразования;

W2(s) =

1-ехр -s

vi

vi

• ПФ, учитьшающая динамическую

зависимость между изменением плотности передних концов волокон Дщ® и изменением ЛП ДТ^э);

л^ОЭп1(2)=г-гоэп1 - ПФ первого ОЭП (в разомкнутом контуре), учитывающая запаздывание на г0Эп1 тактов, связанное с обработкой информации;

Лк(з) - ПФ искомого регулятора-компенсатора в непрерывной форме; Выходной сигнал Дп20 аналого-цифрового разомкнутого контура ЭСУ ЛП УГрК(&,г) зависит от значения входного сигнала Дп]0 в любой момент непрерывного времени, а не только в дискретных точках. В работе использован принцип замены непрерывного прототипа Як(5) регулятора-компенсатора цифровым Кк(г). Оператор Лапласа я связан с оператором дискретного преобразования ъ рядом:

2+1 зи+у 21-1 и+Ь>

2

8=т~

(9)

При замене RK(s)на ^к(2) необходимо выбрать рациональное соотношение между точностью (степенью ряда I) и быстродействием управляющего алгоритма, либо использовать другие методы замены, соответствующие дискретному интегрированию (по "Симпсону 1/3", "Уэддаю"). С помощью ЭВМ была проведена проверка различных методов замены RK(s) на RK(z) на точность воспроизведения управляющего алгоритма (ррс. 4). На основе приведенных графиков и учета длительности управляющих алгоритмов (1 - 85мкс (при 1=1); 2 - 276мкс (при 1=2); 3-152мкс (при "Симпсоне 1/3") и 3 - 346мкс (при "Узддле")) можно сделать вывод об эффективности использования метода "Симпсона 1/3". ПФ регулятора-компенсатора RK(z) в цифровой форме имеет вид:

Тд 1 - z вп*

(10)

• (z6 +5z5 +4z4 -4z3 -5z2 -z) + ^ (z6 + z5 -2z4 -2z3 + z2 + z)

z6+12z5+51z4+108z3+51z2+12z+l

III. Разработка и оценка выравнивающей способности регулятора замкнутого контура ЭСУ ЛП.

Из анализа процесса вытягивания следует, что наличие запаздывания W4(s) в W3K(s,z) определяет склонность ЭСУ ЛП к усилению колебаний значения ЛП на частотах близких к Юр. Для того, чтобы W3K(s,z) не усиливал коротковолновую неровноту, его демпфируют, устанавливая в R(z) звено WWM(z)=(i-aj(z+l)/[2(z-a)] (где а<1 - коэффициент демпфирования). "У/дем(г) используется преимущественно с регулятором пропорционального типа R(z)=Kp-WflCM(z) (где Кр - коэффициент регулятора).

Точность воспроизведения управляющего алгоритма

На рис.5 представлены логарифмические амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазовая частотная (ЛФЧХ) характеристики для оценки' устойчивости (без учета контура отрицательной обратной связи) и ЛАЧХ для оценю! выравнивающей способности Wзк(s,z) с пропорциональным регулятором Кр и демпфером \Удем(г).

Интегральный цифровой регулятор К(2)="\Уи(г)=Тд(2+1)/[2Ти(2-1)] (где Ти - постоянная времени интегрального регулятора) позволяет исключить влияние статаческой ошибки на стабильность ЛП на выходе ВП, а также отказаться от использования демпфирующего звена ЛУдем(г). На рис.6 представлены ЛАЧХ, ЛФЧХ для оценки устойчивости (без учета контура отрицательной обратной связи) и ЛАЧХ для оценки выравнивающей способности \Узк(з,2) с интегральным регулятором \Уи(г). Синтезированные И (г) и Як(г) в рекуррентном виде запрограммированы в постоянно-запоминающее устройство МПУ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Результаты выполненных исследований и разработок свидетельствуют о достижении поставленной цели диссертационной работы.

1. Рассмотрены особенности технологического процесса вытягивания. Приведена уточненная математическая модель ВП, учитывающая нестационарность и колебательность объекта управления.

2. Определены основные требования к разрабатываемой ЭСУ ЛП. Выявлена необходимость использования новейших разработок в области измерения ЛП, приводных механизмов ВП, а также управляющих алгоритмов при создании ЭСУ ЛП.

3. Разработана функциональная схема ИК ОЭП ЛП на основе МПУ в качестве измерительного канала ЭСУ ЛП. Рассмотрены особенности организации обмена информацией и интерфейса в ИК ОЭП ЛП.

Ар.Дб

-100

-20№

.0001 .01

JIA4X и ЛФЧХ замкнутого контура с пропорциональным R(z) для оценки устойчивости и выравнивающей способности

у,рад

иср

шр

1;

о-

-1 -42 -2

-3

г-1 -4

\

0 \

100

.0001

.01

1

Рис.5

и,с

100

10 0 -10 -20 -30 40

-60

.0001

л

А

/ / I I

/ I

I 1

1

1

.01

100

100 о -100 -200

.0001 .01

ЛАЧХ и ЛФЧХ замкнутого контура с интегральным R(z) для оценки устойчивости и выравнивающей способности

„Ф.РЭД

2ч»

&D

-1 -т/2-

100

-3 -t

>,е"1 -4

10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60

.0001

.01 1 Рис.6

100

\\

/ / 1 |

/ 1

/ / 1 !

/ 1

/ / 1

/ «р!

.0001 .01

юо

- 154. Теоретически обоснована целесообразность использования ШД в качестве исполнительного устройства привода ВП в ЭСУ ЛП. Рассмотрены ПФ ШД, пусковые характеристики ШД в случае линейного и экспоненциального ускорения привода ВП.

5. Разработаны функциональные схемы ЭСУ ЛП согласно разомкнутой, замкнутой и комбинированной структурам, позволяющие корректировать режимы управления ИК ОЭП ЛП, производить измерение и управление ЛП.

6. Разработана структурная блок-схема ЭСУ ЛП комбинированной структуры, в соответствии с которой произведен синтез регуляторов разомкнутого и замкнутого контуров ЭСУ Л П.

7. Практическим результатом проведенных разработок и исследований явилось изготовление лабораторных макетов микропроцессорного ИК ОЭП ЛП и ЭСУ ЛП на основе комбинированной структуры. Проведенное испытание опытного образца ЭСУ ЛП показало хорошую выравнивающую способность последнего как на коротких, так и на длинных отрезках волокнистого продукта (ленты).

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. Козлов А.Б., Ермаков АЛ. и др. Микропроцессорный инфракрасный оптоэлекгронный преобразователь плотности волокнистого материалз7/Известпя вузов. Технология текстильной промышленности.-№2, 1995, С.107-110.

2. Козлов А.Б., Ермаков АЛ. и др. Микропроцессорный инфракрасный оптоэлектронньш преобразователь плотности волокнистого материалам/Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-№4,1995, С.95-98.

3. Петелин Д.П., Козлов А.Б., Ермаков A.A. и др. Электроника и электромеханические системы в промышленности ./У чебное пособие.-М., МГУ леса, 1995

4. Козлов А.Б., Ермаков A.A. и др. Разработка и исследование микропроцессорной системы автоматического выравнивания линейной плотности волокнистого материала.//Всер. научн.- техн. конф. "Современные технологии текстильной промышленности": Тез. докл. -М.: МГТА, 1995, С.28.

5. Козлов А.Б., Ермаков АА. Микропроцессорная система снижения неравномерности показателей текстильного материал а//Научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Материалы. - М.,МГТА, 1996, С.66-68.

6. Ермаков АА., Лобко Д.В., Козлов А.Б. Микропроцессорная система управления линейной плотностью текстильного продуктам/Сборник научных трудов, выполненных по итогам конкурса грантов молодых ученых - М., МГТА, 1996, С.27-34

7. Козлов А.Б., Ермаков АЛ., Себина Л.П. Повышение эффективности работы вытяжных приборов с авторегулятором линейной плотности. //Веер, научн,- техн. конф. "Современные технологии текстильной промышленности": Тез. докл. - М.: МГТА, 1996, С.54-55.

8. Ермаков A.A. Система автоматического выравнивания на основе микропроцессорного- преобразователя плотности волокнистого материалам/Известия вузов. Технология текстильной промышленности.- №6, 1996, С.89-92. .

9. Козлов А.Б., Себина Л.П., Ермаков АЛ. Оптоэлектронные преобразователи в системах контроля параметров качества текстильных продуктов. // Вестник МГТА.- М.: МГТА, РИО, 1997, С.90-94

10. Ермаков А А., Козлов А.Б. Разработка и исследование привода вытяжного прибора электротехнической системы автоматического выравнивания линейной плотности.//Научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов :Тез.докл. - М.:МГТА,1997, С.73.

11. Ермаков A.A., Козлов А.Б. Двухволновый оптоэлектронный преобразователь линейной плотности волокнистого материала, компенсирующий влияние влагосодержания на результат измерешш.//Сборншс научных трудов аспирантов. Выпуск 1.-М.,МГТА, 1998, С.106-111.

ЛР №020753 от 23.04.98 -

Подписано в печать 28.10.98 Сдано в производство 28.10.98 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 0,75 Заказ 321 Тираж 80

Электронный набор, MITA, 117918, Малая Калужская, 1

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

ИМЕНИ А.Н.КОСЫГИНА

(./// ЕРМАКОВ Александр Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ВОЛОКНИСТОГО ТЕКСТИЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование.

На правах рукописи

УДК [621.313.323:681.518.3]:677.021.188 (043.3)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Козлов А.Б.

Москва -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................4

ГЛАВА I. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВЫТЯГИВАНИЯ. УТОЧНЕННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЫТЯЖНОГО ПРИБОРА.

1.1. Анализ процесса вытягивания волокнистого продукта.................8

1.2. Стационарная модель вытяжного прибора.....................................11

1.3. Математическая модель вытяжного прибора с учетом динамических свойств.....................................................................................13

ВЫВОДЫ................................................................................................24

ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ.

2.1.Анализ функциональных задач обработки информации и методов измерения линейной плотности волокнистого материала...............25

2.2.Анализ методов и средств коррекции погрешностей оптоэлектрон-ного метода измерения линейной плотности....................................37

2.3.Разработка эффективной структуры измерительного канала электротехнической системы управления линейной плотностью...........48

2.4.Анализ особенностей организации обмена информацией в измерительном канале электротехнической системы управления линейной плотностью и разработка интерфейса.............................................52

ВЫВОДЫ...............................................................................................56

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИВОДА ВЫТЯЖНОГО ПРИБОРА В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ.

3.1. Анализ известных систем привода вытяжного прибора.................57

3.2. Разработка принципиальных электронных схем управления шаговым двигателем.................................................................................60

3.3. Особенности пусковых характеристик шагового двигателя в приводе вытяжного прибора..................................................................66

3.4. Математическая модель системы привода вытяжного прибора на основе шагового двигателя...............................................................70

ВЫВОДЫ................................................................................................73

ГЛАВА IV. ПРОГРАММНАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ.

4.1. Состояние и перспективы развития систем управления линейной плотностью........................................................................................74

4.2. Разработка структурных и функциональных схем электротехнической системы управления линейной плотностью..........................76

4.3. Синтез динамического компенсатора электротехнической системы управления линейной плотностью комбинированной структуры...82

4.4. Разработка и оценка выравнивающей способности регулятора замкнутого контура в электротехнической системе управления ли-

нейной плотностью............................................................................89

ВЫВОДЫ.................................................................................................97

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ...........................................................98

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................99

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................105

-4-ВВЕДЕНИЕ

Комплексная автоматизация, разработка систем управления (СУ) технологическим процессом является основным направлением повышения эффективности текстильной промышленности. Это направление особенно актуально для отечественного производства, испытывающего серьезные трудности в конкуренции с высококачественной продукцией зарубежных текстильных предприятий.

Исторически сложилась ситуация, когда средства управления технологическим процессом текстильного производства создавались для существующего оборудования в виде автономных устройств, расширяющих функции и улучшающих характеристики, но не изменяющих, сколько нибудь радикально его облик.

Характерная черта таких устройств - определенная факультативность их использования (оборудование может использоваться и при отключенных локальных СУ). Значительных успехов в разработке и создании локальных СУ с применением микропроцессорных устройств (МПУ) достигли западноевропейские фирмы. В большинстве случаев фирмы при разработке текстильного оборудования на основе МПУ учитывают эргономические требования к СУ, делая МПУ вполне доступными для лиц, не имеющих специальной подготовки в области вычислительной техники (принцип прозрачности пользователя). Но очень сложно внедрять импортное компьютеризованное оборудование в условиях отечественного производства.

Таким образом, актуальной задачей является разработка СУ на основе МПУ, позволяющих с большей гибкостью подстраиваться к существующему оборудованию текстильных предприятий.

Представляемая работа характеризуется следующим образом.

Актуальность проблемы. Одной из основных задач текстильного производства является уменьшение количества обрывов волокнистого материала на различных переходах прядильного процесса /44/. Данная проблема, в основном, решается путем применения систем выравнивания, которые позволяют значительно снизить неровноту продукта

(ленты, ровницы, пряжи), а, следовательно, и уменьшить его обрывность.

Управление линейной плотностью (ЛП) текстильного продукта является эффективным средством выравнивания и уменьшения значения градиента неровноты /19/. Широко распространены СУ ЛП в прядильном производстве (на ленточных и чесальных машинах) где большое число технологических переходов определяется, в первую очередь, высокими требованиями к неровноте продукта. В хлопкопрядении применение СУ ЛП началось в связи с внедрением бесхолстового питания, при котором возникает заметный дрейф среднего значения ЛП. Подавляющее большинство известных в прядении таких систем - это СУ вытяжными приборами (ВП).

На основании вышесказанного актуальность темы диссертационной работы связана с разработкой электротехнической СУ (ЭСУ) ЛП текстильного продукта, позволяющей обеспечивать выравнивание в широком диапазоне частот колебания ЛП за счет использования комбинированной структуры, применения микропроцессорной техники, шаговых двигателей (ШД) в приводе ВП, а также повышения точности и быстродействия разрабатываемой ЭСУ ЛП, путем использования усовершенствованных цифровых алгоритмов управления и инфракрасных (ИК) оптоэлектронных преобразователей (ОЭП) ЛП волокнистого материала.

Цель и задачи работы. Целью данной диссертационной работы является разработка научно-обоснованных рекомендаций по исследованию и проектированию ЭСУ ЛП текстильного продукта на основе микропроцессорного комплекта, а также разработка математического аппарата и программ для анализа и синтеза системы и программного обеспечения для функционирования самой системы.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ особенностей технологического процесса вытягивания. Исследование существующих математических моделей ВП. На основе

анализа динамических свойств процесса выработка рекомендации по проектированию ЭСУ ЛП волокнистого материала.

2. Анализ существующих, а также разработка новых функциональных схем систем контроля и СУ ЛП текстильного продукта. Проведение качественного анализа СУ ЛП, соответствующих различным структурным схемам.

3. Разработка оптимальной системы привода ВП. Анализ динамических свойств привода ВП на основе ШД.

4. Разработка математического аппарата для синтеза регуляторов системы. Синтез регуляторов разомкнутого и замкнутого контуров комбинированной ЭСУ ЛП волокнистого материала. Разработка математического и программного обеспечения для функционирования ЭСУ ЛП.

На защиту выносятся:

1. Научные положения разработки ЭСУ ЛП текстильного продукта.

2. Математическая модель системы, реализующая функционирование ЭСУ ЛП согласно комбинированной структуре.

3. Алгоритмы управления разомкнутым и замкнутым контурами комбинированной ЭСУ ЛП.

4. Результаты экспериментально-теоретического моделирования.

Методика проведения исследований. Работа содержит экспериментальные и теоретические исследования, проведенные современными математическими и инструментальными методами. Синтез дискретных элементов ЭСУ ЛП проводился на основе теории цифровых систем автоматического управления. Моделирование и обработка данных исследований, расчеты при синтезе и анализе ЭСУ ЛП производились на ЭВМ, для чего были разработаны необходимые программы.

Научная новизна работы: состоит в теоретическом и схемотехническом обосновании и разработке ЭСУ ЛП с использованием ШД в качестве исполнительных механизмов ВП; разработке ЭСУ ЛП согласно

комбинированной структуре, на основе ИК ОЭП ЛП; представлении соответствующих алгоритмов и программного обеспечения.

Достоверность результатов работы подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования, а также результатами испытаний ИК ОЭП ЛП на АТПП "Болшевский текстиль". Научные решения диссертации строго обоснованы и аргументированы в рамках принятых автором допущений, теоретические положения и экспериментальные выводы многократно уточнялись.

Практическая ценность работы состоит в уменьшении неровноты ЛП текстильного продукта. Результаты работы могут быть использованы при разработке ленточных и чесальных машин с использованием систем автоматического выравнивания ЛП, а также в учебном процессе и методических пособиях для студентов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях, на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТА им. А.Н.Косыгина, проходивших в 1995-1997 годах.

Публикации. По вопросам, связанным с диссертацией, опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 60 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 34 иллюстрации.

ГЛАВА I. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВЫТЯГИВАНИЯ. УТОЧНЕННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЫТЯЖНОГО ПРИБОРА.

1.1. Анализ процесса вытягивания волокнистого продукта.

Технологический процесс вытягивания имеет, в основном, две цели - непосредственно вытягивание (утонение) волокнистого продукта, а также параллелизацию и распрямление волокон.

Существует три основных режима вытягивания - вытягивание первого, второго, а также третьего родов. Первое связано с деформацией волокон составляющих продукт, причем сдвига волокон друг относительно друга нет. Второе связано со сдвигом волокон друг относительно друга (и деформация продукта в целом здесь является пластической). Под вытягиванием третьего рода понимается процесс, когда продукт разрушается, волокна не имеют взаимодействия и движутся независимо под действием некоторого внешнего поля.

В данной работе рассматривается вытягивание второго рода, когда дискретность продукта является определяющим фактором. Из-за сдвигов волокон друг относительно друга продукт уже нельзя рассматривать, как одномерный (потому, что в каждом сечении могут быть волокна, движущиеся с разными скоростями и напряжения в разных волокнах одного сечения могут быть разными). Таким образом, при вытягивании второго рода приходится рассматривать уже не одномерный объект - вытягиваемый продукт, а огромное множество объектов - волокон, составляющих этот продукт. Движение каждого волокна определяется его взаимодействием с окружающими волокнами с рабочими органами ВП (так как волокно имеет заметную длину, то сила, действующая на него и определяющая его движение, зависит от положения на всей длине волокна и должна быть получена соответствующим усреднением, что крайне неудобно при расчетах). Силы, действующие на волокно, зависят от конструкции и параметров ВП и от количества волокон, находящихся в ВП.

Вытягиваемый продукт неравномерен, следовательно, поля сил трения будут иметь случайные составляющие. Кроме того, нестационарность работы ВП, связанная с биениями цилиндров и валиков, с выходом иглы (в гребенных полях), также вызывает изменения сначала поля сил трения, затем кривых утонения, а последние изменения оказывают обратное влияние на поля трения и т. д.. Таким образом, в ВП происходят сложнейшие взаимодействия, в которых иногда нельзя рассчитать или определить экспериментально даже отдельные стороны.

Одним из упрощений, принимаемым во всех без исключения работах по математическому описанию процесса вытягивания (и действительно существенным), является идеализация вытягиваемого продукта. Обычно полагают что продукт состоит из распрямленных и параллельных оси продукта волокон и не интересуются теми реологическими свойствами продукта, которые не могут быть получены из этих структурных и ад дитивных характеристик.

Другое упрощение, допускаемое в большинстве известных моделей ВП, тесно связано с некоторой линеаризацией исходной задачи, которая обладает рядом существенных нелинейностей.

Из-за вышеприведенного комплекса проблем на сегодняшний день не существует полного математического описания процесса вытягивания, в связи с чем, приходится ограничиваться более частными моделями, вводя упрощающие предположения и описывая не процесс в целом, а лишь его некоторые стороны. Таким образом, сложность процесса вытягивания в ВП, несмотря на многолетний срок существования механического прядения, не позволила достаточно полно разобраться в явлениях, происходящих в ВП.

Труды Васильева H.A., в начале 30-х впервые создавшего теорию процесса вытягивания, дающую научное обоснование всем основным явлениям, наблюдаемым при вытягивании волокнистого продукта, легли в основу современной теории процесса, разработанной русскими и зарубежными исследователями. Васильев H.A. /9/ предлагает классифицировать процесс вытягивания по родам и дает описание первого рода

вытягивания волокнистого продукта, как однородного и упругого материала.

Зотиковым В.Е. /20/ предлагается кинематическая модель процесса, исследуется поле скоростей ВП, вводится понятие координаты точки перехода скоростей волокон.

В конце 50-х, начале 60-х Севостьяновым А.Г. /45, 46/ и Ковнером

C.С. /24/ на основе известных законов классической механики и физики разрабатываются математические методы по исследованию неровноты продуктов прядения и моделированию процесса вытягивания второго рода (движение волокон в процессе вытягивания). Зарубежные исследователи G.A.R Foster /3, 53/, KLFujino и S.Kawabata /50/ в своих работах приводят полученные экспериментально переходные процессы в ВП, объясняя наличие автоколебаний процесса вследствие постоянного смещения координаты точки перехода (в "первой предельной схеме").

D.R.Cox /51/ исследует поля сил трения волокон в ВП. D.E.A. Plate и D.S.Taylor /12/ свои работы посвятили изучению вопроса изменения коэффициента вариации при изменении скорости вытягивания.

В 60-70-х годах, в связи с внедрением систем автоматического выравнивания ЛП волокнистого продукта на ленточных и чесальных машинах, становится актуальным получение уточненной модели ВП, учитывающей нестационарность процесса вытягивания. Наиболее примечательными работами в этой области можно назвать исследовательские монографии и диссертации Хавкина В.П. /54, 56/, Гинзбурга JI.H. /14/, Молчанова A.C. /34, 55/, Ильина Э.Р. /22/, Осьмина H.A. /38/, Сергеева К.В. /47/, Немуры A.A. /36/, Усенко Б.В. /52/, Вышеславцева Г.Г. /13/, Винтера Ю.М. /11/, Протасовой В.А. /43/.

Есть несколько ступеней упрощения задачи математического описания процесса вытягивания и соответственно несколько моделей процесса. Все эти модели неполны в том смысле, что не дают целостного описания процесса, а предполагают, что некоторые данные о нем уже имеются (например, получены экспериментально или заданы, как правдоподобные по какой-либо причине). Однако степень этой неполноты у

разных моделей разная. Рассмотрим эти модели, кратко охарактеризовав их с этой стороны.

1.2. Стационарная модель вытяжного прибора.

Питающая пара валиков ВП (рис.1) движется с линейной скоростью VI, выпускная - со скоростью у 2- Разводка равна Л, ЛП на входе и

выходе равны соответственно Т^ и Т2-

Если ЛП на входе и выходе не меняются во времени, то условие материального баланса для волокнистого продукта в ВП можно записать как:

Уравнение (1) описывае