автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование электротехнической системы управления процессом фильерного формования и вытяжки синтетических нитей

РГб од

- / Ц'Х] МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

' ГОСН'Й'АРСТВЕШМ ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ А.Н.КОСЫГИНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФИЛЬЕРНОГО ФОРМОВАНИЯ И ВНТЯ1КИ СИНТЕТИЧЕСКИХ НИТЕИ

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

На правах рукописи

ГОДУНОВ Михаил Викторович

УДК 681.5.01:677.021.125(043.3)

АВТОРЕФЕРАТ"

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1833

Работа выполнена в Носковской ордена Трудового Красного Знамени государственной текстильной академии ии. Л.Н.Косыгина.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Петелин Д.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Смольников Л.Е.

кандидат технических наук, дпцент Кольниченко Г.И.

Ведуцая организации - Всероссийское научно-производственное объединение "Химволокно" г. Нытивш,

Защита состоится _____1993 г.

вЛсчасов на заседании специализированного совета К 053.25.Ой в Московской государственной текстильной академии им. Й.Н.Косыгина по адресу: 117918, Москва, Н.Калуаская ,1.

С диссертацией иовно ознакомиться в библиотеке Московской государственной текстильной академии.

Автореферат разослан ____1993 г.

Яченый секретарь специализированн кандидат технических наук, доцент

щ

специализированного совета,

/ Виакин А.И.

- 3 -

ОБЩАЯ" ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ»

Актуальность темы. Основные виды производства многотоннажных химических волокон и нитей (полиамидные, полиэфирные, полипропиленовые) получают из расплава полимера в виде высоковязкой жидкости, приготовленной в зкструдере.

В современной технологии получения химических волокон и нитей из поликапроамида используется экструдерно-формующая-на-матыванщая система, реализующая высокоскоростные совмещенные процессы производства. Эти процессы включают: прядильно-вытяа-ной-мотальный метол, изготовления технических нитей, прядиль-но-мотальный метод, связанный с получением предориентированннх нитей, прядильно-витяжной-текстурироваиний метод для изготовления текстурированных нитей.

Развитие совмещенных процессов производства химических нитей связано с разработкой интегрированных систем управления, которые позволяли бы осуществлять непрерывный ыониторинг'в реальном времени всех технологических параметров и эффективности работы всех машин для комплексной автоматизации и максимального использования всех многообразных эксплуатационных возмо»-ностей производства.

Интегрированная система управления, включающая подсистемы многосвязного управления отдельных машин и аппаратов, предназначена для поддержания постоянства качества продукции при действии различных возмущений из-за изменения свойств снрьз, нарушения режимов работы узлов ыаиин, изменения технологических параметров полуфабрикатов по ходу производственного процесса.

Сложность технологических процессов формования, вытяяки и намотки химических волокон и нитей обусловливает принципиально новые подходы к автоматизации, базирующиеся на методах экспериментально-теоретического моделирования, с использованием цифровых систем управления.

Используемне в настоящее время системы управления на основе высокоточны* аналоговых регуляторов в силу ряда недостатков, свойственных этим регуляторам, и особенностей технологического процесса, не позволяют обеспечить необходимое качество

процесса, что сдкрвивает рост производительности процесса производства химических волокон.

Комплексный подход к проблеме автоматизации процесса производства химических волокон на базе цифровой вычислительной техники, вследствие значительно больвих функциональных возмов-ностей и отсутствия недостатков, свойственных аналоговым регуляторам, \ позволяет не только вести управление процессом по многим взаимосвязанный параметрам, но и сократить затраты на регулирующую аппаратуру благодаря использованию многоканального управления.

Работа выполнялась и соответствие с Постановлением СИ СССР о г 24.07.80 К 633 "Об ускорении развития машиностроения для легкой и пищевой промышленности и значительного ловывения технического уробвя технологического оборудования."

Цель работы - разработка и исследование электротехнической система управления процессом формования и вытяаки синтетических нитей.

Поставленная цель включает в себя ревение следующих задач:

- разработка и анализ математической модели фильерного сосуда как объекта управлении скоростью вытяаки волокон, давлением и температурой расплава в фильерноц сосуде;

.- анализ взаимных связей регулируемых параметров;

'- синтез структуры и алгоритмов системы дискретного управления параметрами процесса формования и витявки синтетических нитей на базе управляемых электротехнических систем;

- моделирование и исследование электротехнических систем управления электронагревом расплава полимера в фильерном сосуде, скоростными ре$имами электроприводов дозирушчих насосов и при'емно-мотальной машины

Р' защиту выносятся: .

- математическая модель системы, описываемая взаимные слияния регулирдеиых параметров:, скорости вытяики нитей, давления и температуры расплава; |

- структурная и функциональная схемы автоматизированного технологического комплекса на базе электротехнических систем

управления;

- алгоритмы управления системой;

- результаты моделирования и экспериментов.

Методы исследований. Работа содеряит теоретические и экспериментальные исследования, проведенные современными математическими и инструментальными методами. Синтез дискретных систем управления проводился на основе теории цифровых систем автоматического управления. Моделирование и обработкз данных исследований, расчеты при синтезе и анализе систем управления производился на ЦВМ, для чего были разработаны необходимые программы.

Научная новизна. В работе впервые проведен анализ процесса фильерного формования синтетических нитей как объекта многосвязного управления и получена математическая модель фильерного сосуда на основе принципа инвариантности (взаимно® «независимости) параметров регулирования.

Впервые ревена задача синтеза комплексной системы регулирования параметров процесса фильерного формования синтетических нитей, обеспечивающей заданное качество переходных процессов, разработаны алгоритмы управления интегральней линейной плотностьв синтетической нити и предлояен* электротехническая система управления на базе управляющего вычислительного комплекса.

Впервые рассмотрена задача управлявшего ультразвукового воздействия на фильерный сосуд.и расплав полимера в процессе Формования волокна.

Практическая ценность работы. 8 методическом плане, разработанные теоретические положения, лредлояеннне методы, алгоритмы управления, программы расчета, предназначены для речения задачи построения комплексной электротехнической системы управления процессом фильерного формования, что позволит:

- повасить-производитяяьность технологического оборудования;

- увеличить срок службы фильерного сосуда;

- сократить затраты на регулирующую аппаратуру и его экс-

плуатацив;

- улучвить качественные показатели синтетических нитей.

Апробация работы.Материалы диссертационной работы долове-ни и обсуждены на научной конференции молодых ученых знер-го-ыеханического факультета ИГТА, на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТА, на семинарах и заседаниях кафедры автоматики и промзлектроники.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано В печатных трудов.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литература из 61 наименования и приложения. Работа излояена на 12? страницах машинописного текста , содеряит 9 таблиц, 17 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРВАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ .

Во введении нзлонены основные проблемы, связанные с развитием высокоскоростных совмещенных процессов производства синтетических нитей, и обоснована необходимость комплексного подхода к проблеме автоматизации процесса производства синтетических нигей на базе цифровой вычислительной техники. Отмечена актуальность темы диссертационной работы.

Глава 1. Анализ технологических процессов формования синтетических нитей и технологических требований. Постановка задачи диссертационной работы.

Дана характеристика видов неравномерности линейной плотности синтетических нитей и причин их появления.

1.и основании сделанных выводов определены основные принципы стабилизации линейной платности синтетических нитей и проведён1 обзор существующих методов контроля и регулирования линейной плотности. Показано, что ни один из существующих методов не в состоянии обеспечить учет всех факторов, влиявщих на линейнуп плотность синтетической нити.

На основе проведенного в первой глазе анализа сформулирована цель диссертационнй работы и комплекс научных вопросов, требувцих речения.

Глава 2, Разработка математической «одели процесса филь-ерного формования синтетических нитей как объекта управления.

Используя основные законы сохранения в теории сплоаной среды, описан процесс формования химических нитей с помочью уравнений неразрывности, двиаяния и энергетического баланса:

р - вектор скорости р - тензор напряжения

- сила тя«ести СV ~ Удельная теплоемкость при постоянное объеме У - поток тепла и - внутренняя энергия 0/Р~£~ оператор полного (суСстационзрного) дифференцирования по времени.

Опираясь на эти закономерности сформулированы упроченные зависимости"для трех основных переменных установивве-гося процесса формования: радиуса волокна (Их), средней осевой скорости 0(х) и средней температуры 0(х) в функции расстояния по оси х от фильеры.

Система уравнений, упрощенно описывавшая процесс формования нитей в отсутствии массобмена, имеет вид:

Р1 с//> I/ = О

(1)

где Р- плотность

~-(^гРхх)- М^- ЧГ^-гМР^-О (5)

э& ,-> дё . ?<* (у.к._ ^ (6) Л * ,77 "---р-сГв 0

Одним из основных параметров, характеризующих качество производимых волокон, является предел прочности на растяжение, Анааиэ априорной информации свидетельствует о той, что этот параметр связан с натягением Р волокна в процессе его производства.

Для анализа процессе вытягивания волокна используем закон вязкого трения Нызтона с учетом общепринятых яредполовений, согласно которые при ватякче волокон доминирующей является пластическая деформация.

Пая стационарного процесса ьытяаки, справедливо равенств:

= Я-К = £ ■ (7)

\ где ¿V- пли ладь поперечного сечения фильерного отверстия; Л - площадь поперечного сечения волокна; -2^,- линейная скорость подачи расплава линейная скорость намотки волокна 2 - текущая пространственная координата вдоль оси волокна.

Известно, что двикекие б зоне формования подчиняется закону ьязкого трения и удовлетворительно описывается уравнением: •

'£ = Цг < (8)

-гдз натяжение волокна; : '^¿^- температура в точней";

/¿у., - вязкость расплава.

._р£5ениа данной системы с учетом граничных условий- г - Ь

имеет вид:

32ГЯА (и £3)

ЛЛ Г1 ) ° где = 2Га .

Таким обрззом, можно сделать вывод, что натямение волокна зависит от объемного расхода расплава в зоне формования и определяется кратностью вытянки Е , а такае тенпературой, распределенной вдоль луковицы.

Для анализа и синтеза систем управления процессом формования синтетических нитей определены математические модели фильерного сосуда как объекта управления температуры и давления, взаимосвязи кеяду управляемыми технологическими параметрами, а такае проведен анализ параметров управления процессом формования в лодфильерном пространстве, установлены алгоритмические структуры процессов формования волокна (нити) как объектов управления.

На основании уравнений температурного баланса для различных частей рассматриваемой схеиы, с учетом сделанных допущений. аохно записать: для нагрева стенки

с К С/б, + <хп (&, - в, ' у сМ (10) для нагрева расплава

Сгрг Уг с/% у- Л, ап ¿а (ОгЭ>) ■-< 11 >'

для нагрева фнльерной пластина . .

с3д +<*„ и&^М (

где & - температура, С - удельная теплоемкость, плотность, {/- объем,<Хп~&г= с<, = <Хп- коэффициенты твплопереязчи кеяду стенкой сосуда и расплавоы»СХ - коэффициент теплопередачи меаду фильерной пластиной.и подфильерной зоной, ■ площадь';.

- l<t -

поверхности теплообмена мевду стенками сосуда и расплавом,

площадь поверхности теплообмена между фильерной пластиной и расплавом и мевду фильерной пластиной и подфильерной зоной, /С,' к/С, - коэффициенты пропорциональности тепловыделения, ц. - тепловыделение, ir - время.

В этой схеме индексы определяет соответственно: 1 - стенка фильерного сосуда, 2 - расплав, 3 - фильерная пластина, 4 -подфильерная зона.

Из уравнений (10)...(12) после алгебраических преобразований и преобразования Лапласа, ревая их относительно неизвестной 62(р), при свободном члене q(p) - регулирующее воздействие, получим передаточную функцию по управляющему воздействию, вид которой позволяет использовать полученную математическую модель фильерного сосуда для анализа его как объекта управления температурой и синтеза на его основе системы автоматического регулирования;

ь ,/.1 - Ks (13)

WAP)- q(Pj ~ (ър + <)(Твр+<)

Определение передаточной'функции фильерного сосуда как объекта управления давлением проводилось на основании уравнения материального баланса для фильерного сосуда:

(14)

где ио - объем сосуда, В - всесторонний модуль сватия материала (сжимаемость полимера), К1 - коэффициент эквивалентного объемного расвирения,который учитывает деформацию сосуда при изменении давления, 0о - поток расплава, поступающий в сосуд. Ох - отводимый поток.

Так как поток Ох является ламинарным вследствии высокой вязкости полимера, то для отводящего потока мивно записать линейную зависимость

Q* = Р

(15)

- 11 -

Отсюда, передаточную функцию момно представить в виде: где -4т / 7Г =

К '

Проведен анализ связей регулируемых параметров процесса Фильерного формования синтетического волокна в системе двухсвязного управления по скорости вытяжки волокна и температуре расплава в фидьерном сосуде. Определен» условия независимости указанных переменных и доказана автономность контуров управления температурой и вытяжкой.

Глава 3. Разработка и синтез электротехнической системы управления процессом формования синтетических нитей.

Разработана структура электротехнической системы управления процессом формования синтетических нитей, включающая три контура управления: скорости вытавки, температуры расплава и давления расплава в фильерном сосуде. Б качестве управляющего воздействия в системе автоматического регулирования давления расплава предлагается использовать энергии ультразвуковых колебаний, возникающих в расплаве зн счет электродинамического эффекта: наловения постянного магнитного поля на высокочастотное поде индукционной обмотки.

На основе структуры электротехнической система управления процессом формования синтетических нитей разработана фднкцио-нальная схема автоматизированного технологического комплекса на базе управляющей вычислительной каиини (рнсЛ).

В контур регулирования скорость» вытавки, кроме системы, обеспечивающей регулирование линейной скорости вытаяки в соответствие со скоростьи подачи расплава прядильный насосом, введена дополнительная система корректировки заданной линейной скорости вытяаки по резрьтатаа измерения интегральной плотН ности нити. ';'•./

Для компенсации пульсирующего характера потока распласц^ подаваемого в фильерный сосуд шестеренным дозкрцвщим насопомД произведен синтез инвариантной система регулирования язвления^,

- 13 -

расплава с использованием ультразвукового воздействия.

Инвариантность достигается на основе метода К(Д)~ изобра-аений, основная идея которого состоит в выборе регулятора в виде динамического звена, описываемого тем ае уравнением, что и известная модель возмущений.

Для формирования управляющих воздействий в системе использованы помимо компонент вектора состояния х, компоненты вектора состояния динамического компенсатора г .собственные двиаения которого совпадают с собственными двиаениями известной модели возмущений. Вправление форынрутся при этом в виде двух компонент:

(1?)

Компонента I г обеспечивает компенсации внешнего возмущения, а Их обеспечивает зелаемые свойства свободного двияения,

5Г, = Н2 + с/,

=• - ¿¿Л2?, -¿с^б/х* (-АСО-глсо¿¡¿¿2,(18)

- частота пульсации давления расплава;

Л, ,<1г,1. - коэффициенты, определявшие динамику компенсатора.

Структурная схема инвариантной системы управления процессом представлена на рис.2.

Обоснован выбор критерия апериодической устойчивости как критерия качества функционирования системы и определены алгоритмы управления цифровой электротехнической системой управления процессом формования синтетических волокон в виде типовых законов управления (И, ПК. ПЙД) в дискретной форме.

Глава 4. Ноделирование электротехнической системы управления процессом формования синтетических волокон,

Задачей исследований являлась проверка работоспособности системы с выбранным алгоритмом управления и обеспечения заданного качества функционирования, а такаа, определения опткмальч пых параметров настройки регуляторов для обеспечения «инималь-^ ного времени переходных процессор в системе.

Puc.^L

- 15 -

Для проведения моделирования была разработана программа построения переходных процессов в цифровой системе автоматического регулирования.

Результаты моделирования подтвердили, что выбранный алгоритм управления обеспечивает заданное качество переходных процессов и удовлетворительное время регулирования процессов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Рассмотрены технологические вспросн, связанные с не-равномерностыз линейной плотности синтетических «итей и выявлены основные причины её появления: неравномерность подачи расплава, колебания температуры расплава и скорости приема нити. •

2. Определены основные параметры регулирования процесса фильерного формования синтетических нитей: скорость вытяаки, температура расплава и давление расплава в фильерноы сосуде.

3. На основе анализа процесса фильерного формования синтетических нитей как объекта многосвязного управления получена математическая модель процесса формования.

4. На основании уравнений неразрывности, двивения и энергетического баланса определены передаточные функции фильерного сосуда как объекта регулирования скорости вытяаки, температуры расплава и давления расплава в фальершзи сосуде,

5. Проведен анализ связей регулируемых параметров и определены условия взаимной независимости контуров управления в системе управления процессом Фильерного формования синтетических нитей.

6. Разработана структурная схема электротехнической системы управления процессом фильерного Формования синтетических нитей и функциональная схема автоматизированного технологического комплекса на базе управляющей вычислительной машины, позволявшего повысить производительность технологического' оборудования и качество получаемых нитей, сократить капитальные ззтраты на регулирующую аппаратуру.

?. Впервые осуществлен синтез структуры инвариантной системы управления давлением расплава в фкльерном сосуде для

компенсации пульсации давления расплава при использовании вестеренного нзсоса.

8. Обоснованы выбор алгоритма управления и критерия качества функционирования цифровой электротехнической системы управления процессом фильерного Формования синтетических нитей для обеспечения апериодических с минимальной длительностью переходных процессов.

9. Проведено экспериментально-теоретическое моделирование цифровой электротехнической системы и определены параметры оптимальной настройки типовых регуляторов, обеспечивающие заданное качество переходных процессов.

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1.Петелин Д.П., Ревков В.В., Годунов М.В,,Наврузалиев Ф.В. Процессы с многими управлениями // III Всесоюз. ваучн.-техн. конф.: Тез.. докл.- «., ЦНИИТЭИлегпрсм, 1989,- C.S8-59.

2.Петелин Д.П., Годунов Л.В.. Йль-Дяобури Н., Зайцев Й.Д. Процесс фильерного прядения волокон и его управление// Изв.вузов. Технология текстильной прмышленности.- 1991,- N 4 -С.88-91.

3.Годунов Н.В. Автоматизация процесса нитеобразования плавильно-прядильным методом // Изв.вузов.Технология текстильной промышленности,- 1992,- N 2 - С.81-84.

4.Тодунов М.В. Принципы построения 0С9 ТП производства и прядения химических волокон // Изв.вузов.Технология текстильной промышленности.- 1992.-. N 5 - С.82-84.

5. Петелин Д.П., Румянцев 1С.Д., Годунов М.В. Процесс Фильерного формования синтетических волокон в-системе двухсвязного автоматического управления // Изв.вузов.Технология текстильной промыилннности.- 1992,- N 6 - С.79-81.

Подписано в печать 19.05.93 Сдано в производство 19.05.93 Формат бумаги 60x84/16 Бумага «ко».

Усл. печ..л. 1,0 Уч.-изд. л. 0,75

Заказ 350 Тиран 75

Ротапринт МГТЙ. 117419, Москва. Донская. 26