автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование системы автоматического управления исполнительными механизмами ткацкого оборудования

На правах рукописи

МАСАНОВ Дмитрий Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ ТКАЦКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность: 05.13.06 — "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (легкая промышленность)"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2006

Работа выполнена в Московском государственном текстильном университете им. А. Н. Косыгина на кафедре автоматики и промышленной электроники

Научный руководитель доктор технических наук,

Профессор Макаров А.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Винтер Ю.М.

кандидат технических наук,

доцент ' ' " Чамов В.В.

Ведущая организация: ФГУП «ЦНИИХБИ» (Центральный научно-исследовательский институт хлопчатобумажной промышленности).

Защита состоится 2006 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.139.03 в Московском государственном текстильном университете им. А. Н. Косыгина по адресу: 119071, г. Москва, ул. -М.Калужская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного текстильного университета им. А.Н. Косыгина,

Автореферат разослан « р^*» X/ 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Козлов АЛ5.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач автоматизации технологических процессов в ткацком производстве текстильной промышленности в современных условиях, является задача повышения качества выпускаемых тканей и уменьшения отходов сырья, что особенно важно в связи с долей исходного сырья в себестоимости готового изделия.

В текстильной промышленности широко распространены бесчелночные пневматические ткацкие станки. В процессе выработки ткани на пневматических ткацких станках образуются значительные отходы в виде отрезной хромки.

Необходимо отметить, что вопросы автоматического управления процессом стабилизации размера отрезной кромки на минимальном технолога-чески допустимом уровне пока еще не получили достаточного освещения.

Анализ известных способов регулирования длины уточной нити показал, что наиболее целесообразным является применение исполнительного механизма в виде уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа. Основным элементом управления в уточном накопителе является его электропривод, который предложено выполнить на базе трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнугьш ротором (АКЗ).

Объект управления - уточный накопитель для отмеривания длины пробрасываемой уточной нити, представляет собой сложную систему, для управления которой требуются алгоритмы, реализацию которых рационально осуществить на микропроцессорной технике. Математическое описание динамики механизмов уточного накопителя достаточно сложное, что определяется высоким порядком систем уравнений, моделирующих этот процесс. Это может вызвать определенные трудности при реализации алгоритмов на микропроцессорной технике. Кроме того, данные алгоритмы должны обеспечивать требуемый внешний вид изделий, способствовать расширению ассортимента и качества продукции.

Для автоматической стабилизации размера отрезной кромки необходимо разработать алгоритмы управления данным процессом, которые следует реализовать на современной микропроцессорной технике.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование системы управления асинхронным электроприводом (АЭП) уточного накопителя, отмеривающего длину уточной нити, призванного стабилизировать размер отрезной кромки ткани иа минимальном технологически допустимом уровне без ухудшения качества ткани.

Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач:

- анализ особенностей технологического процесса прокладывания и отмеривания нити на сопловых ткацких станках;

- исследование уже известных методов и средств для стабилизации размера отрезной крймки ткани;

- теоретическое исследование электродвигателя в приводе уточного накопителя как объекта управления и построение его математической модели.

- построение модели исследуемой электромеханической системы в непрерывном времени, расчет параметров этой модели;

- разработка и исследование систем векторного управления электроприводом уточного накопителя;

- моделирование разработанных систем управления дня оценки переходных характеристик системы управления электроприводом уточного накопителя;

- разработка адаптивной системы управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от изменения натяжения уточной нити и изменяемых параметров электродвигателя;

'- разработка алгоритма векторного управления электроприводом уточного накопителя;

- разработка электронной схемы управления приводом уточного накопителя;

- разработка микропроцессорной системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани;

На защиту выносятся:

1. Математическая модель АКЗ ш объекта управления в приводе уточного накопителя.

2. Результаты моделирования АКЗ примененного в приводе уточного накопителя при прямом пуске ог источника трехфазного напряжения.

3. Математическая модель системы векторного управления АЭП уточного накопителя, по двум каналам, где в качестве управляющих воздействий использованы натяжение уточной ниш и длина накапливаемой нити.

4. Результаты математического моделирования разработанных систем автоматического управления АЭП уточного накопителя с различными законами управления.

5. Разработка и исследование микропроцессорной системы управления трехфазным АЭП.

6. Алгоритмы управления АЭП уточного накопителя для стабилизации отрезной кромки ткани на минимально допустимом технологическом уровне.' '

7. Структура микропроцессорной системы управления (МПСУ) для автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

8. результаты математического моделирования разработанных алгоритмов и схем контроля и управления.

Методика проведения исследований. В работе использована комплексная методика исследования, сочетающая методы математического анализа и инструментальные средства. При построении моделей использованы метода теории электрических машин, теории автоматического управления, методы эксперименталы[о-теорепгческого моделирования и компьютерной обработки информации.

' Расчеты параметров моделей, переходных характеристик и моделирование системы автоматического управления электромеханической системой

проводились в пакете прикладных программ Matlab и его приложения Simu-link.

Реализация программ микропроцессорной техники осуществлялось с помощью С компиляторов MPLAB CIS и MPLAB СЗО и интегрированной среды разработки программ MPLAB IDE v.7.42 фирмы MICROCHIP.

Научная иовиана. В результате выполнения диссертационной работы построена математическая модель и структурные схемы в приложении SIMULINK пакета прикладных программ Matlab системы векторного управления АЭП уточного накопителя и разработаны программы расчета парамет- ■ ров асинхронного электродвигателя (АД) и АЭП с автоматической настройкой регуляторов.

Разработаны структура МПСУ и электронная схема управления АЭП уточного накопителя на основе цифрового сигнального процессора (ЦСП) dsPIC30F6010 с применением микроконтроллера PIC16F877 для автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

Разработаны алгоритмы управления системы автоматической стабилизации размера страной кромки на минимально допустимом технологическом уровне для уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа на микроконтроллере PIC 16F877.

Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей АД и модели системы векторного управления АЭП подтверждается совпадением с теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

Научные решения диссертационной работы обоснованы в рамках допущений, являющихся общепринятыми.

Практическая ценность. Использование разработанной системы автоматического управления электроприводом уточного накопителя позволит уменьшить натяжение пробрасываемой уточной нити и стабилизировать размер отрезной кромки ткани на минимально допустимом технологическом

уровне, а также снизить энергозатраты при пуске АД и повысить срок его эксплуатации.

Разработанные математические модели н программы расчета параметров АД и АЭП с автомагической настройкой параметров регуляторов можно использовать в любых отраслях текстильной и других видах промышленности.

Полученные научные результаты могут быть использованы при создании и совершенствовании систем управления АЭП.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждены н получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2004, Тексталь-2005), Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности » (Ннфотекстиль-2004), межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2005), научно-технической конференции "Студенты и молодые ученые КГТУ - производству" (КГТУ-2006).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 75 наименований и 5 приложений. Работа изложена па 145 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 50 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во виедении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цели и задачи исследования, сформулированы защищаемые научные положения, указана новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе рассмотрены основные аспекты современного состояния вопроса регулирования длины прокидываемой уточной нити на сопловых ткацких станках и определены задачи исследования. В ]№зультате анализа установлено, что поставленная задача может быть решена с использованием уточного накопителя непрерывного Действия отмеривающего типа с отдельным электроприводом в системе уточного накопителя н определены принципы построения управляемого электромеханического комплекса для стабилизации размера отрезной кромки ткани ни сопловых ткацких станках.

Во второй главе по известным уравнениям, описывающим процессы в АД, построены структурные схемы в среде прикладных программ MAT-LAB и его пакета SIMULINK. в неподвижной и во вращающейся системе координат.

В отличии от встречающихся л литературе структурных схем АД, в работе построена структурная схема АД, позволяющая в любое время производить необходимые изменения, усложнения и преобразования, не изменяя структуры целиком, за счет разделения ее на составные части в виде отдельных структурных элементов, с помощью блока Subsystem библиотеки SIMULINK, называемых функциональными преобразователями статора (ФПС), ротора (ФПР) н электромагнитного момента (ФПМ). Модель АД во вращающейся системе координат в пакете SIMULINK представлена на рис.1.

иН 1W М

ш— ГГЬ^ и»

V М:

рикцй

Л

I»

Ш—

fpu '

Рис. I. Структурная схема АКЗ во вращающейся системе координат (jf-^). FPS — функциональный преобразователь статора; FPR - функциональный преобразователь ротора; FPM — функциональный преобразователь ыомеита.

На вход модели (рис. 1.) подаются напряжения во вращающейся системе координат tic/, Uyi> представляющие собой постоянные величины. Также на вход модели поступает задание синхронной скорости вращения се>з (рад/с) и нагрузочный момент Ms (Нм).

На рис. 2 представлены два переходных процесса. Первый — это прямой пуск АД при прямом включении на напряжение питания. До начала этого процесса все переменные были равны нулю, т.е. существовали нулевые начальные условия. В момент времени i»l с, скачком был наброшен момент нагрузки Мс =0.1 Нм, что явилось причиной второго переходного процесса.

ш - -- / ■ 1 г ■ i ! ——t—г

i [ i i j \ _ {i ■____ i ........ ,—^ ■ ..... 4

/ 7 7

1 o" г

Рис. 2. Переходные процессы для АКЗ в системе координат (дг -у). 1 - кривая скорости; 2 — кривая момента.

Модель АД г системе координат (х-у) более наглядно иллюстрирует протекающие в нем процессы, поэтому анализ процессов в данной системе координат, а модель АД в неподвижной системе координат, позволяет оценить реальные фазные токи статора.

Сравнение ¡юзультатов моделирования пуска АД в неподвижной и во вращающейся системе координат показало их полную идентичность, что согласуется с литературными источниками.

<

Построенные модели позволяют рассмотреть протекающие процессы в АД, что важно для синтеза системы управления.

В третьей главе построена модель системы векторного управления АД. Потребность в векторном управлении возникает главным образом из соображений динамики. С точки зрения накопления витков нити и регулирования ее Натяжения в процессе прокидки очень важно обеспечить заданное натяжение нити на входе на накопитель и при выходе с него. Вследствие этого электропривод накопителя должен обеспечивать плавное регулирование его скорости, посредством которого может быть обеспечено соответствующее натяжение нити.

81МОЬШК программного продукта МАТЪАВ (рис. 3).

В данной структурной схеме блок Пих_2 задает значение потокосцеп-леиие ротора; блок БреесП — требуемое значение скорости вращения; блоки ЕР1х2 и НР1у2 по составляющим тока статора и пото ко сцепления ротора выделяются ток ротора ¡г и главное потокосцепление То; блок ргТБ —

формирователь заданного тока статора (ФЗТС), формирует амплитуду, частоту и фазу заданного тока статора во вращающейся системе координат cipyicrypa которого показана на рис.4; блоки ixl reg, iyl reg и Speed reg — являются ПИ — регуляторами токов статора и скорости вращения ротора

Рис. 4. Структурная схема ФЗТС при векторном управлении (L0, Т2 -являются параметрами модели АД; Om_sm - синхронна* частота вращения; ixl, iyl - токи статра, ро-tokji — заданное потокосцепленне ротора; izxl и izyl — сформированные значения задания тока статора в системе координат (х-у).

Настройка регуляторов токов и скорости осуществлялась по линеаризованным структурным схемам каналов регулирования токов и скорости. . Переходные процессы по скорости и электромагнитному моменту по модели (рис. 3) с рассчитанными параметрами регуляторов показаны на рис. 5.

соответствен н о.

Q>

<х>—

■AUi 1 ^

Ю-

-кю

i^ZH?-

1S4-V»

CZ5-м

Рис. 5. Переходные процессы в замкнутой системе управления АЭП.

верхний график - переходной процесс но скорости; нижний график - переходной процесс по электромагнитному моменту.

В момент времени t=0.3 с (рис. 5) начинает действовать момент сопротивления Ms^-J Нм, в результате чет происходит скачок на кривой электромагнитного момеета.

В связи с тем, что увеличения быстродействия контура скорости без существенного увеличения динамических нагрузок в уточном накопителе оказалось невозможным при использовании обычного ПИ-регулятора скорости, была рассмотрена возможность применения адаптивного регулятора скорости.

Адаптивный регулятор скорости подставляется в виде элемента Subsystem библиотеки Simulink вместо блока Speed reg ПИ - регулятора скорости в структурной схеме (рис. 3). В результате применения адаптивного регулятора, время переходного процесса при наращивании скорости вращения ротора от нуля до заданной сократилось в 10 раз.

В четвертой главе разработаны алгоритмы МПСУ АЭП уточного накопителя и системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках.

На рис. б представлена МПСУ уточным накопителем непрерывного действия отмеривающего типа для стабилизации размера отрезной кромки ткани. .: ■■'."'■■'■■■-■■ ■

Устройство содержим 1 - уточную паковку; 2 - уточную нить; 3 -уточный накопитель отмеривающего тина; 4 — форсунку; 5 — отсосную трубку; 6 - бердо; 7 — шпаруточные ножницы; 8 — основные нити; 9 — пере-вивочные нити; 10 — отрезную кромку; 11 — наработанную ткань,

; Отрезки 12 уточных нитей 2 удерживаются вакуумом внутри отсосной трубки 5, количество которых контролируется фотоэлектрическим датчиком 13, содержащим источник излучения 14 и фотоприемник 15. Отсосная трубка 5 вместе с бердо б закреплена на батане, положение которого в цикле станка контролируется синхронизатором 16. Нитенакоаитель 3 в линии подачи уточной нити сочленен с электроприводом 21.

МПСУ

DSP

dsP]C30F6010 - PIC16F877

20 19

r-^T®

Рис. 6 Структурная схема системы автоматической стабилизации размера отрезкой кромки на сопло 1*0м ткацком станке.

МПСУ выполнена на базе 8-и разрядного микроконтроллера фирмы Microchip PIC16F877 19 и содержит импульсный усилитель 17, задатчик количества нитей в отсосной трубке 18, электронный блок управления АЭП накопителя уточной нити на базе 16-разрядного микроконтроллера фирмы Microchip dsPIC30F6010 20.

В соответствии с разработанными алгоритмами приводится программный код в среде программирования MPLAB IDE версии 7.42, с помощью компиляторов MPLAB 018 и MPLAB СЗО языка С, для программирования микроконтроллера PIC16F877 н ЦСП dsPIC30F6010 соответственно^ ..На базе построенной МПСУ автоматической стабилизации размера отрезной кромки разработана структурная схема автоматической диагностики АЭП уточного накопителя. ...-.-,■

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведено сравнение различных способов накапливания уточной нити. Сформулированы требования и определены принципы построения управляемого комплекса дня автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

2. Построены модели асинхронного электродвигателя с коротко-замкнутым ротором в неподвижной и во вращающейся системе координат. Путем моделирования получены переходные характеристики при прямом пуске АКЗ с подключением момента сопротивления в одномассовой механической системе.

3. Построена модель замкнутойсистемы векторного управления АКЗ в приводе уточного накопителя в непрерывном времени. Получены пере. ходные характеристики, подтверждающие правильность настроек регуляторов тока и скорости.

4. Разработана программа расчета настроечных коэффициентов регуляторов тока и скорости,

5. Синтезирован адаптивный регулятор скорости для системы векторного управления АЭП уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа.

; б. Предложена структурная схема МПСУ уточным накопителем для уменьшения отрезной кромки ткани на основе двух микроконтроллеров.

.'■■■ 7. Разработана структура и приведены алгоритмы для векторного управления электроприводом уточного накопителя и ее микропроцессорная реализация.

8. Разработаны функциональная и структурная схемы системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках.

9. Разработана структурная схема автоматической диагностики АЭП и МПСУ уточным накопителем непрерывного действия отмеривающего типа.

] 0. Разработано программное обеспечение, обеспечивающее компьютерную реализацию системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках.

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. Макаров A.A., Масанов Д.В. Принципы построения системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани на пневматиче-

-*"" ском ткацком станке. Тезисы доклада на всероссийской научно-технической конференции: "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" {Текстиль - 2004). — М.: МГТУ им, A.A. Косыгина, 2004.— 202 с.

2. Масанов Д.В., Себина Л.П. Принципы организации обмена информацией в автоматических системах управления. Тезисы доклада на всероссийской научно-технической конференции: "Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности" (Инфотекстиль-2004). - М.: МГТУ им. A.A. Косыгина, 2004. -122 с..

3. Масанов Д.В., Макаров A.A. Построение линейной модели асинхронного электропривода. Тезисы доклада на межвузовской научно-технической конференции: "Молодые ученые — развитию текстильной н легкой промышленности" (ПОИСК - 2005). - Иваново, ИГГА, 2005. - 92 с.

4. Масанов Д.В., Макаров АА. Имитационное моделирование асинхронного двигателя в приводе уточного накопителя. Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 10 - JH.; МГТУ им. АЛ. Косыгина, 2005. - с, 82 -86.

5. Масанов Д.В., Себина Л.П. Автоматическая диагностика процесса текстурирования. Химические волокна Ла2,2005.— с. 22 — 24.

6. Масанов Д.В., Макаров A.A. Моделирование замкнутой системы управления асинхронным электродвигателем. Тезисы доклада на всероссийской научно-технической конференции: "Современные технологии и обору-

дование текстильной промышленности" {Текстиль - 2005), — М.: МГТУ им. A.A. Косыгина, 2005. - 226 с.

7. Масанов Д.В., Макаров A.A. Автоматизация электропривода уточного накопителя для уменьшения размера отрезной кромхн ткани. Научно-техническая конференция: "Студенты и молодые ученые ЮТУ — производству". - Кострома, КГТУ, 2006. - 160 с.

8. MíicaHoB Д.В., Макаров А.А, Моделирование электромеханической системы уточного накопителя. Тезисы доклада на всероссийской научно-технической конференции: "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" (Текстиль — 2006). — М.: МГТУ им. A.A. Косыгина, 2006. - 209 с.

9. Масанов Д.В., Макаров A.A. Модель системы автоматического регулирования электропривода асинхронного электродвигателя с коротко-замкнутым ротором. - М.: ВНТИЦ, 2006. - №50200600062.

Подписано в печать 24,11.06 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. ' Усл.печл. 1,0 " Заказ 458 Тираж 80 МГТУ им. А.Н. Косыгина, 119071, Москва, ул. Малая Калужская, )

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ И СПОСОБОВ

СТАБИЛИЗАЦИИ РАЗМЕРА ОТРЕЗНОЙ КРОМКИ ТКАНИ НА СОПЛОВЫХ ТКАЦКИХ СТАНКАХ

1.1 Причины стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках.

1.2 Анализ процесса прокидки уточной нити и существующих механизмов для ее отмеривания.

1.3 Применение новых технологий в пневмоткацком производстве.

1.4 Применяемые методы контроля длины прокидываемой уточной , -v нити и длины отрезной кромки.

1.5 Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов.

1.6 Принципиальные решения управляемого электромеханического комплекса для стабилизации размера отрезной кромки ткани.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ В ПРИВОДЕ УТОЧНОГО НАКОПИТЕЛЯ

2.1 Вводные замечания.

2.2 Общие сведения

2.3 Математическое описание асинхронного электродвигателя.

2.3.1 Математическое описание АКЗ во вращающейся системе координат.

2.3.2 Структурная схема АКЗ во вращающейся системе координат.

2.3.3 Структурная схема АКЗ в неподвижной системе координат.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ УТОЧНОГО НАКОПИТЕЛЯ

3.1 Динамическая модель системы векторного управления АЭП.

3.2 Синтез структуры и расчет регуляторов системы векторного управления АЭП.

3.2.1 Настройка регуляторов токовых контуров.

3.2.2 Настройка регулятора контура скорости.

3.3. Синтез адаптивного регулятора скорости.

3.4. Структурная схема системы управления уточным накопителем отмеривающего типа.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. СИСТЕМА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ УТОЧНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.

4.1 Разделение задач в микропроцессорной системе управления.

4.2 Обоснование выбора ЦСП dsPIC30F6010 для внутреннего контура и микроконтроллера PIC16F877 для внешнего контура

4.3 Структура микропроцессорной системы векторного управления

АЭП с элементами программного управления.

4.4 Автоматическая диагностика АЭП уточного накопителя.

4.5 МПСУ уточным накопителем непрерывного действия отмеривающего типа.

4.6 Алгоритм управления уточным накопителем на основе микроконтроллера PIC16F877 совместно с системой векторного управления его электропривода.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Перед текстильной промышленностью стоят задачи повышения конкурентоспособности и качества выпускаемой продукции, которая является важным предметом первой необходимости.

В текстильной промышленности широко распространены бесчелночные пневматические ткацкие станки, поскольку их применение дает значительные преимущества по сравнению с челночными, позволяя в 1,5-2,0 раза повысить производительность труда ткачей за счет увеличения скоростных режимов и зон обслуживания [1].

В процессе выработки ткани на ткацком станке образуются различные отходы. Количество отходов существенно влияет на себестоимость ткани, поэтому их сокращение является важной задачей.

Задача снижения материалоемкости продукции и экономного расходования сырья и материалов особенно актуальна для текстильной промышленности, где доля исходного сырья в себестоимости изделий весьма велика.

Все отходы ткачества можно разделить на два вида — основные и уточные. Причем и те, и другие могут быть возвратными (т. е. идущие на вторичную переработку) и необратимыми (пыль, пух, уносимые вентиляционной установкой).

Основные отходы складываются из концов основы, остающихся на навое, в том числе и узлов, которые входят в отверстие ствола навоя; концов основы, необходимых для заправки станка или привязывания и обработки основы; отдельных отрезков, образующихся при обрыве основных нитей; пуха и пыли, оторвавшихся от нитей и осевших на полу или деталях станка [2].

Отходы утка на ткацких станках получаются при ликвидации обрыва уточной нити, розыске раза, при доработке бобины и заправке нити с новой бобины, при разработке брака, а также при обработке новой основы.

В связи с особенностями прокладывания утка при работе на сопловых станках, образуется побочный продукт в виде отрезной кромки (бахромы), удаляемой в отходы, что является основным недостатком пневматических ткацких станков [2]. В пневмоткачестве эти отходы являются технологически неизбежными, и их величина регламентирована отраслевыми нормативами на уровне 6-7% от общего расхода утка, что на порядок превышает аналогичный показатель для челночных станков. Однако фактические потери оказываются еще большими из-за того, что предприятия не укладываются в установленные нормы отходов.

Актуальность работы. Одной из основных задач автоматизации технологических процессов в ткацком производстве текстильной промышленности в современных условиях, является задача повышения качества выпускаемых тканей и уменьшения отходов сырья, что особенно важно в связи с долей исходного сырья в себестоимости готового изделия.

Исследования и разработки, в области снижения отходов сырья в пневмоткачестве пока не привели к существенным результатам. Обобщение материалов исследований показывает, что их авторы ищут решение проблемы в оптимизации технологических параметров и повышении точности отмеривающих устройств [11,13-16].

Необходимо отметить, что вопросы автоматического управления процессом стабилизации размера отрезной кромки на минимальном технологически допустимом уровне пока еще не получили достаточного освещения.

Анализ известных способов регулирования длины уточной нити показал, что наиболее целесообразным является применение исполнительного механизма в виде уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа. Основным элементом управления в уточном накопителе является его электропривод, который предложено выполнить на базе трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АКЗ).

Объект управления - уточный накопитель для отмеривания длины пробрасываемой уточной нити, представляет собой сложную систему, для управления которой требуются алгоритмы, реализацию которых рационально осуществить на микропроцессорной технике. Математическое описание динамики механизмов уточного накопителя достаточно сложное, что определяется достаточно высоким порядком систем уравнений, моделирующих этот процесс. Это может вызвать определенные трудности при реализации алгоритмов на микропроцессорной ''технике, поскольку высокая размерность вектора состояния вызывает увеличение числа операций умножения текущих значений переменных состояния на вектор коэффициентов регулятора, что может повлечь затраты времени и вызвать запаздывание, что, в свою очередь, требует специальных методов синтеза. Кроме того, данные алгоритмы должны обеспечивать требуемый внешний вид изделий, способствовать расширению ассортимента и качества продукции.

При построении системы автоматического управления на микропроцессорной технике, целесообразно ориентироваться на современную цифровую технику: комплексы интегральных схем и микропроцессорные комплекты, обеспечивающие максимальное быстродействие [3-10].

В работе рассматриваются вопросы управления электроприводом уточного накопителя на базе трехфазного асинхронного электродвигателя, что объясняется тенденцией к повсеместному переходу на асинхронные электроприводы (АЭП) переменного тока.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование системы управления электроприводом уточного накопителя, отмеривающего длину уточной нити, призванного стабилизировать размер отрезной кромки ткани на минимальном технологически допустимом уровне. Данная система должна быть реализована на базе современных микропроцессорных устройств и обеспечить стабилизацию размера отрезной кромки ткани без ухудшения качества ткани.

Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач:

1. Анализ особенностей технологического процесса прокладки и отмеривания нити на ткацких станках, исследование уже известных методов, средств для стабилизации размера отрезной кромки ткани.

2. Теоретическое исследование электродвигателя в приводе уточного накопителя как объекта управления и построение его математической модели.

3. Построение модели исследуемой электромеханической системы в непрерывном времени, расчет параметров этой модели.

4. Разработка и исследование систем векторного управления электроприводом уточного накопителя.

5. Моделирование разработанных систем управления для оценки переходных характеристик системы управления электроприводом уточного накопителя.

6. Разработка адаптивной системы управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от изменения натяжения уточной нити и изменяемых параметров электродвигателя.

7. Разработка алгоритма векторного управления электроприводом уточного накопителя.

8. Разработка электронной схемы управления электроприводом уточного накопителя.

9. Разработка микропроцессорной системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

На защиту выносятся: 1. Математическая модель АКЗ как объекта управления в приводе уточного накопителя.

2. Результаты моделирования АКЗ примененного в приводе уточного накопителя при прямом пуске от источника трехфазного напряжения.

3. Математическая модель системы векторного управления АЭП уточного накопителя, по двум каналам, где в качестве управляющих воздействий использованы натяжение уточной нити и длина накапливаемой нити.

4. Результаты математического моделирования разработанных систем автоматического управления АЭП уточного накопителя с различными законами управления.

5. Разработка и исследование микропроцессорной системы управления трехфазным АЭП.

6. Алгоритмы управления АЭП уточного накопителя для стабилизации отрезной кромки ткани на минимально допустимом технологическом уровне.

7. Структура микропроцессорной системы управления (МПСУ) для автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

8. Результаты математического моделирования разработанных алгоритмов и схем контроля и управления.

Методика проведения исследований. В работе использована комплексная методика исследования, сочетающая методы математического анализа и инструментальные средства. При построении моделей использованы методы теории электрических машин, теории автоматического управления, методы экспериментально-теоретического моделирования и компьютерной обработки информации.

Расчеты параметров моделей, переходных характеристик и моделирование системы автоматического управления электромеханической системой проводились в пакете прикладных программ Matlab и его приложения Simulink.

Реализация программ микропроцессорной техники осуществлялось с помощью С компиляторов MPLAB С18 и MPLAB СЗО и интегрированной среды разработки программ MPLAB IDE v.7.42 фирмы MICROCHIP.

Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы построена математическая модель и структурные схемы в приложении SIMULINK пакета прикладных программ Matlab системы векторного управления АЭП уточного накопителя и разработаны программы расчета параметров асинхронного электродвигателя (АД) и АЭП с автоматической настройкой регуляторов.

Разработаны структура МПСУ и электронная схема управления АЭП уточного накопителя на основе цифрового сигнального процессора (ЦСП) dsPIC30F6010 с применением микроконтроллера PIC16F877 для автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

Разработаны алгоритмы управления системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки на минимально допустимом технологическом уровне для уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа на микроконтроллере PIC16F877.

Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей АД и модели системы векторного управления АЭП подтверждается совпадением с теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

Научные решения диссертационной работы обоснованы в рамках допущений, являющихся общепринятыми.

Практическая ценность. Использование разработанной системы автоматического управления электроприводом уточного накопителя позволит уменьшить натяжение пробрасываемой уточной нити и стабилизировать размер отрезной кромки ткани на минимально допустимом технологическом уровне, а также снизить энергозатраты при пуске АД и повысить срок его эксплуатации.

Разработанные математические модели и программы расчета параметров АД и АЭП с автоматической настройкой параметров регуляторов можно использовать в любых отраслях текстильной и других видах промышленности.

Полученные научные результаты могут быть использованы при создании и совершенствовании систем управления АЭП.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2004, Текстиль-2005), Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности » (Инфотекстиль-2004), межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2005), научно-технической конференции "Студенты и молодые ученые КГТУ - производству" (КГТУ-2006).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 75 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 50 иллюстраций.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведено сравнение различных способов накапливания уточной нити. Сформулированы требования и определены принципы построения управляемого комплекса для автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

2. Построены модели асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором в неподвижной и во вращающейся системе координат. Путем моделирования получены переходные характеристики при прямом пуске АКЗ с подключением момента сопротивления в одномассовой механической системе.

3. Построена модель замкнутой системы векторного управления АКЗ в приводе уточного накопителя в непрерывном времени. Получены переходные характеристики, подтверждающие правильность настроек регуляторов тока и скорости.

4. Разработана программа расчета настроечных коэффициентов регуляторов тока и скорости.

5. Синтезирован адаптивный регулятор скорости для системы векторного управления АЭП уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа.

6. Предложена структурная схема МПСУ уточным накопителем для уменьшения отрезной кромки ткани на основе двух микроконтроллеров.

7. Разработана структура и приведены алгоритмы для векторного управления электроприводом уточного накопителя и ее микропроцессорная реализация.

8. Разработаны функциональная и структурная схемы системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках.

9. Разработана структурная схема автоматической диагностики АЭП и МПСУ уточным накопителем непрерывного действия отмеривающего типа.

10. Разработано программное обеспечение, обеспечивающее компьютерную реализацию системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках.

1. Митяев Г.Ф., Панков В.А. Устройство и обслуживание пневматических ткацких станков. М.: Легкпромиздат, 1987. - 252 с.

2. Агапова Н.П., Житкова Е.Н., Лыткина С.Г. Шелкоткачество. Учебн. для средних спец. учеб. заведений текстил. пром-ти. Изд. 2-е, испр. и доп. М.: Легкая индустрия, 1975. - 488 с.

3. Энциклопедия ремонта. Выпуск 14. Микросхемы для управления двигателями. Выпуск 2. М.: Додэка, 2000. - 208 с.

4. Суэмацу Ё. Микропроцессорные системы управления. Первое знакомство. /Пер. с яп.; под ред. Ёмфуми Амэмия. М.: Издательский дом "Додэка-XXI",2002. 256 с.

5. Ульрих В. А. Микроконтроллеры PIC16X7XX. Изд. 2-е, перераб. и доп. -СПб.: Наука и техника, 2002. 320 с.

6. Предко М. Справочник по PIC микроконтроллерам. //Пер. с англ. - М.: ДМК Пресс, 2004.-512 с.

7. Костров Б.В., Ручкин В.Н. Микропроцессорные системы. Учебное пособие. М.: Техбук, 2005. - 208 с.

8. Заец Н. И. Радиолюбительские конструкции на PIC микроконтроллерах. С алгоритмами работы программ и подробными комментариями к исходным текстам. - М.: Солон - Пресс, 2004. - 368 с.

9. Николайчук О. И. Системы малой автоматизации. М.: Солон - Пресс,2003.-256 с.

10. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16 -разрядных микроконтроллеров Intel MCS 196/296 во встроенных системах управления. - М.: Издательство Эком, 1997. - 688 с.

11. Талавашек О., Сватый В. Бесчелночные ткацкие станки.//Пер. с чеш. М.: Легкпромбытиздат, 1985. - 335 с.

12. Мартынов И.А., Мещеряков А.В., Корнеев Б.И. Динамика приводов ткацких машин/Монография. М.: РИО МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2002. -352 с.

13. Особенности прокидки уточной нити на бесчелночных ткацких станках. Сабо Р. Неопуб. перевод. 21 с.

14. Грицюс А.А., Кубайтис З.И. Исследование и особенности работы пневматических ткацких станков П-125А. Обзор. М.: ЦНИИТЭИЛегкпром, 1972.-49 с.

15. Туваева А.А., и др. Устройства накапливания нити для машин легкой и текстильной промышленности. (Обзор). М. 1997.

16. Старцева Э.А., и др. Механизмы отмеривания, накапливания и компенсации уточной нити для бесчелночных ткацких станков. (Обзор). М. 1972.-55 с.

17. Редкин А.А., Степанов Б.М. Новый накопитель уточной нити для ткацких станков.// Текстильная промышленность. 1985, №11, с. 45-47.

18. Все ли вы знаете о рынке накопителей уточной нити?//В мире оборудования. 2003, №9, с. 34-35.

19. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1305210 А1. Марков Б.А., Гефтер П.Л., Чамов В.В. и др.

20. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1409696 А1. Чамов В.В., Гефтер П.Л., Марков Б.А. и др.

21. Рынок накопителей уточной нити./В мире оборудования. 2004, №5, с. 6-7.

22. Накопители уточной нити "Союз".//Текстильная промышленность. М.: Легкпромиздат, 2000, №4, с. 40-41.

23. Малофеев P.M., Светик Ф.Ф. Машины текстильного производства. М.: МГФ "Знание" "Машиностроение", 2002.

24. Чамов В.В. Разработка системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани на пневматическом ткацком станке. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. М.: ВНИИЛТЕКМАШ, 1989, - 354 с.

25. Макаров А.А. Программное обеспечение микроконтроллерных систем управления электроприводом. Материалы всероссийской НТК. (ИНФОТЕКСТИЛЬ -2004), -М.: МГТУ им. А.А. Косыгина, 2004.

26. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. -СПб.: СПЭК, 2004. 128 с.

27. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2005. - 384 с.

28. Библиотека технической документации. Платан электронные компоненты №3. М.: Платан, 2005. -64 с.

29. Рудаков В.В., Дартау В.А., Столяров И.М. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергопромиздат, Л.О., 1987.

30. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: «Академия», 2006.-272 с.

31. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Системы прямого управления моментом в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока. СПб.: СПЭК, 2005. - 100 с.

32. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Высш. шк., 2001. - 327 с.

33. Москаленко В.В. Электрический привод: учебник для студ. сред. проф. образования. М.: «Академия», 2004. - 367 с.

34. Макаров А.А., Масанов Д.В. Принципы построения системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани на пневматическом ткацком станке. Материалы всероссийской НТК (Текстиль -2004). М.: МГТУ им. А.А. Косыгина, 2004. - 202 с.

35. Электронный контроль натяжения утка./ Текстильная промышленность, 2002, №2,с. 40-41.

36. Петелин Д.П., Ромаш Э.М., Шахнин В.Н. и др. Автоматизация производственных процессов текстильной промышленности: учеб. для вузов в 5 книгах: Кн. 5. Автоматизация текстильных машин, аппаратов и транспортных систем. М.: Легкпромиздат, 1995. - 152 с.

37. Шелухин О.И., Тенякшев A.M., Осин А.В. Моделирование информационных систем. Учебное пособие. М.: Радиотехника, 2005.-368 с.

38. Применение современных компьютерных программ при исследовании автоматизированного электропривода. Материалы 6 НТК. Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону. Ставрополь.: СевКавГТУ, 2002.

39. Лихачев В.Л. Электродвигатели асинхронные. М.: Салон - Р, 2002. -304 с.

40. Герман-Галкин С.Г., Кар донов Г. А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. СПб.: Корона принт, 2003. - 256 с.

41. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа, 2000, - 463 с.

42. Куделько А.Р. Автоматизированный частотно-регулируемый электропривод с асинхронным двигателем: Научное издание. Владивосток.: изд-во дальневост. ун-та. - 195 с.

43. Суптель А.А. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод: Учеб. пособие для вузов. Чебоксары: Изд-во Чуваш.ун-та, 2000. 1 164 с.

44. Герман-Галкин С.Г.Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0: Учеб. пособие. СПб.: Корона принт, 2001. - 320 с.

45. Карманов В.Г. Математическое программирование: Учеб. пособие. 5-е изд., стереотип. - М.: Физматлит, 2004. - 264 с.

46. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Энергопромиздат. Санкт-Петербург, отд-ние, 1992. - 288 с.

47. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. М.: Солон-Пресс. -2003.-576 с.

48. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. Асинхронные двигатели серии 4А; Справочник. СПб.: «Бурса», 2002. - 504 с.

49. Масанов Д.В., Макаров А.А. Имитационное моделирование асинхронного двигателя в приводе уточного накрпителя. Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 10. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2005. - 124 с.

50. Масанов Д.В., Макаров А.А. Моделирование замкнутой системы управления асинхронным электродвигателем. Материалы всероссийской НТК (Текстиль 2005). - М.: МГТУ им. А.А. Косыгина, 2005. - 226 с.

51. Терехов В.М. Системы управления электроприводов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: «Академия», 2005. - 304 с.

52. Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. - 616 с.

53. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. Пер. с англ. Копылова Б.И. М.: Лаборатория базовых знаний, 2004. - 832 с.

54. Масанов Д.В., Макаров А.А, Моделирование электромеханической системы уточного накопителя. Материалы всероссийской НТК. (Текстиль -2006). М.: МГТУ им. А.А. Косыгина, 2006. - 209 с.

55. Петров Ю.П. Новые главы теории управления и компьютерных вычислений. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 192 с.

56. Козаченко В., Грибачев С. Перспективы применения специализированных сигнальных микроконтроллеров 'F28x фирмы Texas Instruments в системах управления реального времени.//СЫр News, №10, 2002. с. 5-14.

57. Пейман X., Элисон Р. Микрокотроллеры серии Z8MC16100 компании ZiLOG для управления двигателями.//Компоненты и технологии. №6, 2006. с. 112-114.

58. Афанасьев И. Новые контроллеры Microchip для управления двигателями.//СЫр News. №7, 2003.

59. MPLAB IDE интегрированная среда разработки для микроконтроллеров PICmicro компании Microchip Technology Incorporated. Пер. осн. на тех док. DS51025D. - М.: Микро-Чип, 2001. - 156 с.

60. Кохц Д. Измерение, управление и регулирование с помощью PIC-микроконтроллеров.: Пер. с нем. К.: «МК-Пресс», 2006. - 304 с.

61. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники: Учебное пособие. 3-е изд., испр. - М.: Интернет-Университет ИТ; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 359 с.

62. Заец Н. И. Радиолюбительские конструкции на PIC микроконтроллерах. С алгоритмами работы программ и подробными комментариями к исходным текстам. - М.: Солон - Пресс, 2004. - 368

63. Семенов Б.Ю. Шина I2C в радиотехнических конструкциях: Книга 2. -М.: Солон-пресс, 2005. 192 с.

64. Отладочный модуль МС7-00-1(2). Паспорт. Редакция 1.02. Аверон.

65. Масанов Д.В., Макаров А.А. Автоматизация электропривода уточного накопителя для уменьшения размера отрезной кромки ткани. Материалы НТК. Кострома, КГТУ, 2006. - 160 с.

66. Мануковский Ю.М., Пузаков А.В. Широко регулируемые автономные транзисторные преобразователи частоты. Кишенев.: Штиница, 1990. - 152 с.

67. Индексная табличная ШИМ в автономном инверторе напряжения.

68. Масанов Д.В., Себина Л.П. Принципы организации обмена информацией в автоматических системах управления. Материалы всероссийской НТК. (Инфотекстиль-2004). М.: МГТУ им. А.А. Косыгина, 2004. - 122 с.

69. Масанов Д.В., Макаров А.А. Построение линейной модели асинхронного электропривода. Материалы межвузовской НТК. (ПОИСК 2005). -Иваново, ИГТА, 2005. - 92 с.

70. Масанов Д.В., Себина Л.П. Автоматическая диагностика процесса текстурирования.//Химические волокна №2, 2005. с. 22 - 24.

71. Масанов Д.В., Макаров А.А. Модель системы автоматического регулирования электропривода асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. М.: ВНТИЦ, 2006. - №50200600062.

72. PIC16F87x однокристальные 8-разрядные FLASH CMOS микроконтроллеры компании Microchip Technology Inc. Пер. осн. на тех док. DS51025D. М.: Микро-Чип, 2002. - 184 с.

73. MC68HC908MR32/ MC68HC908MR16 Rev 5.0 Advance Information. Motorola, Inc, 2001. - 389 с.