автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование цифровой электротехнической системы управления процессом чесания

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ А.Н.КОСЫГИНА

РГО од

На правах рукописи УДК [681.516.77:621.313.17]:677.021.17/.18(043.3)

КАСАТКИН Дмитрий Борисович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЧЕСАНИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

Москва - 1993

<

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

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Епифанов А.Д.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Климов В.А.

кандидат технических наук, Палютин П.II.

Ведущая организация - НПК "ЦНШШЕРСТЬ", г. Москва.

Защита состоится " // " №¡¿£¿¿$/7.0- 1993 г. в/г? чаоов на заседании специализированного совета К 063. 2Б. 08 в Мооковокой государственной текстильной академии им. А.Н.Ко-оыгина по адресу: 117918, Москва, М.Калужская ,1.

, С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Московокой государственной текстильной академии.

Автореферат разослан " /-¿-11П()/7Л 1993 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема повышения качества выпускаемой текстильной продукции по-прежнему актуальна. Внедрение новых, прогрессивных технологий, использование современных методов обработки сырья, всесторонний учет и контроль тех или иных особенностей технологического процесса, его параметров с привлечением высокоточных средств измерения и управления, сконструированных с применением вычислительной техники, - в комплексе являются методами решения задачи повышения качества текстильных изделий.

Многие дефекты в структуре и внешнем виде ткани связаны с наличием различного рода отступлений от заданного технологического процесса. На этапе чесания нестабильность параметров обуславливает появление дополнительной неровноты, увеличивающей обрывность нити. Основным органом, приводящем в действие чесальную машину является электротехническая система. Поэтому поддержание ее в необходимом рабочем режиме занимает важное место в ряде мер, направленных на 'обеспечение стабильности параметров технологического процесса. Для управления процессом чесания используются автоматизированные системы, реализованные с применением аналоговой и цифровой техники, причем применение цифровых элементов доминирует в силу их ряда преимуществ по сравнению с элементами аналоговыми. Особое внимание при разработке электротехнических систем управления уделяется тем системам, которые способны самостоятельно принимать решения, т.е. адаптироваться к изменяющимся во времени параметрам объекта, которые в ходе работы чесальной машины претерпевают значительные изменения.

Используемые системы управления электротехническими устройствами на чеоальных машинах не в состоянии обеспечить необходимое качество процесса, что является сдерживающим фактором роста производительности процесса и сказывается на качестве выпускаемой продукции.

Применение современных высокопроизводительных средств вычислительной техники, цифровых систем управления, высокоуровневого программного обеспечения позволяет повысить качество выпускаемой продукции, производительность оборудования и снизить издержки производства в текстильной промышленности.

Работа выполнялась в соответствии с Постановлением СМ СССР от 24.07.80 N 633 "Об ускорении развития машиностроения для легкой и пищевой промышленности и значительного повышения тех-

нического уровня технологического оборудования."

Цель работы. Разработка и исследование цифровой электротехнической системы управления процессом чесания.

Поставленная цель включает в себя решение следующих задач:

- разработка и анализ математической модели электротехнической системы управления чесальной машиной с ПИД-регулировани-ем, моделирование на ЭВМ;

- создание и анализ системы адаптивного управления двигателем постоянного тока при стабилизации тока якоря, моделирование на ЭВМ при наличии дрейфа параметров объекта;

- разработка и исследование цифровой системы управления чесальной машиной с обеспечением заданных показателей выходного продукта, моделирование на ЭВМ при наличии дрейфа параметров объекта;

- экспериментальная проверка полученных методов управления процессом на чеоальном оборудовании.

На защиту выносятся:

- математическая модель цифровой системы, позволяющая управлять процессом чесания, повысить качество продукции путем применения адаптивных методов регулирования;

- структурная схема цифровой системы управления;

- алгоритмы управления системой;

- результаты моделирования и экспериментов.

Методы исследований. В работе содержатся теоретические и экспериментальные исследования, проведенные при помощи современных математических методов и средств вычислительной техники. Синтез системы произведен на основе теории цифровых систем автоматического управления. Моделирование и необходимые расчеты произведены на ЭВМ при помощи специально разработанных программных продуктов.

Научная новизна. На лснова комплексного исследования проблемы:

- получена математическая модель и разработана цифровая система автоматического управления электротехническим устройством на чесальной машине, обеспечивающая высокие качественные характеристики процесса при изменении параметров объекта;

- создана цифровая система управления электротехническим

/

устройством, фушадаонирущая по вдаггошкш ta то дач о целью по-ешошм отвбилыюоти работы чаоаяьпсй мапшш;

- смоделирована на ЭВН работа чесальной мпшипи для двух контуров адаптивного управления;

- разработаны алгоритм!! и прогремим;

- создано цифровое устройство па баоо управляющего микропроцессорного вычислительного комплекса.

Практическая ценность работы. Теоретические полоиеыия, метода, алгоритмы и программы предназначенн для решения задачя поотроония цифровой влектротахничеокоЯ система управлении процессом чосания, функционирующей по адаптившая катодем. Иополь- " оование предлагаемой системы обесгачиваот:

- пошпешга производительности технологического оборудова- '

ния;

- сокращение эксплуатационных расходов прз пкедронш и отладка цифровой оястзш управления;

- улучтегтэ качественных показателей випусквеиой продукции чорое умоньисико неровной! чооальпой ленты;

Результата работа пспользуятоя на Кайраккуисксм ковровом объединении, Дяклал-Абадской СШ, что подтверждается актами.

Апробация работа.. Матерпвлы диссертационной работы доложены и обоуаденн на научных конференциях профзосорско-проподр.ва-тольокого состава í.íTTA, па оемпнорах з сзсэдашгях кафедры автоматики а промвлекгрогопси (I99I-I993 гг.).

Публикации. По и п терна л ем дассортедта опубликовали 2 иэчз-

ТШХ рпбоТЫ.

Структура п объш рдботи^ Дгоссртиггошвл работа постопт ко введения, чотироя глая, оаялшапгя, шяоха иополызусвой литература из 83 иеимокозаппй 'я приложили. ' Робота вавоскм п.о 1*0 ограницах, оодорлс» 2 тобляцы, 33 иллюстрации.

OCHOEHOS СОДхГ^ШИЗ Д!5ССЕРТЛС'И

Введакие. Кзлокэлы оозотто проблзгп, гсоториэ иэобходпяо р-З^ОТЬ ДЛЯ ПОЯЬ-ЛЭНПЯ КЗЧЭСТВа ТОВСТКЛШОЙ ПрОДу1£Ц!И путем рэп-лизацпл кскцлвкол .мор: гагальзоваш» яошх, прогросолюзяс технологий, ггржэксниэ срэдояэ азтсмаггагапгя я гытасдпгэлг.пой тзхшг-ки. Отиэчоев г.ктуалыюсть, новизна, практическая ценность д:го-сэртлциопной работа.

Глава Xi Проведай пнояпз лотзратурт.чс "коточеиксз по тоо-

рш оиотем автоматического управления шравниванием, отмечена необходимость применения теории вероятности при анализе про-цеооа чесания. Кратко раоомотревы метода адоптивного управления объектами, микропроцессорная влементная баеа, которая может быть применима при построении адепишных контроллеров управления. Отмечен ряд работ по созданию адаптивных систем управления электротехническими объектами. Раоомотревы доотоинотвв и недостатки практических реализаций оиотем управления чесанием.

На основе проведенного авалиаа установлена необходимость создания цифровой электротехнической системы управления процессом чесания, функционирующей по адаптивным методам.

Глава 2. Произведен оинтеа математической модели, цифровой Електротехничаокой системы управления процеооом чесания. Применен ГЩ-эакон регулирования. Передаточная функция- системы имеет вид:

*вх(в)--Ь5=£5£1- С1)

1 -V *0Ь)*яг(*)ЯшлМХгш +

Кдеоь: кд - ковффицаент передачи датчика, иемэряадэго ЛОТ на выходе; »0(в) - передаточная функция объекта управления, «11у<а) - иополЕателыюго механизма, Ищд(е> - ЩЦ-регуляторв, а - ве-жша запаздывания объекта.

идВ^Р

П0(») - -е----(2)

*с + Vе1

Коэффициенты и^ ,га ,а, £ определяются коэффициентами распределения, омма, временами циркуляции потока'на одной рабочей паре и на главном барабане.

. 4,яГ 3

"иу<а> " -Г2-^-Г <з>

С0+01 в .+0га

Когф4адиенты Л-)» с1„о^.о^ определяются параметрами двигателя достоянного токе <ДПТ). твхогвдараторв, тиристорного преобразователя.

г-кзобрахшше сигнала ошибки, определяемое произведением в>езс(ж) к и-иаобрежэкня единичной функции, пооле преобразования

ямеет вид:

¡3+4

' • flv-k

л

o(S5) - - z~ 14)

IV1

k-0

В качеотве критерия для оценки точности работа системы мокот быть принято значение установившейся олкбки, опрэдоляэ-моэ, в данном олучЕР, через вычисление обратного z-преоброзова-йия выражения .(4). Наряду с другими способами вычисления обратного в-преобразования, например по теореме вычетов, разложением на простые дроби, оно кожет быть произведено по среднеквадратичному критерию через оумму коэффициентов полиномов следующим образом:

k ,hi \2 ^-"ТТ II—Т" ■«■••»

во ао •

В результате проведанного анализа цифровой системы составлена программа, модолирупцая ее работу. Программа реализует рекуррентный алгоритм оценки установившейся сшиб*си, позволяет оптимизировать параметры ПВД-рогуллторз. При изменении характеристик регулятора олодуот, что точна оптимума параметров достаточно выражжа и при отклонениях их в ту или кнуе сторону от своих оптимальных значений устпнозщптяся ошибка системы резко увеличивается. Iîa практике различного рода но стеб ;-лкю с тл характеристик исполнительного механизма, объекта управления достигав ыначителызых хкшпкп. Модолпровчипам доказана необходимость .учета костабильноотей парамэтроз объекта управления и исполнительного кэхапкзкп, пригапопкя сткюотдаизируя^егося (адоптивного) управления, ср-эдств вычислительной техники, спо-цязлизиропгапшз. мякропроцессоршх уотрейотэ п шоокоинтоллок-туолькнх гвыкор программирования для обо ста ченпя уотойчивого управления с:гсто:.'оЯ в цзлем.

Глава 3. Посакцопо ропопго вадочя яоотроопия я анализа. HKÎpoBoa элоктротохюиосксй cncrcJH упрззлзхкя ороцоооом чесо-;п£Я, футаэдиоияруовва по адтгашгяцм мэтодам. адопти&явда паро'лэтроп сСх.о:ига, кодаль которого прэдотшвзла a видо модели оз?срогросс:гл-скодьаяг,его сродного (АРСС), продлопоно ясподьос-ипть рекуррентный гатод илгг'оггт.-кгпс гсяадрэтоо,' ггюпрй zoponyn

сходимость, высокое быстродействие при реализации ого на ЭВМ и простую программную реализуемость. Но тшсш параметры модели, как ев порядок я величина еапавдивания оотадагоя нзиавеотиыш и юс аначеккя подбираются екошржмэигЕЛыга. Дли оцошш ошибка при , ивмэшним порядка и величины аапавдаваная кодоиа могут бять применены рввнообравшге критерии, в том числе инфорюциошше, 1 ншвадаиа пифокоэ применение. В работе порядок модели и величина вапавдавакия определены о вапольеовавдам вяформвциодаого критерия охо.

* Предлагается пополадоаеть даа контура управления. Нерзый для стабилизации тока якоря ДПГ нэаоаиоимого возбуждения при помощи отрицательной обратной оаяш» в попь которой шшпвв адаптеваай регулятор с нзмеяяэмыи ко«ЗДицкэнтом усилосия ка (рио.1). ВАУ в контуре адаптации ооузцэотвлязт вдэнтгфшацив параметров обхокта управленЕя, раочэт и настройку регулятора, г-иаобраьенко соредатотаоа функции сиотош имеет вид:

© »(«)-, У^У^У'»^

ви1В/ • - - - ■ ' ...

(6)

«^(«¡ЖдКд + ^дрСв)», (в)Кв + «^(в)», (в)«Т£<с)К00

Еа дя« момента 1 мохют бить опрэдзлен из шразетния» аапяоаяшго а длокротиом виде:

ка - \и{к-Э3Ь5-Су-(-и[и]-в[и-1 ]с, -в[к-2 ] ^-в[к-Э]е- )»

1 - 1 (V)

-1

»(е [к-2 За^+вСи-З Зазг)

гд*: "Оу" - дакотороо ваданное вкачение сшибка. О иомощьх полученного соотношения воаиэгна рэагахаацыя такого алгоритма управления пополштельши когзнжзмсм, при которой обесдечиь&огоя ошибка управления ш хуэ&э «заданной пря учета < падлеикс мзняиз^ркзя царвмэтров об-ьэкта.

Структурна^ схаиа второго контура управления представлено нп раз.3.

В обпэм шда парвдагочшш фуящкл ологоад по аапшхаи "в"

а лаО'ЭТ олвдакяий ЕИД:

-— I __ 1я _ _

"f-^fMp^ffiH (-/ ff1 (в) —р®- Я2(а) —-j Кд

в ' I -:- i i

I-- ^ ♦-2-1

"а ^

НА7

■ Рно Л Схема адаптивного управления ДОТ.

S

Рпо.2 Сингал на вкходе тсполпгаолького устройств при волпит дре^а пирглотрос.

Рис.3 Структурная схема системы управления выравниванием волокнистого продукта.

п+3

-к

} V

БиГкз

®вх(в) ---^- Й~4 (8)

вХ '.-Ч-Э ¿411+3

•к

Иа (8) следует для момента 1 п+3 т+3

УУ&Ш к-4] - ^оСп-УЛ - в0

Кз - —-^--(9)

^ д+п+З

а^а[п-к]

Г+З

Коэффициент Кд поено получить ие горедаточной функции

п+3 и+3

\Ькт[п-к-(13 + \¡^(вСп-кЗ-вСп-к-а] + ва

1ДГ______.______

а+п+з

У - -^-:--(10)

^ 4+п+З

1+3

Формулы (7), (10) позволяют посредством применения уот-ройотва управления, выполненного па Заве быстродействующей микропроцессорной техники, автоматизировать процесс настройки регулятора в системе адаптивного типа пра наличии вариаций параметров объекта управления.

При анализе качаотва процесса чеоания волокнистого продукта широкое распространение получила вероятностные методы.

Если объект мокет быть представлен в виде АРСС-моделн, то имеет место следующая вавиоишоть, которая свявывает коэффициента полиномов чнолнтэля В(е) , внаменателя А(») и автокорреляционную и вааимокорреляцаонну» последовательности (АКП и ВКП):

т+3 а+п+З

" - «В +

п+3

4 У~Ъ1гхв£к-1-<» (И)

1=5

Для системы (рио. 3) решение (II) для момента 1 вчглн-

Ггсо. О Схема.цифровой влокгротохпачосг.ой оиотощ управления процэооам чооанзш, волошгсотого продукта. ВП - сат.га-иой прибор, Ы - даягатоль, УП - упроЕляокай привод, Д - датчик, У - усклэтолъ, Сч - счетои, Г - спп> чоскал голов::о, УУ - мифопрсцэоооршэ устрз1:огвэ уарамсгаз», ПК - пгроааальшЯ ксшыягор

дат следующим образом:

пн-3 п+3

х-ее[0] + У"«^!!] - Гь^Х^] - -Ш-—- (12)

й+п+З

1«а.+з

Коэффициент усиления Кд можно получить из выражения для АКП и ВКП сигналов "V" , "в" :

го+3 сы-п+з

1=1 1-а+з

п+З

- ~ ^в^Э (13)

1=1

Если принять за заданное значение выходного сигнала "03". математическое ожидание последовательности "а" получим выражение для заданного значения градиента неровноты, из которого для момента 1:

ггнз п+3

(СУ)| 52 +^Га1(^е[1]-г*е[(1+1]) +ЦЬ1<е[й+1]

Кз---1=9- (14,

в й+п+З

- Ц^ц]

1-<1+3

Применение полученных соотношений позволяет учесть наличие изменения параметров объекта во времени при расчете регулятора с обеспечением градиента неровноты не хуже заданного.

Апробирование предложенного метода адаптивного управления двигателем постоянного тока произведено путем моделирования работы данной сиотемы на ЭВМ. Результаты моделирования приведены на рис.2.

Для апробации предложенного алгоритма управления использованы методы моделирования системы на ЭВМ. Был проведен анализ работы системы в случае отсутствия контура управления и при наличии такового (рис. 4,5). Анализ работы системы производился при условии наличия дрейфа коэффициентов передаточной функции

объекта управления.

На основе анализа графиков, полученных в ходе /юделирова-ния системы управления, сделан вывод о работоспособности предложенного метода управления, применение которого позволило уменьшить нвровноту продукта на выходе модели агрегвта чесания в 6-7 раз.

Глава 4. Посвящена экспериментальному исследованию .предложенных методов на действующем оборудовании. Структурная схема предлагаемой системы представлена на рис. 6 . Использовались программы: ввода/вывода через порты 00М1, оомг; идентификации; расчета характеристик; определения ошибки по информационному критерию. Эксперимент проводился по следующим этапам: I) накопление данных; 2) определение показателей выходного продукта; 3) идентификация системы с определением порядка модели; 4) изменение скорости вращения двигателя; Б) накопление данных;6) определение показателей выходного продукта; 7) идентификация системы. Скорость питающей пары вытяжного прибора (ВП) изменялась на втором прочесе.

Былк сняты характеристики ленты на выходе чесальной машины и произведена их обработка. Скорость выпуска продукта на агрегате составляла около бом/мин. Тактовая частота АЦП равнялась 100Гц.

Установлены порядок и величина запаздывания АРСС-модели путем определения информационного показателя сю. Получены значения коэффициентов АРСС-модели.

В таблице, где г>вп - скорость пары ВП, представлены результаты исследований.

0У(1 ) 0У(2) 0У(10) ОУ(50)

гвп " 0.21М/МИН 0.153 0.140 0.100 0.082

г'вп " 1 -2М/МИН 0.144 0.136 0.087 0.080

Проведенные испытания подтвердили необходимость и целесообразность применения цифровой электротехнической системы управления процессом чесания при помощи адаптивных методов с целью уменьшения неровноты вырабатываемой ленты. Программный продукт может быть использован для определения показателей неровноты и служить в качестве программного обеспечения информационно-измерительной системы контроля качества выпускаемой продукции. Пре-

длагаемый комплекс программно-аппаратных средств может быть рекомендован к практическому использованию.

Приложения. Приводятся тексты программ, которые применялись при моделировании и експериментальных исследованиях, акты о внедрении.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе обзора литературных источников по теории систем автоматического управления выравниванием волокнистого продукта в текстильной промышленности доказана необходимость создания цифровой системы, выполненной на базе быстродействующей микропроцессорной техники, • по управлению електротехническими устройствами, управляющими подачей волокнистого продукта на чесальных машинах с целью снижения неровноты выпускаемой чесвль-ной ленты и повышения качества вырабатываемой продукции.

2. Определена структурная схема цифровой системы управления двигателем постоянного тока, приводящего в действие вытяжной прибор на чесальной машине; осуществлен вывод передаточной функции системы с ЩЦ-регулятором в контуре управления, произведено моделирование на ЭВМ работы такой системы с определением значения установившейся ошибки-в зависимости от параметров регулятора. Анализ результатов моделирования показывает, что предлагаемая цифровая система не в полной мере отвечает поставленной задаче по обеспечении качества процесса чесания. Более высокие качественные показатели продукции могут быть достигнуты при использовании цифровой системы с применением принципов адаптивного управления электротехническим устройством на чесальной машине.

3. Рассмотрена и доказана работоспособность системы адаптивного управления электротехническим устройством, регулирующим подачу волокна на чесальную машину. Выведены передаточные функции для системы адаптивного управления. Определены функциональные зависимости для настройки регуляторов ДПТ: о целью стабилизации тока якоря, - обеспечения ошибки управления и градиента неровноты не хуже заданных.

Рассмотрен случай прохождения сигнала типа белого шума с ограниченной полосой пропускания через систему. Описаны алгоритмы программ, позволяющих смоделировать на ЭВМ работу системы в условиях наличия дрейфа ее параметров.

4. Даны описания микропроце о сорного устройства для управления электротехническим устройством на чесальной машине, ре-

вультаты по экспериментальному исследованию предлагаемых алгоритмов управления на чесальном агрегате, которые позволяют сделать заключение о адекватности описанных методов и возможности их практического применения на чесальном оборудовании.

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. Епифанов А.Д., Касаткин Д.Б. Оптимизация параметров ПИД-регулятора//Автоматизированные сиотемы в текстильной про-мышленнооти//Межвузовский сборник научных трудов. -М., МГТА, 1993.

2. Касаткин Д.Б., Епифанов А.Д. Применение цифровых регуляторов для управления процессом кардочесания//Автоматизи-рованные системы в текстильной промышленности//Межвузовский сборник научных трудов. -М., МГТА,1993.

__;_

Подписано в печать 02.11.93 Сдано в производство 05.11.93 Формат бумаги 60 х 84/16 Бумага множ. Усл. педА л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Заказ зуд Тираж 75

Ротапринт МГТА, 117419, Москва, Донская, 26