автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка оптимальной системы автоматического управления процессом текстурирования синтетических нитей

ВВВДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕКСТУРИРОВАНЖ

СИНТЕТИЧЕСКИХ НИТЕЙ /ТСН/.

1.1. Анализ процесса ТСН как объекта управления*

1.2. Современное состояние автоматизации процесса ТСН.

1.3. Анализ существующих математических моделей процесса ТСН.

1.4. Обоснование применения микропроцессоров для управления процессом ТСН.

Г. 5. Выводы.

Г. 6. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. МАТШАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ТЕКСТУРИРОВАНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ НИТЕЙ.

2.1. Разработка математической модели кручения нити.

2.2. Разработка математической модели нагрева нити

2.3. Разработка математической модели охлаждения нити.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

ТЕКСТУРИРОВАНЖ СИНТЕТИЧЕСКИХ НИТЕЙ.

3.1. Разработка принципов построения системы управления процессом ТСН.

3.2. Синтез локальной САУ кручения нити.

3.2.1. Автоматизированный синтез САУ кручения нити методом параметров состояния.

3.2.2. Уравнение параметров состояния.

3.2.3. Анализ свойств объекта управления.

3.2.4. Синтез управления по критерию минимума числа шагов дискретности /МЧЩЦ/.

3.2.5. Синтез управления по обобщённому квадратичному критерию качества /ОККК/.

3.2.6. Оценка свойств синтезированной САУ кручения нити.

3.2.7. Синтез САУ кручения нити при неполной информации о состоянии объекта управления.

3.2.8. Синтез САУ кручения нити при воздействии случайных возмущений.

3.3. Локальные САУ нагрева и охлаждения нити

3.4. Разработка алгоритма определения оптимальной скорости движения нити.-.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

ТЕКСТУРИРОВАНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ НИТЕЙ.

4.1. Система управления процессом ТСН.

4.2. Информационное обеспечение системы.

4.3. Локальная САУ кручения нити.

4.3.1. Алгоритм работы САУ кручения нити.

4.3.2. Программы расчёта управляющего воздействия.

4.3.3. Выбор типа микропроцессора.

4.3.4. Состав и структура управляющего устройства.

4.4. Выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Актуальность темы. Основными направлениями развития народного хозяйства на 1981-1985 г.г. и на период до 1990 года предусмотрено дальнейшее увеличение производства химических волокон [1.1]. В 1978 году 1Ъ% общего мирового производства химических, нитей текстильного назначения составляли синтетические нити¡3.4]. По прогнозам специалистов в 2000 году доля синтетических нитей составит уже 90$ и будет равна 32 млн. тонн[4.2з|. Высокие темпы развития производства синтетических нитей являются следствием того, что они обладают ценными физико-механическими свойствами -высокой устойчивостью к многократным деформациям, упругостью, стойкостью к действиям среды и погодных условий.

В то же время у синтетических нитей есть ряд недостатков, которые затрудняют их переработку и ограничивают использование для изготовления текстильных изделий широкого потребления. В первую очередь это гладкая стеклообразная поверхность, сильный блеск, цилиндрическая форма, высокая электризуемость, низкая гигроскопичность. По этой причине синтетические нити подвергаются обработке текстурированием, в результате чего изменяется их пространственная структура. При этом они приобретают ряд новых свойств, улучшающих их эксплуатационные характеристики. Синтетические нити, прошедшие обработку в процессе текстурирования, обладают большей объёмностью, пушистостью, пористостью, гигроскопичностью.

Основной характеристикой, определяющей качество текстуриро-ванной нити, является постоянство её пространственно-ориентированных свойств по длине.

При текстурировании синтетических нитей /ТСН/ фрикционными механизмами ложного кручения не обеспечивается высокое качество выходного продукта, в основном из-за неравномерности получаемых нитей по крутке. А роторные механизмы ложного кручения не позволяют проводить процесс текстурирования на требуемых высоких скоростях.

Для увеличения количества и улучшения качества выпускаемой в процессе ТСН продукции, наряду с совершенствованием технологического оборудования, необходимо обратить особое внимание на ".широкую автоматизацию технологического процесса."£1.2}. Поэтому большое значение имеет автоматизация процесса ТСН путём создания автоматизированных технологических комплексов с применением встроенных систем автоматического управления /САУ/ на базе микропроцессоров и микро-ЭВМ.

Используемые в настоящее время локальные системы контроля и регулирования отдельных технологических параметров процесса ТСН не позволяют обеспечить требуемое качество выходного продукта и высокие технико-экономические показатели процесса. По этой причине весьма актуальна проблема создания оптимальной системы автоматического управления процессом ТСН.

Работа выполнялась в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР за № ЗПр от 13.02.1979 г. и Приказом Минлегпище-маша за № 194 от 10.04.1979 г.

Цель и задачи исследований. Целью работы является построение математической модели и разработка оптимальной системы автоматического управления процессом ТСН, обеспечивающей требуемое качество выходного продукта и высокие технико-экономические показатели.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- анализ технологического процесса ТСН как объекта автоматического управления и построение математических моделей его основных стадий - нагрева, кручения и охлаждения нити;

- разработка методики расчёта температуры движущейся нити при её нагреве и охлаждении в устройствах с разнообразными температурными полями сложного вида;

- разработка методики автоматизированного синтеза цифровой САУ кручения нити с.использованием пакета прикладных программ;

- разработка алгоритма определения оптимальной скорости движения нити в процессе ТСН;

- разработка варианта технической реализации системы управления процессом ТСН.

Автор выдвигает на защиту:

1. Математические модели основных стадий процесса ТСН.

2. Методику расчёта температуры движущейся нити при её нагреве и охлаждении в устройствах с разнообразными температурными полями сложного вида.

3. Структуру децентрализованной двухуровневой системы управления процессом ТСН с локальными САУ кручения, нагрева и охлаждения нити на первом уровне и с координирующей микро-ЭВМ на втором.

4. Методику автоматизированного синтеза цифровой САУ кручения нити с использованием пакета прикладных программ. Синтезированные алгоритмы оптимального оценивания и управления и резервируемый алгоритм для случая выхода из строя датчика линейной плотности нити.

5. Алгоритм определения оптимальной скорости движения нити.

6. Вариант технической реализации системы управления процессом ТСН, алгоритм вычисления управляющего воздействия в локальной САУ кручения нити.

Методы исследований. В процессе решения поставленных задач были использованы современные методы теории автоматического управления, теории оптимального управления, гармонического анализа функций.

В работе широко применялись современные математические методы исследований с использованием универсальных ЦВМ и микро-ЭВМ.

- 7

Научная новизна работы:

1. Разработана в непрерывной и дискретной формах математическая модель кручения синтетической нити при текстурировании, основанная на балансах круток и массы нити и учитывающая проскальзывание нити на поверхности контакта при использовании фрикционного МЛК.

2. На основе математического описания процессов нагрева и охлаждения нити разработана методика определения температуры движущейся нити при произвольном профиле распределения температурного поля в нагревателе.

3. Разработана функциональная структура и определена последовательность взаимодействия расчётных модулей пакета прикладных программ для автоматизированного синтеза цифровой САУ процессом ТСН.

4. На основе метода пространства состояний впервые определены параметры и рассчитаны основные показатели функционирования цифровой САУ процессом кручения нити, показавшие правомерность использования разработанной методики для синтеза цифровых САУ физико-механическими процессами обработки синтетических нитей.

5. Впервые задача определения оптимальной скорости движения нити в процессе текстурирования сформулирована как задача децентрализованного управления и разработан алгоритм её решения, основанный на декомпозиционных методах.

Практическая ценность. Основные результаты работы предназначены для использования при автоматизации сложного технологического процесса ТСН. Разработанная оптимальная САУ процессом ТСН рекомендуется к применению на проектируемых высокоскоростных отечественных машинах для текстурирования синтетических нитей.

Математические модели нагрева и охлаждения нити и разработанная методика расчёта температуры движущейся нити позволяют определить температуру нити в процессе ТСН и могут быть использованы для нахождения оптимальных параметров технологических процессов.

Методика автоматизированного синтеза локальной САУ кручения нити позволяет синтезировать алгоритмы оптимального управления при обработке разных типов синтетической.:-нити в различных режимах текстурирования и может быть использована для разработки цифровых САУ других технологических процессов.

Разработанный макет устройства для измерения крутки нити предназначен для использования в технологическом процессе ТСН.

Результаты выполненных исследований приняты Всесоюзным НИИ машин для производства синтетических волокон /ВНИИМСВ/ к использованию при разработке текстурирующих машин. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 51,2 тыс. рублей /Приложение!/.

Применение полученных в работе результатов Алма-Атинским ПКБ АСУ при выполнении договорных работ с Улан-Уденским комбинатом по теме № 19193 позволило обеспечить годовой экономический эффект 38,8 тыс. рублей /Приложение"УТ /.

Апробация работы. Теоретические положения и основные результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции МТИ /1983 г./, на Республиканской научно-практической конференции "Совершенствование хозяйственного механизма в свете решений ХХУ1 съезда КПСС" /г.Алма-Ата, 1981 г./, на Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация технологических процессов лёгкой промышленности" /г.Москва, 1982 г./, на Всесоюзной научно-технической конференции "Создание прогрессивного оборудования для производства химических волокон" /г.Чернигов, 1982 г./, на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Применение современных средств электроники и вычислительной техники в технологическом оборудовании для лёгкой промышленности" /г.Москва, 1983 г./, на 5 Всесоюзной научной конференции "Перспективы развития производства и применения текстурированных нитей и высокообъёмной пряжи из химических волокон" /г.Каунас, 1983 г./, на секции научно-технического совете ВНИИМСВ в 1983 г., на научно-техническом семинаре кафедры "Автоматики и электроники" МТИ в 1983 г., на заседании кафедры "Автоматики и электроники" МТИ в течение 1980-1983 г.г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов работы, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 119 страницах основного текста и содержит 45 страниц иллюстраций, II страниц списка литературы из 106 наименований и 75 страниц приложений. Общий объём диссертации составляет 175 страниц.

1. На основе анализа процесса ТСН как объекта автоматического уп равления построены математические модели основных его стадий об работки нити. Разработанная в непрерывной и дискретной формах ма тематическая модель процесса кручения нити основана на балансах крутки и массы нити и учитывает проскальзывание нити на поверх ности контакта при использовании фрикционного МЛК. Математическое описание характеризует процессы нагрева и охлаждения нити как объекты с распределёнными в пространстве параметрами.2. На основе математического описания процессов нагрева и охлаж дения нити разработана методика определения температуры движу щейся нити при произвольном профиле распределения температурного поля в нагревателе.3. Разработана структура САУ процессом ТСН. Она имеет вид децент рализованной двухуровневой САУ, в которой локальные САУ нижнего уровня координируются центральной ЭВМ верхнего уровня. Особен ностью САУ процессом ТСН является наличие интегрального управляю щего воздействия.4. Разработана функциональная структура и определена последова тельность взаимодействия расчётных модулей пакета прикладных программ для автоматизированного синтеза цифровой САУ кручения нити, который обеспечивает уменьшение трудоёмкости и сокращение сроков проектирования.5. На основе метода пространства состояний впервые определены па раметры и рассчитаны основные показатели функционирования цифро вой САУ кручения нити, показавшие правомерность использования ра зработанной методики для синтеза цифровых САУ физико-механически ми процессами обработки синтетических нитей. В результате анализа синтезированных, по критериям МЧЩЦ переходного процесса и ОККК, алгоритмов управления определён оптимальный закон управления. Раз- 164 -

работай резервируемый алгоритм управления для случая выхода из строя датчика линейной плотности нити. Синтезирована система оце нивания состояния объекта при воздействии на него случайных воз мущений и помех высокого уровня. Для этого случая разработана структура цифровой САУ кручения нити, которая состоит из после довательно соединённых системы оценивания состояния объекта и оптимального детерминированного регулятора.6. Впервые задача определения оптимальной скорости движения нити в процессе текстурирования сформулирована как задача децентрали зованного управления и разработан алгоритм её решения, основан ный: на декомпозиционных методах.7. Разработан вариант технической реализации САУ процессом ТСН. Для цифровой САУ кручения нити разработаны программа вычисления управляющего воздействия и структура МВУУ. Разработан макет уст ройства для измерения крутки нити.8. Результаты выполненных исследований приняты Всесоюзным НИИ машин для производства синтетических волокон /ВНИИМСВ/ к исполь зованию при разработке текстурирующих машин. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 51,2 тыс. рублей.9. Применение полученных в работе результатов Алма-Атинским ПКБ АСУ при выполнении договорных работ с Улан-Уденским комбинатом по теме Jfe L9I93 позволило обеспечить годовой экономический эффект 38,8 тыс. рублей.