автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка систем с разрывным управлением для автоматизации процесса раскладки нити

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Постановка задачи исследования. Математическая модель процесса раскладки нити. 4Х

1.1. Основные понятия процесса намотки нити.

Состояние проблемы . . П

1.2. Математическая модель процесса раскладки нити.

1.3. Функциональные задачи управления процессом раскладки нити. 341.4. Динамическая модель неизменяемой части системы управления раскладчиком нити.

1.5. Обзор традиционных схем и способов управления процессом раскладки нити и выбор алгоритмической базы.

Выводы.

ГЛАВА 2. Управление в условиях неполной информации о векторе состояния и операторе объекта.

2.1. Принципы управления на скользящих режимах.

2.2. Информационные аспекты построения систем на скользящих режимах.

2.3. Вопросы грубости алгоритмов управления . 75 ВЫВОДЫ. у

ГЛАВА 3. Синтез алгоритмов управления процессом раскладки нити. j02,

3.1. Синтез алгоритма управления процессом раекладки нити с учетом динамических свойств модели.ЮЗ

3.2. Синтез релейного алгоритма управления раскладчиком нити на базе двухфазного асинхронного двигателя.,.

3.3. Синтез наблюдателя состояния для обеспечения требуемой точности АСР раскладчика нити.

3.4. Вопросы грубости алгоритмов управления раскладчиком нити к неучтенным инерционностям дат чика положения и двигателя

3.5. Анализ точности АСР раскладчика нити с дискретным датчиком положения

3.6. Синтез алгоритма адаптивного управления.15Z

Выводы.

ГЛАВА 4. Функциональные схемы подсистем и элементов САУ перемоточным модулем.

4.1. Функциональная схема САУ перемоточным модулем.

4.2. Функциональная схема АСР линейной скорости наматывания нити.

4.3. функциональная схема релейной АСР раскладчика нити.

4.4. Функциональная схема адаптивной системы управления раскладчиком нити./

4.5. функциональная схема датчика положения раскладчика нити./8^

Выводы.1 gg

ГЛАВА 5. Техническая реализация и экспериментальные исследования разработанных алгоритмов уп -равления и функциональных схем.19Z

5.1. Техническая реализация и результаты испытания датчика положения.

5.2. Техническая реализация и результаты экспери -ментального исследования адаптивной системы управления раскладчиком нити.

5.3. Техническая реализация и результаты внедрения релейной системы управления раскладчиком нити

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Задача технического перевооружения предприятий легкой промышленности, поставленная в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" [1] , предполагает прежде всего создание высокоэффективного оборудования и внедрение в эту отрасль новых современных методов автоматизации.

Технологические процессы в текстильной промышленности ха -рактеризуются значительной сложностью и многообразием переходов, причем качество конечного продукта весьма часто определяется уровнем осуществления вспомогательных операций. В текстильной технологии типовой операцией является перемотка пряжи, нитей и других длинномерных продуктов и материалов. От того, насколько точно выдерживаются строго определенные режимы намотки во многом зависят свойства готовой продукции: пряжи и тканей. Намотка нити обеспечивается оборачиванием ее вокруг паковки и раскладкой, то есть перемещением нити вдоль образующей тела намотки Г 2] .

Разнообразие оборудования, условий, при которых происходит перемотка, расширяющийся ассортимент перематываемого материала и готовых намотанных изделий (паковок) наряду с совершенствованием существующей технологии заставляет искать новые пути проведения названной технологической операции.

Одним из возможных путей в этом направлении является комплексное решение проблемы высококачественной организации процесса перемотки на базе использования унифицированного оборудова -ния, построенного по модульному принципу, и внедрения средств автоматизации, разработанных на основе последних достижений теории управления. Массовое использование операции перемотки в текстильной технологии делает задачу создания универсального переглоточного модуля с простой кинематической схемой и широкими функциональными возможностями, включающего автоматическую систему управления процессом раскладки нити весьма актуальной.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является разработка автоматической системы управления процессом раскладки нити для универсального программируемого мотального механизма с широкими функциональными возможностями, обеспечивающего различные законы раскладки для реализации разнообразных условий и форд намотки, ассортимента перематываемого продукта без усложнения элементов существувдих кинематических схем.

Для обеспечения широких функциональных возможностей и уни -версальности перемоточного модуля привлекаются методы теории скользящих режимов, обеспечивающих высокие динамические показатели и точность системы, а также инвариантность по отношению к изменяющимся свойствам объекта и внешним возмущениям. В работе эти методы получили свое дальнейшее развитие применительно к вопросам реализации скользящих движений.

Проблема автоматизации процесса перемотки текстильных материалов осложняется следующими факторами: объект управления характеризуется широким диапазоном изменений параметров из-за неста -ционарности характеристик привода раскладчика и разнообразия технологических условий намотки; в процессе функционирования на систему действуют внешние возмущения, обусловленные изменением в процессе намотки момента сопротивления паковки, колебаниями напряжения питания сети; возмущения по начальным условиям (по заданию); автоматическая система регулирования (АСР) процессом раскладки нити должна обеспечить воспроизведение сложных задающих воздействий без фазовых искажений.

Задача управления решается в условиях неполной информации о векторе состояния системы и в предположении о разрывном характере управления, что целесообразно в связи с применением в современных электроприводах ключевых элементов. Все перечисленное предполагает решение определенной совокупности задач автомати -зации принципиального характера:

- разработка математической модели процесса раскладки нити;

- обоснование выбора и разработка алгоритмов управления раскладчиком нити на скользящих режимах;

- разработка структуры системы управления с идеальным сколь зящим режимом в условиях неполной информации об операторе объекта и векторе состояния системы;

- разработка алгоритма адаптации к изменяющимся в процессе работы параметрам объекта с целью оптимизации режимов скольже -ния;

- разработка рациональной структуры комплекса "инфорлацион-ная система - управляющее устройство";

- разработка принципов построения АСР процессом раскладки нити;

- выбор структуры и разработка процедуры расчета параметров наблюдателей состояния и регуляторов;

- разработка функциональных и принципиальных схемных решений для реализации предложенных алгоритмов управления;

- проведение теоретических и экспериментальных исследова -ний отдельных узлов и всей системы в целом с рекомендациями по внедрению разработок в народное хозяйство.

Перечисленные проблемы определяют содержание и структуру диссертационной работы, состоящей из пяти глав:

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработана математическая модель процесса раскладки нити в форме передаточной функции и уравнения связи от точки раскладки к точке наматывания.

2. Исследована и формализована задача автоматизации процесса раскладки на перемоточном модуле без использования кулачковых кинематических устройств.

3. Обоснован выбор алгоритмов на скользящих режимах для разработки АСР процессом раскладки нити.

4. Разработаны принципы реализации систем на скользящих режимах с использованием асимптотических наблвдателей состояния для управления сингулярно возмущенными динамическими объектами.

5. Обоснована применимость методов декомпозиции теории непрерывных сингулярно возмущенных дифференциальных уравнений для систем с разрывным управлением в случае использования асимптотических наблвдателей состояния.

6. Разработан каскадный принцип построения АСР процессом раскладки нити, обеспечивающий компенсацию нелинейности модели элемента раскладки во внешнем контуре и воспроизведение задающих воздействий для внутреннего контура без фазовых искажений.

7. Предложен релейный алгоритм управления раскладчиком нити с организацией скользящего режима на базе двухфазного асинхронного двигателя, обеспечивающий инвариантность к параметрическим и внешним возмущениям в процессе эксплуатации системы.

8. Разработана структура асимптотического наблюдателя состояния с иерархией собственных чисел в условиях действия на него ограниченных возмущений.

9. На основе теории устойчивости разработана процедура оценки параметров наблюдателей состояния для систем управления раскладчиком нити с дискретным и аналоговым датчиками положения, обеспечивающая заданную точность восстановления вектора состояния.

10. Разработан адаптивный алгоритм управления нестационарным объектом второго порядка, обеспечивающий максимальное быстродействие движения в скользящем режиме без измерения параметров объекта.

11. На базе предложенных алгоритмов управления разработаны функциональные и принципиальные схемы систем управления скоростью намотки и раскладкой нити, датчиков положения и радиуса намотки.

12. Осуществлена техническая реализация разработанных датчика положения и системы управления раскладчиком нити. Ожидаемый экономический эффект от внедрения системы управления раскладчиком нити составил 140,2 тыс.руб. на 7 машин.

1. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1.8I-I985 годы и на период до 1990 года. - М.: Политиздат, 1981 - 95 с.

2. Сухарев В.А., Матюшев И.И. Расчет тел намотки. М.: Машиностроение, 1982 - 136 с.

3. Ефремов Е.Д., Ефремов Б.Д. Основы теории наматывания нити на паковку: Монография. М,: Легкая и пищевая пр-ть, 1982 -144 с.

4. Прошков А.Ф. Расчет и проектирование машин для производства химических волокон: Учебник для студентов втузов. М.: Легкая и пищевая пр-ть, 1982 - 482 с.

5. Рыбников С.И. Автоматическое управление намоткой. М.: Энергия, 1972 - 112 с.

6. Парнес М.Г. Расчет и конструирование намоточных станков.-Л.: Машиностроение, 1975 296 с.

7. Гинзбург Л.Н. и др. Динамика основных процессов прядения. 4.2. М.: Легкая индустрия, 1972 - 312 с.

8. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. Учебное пособие для университетов. М.: Наука, 1966 -724 с.

9. Каасик П.Ю., Несговорова Е.Д. Управляемые асинхронные двигатели с беличьей клеткой на роторе в системах автоматики. -М.-Л.: Энергия, 1965 200 с.

10. Куракин К.И. Следящие системы малой мощности. М.: Машиностроение, 1965, 1965, - 402 с.

11. Ивей К.А. Системы автоматического регулирования на несущей переменного тока. М.: Машиностроение, 1968 - 320 с.

12. Фельдбаум A.A. Электрические системы автоматического регулирования. М.: Гособорониздат, 1957 - 807 с.

13. Ушакова К.Н. Ацетатные и триацетатные нити. М. : Легкая индустрия, 1976 - 200 с.

14. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. М.: Наука, 1981 - 368 с.

15. Теория систем с переменной структурой. /Под ред. C.B. Емельянова/.- М.: Наука, 1970 592 с.

16. Уткин В.И. Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой. М.: Наука, 1974 - 272 с.

17. Сейдж Э.П., Уайт Ч.С., Ш. Оптимальное управление системами. М.: Радио и связь, 1982 - 392 с.

18. Андреев Ю.Н. Управление линейными конечномерными объектами. М.: Наука, 1976 - 328 с.

19. Косякин A.A., Шамриков Б.М. Колебания в цифровых автоматических системах. ГЛ.: Наука, 1983 - 336 с.

20. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем. М.: Физматгиз, i960 -792 с.

21. Квакернаак X., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. М.: Мир, 1977 - 650 с.

22. ОДуттер В.М. Аналого-цифровые системы: Проектирование и расчет. Л.: Машиностроение, 1981 - 199 с.

23. Зверев А.Е. и др. Преобразователи угловых перемещений в цифровой код. Л.: Энергия, 1974 - 184 с.

24. Вулвет Дж. Датчики в цифровых системах. М.: Энергия, 1981, - 200 с.

25. Цифровые методы измерения сдвига фаз. Новосибирск, Наука, 1979 - 288 с.

26. Шило В.Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. М.: Радио и связь, 1982 - 128 с.

27. Балашов М.А. и др. Электронные и полупроводниковые устройства систем автоматического управления. /Под ред. Е.М.Решетникова/. М.: Машиностроение, 1966 - 444 с.

28. SckuitrtG-. StaticL der SnetZs/ti/tnteckibLk zu beginn der achtziger Jahren.-Int. Text, ßuii, Sflinnerei, /9&0, Y3, S.229-2SS.

29. Hoff meistert. Erfahrung und Tendenzen der Schne£ts^inntechnoiogle,-Textiitecknikf Ш0, Л/9, S. 558-562.

30. Трухан A.A. Нитераскладочные механизмы машин для производства синтетических волокон. М.: ЩИИТЭИлегпшцемаш, 1971 -26 с.

31. Некрасов В.В. и др. Исследование колебательного процесса движения стеклонити при ее наматывании. Изв.вузов. Технология текстильной промышленности, 1974, № 2, с.140-144.

32. Некрасов В.В. и др. Влияние динамики нити на длину раскладки при ее наматывании на бобину. Изв.вузов. Технология текстильной промышленности, 1981, № 5, с.82-86.

33. Beyreuiher R. dynamische Mode££ierun(^ des TransibortvoryjxrLfes ¿aufender Fäden. Те iß /7,- Faserforsch.u. TextlEtechnik, 1976, У<$, 3&9-395.

34. Шахнин В.Н. К вопросу о законе перемещения нитерасклад-чика при цилиндрической намотке. В сб.: Автоматизация и динамические расчеты в текстильной и легкой промышленности. - Л: ЛИТЛП, 1978 -CÍ28-I34.

35. Прошков А.Ф. Перемещение нитеводителя во время реверса.-Изв.вузов. Технология текстильной промышленности, 1981, № 3, с. 92-95.

36. Прошков А.Ф. Расчет времени реверса нитеводителя. -Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 1980, № 3, с.82-85.

37. Матгошев И.И. Формы паковок и законы раскладки нити на крутильно-вытяжных машинах для химических волокон, 1979, № 4, с.44-45.

38. Brourn L.O. Transfer function for a turo phase LncLuction servomotor.-Trans. Ai EE., voi.70, pt. 2, pp. /390-/893.

39. Титов B.K. Передаточная функция двухфазного асинхронного двигателя. В сб.: Некоторые вопросы систем автоматического управления. - М.: Гособорониздат, 1955, с.5-23.

40. Плотников В.Н. Улучшение динамических свойств скоростных систем переменного тока. В сб.: Системы автоматического управления, $ 97 /Под ред. Титова В.К./ - М.: Машгиз, 1959с.30-51.

41. Зиновьев Г.Г. и др. Закон движения сканатора асинхронной сканирующей системы разночастотного питания. В сб.: Оптимизация режимов работы систем электроприводов. - Красноярск: КПИ, 1981 - с.59-63.

42. Матюшев И.И. и др. Системы приводов современных гидравлических раскладочных механизмов. Экспресс информации, ЩИИТЭИ легпищемаш, вып.1, 1980, с.15-21.

43. Герасимяк Р.П. и др. К вопросу о передаточной функции асинхронного двигателя. Изв.вузов. Электромеханика, 1976 -с.965-969.

44. Barkinty H.L.Möytidikeiien zur Steuerung von PräzUion&wicketcLfbia^m uru± zur Steuer-cLatettermcttiun^.-Pta&t -irtrarbevter, 28, 1Q77, A/9, S. 4-66 -k62>.

45. Водовозов B.M. и др. Исследование алгоритмов пространственного движения армирующих манипуляторов. Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 1982, с.75-78.

46. Изосимов Д., Матич Б., Уткин В., Шабанович А. Использование скользящих режимов в задачах управления электрическими машинами. Докл. АН СССР, 1978, т.241, № 4, с.769-772.

47. Уткин В.И. и др. Следящие электроприводы переменного тока, управляемые в скользящем режиме. В сб.: Электро- и гидропривод станков с ЧПУ и промышленных роботов. - М.: ЭНИМС, 1982, с.63-70.

48. Костылева Н.Е. Синтез частично-канонических систем с переменной структурой. Автоматика и телемеханика, 1980, № 7, с. 33-37.

49. Костылева Н.Е., Бондарев А.Г., Фролов М.Н. Асимптоти -ческие наблвдатели в задачах автоматизации технологических про -цессов текстильной промышленности. Изв.вузов. Технология текстильной промышленности, 1983, № 2, с.81-86.

50. Уоипу Кг О., Kokotovic Р V. and Utkin К /.

51. A Slngu£ar PerturSations Analysts of Hi^fi- Gain Feedback Systems-IEEE Trans., 19771voi,AC-Z2) pp. 931-959.

52. Викторов Б.В. О применении метода сингулярных возмущений при исследовании систем автоматического управления. Докл. АН СССР, 1977, т.236, № 2, с.296-299.

53. Уткин В.И. Метод разделения движений для построения идентификаторов состояния. В сб.: Проблемы управления многосвязными системами. - М.: Наука, 1983, с.91-97.

54. Васильев В.А. Адаптивный регулятор для электромеханических систем. В сб.: Электромашиностроение и электрооборудование, № 34. - Киев, 1982, с.12-16.

55. Колесников А.А., Черныш П.И. О построении быстродействугощих гарантирующих регуляторов. Изв.вузов. Приборостроение, 1983, № 8, с.36-41.

56. Бондарев А.Г., Костылева Н.Е., Уткин В.А. Адаптивная система с переменной структурой. В сб.научн.тр. ИПУ АН СССР.-М.: ИПУ АН ССОР, 1983.

57. Бондарев А.Г. Алгоритм управления мотальным механиз -мом. Тез.докл. Всесоюзная научно-техническая конференция "Автоматизация технологических процессов легкой промышленности". Моск.технол.ин-т легк.пр-ти. - М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1982, с.22.

58. Barking HL. Steuer unpkonzepte für das PräzL-sioftsuriùkeôn îro/ъfaserverstärkten Kunststoffen,-SÖLssertatLon, RWTH, Aachen, 1977, 172 s.

59. Зак M.А. Аналитическое исследование динамических свойств нити. -Дис. докт.техн.наук. Ленинград, 1967 - 435 с.

60. Некрасов В.В. Исследование высокоскоростного раскладчика нити стеклопрядильного агрегата. Дис. канд.техн.наук -Ленинград, 1972 - 248 с.

61. Луковников В.М. Основы общей теории электродвигателей вращательного и поступательного движения, работающих в режиме колебаний. Дис. докт.техн.наук. - Томск, 1979 - 462 с.

62. Бондарев С.А. Разработка и исследование высокоточной системы автоматического регулирования технологическими параметрами при производстве стекловолокна. Дис. канд.техн.наук -Москва, 1982 - 210 с.

63. Костылева Н.Е. Разработка формализованных методов построения локальных систем автоматизации с переменной структурой: Автореф.дисс. докт.техн.наук. M.: 1977 - 42 с.

64. А. с. 836253 (СССР). Устройство для управления мотальным механизмом. Опубл. в Б.И., 1980, № 2.

65. Заявка № 3402287/12 (СССР). Устройство для управления раскладчиком мотального механизма /Бондарев А.Г., Костылева Н.Е., Хавкин В.П. Решение Госкомизобретений о выдаче а. с. от 21.04.83 г.

66. Заявка Л 3457472/12 (СССР). Устройство для стабилиза -ции скорости намотки материала / Бондарев С.А., Бондарев А.Г.-Решение Госкомизобретений о выдаче а.с. от 16.06.83 г.

67. Заявка $ 3558036/12 (СССР). Устройство для управления раскладчиком мотального механизма /Бондарев А.Г., Костылева Н.Е., Хавкин В.П., Куличков ГО.С. Решение Госкомизобретений о выдаче а.с. от .12.83 г.

68. Заявка № 3551960/24-07 (СССР). Устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем / Бондарев А.Г., Бунаков В.Л., Костылева Н.Е., Уткин В.И. Решение Госкомизобретений о выдаче а.с. от 23.08.83 г.

69. Заявка № 3391961/21 (СССР). Фазовый дискриминатор /Бондарев А.Г. Решение Госкомизобретений о выдаче а.с. от 05.08. 82 г.

70. Патент США № 4267514. Цифровой фазо-частотный детектор.-Опубл. 12.05.81 г.

71. Матюшев И. И. и др. Определение формы паковки при заданном законе движения нитераскладчика. В сб.: Ш-й Международный симпозиум по химическим волокнам. Препринты, т.З. - Калинин, 1981, с. 66-70.

72. Микушев А.Е. Исследование процесса наматывания с помощью уравнения баланса. В сб.: Ш-й Международный симпозиум по химическим волокнам. Препринты, т.З. - Калинин, 1981, с.102-1II.

73. Регельман Е.З. и др. Анализ высокоскоростных намоточных и укладочных устройств для приема синтетических нитей. В сб.:

74. Ш-й Международный симпозиум по химическим волокнам. Препринты, т.З. Калинин, 1981 - с.290-295.

75. Peter H. Механизмы для наматывания химических нитей. -В сб.: П-й Международный симпозиум по химическим волокнам. Препринты, т.7 Калинин, 1977 - с.336-374.

76. Коробка В.А. Механизмы раскладки машин для производства химических волокон. Москва, 1980 - 29 с. - Букопись пред -ставлена МТИ им.А.Н.Косыгина. Деп. в ЦНИИТЭИлегпищемаш, № 256.

77. Техническое задание на разработкуавтоматической системы регулирования раскладчикомнити1 I

78. Область применения. Управление раскладкой нити на паковки, предназначенные для питания прядильно- крутильных машин типа ПК.

79. Технические характеристики и параметры АСР раскладчиком. нити.

80. Тип исполнительного механизма раскладчика, , рейка-шестерня31.1. Диаметр делительной окружности шестерни, мм32.! Тип электропривода раскладчика32.1. Мощность электродвигателя раскладчика, не более, Вт33. Вид намоткиi

81. Точность позиционирования .раскладчика, мм3.;4.1. Средний шаг намотки, мм

82. Средняя скорость Наматывания, м/мин86. Длина намотки,мм37. Диаметр намотки,мм- начальный- ко нечный87,5двухфазный, асинхронный60цилиндрическая " намотка на катушки типа ВК500 21540 60

83. Зав. лабораторией механизации прядильно-крутильного оборудования ВНИИЛтекмаш Ст.н.с.5