автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка способов управляемого формирования волокнистого потока методом компьютерного моделирования

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕРОВНОТЫ ВОЛОКНИСТОГО ПОТОКА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Геометрические модели.

1.2 Символьные модели для оценки величины неровноты.

1.3 Символьные модели для оценки характера неровноты.

1.4 Статистическое моделирование волокнистых потоков.

Выводы по первой главе и постановка задачи.

ГЛАВА 2. КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛОКНИСТОГО ПОТОКА И ЭМУЛЯТОРА.

2.1 Анализ и синтез концептуальных моделей с неуправляемым формированием волокнистого потока.

2.2 Синтез основных моделей с управляемым формированием волокнистого потока.

2.3 Разработка требований к технологическому эмулятору формирования волокнистого потока.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭМУЛЯТОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕРОВНОТЫ ВОЛОКНИСТОГО ПОТОКА.

3.1 Разработка структурограммы эмулятора.

3.2 Модуль формирования признаковой модели волокнистого потока.

3.3 Модуль задания параметров модели.

3.4 Модуль анимации и автоматизированного расчета величины и характера неровноты волокнистого потока.

3.5 Модуль автоматизированного эксперимента.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ УПРАВЛЯЕМЫХ И НЕУПРАВЛЯЕМЫХ МОДЕЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛОКНИСТОГО ПОТОКА.

4.1 Тестирование эмулятора на примере пуассоновской модели и модели Hannah и Rodden.

4.2 Статическая модель с непроницаемыми границами зоны формирования.

4.3 Эталонная модель управляемой укладки волокнистого элемента в наиболее тонкое сечение потока (MSU0).

4.4 Статическая модель с управляемым смещением порций (MSU1).

4.5 Статическая модель с управляемым смещением волокнистых элементов (MSU2).84 Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛОКНИСТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА НЕРОВНОТУ ПОТОКА.

5.1 Влияние ориентации волокон на неровноту волокнистого потока.

5.2 Влияние нераспрямленности и крючковатости волокнистых элементов на неровноту потока.

5.3 Влияние комплексности волокнистых элементов на неровноту потока.

Выводы по пятой главе.

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ УПРАВЛЯЕМЫХ МОДЕЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛОКНИСТОГО ПОТОКА.

6.1 Динамическая модель формирования волокнистого потока.

6.2 Концепция и структура устройства динамического управляемого формирования волокнистого потока.

6.3 Исследование динамической модели с управляемым отводом волокнистого потока (MDU1).

6.4 Исследование динамической модели с управляемой подачей волокнистых элементов (МОШ).

6.5 Исследование динамической модели с управляемым шагом отвода волокнистого потока (МБиЗ).

6.6 Исследование модели с комбинированным управлением (МОШ).

Выводы по шестой главе.

Развитие текстильной технологии неотделимо от интеграции её с компьютерными технологиями, измерительными и управляющими системами.

Такая интеграция предоставляет возможность для проектирования новых технологических процессов и систем, обеспечивающих высокую параметрическая гибкость и оптимальное функционирование технологической системы. Поэтому текстильная технология в будущем должна приобрести форму интегрированной гибкой технологии (ИГТ). Это необходимо изначально учитывать при разработке новых технологических процессов.

Традиционный путь проектирования технологических процессов -методом проб и ошибок трудоемок, является затратным и не дает возможности изучить большое число вариантов.

Теоретический подход к проектированию технологических процессов, а тем более интегрированной гибкой технологии, на основе символьных моделей оказывается неприемлемым из-за высокой сложности задачи.

Современный уровень развития компьютерной технологии потенциально предоставляет возможность проектирования ИГТ на основе численного или численно-символьного моделирования, позволяющего не только смоделировать технологический процесс, но и воссоздать возможные алгоритмы управления процессом, позволяет, таким образом оценить, как эффективность самого технологического процесса, так и различных гипотетических алгоритмов управления технологическим объектом.

Решение выше перечисленных задач возможно только на основе создания специальной моделирующей среды, позволяющей исследователю-технологу быстро ставить задачи, наблюдать за ходом моделируемого технологического процесса, экспериментировать с ним, сравнивать различные варианты между собой, сохранять полученные результаты в программной среде для возможного дальнейшего использования. При этом от момента постановки задачи до получения ответа должно проходить не более нескольких минут, а исследователь-эксперт должен быть сосредоточен не на поиске способа решения сформулированной задачи, а на полученных результатах, построении свой исследовательской стратегии. Иначе говоря, он должен иметь возможность думать в такой предметной моделирующей среде. Поэтому такая программная система должна не только комплексно моделировать ИГТ или её элемент, но и в неявной форме должна строиться на основе моделирования возможного процесса мышления исследователя в этой среде, обеспечивая дружественное взаимодействие с экспертом. Системы такого комплексного технологического моделирования названы нами эмуляторами.

На настоящий момент программные системы такого типа в текстильной технологии практически отсутствуют. И это не случайно. Одна из причин слабого развития этого направления - трудоемкость при создании таких систем. Однако, это не единственная причина. Другая принципиальная причина, сдерживающая создание эмуляторов, это необходимость реконструкции технологических знаний на качественно новом уровне, выходящим за предметную область знаний. Необходимость формирования более общего взгляда на технологическую проблему и проблему проектирования самого эмулятора связана как со способом представления технологической информации в компьютерной среде, так и с необходимостью введения в эмулятор новых вариантов для технологических исследований. Обе эти причины характерны для других областей знаний и в этом смысле текстильная технология не является исключением.

Сказанное выше определяет актуальность проблемы проектирования технологических эмуляторов для исследования существующих технологических процессов и систем, а особенно элементов интегрированной гибкой текстильной технологии.

Одним из важнейших параметров качества волокнистого потока в прядении является неровнота потока по линейной плотности. Теоретическое исследование этой проблемы в основном базируется на символьных моделях.

Ряд исследователей получили результаты, основанные на численном компьютерном статистическом моделировании неровноты волокнистых продуктов, однако исследовательских систем типа «Эмулятор» по проблеме 5 исследования неровноты волокнистых потоков на настоящий момент нет. Создание такой системы позволит не только обобщить и уточнить известные модели, но и расширит информацию, получаемую от этих моделей, позволит создавать и изучать другие более сложные управляемые модели формирования волокнистого продукта в режиме доступом для пользователя-технолога. Эмулятор может рассматриваться также как эффективная компьютерная обучающая система, и может с успехом использоваться в учебном процессе.

Поэтому и с технологической точки зрения проблема проектирования технологического эмулятора для исследования неровноты волокнистых потоков является актуальной.

Наконец, учитывая перспективу преобразования текстильной технологии в интегрированную гибкую технологию, в которой управление является неотъемлемой частью, эмулятор может быть использован для выбора наилучшего алгоритма управления в гибком технологическом модуле с точки зрения минимизации неровноты.

Постановка такой задачи является актуальной и может быть решена только с использованием разрабатываемого эмулятора. Полученные результаты могут являться основой для проектирования в будущем реального модуля управляемого формирования волокнистого потока из дискретного потока волокон.

Следует заметить, что необходимость использования эмулятора в ИГТ на этом не заканчивается, так как в ИГТ он становится неотъемлемой частью технологической системы и привлекается экспертом-технологом по мере необходимости.

Сказанное выше говорит об актуальности темы диссертации не только в настоящий момент, но и для будущей текстильной технологии.

В рамках данной работы ставятся и решаются следующие задачи:

- проектирование системы комплексного компьютерного моделирования (эмулятора) формирования волокнистых потоков для исследования неровноты потока;

- использование эмулятора для исследования известных и предлагаемых нами новых моделей формирования волокнистого потока с учетом приближения параметров моделируемого потока к реальному;

- разработка способов управляемого формирования волокнистого потока и сравнительная оценка различных способов управляемого формирования с целю выбора наилучшего с точки зрения минимума неровноты.

В главе 1 дается обзор моделей и методов моделирования волокнистых потоков и ставятся задачи, которые предполагается решать в рамках данной работы.

В главе 2,3 осуществляется реконструкция технологических знаний по проблеме неровоты волокнистых потоков на основе концептуального моделирования моделей волокнистых потоков, эмулятора, разрабатывается и описывается структура и пользовательская среда эмулятора.

В главе 4 осуществляется сравнение результатов работы эмулятора с известными теоретическим моделями, выявляются новые возможности эмулятора при исследовании даже известных моделей, предлагаются и исследуются новые статические неуправляемого и управляемые модели формирования волокнистого потока.

В главе 5 исследуется влияние на неровноту волокнистого потока ориентации, нераспрямленности и комплексности волокнистых элементов.

Глава 6 посвящена разработке и исследованию динамических управляемых моделей. В результате выбирается модель управляемого формирования, которая обеспечивает минимальную неровноту потока, даются рекомендации по способу управления и по выбору параметров датчиков для проектирования реальных систем управляемого формирования волокнистого потока из дискретного потока волокон.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе анализа тенденций развития текстильной технологии, компьютерной технологии, измерительных систем и управляющих систем установлено, что перспектива развития текстильной технологии связана с возникновением гибких интегрированных технологических систем, обеспечивающих взаимодействие с системами комплексного компьютерного моделирования.

2. Сделан вывод об актуальности проектирования систем комплексного компьютерного моделирования (эмулятора), отражающих работу технологической системы с учетом интегрированного в технологический процесс управления. Показана актуальность создания такой системы для случая управляемого формирования волокнистого потока из дискретного потока волокон и комплексного исследования влияния факторов на неровноту образуемого волокнистого потока.

3. На основе анализа известных гипотетических моделей неровноты волокнистого потока осуществлена системная реконструкция технологических знаний по проблеме неровноты волокнистого потока, разработана концептуально-структурная модель эмулятора.

4. На основе метода статистической имитации разработан эмулятор формирования волокнистого потока для исследования неровноты волокнистых потоков на базе среды Delphi. Эмулятор позволяет создавать модель формирования волокнистого потока на концептуальном и параметрическом уровнях, наблюдать за процессом формирования волокнистого потока в режиме анимации, получать различные виды выходной информации для отображения величины, характера и структуры неровноты волокнистого продукта, законов распределений (по числу волокон, по линейной плотности, по сдвигу между передними концами волокон), а также автоматизировать процесс постановки, обработки активных однофакторных экспериментов с возможностью сохранения результатов экспериментов, сравнения их между собой.

5. Проведены исследования различных известных моделей формирования волокнистого потока и показано, что по сравнению с известными моделями эмулятор позволяет получить более обширную технологическую информацию, дает возможность более глубоко и наглядно представить механизм образования волокнистого потока, величину, характер и структуру неровноты волокнистого потока.

6. Предложены новые статические модели управляемого и неуправляемого формирования волокнистого потока и проведены компьютерные исследования по влиянию параметров моделей на неровноту потока.

7. Проведены исследования по влиянию нераспрямленности, ориентации и комплекности волокнистых элементов и показано влияние параметров волокнистых элементов на неровноту потока.

8. Предложены способы (модели) динамического управляемого формирования волокнистого потока, а также принципиальная конструктивная схема реализации управляемого формирования волокнистого потока из дискретного потока волокон.

9. Проведены сравнительные исследования четырех различных динамических моделей управляемого формирования волокнистого потока и показано, что при использовании в зоне формирования двух датчиков (один из которых управляет подачей, а другой отводом потока), возможно уменьшение неровноты потока по сравнению с неуправляемым способом формированием волокнистого потока в 1,5 раза.

Ю.Установлено, что оптимальное положение датчика, обеспечивающего управление подачей волокон, соответствует размещению его у выхода из зоны формирования, оптимальная длина зоны контроля датчика подачи должна соответствовать средней длине волокна; оптимальное положение датчика, обеспечивающего управление отводом готового волокнистого потока, соответствует размещению его в центре зоны формирования, а длина зоны контроля датчика должна соответствовать 3-4 средним длинам волокна.

1. Севостьянов А.Г. Методы исследования неровноты продуктов прядения. М.: Ростехиздат. 1962 с. 386 с.

2. Васильев Н.А. Вопросы теории прядения (опыт применения методов математического анализа к технологическим процессам прядения). Сб. статей М.: Госуд. Издательство легкой промышленности. 1932 -276с.

3. Зотиков В.Е. Теория процессов в хлопкопрядении. НИТИ, 1933.

4. Spenser-Smith J.L., Todd M.W. Time Series met with in Textile Research Supplement J. Statistik Society, 1941 vol. 7 p. 131-145.

5. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. М.: Мир. 1964 -498с.

6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит-ры. 1969г. С.308.

7. Саати Т.А. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. М.: Сов. Радио. 1956г.-510с.

8. Martindale J. G. New Method of Measuring the Irregularities of Yarns with Some Observations on the Origin of Irregularities in Worsted Slivers and Yarns, Journal of the Textile Institute, 1945 .Tr. 35.

9. Rao J.S. Mathematical Model for the Ideal Sliver and it Application to the Theory of Roller Drafting J. Textile Institute, 1961, p. 571-601,1962, p. 464-476.

10. Picard V.H. The Irregularity of Slivers. J. Textile Inst., 1951. p.503-509, 1952 p. 251-261,1953 p. 307.

11. Van-den Abeele A.M. Contribution to the Study of Irregularity of Yarns. Roving and Slivers - J. Textile Inst., 1951, p. 162-168.

12. Breny H. Variance and Autocorrelation of Thickness in Random Slivers, Application Scientific Research, Ser.A.Vol.3, No.3. 1953.

13. Zeidement N. But Inst. Politchnic Din lase Temul XVII (XXI). Pase. 1-4. 1971.

14. Sulser H. Theoretische Grundlagen für die Beurteilung der Unglaichmaissigkait von Garnen Schweiser Archiv für angewandte Wissenschaft und Technik. 1953,3.

15. Tommerman R., Hermanne L. Applications of the Index of Irregularity to the study of Spinning of the Cotton System. J. Text. Inst., 1950, p. 421-471.

16. Breny H. The Calculation of the Variance-Length Curve from the Length Distribution of Fibers. - J. Textile Inst., 1953. p.l.

17. Bornet G.M. Die Enstuffung vor Garnen hinsichtlich der kurzperiodischen Ungleichmessigkeit. Textil-Praxis, 1965, 9, s721-731, 10 s.819-823.

18. Picard H.C. The Irregularity of Slivers. J. Textile Inst., 1951. p.503-509, 1952 p. 251-261,1953 p. 307.

19. Hannah M., Rodden В. Variance-Length relations in a Yarn with Restricted Variation in Fibro Position. J. Textile Xnet, 1956, p. 402-412.

20. Севостьянов А. Г., Хавкин В. П. Влияние распрямлённости волокон на неровноту ленты, "Текстильная промышленность", 1966, №10.

21. Wegener W. Der total Variationkoefficient vor Faserband Modellen in Hinblick auf die untere Grenze der Ungleichmaseigket. - Mitteilungen aus dem Institut für Textilthechnik der RWTH, Aachen, B.24, 1975.

22. Привалов С.Ф., Труевцев Н.И. Теоретическая неровнота пряжи -Технология текст, промышленности. 1966. №56 с. 65-69.

23. Гинзбург JI.H., Хавкин В.П. , Винтер Ю.М., Молчанов A.C. Динамика основных процессов прядения. Часть I. Легкая индустрия. 1970 с. 152.

24. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз. 1960. 883с.

25. Spenser-Smith J., Todd Н. J. A Time Series met with in Textile Research, Supplement Journal Statistic Society, No. 7, 1941. p. 131-145

26. Cox D. R. J. Text. Inst. 1950,41.

27. Fujino К., Kawabata S. Teoretical Analysis on the Spectral Density of Random Sliver, Jornal ofText. Mach. Society ofJapan, 1959, 5, № 1.

28. Севостьянов А.Г., Севостьянов П.А. Моделирование технологических процессов. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1984. 344с.

29. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Сов. Радио. 1966.-656с.

30. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник.- СПб: Питер, 2002 -528с.

31. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде Matlab.- СПб: Питер,2000 -432с.

32. Сухарев В.В., Севостьянов П.А., Винтер Ю.М. Автоматизированный анализ неровноты по линейной плотности продуктов прядения. М.: Деп. В ЦНИИТЭлегпром, 1999-7с.

33. Сухарев В.В. Автоматизированные методы моделирования волокнистых продуктов при проектировании систем измерения линейной плотности.- Дис. канд.техн. наук. М.,2002. 170с.

34. Черкасский А.Е. Математичнеская модель идеального двухмерного текстильного продукта // Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. 1969. №4. С.42-46.

35. Черкасский А.Е. Неровнота нетканых текстильных материалов. М.: Легопромбытиздат, 1989 212с.

36. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Статистическое моделирование. М: Наука. Гл. ред. Физ. Мат. лит-ры, 1982.- 296с.

37. Соболь И.М. Метод Монте-Карло.- М.: Наука, 1968.

38. Kob Н. Das Bild der Optimisation Garngleichmassigkeit. Textil-Praxis, 1953, p.835-839.

39. Araño A. Some Peatures of Rendom Slivers J. Textile Inst., 1956,p.781-784.

40. Vroomen F. Konig O. Neue Erkentrisce auf den Gebit des Faserversuges -Faserforschung und Textiltechnik, 1959. s.97-104.

41. Wegener W.,Ehrler P. Die Darstellung eines Modell-Faserverbandes mittele eines Computers.- Textil-Praxis, 1968.

42. Wegener W., Ehrler P. Problem der Simulation realer Faserverbande. -Melland Textilberichte. 1970 3, s. 256-260,4 s. 378-383.

43. Wegener W. Fasergruppen. Mitteilungen aus dem Institut sur Textltechnic, Aachen. D.24.1975.

44. Фролов В.Д., Фролова И.В. Технология и оборудование для производства волокнистых полотен аэродинамическим способом.- М.: Легопромбытиздат.1990 176с.

45. Евгенев Г.Б. Системология инженерных знаний М.: Из-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2001.-3 76с.

46. Макетирование, проектирование и реализация диалоговых информационных систем / Л.И.Гудков, Е.И. Ломако, A.B. Морозова и др.; под ред. Е.И.Ломако. М.: Финансы и статистика, 1993. 320 с.

47. Клир Дж. Системология. (автоматизация решения системных задач)- М.: Ридио и связь, 1990.

48. Грачев A.B. Системный синтез технологических структур в прядении.\\ Тезисы докл. Межвуз. научно-технич. конф.-М.: РосЗИТЛП, 1998.

49. Солодовников В.В., Дмитриев А.Н., Егупов Н.Д. Спектральные методы расчета и проектирования систем управления. М.: Машиностроение, 1986.-440с.

50. Справочник по теории автоматического управления / под. Ред. A.A. Красовского.- М.: Наука гл. ред.физ.-мат.лит.,1987. -712с.

51. Херхагер М., Партоль X. Mathcad 2000: полное руководство.: Пер. с нем.-К.: Издательская группа BHV, 2000.- 416с.

52. Потемкин В.Г. Системы инженерных и научных расчетов Matlab 5. в 2 т. М.: Диалог МИФИ, 1999.

53. Дал У. И. Дейкстра Э., Хоор К. Структурное программирование.-М.: Мир, 1975.

54. Паронджанов В.Д. Как улучшить работу ума. (Новые средства для образного представления знаний, развития интеллекта и взаимопонимания).-М. Радио и связь, 1999 352с.

55. Дерахвелидзе П. Г., Марков Е. П. Delphi 4. СПб.: БХВ - Санкт Петербург, 1999. - 816 с.

56. Архангельский А.Я. Программирование в Delphi 7. М.: ООО "Бином-Пресс", 2005 г.

57. Бобровский С. И. Delphi 7. Учебный курс. СПб.: Питер, 2003. - 736 с.