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

На правах рукописи

ОД

ЗИНОВЬЕВ АЛЕКСАНДР ГЕННАДЬЕВИЧ ~ '

□ОЗОВЭ4Э1

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УПРАВЛЯЕМОГО ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ ПОТОКОВ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05 19 02 - Технология и первичная обработка текстильных

материалов и сырья

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003069491

Работа выполнена на кафедре механической технологии волокнистых материалов Московского государственного текстильного университета им А Н Косыгина

Научный руководитель- кандидат технических наук, доцент

Грачев Александр Владимирович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Севостьянов Петр Алексеевич кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Никоноров Павел Васильевич

Ведущая организация Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности

Защита состоится " '3 О " ^гсхЗ- 2007 г, в ^^часов на заседании диссертационного совета К 212 139 01 в Московском государственном текстильном университете им А Н Косыгина по адресу 119071 Москва, Малая Калужская ул , д.1.

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

Автореферат разослан " 2 ир^и^ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Шустов Ю С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Неровнота волокнистого потока является важнейшим показателем текстильных изделий Поэтому изучение факторов, влияющих на неровноту, а также разработка способов уменьшения неровноты потока является актуальной технологической задачей Одним из способов уменьшения неровноты потока является управление волокнистым потоком, которое в гибкой технологической системе интегрировано в сам технологический процесс

Развитие компьютерных технологий предоставляет возможность проектирования новых гибких управляемых технологических процессов уже на этапе компьютерного моделирования

Решение задачи возможно только на основе создания специальной моделирующей среды для исследования неровноты волокнистого потока, предоставляющей возможность изучения различных схем управляемого формирования волокнистого потока

Это позволяет уточнить структуру и параметры будущего гибкого технологического объекта до создания реального, расширяет знания о будущем технологическом объекте, позволяет использовать виртуальный технологический объект параллельно с работой реального

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка и исследование способов образования волокнистого потока с учетом возможности управления потоком при его формировании из дискретного потока волокон на основе создаваемой системы комплексного компьютерного моделирования

Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи

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

использование эмулятора для исследования известных и предлагаемых 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 потока с целью выбора наилучшего варианта с точки зрения минимума неровноты

Методы исследования

При выполнении работы использовались теоретические методы исследования, а именно методы системного анализа и синтеза, методы концептуального моделирования, методы статистической имитации, математической статистики для обработки случайных величин, случайных процессов (на основе быстрого преобразования Фурье), методы компьютерной визуализации и анимации, создание графических баз данных, программирование в среде Delphi Для проверки частных результатов моделирования использовались известные символьные модели

Научная новизна

1 Разработана система комплексного компьютерного моделирования (эмулятор), позволяющая создавать различные модели 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 и сравнения их между собой

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

3 Проведены исследования по совокупному влиянию нераспрямленности, ориентации и комплексности волокнистых элементов и показано влияние параметров волокнистых элементов на неровноту потока

4 Предложены способы (модели) динамического управляемого формирования волокнистого потока, а также принципиальная конструктивная схема реализации управляемого формирования волокнистого потока из дискретного потока волокон, проведены исследования этих моделей и выявлена оптимальная модель управляемого формирования, параметры оптимального формирования потока с точки зрения минимума неровноты

Практическая значимость результатов работы

Создана система комплексного компьютерного моделирования для исследования различных гипотетических схем формирования волокнистого потока с учетом возможных схем управления потоком обобщающая и расширяющая технологические знания в области неровноты продуктов прядения

На основе компьютерных экспериментов разработаны рекомендации для создания реальной гибкой технологической системы с управляемым формированием волокнистого потока

Результаты работы и программная система «Эмулятор» используются в учебном процессе МГТУ

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях

- на международной научной конференции "Текстиль, одежда, обувь дизайн и производство" Витебск, 2002 г,

- на международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», (Прогресс-2002) - Иваново, 2002 г

Структура н объем диссертации

Диссертация изложена на 145 страницах машинописного текста, состоит из введения, 6-ти глав, выводов и библиографического списка, включающего 60 позиций, содержит 14 таблиц, 42 рисунка

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и её значимость

В первой главе приводится обзор различных моделей и методов моделирования для исследования неровноты волокнистых потоков, выполненных различными исследователями и ставятся задачи для исследования в данной работе

В п 11 главы рассмотрены различные виды геометрических моделей, отмечается, что первой из геометрических моделей, которая была предложена для описания волокнистого продукта, была модель Васильева Н А Анализ геометрических моделей показал, что существующие модели

являются статическими и не позволяют наблюдать в анимационном режиме процесс формирования волокнистого продукта

В п 1 2, 1 3 главы дан обзор символьных моделей, использованных для описания неровноты волокнистого продукта Отмечается большой вклад в развитие этого направления следующих учёных Spenser-Smith и Todd, Martmdale I, Rao J, Picard V, Van-den-Abeele A , Breny H, Sulser Н, Tommerman R , Bornet G, Picard H, Hannah М, Rodden В , Севостьянов А Г, Хавкин В П , Привалов С Ф и Труевцев Н И, Fujmo К, Kawabata S Отмечается ограниченные возможности развития символьных моделей в направлении приближения к реальному волокнистому продукту

В п 14 главы рассматриваются известные численные модели, позволяющие имитировать создание волокнистого продукта на основе метода статистической имитации Указывается вклад в это направление следующих исследователей Kob Н, Araño А, Vroomen F, Konig О, Wegener W , Erhler P , Привалов С Ф , Могильный А Н, Гусаков А В , Севостьянов П А Отмечается появление работ, в которых статистическое моделирование реализуется в среде Matlab/Simulink (Севостьянов П А, Винтер Ю М, Сухарев В В) Анализ работ, выполненных в этом направлении, показал, что отсутствуют системы комплексного компьютерного моделирования на базе статистической имитации, а также не рассмотрены вопросы моделирования формирования волокнистого потока с одновременным управлением параметрами процесса формирования

В главе 1 ставится следующие задачи, которые предстоит решать в рамках работы

1 Разработка системы комплексного компьютерного моделирования (эмулятора), обеспечивающей эксперту-технологу возможность создания рабочей модели на основе ее концептуального проектирования, исследования модели, включая автоматизированное проведение и представление результатов компьютерного технологического эксперимента с возможностью динамической визуализации процесса формирования волокнистого потока

2 Исследование возможностей эмулятора и его использование для исследования неровноты известных гипотетических схем формирования волокнистых потоков, уточнение гипотетических моделей на основе комплексного исследования неровноты волокнистого потока

3 Исследование с использованием эмулятора совокупного влияния ориентации, распрямленности и комплексности волокон на неровноту волокнистого потока

4 Разработка способов управляемого формирования волокнистого потока

5 Исследование на эмуляторе различных моделей управляемого формирования волокнистого потока и определение оптимальной модели с точки зрения минимизации неровноты потока

Во второй главе осуществляется концептуальное моделирование методов формирования волокнистого потока и системы комплексного компьютерного моделирования (эмулятора)

В п 2 1, 2 2 на основе системного подхода осуществляется анализ и синтез возможных концептуальных моделей, которые могут быть положены в структуру технологического эмулятора как в случае неуправляемого, так и в случае управляемого формирования волокнистого потока Результаты моделирования представлены в виде многоуровневой древовидной структуры, содержащей качественные и количественные признаки моделей формирования волокнистого потока, которые в дальнейшем используются для создания подсистемы "конструктора" модели

В п 2 3 обосновывается комплекс требований к технологическому эмулятору с точки зрения его компьютерной реализации

Третья глава посвящена разработке системы комплексного компьютерного моделирования (эмулятора), для исследования неровноты волокнистых потоков по различным схемам как с управлением, так и без управления

В п 3 1 даётся модель деятельности эксперта-технолога, которая кладётся в основу функционирования работы эмулятора (см Рис 1)

В п 3 2, 3 3 дается описание конструктора качественных и количественных признаков модели При задании количественных признаков учитывается случайный характер этих признаков и пользователю предоставляется выбрать тип закона распределения случайного технологического параметра и его численные значения

В п 3 4 рассматривается подсистема анимации процесса формирования волокнистого продукта, обработка и автоматизированный расчет выходных характеристик реализация толщины потока по числу волокон, по линейной плотности, в виде двухмерной модели волокнистого продукта, гистограммы по числу волокон в сечении продукта, по плотности передних концов волокон, по линейной плотности потока, амплитудный спе лр на основе быстрого преобразования Фурье, числовые характеристики неровноты волокнистого потока

Структурограмма технологического эмулятора волокнистого потока «Emulex»

Сгатистич 4 Аналитич

имитация

Выбор признаков модели (Мо1)*

Выбор законов распред f(x,) случ параметров модели (Мо2)

Демонст- 5 Рабочий 1С Экспе-

рация режим римент

Подсистема анализа теоретич сима Моделей MaihCad

Задание

числовых

значений

параметров

модели

(МоЗ)*

Динамич визуализация р-ты модели (Мо4) *

щ а ы

/Продолжит^1 Чисследоэ ?

^Сравнит \эксп-т?

7

Запуск Запуск

модели моделей

Двумерное представление потока (Мо5)"

и

Анализ рез-ов

1 Реализация

2 Числ хар-ки

3 Спектр

4 Гистограмма (Мо6 1 Моб 4;

стоп

12

Автоматиз одноф акт зкс-т (Мо7)

Автоматиз многофает зкс-т (Мо7) Math Cad

В п 3 5 дается описание модуля автоматизированного технологического эксперимента Он позволяет проводить однофакторные эксперименты, предварительно выбрав из базы данных факторы, изображать результаты однофакторных экспериментов в виде графиков с возможностью изображения доверительных интервалов В модуле предусмотрена возможность сохранения результатов эксперимента и наложение ранее полученных результатов на общем графике

В четвертой главе проводится исследование возможностей эмулятора на примере статических управляемых и неуправляемых моделей формирования волокнистого потока

В п 4 1 приводится сравнение результатов теоретического исследования, пуассоновской модели и модели Hannah и Rodden с результатами, полученными на эмуляторе Результаты компьютерных экспериментов подтверждают результаты теоретических моделей и раскрывают новые возможности эмулятора с точки зрения изображения характера неровноты, структуры волокнистого потока в статическом режиме и в режиме анимации

В п 4 2 рассматривается статическая модель формирования волокнистого продукта при отсутствии проницаемости границ зоны формирования волокнистого потока для волокон Показано, что в этом случае поток имеет ярко выраженную периодическую структуру Впервые получены результаты по влиянию протяженности зоны формирования на величину, характер и структуру волокнистого продукта Показана возможность уменьшения неровноты волокнистого продукта, образованного из порций путем сложения со сдвигом

В п 4 3 рассматриваются статические модели с управляемой укладкой волокнистого элемента в зоне формирования

В п 4 4 изучается возможность уменьшения неровноты периодического продукта путём подбора оптимальной величины сдвига между соседними порциями Показывается, что такая возможность имеется Условия и результаты компьютерного эксперимента приведены на Рис 2

В п 4 5 рассматривается стохастическая модель управляемого формирования потока В этом случае появляющийся волокнистый элемент в зоне формирования может быть смещен на случайную величину, распределенную по экспоненциальному закону по направлению более тонкого участка в зоне формирования Результаты исследований такой модели приведены на Рис 3

Рис. 2.

Показано, что наиболее эффективно начинать управление смещением волокнистого элемента при наборе толщины потока в зоне формирования около 60% от требуемой средней толщины потока, а средняя величина сдвига должна быть сравнима со средней длиной волокна. При этом достигается неровнота потока в 2,5 раза меньше н еров ноты пуассононекого потока.

В пятой главе исследуется совокупное влияние ориентации, нераспря мл енн ости и комплексности волокон на неровноту волокнистого потока.

В п. 5.1 на основе компьютерных экспериментов показывается, что неровнота потока по числу волокон, образованного из распрямленных волокон с различной ориентацией, не зависит от угла ориентации, в то время как неровнота потока по линейной плотности зависит от угла ориентации волокон. Наиболее существенное влияние на неровноту потока начинается при предельных отклонениях волокон от оси ориентации потока isa 40-50 град.

В п. 5.2 приводятся результаты компьютерных экспериментов по влиянию кргочковатости и нераспрям ленности неориентированных волокон.

^^ Модель с управляемый

формированием волокнистого потока

Влияние момента начала управления

Влияние средней величины сдвига

'______ !5Н™Н5!!!!Й5!Ф£_________

Средня» величин» сдвига 30 мм.

Момент нача ла управления 604

Рис. 3

Показывается, что в этом случае неровного истока увеличивается по сравнению с распрямленными волокнами. При этом увеличение к еров ноты потока наблюдается при предельных углах отклонения от оси ориентации на 20-30 град.

В п. 5.3 исследуется влияние комплексности с учётом неориентированности извитых волокон. Показано, что в этом случае неровнота потока ещё более возрастает (см. Рис. 4).

Шестая глава посвягцека разработке и исследованию динамических управляемых моделей формирования волокнистого потока.

В п. 6.1 описывается работа динамической неуправляемой модели формирования волокнистого потока, которая далее используется для сравнения. Показывается, что в этом случае структура потока в огличие от статической модели является другой. С увеличением протяженности зоны формирования неровнота потока приближается снизу к неровноте пуассоновского погока.

В п. 6.2 развивается концепция управляемого формирования волокнистого потока и предлагаются 4 способа управляемого формирования волокнистого потока, которые в дальнейшем подвергаются сравнительному исследованию. В этом же пункте предлагается принципиальная схема управляемого формирования волокнистого потока (см. рис. 5).

,---—.■ - дтагодта-.....т

^^¡аД^аиааа^___¿¡с

пуасмнзвсний г)опж

Р^С. 4

Дискретный поток волокон от ди скрегиз ирующего валика 1 попадает в диффузор 2 и осаждается в зоне формирования 3, имеющей перфорированную поверхность. Под зоной формирования располагаются несколько датчиков (Д1, Д2, ДЗ). Работа системы осуществляется под контролем датчиков и на основе управления, выдаваемого микропроцессором 6 на исполнительные элемешы 4 и 5. Элемент 4 обеспечивает управляемый отвод перфорированной поверхности, которая

в общем случае не является непрерывной. Элемент 5 обеспечивает при необходимости отключение подачи волокон в зону формирования. Алгоритм работы системы может быть различным Н зависит от параметров мест размещения датчиков и протяженности зоны контроля датчиков волокнистого потока

В п. 6.3 исследуется способ динамического управления с регулируемым отводом

волокнистого потока. В этом случае работа системы

осуществляется следующим образом Подача волокон осуществляется непрерывно в зону формирования Имеется один датчик Д1, расположенный в зоне формирования и имеющий определенную протяженность зоны контроля В случае, если толщина слоя в зоне контроля превысит заданную, осуществляется сдвиг потока из зоны формирования на фиксированную величину

Если толщина потока, контролируемая датчиком, ниже заданного порогового значения вывода потока из зоны формирования не происходит Компьютерные эксперименты в этом случае показали, что даже оптимальное расположение датчика не позволит уменьшить неровноту потока по сравнению с непрерывным неуправляемым отводом волокнистого потока

В п 6 4 рассматривается работа системы с использованием только управления подачей волокнистого материала в зону формирования Работа в этом случае реализуется следующим образом Подача волокон в зону формирования контролируется одним датчиком управления подачи Д2 Если сигнал от датчика меньше пороговой величины, то подача волокон в зону формирования продолжается, в противном случае подача волокон в зону формирования прекращается Сдвиг волокнистого потока в зоне формирования осуществляется на фиксированную величину и с постоянной скоростью Исследование данного способа показало, что оптимальным будет выбор точечного датчика и расположение его на расстоянии от выхода из зоны формирования, равным средней длине волокна При этом возможно уменьшение неровноты по сравнению с неуправляемой моделью в 1,25 раза

В п 6 5 приводится исследование модели с управляемым шагом отвода волокнистого потока Работа модели заключается в следующем Подача волокон в зону формирования осуществляется непрерывно Отвод реализации осуществляется с постоянной частотой, однако величина сдвига потока может меняться на основе информации, полученной от датчика контроля толщины потока в зоне формирования Задаётся связь между толщиной потока, контролируемой датчиком, и величиной сдвига потока Исследование показало, что данный способ не позволяет уменьшить неровноту потока по сравнению с неуправляемой динамической моделью формирования потока

В п 6 6 рассматривается комбинированный вариант управления на основе методов, описанных в п 6 3 и 6 4 При этом в зоне формирования размещаются 2 датчика, каждый из которых характеризуется местом положения, протяженностью зоны контроля и пороговой величиной

срабатывания. Проведенные компьютерные эксперименты для этой модели показали, что в этом случае достигается уменьшение неровногы волокнистого потока по сравнению с неуправляемым формированием в 1.5 раза. При этом датчик, управляющий подачей волокон должен быть распределенным с протяженностью, равной средней длине волокна, располагаться на выходе из зоны формирования. Датчик, управляющий отводом потока, должен быть размещен в центре зоны формирования и иметь протяженность зоны котроля, равную 3-4 величинам средней длины волокна (см. рис, 6),

Успоьиг зкегиеримемтв

= *<Млнь;я= 300 мм., т =100текс,Ст, - 0.4твкб|

Т ъпим.,с, = о

НвЛрШИ1ДОМЫй ГРАНИЦ ЗОНЫ фОРШрОВЯЧ ин

С^, иерилшлна /штока

: аяшгов/аатпногошзквитчяЛмпяа»

Рис. 6

Таким образом, показано, что комбинированный способ управления обеспечивает наилучший вариант управления из 4-х предложенных способов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

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 и итерированного 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 комплексности 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

10 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

Публикации, отражающие основное содержание диссертации:

1 А В Грачев, А Г Зиновьев Система автоматизированного моделирования формирования волокнистого потока - М ВНТИЦ, 2003 -№50200300973, 3 с

2 А В Грачев, А Г Зиновьев Система автоматизированного анализа неравномерности гипотетического волокнистого потока с управляемым формированием // Сборник материалов международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2002) - Иваново, 2002, с 33-34

3 Грачев А В, Зиновьев А Г Система автоматизированного моделирования формирования волокнистого потока // Компьютерные учебные программы и инновации - 2005, №1

4 А Г Зиновьев, А В Грачев Система автоматизированного исследования неравномерности гипотетических волокнистых потоков // Сборник статей международной научной конференции "Текстиль, одежда, обувь дизайн и производство" - Витебск, 2002, с 38-39

5 А В Грачев, А Г Зиновьев Разработка эмулятора для исследования неровноты волокнистых потоков //Известия ВУЗов Технология текстильной промышленности - 2007 №6с, с 32-36

Подписано в печать 18 04 07 Формат бумаги 60x84/16 Бумага мноис Уел печ л 1,0 Заказ 172 Тираж 80 МГТУ им АН Косыгина, 119071, Москва, ул Малая Калужская, 1

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 (MDU2).

6.5 Исследование динамической модели с управляемым шагом отвода волокнистого потока (MDU3).

6.6 Исследование модели с комбинированным управлением (MDU4).

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 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 fur die Beurteilung der Unglaichmaissigkait von Garnen Schweiser Archiv fur 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 B. 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 распрямленности 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 fur 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 Л.Н., Хавкин В.П. , Винтер Ю.М., Молчанов А.С. 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 of Text. Mach. Society of Japan, 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. Arano 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 lnstitut 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.-376с.

46. Макетирование, проектирование и реализация диалоговых информационных систем / Л.И.Гудков, Е.И. Ломако, А.В. 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 А.В. 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. А.А. 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.