автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Развитие способов управления электротехническими системами роботизированных пневмомеханических прядильных машин

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ А.Н.КОСЫГИНА

На правах рукописи

УДК 681.5.015.24:677.052.48(043.3)

ПРАВДЮК Александр Борисович

РАЗВИТИЕ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ РОБОТИЗИРОВАННЫХ ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЯДИЛЬНЫХ МАМИН

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

' ' . А р Т О РЕ Ф ЕР А Т ;

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Московской Государственной текстильной академии их.А.Н»Косыгина.

Научный руководитель' : 1 доктор технических наук. - . профессор Петелин Д.П.

Официальные оппоненты: .доктор технических наук.

- • член-корреспондент, академии

инженерных наук Володин В.М.

• -'• " ..." ' ''"'у' •• * г/ -/г .. . ' \ '.■•■.■'.

'г ' кандидат технических наук, доцент Поляков А.Е.

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский институт хлопчатобумажной промышленности 1ЦНИХБИ).

Зачита- состоится "..

¡ршфк*- 1933 г. в часов на заседании специализированного совета К 053,25.08 в Московской государственной текстильно* академии им;А.Н.Косыгина' по адресу; 117-918, Москва,М,Калужская,1 ■

С диссертацией.момно ознакомиться-в библиотеке Московской государственной текстильной академии. ■ '

Автореферат разослан "_

¿(.¿¿¿¡/М 1993 г.

Ученый секретарь ч

специализированного совета, кандидат технических наик,доцент

Ёмакнн Л. И.,

.:"■■ . ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РйБОТа

- Актуальность темы. Разработка методологии и теории построения и функционирования робототехнических комплексов на предприятиях легкой и химической промышленности— одна из ваянейших задач б ряде про'блем гуманизации современного индустриального общества. Запыленность помещений, токсичность веществ,чрезви- . чайно монотонный труд, делают работу на современных предприятиях тяяелой й опасной. Невозмовность применения типовых робото-технических комплексов объясняется словностью и гибкостью тйх-нологического процесса.

Гибкос+ь характеризует возмоаности изготавливать на одном и том ие оборудовании разные модификаций одного и того яе изделия Или разные изделия и быстро переходить от одного производственного процесса к другому. Эхо определяет актуальность и народнохозяйственное значение научных разработок по созданию нового типа систем управления технологическими Процессами и производствами - роботизированных автоматизированных систем управления (РОЙСЯ),в которых подсистемы роботов-исполнителей функционируют в весной взаимосвязи и взаимозависимости с подсистемой управления АС9ТП. Эта в полной мере относится и к прядении и обуславливает необходимость поиска новых ремений в организации й управлении технологического процесса .Экономичность прядения в значительной степени зависит от скоростных режимов, а такте степени его автоматизации и роботизации.

Работа выполнялась в соответствии с Постановлением СМ СССР N 633 " Об ускорении развития мавиностроения для легкой и пищевой промышленности и значительного повышения технического урпв-нй технологического оборудования".

Главная цель работы, состоит в разработке теории и способов упра&лзния электротехническими системами роботизированных пневмомеханических прядильных на1ин,п0вы«анцих: их производительность за счет внедрения РОАСУ.Эта цель включает в себя*/речение' следующих задач: .

- создание алгоритма имитационной модели и идентификацию роботизированной пневмомеханической прядильной машины как объекта управления скоростными реяимаки; * ^

- разработку, и исследование двухкоординатной системы сэя-

заннши управленца скорости выпуска пряжи в функции обрывности и подачей ленты питающими роликами пневмомеханической прядильной мамины для обеспечения постоянства линейной плотности прями; . / ''■.''•■■.■' . •. ''

- возмояную реализацию микропроцессорной двухкоординатНой системы связанного управления^скоростными.режимами мамины;

- разработку и исследование алгоритмов управления, автоп-рисучальщиков пряжи на пневмомеханической прядильной мамине;

- разработку алгоритма оптимального управления перестановкой автоприсучальцика при его избирательном двйжении для лйк видации обрывов прями на мамин?. " !

Системы управления скоростными рвжимами мамины и точного быстрого позиционирования автоприсучальдиков прями осуществле ны на.базе управляемых электроприводов постоянного тока.

.На защиту выносятся: у. • ^

- алгоритм имитационной модели технологического процесс^ пневмомеханических прядильных машин и структурная схема пневмопрядильного робототехнического комплекса; • ',..'

- двухкоординатная следящая система связанного управления скорости выпуска пряхи и скорости расчесывающих барабанчиков' для обеспечения выпуска прями постоянной линейной плотности; ' . ' - . .

- алгоритмы управления и позиционирования автоприсучальщи-ков пряяи при их избирательном движении для ликвидации обрывов прями ;

-результаты моделирования и экспериментов.' -

' Методы исследований.: '

Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования, проведенные современными математическими и инструментальными методами. Использовались тесрия вероятностей, теория цифровых систем автоматического управления,методы математического моделирования и,оптимизации технологических процессов.

: Научная мовизна, * '

Новизна работы состоит в 'том , что разработана алгоритмы и ярогрйкми управлении средствами ро'бьткзации, позволяющие бистро реагировать и управлять' релкмами работы азтоприсучллыаиков длч "¿гранения обрывов т;; •:

■ ' ' V ■ : -'5 - . • ■ ■ '"■'■ ' , Впервые ра&работана двухкоордийапйя следящая система для связанного управления скорости выпуска пряян и скорости Подачи ленты пйт,авщими роликами для обеспечения выпуска пряяи постоянной линейной плотности.i разработан алгоритм имитационной модели технологического Процесса пневмомеханических прядильных йаиин. осначенных средствами роботизации, выявлена иестационарность и нелинейность Ьбьекта управления,' а такяо Показана его вероятностная.природа. -

-1 \ ','■ , .

Практическая ценность работы. '•

Создан коыплекб ^алгоритмов и программ расчета на ЭВМ, поз- ' воляющих разрабатывать и оценивать свойства электротехнических систем управления.скоростными реяимами и точного быстрого по-' зиционирования ав'топрисучальвиков для устранения обрывов пряяи на пневмомеханических прядильных лавинах. .

Полученные результаты позволят облегчить управление в комплексной электротехнической системе, повысить производительность технологического оборудования,сократить, затраты прядильного производства, устранив•технологический переход ,(снование),так как микропроцессор лоз'воляет поддеряивать постоянной наработку

на всех бобинах. 'V

.1 ' ■.'•', >

Апробация работы .

Результаты работы использованы при проведении НИР ка4"?ярн автоматики и промэлектроники ИГТА , в учебном процессе при подготовке иняенеров по специальности "Автоматизация технологических процессов и производств".апробированы в лабораторных условиях.

Материалы работы долоаены и обсуядены на конференциях пи автоматизации на В'Ш и в Доме научно-технического твор'^ст-' ва.конференциях молодых ученых,пр'офессорско-пр5подавательскш о состава МГТА.на семинарах и заседаниях кафедры автоматики и промэлектроники 1987,-1993 г.г..

Публикации. По материалам диссертационной работ» опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы из 50 наименований и приложения.Работа изложена на 150 страницах машинописного текста.содержит,10 таблиц,30 иллюстраций.

. V ..■■;:■•■' ■■':■■;-.в-;. \ ■

ОСНОВНОЕ -СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ .

Во введении изложены' основные проблемы,связанные с задачами, сТояцими перед легкой промышленность»,их возмовным разреие-ниеи с помоньп ГйП (гибких автоматизированных производств), РОЙСУ (роботизированных автоматизированных систем управления). Показана необходимость создания микропроцессорных , устройств контроля и управления прядильными мааинами, разработки электротехнических систем управления скоррстными режимами и быстрого . позиционирования автоприсучальиика на роботизированном пневмоп-рядильнои комплексе.Отмечена актуальность темы диссертационной работы . ■ : vf .. /

Глава 1'.. Обзор современного состояния, уровня автоматизации, характеристик прядильных мамин и вырабатываемой прями.цель и задачи исследования.;'

, Произведенный анализ литературных источников показал.что суцбствуицие мавины зарубежных фирм "SfitflQ" (Италия)."RIETER" . (Швейцария)."SCHLAFHORST"(®PrУ."TELDIX'tФРГ)."ЗЛИТЕКСЧ Чехословацкая республика)."Sussen"( ФРГ) хиромо автоматизированы, имеются регулируемые электроприводы и роботы-автосъемники и автоприсучальцики (у некоторых из них). (

, Но все роботы используют жесткие программы,не имеется воз-ковности оперативно реагировать и перепрограммировать движение соответствующего робота в эпицентр обрывности. ,

Приведены сравнительные характеристики маиин "ftutocpro".

БД-200 (разных модификаций) и БДА-Ю.а также характеристики . пряжи с разных маиин. .

Сделана выводы.в которых подчеркнута возможность структурных изменений в прядильном производстве,связанных с раз-работной РОйСУ.совмещенных производственных процессов и одно-иерехсг.ной системы пряденйя "кипа-пряжа" (как пример такой реализации).Развитие способов управления электротехническими системами роботизированных пнзвмопрядяльнкх кавнн производится в целях повышения качества внпускавмнх пряя,а также повнявии» производительности труда . :

. f рева'Роботизированная -пневиЬпрядияьная ..«aevna -ка« '■объект управления.j ' " ( ц ■' л '

Теологический процесс формирования пр«и является достаточна сложным и имеет pan характерных особенностей.Проведьна

оценка подготовленности прядения к Автоматизации, характеризующаяся уровнем набладаемости,и управляемости.Определены входные и выходные параметры Ьбъекта.характер действующих возмущений. и режик работы.Использовав кибернетический подход,когда априорно на основе существующих представлений о процессе можно назвать виды воздействий,возмущений^входные параметры.Определены связи между входными и выходными .координатами,которые е неявном виде могут быть записаны так: . ■

' У=Г(ХММ,

<Г).

где У-вектор выходных параметров (обрывность,коэффициент . -ненаматывания, производительность. Физико-механические показатели пряжи);

Аувектор входных, воздействий (скорость выпуска пря-; жи,частота вращения 1 прядильных камер и расчесываниях барабанчиков); . ■ • • '. ; ■ ,• . '

'*-бектор неуправляемых контролируем«* возмущений (тем-•пературно-влакностный рбжии в.цехе.лийейная плотность пряжи, состояние оборудования); ^ '

t-RGKTop неконтролируемых возмущений (физико-механические показатели полуфабриката,квалификация обслуживающего персонала.Усталостные характеристики работников,технические характеристики роботов,число прядильных мажинь

В зависимости от критерия автоматического управления скоростными режимами за выходные параметры можно принять -оорыз-ность¡производительность',показатели качества пряжи, а при экономической Формулировке критерия-себестоимость и прибыль.

Представлена структурная модель роботизированной пневмоп-рядильной мавины как объекта управления (рис.1),где' ИВьы скорость выпуска, Г1к -частота вращения прядильных камер, частота вращения расчесывающих барабанчиков,\)- интенсивность обрывности.п -количество простаивающих "Прядильных, камер 'вследствие обрывности,П-производительность,К- показатель качества пряжи, 2f роб-скорость робота.Возмущения обозначены по каналам соответственно : 1-обрывностьУ1>,11-о'бслущивание У/;. 111 -производительность. IY-качество Удг.

Канал обрывности раскрывает связь, между интегсивк'остьп^ обрывности и скоростными режимами прядильной маийнн (а,Пк,Ы). Возмущение учитывает качество: сырья.состояние технилогичес-

С;

-S-

сз

о Е

î о ti 0) .>

О

о

с?

' ..' 7 9 - . '

кого оборудования и темп'ературно-влаяностный реним в цехе. Канал обслуяивания раскрывает связь меаду количеством простаивающих прядильных мест и обрывностью \) .В качестве.возмущения

*Рп учитываются факторы обслувивания, которые,в свою очередь,, зависят от множества неконтролируемых величин, например , безотказности работы робота . Канал обслу«ивания и скоростные реяимы машины определяют свойства канала'производительности. Канал качества характеризует зависимость качества пряаи от интенсивности обрывности, являющейся функцией скоростных режимов мааинн. В качестве возмущения' ^к учитываются те не факторы, что и по каналу обрыЕНости.

Рассмотрен канал обслуяивания с позиций теории массового обслувивания,представляющий одноканальш/ю систему с экспоненциальным законом распределения интервалов времени между следующими друг за другом событиями возникновения и ликвидации обрывов.Окончательно, система уравнений,характеризующая производительность прядильной мапины, имеет вид • .

¡]^кпк(т-п}Кп&к,;

^ - Ы Ирод),

й шгмшмз; &-ШсШспмтт

где. л! г интенсивность обрывности на машине, Д|-обрывность , отнесенная к одной камере, одном местеС складывающееся из

величин уровня обрывности пряки и ленты,^брывность на одном месте,возникающая в результате неуспеваемости,смены паковок: (Г- среднее время ликвидации обрыва без учета смены па-ковки;/^/^^- коэффициенты потери контроля,удельных затрат времени по уходу за оборудованием,полезного времени'.Сс^СщСуХ, щС-Аот времени,затрачиваемое роботом на съен бобин, смену паковки, уход за оборудованием (профилактическая чистка и т.п.) и прочие операции, на выполнение'пс-рекрнвземых операций (за-исключением ликвидации обрывов >;£>/^/-взс паковки и бобины.

В системе уравнении учтена обратная связь.которая проявляется ь увеличении обрывности.приводящей к росту количества простаивающих прядильных камер,что в свою очередь скияает обрывность, то есть объект обладает свойством с«монкрйр!П)?онич ао обрывности.На управление Технологическим процессом здмет дрч-

' - 10 -

гие параметры.например,скорость выпуска. < >■

Необходимо;было совместить асинхронный принцип поступления заявок в СМО и синхронный принцип .отработки управляющих воздействий в реяиме автоматического управления. Проведен активный эксперимент с последующей обработкой полученных' данных методом регрессионного анализа. Получено уравнение регрессии.-

\)=-/686-37,266 V -1.425Ш*0,ЩПк - - '

Разработаны алгоритмы и программы,позволяющие смоделировать процессы,где/, определяются оптимальная скорость выпуска и рациональный путь следования робота« что обеспечивает минимум обрывности и максимум производительности при .обслуживании одним роботом одной пневмопрядильной мачины.А; такяе программа для микропроцессорной реализации подсчета количества обрывов на машино. -V - ■ V.-■:.-:•■ ,

Глава З.Льухкоординатная следящая система управления скорости расчесывающих барабанчиков в зависимости от скорости выпуска прям на пневмомеханических прядильных маиинах. ■

В процессах пневмопрядения существует экстремальная зависимость обрывности-скорости выпуска пряхи,а возмущения .вызывают дрейф экстремума обрыва от .скорости выпуска,что требует подрегулирования выпуска,с помоцью адаптивной системы управления, •■■. л-;-;/ - ■ ; , ■ ' ■ :у ■ Разработана двухкоординатная следящая система. приспособленная к управление скорости выпуска для сохранения высокого качества пряви, где осуществляется автоматическое управление подачи волокна в прядильную камеру. Функциональный преобразователь Пх) отражает трзбуемук технологическую зависимость мея-ду сй'орсстью выпуска 1фя«и (координата "*") и подачей ленты питающими роликами (координата'"у").: 4

Процессы в двухкоординатной сттеме управления при замещении управляющих устройств НИх.Ь'ау безинерциониыми звеньями с коэффициентами усиления,соответственно .Кх и. Ну и исполнительных механизмов ИМх.ИМу интегрирующими звеньями,характеризуются следующими уравнениями

§ --Ш-ГуШр-УП ^^КиЬ-К^(^р-У)

-У/.

Fx

•у г i Л

> -у

¿7 ¿(У* ИМ*

Л

£z

УУу

mt~Tï

Рис.2

Рис. 3

■'.■:.■.;..• 12 -С линейном приближении в операторной форме при нулевых начальных условиях ;

С 5)

v - Kx(p+KyKz) „, ,

¿/ш- fafafeK —_yfp)

т Р[Р'ХФ±Ш1] >

При типовых воздействиях система уравнений после преобразований имеет вид,где К0=КуК2+КхКК1 \

r f дуулV X

Л(р)~ Ко рг + Ко р/рф)

У/л.- K*Kufa JL К* К К* / (6)

rip)~ ко Р* Ко pfp+fa:

где Ку,Кх,К1,К2,К0 -коэффициенты усиления.Е1,Е2,Еу-ошибки, a Fx . Fy - характеристики нелинейных элементов.

Проведено исследование двухкобрдинатной системы 'с целью достишения точности воспроизведения и динамики системы.Результаты проверялись с помочью моделирования. Структурная схема управления процессом пневмомеханического прядения, включающая двухкоординатную следящую систему с функциональным преобразователям приведена на рис.?.. Ее аппаратная реализация на базе микропроцессорной техники - на рис.3.Функциональная блок-схема алгоритма рассматриваемой системы - на рис..4 а).схемы алгоритма расчета ошибок Е1 и Е2- соответственно б) и в).

Получено семейство характеристик программных функций , иллюстрирующих различные случаи.Сделаны выводы и даны рекомендации по выбору параметров систему и проведен анализ переходных процессов в системе.

Глава 4. Алгоритмы управленкд средств роботизации пневмомеханических прядильных мамин.

Поставлена и решена задача выбора алгоритма оптимальней траектории движения робота.

■ Рассмотрено управление.'приводом оптимальное по быстродействию.Для маломощного приепда перестановки силовая часть описывается уравнением без демпфирования

jEL-U '

dt

I

ÄA .

ПшШл

ЛКШЙШАЦМ Л/2 ff/>ea£/>A3ÛÈ4/l7£A*

I

fiâ/rvvaw ¿uppfff-С X7, СУЗ

I

алщеление CynrfnoíxJ

мрел&геше С £ ti j CêuJ'ÎM-Ît/J

I

PAC/en? C£dJ u C¿21

C¿/2¥*j7Ó/

Ш/Ц £¿¿¿ ¿2

а

Pul . 4

- 14 -

где.Х - координата перемещения,- управление.

Быстродействие системы ограничивается предельным значением ускорения привода.Для электропривода ограничение по ускорению определяется предельным значением его вращательного моментаШм или,что одно и то ¿е, допустимым током якоря 1л двигателя независимого возбумдения . >. 1

4 Чм<Р1я <«>..

Тн~ коэффициент определяемый конструкцией двигателя

Определено/управление//М,обеспечивавшее .быстрейшую переста новку автоприсучальчика ' .

ИШ-Ъ1дп (£г-Си), с9)

то есть требуется релейное управление.

Описана модель комплекса "Робот - прядильная нашина".Введен вспомогательный математический аппарат,позволяющий проанализи-ровати влияние траектории движения на количество недовыпущен-ной (из-за остановов),пряни.Решена гадача оптимизаций для общего и частных случаев (разные скорости выпуска прядильных камер, двивенйе робота равномерное и с ускорением,когда имеется эпицентр обрывности,то есть много обрывов): \

Даны 2 классификации состояния робототехнического комплекса.Проанализировано влияние траектории движения на • эффективность работы всего комплекса.Введены новые понятия -"прогон" и "зигзаг".Доказана Лемма и Теорема о "зигзагах"и "прогонах".

ОБЩИЕ БЫВОДН ПО РАБОТЕ

1.Установлено, что технологический процесс на участке роботизированных пневмомеханических прядильных мамин представляет собой нестационарный, нелинейный объект управления вероятностной природы. ^ : ; ,

2.Разработали алгоритм имитационной модели технологического процесса пневмомеханических "прядильных, машин, и определена структура управления скоростными режимами. в качества управлявшего воздействия принята скорость.выпуска пря*и о функции ее еорыв/юсги.

З.Разработанадвухксординатнал следящая система управления , скоростью расчесывающих барабанчиков в^зависимости от скорости выпуска. пря'щи• 'на...пн9В'м.омехзничёских -прядильных.' • ка-

¿4 7Р

? . .. . .г -К- ..... «инах.. . : '.'..'.-V . • '-..■.:'" "У - •■ ' ■ ■

4.Дано обоснование функционирования двухкоординатной следящей системы с функциональный преобразователем и нелинейными элементами в обоих каналах управления. В двухкоординатной следящей системе, по одной координате система раэоык-

• нута. ■ а по другой замкнута по принципу отклонений. По последней задается максимально допустимая ощибкз. а по обеим координатам максимальные значения скорости. ^

5.Разработана теория' двухкоординатной следящей системы с функциональным преобразователем при принятых допущениях с учетом нелинейностей системы на фазовой плоскости с определением фазовых портретов, ив линейном приближении. Даны рекомендации ' по выбору параметров системы и проведен анализ переходных процессов в системе-методом экспериыентально-тео- . ретического моделирования.,.

8.Кредлоязна микропроцессорная сКема управления робототех-ническим комплексов,главной частью которой является двухкоор-динатная следящая система с функциональным преобразователен, приведено программное обеспечении. .'■ •'•■".

* 7.Дана с/ценка влияния траектории движения автоприсучальщм-на на эффективность работы робототехнического: комплекса,разработана задача оптимизации движения автоприсцчалыцика для общего и частных случаев (двияение робота равномерное и с ускорением,когда имеется эпицентр обрывности).

• 8.Создан комплекс алгоритмов и программ расчета на ЭВМ, позволяющих оценивать свойства.электротехнических систем управления скоростными реяимами на принципах оптимального управления по быстродействию электропривода постоянного тока и перестановки автоприсуч^льщика в эпицентр обрывности на прядильной машине. •

Основное содержание работы отражено в следувщи;: публикация:?: ,

1. Правдюк ft.B.- ftUTOMHTIC IN TEXTILE, -тез. докл.на молодых цченнх МТИ,1985,1с;

2. Петелин Д.П..Правдвк А.Б.ГЙВ в текстильной .проикален-ности.- гез,.-. докл. нз всесоюзной конф. по .робототехнике 'в Доме научно-технического творчества,. М.. .19Ь'3,2п,

3. Правдюк й .Б.Двухкоординатнай. Cfi'J скирсстью выпуска прчяи. тез. стенд, докл. на всесоюзной кокф. по *бток.?лк?.ауи!5 в текст, аром..И.:,ВДНХ, 1930.tc

-16 - : .

4. Правдвк А.Б.1]невмомеханичесЦея прядильная машина"как. объект управления скоростными режимами.//Изв. вузов. Техн. текст, пром.-1991,111.с.90-94.'. ' ;

5. Ермолаев Ю.А..Рыжкова Е.А..Араввшк А.Б. Скользящие режима для синтеза нелинейных функциональных преобразователей в оптимальных по быстродействия'Системах автоматического .управ-., лемия.-меязузсвский сб. науч.' трудов, МГТА:,1993. с.70-?8

Подписано в печать II.II.93 Сдано производство П.Д«33 Формат бумаги 60x84/16 ■ Бумага множ.

9сл. печ'. л. х,0 Уч.-изд. л., 1,0 ' ,

Заказ 645 Тираж ВО'4' ■ '

•--------------------—-------------------г_—^-------------

Ротапринт МГТА,. 117419. ЦосКЕа. .Донская; 26 ; .