Исследование методов компьютерного моделированиясистем управления процессом кардочесания двухкомпонентных смесей (стр. 1 )

На правах рукописи

ГРОМОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ

КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

процессом кардочесания

двухкомпонентных смесей

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами

(легкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2012 г.

Работа выполнена на кафедре информационных технологий и систем автоматизированного проектирования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени »

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор

федеральное государственное бюд-

жетное образовательное учреждение

высшего профессионального образо-

вания «Московский государственный

текстильный университет имени

»

профессор кафедры автоматики и

промышленной электроники

кандидат технических наук

-ДАКО»

заместитель директора

Ведущая организация Некоммерческая организация

Учреждение «Центр «СКС»

Защита диссертации состоится «22» марта 2012 года в «10.00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.139.03 при Московском государственном текстильном университете имени по адресу: ул. Малая Калужская улица, д. 1, Москва, 119071

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени »

Автореферат разослан «21» февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.139.03,

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важных задач мирового рынка товаров является установка строгих требований к качеству изделий, выпускаемых всеми отраслями хозяйства, в том числе и текстильной. Качество пряжи в текстильной промышленности напрямую зависит от неровноты продуктов первых технологических переходов, одним из которых является процесс кардочесания.

Обеспечение однородности сырья заданного качества на производстве достигается смешиванием в однородную массу волокон различной природы и свойств в соответствии с компонентным составом. Многокомпонентные смески − это основное сырье для переработки в прядильном производстве.

Стабильность линейной плотности волокнистого материала с требуемыми долями компонентов, составляющих смеску, на выходе кардочесального оборудования является главным условием получения качественной ленты, ровницы и пряжи.

Большое число разработок в этой области основано на проведении натурных экспериментов с использованием производственного или лабораторного оборудования, которые требуют больших трудовых и материальных затрат. Другой подход основан на аналитических методах динамики систем и теории автоматического регулирования, которые оказались недостаточно мощными в связи с обобщенными оценками качества смешивания и свойств смешиваемого материала. В этих условиях метод компьютерного моделирования динамических систем оказывается наиболее эффективным и перспективным для решения задач построения систем автоматического управления (САУ). Реализация метода включает в себя построение модели объекта и системы управления, а ее эффективность связана с возможностью автоматизации исследований.

Целью данной диссертационной работы является разработка методов моделирования и компьютерных моделей смешивания волокнистого материала в процессе чесания на валичной кардочесальной машине и исследование САУ изменением долевого состава волокнистого материала.

Предмет исследования. Объектом исследования являются задачи смешивания и выравнивания продукта в процессе кардочесания на валичной кардочесальной машине и разработки систем управления этим процессом.

Методы исследования. В работе использованы методы математического и имитационного компьютерного моделирования, корреляционного и спектрального анализа, статистической обработки данных, теории автоматического регулирования.

Научная новизна работы.

1. Разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования потока волокнистого материала, описываемого линейной плотностью и компонентным составом.

2. Разработаны алгоритмы компьютерной имитации внутрикомпонентного смешивания на основе загрузки и волокнообмена рабочих органов валичной кардочесальной машины, математические модели процессов межкомпонентного смешивания с учетом долевого состава компонентов и коэффициентов перехода волокон на съемный барабан.

3. Методом статистического моделирования исследованы переходные режимы процессов выравнивания и смешивания долевого состава двухкомпонентной волокнистой смеси.

4. Разработана структура САУ с использованием передаточных функций для оценки изменения и регулирования компонентного состава волокнистого продукта на выходе валичной машины.

5. Разработана система автоматического выравнивания разнородных волокнистых смешанных масс с регулятором линейной плотности и регулятором долевого компонентного состава.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Эксперименты с применением методов математического и компьютерного моделирования на построенных имитационных моделях кардочесальной машины и САУ позволили выработать рекомендации по обеспечению заданного компонентного состава смеси, проверить и оптимизировать структуру системы автоматического управления долевым составом. Это позволяет усовершенствовать процесс чесания волокнистой массы, снизить неровноту волокнистой массы по линейной плотности и компонентному составу.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции “Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2009)” (г. Москва, МГТУ им. , 2009); на всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов “Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности (Дни науки 2009)” (г. Санкт-Петербург, СПГУТД, 2009); на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов “Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск-2009)” (г. Иваново, ИГТА, 2009); на международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики и региона (ЛЕН-2010)” (г. Кострома, КГТУ, 2010); на международной научно-технической конференции “Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2010)” (г. Москва, МГТУ им. , 2010).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи, входящие в список изданий, рекомендованных ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 55 наименования и 1 приложения. Основное содержание изложено на 162 страницах, в т. ч. приложение на 12 страницах, содержит 54 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование выбора темы и доказывается ее актуальность, излагается научная новизна и практическая значимость работы, формулируются цель и задачи исследования.

Первая глава посвящена обзору работ по математическим моделям, описывающим задачи смешивания и выравнивания процесса кардочесания валичной кардочесальной машины при переработке многокомпонентных смесок. Рассмотрены исследования процесса чесания при переработке однокомпонентных смесей и основные типы схем систем автоматического выравнивания линейной плотности волокнистого материала (ВМ). Приведены основные факторы, влияющие на однородность выпуска одно и многокомпонентного продукта кардочесальной машины, которая должна контролироваться системой управления.

Во второй главе изложены разработанные математические модели изменения компонентного состава ВМ в динамических режимах процесса кардочесания на валичной чесальной машине с одним выпуском и системами рабочий – съемный валики. На основании рассмотрения основных зон перехода волокон между трущимися поверхностями рабочих органов была построена модель движения волокнистой массы внутри машины с учетом линейной плотности продукта (рис.1-а) и с учетом транспортного времени запаздывания (рис.1-б) по условным зонам чесания.

а) б)

Рис.1

Соотношения, описывающие преобразования линейной плотности внутри однокомпонентного ВМ, имеют вид:

где t – текущий момент времени; gi(t) – загрузка ВМ на i-ой зоне чесания; τi – время транспортного запаздывания волокнистой массы на i-м участке барабана; λ – коэффициент съема съемного барабана; β – коэффициент выпадов сорных примесей волокна из питающей загрузки; Ksi − коэффициент перехода волокна с главного барабана на i-ую рабочую пару.

Для двухкомпонентного ВМ зависимость фактического коэффициента съема от долевого компонентного состава волокнистого потока была аппроксимирована линейными зависимостями следующего типа:

где λiфакт – фактический коэффициент съема i-го компонента в ВМ; Λi – среднее значение коэффициента съема i-го компонента в ВМ; ∆λ – коэффициент чувствительности; P0i – доля i-го компонента от общей доли ВМ; g1i(t) – загрузка i-го компонента ВМ.

С моделями были выполнены эксперименты, которые подтвердили наличие неровноты по компонентному содержанию волокнистой массы на выходе и позволили ее оценить с помощью оценок среднего значения доли компонента смеси, среднеквадратического отклонения (СКО) и коэффициента вариации (КВ).

В первом эксперименте варьировались коэффициенты съема для компонентов. Это позволило оценить неровноту компонентного состава смеси. Результаты эксперимента, представленные табл.1, показали, что как при разных, так и при одинаковых коэффициентах съема независимо от закона распределения питающей загрузки длительность переходного режима по линейной плотности для каждого из компонентов различна. Поэтому и длительность переходного режима по долевому составу компонентов отличается от длительности переходного процесса по линейной плотности. При синтезе системы автоматического регулирования (САР) необходимо учитывать это различие динамики процессов преобразования для компонентов, составляющих смесь.

Второй эксперимент был проведен для оценки влияния коэффициента чувствительности на изменение компонентного долевого состава ВМ. Результаты эксперимента показали, что при увеличении коэффициента чувствительности увеличиваются случайные вариации в переходном процессе долей компонентов.

Таблица 1

Коэф. съема компонентов:	Расход продукта на входе ЧМ	Среднее значение доли	СКО	КВ, %
1-го	2-го	компонент	компонент	компонент
1	2	1	2	1	2
0.1	0.1	1*	0.298	0.702	0.049	0.049	16.44	6.98
0.08	1*	0.319	0.681	0.053	0.053	16.48	7.78
0.1	2*	0.298	0.702	0.049	0.049	16.31	6.98
0.08	2*	0.317	0.683	0.052	0.052	16.39	7.61
0.1	3*	0.357	0.643	0.058	0.058	16.29	9.02
0.08	3*	0.380	0.620	0.062	0.062	16.37	10.0
0.1	4*	0.325	0.675	0.053	0.053	16.33	7.85
0.08	4*	0.351	0.649	0.058	0.058	16.39	8.94

1* - Случайный по нормальному закону; 2* - периодический по гармоническому закону; 3* - ступенчатое изменение; 4* - случайный по равномерному закону

Третий эксперимент был проведен для исследования автоматической системы регулирования с использованием ПИ-регулятора в обратной связи. На вход машины поступал двухкомпонентный ВМ в пропорции 30% x 70%. Линейная плотность ВМ на входе чесальной машины (ЧМ) моделировалось вероятностным временным рядом с коэффициентом вариации 20% для первого и второго компонентов. Значения параметров передаточных функций первого и второго компонентов представлены таблицей 2.

Результаты эксперимента представлены графиками переходных процессов, изображенными на рис.2. Кривая Р3 показывает изменение разностной характеристики компонентов (Р1–Р2) в общей доле смеси.