Введение к работе
з
Актуальность темы. Современное высокопроизводительное печатное оборудование оснащается автоматизированными системами управления (АСУ), способными обеспечивать как его предварительную настройку под конкретный заказ, так и текущее управления ходом печати. Высокие скорости работы рулонных печатных машин (РПМ) предопределяют наличие интенсивных нагрузок, в результате действия которых учащаются обрывы ленты, растет амплитуда колебаний ее натяжения, а также образуются провисания бумажного полотна. Из-за этого растет количество брака и снижается эффективность использования дорогостоящей рулонной печатной техники. Лентопроводные и краскопитающие устройства рулонных печатных машин являются объектами сложных нелинейных, нестационарных и многоконтурных систем автоматизированного управления технологическими параметрами с существенным чистым запаздыванием, которые находятся под действием различного рода как монотонных, так и колебательных возмущений. В связи с этим возникает потребность в развитии теории и проведении вычислительных экспериментов, которые позволяют выделить и проанализировать те динамические явления, которые ранее по разным причинам не принимались во внимание. Разработка теоретических методов и математическое моделирование дают возможность исследовать типовые режимы работы систем управления подачей бумаги и краски, а также установить важные закономерности их взаимодействия в рамках единого динамического комплекса. Это позволяет определить новые подходы к проектированию конструкций этих устройств, разработать более качественные методики настройки систем автоматизации для того, чтобы повысить эффективность эксплуатации рулонного оборудования, а также обеспечить высокое качество печати.
Цель работы состоит в разработке методологии исследования и проектирования автоматизированных систем управления в рулонных печатных машинах для повышения качества их работы на высокоскоростных режимах и в условиях действия интенсивных возмущений. Работа выполнялась в
4 соответствии планами госбюджетных научных исследований кафедры автоматизации полиграфического производства МГУП.
Данная цель обусловила постановку следующих задач исследования:
на основе анализа известных лентопитающих устройств выявить основные тенденции развития системы управления натяжением ленты и определить их типовые структурные схемы;
провести сравнительный частотно-динамический анализ типовых систем управления натяжением ленты для определения качества их работы по их динамическим характеристикам;
разработать методику расчета и проектирования автоматизированных систем управления натяжением ленты, обеспечивающую повышение качества их функционирования при действии вынужденных колебаний;
разработать методику исследования нелинейных и нестационарных систем управления натяжением ленты с целью анализа их динамики при наличии параметрических возмущений, обусловленных эксцентриситетом и овальностью рулона;
провести теоретический анализ автоматизированных систем управления приводкой красок и сформулировать принципы математического описания задачи приводки в многокрасочных РПМ;
рассмотреть закономерности построения систем автоматизированного управления подачей краски, обобщить результаты их экспериментального и теоретического исследования, а также определить направления исследования их динамики на основе методов математического моделирования.
разработать теоретические основы исследования динамики движения краски в красочных аппаратах, позволяющие определять их динамические свойства и частотные характеристики на этапах их конструкторского проектирования и подготовки технических заданий.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы частотного анализа, аппарата теории обыкновенных дифференциальных уравнений, операционного исчисления, z-преобразования
5 и структурных преобразований, векторной алгебры, численные методы анализа динамики непрерывных и дискретных систем с помощью современных пакетов компьютерной математики (MathCAD, Matlab, Simulink, Maple). Научная новизна работы:
1. Разработана методология частотно-динамического анализа
лентопитающих устройств, с помощью которой проведено сравнительное
исследование качества их работы при различных вариантах структуры систем
управления натяжением бумажной ленты и получены зависимости параметров
установившихся колебаний натяжения ленты, обусловленных нарушениями
геометрической формы рулона.
-
Выявлены резонансные явления в устройствах подачи ленты, которые возникают в результате их взаимодействия с параметрическими колебаниями, обусловленными нарушением идеальной геометрической формы рулона.
-
Разработаны математические модели систем управления натяжением ленты, реализованные на базе современных средств компьютерной математики, с помощью которых могут проводиться вычислительные эксперименты по исследованию особенностей их динамики при различных вариантах структуры, типов управляющих устройств и внешних возмущений.
-
Впервые получено интегральное уравнение приводки, которое использовано для построения различных математических моделей автоматизированных систем управления совмещением оттисков в многокрасочных рулонных печатных машинах.
-
Разработана методология математического моделирования систем автоматизированного управления приводкой красок с учетом упруго-вязких свойств ленты, которая показала хорошее соответствие имеющимся теоретическим и практическим данным.
-
Исследованы особенности функционирования систем управления совмещением оттисков с цифровыми регуляторами и разработан новый адаптивный алгоритм его работы, обеспечивающий повышение точности совмещения красок в установившихся режимах.
7. Впервые разработан новый аналитический метод векторно-матричного описания динамики красочных аппаратов, на основе которого определяются их передаточные функции и уравнения переноса краски по различным каналам.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:
-
Теоретические основы и методология проектирования систем управления натяжением бумажной ленты, позволяющая связать их рабочие характеристики с технологическими и настроечными параметрами и обеспечить повышение качества их работы при наличии возмущений.
-
Теоретические основы и математические модели систем управления совмещением красок на основе интегрального уравнения приводки, позволяющие исследовать их динамические свойства с учетом упруго-вязких свойств ленты.
-
Результаты вычислительных экспериментов по исследованию динамики систем автоматизированного управления натяжением бумажной ленты, совмещением красок на цветных оттисках при различных вариантах их структуры, алгоритмов работы управляющих устройств и типов возмущающих воздействий.
-
Аналитический метод исследования динамики красочных аппаратов с помощью векторно-матричных преобразований, а также методы приближенного описания их динамических свойств с помощью линейных и дискретных моделей.
Практическая полезность работы обусловлена тем, что ее результаты позволяют повысить качество функционирования автоматизированных систем управления подачей бумаги в рулонном печатном оборудовании. В диссертации разработаны методологические принципы проектирования, расчета и настройки лентопитающих устройств. Выявлены неблагоприятные режимы работы систем управления лентопитающими и лентопроводящими узлами рулонного оборудования и даны рекомендации по их предотвращению. Результаты работы реализованы на полиграфических предприятиях «Пронто-Принт» (г.Москва) и ФГУП «Красная звезда» (г.Москва). Важной частью
7 реализации выполненной работы является ее использование в учебном процессе для повышения качества подготовки специалистов-инженеров. По итогам научных исследований были подготовлены три учебных пособия, написаны учебно-методические руководства по курсам «Технические средства автоматизации и управления», «Технические средства автоматизации» и «Системы автоматизации и управления», а также выполнен ряд магистерских диссертаций и значительное число дипломных проектов.
Конкретное личное участие автора выразилось в научном обосновании методологии исследования автоматизированных систем управления в рулонных печатных машинах; в развитии их теории и проведении вычислительных экспериментов. Основные положения диссертации опубликованы в 35 авторских публикациях, 13 научных трудов были подготовлены при ведущем участии автора, а 4 публикации при равном участии авторов. В диссертацию включены только те положения, которые принадлежат лично автору.
Степень обоснованности научных положений и выводов диссертации основана на применении фундаментальных законов физики и методов математического анализа, их непротиворечивости физическим предпосылкам и качественном совпадении с результатами других исследований, опубликованными в научной, технической и справочной литературе, а также достаточно широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях.
