Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные особенности управления процессом шлихтования в пене
1.1. Краткая характеристика процесса 9
1.2. Управление процессом приготовления пены, основные параметры пены 10
1.3. Управление процессом нанесения пены 18
1.4. Основные показатели ошлихтованной основы 22
1.5. Особенности сушки ошлихтованной основы 28
Выводы по главе 1 34
Глава 2. Динамика процессов сушки волокнистых материалов
2.1. Анализ описаний динамики процессов сушки текстильных материалов 35
2.2. Динамические характеристики устройств, входящих в систему управления процессом сушки основы после шлихтования в пене 47
2.2. Динамические характеристики пеногенератора 48
2.2.1.1. Канал «частота вращения вала — кратность пены» 50
2.2.1.2. Канал «расход шлихты — кратность пены» 51
2.2.1.3. Канал «расход воздуха — кратность пены» 53
2.2.1.4. Регрессионный анализ экспериментальных результатов 54
2.2.1.5. Математическая модель процесса приготовления пены в пеногенераторе 59
2.2.2. Динамические характеристики конвективной сушки основы после ее шлихтования в пене 60
2.2.2.1. Описание экспериментальной установки 61
2.2.2.2. Методика эксперимента 64
Выводы по главе 2 67
Глава 3. Разработка и анализ системы автоматического управления сушки текстильных материалов при пенном шлихтовании
3.1. Динамические характеристики одноконтурных систем управления 68
3.2. Динамические характеристики двухконтурных систем управления 85
3.3. Динамические характеристики трехконтурных систем управления 92
3.4. Дискретная модель системы управления процессом сушки основы по трем контурам управления 99
3.5. Система сушки основы на базе искусственной нейронной системы 104
Выводы по главе 3 109
Глава 4. Техническая реализация системы управления процессом сушки основы
4.1. Основные элементы системы автоматического управления процессом сушки основы при пенном шлихтовании 111
4.2. Исполнительные механизмы приводов управления заслонкой защитного кожуха и валом турбины пеногенератора 112
4.3. Датчики скорости и угловых перемещений 115
4.4. Тензодатчики для измерения величины приклея 118
4.5. Датчики контроля качества расхода шлихты и расхода воздуха 122
4.6. Датчики измерения влажности основы (ткани) 126
4.7. Микроконтроллеры для управления технологическим процессом 128
4.8. Описание алгоритма работы системы автоматического управления процессом сушки основы при пенном шлихтовании 130
4.9. Программная реализация АСР сушки при пенном шлихтовании 132
Выводы по главе 4 135
Общие выводы по работе 137
Литература 139
Приложения 147
- Управление процессом приготовления пены, основные параметры пены
- Регрессионный анализ экспериментальных результатов
- Динамические характеристики двухконтурных систем управления
- Тензодатчики для измерения величины приклея
Введение к работе
Актуальность темы. Пенная технология шлихтования, по сравнению с традиционным способом, имеет преимущества: снижение энергозатрат и, как следствие, экономия затрат на энергию при подготовке шлихтовального раствора, снижение общего потребления воды, увеличение скорости шлихтования, уменьшение проникания раствора в пряжу, увеличение равномерности слипания волокон, повышение производительности труда. В настоящее время разработаны системы автоматического управления (САУ) пеногенератором с целью получения пены заданного качества. Однако, последующие технологические операции нанесения пены, ее плюсования и сушки не автоматизированы. Поэтому актуальной задачей является разработка САУ процессом нанесения и сушки основы, обработанной пеной, позволяющей осуществлять взаимосвязное управление параметрами технологических процессов в зависимости от возникающих ситуаций. В конечном итоге это позволит снизить потребление электроэнергии за счет меньшего испарения влаги, сократить производственные площади, повысить качество вырабатываемой основы в соответствие с новым технологическим регламентом.
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование сушки текстильных материалов, а также разработка системы автоматического управления (САУ) процессом сушки текстильных материалов, обработанных пеной.
Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач:
-
Анализ особенностей технологического процесса шлихтования в пене, а также процесса сушки текстильных материалов и исследование уже известных методов, средств и технологий процессов сушки, приготовления и подачи пены.
-
Экспериментально-теоретическое исследование процесса сушки основы, обработанной пеной, в сушильной камере как объекта управления и получение ее математической модели.
-
Разработка многоконтурных систем автоматического управления процессом сушки текстильных материалов, обработанных пеной.
-
Моделирование разработанных систем управления для оценки переходных характеристик в процессе сушки.
-
Разработка адаптивной нейронной системы управления, позволяющей корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от величины приклея и влажности на выходе, а также величины возмущения на входе в сушильную камеру (машину).
-
Выбор технических средств для реализации разрабатываемой
системы. Методика проведения исследований. В работе использована комплексная методика исследования, включающая математический анализ и инструментальные методы. При построении математической модели процесса
сушки текстильных материалов применялись экспериментальные методы исследования и компьютерная обработка информации.
Теоретические исследования основывались на современных методах теории автоматического управления. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях путем физического макетирования. Расчеты характеристик и моделирование системы автоматического управления процессом сушки текстильных материалов проводились по разработанным программам среды MathCAD и MATLAB.
Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы исследована статическая зависимость технологических параметров приклея и влажности, как выходных параметров сушильной камеры.
Получена математическая модель процесса сушки текстильных материалов, обработанных пеной.
Разработана структура системы взаимосвязанного автоматического управления процессом сушки текстильных материалов при пенном шлихтовании.
Практическая ценность работы. Использование разработанной системы автоматического управления процессом сушки текстильных материалов, обработанных пеной, позволит повысить эффективность сушки и уменьшить энергозатраты на нее.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на вузовской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века» (Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина) 2010 г.;
Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ) 2010, 2011гг.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано восемь печатных работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 169 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе и общего вывода по работе, а также содержит список используемой литературы из 89 наименований и шести приложений. Работа иллюстрирована 55 рисунками и 39 таблицами.
Управление процессом приготовления пены, основные параметры пены
Способы получения пеньь подразделяются на физические (диспергационные) и химические (конденсационные) [18-20, 22].
Для химических способов характерно образование газа, заполняющего пенные пузырьки, в результате химической реакции. Диспергационный способ получения пены основан на изменении параметров физического состояния системы, приводящим к пресыщению раствора газом.
Один из современных способов получения пены — пропускание газа через слой пенообразующей жидкости (барботаж), где его пузырьки поднимаются на поверхность и образуют пену. Барботаж позволяет получать пены низкой кратности [18, 19]. Некоторой модификацией барботажа можно считать способ получения пены выдуванием на сетках, что позволяет образовывать пену разной дисперсности в зависимости от размеров отверстий в сетке.
В последние годы все большее распространение получают смесительные пеногенераторы, в которых пена получается путем интенсивного перемешивания пенообразующей жидкости с газом [20].
В процессе шлихтования также могут применяться последние способы получения пены:
- диспергирование сжатого воздуха через слой жидкости в клеильной: ванной с последующим пропуском основы через пену;
-используя специальные вспенивающие устройства.
Первый; способ более прост1 в реализации, так как не требует дополнительного применения вспенивающего устройства. Однако из-за больших размеров шлихтовальной ванны возникает сложность получения пены с однородными свойствами:, т.е. одинаковой кратностии плотности пены.
Использование, же смесительных пеногенераторов позволяет получить устойчивые вспененные. составы определенной кратности и дисперсности
Ранее проводимый анализ технического уровня и тенденций развития техники в данном направлении показал, что существует два: вида пеногенераторов:: статического и- динамического причем, последние сложнее в изготовлении и эксплуатации; более громоздкими металлоемки, [14; 16] L Поэтому . в основном подлежали рассмотрению пеногенераторы статического типа известных в различных типа устройств1длящолученияшены-вірезультате взаимодействия жидкости и газа.
Устройства первого типа основаны; на пропускании газа через слой жидкости. Так, одно из вспенивающих устройств данного типа состоит из корпуса. со штуцерами для; подачи жидкости и воздуха [27, 28]. Пузырьки заполняют полость устройства и через зазор механически контактируют с движущейся1 основой; Известен пеногенератор, содержащий, помимо; всего, пакет сеток и воздушный коллектор с вертикальными трубками, концы которых опущены в раствор [29].
Недостатками указанных устройств являются ограниченные возможности пенообразования, вызванные особенностями конструкции пеногенераторов. Размер отверстий в решетках, как и их количество, имеет предельное значение, ограниченное прочностными: характеристиками материала решетки и ее размерами. Скорость и расход газа также имеют предельные значения, что не позволит обеспечить получение пены с требуемыми характеристиками (дисперсностью, устойчивостью). Кратность и стойкость пены, во вспенивающем1, устройстве [29] зависят от глубины, погружения трубок воздушного коллектора: в пенообразующую жидкость, что затрудняет . регулирование свойств пены во время процесса. Кроме, того, принцип пропускания газа, через: жидкость сам по себе не позволяет получить, достаточное пенообразование, поскольку степень смешения газа и жидкости в, данном случае не велика.
Второй: тип устройств: основан на: принципе вращения: насадки- в: пенообразующей жидкости с воздухом; Данные устройства позволяют получать лучшее вспенивание, ной они имеют своигнедостатки.
Недостатком/ вышеприведенного; устройства:; является высокое гидравлическое сопротивление, оказываемое жидкой средой вращению приводного вала: с крыльчатками, что -препятствует получению пены-с: высокой кратностью.
Большое преимущество смесительных пеногенераторов заключается: в возможности регулировать кратность получаемой пены, изменяя соотношения подачи: раствора и воздуха в устройство. В некоторых пределах, удается изменить и дисперсность получаемых пещ так как дисперсность зависит от режимов работы пеногенераторов. При: сохранении соотношения расходов газа и- жидкости для: образования; пены,, соответствующей кратности, и с увеличением их суммарного расхода кратность сохраняется, а дисперсность возрастает. Но диапазон изменения дисперсности смесительных пен невелик, в отличие от возможного изменения кратности пены. Расширить диапазон изменения дисперсности возможно, путем профилирования пеноформирующего канала.
Вспененный раствор (пена) представляет собой двухфазную систему с непрерывной- дисперсией , воздуха (газа) в дисперсной фазе - воде (обычно- газ рассматривается как дисперсная фаза, а жидкость или твердое вещество — как непрерывная дисперсионная среда) [15-20].
Параметрами, характеризующими структуру пены, являются относительный объем жидкости и газа в пене, форма и размер газовых пузырьков, толщина жидких пленок между пузырьками и т.п.
Пены, в отличие от жидкостей, имеют некоторые особенности, позволяющие рассматривать их как структурированные системы, которые обладают свойствами твердых тел (способность пен сохранять определенное время первоначальную форму).
Существенное влияние на процессы вспенивания- и устойчивость пены оказывают концентрация ПВС, ПАВ и- температура, поэтому соответствующие вещества помимо исходных компонентов добавляются при. приготовлении шлихты [16, 23, 24].
Графические зависимости скорости разрушения пены от различной концентрации ПВС, при одинаковой кратности- пены, и вспенивания (кратности) от температуры шлихты приведены на рисунках 1.1 и 1.2.
С повышением концентрации ПВС устойчивость пены возрастает благодаря повышению вязкости вспениваемого раствора и снижению скорости вытекания жидкости из пены (рис. 1.1). При этом растворы низкой вязкости более склонны к образованию пен с высокой кратностью вспенивания в сравнении с растворами высокой вязкости. Поэтому практически шлихтующие материалы, образующие растворы высокой вязкости, следует использовать для вспенивания в виде растворов меньшей концентрации, смешивать их со шлихтующими материалами, образующими растворы меньшей вязкости, или нагревать перед вспениванием для получения состава рабочей вязкости.
Регрессионный анализ экспериментальных результатов
Как известно, регрессионный анализ экспериментальных данных является одним из основных методов; применяемых при. обработке экспериментов, как планируемых, так и не планируемых [35]. Для анализа результатов эксперимента рассматривалась неизвестная функция отклика: У=Лхі,Х2,х3, ...,xk), (2.10) где xi, Х2, Хз, ..., хь — факторы, поэтому ее можно описать разложением в степенной ряд Тейлора.
H = /?O+ZA , + EA;X XV+ZA, ,2+- (2.11) где Ро, Pi, Pip Pa — теоретические коэффициенты уравнения регрессии.
В результате эксперимента определялись численные значения коэффициентов уравнения регрессии. При этом полином принимает вид:
У = Ь0 + 2 , , + Z V- , +2 "х? +» (2.12) 1=1 ;,у=1 /=1 где у - расчетное значение выходного параметра; bo, bh bip bn — коэффициенты уравнения регрессии, являющиеся выборочными оценками теоретических коэффициентов.
При построении модели были использованы результаты полного факторного эксперимента (ПФЭ), при котором реализованы возможные сочетания рассматриваемых уровней факторов. Для ПФЭ с уровнями варьирования факторов количество опытов:
N=2k, (2.13) где к — число факторов.
Было исследовано влияние 3-х факторов на кратность пены (у): изменение подачи воздуха (х/), жидкости (x2), и изменение частоты вращения вала (хз).
Следовательно, при проведении трехфакторного эксперимента число опытов составило 7V=8.
Для упрощения последующих расчетов осуществлен переход с помощью преобразований от натурального масштаба независимых переменных к кодовому масштабу: _ Xi ХІО Xi х (2.14) где х, - значение /-того фактора в натуральном масштабе; Зс/0- значение /-того фактора в натуральном масштабе на нулевом уровне; X, — принятый шаг; ХІ — значение z-того фактора в преобразованной системе координат.
Результаты матрицы планирования приведены в таблице 2.1.
Так как каждый фактор варьировался на двух уровнях +1 и -1, то вычисления сводились к приписыванию столбцу у знаков соответствующего фактору столбца и алгебраическому сложению полученных значений. Деление результата на число опытов в матрице планирования давал искомый коэффициент.
Следующим шагом являлось проведение статического анализа полученного уравнения для определения оценки значимости коэффициентов уравнения и проверки адекватности.
Среднее арифметическое значение критерия оптимизации в опытах И дисперсия воспроизводимости определялись исходя из предположения, что распределение результатов отдельных наблюдений подчиняется нормальному закону распределения.
Дисперсия ошибки опыта составляет в нашем случае s\ = 1,03 .
Проверка значимости коэффициентов регрессии позволила рассмотреть возможность упрощения модели путем отсеивания части факторов. Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии проводилась построением доверительного интервала, который с заданной доверительной вероятностью включает истинное значение оцениваемого коэффициента.
Так как расчетное значение не превышает табличного (критического) значения 0,31 3,8, линейное уравнение адекватно.
На основании анализа уравнения регрессии в кодированном виде (2.23) можно видеть оценку вклада факторов. Существенное влияние на кратность пены в процессе ее приготовления оказывает задающийся расход воздуха, при равносильных влияниях заданного расхода шлихты и изменения частоты вращения вала, что позволяет нам использовать их при автоматизации управления процессом приготовления пены, в качестве одних из управляющих координат.
Следует также отметить наличие минусов в уравнении регрессии (выражение 2.18) при коэффициентах воздуха и шлихты, которые определяют отрицательное воздействие данных параметров на систему, что является влияющим фактором возмущения.
Динамические характеристики двухконтурных систем управления
Известно, что изменять расход пара или горячего воздуха, подаваемого в сушильную камеру, можно лишь в определенных пределах: слабый поток горячего воздуха (или пара) приводит к тому, что влажность основы на выходе сушильной камеры будет выше допустимой, а сильный поток горячего воздуха (или пара) способствует тому, что основа будет пересушена (ввиду недостаточной влажности), а недостаточное содержание влажности повышает ее обрывность. Отсюда следует, что для управления процессом сушки основы необходимо использование двухконтурной системы управления. Это позволит значительно расширить диапазон управления.
Учитывая, что регулирование влажности основы осуществляется с помощью расхода горячего воздуха или пара, а также путем изменения скорости транспортирования основы через сушильную камеру, далее производится исследование системы с данными управляющими воздействиями, где выходными параметрами являются влажность Ми приклей Пи.
Структурная схема системы автоматического управления процессом сушки основы для образца «2», использующая два контура управления: по скорости прохождения основы или количеству теплоты, подаваемого в сушильную камеру, представлена на рисунке 3.18. Структурные схемы систем автоматического управления для образцов «1» и «3» аналогичны нижеприведенной системе (рис. 3.18).
После включения системы на выходе измерительного устройства снимается сигнал, показывающий любое изменение влажности Мшм и приклея Пи изм, после чего соответствующие сигналы сравниваются с заданными значениями Мзад и Пи зад. При появлении ошибки полученные разности Е]= Мзад - Мшм и Е2= Пи зад - Пи шм поступают на вход регуляторов, реализующих ПИ - закон управления, изменяя тем самым количество теплоты или скорость прохождения основы.
Оптимальные настройки регуляторов, а также характеристики переходных процессов определены в приложении Simulink системы MATLAB, аналогично исследованию одноконтурных систем управления.
Существует несколько факторов, влияющих на возникновение возмущающих воздействий в системе автоматического управления процессом сушки основы. Было установлено, что возмущающее воздействие по каналу подачи горячего воздуха (или пара) сопровождается изменением подачи сушильного реагента, связанное с возникновением перепада давления.
По каналу управления скоростью транспортировки основы через сушильную камеру возмущающие воздействия связаны, например, с колебаниями напряжениям сети.
Приняв во внимание все сказанное, в приложении Simulink системы MATLAB были получены графики переходных процессов в двухконтурных системах управления процессом сушки основы для трех образцов, передаточные функции которых были получены путем эксперимента и описывались в главе 2.
Показатели качества переходных процессов сводились в таблицы, соответствующие каждому переходному процессу исследуемого образца.
В качестве задания были использованы ступенчатые воздействия (по М и 77„), подаваемые на вход объекта управления по обоим контурам, а в качестве возмущения — ступенчатое воздействие, подаваемое на вход двухконтурной системы управления.
Анализ процесса управления в двухконтурной системе, соответствующего кривой сушки образца «1»
Из графика переходного процесса (рис 3.20) видно, что при заданном значении перерегулирования (менее или равном 20%) двухконтурная система приходит в установившееся состояние за 50 секунд.
Анализ процесса управления в двухконтурной системе, соответствующего кривой сушки образца «3»
Из графика (рис. 3.24) видно, что перерегулирование в двухконтурной системе управления по заданию отсутствует и переходный процесс достигает установившегося значения за 30 секунд, а переходный процесс по возмущению (рис. 3.23) достигает установившегося значения за 80 секунды (при заданных параметрах).
Тензодатчики для измерения величины приклея
Для измерения величины приклея возможно использование тензодатчика, который устанавливается на щупе, разъединяющего нити основы в зоне ценового поля (рис. 4.3). Он может применяться также для определения деформаций и усилий. В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающегося в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.
Помимо выбранного тензодатчика необходимо использовать в АСР устройство сопряжения (аналого-цифровой преобразователь), осуществляющее преобразование выходных аналоговых сигналов с датчика в цифровую форму, которые впоследствии поступают на вход микроконтроллера.
Прибор многоканальный микропроцессорный тензометрический ПМ 4055 представляет собой многоцелевое, электронное устройство на базе микропроцессорной техники для применения в тензометрических системах. Технические характеристики прибора приведены в таблице 4.6.
В качестве устройства сопряжения целесообразно использовать аналого-цифровой преобразователь ZET 220 с 24-разрядными аналого-цифровыми преобразователями. Этот АЦП предназначен для измерений параметров сигналов с высокой точностью и большим динамическим диапазоном, поступающих с различных первичных преобразователей: термосопротивлений, термопар, датчиков с универсальным токовым выходом 4...20 мА, акселерометров ВС201/202. Модуль АЦП ЦАП ZET 220 подключается к персональному компьютеру по шине USB 2.0, Ethernet 10/100, Wi-Fi. При подключении модуля по шине USB питание модуля осуществляется по шине USB. При подключении модуля по шине Ethernet 10/100 питание может осуществляться по шине Ethernet 10/100. При подключении модуля по шине Wi-Fi или при работе в режиме автономного регистратора питание модуля может осуществляться от преобразователя 220 — 5 В или блока аккумуляторов.
В модуле реализована гальваническая развязка входных аналоговых сигналов от цифровых цепей. Максимальная допустимая разность потенциалов между цифровой и аналоговой землей составляет 500 В.
Минимальные требования к персональному компьютеру:
- Процессор типа: Intel Pentium 4, D; Celeron D; Core 2 Duo;
- Оперативная память не менее: 1 Гб;
- Операционная система не ниже: Microsoft Windows ХР ServicePack 3;
- Тип системы - 32-разрядная;
- Шина USB: Highspeed USB 2.0.
Помимо вышеописанного преобразователя возможно также применение АЦП ЦАП ZET210,ZET230,ZET410,ZET411.
