Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ технологий и способов управления процессами пенной обработки текстильных материалов
1.1 Особенности шлихтования основных нитей в пене 9
1.2 Структура и свойства пены 10
1.3 Способы получения пены и анализ известных вспенивающих устройств 18
1.4 Способы нанесения вспененной шлихты на основу 26
Выводы по главе 1 30
Глава II. Математическая модель процесса приготовления пены, как объекта управления
2.1 Экспериментальная установка 32
2.2 Исследование пеногенератора, как объекта управления 34
2.3 Методика обработки экспериментальны результатов 35
2.4 Экспериментальное исследование каналов 42
2.4.1 Канал «частота вращения вала - кратность пены» 44
2.4.2 Канал «расход шлихты - кратность пены» 47
2.4.3 Канал «расход воздуха - кратность пены» 49
2.5 Математическая модель пеногенератора 51
Выводы по главе II 53
Глава III. Разработка и анализ системы автоматического регулирования процессом приготовления пены
3.1 Динамические характеристики одноконтурных систем управления 54
3.2 Динамические характеристики двуканальных систем управления 67
3.3 Динамические характеристики трехканальной системы управления 72
3.4 Дискретная модель системы управления процессом приготовления пены по трем основным каналам 76
3.5 Адаптивная система управления устройством для получения пены 82
Выводы по главе III 88
Глава IV. Техническая реализация системы управления процессом шлихтования в пене
4.1 Анализ управляемого процесса нанесения пены при шлихтовании 90
4.2 Методы и средства контроля процесса шлихтования в пене 96
4.3 Контроль качества получаемой пены во вспенивающем устройстве 97
4.3 Микропроцессорная система управления (МПСУ) 105
Выводы по главе IV 110
Общие выводы по работе 111
Литература 114
Приложение 120
- Способы получения пены и анализ известных вспенивающих устройств
- Динамические характеристики одноконтурных систем управления
- Адаптивная система управления устройством для получения пены
- Контроль качества получаемой пены во вспенивающем устройстве
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из наиболее важных процессов в подготовке основы к ткачеству является шлихтование. После обработки пряжи (основы) в шлихте значительно повышается устойчивость нитей к многократным механическим воздействиям на ткацком станке, сокращая тем самым обрывность нитей. Постоянное технологическое усовершенствование ткацкого производства, в том числе и увеличение производительности за счет повышения скоростных режимов, заставляет искать новые, более эффективные методы и оборудования для процесса обработки пряжи (основы) шлихтой. Поэтому, в последнее время наблюдаются новые тенденции развития в данном процессе, и одной из предлагаемых технологий является шлихтование основы вспененной шлихтой. В нашей стране, в отличие от некоторых зарубежных странах, пенную технологию применяют лишь при отделке тканей и в процессе крашения.
В отличие от традиционного способа, шлихтование пеной имеет ряд преимуществ: увеличивается равномерность слипания волокон, что значительно улучшает качество ошлихтованной пряжи (основы); сокращается расход шлихтующих препаратов, так как осуществляется нанесение шлихты преимущественно на поверхность пряжи (основы); снижаются энергетические затраты на сушку основы. Кроме того, после ткачества облегчаются операции расшлихтовки ткани по причине удаления меньшего количества шлихты, оставшейся в ткани на основных нитях.
Для обеспечения требуемого по технологии приклея существенным фактором, определяющим качество шлихтования данным способом, является получение пены с необходимыми свойствами, т.е. определенной дисперсностью и кратностью. Однако на данный момент основной проблемой является контроль над качеством получаемой пены, обеспечивающей соответствующие физико-механические свойства основных нитей при шлихтовании. Большое значение в образовании пены с нужными свойствами играет интенсивность процесса пе-нообразования и конструкция вспенивающего устройства, что почти не исследовано. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная решению вопросов управления вспенивающим устройством и разработке системы автоматического управления процессом шлихтования в пене, является актуальной.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование устройства для получения пены - пеногенератора, системы автоматического управления процессом пенообразования, обеспечивающей получение пены с заданными свойствами, а также системы автоматического управления процессом нанесения пены на нити основы для получения соответствующего приклея.
Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач:
1. Анализ особенностей технологического процесса шлихтования в
пене и исследование уже известных методов, средств и технологий процессов приготовления И ПОДа,|ИЯ01ОЬЯ.АЦИвНА
ІИОТЕК/l^
-
Экспериментально-теоретическое исследование пеногенератора, как объект управления и получение его математической модели.
-
Разработка систем автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе.
-
Моделирование разработанных систем управления для оценки переходных характеристик в процессе приготовления пены.
-
Разработка адаптивной системы управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от применения качества и параметров используемой для приготовления пены шлихты.
-
Разработка системы автоматического управления процессом нанесения пены.
-
Анализ методов полного внутреннего отражения в оптоэлек-тронных преобразователях для использования, в качестве датчика качества пены.
На зашиту выносятся;
-
Математическая модель пеногенератора.
-
Математическая модель процесса приготовления пены в пеногенераторе по трем каналам управления, где в качестве управляющих воздействий использованы расход воздуха, рас код шлихты и изменение частоты вращения вала.
-
Структура одно-, двух- и трехканальной систем управления процессом приготовления пены
-
Результаты математического моделирования разработанных систем автоматического управления вспенивающим устройством.
-
Структурная модель системы управления процессом шлихтования в пене.
-
Оптоэлектронный способ измерения кратности вырабатываемой пены в пеногенераторе.
Методика проведения исследований. В работе использована комплексная методика исследования, включающая математические анализы и инструментальные методы. При построении математической модели процесса приготовления пены в пеногенераторе 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 систем автоматического управления процессом приготовления пены проводились по разработанным программам математических систем MathCAD и MATLAB.
Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы исследован пеногенератор, как объекта автоматического управления.
Получена математическая модель процесса приготовления пены по трем каналам управления.
Проведено исследование статической зависимости технологических параметров изменением подачи воздуха, жидкости и изменением частоты вращения вала с кратностью вырабатываемой пены в пеногенераторе.
Разработана система автоматического управления процессом шлихтования в пене.
Обоснована возможность применения оптоэлектронного преобразователя с полным внутренним отражением в качестве датчика качества пены.
Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей процесса приготовления пены и системы управления подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.
Научные решения диссертационной работы обоснованы в рамках допущения, являющихся общепринятыми.
Практическая ценность. Использование разработанной системы автоматического управления процессом шлихтования пеной позволит уменьшить энергозатраты в сушке, сократить загрязнение шлихтовального оборудования и увеличить равномерность слипания волокон.
Разработанные математические модели пеногенератора могут также использоваться в отделке материалов, в крашении и в других процессах, где возможно применение пены.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на вузовской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века» (Москва, МГТА) 2002 г. Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ) 2002,2003,2004 гг.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 120 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общего вывода по работе, а также содержит список используемой литературы из 71 наименований и 1 приложение. Работа иллюстрирована 33 рисунками, 1 схемой и 5 таблицами.
Способы получения пены и анализ известных вспенивающих устройств
Все способы получения пены можно разделить на физические (диспер-гационные) и химические (конденсационные) [18-20,22].
Для химических способов характерно образование газа, заполняющего пенные пузырьки, в результате химической реакции. Конденсационный способ получения пены основан на изменении параметров физического состояния системы, приводящим к пресыщению раствора газом.
Пену также можно получить, встряхивая пенообразующий раствор в закрытом сосуде. Необходимо только, чтобы в сосуде содержалось достаточно количество воздуха для пенообразования.
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 пропусканием основы через пену;
- используя для этого специальные вспенивающие устройства.
Первый способ более прост в реализации, так как не требует дополнительного применения вспенивающего устройства. Однако из-за больших размеров шлихтовальной ванны возникает сложность получение пены с однородными свойствами, т.е. одинаковой кратности и плотности пены.
Использование же смесительные пеногенераторы 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 типа, причем последние сложнее в изготовлении и эксплуатации, более громоздки и металлоемки [14,16]. Поэтому в основном подлежали рассмотрению пеногенераторы статического типа.
Публикаций по исследованию работы смесительных пеногенераторов очень мало, хотя в последнее время они нашли широкое применение в пожаротушении. Некоторые варианты смесительных пеногенераторов, на которые получены авторские свидетельства, представляют собой скорее эмпирические находки, чем результат глубоких исследований. Это затрудняет создание пеногенераторов, у которых пена вырабатывалась бы с необходимыми параметрами (свойствами), поэтому для каждого конкретного случая требуется проведение экспериментов.
Известны два различных типа устройств для получения пены в результате 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 движущейся основой. Известен пеногенератор, содержащий, помимо всего, пакет сеток и воздушный коллектор с вертикальными трубками, концы которых опущены в раствор [29].
К данному типу также можно отнести пеногенераторы струйного типа, где струя жидкости под большим давлением разбивается о сетчатую перегородку. Данное устройство представлено в заявке Франции № 2321318.
Недостатками указанных устройств являются ограниченные возможности пенообразования, вызванные особенностями конструкции пеногенерато-ров. Размер отверстий в решетке, 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 вспенивающем 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 пенообразова-ние, поскольку степень смешения газа и жидкости в данном случае не велик.
Второй тип устройств основан на принципе вращения насадки в пено-образующей жидкости с воздухом. Данные устройства позволяют получать лучшее вспенивание, но и они имеют свои недостатки.
Устройство представленное в авторском свидетельстве (SU, 1165448), содержит корпус с патрубками ввода и вывода, разделенный горизонтальной перегородкой с отверстиями на камеру циркуляции и камеру вспенивания: В камере вспенивания размещается вращающееся колесо, посредством которого генерируется пена. Не вступившая во взаимодействие с воздухом пенооб-разующая жидкость попадает в циркуляционную камеру, откуда повторно поступает в камеру вспенивания. Поскольку жидкость оказывает значительное гидродинамическое сопротивление колесу, возможности создания пены ограничены.
Известно устройство, содержащее емкость с днищем, в котором установлен приводной вал [30]. На приводном валу жестко закреплено не менее одной лопасти. На кромке лопасти, противоположной направлению вращения, закреплено не менее одного винтообразного элемента, позволяющего осуществлять турбулентность. Кромки лопасти и элементов, обращенные в сторону вращения, выполнены заточенными. На емкость установлены штуцеры для подвода воздуха и пенообразующей жидкости, а также для отвода полученной пены. Это устройство позволяет получать пены с низкой удельной плотностью при низких энергетических затратах.
Также наиболее близкое к выше приведенному изобретению можно признать устройство представленное в авторском свидетельстве RU, №2005079, где перемешивающий механизм, расположенный в камере пено-образования, выполнен в виде приводного вала с закрепленными крыльчатками.
Недостатком известного устройства является высокое гидравлическое сопротивление, оказываемое жидкой средой вращению приводного вала с крыльчатками, что препятствует получению пены с высокой кратностью.
Похожая установка представлена и в авторском свидетельстве [31], устройство включает в себя рабочие лопатки, прикрепленные к полому валу, полость которого сообщена с форсунками, направленными на встречу воздушному потоку. Управление процессом осуществляется путем изменения скорости вращения вала за счет регулирования подачи воздуха и пенообра-зующего раствора.
Большое преимущество смесительных пеногенераторов заключается в возможности регулировать кратность получаемой пены, изменяя соотношения подачи раствора и воздуха в устройство.
В некоторых пределах удается изменять и дисперсность получаемых пен, 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 профилируя пеноформирующий канал.
На рисунках 1.3 и 1.4. представлены известные схемы экспериментальных пенных установок. Одна из установок состоит из компрессора 6, подающего воздух, насосов 5 и 8: один насос 5 подает шлихту в пеногенератор 10, другой откачивает отстоявшуюся шлихту обратно в питающий бак 4, а также коллектора 9, распределяющего пену по ширине полотна нитей основы рис.1.3. [14-16].
Принцип работы установки заключается в одновременной подаче шлихты и воздуха под давлением в пеногенератор и с последующей раздачей образующейся в генераторе пены через коллектор. Давление воздуха и шлихты устанавливается ручным вентилем и контролируется манометрами I и 7. Датчик уровня 2.
Динамические характеристики одноконтурных систем управления
Управление процессом приготовления пены в пеногенераторе, как было отмечено во II главе, можно осуществлять по трем основным каналам управления, изменяя: подачу жидкости, расход воздуха в смеситель, частоту вращения вала. В настоящей главе проводится анализ некоторых возможных систем управления.
Как показали проведенные расчеты для шлихтования 100 кг пряжи, что составляет 2850 м основы (при 25 текс), расход шлихты достигает 2,7 (л/мин), следовательно, расход пены при получении кратности равной 4 составляет 10,8 (л/мин). Так как максимальный расход жидкости в экспериментальной установке - 0,3 л/мин, то для реализации пеногенератора в производстве необходимо увеличить производительность установки примерно в 10 раз.
С учетом динамики процесса приготовления пены система автоматического управления (САУ) всех трех каналов представлена на рисунке 3.1. В систему управления входит сам объект управления (смеситель) ОУ на выходе которого устанавливается измерительное устройство ИУ, сигнал с которого о состоянии кратности пены К сравнивается с ранее заданным значением Кзад. При возникновении ошибки Е регулятор (блок управления) Р воздействуя на исполнительный механизм ИМ приводит систему к заданным параметрам.
Передаточная функция объекта управления для каждого канала была определена во II главе и описывается апериодическим звеном второго порядка:
В каналах регулирования подачи воздуха и шлихты в смеситель в качестве исполнительных механизмов ИМ используются реверсивные электродвигатели, которые кинематически связаны с регулирующими устройствами - заслонкой и вентилем соответственно. Команды управления фактически определяют угол перемещения регулирующего устройства. Таким образом, исполнительный механизм ИМ с регулирующим устройством по углу поворота возможно описать интегральным звеном, с соответствующим для каждого своим временем интегрирования:
Двигатель привода пеногенератора управляется по скорости. Таким образом, передаточная функция описывается инерционным звеном:
В качестве измерительного устройства ИУ предполагается использовать оптоэлектронный датчик, содержащий оптическую систему и электронные блоки. По сравнению с исполнительными устройствами схемы его инерционность мала (на 1-3 порядка), вследствие чего ею можно пренебречь, а передаточную функцию ИУ можно считать пропорциональным звеном:
Объект управления, исполнительный механизм и измерительное устройство составляют неизменяемую часть системы. Тогда коэффициент передачи объекта можно представить, как
Исследование динамических режимов работы проводилось отдельно как для управляющего, так и возмущающих воздействий при различных законах управления (П, ПИ и ГГИД) с целью выяснения влияния этих законов управления на характер переходных процессов в системе пеногенератора. Также были определены и оптимальные настройки регулятора для полученной ранее математической модели, обеспечивающие заданные качества системы приготовления пены.
Так как в каналах регулирования подачи воздуха и шлихты неизменяемая часть системы содержит интегральную составляющую в исполнительном механизме, то для реализации пропорционально-интегрального закона управления применяется пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД - регулятор) передаточная функция, которого будет иметь вид:
Целью настоящего исследования является получение переходного процесса в системе приготовления пены по каналу «со —К».
В качестве исполнительного механизма ИМ в экспериментальной установки пеногенератора использовался управляемый частотой асинхронный электродвигатель марки УАД - 72Ф с частотно-регулируемым приводом SV004IC5, постоянная времени 7 которого составила 0,1 с.
Коэффициенты передаточной функции объекта управления, как отмечалось во второй главе, равны Г/=2,4 с, Т2=1,7 с и к=0,12 1/%.
Для анализа переходных процессов, а также для оптимальной настройки регуляторов система приготовления пены по каналу «со -К» была промоделирована в приложении Simulink системы MATLAB.
Задающее воздействие по каналу «со -К» задавалось таковым, чтобы кратность пены составляло К=4, что является номинальной кратностью пены для процесса шлихтования [14,15,17,23]. Возмущение в виде изменения частоты вращения, как указывалось выше, составляет ступенчатое воздействие принятое 7%.
Графические зависимости переходных процессов для управляющего со и возмущающего воздействий отображены на рис. 3.2 и рис 3.3.
В таблице 3.1 приведены основные показатели качества переходных процессов для обоих воздействий, определенные по графикам на рис.3.2 и 3.3, а также перерегулирование ск и длительность переходного процесса (быстродействие) tp, за которую процесс входит в 5% от Кнуст область.
Анализ проведенных результатов исследования переходных процессов в пеногенераторе показывает, что при использовании П — закона управления наблюдается не только колебательный процесс регулирования при любых настройках регулятора, но и увеличение времени регулирования tp примерно в три раза (рис. 3.2). Также при использовании П - закона управления имеет место и установившаяся ошибка регулирования по заданию (0,18) и по возмущению (0,04)
Как видно из графика на рис.3.3 максимальный выброс при ПИ и ПИД - законах регулирования достигает значений 4,35 — 4,36, следовательно, максимальное отклонение Лмах равно 0,35 - 0,36. При П - законе регулирования максимальное отклонение не выходит за область допустимого значения, равного 4,2.
С применением ПИ и ПИД - законов регулирования переходный процесс приобретает апериодический характер. Использование ПИД - закона регулирования приведет также и к усложнению настройки системы, даже при малой интегральной части ПИД-регулятора, в результате чего время установления параметра увеличится. Поэтому, применение П и ПИД - регуляторов в системе пеногенератора представляется нецелесообразным.
Таким образом, из приведенных данных следует, что для получения требуемого качества регулирования кратности пены целесообразней использовать ПИ - регулятора, который обеспечивает минимальное перерегулирование ак и малое время регулирования tp.
Любое изменение величины приклея по сравнению с оптимальным параметром вызывает увеличение обрывности в ткачестве [4,7], поэтому для обеспечения качественного шлихтования в пене, т.е. получения заданного приклея при пене определенной кратности, необходимо поддерживать стабильным расход шлихты в системе пеногенератора.
Значительное влияние на процесс пенообразования, стабильность и качество получаемой пены, как отмечалось в первой главе, оказывают множество факторов: изменение температуры и вязкости раствора, вспенивающий состав, а также изменение подачи шлихты в смеситель. Поэтому при анализе системы управления по каналу «Ошл - К» возмущающее воздействие принималось в виде резкого изменения шлихты и составило 22%.
Передаточная функция исполнительного механизма ИМ (клапана, управляемого двигателем) в контуре подачи жидкости описывается интегральным звеном, постоянная времени которого составляет 1,1с.
Коэффициенты передаточной функции объекта управления ОУ по каналу «Ошл -К», определенные во 2 главе, равны 77=4,5 с, 7г=3 с и к=0,12 1/%.
Оптимальные настройки регуляторов, а также анализ переходных процессов системы приготовления пены по каналу «Сшл — К» промоделированы в приложении Simulink системы MATLAB.
Задающее воздействия, как и по каналу «со —К», задавалось таковым, чтобы обеспечить кратность пены равное К=4.
Графики полученных переходных процессов при различных законах регулирования (П, ПИ и ПИД) для управляющего и возмущающего воздействий отображены на рис. 3.4 и рис 3.5 соответственно.
Основные показатели качества переходных процессов при использовании различных законов управления для управляющего и возмущающего воздействий приведены в таблице 3.2
Динамические характеристики одноконтурных систем управления
Для получения высококачественного результата в процессе шлихтования пеной при минимальных затратах необходимо обеспечить управление технологическим процессом в пеногенераторе. Выше были рассмотрены одно-, двух- и трехконтурные системы управления процессом приготовления пены для полученной ранее конкретной математической модели.
Как отмечалось в первой главе, кратность, являющаяся основным из параметров качества вырабатываемой пены (в данном случае выходным параметром), в значительной мере зависит от вязкости (чем выше вязкость, тем ниже кратность пены) и температуры раствора (рис. 1.2), что имеет влияние на коэффициент передачи в математической модели объекта. Так, например, найденные оптимальные настройки регуляторов Р1 и Р2 (коэффициент передачи объекта - /Г=0,12) при подаче в пеногенератор вспенивателя (шампуня) в двухканальной системе управления с регулирующими воздействиями по расходу воздуха GB и частоте вращения со использованы и при моделировании системы регулирования кратности при подаче шлихты (А=0,05).
На рисунке 3.14 приведены результаты моделирования подачи в пеногенератор растворов различной вязкости (шампунь и шлихта).
Как видно по графикам применение одинаковых настроек регулятора при подаче различных растворов значительно ухудшает качество системы. Так, даже при значительном уменьшении максимального отклонения на графике 2 увеличивается время регулирования с 7,2 до 10,1 секунд по сравнению с графиком 1.
Применение адаптивного управления позволит значительно повысить работоспособность системы в условиях широкого изменения динамических свойств объекта [46-48].
В качестве решения поставленной задачи наилучшим является применение самонастраивающихся адаптивных систем, в которой на основе информации о внешних воздействиях у динамических характеристик системы происходит изменение настройки параметров регулятора для достижения заданного качества работы системы.
Как уже отмечалось, основным возмущающим фактором, влияющим на качество получаемой пены в пеногенераторе, является подача (расход) воздуха, а в качестве регулирующего параметра целесообразней использование частоты вращения вала, о чем также говорилось выше. Поэтому адаптивный регулятор был рассмотрен для системы изображенной на рисунке 3.8, где регулирующими воздействиями соответственно являются расход воздуха GB и частота вращения со. Отсюда, любое изменение качества шлихты (вязкости раствора и его температуры) автоматически приведет к изменению коэффициентов настройки регулятора по каналу «со - К».
Один из возможных способов реализации адаптивного ПИ - регулятора, представлен на рис. 3.15.
Данный регулятор выполнен на операционных усилителях DAI, DA2, DA3 и резисторах R1 - R6, из них R3 = R4 = R5. Для настройки параметров регулятора в цепях операционных усилителей DA1 и DA2 применяются полевые транзисторы VT1 и VT2, которые позволят нам изменять как коэффициент передачи К„, так и интегральную Ти составляющую регулятора ПИ - регулятора.
Сигнал, пропорциональный коэффициенту передачи объекта, снимается с ротационного вискозиметра типа ВМР-61 устанавливаемого в баке со шлихтой.
Принципом действия вискозиметра BMP — 61 является зависимость момента сопротивления вращения М коаксиального цилиндра от вязкости раствора ц [49]
При изменении вязкости раствора изменяется и момент вращения М двигателя Д (рис.3.15), в результате чего происходит изменение напряжения на резисторе RH. Значение с резистора RH поступает на вычислительное устройство ВУ, на который также подается постоянное напряжение из. Сигнал с выхода вычичислительного устройства ВУ приложен к затворам полевых транзисторов VT1 и VT2, изменяя их сопротивление и обеспечивая тем самым функциональную зависимость коэффициентов К„ и Ти регулятора от свойств раствора.
Результаты моделирования системы управления при подаче раствора шлихты с различными настройками регулятора показаны на рис 3.16. Очевидно, что адаптация настроек даже одного регулятора в двуканальной системе управления значительно улучшает качество процесса.
Контроль качества получаемой пены во вспенивающем устройстве
Чаще всего контроль над получаемой пеной осуществляется косвенным путем (глава 1): по изменению расхода раствора и расхода воздуха, что все-таки не дает полной информации о качестве вырабатываемой пене (ее дисперсности и кратности).
Достаточно объективно определение кратности получаемой пены осуществляется объемным способом: набрав пены в колбу заданного объема, дожидаются ее оседания и по соотношению объема пены к объему полученного раствора (формула 1.1) рассчитывают кратность пены. Однако данный способ является периодическим, не приемлемым для автоматического контроля и требует больших затрат времени при его реализации.
В последнее время все чаще стала появляться информация об оптическом методе контроля различных параметров в производственных процессах, где излучение используется в качестве средства передачи информации для оценки состояния объектов [58-60].
Одним из прогрессивных способов является применение оптоэлек-тронных преобразователей. Данный способ основан на нарушении или сохранении полного внутреннего отражения (ПВО) луча в измерительном элементе (ИЭ) при контакте с контролируемым объектом и связан с анализом состояния амплитуды, фазы или поляризации оптического излучения [61-63].
Известно, что явление полного внутреннего отражения (ПВО) наступает при падении светового потока на границу раздела «измерительный элемент - образец» под углом, большим критического угла падения где п\ - показатель преломления материала ИЭ (измерительного элемента). п2 - показатель преломления измеряемого вещества; вкр - критический угол падения луча.
То есть, при переходе луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (пі пі) угол падения в будет меньше угла преломления р, следовательно, увеличивая угол падения при каком-то вкр поток будет скользить по поверхности раздела двух сред. Дальнейшее увеличение угла падения приведет к отражению луча от границы раздела.
При этом световой поток проникает в анализируемый материал на некоторую глубину проникновения. Глубина проникновения пропорциональна той части образца, которая прореагировала со светом и которую определяют как эффективную толщину йэф. Она связана с оптической плотностью выражением:
Хотя точность амплитудных преобразователей ниже точности фазовых все же они нашли более широкое применение. Это связано с их простой и надежностью в исполнении, что выделяет их среди других.
Принцип работы фазовых преобразователей с сохранением полного внутреннего отражения (СПВО) строится на измерении у поляризованной электромагнитной волны оптического диапазона разности параллельной и перпендикулярной фаз составляющих вектора напряженности электрического поля на границе раздела «внешняя среда - измерительный элемент (световод)».
Причем размер этого сдвига фаз различен для каждой составляющей и зависит от разности показателей преломления внешней среды и измерительного элемента, а также от угла падения светового луча на границу измерительного элемента [63-66]:
Функциональная схема известного из [67] электронного блока обработки информации приведена на рис. 4.4.
Сигнал с оптоэлектронного преобразователя 1 поступает компенсатор 2, а с выхода компенсатора на вход анализатора, связанного с фотоприемником 4. При отсутствии электрического сигнала на фотоприемнике 4 в определенные промежутки времени инвертер 5 обеспечивает его появление.
Величина сигнала в данном случае постоянная и зависит не от значения технологического параметра, а от времени его появления (синхронизация осуществляется микроЭВМ 19). Синхронный детектор 7 позволяет осуществлять накопление очень слабых сигналов при малых значениях технологических параметров (постоянная времени накопления выбирается в зависимости от режима работы электронного блока микроЭВМ 19). Сигналы на детектор 7 поступают с фазорасщепителя 6 и со схемы опорного напряжения 17, которые должны совпадать по фазе, что гарантируется при движении измерительного элемента (выступающим компенсатором 2) или источника излучения с помощью модулятора 11. Частота работы модулятора 11 связана с частотой сигнала поступающего с генератора 14 через делитель частоты 13 и усилитель мощности 12. Можно модулировать и положение анализатора 3. Фазовращатель 6 предназначен для настройки этих сигналов.
Сигнал на выходе интегратора 9 появляется в зависимости от сигнала с выхода усилителя постоянного тока 8 и запускает схему сравнения 10. Через время рабочего такта микроЭВМ 19 возвращает схему сравнения в исходное состояние, поэтому на выходе схемы 10 возникает импульс длительностью tm который поступает на вход электронного ключа 27 и открывает его на время длительности /и. Также с кварцевого генератора 25 и схемы формирования импульсов 26 на вход ключа 27, а затем и на выход поступают импульсы пропорциональные времени его работы. Наличие кварцевого генератора 25 позволяет уменьшить погрешность измерения длительности импульса со схемы сравнения.
С выхода ключа 27 импульсы поступают на пересчетное устройство 23, который связан с индикатором 24.
Данный блок обработки информации вполне подходит как для фазового метода контроля, так и амплитудного. Следовательно, возможно использование одной электронной схемы при получении информации о разных технологических параметрах.
Так, например, для изготовления ИЭ многократного нарушения полного внутреннего отражения (МНПВО) двойного прохождения с переменным углом падения: длина / = 50 мм, толщина t = 2 мм, число отражений N = 50 (при в = 45) можно использовать оптический материал КО-2 [63, 68]. Данный материал выбран, так как он устойчив к агрессивным средам, прочен, обладает широким спектральным диапазон и достаточно низким показателем преломления. Показатель преломления данного элемента составляет щ = 2,2. Следовательно, критические углы падения для двух сред (воздуха и шлихты) будут вкр\ =21 и вкр1 «43 соответственно. Это позволяет контролировать объем воздуха в пене, т.е. размер пузырьков, их количество, а, следовательно, и кратность вырабатываемой пены [69].
