Разработка методов и средств проектирования механизмов, машин. агрегатов прядильного производства на основе имитационного моделирования Власов, Евгений Иванович

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Власов, Евгений Иванович. Разработка методов и средств проектирования механизмов, машин. агрегатов прядильного производства на основе имитационного моделирования : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.02.13 / Ивановская гос. текстильная акад..- Санкт-Петербург, 1998.- 37 с.: ил. РГБ ОД, 9 98-11/92-7

Введение к работе

Актуальностьпроблемы. Принятая в 1992 г. межвузовская научно-техническая программа "Текстиль России" внесла определенный вклад в развитие техники и технологии текстильной промышленности страны, активно способствовала развитию данной отрасли науки и техники полном соответствии с мировыми тенденциями, созданию и освоению серийного производства систем высокоэффективного технологического оборудования для легкой промышленности, подготовке научных кадров в высших учебных заведениях страны.

В программу составной частью включены международные научные исследования. Так, в частности, реализуется проект "Разработка техники и технологии аэродинамического метода производства нетканых материалов" в содружестве с Монгольским техническим университетом. Совместно с текстильным центром хлопка и одежды (Ит&тая), Либерецким техническим университетом (Чехия), Лодзинским текстильным университетом (Польша), научно-исследовательским текстильным институтом (Дзнкендорф, Германия) утверждена работа по проектированию свойств хлопчатобумажной пряжн, вырабатываемой пневмомеханическим прядильным оборудованием, которая включена в европейскую программу "KOPERNICUS".

Ведущими научно-исследовательскими центрами, проектно-конструкторскими организациями России МГТА, СПГУТД, ИГТА, КГТУ, ЦНИХБИ, ЦНИИКА, ИвНИТИ, АО "Кардотекс", НПО "Пензтекмаш" и зарубежными фирмами, такими, как "Яіе1ег"(Швейцария), "Marzoli", "Savio", "Bonina" (Италия), "Murata", "Нага", "Toyota" (Япония), "Irutzschler", "Zinser", "Schlafhorst", "Schubert and Salzer", "Hergeth" (Германия), "Elitex" (Чехия), "Platt-Sakko-Loweli", "СгокгоИ"(Великобрнтания), "Hollinswoyrt" (США) и рядом других внесен существенный вклад в теорию и практику проектирования совершенных текстильных машин, в создание агрегатов и поточных линий, в реализацию устройств автоматики я систем управления технологическими процессами.

Анализ информации по технологиям и оборудованию, представленной в литературе, на выставках 1ТМА, Инлегмаш, показал, что развитее гекстиля в 90-е годы осуществляется в следующих направлениях:

разработка оптимальных технологических процессов и конструкций механизмов, машин, агрегатов для текстильного производства;

создание автоматизированных систем оптимизашт смесей й проектирование свойств пряжи;

проектирование малоотходных ресурсосберегающих технологий и оборудования прядильного производства;

разработка аэродинамических методов производства нетканых материалов;

агрегатирование оборудования с созданием непрерывных систем питания, рыхления, очистки и смешения волокна, а также создание робо-готехннческих комплексов, объединяющих отдельные переходы в прядении;

повышение степени автоматизации машин за счет широкого использования средств контроля качества, систем автоматического управления дня текстильной и машиностроительных отраслей на базе микропроцессорной техники, вновь разрабатываемых технологий и оборудования.

За последнее десятилетие отечественная промышленность и зарубежные фирмы разработали и внедрили целый ряд разрыхлительно-очистительных агрегатов и прядильных поточных линий, предназначенных как для обработки хлопка, льна, шерсти, искусственных, синтетических волокон, так и различных смесей из них. Были разработаны агрегаты и поточные линии с низкой, повышенной и высокой эффективностью очистки. Кипорыхлигели с нижним отбором волокна АПК-250-2(3), РКА-Ц2) вытесняются кипорыхлителями с верхним отбором волокна АП-18, АП-40, Blendomat (Германия), Marzoli (Италия), Fiber Controls (США). Вместе с тем до сих пор остается нерешенной сложнейш;. і задача по обеспечению стабилизации питания машин, находящихся с ними в одной поточной линии. По-прежнему встает вопрос о построении -системы стабилизации производительности, обеспечении качественного рыхления исходного волокна из кип, точностных показателях регулирования, об использовании технической диагностики, об оценке влияния автоматизации на технологические параметры.

Необходимым являеіся создание системы сбора и централизованного контроля исходной информации, а также автоматизация транспортировки, заправки и съема наработанного полуфабриката. Эю в свою очередь требует разработки и создания робоготехпичееких комплексов, которые позволили бы спроектировать автоматизированные технологические комплексы (АТК) для прядильного производства.

Целью работы является разработка методов и средств проектирования механизмов, машин, теоретическое обоснование структуры текстильного АТК, а также прогнозирование конструкций агрегатов, систем автоматического контроля и управления, обеспечивающих улучшение качества выпускаемой продукции.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обзор оборудования и определить тенденции развития агрегировашш тексгидьныч машин в хлопкопрядильном производстве, а

также проблемы проектирования автоматизированных технологических комплексов.

Исследовать методы контроля, математической идентификации и проектирования отдельных текстильных переходов, а также установить области оптимального использования средств локальной автоматики для стабилизации работы прядильного оборудования.
Создать методики временного, частотного и волнового анализа текстильных технологических процессов с целью их использования в алгоритмах управления прядильного производства, прогнозирования конструкций машин и структур агрегатов.

4. Идентифицировать технологический процесс формирования
пряжи. На основе декомпозиции хлопкопрядильных поточных линий по
лучить математические модели отдельных переходов текстильного произ
водства. Провеете прогнозирование параметров оборудования и анализ
качества волокнистого продукта на сортировочио-разрыхлительном, тре
пальном, чес&тьно-ленточном и прядильном переходах.

Исследовать средства отбора первичной информации в прядшіь-ном производстве. Разработать теоретические основы построения датчиков, измерительных преобразователей для линейной плотности настила, ленты, а также для контроля качества пряжи на прядильных и прядильно-крутильных переходах.
Разработать, аналитически и экспериментально исследовать, защитить патентами и внедрить в промышленных условиях следующие средства отбора первичной информации и локальные регуляторы: датчики расхода волокна, датчики линейной плотности настила (холста), регуляторы развеса настала (холста) на выходе бункерных питателей, датчики линейной плотности ленты, регуляторы линейной плотности ленты, преобразователи информации об обрывности в прядильных, прядильно-крутильных технологических переходах, системы оптимального управления технологическими процессами в функции обрывности в прядении, регуляторы производительности и алгоритмического обеспечения для автоматизированных систем управления технологического процесса (АСУ ТП) хлопкопрядения.
Используя многопроцессорный принцип построения, разработать АСУ ТП в прядильном производстве на основе регламента, минимальной себестоимости получаемого продукта, наилучшего качества и максимальной производительности.

Внедрить основные результаты исследовании в производство и учебный процесс.

Основные методы исследований. Методической и теоретической основой диссертации явились научные труды по технике и технологии прядения, по теории математического моделирования, !го

теории проектирования первичных измерительных преобразователей и систем автоматического управления.

Постановка, проведение экспериментов и обработка их результатов проводились с использованием методов статистического, дисперсионного, регрессионного и спектрального анализов.

Разработка и исследование новых принципов управления машинами, агрегатами осуществлялись на основе операционного исчисления, структурных и частотных методов исследования примени і ельно к непрерывным и дискретным системам, использовались методы прямого решения и математического моделирования линейных, нелинейных и трансцендентных уравнений.

Работа выполнена на основе широкого использования имитационного моделирования сложных динамических объектов, метамоделирова-ния, а также проведения вычислительных экспериментов на ЭНМ с использованием пакетов прикладных программ.

Достоверность теоретических положений подтверждается результатами экспериментальных исследований на серийном технологическом оборудовании.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработаны методы и средства проектирования механизмов, машин, афегатов прядильного производства на основе имитационного моделирования, необходимые для построения технолоіических комплексов в хлопкопрядении.
Используя декомпозиционный метод, получены адекватные математические модели машин и технологических переходов хлопкопрядильных линий, учитывающие способы стабилизации подачи волокнистого продукта при бункерном питании и регулирования линейной плотности волокнистого продукта.
Разработаны алгоритмы и программы для моделирования оптимальных условий работы механизмов подачи волокна к трепальным машинам, питания группы чесальных машин, управления процессом чесания и вытяжкой.
Получены методики временного, частотного и волновою анализа работы технологического оборудования, позволяющие использовать их в алгоритмах управления прядильного производства, при прогнозировании конструкций машин и структур агрегатов.
Разработаны и созданы: датчики расхода волокна, линейной плотности настила, линейной плотности ленты, преобразователи информации об обрывности пряжи в прядильных, пряднльно-крутильных технологических переходах.

Разработана система для оптимального управления технологическим оборудованием в прядении в зависимости от качества полуфабриката, регуляторы производительности рабочих органов питания машин.
Получены параметрические зависимости, позволяющие провести анализ эффективности работы сложного оборудования, прогнозирование конструкций машин и структур агрегатов.

На защиту выносятся следующие научные положения:

Теоретические исследования по проектированию механизмов, машин, агрегатов и АТК прядильного производства на основе имитационного моделирования.
Идентификация и математические модели отдельных переходов текстильного производства с методами прогнозирования качества волокнистого продукта на сортировочно-разрыхлительном, трепальном, че-сально-ленточном и прядильном переходах АТК.
Результаты экспериментально-теоретических исследований показателей точности (верификация) имитационных моделей при прогнозировании конструкций машин и структур агрегатов прядильного производства.
Результаты экспериментатьно-теоретических исследований средств отбора первичной информации: датчика расхода волокна, датчика линейной плотности настила (холста), датчика линейной плотности ленты, преобразователей информации об обрывности в прядилыю-крутильных технологических переходах.
Система оптимального управления оборудованием со стохастическим технологическим процессом и алгоритмическое обеспечение локальных АСУ ТП хлопкопрядения.
Результаты экспериментально-теоретических исследований локальных регуляторов: регулятора развеса настила (холста) на выходе бункерных питателен, регуляторов линейной плотности ленты.
Результаты лабораторных и промышленных испытаний приборов измерения линейной плотности волокнистого продукта, гиперболического исполнительного механизма линейной плотности ленты, механизмов регулирования волокнистых полуфабрикатов прядильного оборудования,

В результате решена научно-техническая проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение, - разработан подход к созданию АТК в прядении, повышено качество проектирования механизмов, машин, агрегатов прядильного производства с высокими эксплуатационными показателями, не уступающими зарубежным аналогам.

Имитационное моделирование, экспернментально-теорет ическое исследование приборов, механизмов, устройств агрегирования машин и управления агрегатами прядильного производства позволяют решить про-

блемы, связанные с построением поточных линий и технологических комплексов прядения.

Концептуальное программирование на базе имитационных детерминированных и статистических моделей дает возможность: выполнить структурное и параметрическое проектирование машин, агрегатов, систем управления ими с целью повышения качества волокнистого продукта, сократить время проектирования, а также научно обосноваїь пути совершенствования текстильного оборудования.

Практическая ценность. Работа доведена до практической реализации методов и средств проектирования копсірукіши устройств для технологического процесса хлопкопрядения от кипы до пряжи. Даны рекомендации по настройке машин и етрукіуре агрегатов, позволяющие уменьшить неровногу выходного продукта и снизить обрывность в прядении, повысить качество пряжи.

Разработаны и доведены до конструктивного исполнения устройства для стабилизации производительности отдельных переходов хлопкопрядильного производства (положительное решение на выдачу паїента РФ по заявке № 96100186 Кл. D 01 Н 5/42 и патент № 2038437).
Разработанные математические модели переходов А'ГК, методики временного, частотною и волнового анализа технологических процессов позволяют использовать их в алгоритмах управления прядильного производства, прогнозировании конструкций машин, структур агрегатов.
Разработаны робоютехническне средства АТК прядильного производства на базе электромеханических роботов для автомаптзации доставки сырья, съема, заправки и межоперацпонной транспортировки

'полуфабрикатов (патент .N» 1382885).

Созданы и защищены патентами следующие средства отбора первичной информации: датчик линейной плотности настила, датчик линейной плотности ленты, преобразовагели информации об обрывности в прядильных, нряднлыю-крутильиых технологических переходах (патенты № 2038437, № 1175845 и авторские свидетельства № 745974, № 672238, №461186).
Разработана и доведена до конструктивною уровня схемотехника на основе электронных устройств для задач сбора информации с датчиков и управления исполнительными органами, аналогоио-цифровых преобразователей и датчиков медленно изменяющихся cm чалов. Создана в виде опытно-конструкторской разработки система централизованного сбора информации с датчиков на основе микропроцессорных устройств для машин, совместимых с ШМ
Результаты диссертации внедрены в учебный процесс и используются в курсах "Моделирование систем управления", "Проектирование

систем автоматизации", "Автоматизация технологических процессов и производств", а также в курсовом и дипломном проектировании ИГТА.

Реализация работы. Исследования проводились и результаты внедрены на следующих предприятиях:

Орловском заводе "Химтскстильмаш" (1975 г.);

Судогодском заводе стекловолокна Владимирской области (1976-1977 гг.):

Парановичском хлопчатобумажном комбинате (1977-1978 гг.);

Рижском производственном хлопчатобумажном объединении "Ри-гас мануфактура" (1978 г.);

Крюковском опытном заводе стекловолокна Московской области 1981-1984 гг.);

Ивановском заводе чесальных машин (1988 г.);

- Ивановском меланжевом комбинате имени К.И.Фролова (1990 г.).
Акты о внедрении и справки об экономическом эффекте приведены

в приложении диссертации.

Апробация работы. Материалы по теме диссертации докладывались и получили одобрение на итоговых научно-технических конференциях в Ивановском текстильном институте имени М.В. Фрунзе в 1970-1993 гг.; на семинаре "Усовершенствование техники и технологии ткацкого производства" (Республиканский дом экономической и научно-технической пропаганды, Киев, сентябрь 1975 г.); на Всесоюзной конференции "Основные направления в развитии оборудования для хлопкопрядения" (Пензенский дом научно-технической пропаганды, НПО "Пен-зтекмаш", апрель 1984 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Робототехнические системы в текстильной и легкой промышленности" (Ленинградский институт текстильной и легкой промышленности, ноябрь 1984 г.); на межреспубликанской научной конференции "Разработка высокоэффективных технологических процессов и оборудования, систем управления и автоматизированного проектирования в текстильной промышленности" (Московский текстильный институт, апрель 1986 г.); на IV Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Ярославский государственный технический университет, октябрь 1994 г.); на международных научно-технических конференциях в Ивановской государственной текстильной академии "Проблемы развития малоотходных ресурсосберегающих экологически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности" в 1994-1995 гг.; на международных научно-технических конференциях в Ивановской государственной текстильной академии "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкции в текстильном производстве" в 1996-1997 гг.

Материалы по теме диссертации демонстрировались трижды (в 1974, 1986 и 1990 гг.) на ВДНХ СССР и отмечены двумя бронзовыми медалями, а также на выставке в ШТА "Текстиль России" (Иваново, 1995г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 93 печатные работы, из которых в центральных журналах -21, монографин - 1, в межвузовских сборниках научных трудов - 6, тезисах международных, всесоюзных и республиканских конференций - 30. По материалам проведенных исследований получено К) патентов и авторских свидетельств на изобретения.

Зарегистрировано 16 отчетов о научно-исследоваїельских работах.

Структура и объём работы. Диссертация представлена в виде основной части на 338 страницах машинописного текста и приложений на 63 страницах. Общий объем диссертации, включая 111 рисунков, алгоритмов, гистограмм и графиков, составляет401 страницу.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, 6 приложений и списка использованной литературы из 135 наименований.

Во введении обоснована актуальность проведения исследований по решению сформулированной проблемы. Определены цели работы и методы исследований. Дана характеристика научной новизны, практическая значимость и пути реализации результатов рабогы.

В первой главе рассмотрено развитие конструкций кипорыхлите-лей с нижним и верхним способами отбора. Создание на их базе автоматизированных разрыхлительно-трепальных агрегатов не решает проблему оптимального сопряжения технологических машин поточных линий прядения, и методы разработки их пе нашли своего окончаїельїюго решения. По-прежнему встает вопрос о конструктивном исполнении и сопряжении маціин, о построении системы стабилизации производительности, обеспечении качественного рыхления исходного волокна из кип, о точности и повышении быстродействия регулирования, об использовании технической диагностики, о комплексной оценке построения линий и влиянии каждой из машин в них на технологические параметры пряжи.

Исходя из вышеизложенного, требуют своего решения задачи разработки датчиков и измерителей показателей потоков волокна в пневмопроводах, преобразователей и регуляторов неровноты, цифровых устройств контроля информации, которые необходимы для создания комплексов локального микропроцессорного управления и АСУ ТП прядения. Для этого прежде всего необходимым является создание системы сбора и централизованного контроля исходной информации.

Следующей проблемой совершенствования поточных линий- является автоматизация транспортировки, заправки и съема наработанного полуфабриката. Она вызывает необходимость разработки и создания робото-технических комплексов, которые позволили бы спроектировать автоматизированные технологические комплексы для прядильного производства.

Для решения вопросов создания системы оптимального управления поточных линий и АТК в целом требуется идентифицировать технологический процесс рыхления, очистки и формирования пряжи. На основе декомпозиции хлопкопрядильных линий возможно получить математические модели отдельных переходов текстильного производства, провести анализ конструктивных параметров и сопряжение машин, а также прогнозирование качества волокнистого ігродукта на сортировочно-разрыхлителыюм, трепальном, чесштьно-ленточном и прядильном переходах поточных линий и ЛТК.

Становится ясным, что невозможно стабилизировать технологический процесс прядения без систематизации, без оценки влияния локальных автоматических систем управления на технологический процесс от кипы до пряжи.

Вторая глава содержит разработку методов и средств проектирования нестандартных устройств отбора информации прядильного оборудования.

Развитое устройств автоматического контроля и регулирования ТП в настоящее время характеризуется высоким уровнем применения в них цифровых и частотных методов обработки информации. В главе даны теоретические основы и расчетные соотношения частотных методов контроля массы текстильного продукта, линейной плотности настила, ленты, а также целости пряжи.

На базе частотных методов разработаны и выполнены принципиальные электрические схемы измерителей с выходом сигнала на тиристор-ные приводы системы питания поточных линий и отдельных машин в прядении.

При этом были выполнены физические модели датчиков и опытные образцы приборов для контроля параметров технологических процессов прядильного производства, позволившие установить достоверность полученных результатов и степень их точности.

Разработанные измерители предназначены для оперативного контроля и обеспечивают точность измерения в пределах 1%, что соответствует показателям зарубежных образцов подобных приборов и требованиям к параметрам текстильной технологии.

С развитием вычислительной техники появились возможности создания систем автоматизированного проектирования (САПР). Ускоренными темпами стали развиваться программно-техшгческие средства, ориеншро-

вшшые на организацию коллективной деятельности проектировщиков различного профиля (расчетчиков, конструкторов, технологов).

Проектирование подобных технических изделий, в том числе и измерительных преобразователей, разбито на зри крупных этапа проектирования: структурно-параметрическое проектирование; функционально-параметрическое проектирование и конструкторско-технологическое проектирование.

Различные виды преобразователей, применяемые в прядении и описанные в главе 2, могут быть рассмотрены в постановке задач проектирования по каждому из направлений. Математические модели представлены в форме, удобной для реализации на ЭВМ, и их можно назвать цифровыми моделями. Созданные модели позволили разработать и привести в приложении программы, дающие возможность получить основные параметрические характеристики преобразователей в задаваемых пользователем интервалах входных параметров. Полученные алгоритмы могут являться исходной информацией для расчетов и последующих этапов проектирования.

При конструкторско-технолотической проработке преобразователя, как правило, возможны несколько альтернативных вариантов. В этом случае все эти варианты детализируются до тех пор, пока путем сравнительною анализа не будет выбран конечный вариант.

Таким образом, в настоящей главе созданы основы теории разработки конкурентоспособных механизмов и устройств контроля продукта для прядильного технологического оборудования.

Третья глава посвящена развитию временного, частотного и волнового анализа прядильного технолої ического процесса методами имитационного моделирования.

Специфика текстильной технологии и машиностроения для нее определяется свойствами обрабатываемых волокнистых продуктов, которые представляются в моделях детерминированными и случайными функциями. Практика использования и создания машин для подобных технолої и-ческих процессов связана с применением нелинейных, дискретных звеньев, а также динамических блоков с распределенными параметрами. Оценка качества продукций стохастических систем может быть осуществлена путем применения имитационного моделирования с вычислением функционалов или посредством спектрального анализа отклика системы на возмущение.

Методология формирования концептуальных моделей, предложенная в работе, включает в себя характерные этапы математического моделирования динамических систем и кодирование структурной схемы с помощью операторов ироблемно-ориентированною языка. При этом система, представленная в виде функциональной схемы, приводится к блок-

схеме с требуемой степенью детализации с указанием передаточных функций отдельных элементов и связи между ними. На этом этане требуется проведение экспериментальных и аналитических изысканий с целью определения вида передаточных функций и их параметров. Переход от концептуальной модели к программе завершается с учетом идентификаторов переменных структурной схемы. При достаточных навыках, в случае несложных задач, переход к концептуальной программе может быть осуществлен меньшим числом переходов.

Имитационное моделирование статистических объектов и технологических процессов требует проведения верификации - одной из сложнейших задач в моделировании. В работе были выполнены эксперименты на ряде объектов и имитационных статистических моделях (ИСМ) прядильного производства. Полученная близость результатов говорит о достоверности ИСМ и свидетельствует о возможности использования подобных методов в проектировании и анализе работы машин и агрегатов текстильной отрасти.

Введение в программу временного анализа динамической модели, представленной на проблемно-ориентированном языке дополнительного программного файла обработки данных на алгоритмическом языке, позволит оценить качество выравнивающей способности текстильного оборудования. Алгоритм вычисления' градиента внешней неровногы представлен на рис. I.

В ряде случаев верификации возникает потребность в методологии, позволяющей исследовать нелинейные динамические модели с проведением волнового анализа текстильною продукта на основе имитационного моделирования. Для обработки табулированных данных имитационных временных характерне гик, которые выводятся на диск памяти ЭВМ, предлагается использовать алгоритм, изображенный на рис.2.

Таким образом, следует отметить, что предложенная методология анализа и прогнозирования структуры машин и агрегатов прядильного производства на основе концептуального программирования с применением программных файлов обработки данных является мощным универсальным средством решения задач динамики и верификации ИСМ и продолжает развиваться и совершенствоваться путем сокращения машинного времени выполнения вычислительных экспериментов. Вновь разрабатываемые символьно-числовые методы с интерпретирующими подсистемами позволяют повысить быстродействие вычислений более чем на порядок, даже при постоянном использовании определенных аппаратных средств.

12 ' _N

К 1=1,...m-n+1 >

4-(18

^ НАЧАЛО .)

\ BBOJ \ V_nP.

s=v_np T

rX-₄I-l...m)v-

Y= Y+Y(I)

Y= Y/m 1=0; n=n„

1=1+1 YN=0

_6.

i=i

...I+n>

YN=YN+Y(I)

YN=YN/n

'J=J+1

B(J)=YN-Y

11..--' \ -.'. I+n+l=nr.

D=D+(B(D)

D=D/(m-n+1) C=(sqr(D)/Y)*100

( останов )

Рис.1. Алгоритм вычисления градиента внешней неровноты волокнистого продую а

НАЧАЛО

Расчет

\рс

\ВВОД скоД ' эости V_np^N

А_к=/а_к^г+ Ь_к^г

\Чтение массивах \ЛПП Т. Y(I)

Расчет ш_к= кші

Да ' 4 Конец\ Нет массива

Цикл спектрального анализа

Расчет

Печать таблицы /результатов

10—

/ Вывод /гистограммы результатов

И— (останов

_У

Рис. 2. Алгоритм волнового анализа текстильного продуїсга с использованием имитационного моделирования

Четверіая глава посвящена идентификации и разработке математических моделей основных переходов прядильного технологического комплекса. С этой целью идентифицирован технологический процесс формирования хлопчатобумажной пряжи.

На основе декомпозиции прядильных поточных линий получены математические модели отдельных переходов прядильного производства.

Имитационная модель стабилизации питания машин сортнровоч-но-очистнтелыюго перехода содержит модель адаптивного управления кипоразборшиком в стационарном режиме, модели конденсоров с непрерывным законом управления стабилизации потока волокна, модели смесителя непрерывного действия, наклонного очистителя и чистителя осевого. В модели учтены инерционные свойства измериіельпоіо преобразователя вертикального перемещения барабанов и исполнительных механизмов автоматического питателя, а также коррекция скорости выпускных валов одно емкостных бункеров. В качестве выходною параметра принимаем линейную плотность потока волокна со второго быстроходного конденсора или поток волокна на выходе сортировочпо-очистительного агрегата.

Далее выполнена имитационная модель агрегативноіі системы трепания с релейным управлением, позволяющая исследовать работу трепального перехода при стохастическом возмущении, па которое накладываем гармоническое воздействие.

Машинный эксперимент, проведенный на 11ПЭВМ для номинальной скорости работы агрегата, позволил получить временные зависимости подачи волокна, уровня наполнения бункера волокном, работы релейного 'регулятора, подачи волокна в бункер трепальной машины и линейной плотности настила на выходе трепальной машины при включении поточной линии с релейным регулятором в работу с пусіьім бункером (рис.3, а).

В случае, если управление плотностью настила волокна на выходе бункера ведется электромеханическим регуляшром, то машинный эксперимент, проводимый на ЭВМ, позволяет получить аналогичные временные зависимости при включении поточной линии с непрерывным регулятором в работу с пустым бункером (рис.3, б).

Аналогично выполнены идентификация и исследование для агрега-тивной системы пневмопитания волокном группы чесальных машин. !На основе макроблока чесальной машины и модели регулятора была создана метамодель питания группы машин в поточной линии, которая позволила исследовать систему при наличии стохастического возмущения на входе и отрицательной обратной связи по заполнению последнего бункера в линии. Исследования выполнены для случаев как релейного, так и непрерывного управления.

Г ВХбУН

а)

ПИТ —г

в»и-

б)

Рис. 3. Временные графики зависимости подачи волокна на трепальном переходе

Таким образом, в диссертации указанными выше методами был разработан и обоснован принцип непрерывного управления агрегативных систем в прядильном технологическом процессе с применением типовых и комбинированных законов управления.

С помощью разработанной программы на основании имитационной модели чесальной машины и вышеописанного алгоритма (см. рис.2) произведён спектральный анализ линейной плотности ленты, полученной на выходе чесальной машины типа ЧМ-50. Спектральный анализ системы для нелинейной модели чесальной машины представлен в виде гистограммы (рис.4). Отклонение амплитуды А (ы) в предложенном машинном методе частотного анализа не превышает 5 % от данных в эксперименте, полученных на USTER TESTER П-В .

" Z

6,66-

а, га

Рис. 4. Гистограмма волновой харакіериетнки

Предложенные методы частотного и волнового машинного анализа нелинейных имитационных моделей существенно повышают точность при проектировании текстильного оборудования и дают возможность прогно-. зировать частотно-волновые свойства как объекта, так и системы управления агрегатов в целом.

Для оценки существующих и предлагаемых комбинированных систем управления ЛП ленты в работе проведен анализ кривых градиентов внешней нерошготы волокнистого продукта в переходном режиме следующих систем регулирования ЛП ленты: на чесальной машине ДК-760 фирмы "Truchler" и на чесальной машине типа ЧМ-50.

При анализе системы на чесальной машине ДК-760 фирмы "Truchier" по градиенту внешней неровноты была получена кривая зависимости коэффициента вариации C_v (%) от длины отрезка L (м) волокнистого продукта, максимальное значение этой кривой составляет 2,75 %, а минимальное значение градиента составляет 0,6%, что считается достаточным и соответствует требованию к качеству ленты.

Градиенты внешней неровноты волокнистого продукта при существующем управлении технологическим процессом представлены в виде графиков (рис.5), полученных в результате.машинного и технолопиеско-го экспериментов, которые позволили провести верификацию статистических моделей для чесальной машины ДК-760 фирмы "Truchier".

,м —V

Рис.5. Результаты анализа работы чесальных машин:

- для машин типа ЧМ-50 с регулятором на входе;
- для машин типа DK-760 без регулятора ЛИ ленты;
- для машин тина DK-760 при установке CCD;
- для машин типа DK-760 с регулятором CCD+CFD;
- для машин типа ЧМ-50 с комбинированной САУЛП ленты с ИМ »<а рыхолс

При анализе работы системы на чесальной машине ЧМ-50 с регулятором на входе по градиенту внешней неровноты была получена кривая зависимости, которая имеет максимальное значение 3,0%, а минимальное значение градиента внешней неровноты составляет 0,9%, что считается вполне допустимым.

При синтезе и машинном анализе системы управления для чесальной машины ЧМ-50 с ИМ на выходе по градиенту внешней неровноты была получена кривая C_v = f (L). Максимальное значение зі ой кривой составляет 1,05%, а минимальное - 0,3%. Эго свидетельствует о возможности получения чесальной ленты лучшего качества по сравнению с лентой, которая вырабатывается на чесальной машине ДК-760, даже при установке систем регулирования Correclorcard (CCD) и Correctorfeed (CFD). При сравнительном анализе полученных результатов можно убедиться, как влияет наличие быстродействующею ИМ на выходе чесальной машины ЧМ-50 на качество чесальной ленты.

Если значения коэффициентов C\(L) вариации для одних и тех же отрезков L различаются более чем в два раза, можно считать, что регулятор в соответствующем режиме на данной длине воли эффективно выравнивает волокнистый продукт и сю эксплуатация на чесальной машине целесообразна. Причем наиболее жестким режимом, характеризующим качество работы регулятора, является переходный режим работы, то есть когда время анализа на ЭВМ соответствует времени переходного процесса.

Вместе с тем показана принципиальная возможность построения систем оптимального управления иневмопрядения и поточных линий в целом при использовании функциональных математических моделей техно-логических процессов. Полученные количественные соотношения позволяют провести анализ эффективности сложного оборудования, прогнозирование конструкций машин и структур агрегатв.

В пятой главе выполнена разработка и проведено исследование устройств стабилизации и агрегирования ТИ прядильною производства на базе вышерассмотренных методов и средств.

Повышение стабильности питания и точноеш регулирования подачи волокнистого продукта в прядильном производстве достигается тем, что разработаны и апробированы устройства стабилизации линейной 11ПОГНОСТП настила, питающего текстильные машины. Полученные результаты свидетельствуют, что при установке непрерывного регулятора настила с диэлькомегричеекпм датчиком нижнего слоя волокна на чесальную машину качество ленты повышается в несколько раз (рис.6).

Предлагаемая многоконгурная система управления стабилизации однотрубного нневмопитания текстильных машин обеспечивает¹ управление по алгоритму стохастической аппроксимации или по непрерывному

пропорционально-дифференциальному закону регулирования. Измерение линейной плотности настила на входе каждой из текстильных машин осуществляется в системе диэлькометрическими датчиками плотности волокна, установленными в нижней части бункеров параллельно выпускным валам питателя.

^ технологической

Электронный

блок управления

Рис.6. Конструктивное исполнение прямоточного бункера с непрерывным регулятором настила волокна

Дня доказательства технического результата был изготовлен экспериментальный образец системы стабилизации волокнистого продукта с бункерным однотрубным иневмопиганием для прядильной поточной линии, который испытан в лабораторных и производственных условиях. Испытания позволили подтвердить работоспособность контуров управления, установить параметры оптимальной настройки регуляторов с типовым законом управления и подтвердили, что установка предложенной системы стабилизации в поточной линии снижает градиент внешней неровноты чесальной ленты на 5-метровых отрезках в 2...3 раза.

Таким образом, предлагаемая система питания волокном технологических машин с бункерными питателями обеспечивает стабильность подачи волокнистого продукта к рабочим органам машин независимо от

их производительности, а также повышает точность регулирования подачи волокна для группы технологических машин поточной линии.

Для дальнейшего улучшения качества волокнистого продукта в области коротковолновой неровноты рекомендуется вводить ешё один дополнительный контур регулирования коэффициента вариации линейной плотности волокнистого продукта. Разработан и исследован разомкнутый регулятор линейной плотности ленты на базе вытяжного прибора с приводом постоянного тока.

Для достижения работоспособности разомкнутой системы регулирования необходимо обеспечить равенство передаточных функций в технологическом тракте и в тракте регулирования, т.е.

1 1 + Т,р_ К_л к, . KWnrfp)

Е І + Т₄р Тір'+Т.р + І Т,р + 1 Т,Т_яр²+Т,р + 1 + «Г_й.(р)К_шК'

где Е - статический коэффициент передачи вытяжного прибора; Кд- чувствительность датчика линейной плотности; T_t, Т₂ - значения постоянных времени датчика, Тд - постоянная времени регулирующего органа; Т₄. Ts - постоянные времени объекта управления; К_е - коэффициент передачи регулирующего органа; К-па - передаточная функция блока тахометрического моста; Т, = L / R - постоянная времени якоря двигателя; К = 1 / С_с С_т Ф - коэффициент передачи двигателя; Wf)(p) - передаточная функция блока управления.

^с /Е

В случае, если Т₂ « Т₍ и

Т_?р + 1 Т₄р + 1 имеем (Т,р + 1)(Т,р 4- 1)[ТД_тр² т Т,р + Т,р + 1 + W_Ey(P)K,_n,K] = КдК\\'_п.(р).

Отсюда W., (г) - ^(Т,Р ⁺ '^)(Т?Р ⁺ ^1)(Т'^Т"^р2 ⁺ ^Т'^р ⁺ '> Отсюда w«(P) к[К_д-(Т,_Р ₊ і)(Т_5Р ₊ і)к_ті

ПриК_д« 1 получим w_Ey(p) = ^T"^T'"P ^+Т?Р ⁺ ¹.

Таким образом, создан альтернативный вариант серийного разомкнутого регулятора для чесальных (ленточных) машин, который не имеет указанных выше недостатков и успешно используется в учебном процессе.

Рис.7. Система автоматического регулирования волокнистого продукта с гиперболическим исполнительным механизмом

Вместе с тем предложена замкнутая система регулирования градиента неровноты волокнистого продукта с гиперболическим исполнительным механизмом, представленная на рис.7. Она содержит измерительный преобразователь ЛП ленты с уплотнителыюй воронкой 1 и емкостным преобразователем 2 в корпусе 3. Исполнительный механизм, укрепленный на неподвижном основании 4, состоит из каркаса 5, направляющих спиц 6, подвижного кольца 7 и блочка 8. Блок регулирования имеет усилитель 10. Выход последнего связан с задатчиком II и элементом сравнения 12, с выходом на усилитель мощности 13, нагрузкой которого служит двигатель 14 с редуктором 15, соединенным через тросовую передачу 16 с блочком 8 и корректирующим звеном 17. Выход звена 17 соединен с одним из входов элемента сравнения 12. К усилителю 10 подключен также показывающий прибор 18, а на выходе регулятора расположены выпускные цилиндры 9. Блок регулирования может быть выполнен как часть микропроцессорного контура управления неровнотой волокнистого продукта.

Силу трения ленты о воронку в зависимости от текущей линейной плотности и скорости движения V волокнистого продукта, выражая длину регулируемой воронки через радиус входного отверстия гиперболоида; можно представить так:

_f(t) ₌ ^сш г

(g + l)(g + 2)cospJ[

где Е - модуль упругости волокнистого продукта;

а - коэффициент трения волокнистого продукта при взаимодействии

его с внутренней поверхностью гиперболоида; . р - угол наклона образующей гиперболоида к направлению движения

ленты; g - показатель, характеризующий нелинейные свойства сжимаемого продукта; aj - радиус входного отверстия; T(t) - величина относительного отклонения линейной плотности волокнистого продукта от заданной величины.

Таким образом, предлагаемый регулирующий орган обладает интегрирующими свойствами, способен выравнивать коротковолновую не-ровноту. Передаточная функция по возмущающему воздействию имеет вид\У(р)=К/р.

Созданные альтернативные варианты серийному разомкнутому регулятору на выходе чесальных и ленточных машин устраняют недостатки существующих регуляторов и могут обеспечить получение ленга с градиентом внешней неровноты порядка 1%.

В шестой главе проведена разработка механизмов и устройств повышения эффективности прядения на базе средств контроля и локального управления машин и агрегатов прядильного производства.

Поскольку электромеханические контактные чувствительные элементы просты по устройству, то они наиболее часто применяются в системах автоматического контроля целости нитей на -современных текстильных машинах.

Время движения чувствительного элемента от начального положения ф„ до уровня срабатывания ф_ср в этих условиях находится из дифференциального уравнения динамики чувствительного элемента

dm t = - '

L V^2(cos P'p ~^cos ^ф" )

^)ц V /J

где ^шц - -у /j - частота шостеє иных колеоании чувствительного елемента.

Выходной рычаг чувствительного элемента воздействует через время t на входной рычаг элемента ИЛИ. В результате постоянный магнит 4, закрепленный на подвижной рамке, перемещается к геркону. Представляя постоянный магнит в виде магнитного диполя и выражая разность потенциалов через параметры данного магнита (напряженность Н₀ магнитного поля и длину 1» магнита), получаем значение модуля напряженности в функции координат: " ⁼

В случае малых перемещений можно допустить, что постоянный магнит перемещается параллельно оси геркона.' Тогда, полагая у = 0, находим напряженность магнитного поля вдоль оси X: "х ⁼ /_кх .

Определяя по стаїической характеристике геркона значения напряженности срабатывания Н_ф магнитного поля и напряженности отпускания Нош контактов из предыдущего уравнения, находим значения расстояний между магнитом и контактом, соответствующие срабатыванию и от-

v ₌"о'о/ у _ Н₀1₀/.

пусканию контактов геркона: ^лч> /тй\ , ^ ~ /яН

При проектировании автоматических устройств с герконовыми преобразователями необходимо предусмотреть возможность изменения настроек.

Достоинством датчиков с герконовыми преобразователями является достаточно большая мощность выходного сигнала, простота конструкции преобразователя механического перемещения в электрический сигнал и простота установки настроек. К недостаткам относятся изменения характеристик герконов при механическом воздействии на электроды и увеличение времени чистою запаздывания при передаче сигнала по причине

различия величин х<._т и х_1)П, на время

- ("oh)/ 1(-^_( /jlV^K

'Н,

Нср ^}'

где V - линейная скорость перемещения магнита.

Формирование початка или перемотка значительного числа одиночных нитей требует не только быстродействия при определении обрыва, но н необходимости обеспечить высокую надежность, оиенить физико-механические свойства пряжи. Поэтому была предложена функциональная схема контроля и управления рабочим местом для машин типа ТКС - 132 и ПК - 100. На схеме (рис.8) изображены: I - электромагнитный преобразователь, 2 - контролируемая нить (стренга), 3 - шайба нитенатяжителя, 4 -паковка. Блок управления состоит из усилителя 5, вход которого связан с преобразователями 1, а выход с детектором 6. Сигнал с детектора поступает на пороговый элемент 8, включающий тиристорный ключ VT. Релейный элемент К разрывает цепь управления исполнительным механизмом, сигнальной лампочкой L, а также подает сигнал в АСУ ТП.

Рис.8. Функциональная схема контроля и управления рабочим местом тростнльно-крутильных и прядильно-крутильных машин

При останове рабочею места и ликвидации обрыва оператор тумблером S обесточивает цепь управления и запускает технологический процесс. Введение в пень сумматора и нескольких электромагнитных преобразователей исключает перемотку и крутку комплексной нити при обрыве одной из стренг.

Совмещение подобных датчиков с наїяжньїми приборами не только исключает дополнительное механическое воздействие на волокнистый продукт, но и упрощает заправку, улучшает качество пряжи.

Пели датчик рабоїаег в генераторном режиме, то на выходе при движении нити с линейной скоростью V развивается ЭДС, равная

!28nu„j^:bVV, FDV ^У і 2nV
с( I) -- г-± ~ cos 1

где a, b - геомеїрпческне раїмерьі шайбы нитенатяжителя; [) - амплитуда колебаний толщины продукта; F - магнитошижупш сила; А.-длина водны колебаний толщины продукта; N - размагничивающий фактор; W_k - число ви ікон каїушки, >сіановленнойна магнитопроводе.

Для исследования прелюженных систем контроля пряжи с пьезо* преобразователями была разработана конструкторская документация и и потоплены несколько приборов, которые были защищены авторскими свидетельствами и иаіентами.

Наиболее рациональным является конструктивное исполнение датчиков, в которых в качестве преобразователя используется типовая головка звукоснимаїеля. Контролируемая нить I под действием силы Ті (рис.9), проходя через нитепроводник 2, наматывается на паковку, при ном нить начинасі бадлонировать, заставляя колебаться нитепроводник с частотой, равной частоте баллонирования нити, соответствующей скорости намотки. Колебания нитепроводника передаются через упругий элемент 3 на пьекшекгрический преобразователь 4, на выходе которого возникает синусоидальный сигнал с частотой, соответствующей частоте баллонирования. Для уменьшения помех, создаваемых вибрацией машины, даічик сияіан с последней посредством амортизаторов 5, а перемещение нитепроводника в вертикальной плоскости ограничено осью 6. С целью уменьшения напряжения на выходе датчика с частотой собственных колебаний ннк'ироиодиика центр тяжести подвижной системы совмещен

с осью вращения. Как показали исследования, такой датчик имеет минимальный уровень помех, достаточную чувствительность и чёткое проявление релейного эффекта при обрыве нити.

Рис.9. Обший вид датчика баллонирующей нити

Величина усилия, оказываемого баллонирующей нитью при действии на нитепроводник 2, зависит от конструктивных размеров и скорости вращения веретена

F, = TV

rm+

arcsin(^ry )

/ ^Гт .

где Т - линейная плотность нити;

о - угловая частота вращения веретена;

г_ш- максимальный радиус баллона;

г_к - средний радиус кольца;

h - высота баллона;

осо- угол в вершине баллона.

Если пренебречь моментом сил трения в опоре датчика, то зиаче-

1 F / ние силы, действующей на преобразователь: ?г = ' ^гА_ч ,

где lj - длина нитепроводника до центра вращения; Ь - длина хвостовой части нитепроводника.

Полученное выражение является уравнением деформации пьезо-элемента под воздействием силы бокового давления со стороны баїлонн-рующей ниш. Уравнение, связывающее деформацию пьезоэлемента с напряжением выходного сигнала, получаем на основании чувствительности преобразователя к перемещению |и| - s)x_;|, где U - напряжение снимаемого сигнала.

Производственные испытания показали высокую работоспособность и надежность подобных преобразователен. Время наработки на отказ одного прибора в среднем составляет 5000 часов. Приборы типа АКН и лабораторные стенды были представлены на ВДНХ СССР и отмечены двумя медалями выставки.

Применение комплекта датчиков обрыва нитей, электронной обегающей системы отбора информации на базе однокристальной микроЭВМ позволяет решить комплекс задач от контроля обрыва нитей, сигнализации места нарушения ТП, управления кольцевой планкой, съемом наработанных паковок, ликвидации обрывов пряжи до оптимизации скорости прядения для перевода машины в сторожевой режим работы.

В выводах по работе сформулированы основные результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также опытно-конструкторских разработок.

В приложении приводятся гистограммы исследования качества ленты на отечественной поточной хлопкопрядильной линии (приложение 1); программы проектирования нестандартных отечественных преобразователей для прядильного оборудования (приложение 2); программы имитационного моделирования для детерминированных технологических процессов механической обработки волокна, программы анализа стохастической системы управления линейной плотностью волокнистого продукта с вычислением градиента внешней неровноты, программы спектрального анализа линейной плотности волокнистого продукта (приложение 3); концептуальные программы на проблемно-ориентированном языке анализа работы разрыхлительно-очнетительного перехода прядильной поточной линии с непрерывным управлением производительностью машин для пускового режима работы, анализа работы бункерных питателей чесальных машин (приложение 4); принципиальная электрическая схема измерителя линейной плотности настила волокна, кинематическая схема чесальной машины с установленным регулятором на бункерном питателе, принципиальная электрическая схема прибора для измерения J1T1 ленты (приложение 5); акты производственных испытаний и внедрений приборов, механизмов, агрегатов в различных организациях (приложение 6).

Похожие диссертации на Разработка методов и средств проектирования механизмов, машин. агрегатов прядильного производства на основе имитационного моделирования