Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие технических средств автоматизации характеризуется функциональным и конструктивным объединением электромеханических, силовых и информационно-управляющих компонентов с высоким уровнем организации процессов управления, т.е. формированием мехатронных систем и комплексов. При экструзионной обработке полимеров мехатронные системы обеспечивают выполнение механической работы по изменению физического состояния полимера, управление его движением в канале экструдера, формирование изделия продавливанием материала, обладающего высокой вязкостью в жидком состоянии, через формующий инструмент, а также координацию всех подсистем экструзионной линии.
Различные вопросы теории и практики экструзионной обработки полимеров исследованы в работах Торнера Р.В., Раувендааля К., Ребиндера П.А., Зимона А.Д., Дерягина Б.В., Классена П.В., Генералова М.Б., Гольд-штейна М.Н, Шомина И.П., Гришаева И.Г., Володина В.П., Казакова Е.Е., Каталымова А.В., У. Дарнелла, Э. Мола, Э.В. Дженике и др.
Эффективная работа оборудования и качество продукции в сложной мехатронной системе обеспечивается при высоком уровне организации процессов управления. При движении неньютоновской полимерной жидкости в канале экструдера имеют место сложные эффекты: пульсации давления, связанные с образованием застойных зон в угловых областях формующей головки экструдера, образование радиальной температурной неоднородности экструдата, периодическое проскальзывание экструдата, связанное с ориентацией макромолекул полимеров в пристенных слоях расплава (л-эффект) и наличием значительных пиков напряжений и давления в выходном сечении формующей головки. В этих условиях традиционные системы регулирования процессов, использующие простые аналитические модели, не обеспечивают адекватного решения сложной задачи. Современное состояние теории и практики управления экструзией характеризуется использованием совокупности простейших локальных регуляторов основных параметров процесса.
Существующее противоречие между практической потребностью повышения технического уровня мехатронных комплексов для экструзи-онных производств, с одной стороны, и ограниченными возможностями современных методов управления процессом экструзионной обработки, с другой стороны, определяют актуальность исследований в данном направлении.
Работа выполнялась в период с 2008 по 2012 г. во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых и соответствует п. 13 «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем» и п. 16 «Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов» Перечня критических технологий Российской Федерации, утвержденного Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. Научно-исследовательская работа проводилась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (государственные контракты № 2010-400-074-3973 и П-236). Автор работы -лауреат конкурса грантов молодым ученым Администрации Владимирской области в 2009 г.
Цель и задача работы. Цель работы состоит в повышении технического уровня мехатронного комплекса экструзионной обработки полимеров на основе совершенствования аппаратных и программных средств управления.
Для достижения указанной цели сформулирована научная задача: составить математическое описание процесса экструзионной обработки и компонентов мехатронного комплекса и на основе полученных моделей разработать методику, алгоритмы и программные средства компьютерного моделирования, управления, регистрации и визуализации процессов в мехатронном комплексе.
Решение этой научной задачи предполагает:
1. Составление математического описания в переменных состояния
на основе анализа движения полимера в канале экструдера, ориентирован
ного на решение задач анализа и синтеза мехатронного комплекса экстру
зионной обработки.
Выбор, обоснование и реализацию численного метода моделирования движения экструдата в канале экструдера.
Разработку способа и алгоритма управления процессами в экстру-дере с идентификатором состояния мехатронной системы в реальном времени.
Разработку аппаратного и программного обеспечения мехатронной системы управления экструзионной обработкой полимеров.
Разработку и реализацию алгоритмов визуализации процессов в канале экструдера в реальном времени.
6. Разработку и реализацию программных средств автоматизирован
ного контроля экструзионной линии в составе SCADA-системы.
Методы исследования. Для решения сформулированной научной задачи использованы математические методы моделирования физических
процессов, классическая электромеханика, вычислительные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений, современная теория автоматического управления, теория вычислительного эксперимента и обработки данных.
Основные положения, защищаемые автором.
Математическое описание мехатронного комплекса экструзионной обработки полимеров, учитывающее взаимодействие электромеханических, тепловых и информационных процессов и ориентированное на исследование процессов управления движением и обработкой полимера в одношнековом экструдере.
Компьютерные модели мехатронной системы управления движением и обработкой полимера в канале экструдера, эффективные для выполнения вычислительных процедур в реальном масштабе времени.
3. Способ и алгоритм управления экструзией с идентификатором состояния.
Способ визуализации работы экструдера в реальном масштабе времени с использованием рабочих сигналов мехатронного комплекса.
Компьютерная система управления экстру дером (структура, аппаратное и программное обеспечение).
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
Составлены и исследованы математические модели мехатронных систем одношнековых экструдеров, ориентированные на анализ, синтез и исследование компьютерных систем управления.
Разработаны алгоритмическое и программное обеспечение для компьютерного моделирования процессов в мехатронной системе экструдера и синтеза специальных алгоритмов управления.
Предложен и исследован алгоритм управления процессом экструзии с идентификатором состояния.
Предложен способ визуализации работы экструдера в реальном времени с использованием рабочих сигналов мехатронной системы.
Практическая ценность. Разработанные математические и компьютерные модели процессов движения полимера в канале экструдера позволяют синтезировать алгоритмы управления с идентификатором состояния, регистрировать и визуализировать процессы, благодаря чему обеспечивается качественно новый уровень управления, снижение влияния внешних возмущающих воздействий, в том числе человеческого фактора. Разработанные структуры, технические и программные средства управления позволяют повысить технический уровень мехатронного комплекса экструзионной обработки полимеров.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: результатами теоретических исследований, основанных на фундаментальных положениях физики, электротехники, электромеханики, математического анализа; корректностью сделанных допущений при построении математических моделей; сопоставлением результатов математического моделирования и экспериментальных данных, полученных в производственных условиях, и подтвердивших высокую сходимость результатов теоретических исследований.
Реализация результатов работы. Теоретические результаты и математические модели, прикладные программы, рекомендации, алгоритмы и практические разработки, в том числе защищенные патентом Российской Федерации, использованы в проектной практике ООО «Владимирский завод полимерного машиностроения «Полимер-Техника». На основе разработанного проекта (конструкция, аппаратное и программное обеспечение) организовано серийное производство автоматизированных линий ПЧ-45 с компьютерным управлением. Для мехатронной системы установки нанесения полимерного покрытия УТСП-01 разработано аппаратное и программное обеспечение. Программное обеспечение для мониторинга процессов в мехатронной системе использовано в 000 «Компания «Объединенная Энергия» в оборудовании для наладки горных машин.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических мероприятиях, в том числе:
XXXV, XXXVII и XXXVIII Международных молодежных научно-технических конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, 2009, 2011, 2012).
Международной научной конференции «Дифференциальные уравнения и динамические системы» (Суздаль, 2 -7 июля 2010 г.).
Международной научно-технической конференции «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, 27 - 29 октября 2011 г.).
Всероссийской конференции «Механика наноструктурированных материалов и систем» (Москва, 13 - 15 декабря 2011 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ, в том числе 2 статьи в журналах из Перечня ВАК РФ и получен патент РФ на изобретение.
Объём работы. Диссертация изложена на 226 с. машинописного текста, содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 140 наименований, 4 приложения и иллюстрируется 50 рис.
