Актуальность темы
Основными направлениями развития народного хозяйства на 1981;1985 г. г. и на период до 1990 года предусмотрено дальнейшее увеличение производства химических волокон [1.1]. В 1978 году 1Ъ% общего мирового производства химических, нитей текстильного назначения составляли синтетические нити¡-3.4]. По прогнозам специалистов в 2000 году доля синтетических нитей составит уже 90 $ и будет равна 32 млн. тонн[4.2з|. Высокие темпы развития производства синтетических нитей являются следствием того, что они обладают ценными физико-механическими свойствамивысокой устойчивостью к многократным деформациям, упругостью, стойкостью к действиям среды и погодных условий.
В то же время у синтетических нитей есть ряд недостатков, которые затрудняют их переработку и ограничивают использование для изготовления текстильных изделий широкого потребления. В первую очередь это гладкая стеклообразная поверхность, сильный блеск, цилиндрическая форма, высокая электризуемость, низкая гигроскопичность. По этой причине синтетические нити подвергаются обработке текстурированием, в результате чего изменяется их пространственная структура. При этом они приобретают ряд новых свойств, улучшающих их эксплуатационные характеристики. Синтетические нити, прошедшие обработку в процессе текстурирования, обладают большей объёмностью, пушистостью, пористостью, гигроскопичностью.
Основной характеристикой, определяющей качество текстуриро-ванной нити, является постоянство её пространственно-ориентированных свойств по длине.
При текстурировании синтетических нитей /ТСН/ фрикционными механизмами ложного кручения не обеспечивается высокое качество выходного продукта, в основном из-за неравномерности получаемых нитей по крутке. А роторные механизмы ложного кручения не позволяют проводить процесс текстурирования на требуемых высоких скоростях.
Для увеличения количества и улучшения качества выпускаемой в процессе ТСН продукции, наряду с совершенствованием технологического оборудования, необходимо обратить особое внимание на «.широкую автоматизацию технологического процесса.» £1.2}. Поэтому большое значение имеет автоматизация процесса ТСН путём создания автоматизированных технологических комплексов с применением встроенных систем автоматического управления /САУ/ на базе микропроцессоров и микро-ЭВМ.
Используемые в настоящее время локальные системы контроля и регулирования отдельных технологических параметров процесса ТСН не позволяют обеспечить требуемое качество выходного продукта и высокие технико-экономические показатели процесса. По этой причине весьма актуальна проблема создания оптимальной системы автоматического управления процессом ТСН.
Работа выполнялась в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР за № ЗПр от 13.02.1979 г. и Приказом Минлегпище-маша за № 194 от 10.04.1979 г.
Цель и задачи исследований. Целью работы является построение математической модели и разработка оптимальной системы автоматического управления процессом ТСН, обеспечивающей требуемое качество выходного продукта и высокие технико-экономические показатели.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
— анализ технологического процесса ТСН как объекта автоматического управления и построение математических моделей его основных стадий — нагрева, кручения и охлаждения нити;
— разработка методики расчёта температуры движущейся нити при её нагреве и охлаждении в устройствах с разнообразными температурными полями сложного вида;
— разработка методики автоматизированного синтеза цифровой САУ кручения нити с. использованием пакета прикладных программ;
— разработка алгоритма определения оптимальной скорости движения нити в процессе ТСН;
— разработка варианта технической реализации системы управления процессом ТСН.
Автор выдвигает на защиту:
1. Математические модели основных стадий процесса ТСН.
2. Методику расчёта температуры движущейся нити при её нагреве и охлаждении в устройствах с разнообразными температурными полями сложного вида.
3. Структуру децентрализованной двухуровневой системы управления процессом ТСН с локальными САУ кручения, нагрева и охлаждения нити на первом уровне и с координирующей микро-ЭВМ на втором.
4. Методику автоматизированного синтеза цифровой САУ кручения нити с использованием пакета прикладных программ. Синтезированные алгоритмы оптимального оценивания и управления и резервируемый алгоритм для случая выхода из строя датчика линейной плотности нити.
5. Алгоритм определения оптимальной скорости движения нити.
6. Вариант технической реализации системы управления процессом ТСН, алгоритм вычисления управляющего воздействия в локальной САУ кручения нити.
Методы исследований. В процессе решения поставленных задач были использованы современные методы теории автоматического управления, теории оптимального управления, гармонического анализа функций.
В работе широко применялись современные математические методы исследований с использованием универсальных ЦВМ и микро-ЭВМ.
— 7.
Научная новизна работы:
1. Разработана в непрерывной и дискретной формах математическая модель кручения синтетической нити при текстурировании, основанная на балансах круток и массы нити и учитывающая проскальзывание нити на поверхности контакта при использовании фрикционного МЛК.
2. На основе математического описания процессов нагрева и охлаждения нити разработана методика определения температуры движущейся нити при произвольном профиле распределения температурного поля в нагревателе.
3. Разработана функциональная структура и определена последовательность взаимодействия расчётных модулей пакета прикладных программ для автоматизированного синтеза цифровой САУ процессом ТСН.
4. На основе метода пространства состояний впервые определены параметры и рассчитаны основные показатели функционирования цифровой САУ процессом кручения нити, показавшие правомерность использования разработанной методики для синтеза цифровых САУ физико-механическими процессами обработки синтетических нитей.
5. Впервые задача определения оптимальной скорости движения нити в процессе текстурирования сформулирована как задача децентрализованного управления и разработан алгоритм её решения, основанный на декомпозиционных методах.
Практическая ценность. Основные результаты работы предназначены для использования при автоматизации сложного технологического процесса ТСН. Разработанная оптимальная САУ процессом ТСН рекомендуется к применению на проектируемых высокоскоростных отечественных машинах для текстурирования синтетических нитей.
Математические модели нагрева и охлаждения нити и разработанная методика расчёта температуры движущейся нити позволяют определить температуру нити в процессе ТСН и могут быть использованы для нахождения оптимальных параметров технологических процессов.
Методика автоматизированного синтеза локальной САУ кручения нити позволяет синтезировать алгоритмы оптимального управления при обработке разных типов синтетической.:-нити в различных режимах текстурирования и может быть использована для разработки цифровых САУ других технологических процессов.
Разработанный макет устройства для измерения крутки нити предназначен для использования в технологическом процессе ТСН.
Результаты выполненных исследований приняты Всесоюзным НИИ машин для производства синтетических волокон /ВНИИМСВ/ к использованию при разработке текстурирующих машин. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 51,2 тыс. рублей /Приложение!/.
Применение полученных в работе результатов Алма-Атинским ПКБ АСУ при выполнении договорных работ с Улан-Уденским комбинатом по теме № 19 193 позволило обеспечить годовой экономический эффект 38,8 тыс. рублей /Приложение" УТ /.
Апробация работы. Теоретические положения и основные результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции МТИ /1983 г./, на Республиканской научно-практической конференции «Совершенствование хозяйственного механизма в свете решений ХХУ1 съезда КПСС» /г.Алма-Ата, 1981 г./, на Всесоюзной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов лёгкой промышленности» /г.Москва, 1982 г./, на Всесоюзной научно-технической конференции «Создание прогрессивного оборудования для производства химических волокон» /г.Чернигов, 1982 г./, на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Применение современных средств электроники и вычислительной техники в технологическом оборудовании для лёгкой промышленности» /г.Москва, 1983 г./, на 5 Всесоюзной научной конференции «Перспективы развития производства и применения текстурированных нитей и высокообъёмной пряжи из химических волокон» /г.Каунас, 1983 г./, на секции научно-технического совете ВНИИМСВ в 1983 г., на научно-техническом семинаре кафедры «Автоматики и электроники» МТИ в 1983 г., на заседании кафедры «Автоматики и электроники» МТИ в течение 1980;1983 г. г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов работы, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 119 страницах основного текста и содержит 45 страниц иллюстраций, II страниц списка литературы из 106 наименований и 75 страниц приложений. Общий объём диссертации составляет 175 страниц.
1. На основе анализа процесса ТСН как объекта автоматического уп равления построены математические модели основных его стадий об работки нити. Разработанная в непрерывной и дискретной формах ма тематическая модель процесса кручения нити основана на балансах крутки и массы нити и учитывает проскальзывание нити на поверх ности контакта при использовании фрикционного МЛК. Математическое описание характеризует процессы нагрева и охлаждения нити как объекты с распределёнными в пространстве параметрами.2. На основе математического описания процессов нагрева и охлаж дения нити разработана методика определения температуры движу щейся нити при произвольном профиле распределения температурного поля в нагревателе.3. Разработана структура САУ процессом ТСН. Она имеет вид децент рализованной двухуровневой САУ, в которой локальные САУ нижнего уровня координируются центральной ЭВМ верхнего уровня. Особен ностью САУ процессом ТСН является наличие интегрального управляю щего воздействия.4. Разработана функциональная структура и определена последова тельность взаимодействия расчётных модулей пакета прикладных программ для автоматизированного синтеза цифровой САУ кручения нити, который обеспечивает уменьшение трудоёмкости и сокращение сроков проектирования.5. На основе метода пространства состояний впервые определены па раметры и рассчитаны основные показатели функционирования цифро вой САУ кручения нити, показавшие правомерность использования ра зработанной методики для синтеза цифровых САУ физико-механически ми процессами обработки синтетических нитей. В результате анализа синтезированных, по критериям МЧЩЦ переходного процесса и ОККК, алгоритмов управления определён оптимальный закон управления. Раз- 164 ;
работай резервируемый алгоритм управления для случая выхода из строя датчика линейной плотности нити. Синтезирована система оце нивания состояния объекта при воздействии на него случайных воз мущений и помех высокого уровня. Для этого случая разработана структура цифровой САУ кручения нити, которая состоит из после довательно соединённых системы оценивания состояния объекта и оптимального детерминированного регулятора.6. Впервые задача определения оптимальной скорости движения нити в процессе текстурирования сформулирована как задача децентрали зованного управления и разработан алгоритм её решения, основан ный: на декомпозиционных методах.7. Разработан вариант технической реализации САУ процессом ТСН. Для цифровой САУ кручения нити разработаны программа вычисления управляющего воздействия и структура МВУУ. Разработан макет уст ройства для измерения крутки нити.8. Результаты выполненных исследований приняты Всесоюзным НИИ машин для производства синтетических волокон /ВНИИМСВ/ к исполь зованию при разработке текстурирующих машин. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 51,2 тыс. рублей.9. Применение полученных в работе результатов Алма-Атинским ПКБ АСУ при выполнении договорных работ с Улан-Уденским комбинатом по теме Jfe L9I93 позволило обеспечить годовой экономический эффект 38,8 тыс. рублей.
