Разработка цифровой системы контроля и регулирования плотности ткани

В настоящее время среди факторов, определяющих экономическое положение текстильных предприятий, важную роль играет эффективность управления технологическими процессами. Производственная деятельность в текстильной отрасли осложняется возрастающей ценой сырья и энергоносителей, преобладанием устаревшего оборудования, дефицитом оборотных средств и рядом других причин. Вместе с тем, оперативный контроль и регулирование технологических параметров дает возможность скомпенсировать влияние негативных факторов и повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции.

Эффективное управление технологическими процессами в текстильной промышленности может быть реализовано только в условиях автоматизации производственного оборудования. Сказанное относится прежде всего к отделочному производству, характерными особенностями которого являются преобладание непрерывных процессов, большая протяженность технологических линий, высокая скорость движения рабочих органов. Все это снижает эффективность ручного управления процессами отделки, а подчас делает его невозможным.

Применение средств автоматического контроля и регулирования позволяет, в частности, увеличить экономическую эффективность процессов заключительной отделки тканей. На данной стадии производится облагораживание внешнего вида ткани, ей придаются устойчивые либо кратковременные эффекты /1,27,28,30/. Проводимые при этом технологические операции непосредственно влияют на качество готовой продукции. Кроме того, для процессов заключительной отделки характерны высокая стоимость сырья (тканей — полуфабрикатов) и большой удельный расход энергоносителей.

На стадии заключительной отделки имеются значительные ресурсы экономии сырья и энергоносителей. Экономический эффект может быть достигнут, в частности, путем управления расходом сырья на единицу выпускаемой продукции. Вместе с тем, подобное управление требует применения средств автоматического контроля и регулирования технологических параметров.

В состав отделочных линий обычно входят сушильно-ширильные или сушильно-ширильные стабилизационные машины. В процессе обработки на этих машинах ткань подвергается деформации с последующей фиксацией ее геометрических размеров, что создает предпосылки к управлению плотностью по утку и основе. Оперативное регулирование плотности позволяет добиться минимального отклонения данного параметра от нижнего уровня требований стандартов. Такое — регулирование приводит к увеличению выпуска качественной продукции при минимальном расходе сырья — суровых тканей.

К настоящему времени в нашей стране и за рубежом разработаны разнообразные конструкции средств оперативного контроля плотности ткани. При этом в зарубежной практике широкое распространение получили радиоизотопные датчики поверхностной плотности /28,70,82,89,92/, недостатком которых является сложность в эксплуатации и потенциальная опасность для персонала. Альтернативой в данном случае является применение систем измерения плотности по утку и основе /35,49,67,71,89,90/. Однако большинство таких систем построены на базе измерительных преобразователей, обладающих значительными (порядка 4−7-5%) систематическими погрешностями.

Известен ряд способов повышения точности измерения плотности ткани по утку, позволяющих построить более совершенную измерительную систему на основе датчика наличия нитей /8. .21,23,24,35/. Наиболее перспективным является применение методов статистической коррекции оценок плотности, реализуемых в виде алгоритмов цифровой обработки информационных сигналов измерительных преобразователей.

Наличие средств оперативного контроля плотности создает предпосылки к созданию систем автоматического регулирования данного параметра. К сожалению, за исключением немногочисленных работ /35,37,98/, в отечественной практике разработки подобных устройств отсутствуют&bdquoВместе с тем, ряд зарубежных фирм выпускает сушильно-ширильные машины, оснащенные системами автоматического контроля и регулирования плотности ткани на основе радиоизотопных либо фотоэлектрических датчиков /28,117, 118/. Однако большинство известных систем обладают невысокими динамическими характеристиками и требуют ручной настройки при смене артикулов обрабатываемой ткани.

Существует ряд причин, осложняющих разработку эффективных систем управления плотностью ткани по утку. Сушильно-ширильные машины представляют собой объект управления с распределенными параметрами, который можно представить моделью с запаздыванием. Параметры данного объекта могут меняться в широких пределах в зависимости от артикула обрабатываемой ткани. Кроме того, система управления должна нормально работать в условиях возмущающих воздействий случайного характера, наиболее значимым из которых является процесс колебаний плотности на входе в машину.

К настоящему времени накоплен значительный опыт разработки и исследования систем управления объектами с запаздыванием /47,51,52,77/. Наилучшее качество управления достигается при использовании специальных регуляторов с компенсацией запаздывания. Однако системы с такими регуляторами весьма чувствительны к отклонению параметров используемой математической модели объекта от действительных значений. Поэтому при разработке системы управления плотностью необходимо принять меры к автоматической настройке регулятора в условиях изменения параметров объекта.

В современных условия широкое распространение получила вычислительная техника различного назначения, в том числе промышленные компьютеры, управляющие микропроцессорные контроллеры и однокристальные микроконтроллеры. Применение микропроцессорных устройств в определенной степени облегчает реализацию цифровых систем контроля и регулирования. Вместе с тем, возникает проблема рационального выбора аппаратных средств и распределения функций между программной и аппаратной частями системы.

Наиболее эффективное управление технологическими параметрами, в том числе и плотностью ткани, обеспечивается при иерархическом построении системы контроля и регулирования /52/. Такая система обычно состоит из нескольких уровней, причем число уровней может быть различным. Потоки информации поступают с нижних уровней на верхний. В обратном направлении распространяются управляющие воздействия. На верхнем уровне производится. координация работы локальных регуляторов, формирование заданных значений регулируемых величин. На нижнем осуществляется контроль и регулирование локальных параметров технологического процесса .

Таким образом, важное значение приобретает рациональное распределение функций контроля и регулирования между уровнями иерархической системы. При этом выбор аппаратных и программных средств, применяемых при реализации системы, зависит от решаемых на данном уровне задач.

Целью данной работы является разработка, исследование и практическая реализация системы контроля и регулирования плотности ткани на сушильно-ширильной машине, позволяющей обеспечить эффективное управление расходом сырья на единицу выпускаемой продукции.

Процесс обработки ткани на сушильно-ширильных машинах имеет ряд специфических особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании системы контроля и регулирования. В частности, изменение плотности ткани возможно только в определенных пределах, зависящих от особенностей технологии и артикула обрабатываемой ткани. На вход системы управления воздействует широкополосный случайный процесс, причем на сушильно-ширильной машине, в силу ее конструктивных особенностей., могут быть скомпенсированы лишь низкочастотные колебания плотности.

Поэтому первой задачей диссертации является формирование технологически обоснованных требований, способных составить основу разработки системы контроля и регулирования плотности ткани.

Основным режимом работы сушильно-ширильных машин является обработка больших партий, полученных путем сшивания кусков ткани одного артикула. При этом возникает стохастический процесс колебаний плотности, порождающий случайные сигналы на выходах измерительных преобразователей. В данных условиях для разработки эффективных систем контроля и регулирования плотности необходимо располагать математическими моделями указанных случайных процессов.

Поэтому второй задачей диссертации является разработка математических моделей случайных процессов, возникающих при измерении плотности ткани по утку.

Регулирование плотности ткани требует применения средств оперативного контроля данного параметра. Вместе с тем, существующие измерительные системы обладают различными недостатками, вследствии чего они не получили распространения в отечественной текстильной промышленности. Развитие методов цифровой обработки сигнала создает предпосылки к созданию более совершенной системы измерения плотности.

Поэтому третьей задачей диссертации является разработка системы оперативного контроля плотности ткани по утку.

На основе разработанного устройства оперативного контроля плотности может быть построена система автоматического регулирования указанного параметра ткани. Однако применение типовых регуляторов в данном случае малоэффективно, поскольку сушильно-ширильные машины обладают значительным транспортным запаздыванием. Кроме того, система управления плотностью должна нормально функционировать в условиях возмущающего воздействия случайного характера.

Поэтому четвертой задачей диссертации является разработка и исследование рациональных вариантов построения системы управления плотностью ткани.

На сушильно-ширильных машинах могут обрабатываться ткани различных артикулов при различных скоростях движения. При этом параметры объекта управления плотностью меняются в широких пределах. В силу случайного характера измеряемых величин математические модели, применяемые при синтезе регуляторов, могут быть не вполне адекватными реальному объекту.

Поэтому пятой задачей диссертации является разработка средств автоматической настройки регуляторов плотности ткани.

Важнейшим критерием эффективности разработанной системы контроля и регулирования являются результаты лабораторных и производственных испытаний опытного образца устройства .

Поэтому шестой задачей диссертации является осуществление аппаратной и программной реализации системы контроля и регулирования плотности ткани, а также проведение испытаний опытных образцов.

Научная новизна работы представлена:

— составленными по результатам экспериментов математическими моделями информационных сигналов датчиков наличия нитей и случайных процессов колебаний плотности ткани на входе СШМ;

— разработанными принципами применения статистической коррекции сигнала датчика наличия нитей для повышения точности измерения плотности ткани по утку;

— разработанной математической моделью системы контроля плотности ткани, позволяющей исследовать статистические харатеристики получаемых оценок плотности;

— выявленной в результате анализа оптимальной структурой системы управления плотностью ткани, построенной на основе принципов комбинированного управления;

— алгоритмом автоматической настройки параметров регулятора плотности ткани, а также критерием сходимости процесса настройки;

— математической моделью адаптивной системы управления плотностью ткани, позволяющей детально исследовать ее динамические характеристики.

Практическая значимость результатов работы определяется следующим:

— разработанной и реализованной на основе однокристальной микро-ЭВМ системой оперативного контроля плотности ткани по утку;

— 12.

— рекомендациями по структурной и параметрической оптимизации цифровых систем управления плотностью ткани на СШМ;

— разработанными алгоритмами управления плотностью ткани на СШМ и автоматической настройки параметров регулятора плотностипрограммой учета и паспортизации физико-механических параметров ткани, обрабатываемой в линиях заключительной отделки.

В 1996;1997 гг. на технологической установке отделочной фабрики АОЗТ «Красная Талка» г. Иванова были проведены испытания и опытная эксплуатация системы контроля плотности ткани по утку. Испытания подтвердили работоспособность созданной системы в условиях промышленного производства и правильность основных технических решений.

В 1994;1995 гг. в НПЦ ПОВ г. Твери внедрена микропроцессорная система управления формованием оптического волокна, реализующая предложенный в работе алгоритм управления объектом с запаздыванием, а также программно-аппаратный комплекс паспортизации параметров оптического волокна.

В 1998 г. документация и опытный образец разработанной системы контроля и регулирования плотности ткани переданы для внедрения в промышленное производство фирме «Энергоэкохим» г. Иванова.

В 1999 г. в ИГЭУ внедрен комплекс программных средств, созданных в результате диссертационной работы и предназначенных для IBM — совместимых компьютеров.

Диссертационная работа проводилась по теме «Разработка цифровых систем автоматического управления процессами отделки текстильных материалов» в рамках межвузов.

— 13 ской НТП «Текстиль России», утвержденной ГКНТ России на 1996;2000 гг.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной НТК «Проблемы развития малоотходных ресурсосберегающих экологически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности» (Прогресс — 95, Иваново, 1995 г.) — на Всероссийской НТК «Высокие технологии в радиоэлектронике» (Нижний Новгород, 1996 г.) — на международной НТК «Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий» (Лен — 96, Кострома, 1996 г.) — на Международном конгрессе «Современные проблемы научно-производственно-образовательного комплекса текстильной и легкой промышленности» (Прогресс — 86, Иваново, 1996 г.) — на Международной научно-технической конференции (НТК) «VIII Бенардосовские чтения» (Иваново, 1997 г.) — на Международной НТК «Конверсия, приборостроение, рынок» (Владимир, 1997) — на Международной НТК «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс — 98, Иваново, 1998 г .) .

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 статьи в центральных журналах, 1 статья в тематическом сборнике, и 2 отчета о НИР.

— 197 -ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1.Перспективным путем снижения расхода сырья при высоком качестве продукции на стадии заключительной отделки является автоматизация контроля и регулирования плотности ткани на СШМ или СШСМ, входящих в состав отделочных линий. Регулирование плотности позволяет обеспечить наиболее выгодное распределение вероятностей физико-механических параметров ткани, с оптимальным математическим ожиданием при малой вероятности выпуска брака.

2.Для реализации оптимального управления плотностью ткани система должна обеспечивать стабилизацию среднего значения с ошибкой не более 2% и минимизацию дисперсии данного параметра. При этом погрешность контроля плотности не должна превышать (1 + 1,5)% измеряемой величины на интервале оценивания 1 м. Кроме того, необходимо осуществлять регулирование опережения ткани во вводном поле СШМ с погрешностью не более 0,5% .

3.Причиной возникновения погрешности измерения плотности по утку является неоднородность ткани, приводящая к искажениям сигнала датчика наличия нитей. Анализ экспериментальных данных показывает, что информационный сигнал для большинства тканей описывается авторегрессионными моделями 2-го порядка. Случайный процесс пропуска импульсов этого сигнала, приводящий к смещению оценок плотности, является пуассоновским.

4.Предложен способ снижения погрешности измерения плотности ткани по утку на основе принципов дискретной фильтрации и автоматической классификации информационных сигналов. Подобный способ реализуется в системе, включающей в себя дискретный фильтр в базисе функций Уолша-Пэли, пороговое устройство и импульсную систему ФАПЧ. Разработанная структурно-блочная модели устройства позволяет оптимизировать структуру корректирующего фильтра с учетом его статистических характеристик.

5.Возмущающее воздействие на систему управления параметрами ткани на СШМ обусловлено наложением случайных процессов изменения плотности при смене кусков в партии и колебаниями плотности в пределах каждого куска. На основе экспериментов установлено, что смена кусков ткани представляет собой случайный процесс восстановления, а колебания плотности описываются авторегрессионными (АР2) либо сезонными (API, 1) моделями.

6.В условиях внешних возмущений, а также переменного запаздывания наиболее эффективна комбинированная импульсная система управления плотностью ткани с компенсатором возмущений и регулятором Смита. Данная система снижает дисперсию в Зч-4 раза и устраняет отклонение среднего значения плотности от заданного. Для обеспечения устойчивости системы целесообразно введение переменного периода квантования, который следует выбирать в пределах 0,05-гОД времени запаздывания.

7.В условиях изменения параметров СШМ (СШСМ) целесообразно введение в систему контура автоматической настройки параметров регулятора, обеспечивающего минимизацию ошибки регулирования. В основу разработанного алгоритма настройки положен рекуррентный МНК, позволяющий уточнять оценки параметров по мере поступления новых данных. С использованием 2-го метода Ляпунова получен критерий устойчивости, ограничивающий область варьирования параметров контура настройки.

8.На основе однокристальной микро-ЭВМ создана микропроцессорная система контроля плотности ткани по утку, реализующая предложенный способ цифровой коррекции информационных сигналов. Промышленные испытания показали, что.