Исследование систем автоматического управления кипными питателями с верхним отбором волокна методами компьютерного моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Горский, Дмитрий Андреевич

• Горский, Дмитрий Андреевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горский, Дмитрий Андреевич

Введение.

Глава 1. Процесс отбора волокнистой массы из кип в прядильном производстве.

1.1. Сущность, способы и оборудование процесса отбора волокнистой массы из кип.

1.2. Технические устройства с верхним отбором волокна.

1.3. Исследования процесса отбора волокна кипоразрыхлигелями.

1.4. Основные характеристики неровноты волокнистых потоков.

1.5. Применение компьютерного моделирования для решения задач автоматического управления работой кипных питателей.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Компьютерные модели имитации работы кипного питателя с верхним отбором волокна.

2.1. Моделирование расстановки кип ставки.

2.2. Модель формирования потока волокнистого материала при отборе волокна из кип.

2.3. Модель питателя с верхним отбором волокна.

2.4. Моделирование системы управления кипным питателем.

2.5. Определение динамических характеристик кипного питателя.

2.6. Алгоритм расчета статистических показателей неровноты потока волокон.

2.7. Методика оценивания значений характеристик системы отбора волокнистого материала.

2.8. Трехмерная геометрическая модель кипного 'питателя.

2.9. Верификация компьютерных моделей кипного питателя.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование равномерности волокнистого потока на выходе кипного питателя с верхним отбором волокна.

3.1. Планирование компьютерных экспериментов с моделью кипного питателя.

3.2. Исследование влияния вариантов расстановки кип ставки на равномерность волокнистого потока.

3.3. Оценка чувствительности неровноты волокнистого потока к вариациям параметров кип.

3.4. Анализ системы управления кипным питателем.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка автоматизированного программного комплекса для моделирования кипного питателя и его системы управления.

4.1. Выбор и обоснование инструментальных средств.

4.2. Структура автоматизированного программного комплекса.

4.3. Разработка графического интерфейса программного комплекса.

4.4. Визуализация и анимация геометрической модели системы кипного питателя.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование систем автоматического управления кипными питателями с верхним отбором волокна методами компьютерного моделирования»

Стабильность прядильного производства и высокое качество получаемой продукции напрямую зависят от строгого соблюдения смесового состава волокон и выдерживания его в течение всего времени производства пряжи из различного сырья: натуральных и химических волокон. Для выполнения этого требования целесообразно организовать питание машин одновременно волокнистым материалом из большого числа кип. Этим условиям в наибольшей мере удовлетворяют кипные питатели с верхним отбором волокна (КПВО), обладающие следующими преимуществами: возможность использования ставок с несколькими десятками (до 180) кип, небольшие габариты устройства отбора волокна, гибкость управления количеством отбираемого волокна, малая повреждаемость волокна при отборе и др. Современный уровень автоматизации позволяет реализовать данное устройство отбора волокнистой массы в виде автоматического роботизированного комплекса. В этом случае возможно задать в памяти управляющего компьютера порядок расстановки кип с учетом состава смески, величину отбираемой порции волокон и использовать непрерывное автоматические взвешивание отобранной массы и автоматическое управление толщиной слоя отбираемой волокнистой массы и скоростью отбора. Такого рода робототехнические комплексы существуют в экспериментальных и отдельных рабочих экземплярах. Однако до настоящего времени они не получили широкого распространения. Это объясняется высокой стоимостью их создания и эксплуатации, невысокой надежностью сложных робототехнпческих систем, необходимостью содержать высококвалифицированный персонал для их обслуживания. Гораздо более широкое распространение получили аналогичные по конструкции системы отбора, но либо без средств робототехники и автоматизации, либо с частичной автоматизацией отдельных функций. Главной задачей кипоразрыхлителя любой конструкции является автоматический отбор клочков волокнистой массы с верхней поверхности кип из ставки и передача волокнистого потока с минимальной неровнотой в последующие машины разрыхлительно-трепального агрегата. Выполнение этой задачи кипным питателем сталкивается с рядом проблем: неодинаковые габариты раскрытых кип разных компонентов в ставке приводят к неравномерному отбору волокон разных компонентов, различия в свойствах перерабатываемых кип вызывают неравномерность потока волокнистого материала по линейной плотности и долям компонентов на выходе питателя.

Существующие системы автоматического управления кипными питателями не позволяют в полной мере учесть влияние этих факторов. Очевидно, что исследовать работу питателя при различных параметрах заправки аналитическими методами или методами натурного эксперимента невозможно ввиду объемных и трудоемких вычислений. Поэтому необходимо разработать методы и средства комплексного решения перечисленных выше задач.

Целью данной диссертационной работы является создание средств и методов компьютерного моделирования для построения автоматических систем управления КПВО, которые обладали бы свойствами инвариантности по отношению к возмущающим факторам и адаптируемости к свойствам перерабатываемых кип. Решение этой' научно-технической задачи включает в себя следующие этапы:

- исследование существующих методов моделирования работы кипных питателей;

- разработка математических моделей волокнистого потока и системы управления КПВО;

- разработка компьютерных моделей имитации формирования потока волокнистого материала и системы управления кипным питателем;

- разработка трехмерной модели КПВО;

- проведение экспериментов с разработанными моделями для подтверждения возможности синтеза с их помощью инвариантной и адаптивной систем управления кипными питателями с верхним отбором волокна;

- разработка структуры моделирующего комплекса для автоматизации решения задач управления кипным питателем.

Предметом исследования являются кипный питатель с верхним отбором волокна и системы автоматического управления его работой.

Методы исследования. В работе использованы методы математического и статистического имитационного моделирования, спектрального и корреляционного анализа, математической статистики и теории вероятностных процессов, теории автоматического управления, современные методы компьютерной обработки данных, геометрического анимационного моделирования трехмерных объектов, проектирования и разработки автоматизированных программных комплексов.

Научная новизна работы. В результате выполнения данной диссертационной работы:

- разработаны и программно реализованы алгоритмы моделирования расстановки компонентов кип в ставке, модели управляемого и неуправляемого формирования потока волокнистой массы, позволяющие снизить не-ровноту потока на выходе КПВО;

- разработана трехмерная параметрическая анимационная модель процесса работы системы КПВО;

- исследовано комплексное и одиночное влияние различных параметров заправки кипного питателя на его работу;

- разработана детальная структура моделирующего программного комплекса по исследованию работы кипного питателя.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Решение поставленной в работе задачи с применением перечисленных ранее методов моделирования в итоге позволило спроектировать и разработать автоматизированную программную систему комплексного моделирования, анализа и прогнозирования эффективности работы КПВО. Разработанные в диссертациопной работе компьютерные модели были использованы в учебном процессе МГТУ им. А.Н. Косыгина прп изучении курсов "Моделирование систем", "Прикладные методы компьютерного моделирования", "Математические методы обработки данных", "Геометрическое моделирование в САПР", выполнении курсового и дипломного проектирования. Разработанный программный комплекс может быть использован в практике научных исследований при проектировании и модернизации систем отбора волокна из ставки кип и систем управления кипными питателями с верхним отбором волокна.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (ТЕКСТИЛЬ-2007)" (г. Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина) и на научно-практической конференции аспирантов университета на иностранных языках (г. Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина), а также публиковались в журналах "Известия Вузов. Технология текстильной промышленности" (г. Иваново, №5 за 2007 г. и №3 за 2008 г.) и "Вестник ДИТУД" (г. Москва, 2007 г.), в сборнике тезисов Всероссийской научно-технической конференции "Дни науки 2007" (Санкт- Петербург, 2007 г.), в сборнике научных трудов аспирантов МГТУ им. А.Н. Косыгина (г. Москва, 2008 г.) и в сборнике тезисов научно-технической конференции "ТЕКСТИЛЬ-2008" (г. Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 67 наименований и 2 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 160 страницах, содержит 59 рисунков и 24 таблицы. Приложения представлены на 22 страницах.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Горский, Дмитрий Андреевич

Общие выводы по работе

1. В результате выполненных в работе научных исследований разработаны алгоритмические основы и методика автоматизированного имитационного моделирования и анализа процесса отбора волокна из ставки кип кипным питателем с верхним отбором.

2. Обоснована актуальность создания автоматизированной системы для решения задач проектирования систем управления кипным питателем с верхним отбором волокна, проведения общего анализа и прогнозирования эффективности его работы.

3. На основе методов имитационного моделирования и инструментальных средств UML, С++ Builder 6, MATLAB 7 и OpenGL разработаны и программно реализованы алгоритмы и модели функционирования кипного питателя с верхним отбором волокна, в том числе: алгоритм расстановки ставки кип; модели управляемого и неуправляемого формирования потока волокнистой массы на выходе питателя; модели определения динамических свойств системы и алгоритмы расчета различных числовых и функциональных статистических показателей неровноты волокнистого потока; методика оценивания результатов, алгоритмы проведения одно- и многофакторых экспериментов с моделью питателя, а также визуализация и анимация процесса его работы.

4. Предложена адаптивная система управления питателем на основе автоматического управления толщиной отбираемого слоя ВМ в зависимости от свойств каждой кипы в ставке, а также принципиальная конструктивная схема реализации такого формирования волокнистой массы из дискретного потока волокон.

5. На базе построенных алгоритмов разработана структура автоматизированного моделирующего комплекса, позволяющего прогнозировать эффективность работы кипного питателя с верхним отбором волокна. Спроектирован и программно реализован его интерфейс в виде набора экранных форм, сгруппированных по функциональному признаку.

6. Разработанный программный комплекс позволяет варьировать большое число параметров заправки питателя и предоставляет возможность оценивания неровноты волокнистого потока по расходу, линейной плотности, долевому составу компонентов ставки кип, длине волокон, а также различным числовым и функциональным статистическим показателям неровноты. К первой группе числовые статистические характеристики, ко второй — временные диаграммы, гистограммы, графики спектров и коррелограмм.

7. Результаты проведенных экспериментов позволили установить:

- для уменьшения общей неровноты волокнистого потока смесь необходимо составлять по возможности из большого числа кип разных марок;

- расстановка кип должна быть такой, чтобы, с одной стороны, волокна всех компонентов в потоке встречались с вероятностью, пропорциональной рецептурному долевому составу смески, а, с другой стороны, в их чередовании не должно быть никаких закономерностей и корреляций (чисто случайная последовательность);

- неровнота потока ВМ линейно зависит от величины различий в свойствах кип;

- разработанная система управления позволяет снизить неровноту ВМ на выходе питателя, уровень которой линейно связан с вариациями параметров данной системы управления.

8. Разработанный программный комплекс при анализе и оптимизации работы КПВО дает возможность получать количественные оценки различных характеристик ВМ и их показателей неровноты, исследовать влияние различных входных параметров системы на равномерность потока ВМ, представить механизм образования волокнистого потока, величину, характер и структуру его неровноты.

9. Комплекс может быть использован в практике научных исследований при проектировании и модернизации систем отбора волокна из ставки кип и систем управления кипными питателями с верхним отбором волокна.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Горский, Дмитрий Андреевич, 2008 год

1. Антонов В.В., Хавкин В.П. Системы автоматического контроля и стабилизации расхода волокнистого материала в пневмопроводах приготовительного оборудования хлопчатобумажных фабрик, Хлопчатобумажная промышленность, Вып.З. - М., 1981 - 68 с.

2. Архангельский А .Я. Программирование в С++ Builder 5. М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2001. - 1152 с.

3. Байдюк П.В. Автоматизация основных производственных процессов первичной обработки хлопка. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. - Ташкент, 1954.- 18 с.

4. Баталии В.Ю., Волков В.В., Семенов А.Д. Оптимизация режимов работы кипного питателя с верхним отбором волокна.- Известия Вузов. Технология текстильной промышленности, № 5 (257). Иваново: 2000. с. 100-104.

5. Башков А.А., Новое приготовительное оборудование прядильного производства, журнал "В мире оборудования", № 11(40). М.: 2003.

6. Бесекерский В.А. Основы автоматики. М.: Энергоиздат, 1969.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Издательство "Наука", 1972. - 768 с.

8. Бондаренко А.Р., Вышеславцев А.А. и др. Агрегатирование машин и автоматические поточные линии в прядении, М.: ВЗИТЛП, 1983, 26 с.

9. Владимиров Б.М. Одна из причин неровноты холстов. "Текстильная промышленность", 1968. № 8-9

10. Владимиров Б.М. Пути совершенствования поточной линии в хлопкопрядении. -Текстильная промышленность, № 8 . М.: 1979.

11. Воронов А.А., Бабаков Н.А. Теория автоматического управления, 2 части. М.: Высшая Школа, 1986.

12. Гончаров В.Г. Стабилизация технологического процесса в условиях агрегатирования машин в поточную линию кипа-лента. Экспресс информация, Текстильная промышленность, № 33. М.: 1979

13. Горский Д.A. Computer simulation of automatic bale openers performance, Сборник тезисов докладов на научно-практической конференции аспирантов университета на иностранных языках. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2007. - с. 16-17

14. Горский Д.А. Компьютерное моделирование работы кипного питателя с верхним отбором волокна при различных ставках кип, Сборник тезисов Всероссийской научно-технической конференции "Дни науки 2007", Санкт-Петербургский государственный университет, 2007.

15. Горский Д.А., Севостьянов П.А. Исследование зависимости равномерности волокнистого потока на выходе кипного питателя от характеристик волокна в кипах ставки, Вестник ДИТУД. - М., 2007.

16. Горский Д.А. Разработка автоматизированного программного комплекса для имитации работы кипного питателя с верхним отбором волокна, -Сборник научных трудов аспирантов МГТУ им. А.Н. Косыгина, М.: 2008.

17. Горский Д.А., Севостьяиов П.А. Оценка эффективности управления кипным питателем с верхним отбором волокна методами компьютерного моделирования, Известия Вузов. Технология текстильной промышленности, №3.-Иваново: 2008.

18. Еремин Н.А., П.П. Палютин Применение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) в прядильном производстве в СССР и за рубежом, Хлопчатобумажная промышленность, Вып.З. -М., 1983-38 с.

19. Жоховский В.В. Оборудование приготовительно-прядильного и прядильного производства, представленное на международной выставке текстильного оборудования ИТМА-79 в Ганновере.- ЭИ Текстильная промышленность за рубежом. М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1980, № 17

20. Жоховский В.В. Прогресс в области машиностроения для прядильного производства. — ЭИ. Текстильная промышленность за рубежом, № 33. — М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1982.

21. Земляков С.Д., Рутковский В.Ю. Обобщенные алгоритмы адаптации одного класса беспоисковых самонастраивающихся систем с моделью, Автоматика и телемеханика, 1967, 28, №6, с. 88-94.

22. Зензинова Ю.Б. Автоматизация методов прогнозирования эффективности процессов смешивания на смесовых и ленточных машинах. Дисс. . канд. техн. наук. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2005. -162 с.

23. Зиновьев А.Г. Разработка способов управляемого формирования волокнистых потоков методом компьютерного моделирования. Дисс. . канд. техн. наук. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2007. - 147 с.

24. Зотиков В.Е. Неровнота в хлопкопрядении. Дисс. . д-ра техн. наук.-МТИ, 1939.- 188 с.

25. Изерман Р. Цифровые системы управления. — М: "Мир", 1987.

26. Канчавелли O.JI. Исследование потоков хлопка в разрыхлительных машинах. Дисс. . канд. техн. наук. - М., 1970 - 258 с.

27. Карякин В.Г. Разработка способа выравнивания производительности кипных разрыхлителей для хлопка. Дисс. .канд. техн. наук. - М.: 1982. -162 с.

28. Ковалев В.И. Способы отбора, разрыхления, очистки, смешивания и дозирования компонентов смеси, Хлопчатобумажная промышленность, Вып.2. М., 1983-52 с.

29. Кукип Г.Н., Соловьев А.Н., Кобляков А.И. Текстильное материаловедение. М.: Легпромбытиздат, 1989. - 352 с.

30. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. СПб.: Издательская группа BHV, 2005. — 512 с.

31. Мазяр И.П. Исследование эффективности процессов рыхления, трепания и смешивания разнородных химических волокон с длиной резки 6575 мм в зависимости от состава разрыхлительно-трепального агрегата. — Ав-тореф. дисс.канд. техн. наук. — М: 1975. 21 с.

32. Макаров А.И. Расчет и конструирование машин прядильного производства, М.: 1981, 652 с.

33. Манд ел Т. Разработка пользовательского интерфейса: Пер. с англ. -М.: ДМК Пресс, 2001.-416 с.

34. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 584 е., ил.

35. Маслов Е.П., Осовский Л.М. Самонастраивающиеся системы с моделью (обзор), Автоматика и телемеханика, 1966, 27, №6.

36. Молитвин В.А. Функции процессов рыхления, смешивания, трепания и очистки хлопка. М: Легкая индустрия, 1974. - 60 с.

37. Носкова С.А. Разработка процессов разрыхления и очистки волокнистой массы на двухрядных разрыхлителях-чистителях. Дисс. . канд. техн. наук. — М.: 2005. - 165 с.

38. Прокофьев Н.С. Разрыхление хлопка как главное средство снижения неровноты холстов. Дисс. . канд. техн. наук. - М.: I960. - 194 с.

39. Пузырев В.А. Самонастраивающиеся микропроцессорные регуляторы. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 216 с.

40. Равский М.И. Кипные разрыхлители хлопка. Обзор. М.: ЦНИИ-ТЭИлегпищемаш, 1969.

41. Равский М.И. Исследование неровноты производительности кип-ных рыхлителей хлопка- Дисс. . канд. техн. наук. М., 1973 - 238 с.

42. Севостьянов А.Г. Составление смесок и смешивание в хлопкопрядильном производстве. -М.: Гизлегпром, 1954. 192 с.

43. Севостьянов А.Г. Методы исследования неровноты продуктов прядения. -М.: Ростехиздат, 1962. 387 с.

44. Севостьянов А.Г. Методы и средства исследования механико-технологических процессов текстильной промышленности: Учебник для вузов текстил. пром-ти. М.: Легкая индустрия, 1980 - 392 с.

45. Севостьянов П.А. Компьютерное моделирование технологических систем и продуктов прядения. М.: Информ-Знание, 2006. - 448 с.

46. Севостьянов А.Г., Неградзе Л.А. Некоторые вопросы разрыхления кип спрессованного волокна. Известия Вузов текстильной промышленности, № 6. - М.: 1988. с.28-31.

47. Севостьянов А.Г., Осьмин Н.А., и др. Механическая технология текстильных материалов. — М.: Легпромбытиздат, 1989. 512 с.

48. Севостьянов А.Г., Севостьянов П.А., Моделирование технологических процессов (в текстильной промышленности): Учебник для вузов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984 - 344 с.

49. Севостьянов П.А., Симонян В.О. Компьютерное моделирование кипных питателей с верхним отбором волокна. — В сб. Научных трудов ФГУП ЦНИБХИ: Перспективные высокоэффективные технологии и материалы текстильной промышленности. М.: 2002. с.74-84.

50. Сергеенков А.П. Направления совершенствования технологии и оборудования для разрыхления кип, дозирования и смешивания хлопкового волокна, Хлопчатобумажная промышленность, Вып.6. М., 1991 — 60 с.

51. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. — СПб.: Питер, 2003.- 604 е.: илл.

52. Смолин Д.В. Исследование, разработка и прогнозирование технологических параметров разрыхления и очистки хлопкового волокна. Дисс. .канд. техн. наук. - М.: 2000. - 158 с.

53. Тарасов И.А. Основы программирования OpenGL. М.: Телеком, 2000. - 188 с.

54. Тихомиров Ю.В. OpenGL. Программирование трехмерной графики.- 2-е изд. СПб.: "БХВ-Петербург", 2002. - 304 с.

55. Ушакова Н.Л. Влияние способа установки кип на конструкцию кипоразрыхлителя с поступательным верхним отбором волокна. Известия Вузов. Технология текстильной промышленности, № 6 (240). - Иваново: 1997. -с.98-102

56. Ушакова Н.Л. Влияние способа установки кип на конструкцию кипоразрыхлителя с поступательным верхним отбором волокна. Известия Вузов. Технология текстильной промышленности, № 1 (241). - Иваново:1998, с.70-74

57. Финкельштейн И.И. Структурные преобразования хлопка в процессах рыхления и трепания. Дисс. . канд. техн. наук. - МТИ, 1947 - 184 с.

58. Чаки Ф. Современная теория управления. Нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. М.: Издательство "Мир", 1975.- 425 с.

59. Черненький В.М. Имитационное моделирование, Разработка САПР, № 9. М/. 1990,454 с.

60. Черников А.Н., Смирнов А.С., Трусова Л.А. Управление качеством пряжи в хлопкопрядильном производстве. М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1991 -50 с.

61. Шмуллер Д. Освой самостоятельно UML за 24 часа, 2-е издание. -М.: Издательский дом "Вильяме", 2002. 352 с.

62. Эйнджел Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL, 2изд.: Пер. с англ.- М.: "Вильяме", 2001. 592 с.