Разработка и исследование системы автоматического управления процессом шлихтования в пене тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Виниченко, Светлана Николаевна

• Виниченко, Светлана Николаевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Виниченко, Светлана Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ И СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ПЕННОЙ ОБРАБОТКИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Особенности шлихтования основных нитей в пене.

1.2 Структура и свойства пены.

1.3 Способы получения пены и анализ известных вспенивающих устройств.

1.4 Способы нанесения вспененной шлихты на основу.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА И. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЕНЫ, КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Экспериментальная установка.

2.2 Исследование пеногенератора, как объекта управления.,.^.

2.3 Методика обработки экспериментальны результатов.

2.4 Экспериментальное исследование каналов.

2.4.1 Канал «частота вращения вала - кратность пены».

2.4.2 Канал «расход шлихты - кратность пены».

2.4.3 Канал «расход воздуха - кратность пены».

2.5 Математическая модель пеногенератора.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II.

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ СИТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЕНЫ

3.1 Динамические характеристики одноконтурных систем управления.

3.2 Динамические характеристики двуканальных систем управления.

3.3 Динамические характеристики трехканальной системы управления.

3.4 Дискретная модель системы управления процессом приготовления пены по трем основным каналам.

3.5 Адаптивная система управления устройством для получения пены.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III.

ГЛАВА IV. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ШЛИХТОВАНИЯ В ПЕНЕ

4.1 Анализ управляемого процесса нанесения пены при шлихтовании.

4.2 Методы и средства контроля процесса шлихтования в пене.

4.3 Контроль качества получаемой пены во вспенивающем устройстве.

4.3 Микропроцессорная система управления (МПСУ).

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование системы автоматического управления процессом шлихтования в пене»

Актуальность работы. Одним из наиболее важных процессов в подготовке основы к ткачеству является шлихтование. После обработки пряжи (основы) в шлихте значительно повышается устойчивость нитей к многократным механическим воздействиям на ткацком станке, сокращая тем самым обрывность нитей. Постоянное технологическое усовершенствование ткацкого производства, в том числе и увеличение скоростных режимов, заставляет искать новые пути развития и процесса обработки пряжи (основы) шлихтой. Поэтому, в последнее время наблюдаются новые тенденции развития в данном процессе, и одной из предлагаемых технологий является шлихтование основы вспененной шлихтой. В нашей стране, в отличие от некоторых зарубежных странах, пенную технологию применяют лишь при отделке тканей и в процессе крашения.

В отличие от традиционного способа, шлихтование пеной действительно имеет ряд преимуществ. Эта технология позволяет не только увеличить равномерность слипания волокон, что значительно улучшает качество ошлихтованной пряжи (основы), но и снизить энергетические затраты, а также сократить расход шлихтующих препаратов. При этом существенным фактором, определяющим качество шлихтования данным способом, является получение пены с необходимыми свойствами, т.е. определенной дисперсностью и кратностью. Однако на данный момент основной проблемой является контроль над качеством получаемой пены, обеспечивающей соответствующие физико-механические свойства основных нитей при шлихтовании. Большое значение в образовании пены с нужными свойствами играет интенсивность процесса пенообразования и конструкция вспенивающего устройства, что почти не исследовано. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная решению вопросов управления вспенивающим устройством и разработке системы автоматического управления процессом шлихтования в пене, является актуальной.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка устройства для получения пены (пеногенератора), а также системы автоматического управления (САУ) процессом шлихтования вспененной шлихтой, обеспечивающей получение конечного результата (приклея) с заданными физико-химическими свойствами.

Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач:

1. Анализ особенностей технологического процесса шлихтования в пене и исследование уже известных методов, средств и технологий процессов приготовления и подачи пены.

2. Экспериментально-теоретическое исследование пеногенератора, как объект управления и получение его математической модели.

3. Разработка систем автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе.

4. Моделирование разработанных систем управления для оценки переходных характеристик в процессе приготовления пены.

5. Разработка адаптивной системы управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от применения качества и параметров используемой для приготовления пены шлихты.

6. Разработка системы автоматического управления процессом шлихтования в пене.

7. Анализ оптоэлектронного преобразователя, в качестве датчика качества пены.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса приготовления пены в пено-генераторе по трем каналам управления, где в качестве управляющих воздействий использованы расход воздуха, расход шлихты и изменение частоты вращения вала.

2. Структура одно-, двух- и трехканальной систем управления процессом приготовления пены

3. Результаты математического моделирования разработанных систем автоматического управления вспенивающим устройством.

4. Модель системы управления процессом шлихтования в пене.

5. Оптоэлектронный способ измерения кратности вырабатываемой пены в пеногенераторе.

Методика проведения исследований. В работе использована комплексная методика исследования, включающая математические анализы и инструментальные методы. При построении математической модели процесса приготовления пены в пеногенераторе применялись экспериментальные методы исследования и компьютерная обработка информации.

Теоретические исследования основывались на современных методах теории автоматического управления. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях путем физического макетирования. Расчеты характеристик и моделирование системы автоматического управления процессом приготовления пены проводились по разработанным программам математических систем MathCAD и MATLAB.

Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы исследован пеногенератор, как объекта автоматического управления.

Получена математическая модель процесса приготовления пены по трем каналам управления.

Проведено исследование статической зависимости технологических параметров изменением подачи воздуха, жидкости и изменением частоты вращения вала с кратностью вырабатываемой пены в пеногенераторе.

Разработана система автоматического управления процессом шлихтования в пене.

Обосновано возможность применения оптоэлектронный преобразователь с полным внутренним отражением, в качестве датчика качества пены

Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей процесса приготовления пены и системы управления подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

Научные решения диссертационной работы обоснованы в рамках допущения, являющихся общепринятыми.

Практическая ценность. Использование разработанной системы автоматического управления процессом шлихтования пеной позволит уменьшить энергозатраты в сушке, сократить загрязнение шлихтовального оборудования и увеличить равномерность слипания волокон.

Разработанные математические модели пеногенератора можно также использовать в отделке материалов, в крашении и в других процессах, где возможно применение пены. 4

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на вузовской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века» (Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина) 2002 г.

Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ) 2002, 2003, 2004 гг.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 120 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общего вывода по работе, а также содержит список используемой литературы из 71 наименований и 1 приложения. Работа иллюстрирована 33 рисунками, 1 схемой и 5 таблицами.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Виниченко, Светлана Николаевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Рассмотрены особенности применения пены в текстильной промышленности, в том числе и в процессе шлихтования. Определены основные условия получения пены и ее характеристики, позволяющие осуществлять управление процессом шлихтования в пене.

2. Проведен анализ способов и устройств получения пены. Исследованы ранее разработанные конструкции смесительных пеногенера-торов, управления которыми осуществляется изменением расхода воздуха и/или шлихты, а также изменением частоты вращения вала в смесителе.

3. Предложены основные способы нанесения пены для осуществления наиболее равномерного распределения пены по поверхности основных нитей (пряжи) и получения оптимального условия шлихтования.

4. Разработано и экспериментально исследовано устройство для получения пены. С помощью регрессионного анализа проведено исследование статической зависимости, связывающей технологические параметры процесса приготовления пены выходным параметром - кратностью вырабатываемой пены.

5. Проведены экспериментальные исследования идентификации вспенивающего устройства путем снятием переходных характеристик и с помощью аппроксимации переходных характеристик получены передаточные функции объекта управления по трем каналам управления:

- «кратность пены — расход шлихты»,

- «кратность пены - расход воздуха»

- «кратность пены — частота вращения вала».

6. Проведено моделирование одноконтурных систем автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе по трем основным каналам и получены графики переходных процессов по заданию и возмущению при различных законах управления (П, ПИ и ПИД).

7. Для оценки эффективности работы вспенивающего устройства выполнено моделирование двухконтурных систем и трехконтурной системы управления процессом приготовления пены в пеногенераторе. Получены их графические зависимости при возмущающих воздействиях на объект управления.

8. Осуществлено преобразование аналоговой системы автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе в дискретную форму и проведено ее моделирование, что позволит использовать полученную модель в цифровых системах управления.

9. Предложена разработанная адаптивная система управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от применения качества и параметров используемой для приготовления пены шлихты.

10. Проведен анализ управления процессом шлихтования пеной и рассмотрена связь между основными управляющими воздействиями и регулируемыми параметрами в данном процессе шлихтования. Предложены и способы управления процессом шлихтования пеной.

11. Обоснована возможность применения метода контроля над качеством вырабатываемой пены, основанного на нарушении или сохранении полного внутреннего отражения (ПВО) луча в измерительном элементе (ИЭ) и связанного с анализом состояния амплитуды, фазы или поляризации оптического излучения.

12. Изложены основные требования к МПРУ и предложены возможные технические средства.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Виниченко, Светлана Николаевна, 2005 год

1. Белобородова Т.Н. Применение пены для отделки текстильных материалов. // ЦНИИТЭИЛегпром., экс.-информ. Текстильная промышленность.- 1981 г. — №3, с. 12-14.

2. Рамейкова А.И., Юзефович М.И. Крашение и отделка текстильных материалов в пене. // ЦНИИТЭИЛегпром. экс.-информ. Текстильная промышленность. 1984 г. -№4, с. 13-15.

3. Проведение процессов в пене.// ЦНИИТЭИЛегпром., экс.-информ. Текстильная промышленность. — 1987 г. №4.

4. Ulmer К. Nekonwendni technologie scheichtowant// UZCHY Leska Leibova. 1985 r-№5.

5. Живетин B.B., Брут-Бруляко А.Б. Устройство и обслуживание шлихтовальных машин. М.: Легкая индустрия, 1988 г.

6. Любимов Н.С., Манухин А.С. Пути снижения обрывности нитей основы в хлопкоткацком производстве. М.: Легкая индустрия, 1965 г.

7. Николаев С.Д. Теория процессов, технология и оборудование подготовительных операций ткачества. М.: Легпромбытиздат, 1993 г.

8. Кешишян Х.Ш., Брут-Бруляко А.Б. Особенности шлихтования основной пряжи. Кострома: ДиАр, 2002 г.

9. Автоматизация производственных процессов текстильной промышленности; под редакцией Петелина Д.П., Бакмана Р., 2 кн. М.: Легпромбытиздат, 1993 г.

10. Маховер В.Л. Совершенствование и анализ процессов на шлихтовальных машинах. 1 кн. Иваново: ИГТА, 2003 г.

11. Гандурин Л.И., Лопатина О.П. Тенденции развития шлихтования с учетом экологических и ресурсосберегающих проблем. Текст, пром. 1976 г.- №27.

12. Щуту Р. Использование вспененной шлихты. Текст, пром. ФРГ. 1990 г. - №2.

13. Аспекты шлихтования пеной.// Текст, пром., ФРГ 1986 г. - №3.

14. Безрукова Е.В. Разработка технологии шлихтования в пене хлопчатобумажных основ: Дис. канд. техн. наук. М.: МГТУ им А.Н. Косыгина, 1992 г.

15. Власов П. В., Безрукова Е.В. Шлихтование пряжи в пене. Учебное пособие М.: МГТА, 1994 г.

16. Новиков В.П., Смирнов В.М. Технология шлихтования хлопчатобумажных основ в пене.// Текстильная промышленность, 1991 № 2.

17. Сумарукова Р.И., Слостина Г.Л. Новые способы шлихтования нитей. Учебное пособие. М.: МГТА, 1993 г.

18. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд. М.: Химия, 1983 г.

19. Канн К.Б. Капиллярная гидродинамика пен.- Новосибирск: Наука, 1989 г.

20. Феклистов В.Н., Канн К. Б., Дружинин С.А. Пены. Получение и применение. М.: Химия, 1974 г.

21. Меркин А.П., Таубе П.Р. Непрочное чудо. М.: Химия, 1983 г.

22. Волков М.П., Малофеев Н.И. Пены. Получение и применение. — М.: Химия, 1974 г. .

23. Павутницкая С.В. Шлихтование основ пенным способом.//Текстильная промышленность, 1993, № 3.

24. Новая техника и технология в шерстоткачестве. М.: Легпромбытиздат, 1990 г.

25. Савицкая Е.М. Анализ дисперсности пен. // Коллоидный журнал, 1951 т. 13, № 4.

26. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, 1978 г.

27. Тарат Э.Я. Пенный режим и пенные аппараты. Л., Химия, 1977 г.

28. Капитанов А.Ф. Теория жидкостной обработки продуктов прядения в пенной среде. М.: МГТА, 1992 г.

29. А.с. SU, №690193 Пеногенератор. Шарафутдинов Р.С., Шувалова Г.А., Яфаров Ш.З. и др.

30. А.с. RU, №2137534 Устройство для приготовления пены. Соколов Д.П., Винаров А.Ю., Смирнов В.Н.

31. А.с. SU, №1553130 Пеногенератор. Машковцев Б.И., Москаленко Э.М., Саворский В.П. и др.

32. Bauer N. Praktische tips zur optimierung der schlichterei.// Melliand Textielberichte. 1987 r. Bd.68 №1.

33. Brunn V. Schlichte-Technologien fur verschi edene einesizgeblete.// Chemiefasern Textilin dustrie. 1988 r. №85.

34. Шлихтование пенными растворами.// ЦНИИТЭИЛегпром., экс.-информ. Текстильная промышленность. 1983 г. -№18.

35. Ровенькова Т.А. Планирование эксперимента в производстве химических волокон. М., Химия, 1977 г.

36. Жовинский А.Н., Жовинский В.Н. Инженерный экспресс-анализ случайных процессов. — М.: Энергия, 1979. — 112 с.

37. Круглова С.В. Система автоматического управления температурным режимом нагрева заготовки при производстве фторидных волокон. Дис. канд. тех. наук. М., 2004 г.

38. Тимохин А.Н. Электротехническая система управления процессом вытяжки оптического стекловолокна. Дис. канд. тех. наук. М., 2004 г.

39. Иванова В.М., Калинина В.Н. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1975 г. - 567с.

40. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1977. 479 с.

41. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и z-преобразования. М.: Наука, 1971. - 288 с.

42. Иванов В.А., Ющенко А.С. Теория дискретных систем автоматического управления. М.: Наука, 1983. -483 с.

43. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. М.: Высшая школа, 1975.-408 с.

44. Домрачев В.Г., Смирнов Ю.С. Цифроаналоговые системы позиционирования. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 240 с.

45. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB, Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 448 стр.

46. Макаров И.М., Евтихиев Н.Н., Дмитриева Н.Д. Основы автоматизации управления производством: Учеб. пособие; под ред. Макарова И.М. М.: Высшая школа, 1983. - 504 с.

47. Гуревич СЛ., Кипнис А.Б., Стороженко Ю.И., Айзенберг Т.Г. Технологические измерения и контрольно-измерительные приборы в легкой промышленности. М.: Легкая индустрия, 1968, 298 стр.

48. Чунке X. Актуальные проблемы в шлихтовании и тенденция его развития. Текстильная промышленность, №4, 1963 г.

49. Потягалов А.Ф. Шлихтование основ. -М.: Легкая индустрия, 1965 г.

50. Klimek М. Wybrane zagadnunia z naredu elektrycznego maszin wloklenniczich. Lodz, 1964 r.

51. Мильман А.Я. Исследование динамики натяжений нитей при их сматывания с рулона. Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 1964 г., №5

52. Петелин Д.П., Козлов А.Б., Джелялов А.П., Шахнин В.Н. Уч. Пособие: Автоматизация технологических процессов в текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1980. - 320 с.

53. Сычевская И.Д. Математическое описание и оптимизация процесса шлихтования хлопчатобумажной пряжи. Дис. канд. тех. наук. М., 1968 г. - 94 с.

54. Schutz R., Exbrayat P. Importance relative des tensions diversement appliquees aux fils de chaines rendant l'encollage. Bulletin de de l'Jnstitut de France, 1959, №80.

55. Окоси Т. И др. Волоконно-оптические датчики. — JI.: Энергоатомиздат, 1990 г.-256 с.

56. Мухитдинов М.М. Оптоэлектронные устройства контроля и измерения в текстильной промышленности. М.: 1992 г.

57. Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир, 1970 г.

58. Королев Ю.Н., Милехин Г.В., Кочеткова С.А., Ермолаев А.Ю. Использование первичного преобразователя в качестве компенсатора для измерения параметров технологических процессов. Изв. ВУЗ. Технология Текст, пром. 1994 г. -№3.

59. Бабченко A.M., Бусурин В.И., Носов Ю.Р. // Измерения, контроль, автоматизация. 1987, № 2. С.3-13.

60. Калабеков A.J1., Королев Ю.Н. Экологический мониторинг. Некоторые методы неинвазивного анализа интактных клеток. М.: Изд-во Прима -Пресс - М, 2000.

61. Виниченко С.Н. Козлов А.Б. Особенности автоматизации процесса шлихтования в пене. В кн.: Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск № 7-М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2003 г.

62. Петелин Д.П., Милехин Г.В., Ермолаев Ю.А., Королев Ю.Н. Реализация первичной информации о параметрах технологических процессов при использовании одного преобразователя

63. Воронкова Е.М. и др. Оптические материалы для инфракрасной техники. -М.: Наука, 1965 г.

64. Виниченко С.Н., Козлов А.Б., Королев Ю.Н. О возможности применения оптических первичных измерительных преобразователей для контроля процесса шлихтования в пене. Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 2004 г. № 2. 101-103 с.

65. Автоматизированное проектирование систем автоматического управления. Под ред. Солодовникова В.В. М.: Машиностроение, 1990. - 332 с.

66. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Справочник. Том 1 и 2. Абрайтис Б.Б., Аверьянов Н.Н., Белоус А.И. и др. М.: Радио и связь, 1991. - 368 с.