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» (СанктПетербург, 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.

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 кипмодели управляемого и неуправляемого формирования потока волокнистой массы на выходе питателямодели определения динамических свойств системы и алгоритмы расчета различных числовых и функциональных статистических показателей неровноты волокнистого потокаметодика оценивания результатов, алгоритмы проведения однои 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.