Автоматизированные методы моделирования волокнистых продуктов при проектировании систем измерения линейной плотности

Стремительный рост производительности труда, качества и ассортимента продукции текстильной промышленности во всем мире в первую очередь обусловлены автоматизацией и компьютеризацией производственного оборудования, средств контроля и управления технологическими процессами, производств в целом: прядильного, ткацкого, трикотажного, отделочного и других составляющих текстильной промышленности.

Автоматическое регулирование параметров технологического процесса, режима работы машин при отклонении этих параметров от заданных значений или по программе является задачей текущего этапа развития автоматики в прядильном производстве.

С развитием вычислительной техники и средств автоматики задачи автоматизации производственных процессов изменяются и усложняются. Дальнейшее направление развития автоматизации технологических процессов будет заключаться в создании устройств для автоматической перенастройки параметров процессов при возникающих случайных внешних и внутренних возмущениях с целью удержания процесса на оптимальном режиме или для автоматического поиска такого режима. На смену простым автоматическим регуляторам приходят самонастраивающиеся системы. Ближайшей задачей является переход от автоматизации отдельных устройств и процессов к комплексной автоматизации управления производственными процессами на основе широкого применения компьютерной техники и новых информационных технологий в управлениями техническими системами.

Для создания автоматически управляемой техники прядения были развернуты теоретические и экспериментальные исследования технологических процессов. Эти исследования обычно завершаются установлением математических зависимостей между параметрами, характеризующими технологический процесс (построением математической модели процесса). Только тогда, когда раскрыты закономерности технологических процессов, можно успешно и быстро решать задачи автоматического управления этими процессами. Очевидно, что наряду с исследованиями процессов и решениями вопросов автоматизации, намечаются и появляются новые средства и методы осуществления технологических процессов.

Процессы прядильного производства представляют комплекс сложнейших явлений, анализ которых требует применения современного математического аппарата при теоретических исследованиях и современных физических методов при экспериментальных исследованиях. На данном этапе все большую роль приобретает использование компьютеров при контроле параметров технологического процесса и компьютерная обработка результатов наблюдений.

Известно, что неравномерность волокон по их свойствам, нестационарность процессов производства пряжи и другие причины вызывают неровноту продуктов прядения по толщине, прочности и другим свойствам.

Вскрытие причин и закономерностей возникновения неровноты в продуктах прядения при осуществлении любого технологического процесса является важнейшей задачей теории и практики прядения. Это естественно, так как из-за неровноты продуктов прядения увеличивается обрывность и, следовательно, снижается производительность оборудования и труда, ухудшаются свойства и внешний вид ткани и трикотажа .

Неровнота продуктов прядения представляет сложное явление. Оно заключается в изменении вдоль продукта таких его свойств, как толщина, плотность, прочность, растяжимость, упругость и др. Меняется также и строение продукта, которое определяется относительным расположением концов или центров тяжести волокон, углом наклона волокон к оси крученого продукта, распрямленностью и ориентацией волокон и др.

Различные свойства (длина, тонина, прочность, растяжимость и упругость) волокон, расположенных в последовательных сечениях продукта, также меняются вдоль продукта. Относительное расположение волокон разных компонентов в поперечных сечениях продукта меняется от одного сечения к другому.

Таким образом, существует очень много видов неровноты продукта по его свойствам и структуре.

Правильный выбор характеристик и метода определения видов неровноты для полной оценки каждого вида имеет большое значение при анализе неровноты продукта и выявлении причин ее образования.

Изучение закономерностей изменения характеристик, определяющих свойства продукта и его строение, представляет сложную задачу.

Известно, что многие свойства пряжи взаимозависимы. Так, например, прочность пряжи зависит от толщины, интенсивности кручения — крутки, структуры и т. д. Очевидно, что с увеличением неровноты по толщине и структуре пряжи растет ее неровнота по прочности.

Неравномерное распределение крутки в толстых и тонких местах продукта приводит к повышению прочности тонких мест в большей степени, чем толстых. В связи с этим усложняется взаимосвязь между неровно-той по прочности и неровнотой по толщине пряжи.

Неровнота по толщине во многих случаях является одним из главнейших видов неровноты и является определяющей при оценке качества пряжи и других продуктов прядения. Поэтому данная работа посвящена методам исследования неровноты по толщине продуктов прядения.

Изменение толщины вдоль продукта имеет свои особенности. Диаграмма толщины включает волны с разной длиной и амплитудой, которые взаимно комбинируются и накладываются одна на другую. Как правило, длины волн и величины амплитуд представляют случайные величины. Такой сложный характер изменения толщины объясняется меняющимися условиями протекания технологических процессов. Эти переменные условия обусловлены многочисленными причинами неровноты, включая неровноту волокон по их свойствам, различные виды структурной неровноты, дефекты рабочих органов и неправильно выбранный режим работы машины и механизмов. При таком сложном изменении толщины продукта никакое единственное численное значение неровноты (линейная или квадратическая не-ровнота) не может учесть и оценить характер неровноты. Два продукта могут иметь одинаковые численные значения квадратической неровноты, но один из них будет иметь периодическую неровноту, а другой — не-ровноту с односторонне нарастающим отклонением или случайную неровноту. Естественно, что причины образования этих видов неровноты разные и внешний вид ткани или трикотажа, выработанных из данных образцов пряжи, будет разный.

Колебания толщины продуктов прядения могут характеризоваться случайными функциями. Наряду со случайными колебаниями толщины часто встречаются и периодические колебания толщины, или периодический вид неровноты.

Применение таких характеристик случайной функции, как корреляционная функция, спектральная плотность, градиент неровноты и др., дает возможность раскрыть характер и структуру неровноты. Количественная оценка характера неровноты по толщине продуктов прядения, т. е. определение амплитуды и длины волн, встречающихся в неровноте исследуемого продукта, повторяемости волн разной длины, а также определение других характеристик, помогут глубже вскрыть явления, происходящие в процессах прядильного производства, выяснить влияние режима работы и конструкции рабочих органов машин, свойств сырья и обрабатываемого продукта.

Современная компьютерная техника в сочетании с высокочувствительной и точной измерительной аппаратурой позволила создать автоматизированные измерительные комплексы, которые существенно ускоряют и расширяют возможности исследования характеристик случайных функций для эффективного анализа неровно-ты.

Известно, что при осуществлении процессов разрыхления, смешивания и кардочесания не производится «организованное» расположение волокон. Рабочие органы машин, осуществляющие эти процессы, обуславливают «случайное» расположение волокон в волокнистом потоке или ленте. Однако фактическое расположение волокон даже в чесальной ленте отличается от «идеально» случайного расположения.

Неровнота реальных продуктов всегда выше не-ровноты т.н. «идеальных», т. е. продуктов, образованных случайным расположением волокон. Эта «дополнительная» неровнота объясняется несовершенной работой машин и вытяжных приборов, нестационарной работой их рабочих органов.

Таким образом, по величине отклонения характеристик реального продукта от характеристик идеального можно судить об эффективности и совершенстве данного процесса, а также о степени равномерности продукта, образуемого в этом процессе.

Развитие средств вычислительной техники позволяет использовать при анализе неровноты продуктов прядения использовать не только традиционные характеристики и показатели, применяемые уже в течение нескольких десятилетий, но и некоторые новые, которые были разработаны сравнительно недавно и оказались доступными лишь при использовании компьютеров, имеющих большие объемы памяти и высокое быстродействие процессоров.

Целью данной работы является исследование возможностей компьютерного моделирования для изучения неровноты по линейной плотности волокнистых продуктов типа ленты, ровницы, пряжиразработка теоретических, методических и алгоритмических основ моделирования волокнистых продуктовизучение особенностей измерения и оценки известных и общепринятых характеристик неровноты по линейной плотности с использованием цифровых средств обработки данныхисследование возможностей и эффективности моделирования автоматизированных систем контроля и управления неровнотой продуктов для проектирования подобных системразработка структуры автоматизированного моделирующего комплекса для проектирования систем анализа и регулирования неровноты по линейной плотности волокнистых продуктов прядения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследована и решена важная научно-техническая задача разработки теоретических и алгоритмических основ создания автоматизированного моделирующего комплекса для проектирования систем измерения и контроля линейной плотности волокнистых продуктов.

2. Впервые разработан набор алгоритмов для моделирования неровноты волокнистых продуктов по линейной плотности с разными видами неровноты: случайной стационарной, периодической, локальной нестационарной, комбинированной.

3. Предложенные алгоритмы моделирования неровноты основаны на математических моделях волокнистого строения продуктов прядения и позволяют моделировать источники неровноты: неравномерность расположения волокон в продукте, неравномерность волокон по длине, переменную толщину волокон по длине, наличие «тонких» и «толстых» мест в продукте, «узелков» и т. п.

4. Выполнены компьютерные эксперименты с моделями неровноты, позволившие оценить их работоспособность и эффективность. Установлено, что предложенные алгоритмы могут быть использованы при моделировании отрезков продуктов с длиной до 10 — 50 м при их линейной плотности от 10 до 400 текс и шагом квантования по длине от 5 до 50 см.

5. Выполнен анализ общепринятых в текстильной технологии статистических методов исследования неровноты волокнистых продуктов по линейной плотности и применяемых при этом характеристик: дисперсии, коэффициентов вариаций, распределений, градиентов неровноты, корреляционных функций и спектральных плотностей дисперсии, выбраны алгоритмы для эффективной оценки этих характеристик в автоматизированном режиме в процессе моделирования продукта. б. Выполнены серии компьютерных экспериментов, включавших моделирование волокнистых продуктов различной длины с разными интервалами квантования и с разными видами неровноты и расчет перечисленных статистических характеристик. Большой объем практического статистического анализа подтвердил пригодность принятых статистических характеристик и алгоритмов их оценки для использования в автоматизированных моделирующих комплексах.

7. Сформулированы требования и определены структура и функциональный состав автоматизированного моделирующего комплекса для проектирования систем измерения и контроля линейной плотности волокнистых продуктов. Комплекс содержит как непосредственно средства моделирования неровноты волокнистых продуктов, ее измерения и обработки, так и модели вторичных измерительных приборных средств, а также базы данных по результатам моделирования и самим моделям продуктов и измерительных систем.

8. Разработаны математические модели наиболее распространенных в практике текстильных технологических исследований чувствителвных элементов емкостного и механического типов для измерения линейной плотности волокнистого продукта. Дана оценка динамических свойств этих элементов. Модели могут быть использованы в составе автоматизированного моделирующего комплекса при проектировании систем контроля и измерения неровноты волокнистых продуктов.

9. Разработана программная система, которая может служить основой для создания автоматизированного моделирующего комплекса. Система содержит все нетривиальные составляющие комплекса, реализована на языке Visual Basic б. О и средствами программной системы MATLab 5.2. Ее эксплуатация в компьютерных экспериментах позволила подтвердить правильность предложенных решений по структуре моделирующего комплекса.

10. Полученные в работе результаты исследований, разработанные методы и алгоритмы моделирования и структура моделирующего комплекса могут быть использованы для создания компьютерного автоматизированного моделирующего комплекса, который позволит ускорить и решать в рамках системного подхода задачу создания измерительных и контролирующих систем при измерении важнейшего показателя волокнистых продуктов — их линейной плотности. Разработанная система может быть также использована в учебном процессе при исследовании видов неровноты волокнистых продуктов по линейной плотности и методов их измерения и анализа источников возникновения.