Разработка и исследование системы автоматического управления исполнительными механизмами ткацкого оборудования

Перед текстильной промышленностью стоят задачи повышения конкурентоспособности и качества выпускаемой продукции, которая является важным предметом первой необходимости.

В текстильной промышленности широко распространены бесчелночные пневматические ткацкие станки, поскольку их применение дает значительные преимущества по сравнению с челночными, позволяя в 1,5−2,0 раза повысить производительность труда ткачей за счет увеличения скоростных режимов и зон обслуживания [1].

В процессе выработки ткани на ткацком станке образуются различные отходы. Количество отходов существенно влияет на себестоимость ткани, поэтому их сокращение является важной задачей.

Задача снижения материалоемкости продукции и экономного расходования сырья и материалов особенно актуальна для текстильной промышленности, где доля исходного сырья в себестоимости изделий весьма велика.

Все отходы ткачества можно разделить на два вида — основные и уточные. Причем и те, и другие могут быть возвратными (т. е. идущие на вторичную переработку) и необратимыми (пыль, пух, уносимые вентиляционной установкой).

Основные отходы складываются из концов основы, остающихся на навое, в том числе и узлов, которые входят в отверстие ствола навояконцов основы, необходимых для заправки станка или привязывания и обработки основыотдельных отрезков, образующихся при обрыве основных нитейпуха и пыли, оторвавшихся от нитей и осевших на полу или деталях станка [2].

Отходы утка на ткацких станках получаются при ликвидации обрыва уточной нити, розыске раза, при доработке бобины и заправке нити с новой бобины, при разработке брака, а также при обработке новой основы.

В связи с особенностями прокладывания утка при работе на сопловых станках, образуется побочный продукт в виде отрезной кромки (бахромы), удаляемой в отходы, что является основным недостатком пневматических ткацких станков [2]. В пневмоткачестве эти отходы являются технологически неизбежными, и их величина регламентирована отраслевыми нормативами на уровне 6−7% от общего расхода утка, что на порядок превышает аналогичный показатель для челночных станков. Однако фактические потери оказываются еще большими из-за того, что предприятия не укладываются в установленные нормы отходов.

Актуальность работы. Одной из основных задач автоматизации технологических процессов в ткацком производстве текстильной промышленности в современных условиях, является задача повышения качества выпускаемых тканей и уменьшения отходов сырья, что особенно важно в связи с долей исходного сырья в себестоимости готового изделия.

Исследования и разработки, в области снижения отходов сырья в пневмоткачестве пока не привели к существенным результатам. Обобщение материалов исследований показывает, что их авторы ищут решение проблемы в оптимизации технологических параметров и повышении точности отмеривающих устройств [11,13−16].

Необходимо отметить, что вопросы автоматического управления процессом стабилизации размера отрезной кромки на минимальном технологически допустимом уровне пока еще не получили достаточного освещения.

Анализ известных способов регулирования длины уточной нити показал, что наиболее целесообразным является применение исполнительного механизма в виде уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа. Основным элементом управления в уточном накопителе является его электропривод, который предложено выполнить на базе трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АКЗ).

Объект управления — уточный накопитель для отмеривания длины пробрасываемой уточной нити, представляет собой сложную систему, для управления которой требуются алгоритмы, реализацию которых рационально осуществить на микропроцессорной технике. Математическое описание динамики механизмов уточного накопителя достаточно сложное, что определяется достаточно высоким порядком систем уравнений, моделирующих этот процесс. Это может вызвать определенные трудности при реализации алгоритмов на микропроцессорной ''технике, поскольку высокая размерность вектора состояния вызывает увеличение числа операций умножения текущих значений переменных состояния на вектор коэффициентов регулятора, что может повлечь затраты времени и вызвать запаздывание, что, в свою очередь, требует специальных методов синтеза. Кроме того, данные алгоритмы должны обеспечивать требуемый внешний вид изделий, способствовать расширению ассортимента и качества продукции.

При построении системы автоматического управления на микропроцессорной технике, целесообразно ориентироваться на современную цифровую технику: комплексы интегральных схем и микропроцессорные комплекты, обеспечивающие максимальное быстродействие [3−10].

В работе рассматриваются вопросы управления электроприводом уточного накопителя на базе трехфазного асинхронного электродвигателя, что объясняется тенденцией к повсеместному переходу на асинхронные электроприводы (АЭП) переменного тока.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование системы управления электроприводом уточного накопителя, отмеривающего длину уточной нити, призванного стабилизировать размер отрезной кромки ткани на минимальном технологически допустимом уровне. Данная система должна быть реализована на базе современных микропроцессорных устройств и обеспечить стабилизацию размера отрезной кромки ткани без ухудшения качества ткани.

Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач:

1. Анализ особенностей технологического процесса прокладки и отмеривания нити на ткацких станках, исследование уже известных методов, средств для стабилизации размера отрезной кромки ткани.

2. Теоретическое исследование электродвигателя в приводе уточного накопителя как объекта управления и построение его математической модели.

3. Построение модели исследуемой электромеханической системы в непрерывном времени, расчет параметров этой модели.

4. Разработка и исследование систем векторного управления электроприводом уточного накопителя.

5. Моделирование разработанных систем управления для оценки переходных характеристик системы управления электроприводом уточного накопителя.

6. Разработка адаптивной системы управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от изменения натяжения уточной нити и изменяемых параметров электродвигателя.

7. Разработка алгоритма векторного управления электроприводом уточного накопителя.

8. Разработка электронной схемы управления электроприводом уточного накопителя.

9. Разработка микропроцессорной системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

На защиту выносятся: 1. Математическая модель АКЗ как объекта управления в приводе уточного накопителя.

2. Результаты моделирования АКЗ примененного в приводе уточного накопителя при прямом пуске от источника трехфазного напряжения.

3. Математическая модель системы векторного управления АЭП уточного накопителя, по двум каналам, где в качестве управляющих воздействий использованы натяжение уточной нити и длина накапливаемой нити.

4. Результаты математического моделирования разработанных систем автоматического управления АЭП уточного накопителя с различными законами управления.

5. Разработка и исследование микропроцессорной системы управления трехфазным АЭП.

6. Алгоритмы управления АЭП уточного накопителя для стабилизации отрезной кромки ткани на минимально допустимом технологическом уровне.

7. Структура микропроцессорной системы управления (МПСУ) для автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

8. Результаты математического моделирования разработанных алгоритмов и схем контроля и управления.

Методика проведения исследований. В работе использована комплексная методика исследования, сочетающая методы математического анализа и инструментальные средства. При построении моделей использованы методы теории электрических машин, теории автоматического управления, методы экспериментально-теоретического моделирования и компьютерной обработки информации.

Расчеты параметров моделей, переходных характеристик и моделирование системы автоматического управления электромеханической системой проводились в пакете прикладных программ Matlab и его приложения Simulink.

Реализация программ микропроцессорной техники осуществлялось с помощью С компиляторов MPLAB С18 и MPLAB СЗО и интегрированной среды разработки программ MPLAB IDE v.7.42 фирмы MICROCHIP.

Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы построена математическая модель и структурные схемы в приложении SIMULINK пакета прикладных программ Matlab системы векторного управления АЭП уточного накопителя и разработаны программы расчета параметров асинхронного электродвигателя (АД) и АЭП с автоматической настройкой регуляторов.

Разработаны структура МПСУ и электронная схема управления АЭП уточного накопителя на основе цифрового сигнального процессора (ЦСП) dsPIC30F6010 с применением микроконтроллера PIC16F877 для автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

Разработаны алгоритмы управления системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки на минимально допустимом технологическом уровне для уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа на микроконтроллере PIC16F877.

Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей АД и модели системы векторного управления АЭП подтверждается совпадением с теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

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

Практическая ценность. Использование разработанной системы автоматического управления электроприводом уточного накопителя позволит уменьшить натяжение пробрасываемой уточной нити и стабилизировать размер отрезной кромки ткани на минимально допустимом технологическом уровне, а также снизить энергозатраты при пуске АД и повысить срок его эксплуатации.

Разработанные математические модели и программы расчета параметров АД и АЭП с автоматической настройкой параметров регуляторов можно использовать в любых отраслях текстильной и других видах промышленности.

Полученные научные результаты могут быть использованы при создании и совершенствовании систем управления АЭП.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2004, Текстиль-2005), Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности «(Инфотекстиль-2004), межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2005), научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУ — производству» (КГТУ-2006).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 75 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 50 иллюстраций.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Проведено сравнение различных способов накапливания уточной нити. Сформулированы требования и определены принципы построения управляемого комплекса для автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.

2. Построены модели асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором в неподвижной и во вращающейся системе координат. Путем моделирования получены переходные характеристики при прямом пуске АКЗ с подключением момента сопротивления в одномассовой механической системе.

3. Построена модель замкнутой системы векторного управления АКЗ в приводе уточного накопителя в непрерывном времени. Получены переходные характеристики, подтверждающие правильность настроек регуляторов тока и скорости.

4. Разработана программа расчета настроечных коэффициентов регуляторов тока и скорости.

5. Синтезирован адаптивный регулятор скорости для системы векторного управления АЭП уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа.

6. Предложена структурная схема МПСУ уточным накопителем для уменьшения отрезной кромки ткани на основе двух микроконтроллеров.

7. Разработана структура и приведены алгоритмы для векторного управления электроприводом уточного накопителя и ее микропроцессорная реализация.

8. Разработаны функциональная и структурная схемы системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках.

9. Разработана структурная схема автоматической диагностики АЭП и МПСУ уточным накопителем непрерывного действия отмеривающего типа.

10. Разработано программное обеспечение, обеспечивающее компьютерную реализацию системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках.