Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Автоматизация шлихтовальной машины

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................2

Технологический раздел

1.1 Описание технологического процесса………………………………......3

1.2 Обоснование необходимости автоматизированного контроля и управления....................................................................................................6

1.3 Требования к автоматизированным системам контроля и управления....................................................................................................7

Раздел автоматизации

2.1 Обоснование по выбору новой структуры модернизируемой системы автоматизации...................................................................................................9

2.2 Идентификация объекта автоматизации..................................................10

2.3 Обоснование выбора типа регулятора.................................................22

2.4 Оптимизация параметров настройки регулятора...............................24

2.5 Анализ устойчивости и качества системы управления.......................27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................30

Список использованной литературы...........................................31

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................32, 33

ВВЕДЕНИЕ

Технологический процесс ткачества характеризуется как наиболее многомашинный участок текстильных предприятий, и для него в полной мере характерны особенности массового производства. Вид перерабатываемых волокон (хлопковое, шерстяное, шелковое, льняное) почти не влияет на набор технологического оборудования и на объем автоматизации технологического процесса.

Первым технологическим переходом ткацкого производства является мотальный отдел, к основным возмущающим факторам которого можно отнести нестабильность физико-механических свойств пряжи (линейная плотность, разрывная нагрузка, крутка, коэффициент удлинения и т. д.), неоднородность структуры початков, колебания температуры и влажности окружающего воздуха. Все эти параметры имеют в основном случайный характер и не всегда могут быть количественно измерены. В качестве управляющих воздействий на мотальных автоматах используют регулирование скорости перематывания, нагрузки на нить и ширину щели контрольно-очистительного прибора, установку автоматического узловязателя.

Следующим технологическим переходом ткацкого производства является сновальный отдел. Возмущающие воздействия здесь носят тот же характер, что и на мотальном переходе. Управляющими воздействиями также являются регулирование скорости перемотки и величины натяжения нитей.

Сновальные валы из сновального отдела подают в шлихтовальный отдел, где основными контролируемыми параметрами являются вытяжка основных нитей, влажность ошлихтованной основы, величина приклея; для нитей из искусственных и синтетических волокон учитывают также степень электризации шлихтованной основы. К основным возмущающим факторам относятся нестабильность физико-механических свойств нитей, качество шлихты и колебание ее уровня. В качестве управляющих факторов используют скорость шлихтования, температуру и уровень шлихты, степень отжима, глубину погружения основы в шлихту температуру в сушильной камере, натяжение нитей.

В данной курсовой работе проведено исследование контура регулирования температуры шлихтовального раствора с внесением регулирующего воздействия в линию подачи пара. Выбран наиболее оптимальный тип регулятора, найдены коэффициенты настройки регулятора для обеспечения заданных требований к САУ, проведены расчеты по оценки качества и точности системы автоматического управления.

1. Технологический раздел

1.1 Описание технологического процесса

Цель процесса шлихтования – уменьшение обрывности нитей основы в процессе ткачества (увеличив в несколько раз стойкость к истиранию) и получение ткацкого навоя путём объединения нити с нескольких сновальных валиков и навивки на навой.

Сущность процесса шлихтования заключается в нанесении на нити тонкого слоя клеящего вещества (шлихты), которая приклеивает кончики волокон к стволу нитей и покрывает поверхность тонкой плёнкой, предохраняя волокна от истирания.

На рисунке 1 приведена схема шлихтовальной машины ШБ-11/140.

Рисунок 1.1 Основные узлы шлихтовальной машины ШБ-11/140

Работа шлихтовальной машины заключается в следующем. Основа со сновальных валов сматывается с определённым натяжением тянульным валом 2. Натяжение основных нитей при разматывании сновальных валов создаётся за счёт торможения последних. Соединённые нити основы после последнего сновального вала 29, который установлен на стойке 28, огибает направляющие ролики 27 под площадкой обслуживания 26. Далее основа огибает направляющий ролик 25, ролик – датчик 24, контролирующий натяжение основы, направляющие ролики 3 и 1, подаётся тянульным валом 2 в клеильный аппарат 23 и погружается роликами 22 в шлихтовальный раствор. Тянульный вал с помощью цепной передачи имеет принудительный привод от мажорного вала через уравнительный механизм 20. После погружения в шлихту основа проходит между отжимными валами 21, меточный механизм 19, огибает направляющий ролик18 и далее направляется на сушильные барабаны 17, где последовательно огибает все барабаны. Для удаления воздуха, увлажнённого в результате испарения горячей шлихты и влаги из пряжи, над сушильными барабанами установлен вытяжной зонт 4.

Высушенная основа огибает ролик – датчик 16 натяжения основы, направляющий ролик 15 и эмульсирующий валик 14. Угол обхвата пряжей поверхности эмульсирующего валика регулируется опусканием или подъёмом ролика 13.

После одностороннего эмульсирования основа, обогнув направляющий ролик 12, поступает в разделительное (ценовое) поле. При своём движении основа разделяется в горизонтальном направлении ценовыми прутками 11 и зубьями раздвижного рядка 5. Далее основа огибает мерильный ролик 6, выпускной вал 7, ролик – датчик 8 натяжения основы, рассеивающий ролик (реглажный) 9 и навивается на ткацкий навой 10.

На рисунке 2 приведен фрагмент функциональной схемы автоматизации шлихтовальной машины ШБ-11/140.

Регулирование температуры шлихты в пропиточной ванне осуществляется автоматическим мостом поз. 7-2 со встроенным пневматическим регулятором. Датчиком температуры служит термометр сопротивления поз. 7-1. Электрический сигнал от датчика температуры поступает на регулятор поз. 7-2 и преобразуется в управляющий пневматический сигнал, воздействующий на регулирующий клапан поз. 7-4, который установлен на линии подачи пара в пропиточную ванну.

В рассматриваемом случае для сушильных барабанов первых трех зон предусматривается лишь контроль температуры, осуществляемый датчиками поз. 9-1, поз. 9-2 и поз. 9-3 и логометром поз. 9-6. С помощью этого же логометра и датчика поз. 9-4 можно контролировать температуру в парафинирующей ванне. Поочередное подключение датчиков к логометру производится переключателем поз. 9-5.

Регулирование уровня шлихты в пропиточной ванне осуществляется с помощью электронного регулятора уровня поз. 6-2, электродного датчика уровня поз. 6-1, входящего в комплект регулятора, и регулирующего клапана поз. 6-3 с моторным приводом.

Система регулирования влажности основы на выходе из шлихтовальной машины состоит из влагометра поз. 3-2, работающего в комплекте с датчиком поз. 3-1, и регулятора влажности поз. 3-3 в комплекте с задатчиком ЗД, с помощью которого устанавливается значение регулируемой влажности. При изменении влажности основы соответствующий сигнал с регулятора поз. 3-3 подается на регулирующий клапан поз. 8-4.

Датчики поз. 2-1, поз. 2-2 и поз. 2-3 и прибор поз. 2-5 контролируют натяжение нитей основы. С помощью датчика поз. 2-1 осуществляется контроль натяжения в зоне пропиточной секции, с помощью датчика поз. 2-2 — в зоне выхода основы из сушильной секции, а с помощью датчика поз. 2-3 —в накатной секции. Подключение к прибору поз. 2-4 того или иного датчика производится через переключатель поз. 2-4 .

Вытяжка нитей в процессе шлихтования контролируется прибором поз. 1-3 и датчиками поз. 1-1 и поз. 1-2, причем датчик поз. 1-1 устанавливают на входе в пропиточную секцию, а датчик поз. 1-2 — на входе в накатную секцию.

Указатель скорости поз. 4-2, работающий совместно с тахогенератором поз. 4-1, контролирует скоростной режим работы шлихтовальной машины. Следует отметить, что сигнал с тахогенератора поз. 4-1 используется в контуре автоматического регулирования скорости вращения приводных двигателей.

Программный счетчик поз. 5-2, работающий совместно с датчиком импульсов поз. 5-1, служит для учета метража ошлихтованных нитей и количества кусков основы, прошедших шлихтование. Программа длины куска в метрах набирается с помощью тумблеров, установленных на лицевой панели счетчика.

Давление пара в трубопроводах подачи пара в пропиточную и парафинирующую ванны поддерживается постоянным с помощью регулятора поз. 13, работающего по принципу поддержания стабильного давления «после себя». Аналогичный же регулятор поз. 14 используется для поддержания стабильного давления пара в трубопроводах подачи пара к сушильным барабанам.

Для дополнительной очистки сжатого воздуха, подаваемого на электропневматические регуляторы, установлен воздушный фильтр Ф1.

1.2 Обоснование необходимости автоматизированного контроля и управления

Чтобы ошлихтованная основа обладала хорошими техническими свойствами к процессу шлихтования предъявляют следующие требования:

Ошлихтованная пряжа должна обладать достаточной прочностью, гладкостью и эластичностью;
В процессе шлихтования должно быть обеспечено равномерное нанесение требуемого количества шлихты (т.е. определённого приклея), за счет поддержания постоянной вязкости и температуры раствора;
Натяжение нитей основы при шлихтовании должно быть одинаковым и постоянным за всё время сматывания её со сновальных валиков;
Вытяжка пряжи и потеря её удлинения должны быть в пределах нормы;
Влажность ошлихтованной основе должна поддерживаться на постоянном уровне;
Получаемый на шлихтовальной машине навой должен иметь цилиндрическую форму необходимую плотность навивки (гамма) и расчётную длину пряжи;
Процесс шлихтования должен быть производительным, экономичным и обеспечивать получение качественного навоя.

1.3 Требования к автоматизированным системам контроля и управления.

Требования к функциям АСУ

АСУ в необходимых объемах должна автоматизированно выполнять:

• сбор, обработку и анализ информации (сигналов, сообщений, документов и т. п.) о состоянии объекта управления;

• выработку управляющих воздействий (программ, планов и т. п.);

• передачу управляющих воздействий (сигналов, указаний, документов) на исполнение и ее контроль;

• реализацию и контроль выполнения управляющих воздействий;

• обмен информацией (документами, сообщениями и т. п.) с взаимосвязанными автоматизированными системами.

Состав автоматизированных функций (задач, комплексов задач - далее функций) АСУ должен обеспечивать возможность управления соответствующим объектом в соответствии с любой из целей, установленных в ТЗ на АСУ.

Состав автоматизированных функций АСУ и степень их автоматизации должны быть технико-экономически и (или) социально обоснованы с учетом необходимости освобождения персонала от выполнения повторяющихся действий и создания условий для использования его творческих способностей в процессе работы.

Требования к техническому обеспечению АСУ

Комплекс технических средств АСУ должен быть достаточным для выполнения всех автоматизированных функций АСУ. В комплексе технических средств АСУ должны в основном использоваться технические средства серийного производства. При необходимости допускается применение технических средств единичного производства.

Тиражируемые АСУ и их части должны строиться на базе унифицированных технических средств.

Технические средства АСУ должны быть размещены с соблюдением требований, содержащихся в технической, в том числе эксплуатационной, документации на них, и так, чтобы было удобно использовать их при функционировании АСУ и выполнять техническое обслуживание.

Размещение технических средств, используемых персоналом АСУ при выполнении автоматизированных функций, должно соответствовать требованиям эргономики: для производственного оборудования по ГОСТ 12.049-80, для средств представления зрительной информации по ГОСТ 21829-76, в том числе для табло коллективного пользования из цифровых знакосинтезирующих электролюминесцентных индикаторов по ГОСТ 21837-76.

Технические средства АСУ, используемые при взаимодействии АСУ с другими системами, должны быть совместимы по интерфейсам с соответствующими техническими средствами этих систем и используемых систем связи.

В АСУ должны быть использованы технические средства со сроком службы не менее десяти лет. Применение технических средств с меньшим сроком службы допускается только в обоснованных случаях и по согласованию с заказчиком АСУ.

Любое из технических средств АСУ должно допускать замену его средством аналогичного функционального назначения без каких-либо конструктивных изменений или регулировки в остальных технических средствах АСУ (кроме случаев, специально оговоренных в технической документации на АСУ).

Технические средства АСУ допускается использовать только в условиях, определенных в эксплуатационной документации на них. В случаях, когда необходимо их использование в среде, параметры которой превышают допустимые значения, установленные для этих технических средств, должны быть предусмотрены меры защиты отдельных технических средств АСУ от влияния внешних воздействующих факторов.

В АСУ должны быть использованы средства вычислительной техники, удовлетворяющие общим техническим требованиям по ГОСТ 22552-84.

2. Раздел автоматизации

2.1 Обоснование по выбору новой структуры модернизируемой системы автоматизации.

Из шлихтовальной машины выбираю свой контур регулирования температуры шлихтовального раствора:

Рисунок 2.1.1 Контур регулирования температуры шлихтовального раствора

Контур регулирования температуры включает в себя:

Емкость с раствором
Датчик температуры
Автоматический регулятор
Регулирующий орган
Исполнительный механизм (задвижка)
Источник пара

y(T0C)

Рисунок 2.1.2 Структурно-функциональная схема контура регулирования температуры

Исходя из структурно-функциональной схемы строим структурно-математическую:

Рисунок 2.1.3 Структурно-математическая схема контура регулирования температуры

2.2 Идентификация объекта автоматизации.

Под идентификацией динамических объектов понимают процедуру определения структуры и параметров их математических моделей, которые при одинаковом входном сигнале объекта и модели обеспечивают близость выхода модели к выходу объекта при наличие какого-то критерия качества.

Обычно идентификация – многоэтапная процедура. Основные ее этапы следующие:

Структурная идентификация – заключается в определении структуры математической модели на основании теоретических соображений.
Параметрическая идентификация – включает в себя проведение идентифицирующего эксперимента и определение оценок параметров модели по экспериментальным данным.
Проверка адекватности – проверка качества модели в смысле выбранного критерия близости выходов модели и объекта.

Для проведения идентификации технологического объекта управления воспользуемся пакетом System Identification Toolbox (SIT) из состава MATLAB.

Пакет System Identification Toolbox содержит средства для создания математических моделей линейных динамических объектов (систем) на основе наблюдаемых входных/выходных данных. Он имеет удобный графический интерфейс, позволяющий организовывать данные и создавать модели. Методы идентификации, входящие в пакет применимы для решения широкого класса задач – от проектирования систем управления и обработки сигналов до анализа временных рядов.

Обработка массива данных с помощью пакета System Identification Toolbox предполагает следующие этапы:

обработка и преобразование данных с целью создания файла данных;
непараметрическое оценивание данных с целью предварительного определения основных характеристик ТОУ;
параметрическое оценивание данных с целью создания различных видов моделей с тета-формате;
задание структуры модели;
изменение и уточнение структуры модели (если это необходимо);
проверка адекватности и сравнение различных видов моделей с целью выбора наилучшей;
преобразование модели тета-формата в вид удобный для дальнейшего использования при анализе и синтезе системы управления.

В результате проведенного эксперимента был получен массив данных состоящий из 2 тысяч значений входного параметра (расход пара, м3/ч) и 2 тысяч значений выходного параметра (температура раствора, гр. ºС). Интервал дискретизации равен 3 (ts=3). Для загрузки в рабочую область MATLAB массива данных необходимо выполнить команду:

>> load datta

После выполнения команды в рабочей области появились массив входных переменных u и массив выходного параметра y.

Интервал дискретизации указывается дополнительно:

>> ts=0.1;

Для объединения исходных данных в единый файл воспользуемся командой:

>> dan2=iddata(y(101:200),u(101:200),ts)

Time domain data set with 100 samples.

Sampling interval: 0.1

Outputs Unit (if specified)

Inputs Unit (if specified)

Сформированный файл указывает, что он содержит результаты 100 измерений с интервалом дискретизации 3 с. Входными переменными является массив u, а выходным параметром y.

Для наглядности сформированного файла необходимо в его структуру ввести обозначения входных и выходных данных, а также их размерностей:

>> dan2.outputn='Температура';

>> dan2.inputn='Расход газа';

>> dan2.inputUnit='м3/час';

>> dan2.outputUnit='град Ц';

Для просмотра полной информации о полученном файле воспользуемся командой:

>> get(dan2);

ans =

Domain: 'Time'

Name: ''

OutputData: [100x1 double]

y: 'Same as OutputData'

OutputName: {'Температура'}

OutputUnit: {'град Ц'}

InputData: [100x1 double]

u: 'Same as InputData'

InputName: {'Расход газа'}

InputUnit: {'м3/час'}

Period: Inf

InterSample: 'zoh'

Ts: 0.1000

Tstart: []

SamplingInstants: [100x0 double]

TimeUnit: ''

ExperimentName: 'Exp1'

Notes: {}

UserData: []

Для дальнейшего использования полученных исходных данных необходимо провести предварительную обработку этих данных с целью удаления тренда из набора данных и если необходимо отфильтровать данные с помощью имеющихся средств в пакете System Identification Toolbox. Данные операции проведем в графическом интерфейсе System Identification Toolbox, который запускается из командной строки командой:

>> ident

Opening System Identification Tool ....... done.

В результате выполнения этой команды появляется диалоговое окно показанное на рисунке 2.2.1. На начальной стадии идентификации с использованием графического интерфейса после проведения эксперимента необходимо сформировать файл данных, в нашем примере таким файлом является dan2.

Рисунок 2.2.1 Окно графического интерфейса SIT

В левом верхнем углу окна выберем в раскрывающемся списке Data вариант Import. Это приведет к открытию диалогового окна показанного на рисунке 2.2.2.

В поле окна Data Format for Signals выбираем IDDATA object. В поле Iddata вводим название нашего файла dan (см. рисунок 2.2.2)

Рисунок 2.2.2 Окно параметров импорта

Запустим режим быстрого старта, для чего в падающем меню Operations выберем Quick Start (см. рисунок 2.2.3).

Рисунок 2.2.3 Импорт файла данных выполнен

Во время выполнения этого режима производится:

Удаление тренда из массива экспериментальных данных;
Формирование усеченных массивов данных с именами dande и dandv для построения моделей.

Рисунок 2.2.4 Завершен импорт и преобразование данных

После проведения предварительной обработки данных можно приступить к нахождению оценки модели.

В предложенном списке Estimate выбираем Parametric models (см. рисунок 2.2.5), данный выбор приведет к открытию диалогового окна задания структуры модели (см. рисунок 2.2.6).

Рисунок 2.2.5 Выбираем параметрические модели

Получим параметрические модели из предложенного списка (ARX, ARMAX, OE, BJ, State Space см. рисунок 2.2.6), оценка производится нажатием кнопки Estimate. Существует возможность изменить параметры модели в редакторе Order Editor. Воспользуемся значениями по умолчанию, за исключением ARX и State Space, у которых параметры выберем нажав кнопку Order Selection.

Рисунок 2.2.6 Окно выбора структуры моделей

После того как были получены все 5 моделей объекта управления (см. рисунок 2.2.7), можно приступит к выбору одной из них, которая будет использоваться далее для получения передаточной функции ТОУ.

Рисунок 2.2.7 Получены 5 моделей ТОУ

Для выбора модели следует пользоваться средствами которые предоставляет System Identification Toolbox:

Transient resp (переходная характеристика);
Frequency resp (частотные характеристики);
Zeros and poles (графики нулей и полюсов);
Noise spectrum(графики спектров шумов).

Выбор отображаемых на этих графиках моделей осуществляется выделением соответствующих в окне списка моделей.

Для анализа модели ТОУ возьмем модель n4s4, для чего перетащим ее на иконку To Workspace, при этом модель n4s4 появится в рабочем пространстве MATLAB.

Полученная модель представлена в так называемом тета – формате и является дискретной. Для преобразования модели из тета - формата в вид удобный для дальнейшего использования в пакете System Identification Toolbox имеются специальные функции.

Преобразуем модель тета-формата многомерного объекта в вектор передаточных функций, связанных с выбранным входом:

>> [num,den]=th2tf(n4s4)

num =

0 0.0442 -0.1081 0.1703 -0.0793

den =

1.0000 -2.3544 2.1298 -0.8945 0.1494

где num, den соответственно числитель и знаменатель дискретной передаточной функции.

Получим дискретную передаточную функцию:

>> Wz=tf(num,den,ts)

Transfer function:

0.0442 z^3 - 0.1081 z^2 + 0.1703 z - 0.07925

----------------------------------------------

z^4 - 2.354 z^3 + 2.13 z^2 - 0.8945 z + 0.1494

Sampling time: 0.1

Преобразуем дискретную модель в непрерывную и представим ее в виде передаточной функции:

>> Ws=d2c(Wz)

Transfer function:

1.753 s^3 - 10.45 s^2 + 107 s + 690.8

---------------------------------------------

s^4 + 19.01 s^3 + 160.6 s^2 + 601.9 s + 769.2

Приведенные передаточные функции являются одной и той же моделью, записанной в разных формах и форматах.

Проанализируем динамические характеристики модели. Для чего построим переходную характеристику ТОУ для дискретной и непрерывной моделей и определим основные показатели переходного процесса.

На графиках переходных процессов ступенчатой линией представлен переходной процесс дискретной модели, а сплошной линией – непрерывной модели.

По виду переходной характеристики можно сделать однозначный вывод о том, что система неустойчивая.

Для построения переходной характеристики воспользуемся командой:

>> step(Ws)

Рисунок 2.2.8 Переходные характеристики дискретной и непрерывной моделей

Для построения импульсной характеристики воспользуемся командой:

Автоматизация шлихтовальной машины 📙 Курсовая → 🆔 2235