REGULAČNÍ SYSTÉM MYKACÍHO STROJE

Transkript

1 REGULAČNÍ SSÉM MKACÍHO SROJE Oldřich Večerek, Miloš Schlegel, Pael Balda Katedra kbernetik, Faklta aplikoaných ěd, Západočeská nierzita Plzni Abstrakt: Příspěek popisje ýoj reglačního sstém textilního mkacího stroje pomocí programoého sstém Simlink, zařízení dspace a knihon fnkčních bloků pro průmsloo reglaci RexLib. Vsoká kalita reglace jemnosti ýstpního pramene je dosažena kombinací kaskádní a IMC reglace s dopředno azbo a atomatickým dolaďoáním. Kromě reglační strktr jso popsán ýsledk simlace a experimentálního oěření řídícího sstém na stroji. Úod Záažným problémem sočasné technologie ýrob příze je přípraa kalitního balněného pramene (meziprodkt), neboť ýsledná kalita příze podstatným způsobem záisí na jeho hmotoé stejnoměrnosti. Řešení tohoto problém nabízí mkací stroj tp Slier Machine. Jde o stroj se stacionárními íčk, průtažným ústrojím a reglačními okrh možňjícími ronáání hmotoé nestejnoměrnosti pramene krátkých, středních a dlohých úsecích [], []. Principiální schéma mkacího stroje je na obr.. Vločkoá balna stpje do stroje přes Oblasti stroje: Forma textilního materiál: rozol oací álec Ø6,6 ot./min podáání a rozol oání mkání snímání odád ní protahoání kládání rono -g/m pa ina,8-,9 g/m pramen,8-6,g/m tambr (hlaní álec) pená í ka podáací. Ø7, stp materiál sníma ORQ Ø87-6 ot./min snímací. Ø,8 odád cí álce sníma RUMPE pr tažné ústrojí sinoání pramene kone Obrázek : Zjednodšené schéma mkacího stroje tp Slier Machine. podáací áleček. Na něj působící moment poháněcího motor je při konstantní rchlosti otáčení přibližně úměrný množsí stpjícího materiál. Následjí proces rozolňoání, mkání, snímání a odádění. Na jejich konci obdržíme mkaný pramen. Jeho hmotnost na jednotk délk tz. jemnost ([tex]=[g]/[km]) je měřena snímačem tp RUMPE. Pramen pak dále prochází průtažným ústrojím (iz obr. ), jehož cílem je ronat hmotoo nestejnoměrnost na pokd možno co nejkratších úsecích (tz. úsečkách). Kalit pramene lze měřit pomocí tz. střední kadratické nestejnoměrnosti CV = m L L (m(l) m) dl, [%] () kde L je délka integroaného úsek, m je střední hodnota a m(l) je okamžitá hodnota hmot pramene na jednotk délk. Výstpní jemnost pramene je kontroloána dalším snímačem jemnosti na třetím pár álečků průtažného ústrojí, který měří elikost mezer mezi álečk.

2 Obrázek : Průtažné ústrojí. Koncepce řízení mkacího stroje V proozních podmínkách lze jemnost mkaného pramene oliňoat jednak množsím stpjící baln (řízením podáacího álečk) a jednak změno rchlosti třetího pár praconích álečků průtažného ústrojí, iz obr.. Řízená sostaa, jejíž stp je hodnota požadoaných otáček ω podáacího álečk a ýstp změřená jemnost i snímačem RUMPE, je sostaa s elkým normalizoaným zpožděním (poměr dob průtah k době náběh). Odtd plne, že je hodné požít kaskádní reglaci. Vnitřní smčka reglje moment M na hřídeli podáacího álečk a nější smčka řídí jemnost pramene i před průtažným ústrojím. Vnější reglátor řídí sosta s dominantním dopraním zpožděním a proto je zde hodné požít IMC strategi řízení (Smithů prediktor) []. Z důod zpracoání různých stpních materiálů mkacím strojem je hodné, ab oba reglátor R M i R bl baen fnkcí jednorázoého atomatického seřízení (na poel operátora). Při najíždění stroje na minimální proozní rchlost je reglace jemnosti i pnta a otáčk podáacího álečk jso řízen reglátorem rchlosti R ω (reglátor R M pracje manálním režim). Jemnost pramene před průtažným ústrojím je kontaminoána různými neměřitelnými porchami působícími na proces mkání. to porch na středních a krátkých úsečkách nelze potlačit ýše popsaným zpětnoazebním řízením jemnosti, neboť šířka pásma nější reglační smčk je z důod stabilit omezena sktjícím se dopraním zpožděním proces mkání. Zýšení ronoměrnosti ýstpní jemnosti pramene o lze šak dosáhnot kompenzačním řízením (tj. řízením oteřené smčce). Při konstantních hodnotách obodoé rchlosti a ( > ) prých do párů praconích álečků průtažného zařízení lze totiž řízením obodoé rchlosti třetího pár álečků účinně kompenzoat hmotoo neronoměrnost ýstpního pramene. Pro nalezení hodného algoritm dopředného řízení F F šak potřebjeme znát dostatečně přesný matematický model průtažného ústrojí, přesněji přenosoo fnkci ze stpní jemnosti i a požadoané rchlosti na ýstpní jemnost o. akoýto matematický model sice lze ideálním případě získat, ašak předpoklad, že proces protahoání bde tímto modelem dostatečně přesně popsán za šech proozních podmínek je nerealistický. Z tohoto důod je hodné dolaďoat parametr dopředné azb přímo za prooz, například na počátk zpracoání rčité dák stpního materiál. K tomto účel složí snímač ýstpní jemnosti pramene na třetím pár álečků a blok extremální reglace ER, který dolaďje brané parametr blok F F tak, ab ýsledná střední kadratická nestejnoměrnost daná ztahem () bla minimální.

3 * ω * pr tažné ústrojí podáací ále ek proces RUMPE mkání ORQ i M M R M R ω M * M R ω * S F F R ω FF ER o S F Obrázek : Nárh reglace mkacího stroje tp Slier Machine: R ω reglátor otáček pohon; R M reglátor moment podáacího álečk; R reglátor jemnosti pramene před průtažným zařízením; F F dopředná azba kompenzjící hmotoo nestejnoměrnost naměřeno snímačem RUMPE; ER atomatické dolaďoání parametrů dopředné azb podle kalit pramene měřené snímačem zdih na třetím pár álečků průtažného zařízení; S přenosoá fnkce snímače RUMPE; S přenosoá fnkce snímače zdih; F, F FIR kazální filtr; F FIR nekazální filtr; M motor. Požití signál z tohoto snímače jemnosti též pro zpětnoazební řízení je možné, ašak jeho účinek je problematický, neboť zpoždění e smčce nelze kompenzoat tak, jak je to možné dopředné azb. Zpětnoazební řízení jemnosti V tomto oddíl je strčně popsán nárh a simlace zpětnoazebního kaskádního řízení jemnosti pramene před průtažným ústrojím. Na proces jso měřen tři eličin: otáčk podáacího álečk ω, moment poháněcího motor M a jemnost pramene i tenzometrickým snímačem RUMPE (obr. ). Otáčk motor ω jso stpem do reglátor otáček R ω, který je peně zabdoán e ýkonoé jednotce pohon, a žadje proto poze takoé seřízení parametrů, ab odeza na změn požadoaných otáček bla co možná nejrchlejší a bez překmit. Poháněcí moment motor M měřený čidlem ORQ je stpem reglátor moment podáacího álečk R M, který generje požadoano hodnot otáček ω pro ýkonoý člen. ato reglační smčka neobsahje ýznamné dopraní zpoždění a proto je požit PID reglátor. Signál z čidla RUM- PE je nelineární fnkcí S přepočítán na jemnost i, která je dále hlazena filtrem F a složí jako stp reglátor jemnosti R, který generje požadoano hodnot moment M pro reglátor R M. Proces mkání obsahje dominantní dopraní zpoždění a proto je reglátor R naržen jako PI reglátor se Smithoým prediktorem. Jako model proces je ažoán sstém prního řád s dopraním zpožděním. Protože při najíždění stroje na minimální otáčk se platní poze reglace otáček (reglátor R M manálním režim) a při zaádění pramene je požadoán konstantní moment motor (reglátor R M atomatickém režim, R manálním režim), msí být oba reglátor možňoat sledoání záislosti na jejich režimech. Na obr. je schéma realizace zpětnoazebního řízení jemnosti blok z knihon RexLib [7]. Ve schémat není z důod přehlednosti zahrnta realizace filtrů S a F z obr.. Pro oba reglátor R M i R je požit blok PIDMA, což je nierzální PID reglátor baený fnkcemi sledoání nitřního sta reglátor, bezrázoého přepínání parametrů a naíc s možností jednorázoého atomatického nastaení parametrů. Požadoaná hodnota (sp) atomatickém režim a rční řízení (h) manálním režim jso zadáán pomocí jednotek MCU, které možňjí změn ýstpní hodnot pomocí logických signálů (tlačítek) a DOWN lokálním režim, nebo kopírjí stpní signál r na ýstp e zdáleném režim. Blok SWU a SSW zajišťjí spráné sledoání reglátorů PIDMA a jednotek MCU záislosti na požadoaných režimech reglátorů. Reglátor PIDMA (realizje reglátor R na obr. ) je naíc doplněn odpojitelno kladno zpětno azbo (Smithoým kompenzátorem). V sočasné době

4 RI Data DN SP r SP DN LOC SP r SP LOC MCU SP [ORQ] [sp] [LOC] [MAN] [LOC] S SW SSW c o OR OR OR OR SWU V HV HV DN HV r HV LOC M B A I [MAN] [UNE] [BRK] [ AFF] [ips] [SMI H] [ RUMP] [MAN] [LOC] [MAN] [scomp] [ RUMP] [scomp] DN r LOC MCU HV SW SSW c o OR OR OR OR SWU SP SUB [MAN] [ UNE] [ BRK] [ AFF] [ips] Controller R DELM SUB [SMIH] SP LOC d m sp dm p de SA BS h E ite MAN trem IH pk pti UNE ptd BRK pnd pb AFF pc ips PIDMA Smith's compensator LLC [sp] [LOC] SP SP DN HV HV DN HV r HV LOC [m] GAIN DN r LOC MCU HV DN r LOC MCU SP M B A I [ORQ] [MAN] [ UNE] [ BRK] [AFF] [ips] [MAN] [UNE] [BRK] [ AFF] [ips] [sp] [ ORQ] [MAN] Controller RM SW SSW d m sp dm p de SA BS h E ite MAN trem IH pk pti UNE ptd BRK pnd pb AFF pc ips PIDMA PVAL [m] ADC ADC [ORQ] [m] [ RUMP] [m] [sp] [sp] DSADC_C7 DSADC_C8 MK Process Model Inpts & Otpt Scope [m] [ORQ] [ RUMP] DAC DSDAC_C [RUMP] [ ORQ] Obrázek : (a) Schéma realizace zpětnoazebního řízení jemnosti fnkčními blok z knihon RexLib, operátorský snímek zpětnoazebního kaskádního řízení jemnosti program ControlDesk. se připraje rozšíření blok PIDMA o fnkci jednorázoého atomatického nastaení parametrů Smithoa prediktor []. Schéma naíc obsahje model řízeného proces (blok PVAL a MK), které možňjí simlaci sstémech Matlab-Simlink a dspace. V praé dolní části obrázk je naznačeno, jak propojit jednotlié signál se stpně-ýstpními blok sstém dspace pro řízení sktečného stroje..... sp m=sp p (ORQ) m p (RUMPE) t Obrázek : Atomatické nastaení parametrů kaskádní reglace:. atomatické nastaení parametrů reglátor nitřní smčk (oba reglátor manálním režim),. přepntí reglátor nitřní smčk do atomatického režim,. atomatické nastaení parametrů reglátor nější smčk,. přepntí reglátor nější smčk do atomatického režim,. změna požadoané hodnot jemnosti. Na obr. je zobrazen simloaný časoý průběh identifikačních experimentů ntných pro atomatické nastaení parametrů reglátorů. Data bla získána simlací na hardwar dspace s požitím program ControlDesk [], [6]. Na obr. 6 je znázorněno žiatelské rozhraní požité pro simlaci řízení jemnosti, ořené program ControlDesk.

5 Obrázek 6: Operátorský snímek zpětnoazebního kaskádního řízení jemnosti program ControlDesk. Kromě parametrů reglátor je možno zadáat ještě parametr model mkacího stroje (PVAL, MK sstém drhého řád s dopraním zpožděním) a sledoat aktální dob potřebno k konání jednoho ckl kód (ask rnarond ime). Kompenzační řízení proces protahoání V tomto oddíl strčně popíšeme nárh, simlaci a praktické oěření kompenzačního řízení proces protahoání. Uažjme zjednodšené schéma průtažného ústrjí zobrazené na obr. 7. Zanedbáme-li šechn i = o l i l l Obrázek 7: Schéma průtažného ústrojí. dnamické je proces protahoání, kromě zřejmých dopraních zpoždění při průchod pramene mezi snímačem RUMPE a jednotliými pár praconích álečků, potom z obr. 7 a ronice kontinit obdržíme následjící ztah ( (t) = i t l ) i, () (t) = (t) (t) i (t) = (t) (t) (t) ( t l i + l (t) ( t l (t) ), () ), () kde k (t), k =,,, označjí jemnosti pramene mezi k-tým párem praconích álečků (obr. 7).

6 DERR VS simlace hmotoe nestejnomernosti model pohon.+. a. par aleck tp [i] SIN SUM dm dmc ADD [_sp] [_sp] [i] [tdi] [tp] [] [] [ ] [] [td] [] [] [tp] ADD [] [D] d VDEL ADD RUN z tp RD DER SUB SUB DIV DIV MDL LLC6 [D] d VDEL delta LIN POL Model prtazneho zarizeni VROBNI PARAMER stpni rchlost, jemnost pramene a celko prtah DN Kompenzacni rizeni stpni jemnosti LLC [i] [] [] [] LLC DIV [td] DIV d VDEL D _LOC [] d VDEL MUL [FFC] FFC DN r LOC MCU MUL SW SSW [] [] [o] [] [D] pocet index CV U U N AND_ ad Lin EVAR ADD ECHNOLOGICKE KONSAN prtah mezi.. parem aleck geometrie prtazneho stroji [FFC] D Li L L [ ] [ o] [o_mi] [CV] LIN7 [D] [Li] [L] [L] [_sp] REGULACNI PARAMER pozadoane hodnot pro reglacni smck promenna zpozdeni [ ] [D] [i] [D] [] [D] [] [D] [Li] [L] [] [L] [] [i] [i] [ ] [] [ ] [] [] [] [_sp] [] [] [_sp] [] [tdi] [td] MUL7 DIV DIV8 MUL ADD DIV LIN DIV9 ZPOZDENI jemnosti o Workspace JEMNOSI rchlosti o Workspace RCHLOSI zpozdeni o Workspace [i] [] [] [] [_sp] [tdi] [td] [] S CMP zapnti dopredne azb pri =S [CV] CV CV o Workspace Obrázek 8: Schéma realizace dopředné azb fnkčními blok z knihon RexLib. Požadjeme-li konstantní ýstpní jemnost (t) =, potom z () obdržíme (t) = ( (t) t l ) = (t) + (t) δ(t τ d ), () (t) kde (t) je požadoaná (průměrná) rchlost ýstpního pramene, dále δ(t) = (t) D (t), (6) τ d = l (t) = l D (t) D (t) a D = (t)/ (t) =konst je průtah mezi prním a drhým párem álečků, D = (t)/ (t) je průtah mezi drhým a třetím párem álečků a konečně D = D D je celkoý průtah mezi prním a třetím párem álečků. Vztah () definje potřebno rchlost třetího pár álečků pro úplné odstranění hmotoé neronoměrnosti ýstpního pramene ažoaném ideálním případě. Pro ětší přiblížení reálném proces protahoání je hodné pozměnit ztah mezi (t) a (t) tak, že přenos z jemnosti na jemnost je dán přenosem F (s) = e τ ds ϑ s +, ted přenosem prního řád s dopraním zpožděním. V důsledk toho je samozřejmě ntné příslšně prait i ztah (). Dále je ntné ažoat dnamik pohon třetího pár álečků a též dnamik snímače RUMPE a zpoždění způsobené žitím nekazálního filtr F (obr. ). (7)

7 8 7. i 7 i o. zapnti kompenzacniho rizeni. o. 6 9 (a) (b) Obrázek 9: (a) Simloané časoé průběh jemností, (b) detail. CV zapnti kompenzacniho rizeni 6. zapnti kompenzacniho rizeni 6 (a) (b) Obrázek : (a) Simloaná střední kadratická nestejnoměrnost ýstpního pramene, (b) simloané průběh rchlostí i i.. o namerena. o. o simloana. s kompenzaci (a) (b) Obrázek : (a) Časoý průběh stpní a ýstpní jemnosti naměřený na reálném stroji, (b) detail.

8 Realizace takto zpřesněné dopředné azb pomocí fnkčních bloků z knihon RexLib je edena na obr. 8. Simlací Simlink bl získán průběh jemností i, a o, které jso eden na obr. 9. Simloaný průběh střední kadratické nestejnoměrnosti ýstpního pramene je eden na obr. (a) a simloaný průběh rchlostí jednotliých párů álečků průtažného sostrojí při najíždění stroje je eden na obr (b). Obr. kazje časoé průběh stpní a ýstpní jemnosti změřené na sktečném průtažném sostrojí při experiment, kd bla jemnost stpjícího pramene záměrně měle praena odebráním a přidáním části jeho hmot. Záěr Příspěek kazje ýhod požití hardwar dspace a knihon fnkčních bloků pro průmsloo reglaci RexLib pro zefektinění a podstatné zrchlení nárh prototp složitého reglačního sstém na praktickém příklad, neboť jedno ořené algoritm řízení prostředí Matlab/Simlink je možno bez ětších úpra požít pro simlaci Simlink, s požitím Real ime Workshop pro simlaci a prototpoé řízení na zařízeních dspace a s žitím řídícího sstém REX pak pro realizaci finálního řídícího sstém na liboolném oteřeném hardwar s překladačem jazka C/C++, např. s operačními sstém Windows 9x//XP, Windows CE, Pharlap ES apod. ato práce bla částečně podpořena Ministersem školsí ČR, projekt č. MSM a Grantoo agentro ČR, projekt č. //. Reference [] Ursín, P.: eorie předení I. Skripta VŠS Liberci, 98. [] Zlepšení parametrů mkacího stoje. echnická zpráa č. ISRN UL VC/C MŘP/Z //CZ, Výzkmné centrm - extil, echnická nierzita Liberci,. [] Goodwin, G.C., Graebe, S.F., Salgado, M.E.: Control sstem design. Prentice Hall, Upper Saddle Rier,. [] Večerek, O.: Robstní metod pro atomatický nárh reglátor pro proces s dominantním dopraním zpožděním. Disertační práce, ZČU Plzni,. [] Real-ime Interface (RI and RI-MP) Implementation Gide. dspace GmbH, Paderborn,. [6] ControlDesk Experiment Gide. dspace GmbH, Paderborn,. [7] Schlegel, M., Balda, P., Štětina, M.: Knihona C MEX bloků pro průmsloo reglaci s aplikačními příklad. In: Sborník konference Matlab, Hmsoft s.r.o., Praha,. [8] Kontaktní informace Ing. Oldřich Večerek, ecer@kk.zc.cz, Doc.Ing. Miloš Schlegel, CSc., schlegel@kk.zc.cz, Ing. Pael Balda, balda@rexcontrols.cz, Katedra kbernetik, ZČU Plzni, Unierzitní, 6 Plzeň.