МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХЕРСОНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ТУЛУЧЕНКО ГАЛИНА ЯКІВНА
УДК 681.3:518.5
МОДЕЛІ ТА АЛГОРИТМИ ОПТИМІЗАЦІЇ ТЕХНОЛОГІЧНИХ РЕЖИМІВ
ОПОРЯДЖЕННЯ ТЕКСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ
05.13.06. – Автоматизовані системи управління та
прогресивні інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Херсон – 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Херсонському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: | кандидат фізико-математичних наук, доцент Крючковський Віктор Володимирович, Херсонський державний технічний університет, завідувач кафедри вищої математики.
Офіційні опоненти:
Доктор технічних наук, професор Храпливий Анатолій Петрович, Херсонський державний технічний університет, завідувач кафедри автоматизації виробничих процесів.
Кандидат фізико-математичних наук, доцент Міщенко Віктор Олегович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, доцент кафедри моделювання та математичного забезпечення ЕОМ.
Провідна установа:
Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра технічної кібернетики, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.
Захист відбудеться 23 ” лютого 2001 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 67.052.01 в Херсонському державному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон – 8, Бериславське шосе, 24, корп.1, ауд. 223.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Херсонського державного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон – 8, Бериславське шосе, 24, корп.1.
Автореферат розісланий 22 ” січня 2001 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради | В.О. Костін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Рівень розвитку текстильної промисловості, як і будь-якої іншої галузі, в значній мірі визначається шириною залучення останніх досягнень фундаментальних та прикладних наук для розв’язання власних виробничих задач. Використання обчислювальної техніки та створених на її базі автоматизованих систем значно спрощує і якісно змінює шлях до застосування досягнень різних областей науки.
Автоматизовані системи знаходять впровадження на всіх етапах виробництва: від розробки технологій до їх промислової експлуатації. Значне прискорення цього процесу спостерігається після досягнення достатньо високого ступеня розвитку комп’ютерних технологій.
Технологічні процеси опоряджувального виробництва визначаються різноманітністю прийомів обробки текстильних матеріалів, шириною та постійним поновленням асортименту виробів. Тому створення інформаційних технологій, які орієнтовані на розв’язання виробничих задач у текстильній промисловості, потребує в кожному окремому випадку формування спеціального математичного, алгоритмічного, інформаційного та технічного видів забезпечення.
В зв’язку з цим важливо підкреслити, що впровадження засобів автоматизації не може бути здійснено без проведення великої аналітичної роботи, без глибокого вивчення технологічних процесів галузі, принципів організації і управління виробництвом на підприємствах текстильної промисловості. Отже, розробка методів моделювання технологічних процесів, їх автоматичного управління, обробки інформації є актуальною проблемою.
Розробка або вдосконалення текстильної технології складається з низки подовжених за часом етапів: лабораторні дослідження, напіввиробничі випробування, виробничі узгодження. При цьому технологічні процеси становлять собою велику кількість хімічних і фізичних процесів, що взаємно впливають один на одного. Тому задачі оптимізації технологічних режимів в опоряджувальному виробництві є складними і трудомісткими на будь-якому етапі свого розв’язання.
Ефективність їх розв’язання в значній мірі пов’язана з використанням АСУ технологічними процесами та АС технологічної підготовки виробництва. На ринку програмних продуктів України відчувається значний брак спеціалізованого до потреб опоряджувального виробництва програмного забезпечення названих автоматизованих систем.
Отже, аналіз ситуації, що склалася в текстильній промисловості, дозволяє зробити наступні висновки:
-
при розробці математичного забезпечення АСУ різного призначення обмежено використовуються можливості застосування методів математичної статистики, аналітичного моделювання, умовної оптимізації до розв’язання задач хімічної технології текстильних матеріалів;
-
більшість теоретичних розробок не мають практичної реалізації у вигляді спеціалізованих пакетів прикладних програм, що можуть слугувати програмним забезпеченням автоматизованих систем різних рівнів;
-
існуючі програмні продукти, в своїй більшості, недостатньо адаптовані до потреб галузі і не враховують рівня комп’ютерної підготовки фахівців текстильної промисловості.
Перелічені питання підкреслюють актуальність задач, що розв’язуються у дисертаційній роботі, визначають мету і головні напрямки дослідження.
Актуальність теми. Використання інформаційних технологій в опоряджувальному виробництві текстильної промисловості дозволяє значно скоротити термін розробки нових технологій, підвищити точність прогнозування якості продукції в залежності від умов перебігу технологічних процесів, а отже, сприяє підвищенню ефективності виробництва в цілому.
Для забезпечення високої якості продукції на текстильних підприємствах України до 90-х років використовувалась велика кількість різного виду опоряджувальних препаратів та сировинних ресурсів. В останні роки їх перелік значно скоротився. Крім того, не всі препарати, що застосовуються на виробництві, задовольняють економічним та екологічним вимогам. Тому зараз приділяється велика увага пошуку нових видів сировини, композицій опоряджувальних препаратів, текстильно-допоміжних речовин.
Отже, створення інформаційних технологій розробки нових та вдосконалення існуючих технологічних режимів реалізації різних видів опорядження текстильних матеріалів є актуальною проблемою, і її розв’язання має велике народногосподарське значення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Область застосування результатів дисертаційних досліджень обумовила їх включення до складу розробок за темою БД 09/97 “Розвиток емпірико-аналітичних методів математичного моделювання процесів хімічної технології підвищеного ступеня прогностичності”, держбюджетної тематики Міністерства освіти і науки України, за завданням, яке включено до координаційного плану досліджень науково-експертної ради за фаховим напрямом “Легка промисловість та сфера обслуговування”, згідно з пріоритетним напрямом розвитку науки і техніки “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”. Результатами роботи автора є розробка математичного та програмного забезпечення інформаційних модулів вдосконалення технологічних режимів окремих видів опорядження текстильних матеріалів, що входять до складу загальної інформаційної технології оптимізації опоряджувального виробництва.
Розробка інформаційного модуля оптимізації процесу фарбування тканин пігментами обумовлена необхідністю комп’ютерної підтримки досліджень цього питання, що проводяться на кафедрі хімічної технології та дизайну волокнистих матеріалів (ХТДВМ) Херсонського державного технічного університету у відповідності до координаційного плану Міністерства освіти і науки України “Теоретичні та практичні основи створення виробів для дітей, народного вжитку на основі сировинних відходів легкої і хімічної промисловості та сумішей полімерів” за темою БД 04/99 “Розробка теоретичних основ і технології фарбування текстильних матеріалів різного сировинного складу та ступеня підготовки пігментами”.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка структури та окремих складових частин єдиної інформаційної технології оптимізації технологічних процесів опоряджувального виробництва. Інформаційна технологія складається з низки модулів, що забезпечують неперервну комп’ютерну підтримку досліджень і розробок технологічних режимів повного виробничого циклу опорядження текстильних матеріалів.
Дисертаційні дослідження включають розробку інформаційних модулів, що відповідають основним технологічним процесам опоряджувального виробництва (процесам біління, фарбування, незминаємої обробки) стосовно перспективних на сьогодні технологій обробки текстильних матеріалів.
У відповідності до цього необхідно розв’язати наступні задачі:
-
розробити математичні моделі процесів: біління тканин із змішаних волокон перекисом водню, фарбування тканин пігментами, фарбування ниток у бобінах, які б дозволяли оперативно прогнозувати перебіг цих процесів та встановлювати необхідні кількісні співвідношення між їх показниками;
-
створити систему критеріїв оцінки ефективності незминаємої обробки тканин, яка може застосовуватися як при постійних, так і при змінних порядках хімічних реакцій, що мають місце;
-
поширити область застосування методів емпірико-аналітичного моделювання та нелінійної умовної оптимізації за рахунок задач вдосконалення технологічних режимів процесів біління, фарбування та апретування, що виникли в зв’язку з змінами в сировинній базі текстильної промисловості України;
-
розробити алгоритмічне та програмне забезпечення автоматизованих робочих місць (АРМ), що спеціалізовані для проведення досліджень по вдосконаленню технології перекисоводневого біління тканин, фарбування тканин пігментами та оцінки ефективності незминаємої обробки тканин.
Об’єктом дослідження є перспективні технології опорядження текстильних матеріалів.
Предметом дослідження є математичне та програмне забезпечення інформаційних модулів оптимізації основних технологічних процесів опоряджувального виробництва.
Для розв’язання поставлених задач використано наступні методи:
-
математичної статистики при обробці експериментальних даних;
-
регресійного аналізу при побудові моделі процесу біління тканин та апроксимації експериментальних залежностей, що описують динаміку збереження тканиною апретурного ефекту;
-
методи аналітичної геометрії при побудові аналітичних залежностей спеціального вигляду, що входять до моделі фарбування тканин пігментами;
-
методи нелінійної умовної оптимізації та розв’язання систем нелінійних алгебраїчних рівнянь при розробці математичного забезпечення інформаційних модулів оптимізації технологічних режимів біління та колорування тканин;
-
методи багатопараметричної оптимізації при створенні нової системи критеріїв оцінки ефективності незминаємої обробки тканин;
-
математичного апарату теорії поля при побудові математичної моделі процесу фарбування ниток у бобінах;
-
методи створення та управління базами даних.
Наукова новизна одержаних результатів. Математичне забезпечення кожного з модулів єдиної інформаційної технології оптимізації технологічних процесів опоряджувального виробництва містить розробки, що визначаються науковою новизною.
Вперше розроблено математичні моделі процесів біління тканин із змішаних волокон перекисом водню та фарбування тканин пігментами.
Вперше на підставі законів збереження маси, кількості руху та енергії побудовано математичну модель процесу фарбування ниток у бобінах, яка враховує взаємний вплив відповідних градієнтів полів.
Створено нову систему критеріїв оцінки ефективності незминаємої обробки тканин, яка має більш об’єктивний характер і ширшу область застосування порівняно з традиційними.
Структурні особливості розроблених моделей дозволили авторові для відповідних задач сконструювати алгоритми їх розв’язання на підставі, в основному, точних методів оптимізації, що позитивно впливає на точність та достовірність результатів, які одержано.
Практичне значення одержаних результатів. На основі розробленого математичного забезпечення створені інформаційні модулі, які реалізовані у вигляді пакетів прикладних програм (ППП) “Білизна”, “Фарбування”, “Апретурна обробка тканин”.
При їх використанні технолог має можливість накопичувати, ефективно обробляти та аналізувати експериментальну інформацію.
Перші два пакети дозволяють моделювати результати відповідних технологічних процесів та вести пошук оптимальних умов перебігу цих процесів при обмеженнях, які задані технологом.
Останній пакет програм дозволяє оцінювати і порівнювати якість незминаємої обробки тканин множиною розчинів при різних вимогах до динаміки самого процесу збереження апретурного ефекту.
Названі ППП апробовані в галузевій науково-дослідній лабораторії Херсонського державного технічного університету з інтенсифікації технологічних процесів опоряджувального виробництва і впроваджені у виробничий процес на текстильних комбінатах міст: Луцька, Херсона, Черкас.
Особистий внесок здобувача. Усі положення, що виносяться на захист, належать особисто авторові і не містять у собі ідей або розробок, що належать співавторам, з якими були опубліковані наукові праці.
Апробація результатів дисертації. Основні питання дисертаційної роботи доповідались на
-
Міжнародній конференції по математичному моделюванню (м. Херсон, 1998 р.),
-
Всеукраїнській конференції з нелінійних проблем математичної фізики (м. Кременчук, 25-30 червня 2000 р.),
-
Міждержавній науково-методичній конференції “Комп’ютерне моделювання” (м. Дніпродзержинськ, 29 червня – 1 липня 2000 р.),
-
Міжнародній конференції по математичному моделюванню (м. Херсон, 4-9 вересня 2000 р.),
-
міжвузівській науковій конференції “Проблеми текстильної та легкої промисловості на порозі нового століття” (м. Херсон, 9 – 12 жовтня 2000 р.),
-
науковому семінарі “Сучасні питання оптимізації та дискретної математики” при кафедрі обчислювальної математики та математичної кібернетики Дніпропетровського державного університету,
-
науковому семінарі при кафедрі вищої математики Миколаївського державного морського технічного університету,
-
спільних засіданнях кафедр вищої математики, прикладної математики і математичного моделювання, хімічної технології та дизайну волокнистих матеріалів Херсонського державного технічного університету у 1996 - 2000 роках.
Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опублікований у 11 роботах, а саме: 3 статті - у науковому журналі “Вісник ХДТУ”, 3 статті – у науковому журналі “Проблеми текстильної та легкої промисловості”, 4 статті - у збірках наукових праць та 1 тези доповідей.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел та 3 додатків. Повний обсяг дисертації становить 152 сторінки. Робота проілюстрована 33 рисунками та 26 таблицями, які займають 21 сторінку. Додатки займають 29 сторінок. Список використаних джерел містить 145 найменувань на 14 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, доведено необхідність розробки математичних моделей, алгоритмів і програмного забезпечення для створення інформаційної технології неперервної підтримки технологічної підготовки опоряджувального виробництва та оптимізації технологічних процесів, що входять до його складу. Сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи, визначені межі досліджень, висвітлені наукова новизна та практична цінність роботи, відображені основні результати проведеного дисертаційного дослідження.
У першому розділі проведено аналіз як рівня автоматизації опоряджувального виробництва текстильної промисловості в цілому, так і рівнів розвитку окремих класів автоматизованих систем, та обсягів використання інформаційних технологій при проведенні робіт з вдосконалення умов перебігу технологічних процесів. Розглянуто об’єкт і предмет досліджень, стан задач, що досліджуються.
За результатами проведеного аналізу визначено структуру інформаційної технології оптимізації технологічних процесів опоряджувального виробництва у вигляді низки інформаційних модулів оптимізації відповідних технологічних процесів, вказано послідовність етапів розробки таких модулів.
Повний цикл опорядження текстильних матеріалів складається з послідовності технологічних процесів. Головними з них є процеси біління, фарбування та заключної обробки. У відповідності до цього дисертаційні дослідження обмежуються розв’язанням задач, що пов’язані з розробкою складових частин інформаційної технології оптимізації головних процесів опоряджувального виробництва при використанні певних видів сировини та опоряджувальних препаратів. (рис. 1)
Рис.1.
Задачі, які розв’язуються в дисертаційній роботі, характеризуються новизною не тільки з боку розроблених моделей та застосованих прийомів їх оптимізації, але й з технологічної точки зору. Ці задачі виникли у зв’язку з переорієнтацією текстильних підприємств країни на використання традиційного для України виду сировини – льону та опоряджувальних препаратів вітчизняного виробництва. Зазначимо, що зростання інтересу до переробки льону спостерігається не тільки на Україні в зв’язку з сировинною проблемою, але й у всьому світі. Такий інтерес обумовлений високою якістю продукції, яку виробляють із сумішей льону з бавовняними та штучними волокнами. Тому використання математичних моделей технологічних процесів опорядження текстильних матеріалів і побудованих на їх основі інформаційних модулів сприяє скороченню термінів розробки нових технологій, режимів їх реалізації, підвищенню точності та достовірності результатів оптимізації, а отже, створенню конкурентноспроможної якісної продукції і відродженню, за кінцевою метою, українського текстилю.
Усе викладене дозволяє ґрунтовно довести актуальність теми дисертаційної роботи, своєчасність поставленої мети та задач досліджень, визначити межі проблем, що розв’язуються.
У другому розділі для кожної ланки неперервної інформаційної підтримки технологічної підготовки виробництва розроблені загальні структури математичних моделей основних процесів повного циклу опорядження текстильних матеріалів стосовно певних видів текстильних матеріалів та опоряджувальних матеріалів. Знаходженню усіх необхідних функціональних залежностей присвячено третій розділ.
Для першої ланки інформаційної технології розроблено математичну модель процесу біління тканин із сумішей льону з лавсаном перекисом водню.
Вибір вхідних та вихідних параметрів моделей для всіх процесів відбувався на основі аналізу апріорної інформації про особливості цих процесів та виходячи з реальних можливостей проведення експериментальних досліджень.
Для розв’язання задачі оптимізації процесу біління автором встановлені функціональні залежності f1, f2 значень білизни обробленої тканини (Wh) і рН робочого розчину (рН) від концентрацій компонентів ванни для біління:
,
де - концентрація перекису водню, - концентрація метасилікату натрію, - концентрація добавки.
Сама задача оптимізації процесу біління поставлена так:
. | (1)
Значення обмежень відповідають технологічним вимогам.
В межах другої ланки інформаційної технології розв’язувалися задачі оптимізації процесів фарбування різних видів текстильних матеріалів.
Пігментна технологія колорування тканин забезпечує 100% фіксацію барвника порівняно з 60-80% фіксацією для інших видів барвників. Цей факт забезпечив 50% рівень використання технології в світі. Але названа технологія застосовується головним чином для друку тканин. Застосування її для фарбування тканин з неповним степенем підготовки нещодавно вперше запропоновано співробітниками кафедри хімічної технології та дизайну волокнистих матеріалів Херсонського державного технічного університету.
Оптимізацію технологічного процесу фарбування тканин пігментами було вирішено проводити за рахунок основних компонентів красильного розчину. Концентрації інших складових красильного розчину обчислюються у відповідності до концентрацій пігменту та зв’язуючого.
Для розв’язання задачі необхідно встановити функціональні залежності вихідних параметрів від вхідних:
,
де х – концентрація зв’язуючого, у – концентрація пігменту, Іф - інтенсивність забарвлення після фарбування, Іт - інтенсивність забарвлення після сухого тертя, Іп - інтенсивність забарвлення після прання.
Сумарна вартість головних компонентів красильного розчину (Q) знаходиться за формулою:
,
де q1, q2 – відповідно ціни однієї вагової одиниці зв’язуючого та пігменту.
Тоді задача оптимізації має вигляд:
, | (2)
Значення встановлюються технологом.
Для найскладнішого процесу в опоряджувальному виробництві – процесу фарбування ниток у бобінах розроблено на підставі законів збереження удосконалену математичну модель, що враховує сукупний вплив усіх градієнтів полів:
,
де , - густина фарбувального розчину в мить часу t в точці бобіни з координатами X (x, y, z), , С(X, t) – концентрація барвника, - коефіцієнт адсорбції барвника, - коефіцієнт поглинання води, - швидкість потоку красильного розчину, - швидкість пересування об’єму (взагалі говорячи, яка не співпадає з швидкістю потоку), - коефіцієнт опору середовища, - внутрішня енергія, - температура, - коефіцієнт теплопровідності.
Вказано шляхи її застосування при реалізації конкретних технологічних режимів. Постановку крайової задачі та її розв’язання методом Фур’є виконано для окремого випадку.
Третя ланка інформаційної технології відповідає заключному опорядженню текстильних матеріалів.
При дослідженні реакцій, що спостерігаються під час лабораторних випробувань ефективності незминаємої обробки тканин, встановлено, що всі вони мають змінні порядки. (За основним постулатом хімічної кінетики швидкість хімічної реакції за даним реагентом пропорційна концентрації цього реагенту в деякому степеню. Показник степеня і називають порядком реакції за даним реагентом)
Існують методики порівняння кінетики хімічних реакцій, що мають рівні і постійні порядки. В нашому випадку їх застосування неможливе.
При іншому підході - порівнянні за експертними оцінками на результати, як відомо, відчутно впливають суб’єктивні фактори. Тому була розроблена нова система критеріїв оцінки ефективності незминаємої обробки тканин.
Виявилося, що графіки функцій апроксимації експериментальних залежностей (залежності остаточного вмісту смоли та кута відновлення тканини після згинання від тривалості гідролізу або кількості прань) на проміжку спостереження мають однаковий вигляд (рис. 2). Це дозволяє використовувати однотипні критерії для характеристики кінетики усіх хімічних реакції.
Розмірності на рис.2 вказані для залежностей остаточного вмісту смоли на тканині (%) та кута відновлення (град.) від тривалості гідролізу (хв.) або кількості прань (рази).
Перший критерій К1 є відношення значення функції апроксимації в останній точці проміжку спостережень до значення цієї функції у першій точці того ж проміжку. Величина 1/К1 показує в скільки разів зменшився вміст смоли або кут відновлення за час експерименту порівняно з початковим. Тому, чим більше значення першого критерію, тим міцніше фіксується смола на тканині і краще зберігається кут відновлення.
Рис. 2.
За другий критерій К2, що характеризує швидкість реакції, оберемо, наприклад, відношення площі криволінійного трикутника, обмеженого зверху графіком відповідної кривої апроксимації, а знизу - значенням функції в останній точці проміжку спостережень, до площі прямокутника, який визначається початковим та кінцевим значенням цієї кривої (Рис. 2).
В залежності від призначення тканини змінюється важливість кожного з критеріїв. Тому вплив складу апретурного розчину на збереження кута відновлення або залишкового вмісту смоли на тканині визначається за величиною відповідного сумарного критерію.
, | (3)
де - сумарний критерій, К1, К2 - значення критеріїв I і II, - відповідні рівні значимості критеріїв . ()
Аналогічним чином визначається єдина оцінка апретурного розчину – остаточний критерій:
, | (4)
де - остаточний критерій, - сумарні критерії для відсоткового вмісту смоли на тканині і кута відновлення відповідно, - рівні значимості сумарних критеріїв ().
Розроблені математичні моделі технологічних процесів склали основу інформаційних модулів оптимізації перспективних технологій опорядження текстильних матеріалів.
У третьому розділі побудовані аналітичні функції, які необхідні для опису всіх залежностей, що входять до математичних моделей процесів (1), (2) та системи критеріїв (3), (4).
Для апроксимації експериментальних залежностей процесу біління використано поліноми третього степеня і застосовано метод включень до побудови моделі залежностей.
При порівнянні розрахункових значень з експериментальними середня відносна похибка наближення залежностей білизни для різних видів добавок становить 5-7,5%, рН робочого розчину – 0,91 – 3,32%.
Для розв’язання задачі оптимізації (1) застосовано модифікований метод множників Лагранжа. Пошук найбільшого значення білизни в області припустимих значень вхідних параметрів відбувається, зокрема, не на всіх її границях (що становило б 28 випадків запису системи необхідних умов екстремуму функції Лагранжа для цієї задачі), а лише на технологічно виправданих. Розв’язання кожної такої сформованої системи відбувається з кількома нульовими наближеннями, вибір яких опирається на аналіз апріорної інформації про властивості розчину для біління.
Побудову функцій , що описують експериментальні поверхні відгуку для процесу фарбування тканин пігментами, здійснено шляхом композиції функцій певних класів. Встановлено, що експериментальні поверхні відгуку з достатнім степенем точності можуть бути наближені поверхнями, які утворюються при ковзанні прямої по напрямним кривим. На основі аналізу експериментальних даних напрямні криві для залежностей інтенсивності забарвлення після обробки описано поліномами третього степеня, а для усіх інших – гіперболічними функціями. Середня відносна похибка наближення при такому підході знаходиться в межах 4,34 – 4,95% для залежності інтенсивності забарвлення тканини після обробки, 1,77 – 7,15% - після перевірки якості обробки.
В розроблених моделях залежностей можливо явно виразити одну з змінних. Це дозволяє звести задачу оптимізації до задачі з однією змінною. При відомому аналітичному вигляді функцій можна користуватися точними формулами для відшукання їх похідних. Отже, застосування чисельних методів потрібно тільки на етапі розв’язання рівнянь, що виражають необхідні умови існування точок екстремуму функції однієї змінної. Ліві частини цих рівнянь є поліномами не вище шостого степеня, і їх розв’язання не створює складнощів.
Перевірка достовірності результатів оптимізації процесів біління та фарбування виконана шляхом сканування точок області припустимих значень вхідних параметрів з кроком, що відповідає точності вимірювання концентрацій складових компонентів робочих розчинів.
Для апроксимації експериментальних залежностей, які одержано при дослідженні ефективності незминаємої обробки тканин з застосуванням різних видів пом’якшувачів, запропоновано кілька класів функцій: експоненціальні функції, комбінація експоненціальної та лінійної функції, неявні функції другого порядку гіперболічного типу, які відповідають хімічній сутності реакцій, що спостерігаються. Для наближення обирається найкраща функція за величиною похибки наближення.
Використання аналітичних функцій дозволяє надалі залучати точні формули інтегрування при обчисленні значень критеріїв оцінки ефективності незминаємої обробки тканин.
Спільною позитивною рисою усіх побудованих моделей є великі об’єми застосування точних методів, що значно покращує точність і достовірність результатів оптимізації.
У четвертому розділі наведено описи ППП “Білизна”, “Фарбування”, “Апретурна обробка тканин”, які програмно реалізують алгоритми побудови математичних моделей та алгоритми їх оптимізації для відповідних технологічних процесів.
При роботі з усіма пакетами програм передбачено можливість накопичення та редагування необхідних експериментальних даних.
ППП “Білизна” дозволяє знаходити концентрації складових компонентів розчину для біління, які забезпечують найбільше значення білизни обробленої тканини, при різних технологічних обмеженнях на параметри процесу, що встановлюються користувачем.
При роботі з ППП “Фарбування” технолог встановлює необхідні значення інтенсивності забарвлення тканини після фарбування, сухого тертя і прання та вартості компонентів красильного розчину. Результатом обробки експериментальних даних є знаходження найбільш економічно вигідного складу красильного розчину, який забезпечує відповідну якість обробленої тканини.
При роботі з ППП “Апретурна обробка тканин” технолог встановлює значення ваг кожного з складових критеріїв і одержує оцінку ефективності обробки тканини обраними розчинами.
Усі пакети програм забезпечують графічну інтерпретацію результатів обробки експериментальних даних.
ВИСНОВКИ
Проведені дисертаційні дослідження дозволили розв’язати ряд задач теоретичного та практичного характеру.
1.
Визначено загальну структуру інформаційної технології оптимізації технологічних процесів опоряджувального виробництва. Практичним результатом досліджень автора є розробка складових частин цієї технології.
2.
Для відповідних модулів інформаційної технології розроблені математичні моделі процесів біління, фарбування тканин пігментами та фарбування ниток у бобінах.
3.
Розроблено систему критеріїв оцінки ефективності незминаємої обробки тканин, яка може застосовуватися як при постійних, так і при змінних порядках реакцій, що досліджуються під час лабораторних випробувань зразків обробленої тканини.
4.
Створено програмне забезпечення для трьох інформаційних модулів вдосконалення технологічних процесів біління, фарбування тканин пігментами та незминаємої обробки тканин. У залежності від вимог користувача можливо функціонування пакетів програм в оперативно-виробничому, експертно-моделюючому та навчально-тренувальному режимах. Розроблене програмне забезпечення реалізує перший етап створення неперервної інформаційної технології оптимізації технологічних режимів повного циклу опорядження текстильних матеріалів.
5.
Розроблені математичні моделі дозволяють вдосконалювати їх структуру за рахунок збільшення кількості параметрів моделей, використання значень вихідних параметрів попередніх технологічних режимів обробки текстильних матеріалів у якості вхідних для наступних режимів, а також моделювання технологій обробки текстильних матеріалів, що пройшли неповний цикл підготовки.
6.
Достовірність і ґрунтовність результатів проведених досліджень підтверджено: використанням математичних методів моделювання технологічних процесів, впровадженням розробок в галузевій науково-дослідній лабораторії Херсонського державного технічного університету з інтенсифікації технологічних процесів опоряджувального виробництва, на текстильних комбінатах Херсона, Луцька, Черкас та в навчальний процес ХДТУ.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Старун Н.В., Тулученко Г.Я. Математическая модель процесса крашения нитей в бобинах // Вестник ХГТУ. – 1997. - №2. – С. 252 – 258.
2.
Тулученко Г.Я. Автоматизация разработки некоторых технологий заключительной отделки тканей // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. - 1998. - № 1. – C. 172 –175.
3.
Тулученко Г.Я. Применение методов математического моделирования к разработке технологических режимов беления тканей // Вестник ХГТУ. – 1998. - №4. – С. 111 – 113.
4.
Тулученко Г.Я., Погоріла О.В., Крючковський В.В. Математична модель фарбування тканин пігментами // Вестник ХГТУ. – 2000. - №9. – С. 350 – 354.
5.
Тулученко Г.Я., Крючковський В.В. Інформаційна технологія оптимізації процесу фарбування тканин пігментами // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. - 2000. - № 4. – C. 97 – 99.
6.
Бардачев Ю.Н., Старун Н.В., Тулученко Г.Я. Методологические основы развития экспериментально-теоретического моделирования в ХТВМ // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. - 1998. - №1. – С. 177 - 184.
7.
Бардачев Ю.Н., Старун Н.В., Тулученко Г.Я. Методологические основы эмпирико-аналитического моделирования повышенной прогностичности // Физико-технические и технологические приложения математического моделирования: Сб. науч. трудов – К.: Национальная академия наук Украины, Институт математики, 1998. – С. 21 – 23.
8.
Бардачев Ю.Н., Старун Н.В., Тулученко Г.Я. Информационное обеспечение автоматизированных систем в химической технологии текстильных материалов // Математические модели и современные информационные технологии: Сб. науч. трудов. – К.: Национальная академия наук Украины, Институт математики, 1998. - С. 14 - 16.
9.
Бардачев Ю.Н., Тулученко Г.Я. Информационная технология оценки качества аппретурной отделки тканей // Математическое моделирование в образовании, науке и промышленности: Сб. науч. трудов. – С.-Пб.: Санкт-Петербургское отделение МАН ВШ, 2000. – С. 27 - 30.
10.
Тулученко Г.Я. До розв’язання задачі оптимізації білення тканин // Метода: Зб. наук. пр. Випуск “Природа”. Ч.3. – Херсон: ОЛДІ, 2000. – С. 47 – 52.
11.
Тулученко Г.Я. Автоматизація розробки технологічних режимів перекисоводневого біління тканин // Тези доп. Міждержавна наук.-метод. конф. “Комп’ютерне моделювання” ( 29 червня – 1 липня 2000 р., м. Дніпродзержинськ). – Дніпродзержинськ, 2000. – С. 146 – 147.
АНОТАЦІЯ
Тулученко Г.Я. Моделі та алгоритми оптимізації технологічних режимів опорядження текстильних матеріалів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – Автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології. - Херсонський державний технічний університет, Херсон, 2001.
Розглянуто питання ефективного використання інформаційних технологій для вдосконалення технологічних процесів опорядження текстильних матеріалів. Розроблено низку модулів, що входять до складу інформаційної технології оптимізації технологічних процесів опоряджувального виробництва. Кожен модуль містить необхідне математичне, алгоритмічне і програмне забезпечення.
Розроблено математичні моделі процесів: біління тканин із сумішей льону перекисом водню, фарбування тканин пігментами, фарбування ниток у бобінах. Для оцінки ефективності незминаємої обробки тканин запропоновано нову методику.
Математичні моделі побудовано за допомогою різних прийомів, але в межах емпірико-аналітичного підходу до моделювання названих процесів.
Структура моделей дозволила авторові розробити такі алгоритми розв’язання задач оптимізації відповідних технологічних процесів, що використовують в значних обсягах точні математичні методи. Це позитивно позначилося на достовірності результатів їх оптимізації.
На основі розроблених моделей та алгоритмів створено три пакети прикладних програм. Пакети передбачають можливості моделювання результатів перебігу процесів при різних умовах, що задаються технологами.
Ключові слова: інформаційна технологія, математичне моделювання, технологічні процеси опоряджувального виробництва, оптимізація.
АННОТАЦИЯ
Тулученко Г.Я. Модели и алгоритмы оптимизации технологических режимов отделки текстильных материалов. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Херсонский государственный технический университет, Херсон, 2001.
Рассмотрены вопросы эффективного использования прогрессивных информационных технологий в отделочном производстве текстильной промышленности.
Определена общая структура информационной технологии оптимизации технологических процессов отделочного производства. В её основу положен принцип модульности. Каждый информационный модуль соответствует определенному технологическому процессу. Разработана схема создания таких модулей.
В диссертации сформированы информационные модули оптимизации основных процессов отделочного производства (процессов беления, крашения, аппретирования) применительно к перспективным технологиям отделки текстильных материалов.
Актуальность работы обусловлена необходимостью решения производственных задач, возникших в связи с переориентацией текстильных предприятий страны на переработку традиционного для Украины вида сырья – льна и использование отделочных препаратов отечественного производства. Использование информационных технологий в отделочном производстве позволяет значительно сократить сроки разработки новых технологий отделки волокнистых материалов и режимов их реализации.
Основу информационных модулей составляют математические модели соответствующих технологических процессов.
Разработаны математические модели процессов: беления тканей из смесей льна с помощью перекиси водорода, крашения тканей пигментами, крашения нитей в бобинах. Для оценки эффективности несминаемой отделки тканей предложена новая методика. Эта методика может использоваться как при постоянных, так и при переменных характеристиках химических реакций, которые наблюдаются во время лабораторных исследований эффективности отделки.
Математические модели построены при использовании различных приемов, но в границах эмпирико-аналитического подхода к моделированию названых процессов. Применение для аппроксимации функций специального вида, которые отражают свойства экспериментальных зависимостей, обеспечило возможность достижения высокой точности приближений.
Структура моделей позволяет применять в значительных объемах точные методы оптимизации, что, в свою очередь, положительно сказывается на достоверности и точности результатов оптимизации технологических процессов.
Практическую проверку надежности разработанных алгоритмов оптимизации проведено сравнением с результатами поиска оптимальных точек путем сканирования области допустимых значений входных параметров моделей с шагом, который соответствует точности измерений концентраций компонентов рабочих растворов.
На основании разработанных моделей и алгоритмов их оптимизации созданы три пакета прикладных программ, которые используются в качестве программного обеспечения автоматизированных рабочих мест технологов соответствующих цехов и экспериментаторов в научно-исследовательских лабораториях. Использование разработанных информационных модулей позволяет значительно повысить эффективность исследований и уменьшить затраты за счет проведения компьютерного моделирования результатов процессов при изменении условий их протекания.
Перспективы продолжения исследований автор видит в расширении размерностей моделей за счет увеличения количества параметров, которые входят в математическое описание технологических процессов; в использовании результатов оптимизации предшествующих операций отделки текстильных материалов в качестве входных параметров для моделей последующих технологических операций. Стратегической целью всех проводимых исследований должно служить создание непрерывной информационной технологии оптимизации процессов отделочного производства текстильной промышленности.
Ключевые слова: информационная технология, математическое моделирование, технологические процессы отделочного производства текстильной промышленности, оптимизация.
The summary
Tuluchenko G.Ya. Models and algorithms of technological processes of optimization in textile materials finishing . – Manuscript.
The dissertation for acquiring Scientific Degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.13.06 – Automated control systems and progressive informative technologies. – Kherson State Technical University, Kherson, 2001.
The effective use of information technologies for technological processes of optimization in textile materials finishing is considered. There was developed a number of modules that are included into informational technology of technological processes optimization in textile materials finishing. Every modulus comprises essential mathematic, algorithmic and program software.
Mathematical models are developed for the following processes: bleaching of flax mixtures fabric with hydrogen peroxide, dyeing of fabric with pigments, dyeing of spooled filament. To estimate the efficacy of crease-resistant fabric finishing the new procedure is offered.
Mathematical models are built by means of different techniques but within empirical and analytical approaches to the enumerated processes.
The models structure enables to use exact optimization methods in large scopes. In its turn it recoils positively on the reliability of optimization results.
Based on developed models and algorithms three application program packages are worked out.
The packages provide for possibilities in simulation of processes results under different conditions that are preset by technologists.
Key words: information technology, mathematical simulation, technological processes of finishing production, optimization.
