автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка двумерной системы управления процессом формования оптических волокон на базе интеллектуальных сервоприводов

004617498 СОКОЛОВА ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДВУМЕРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФОРМОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН НА БАЗЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕРВОПРИВОДОВ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (легкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 с П£[{ 2010

004617498

СОКОЛОВА ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДВУМЕРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФОРМОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН НА БАЗЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕРВОПРИВОДОВ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (легкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина» на кафедре автоматики и промышленной электроники.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

Румянцев Юрий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Севостьянов Петр Алексеевич

кандидат технических наук, доцент Чамов Владислав Викторович

Ведущая организация:

ОАО «Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии (ВНИИХТ)»

Защита состоится « А5~ » декабря 2010 г. в ■/д часов на заседании диссертационного совета Д 212.139.03 при Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина по адресу: 119071, г. Москва, Малая Калужская, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

Автореферат разослан « /¿Г» М_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

А.В. Фирсов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основные направления и масштабы инновационного развития науки, техники и технологий немыслимы без применения элементов и систем волоконной оптики. Два основных фактора: постоянно растущие требования к качеству оптических волокон и широкие перспективы развития, связанные с появлением новых видов волокон на основе фторидных, халькогенид-ных стекол, оптической стеклокерамики и других материалов обусловили необходимость совершенствования системы автоматического управления заключительной стадией процесса производства оптических волокон - процессом перетяжки заготовки в волоконный световод, придание ей свойств универсальности, столь необходимых в условиях различных скоростных режимов в процессе вытяжки.

В связи с изложенным, тема диссертационной работы, посвященная исследованию и разработке системы автоматического управления процессом формования оптических волокон является весьма актуальной.

Цел ь работы заключалась в разработке двумерной системы автоматического управления процессом формования оптических волокон, обеспечивающей высокоточную стабилизацию диаметра и натяжения оптического волокна в процессе его выработки в условиях низко - и высокоскоростных режимов.

Для достижения поставленной цели в работе рассматриваются следующие научно-технические задачи:

- разработка уточненной математической модели процесса формования оптических волокон, определением степени связности и установления рациональных входо-выходных соответствий;

- разработка структуры системы управления процессом формования для низкоскоростных нестационарных режимов; разработкой алгоритма на базе модифицированного регулятора Смита при наличии транспортного запаздывания в измерениях;

- разработка алгоритма адаптации к изменяющимся в ходе низкоскоростных режимов параметрам объекта управления;

- разработка структуры системы управления процессом формования для высокоскоростных технологических режимов;

- разработка алгоритмов управления процессом формования на основе метода корневого годографа и процедуры синтеза линейной конечномерной системы управления в пространстве состояний с желаемым распределением корней характеристического уравнения;

- разработка релейного алгоритма управления заготовки относительно нагревательного устройства;

- разработка функциональных и принципиальных схемных решений для реализации предложенных алгоритмов управления;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований отдельных узлов и системы в целом.

Методы исследования. В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. Теоретические исследования основывались на методах современной теории автоматического управления.

Для исследования алгоритмов управления использовались методы математического моделирования в среде МаНаЬ.

Научная новизна работы.

Путем экспериментальной идентификации получена уточненная математическая модель технологического процесса формования оптического волокна.

Разработан принцип управления многомерным процессом формования оптического волокна, обеспечивающий, как адаптацию к изменяющимся параметрам объекта управления, так и инвариантность по отношению к гармоническому возмущающему воздействию, возникающему вследствие колебаний объемного расхода стекломассы в зоне формования.

Проведена параметрическая оптимизация модифицированного регулятора Смита на основе применения интегральных квадратичных ошибок.

Для высокоскоростных режимов разработана структура системы управления и алгоритм управления процессом формования на основе метода корневого годографа и процедуры синтеза в пространстве состояний с желаемым распределением корней характеристического уравнения.

Разработаны функциональная и принципиальная схемы компьютерной системы управления процессом формования оптических волокон путем вытягивания из заготовки на базе интеллектуальных сервоприводов.

Практическая ценность работы.

Предложенные в работе алгоритмы управления и схемные решения использованы при разработке компьютерной системы автоматического управления процессом формования оптических кварцевых волокон.

Разработанные структуры и алгоритмы позволяют получать оптические волокна с более «жесткими» допусками по геометрическим параметрам.

Развиваемые в диссертации методы управления процессом формования оптических волокон путем их вытяжки из заготовки могут быть использованы для автоматизации аналогичных операций при производстве новых перспективных видов волокон, таких, как, например, фторидные, халькогенидные и другие, а также для автоматизации технологических процессов производства химических волокон, используемых в том числе и в текстильной отрасли.

Апробация работы: Материалы работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку специалистов на Международных и Всероссийских научных конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на Международной научно-технической конференции Прогресс (Иваново - 2008), Научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск - 2008), Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2008), 61 межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ- производству» г. Кострома, конференции молодых ученных и специалистов, посвященной дню химика», проводимой в ОАО «ВНИИХТ».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе 3 в журналах ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 76 наименований. Основное содержание изложено на 134 страницах, содержит 63 рисунка и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования. Дана характеристика научной новизны и практической ценности работы.

В первой главе диссертации проведен анализ технологического процесса формования оптических волокон из заготовки. Рассмотрены основные методы и способы производства оптического волокна. Анализ технологического процесса показал, что основная задача управления состоит в обеспечении стабильности диаметра и натяжения волокна, которые прямым образом влияют на основные показатели качества готового волокна такие, как коэффициент затухания £ и предел прочности на растяжение Р.

На основе параметрической идентификации, проведенной в условиях нормальной эксплуатации башни вытяжки, были сняты переходные характеристики по основным каналам связи входо - выходных параметров. Путем аппроксимации переходных характеристик получены математические модели процесса формования оптического волокна при разных скоростных режимах вытягивания волокна. В качестве примера на рис. 1 приведена осциллограмма, полученная по каналу «скорость вытяжки - диаметр».

рис. 1 Кривая переходного процесса по каналу «скорость вытяжки - диаметр»

Было установлено, что в отличие от известных работ, соотношение т/Т = 1, это накладывает определенные требования к процедуре синтеза системы управления. Проведено исследование зависимости коэффициента передачи по кана-

лам «скорость подачи - диаметр» и «скорость вытяжки — диаметр» от скорости подачи и скорости вытяжки, характер зависимости показан на рис. 2

Зависимость К от скорости

Зависимость К от скорости вытяжки

подачи

Ув 200

УП 20

рис. 2 Кривые зависимости коэффициента передачи от скоростей вытяжки и подачи. С учетом выявленной зависимости уточнены передаточные функции по каналам «скорость подачи - диаметр» и «скорость вытяжки - диаметр», которые имеют вид:

- для низкоскоростного режима

... , 5.82-¿Г0'6"

к-лр) =

0.62/7 + 1 56.21 -103 • е~0,6р 2.2р2 +1.6р + 1

(1)

■ для высокоскоростного режима

ш г ^ °"83

0.62/7 + 1

и/ ^ Л 8.08-103 (2) 2.2/7 +1.6/7 + 1

На основе полученных передаточных функций разработана двумерная система автоматического управления процессом вытяжки оптического волокна. С помощью матрицы Бристоля было доказано, что контуры автономны в статике, а в динамике они развязываются за счет выбора различных темпов движения. Это позволяет настраивать каждый контур независимо друг от друга.

В данном разделе проведено преобразование непрерывных аналоговых передаточных функций в цифровую форму и также составлена цифровая система управления процессом формования оптического волокна. На рис. 3 представлена двумерная система управления процессом формования оптического волокна. В системе присутствуют два регулирующих контура: контур регулирования натяжения и контур регулирования диаметра оптического волокна.

ИГк-гЮ

V*

1—*

рис. 3 Двумерная система управления процессом формования оптического волокна Во второй главе рассмотрены вопросы управления, связанные с синтезом системы управления в условиях низких скоростей вытяжки. При работе на низких скоростях вытягивания основной проблемой управления является транспортное запаздывание, которое соизмеримо с постоянной времени объекта. Транспортное запаздывание в процессе вытяжки оптических волокон обусловлено невозможностью измерения диаметра волокна непосредственно в зоне его формирования из-за действия высоких температур. Это запаздывание является переменным, так как в процессе регулирования диаметра скорость вытяжки варьируется в пределах 15-20%. Было проведено исследование влияния изменяющегося запаздывания на устойчивость системы. Анализ полученных результатов показал, что изменение времени запаздывания приводит к ухудшению запаса устойчивости или даже к её потери. Полученные результаты ещё раз подтверждают необходимость введения второго контура регулирования, позволяющего сохранить неизменным соотношения скоростей и тем самым поддерживать постоянным время запаздывания в объекте.

В работе проведен сравнительный анализ эффективности использования Г1ИД - регулятора и классического регулятора Смита. Предложен модифицированный регулятор Смита, в котором преднамеренно рассогласуются параметры объекта управления и модели объекта. Рассогласование параметров объектов управления и модели объекта показало, что можно добиться улучшения качества системы управления. Проведена параметрическая оптимизация модифицированного регулятора Смита в контуре регулирования диаметром волокна. На рис 4. показаны результаты моделирования применения классического и модифицированного регуляторы Смита. Анализ полученных результатов показал, что, применяя модифицированный регулятор Смита, рассогласованный по коэффициенту передачи и постоянной времени объекта позволяет улучшить качество системы управления и уменьшить время регулирования почти в два раза.

а5 1 15 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 с

рис. 4. Реакция системы на возмущающее воздействие при использовании классического и модифицированного регулятора Смита

В силу слабой изученности влияния рассогласования указанных параметров в диссертационной работе проведено исследование возможности улучшения качества регулирования как при отдельном рассогласовании коэффициента передачи, постоянной времени объекта, так и при одновременном рассогласовании параметров модели объекта и объекта управления. Это исследование проводилось для

различных соотношений т/Т. В качестве критерия оценки качества процесса регулирования использовалось соотношение интегральных квадратичных ошибок, выраженное в процентах:

^^-•100% (3) ■Л

где }2 - интегральная квадратичная ошибка, при использовании модифицированного регулятора Смита

,1| - интегральная квадратичная ошибка, при использовании классического регулятора Смита

Результаты исследования приведены на рис. 5

45

во-—о——а-

ЛАЦЛ"=0,5

—ТАЦ/Т=1.5

' :у-Л ■-----ЙГ--£-Д—А

10 ТАи, С15

20

25

Полученные результаты показали, что при отношении т/Т = 0,5 , интегральную квадратичную ошибку можно уменьшить на 40-45%, при соотношении т/Т ~ 1 - около 20%, при т/Т = 1,5 - около 12%, и во всех случаях значительно уменьшается время регулирования.

рис. 5 Диаграмма по интегральной квадратичной ошибки

В третьей главе работы рассматривается синтез систем управления в условиях высоких скоростей вытяжки. При скоростях вытяжки более ЮОм/мин величина транспортного запаздывания становиться практически на порядок меньше постоянной времени объекта управления, что позволяет им пренебречь. Доминирующим возмущением в системе регулирования диаметра является гармониче-

ское возмущение с частотой 0,95 Гц, связанное с несоответствием объемного расхода стекломассы в зоне формования температуре нагрева заготовки. Поэтому одна из основных задач связана с парированием этого возмущения, оказывающего решающее влияние на качественные параметры производимого волокна. Возникает задача реализации быстрых переходных процессов, обеспечивающих малое время регулирования.

В работе рассмотрен контур регулирования диаметра волокна. В составе контура регулирования диаметра задействован электропривод, имеющий в своем составе микро ЭВМ, позволяющая реализовать требуемый закон регулирования. Для выполнения процедуры синтеза необходимо преобразовать линейные передаточные функции, полученные в первой главе, для высокоскоростного режима в цифровую форму. ПИД - закон реализовался посредством рекуррентных соотношений

(4)

Процедура выбора оптимальных настроек регулятора qo, qi, qi проведена в пакете Control Design программы Matlab, используя метод корневого годографа. Коэффициенты qi связанны с параметрами регулятора Р, Ти, ТЛ следующим образом:

<5)

(7)

1 п

Процедура синтеза заключалась в принудительном смещении нулей корневого годографа с одновременным анализом кривых переходного процесса, что позволило в конечном итоге отыскать желаемое расположение корней на комплексной плоскости, и тем самым подобрать оптимальные настройки регулятора. На рисунке 6 представлена схема моделирования системы регулирования диаметра, собранная в приложении Simulink.

рис. 6 Схема моделирования Переходная функция, как реакция системы на гармоническое возмущение при данных настройках приведена на рис. 7

рис. 7. Реакция системы на гармоническое возмущение

На переходной функции видно, коэффициент подавления возмущения с амплитудой равной 1 и частотой 1Гц составляет 10Э, то есть задача парирования входного возмущения при полученных настройках регулятора полностью решается.

Для повышения эффективности рассматриваемых подходов к задаче управления двумерной системы автоматического управления процессом вытяжки оптических волокон был проведен синтез системы управления в пространстве состояний .

Система управления задана уравнениями

у{1) = Сх(1) + Би(0

Двумерная система в пространстве состояний описывается следующими матрицами:

0.5747 ООО 204.8 0 0 0"

0 -0.7273 -0.4545 0 12.8 0 0 0

0 1 0 0 0 0 0 0

0 0 0 -1.613 0 100 0 0

0 0 0 0 -0.1 0 0 0

0 0 0 О О -10 о о

768.9 0 0 0 0 2.075 0 0

0 0 48.3 7.056 0 0 0 0

(8)

Л =

(9)

о о о о

0.25 0 0 0

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1

о--

0 о о о

В работе доказано, что система управляема и наблюдаема. Рассмотрена задача синтеза многомерной системы управления с желаемым распределением корней характеристического уравнения. Составлена программа, позволяющая рассчитывать управляющее воздействие обратной связи по вектору состояния

и({) = -ктх({) = ~[кткт_]...кМ<) (10)

На основе полученных уравнений составлена схема моделирования, представленная на рисунке 8, собранная в приложении ЗтиПпк программы Ма^аЬ.

<53*1

<5Ь

Ш-Н

-<23«-

т

ре

>о

ОН

рис. 8. Схема моделирования двумерной системы На рис. 9 представлены результаты моделирования двумерной системы управления. В процессе моделирования задание и возмущение подавалось по каналу регулирования диаметра. В качестве возмущения подавался гармонический сигнал с амплитудой равной 1 и частотой в 1Гц. Полученные результаты показывают, что подобранная структура регулятора подавляет доминирующее воз-

мущение в системе, выходной сигнал находится в пределах 5% зоны по обоим

с

рис. 9 Графики переходных процессов в двумерной системе управления В заключение в третьей главе предложена структурная схема 2-х координатной системы управления положением заготовки относительно нагревательного элемента. Необходимость такого контура обусловлена возможностью появления эллипсообразной формы диаметра производимых волокон в случае отклонения от центра нагревательного устройства. На рис. 10 представлена релейная система управления:

рис. 10 Схема моделирования центровки координатного стола В четвертой главе рассмотрена техническая реализация системы управления процессом формования оптических волокон. Для поддержания рабочих

режимов в процессе вытяжки кварцевых волокон система оснащена рядом автономных систем, обеспечивающих автоматическую центровку заготовки относительно нагревательного устройства, ускоренную подачу заготовки и предварительную вытяжку, используемые в режиме заправки. На рис. 9 представлена структура системы.

Она состоит из узла подачи заготовки в зону нагрева, представляющий собой двигатель ускоренной подачи, приводимый в движение приводом ускоренной подачи (в режиме заправки) 3, и двигателя рабочей подачи 2, приводимого в движение приводом 4 (в рабочем режиме), вытяжного барабана 7, соединенного через редуктор 6 с двигателем вытяжки 5, управляемого приводом вытяжки 9, коммутатора 8 системы центрирования заготовки, состоящей из релейных регуляторов 14 и 15 по координатам X и Y соответственно, блоков управления 16, 17 шаговыми двигателями 12, 13 и конечными выключателями 19, 20, лазерного датчика 18 Beta для измерения диаметра волокна и отклонения по координатам X и Y, электропечи сопротивления 21, двигателя предварительной вытяжки 22, фильеры с защитным покрытием 23, печи отверждения 24 и ЭВМ. Система управления базируется на использовании двух основных электроприводов подачи заготовки и вытяжки оптического волокна, двух шаговых приводов, обеспечивающих автоматическую центровку заготовки относительно нагревающего устройства - печи сопротивления. Вспомогательные электроприводы: привод ускоренной подачи и привод предварительной вытяжки, который используется в режиме заправки.

Особенностью предлагаемого решения является реализация двухсвязного управления процессом на основе использования двух контуров управления

рис 9 Система автоматического управления процессом вытяжки оптического волокна

скоростными режимами подачи заготовки в зону нагрева и вытяжки оптического волокна из зоны формования.

Рассмотрена техническая реализация автоматической системы центровки заготовки. Она состоит из двух шаговых электроприводов SMD 42, контроллера SMS 3-1, двух релейных регуляторов, выходы которых соединены с ключевыми схемами, обеспечивающими управление координатным столом в ручном режиме и с помощью конечных выключателей. Выбор скоростей перемещения координатного стола осуществляется при программировании контроллера от персональной ЭВМ. Двухсторонняя связь между ЭВМ и контроллером позволяет обеспечить непрерывный мониторинг состояния системы автоматической центровки заготовки. Ручное управление координатным столом используется в режиме заправки заготовки в узел подачи, но в случае необходимости оперативной коррекции положения заготовки может быть использовано и в рабочем режиме.

В этом разделе рассмотрена принципиальная электрическая схема двухка-нальной системы автоматической центровки заготовки. Информация о положении заготовки поступает в виде аналогового сигнала, принимающего либо положительное, либо отрицательное значение в зависимости от направления рассогласования. Этот сигнал поступает на вход релейного регулятора, выполненного в виде триггера Шмита, обеспечивающего статическую характеристику реального реле с зоной нечувствительности и с гистерезисом. Шаговые двигатели работают в реверсивном режиме, обеспечивая перемещение координатного стола в направлении уменьшения величины рассогласования положения заготовки, относительно центра нагревательного устройства.

Рассмотрено программирование приводов и разработана программная реализация алгоритма управления процессом формования оптических волокон в условиях высоких скоростных режимов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе всестороннего анализа технологического процесса вытяжки оптического волокна из заготовки предложена уточненная математическая модель объекта управления, требующая различных подходов к задаче управления в условиях различных скоростных режимов.

2. Предложен принцип управления процессом формования оптических волокон, использующий контуры регулирования диаметра и натяжения оптического волокна и обеспечивающий адаптацию к изменяющимся параметрам объекта управления и инвариантность по отношению к гармоническому возмущению.

3. Предложена структура модифицированного регулятора Смита. Проведена параметрическая оптимизации соотношения параметров объекта управления и его модели в регуляторе при использовании в качестве критерия оптимизации интегральных квадратичных ошибок.

4. Определено влияние отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта на возможность повышения качества системы управления при использовании структуры модифицированного регулятора Смита.

5. Проведен синтез цифровой системы регулирования диаметра волокна в условиях высокоскоростных режимов работы на основе метода корневого годографа.

6. Проведен синтез двумерной системы управления процессом формования оптических волокон с желаемым распределением корней характеристического уравнения и путем моделирования определена эффективность этой системы.

7. Проведено моделирование системы управления процессом формования оптических волокон в условиях низко - и высокоскоростных режимов, результаты которого подтвердили высокую эффективность предложенных алгоритмов.

8. Разработаны функциональная и принципиальная схемы компьютерной системы управления процессом формования оптических волокон путем вытягивания из заготовки на базе интеллектуальных сервоприводов.

9. Разработана программная реализация алгоритма управления процессом формования оптических волокон в условиях высоких скоростных режимов.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 10 публикациях, в

том числе:

1. Соколова Т.В., Румянцев Ю.Д., Захаркина C.B. Двумерная система автоматического управления процессом вытяжки оптических волокон из заготовки // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2010, №3 С- 86-90

2. Соколова Т.В. Синтез системы автоматического регулирования диаметра волокна в условиях высоких скоростей вытяжки // Химические волокна. - М., 2010. - №3.-С.31-34

3. Соколова Т.В., Румянцев Ю.Д., Тимохин А.Н., Шевченко Н.В. Цифровая математическая модель процесса вытягивания оптического волокна // Химические волокна. - М., 2009. - №2.-С.23-26

4. Соколова Т.В. Двуконтурная система управления процессом вытяжки оптического волокна из заготовки // Сборник научных трудов аспирантов - М.: ГОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2009, №15.-С.97 -101

5. Соколова Т.В. Модифицированный регулятор Смита // Сборник научных трудов аспирантов - М.: ГОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2008, №14.-С.53-58

6. Соколова Т.В. Система управления процессом вытяжки оптических волокон на базе интеллектуальных сервоприводов / / Тезисы доклада Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2008) - И.:ИГТА, 2008, ч 2 - С. 78-79

7. Соколова Т.В. «Цифровая система управления процессом формования оптических волокон» // Тезисы доклада на межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2008) - И.:ИГТА, 2008, ч 2 - С. 122-123

8. Соколова Т.В, Селезнева Л.Н. Drawing process of optical fibers // Тезисы докладов на научно-практической конференции аспирантов университета на иностранных языках - М.: ГОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2008. - С. 10

9. Соколова Т.В. «Техническая реализация системы управления процессом формования оптического волокна» // тезисы доклада на 61 межвузовской научно-технической конференция молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» - К: Изд-во Костромского гос. технол. ун-та, 2009, Т. 2-С. 147-148

Ю.Румянцев Ю.Д., Соколова Т.В., Шевченко Н.В. Двумерная система управления процессом вытяжки оптического кварцевого волокна // Тезисы докладов международной НТК «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль - 2008)» - М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2008. - С. 203-204

Подписано в печать 11.11.10 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл. печ. л. 1,0 Заказ 357 Тираж 80 ГОУВПО «МГТУ им. А. Н. Косыгина», 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

Введение.

Глава 1. Математическое моделирование технологического процесса вытяжки оптического волокна.

1.1 Анализ известных методов, средств, способов организации технологического процесса производства оптического волокна.

1.2 Конструкция башни вытяжки оптических волокон.

1.2.1 Система подачи заготовки.

1.2.2 Печь вытягивания.

1.2.3 Датчик диаметра волокна.

1.2.4 Нанесение первичных покрытий.

1.2.5 Блок вытяжки.

1.2.6 Намоточно-накопительное устройство.

1.3 Экспериментальная идентификация объекта управления.

1.3.1 Анализ процесса вытяжки.

1.3.2 Математическая модель канала скорость вытяжки - диаметр».

1.3.3 Математическая модель канала скорость подачи - диаметр волокна».

1.3.4 Математические модели по каналам «температура -натяжение», «скорость подачи - натяжение», «скорость вытяжки — натяжение».

1.3.5 Математическая модель по каналу температура - диаметр волокна».

1.4 Цифровая математическая модель.

1.5 Выводы по главе.

Глава 2. Синтез системы управления формования оптических волокон в условиях низких скоростей вытяжки.

2.1 Анализ подходов к решению задачи управления объектом, содержащим транспортное запаздывание.

2.2 Классический регулятор Смита.

2.3 Исследование модифицированного регулятора Смита.

2.4 Цифровой регулятор.

2.5 Выводы по главе.

Глава 3. Управление процессом вытяжки оптического волокна из заготовки в условиях высоких скоростей.

3.1 Анализ и синтез цифровой системы регулирования диаметром волокна.

3.2 Анализ и синтез системы автоматического управления в пространстве состояний.

3.3 Синтез системы с желаемым распределением корней характеристического управления.

3.4 Система автоматического контроля положением заготовки.

3.5 Выводы по главе.

Глава 4. Техническая реализация адаптивной системы управления процессом вытяжки оптического волокна из заготовки.

4.1 Общая схема системы автоматического управления процессом вытяжки.

4.2 Система автоматической центровки заготовки.

4.3 Программирование приводов.

4.4 Сервисные функции, выполняемые системой управления.

4.5 Выводы по главе.

Выводы по диссертационной работе.

Актуальность темы. Основные направления и масштабы инновационного развития науки, техники и технологий немыслимы без применения элементов и систем волоконной оптики. Два основных фактора: постоянно растущие требования к качеству оптических волокон[20] и широкие перспективы развития, связанные с появлением новых видов волокон на основе фторидных, халькогенидных стекол, оптической стеклокерамики и других материалов [1-3] обусловили необходимость совершенствования системы автоматического управления заключительной стадией процесса производства оптических волокон - процессом перетяжки заготовки в волоконный световод, придание ей свойств универсальности, столь необходимых в условиях различных скоростных режимов в процессе вытяжки.

В связи с изложенным, тема диссертационной работы, посвященная исследованию и разработке системы автоматического управления процессом формования оптических волокон, является весьма актуальной.

Цель работы заключалась в разработке двумерной системы автоматического управления процессом формования оптических волокон, обеспечивающей высокоточную стабилизацию диаметра и натяжения оптического волокна в процессе его выработки в условиях низко — и высокоскоростных режимов.

Для достижения поставленной цели в работе рассматриваются следующие научно-технические задачи:

- разработка уточненной математической модели процесса формования оптических волокон, определением степени связности и установления рациональных входо-выходных соответствий;

- разработка структуры системы управления процессом формования для низкоскоростных нестационарных режимов; разработкой алгоритма на базе модифицированного регулятора Смита при наличии транспортного запаздывания в измерениях;

- разработка алгоритма адаптации к изменяющимся в ходе низкоскоростных режимов параметрам объекта управления;

- разработка структуры системы управления процессом формования для высокоскоростных технологических режимов;

- разработка алгоритмов управления процессом формования на основе метода корневого годографа и процедуры синтеза линейной конечномерной системы управления в пространстве состояний с желаемым распределением корней характеристического уравнения;

- разработка релейного алгоритма управления заготовки относительно нагревательного устройства;

- разработка функциональных и принципиальных схемных решений для реализации предложенных алгоритмов управления;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований отдельных узлов и системы в целом.

Методы исследования. В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. Теоретические исследования основывались на методах современной теории автоматического управления. Для исследования алгоритмов управления использовались методы математического моделирования в среде Ма^аЬ.

Научная новизна работы.

Путем экспериментальной идентификации получена уточненная математическая модель технологического процесса формования оптического волокна.

Разработан принцип управления многомерным процессом формования оптического волокна, обеспечивающий, как адаптацию к изменяющимся параметрам объекта управления, так и инвариантность по отношению к гармоническому возмущающему воздействию, возникающему вследствие колебаний объемного расхода стекломассы в зоне формования.

Проведена параметрическая оптимизация модифицированного регулятора Смита на основе применения интегральных квадратичных ошибок.

Для высокоскоростных режимов разработана структура системы управления и алгоритм управления процессом формования на основе метода корневого годографа и процедуры синтеза в пространстве состояний с желаемым распределением корней характеристического уравнения.

Разработаны функциональная и принципиальная схемы компьютерной системы управления процессом формования оптических волокон путем вытягивания из заготовки на базе интеллектуальных сервоприводов.

Практическая ценность работы.

Предложенные в работе алгоритмы управления и схемные решения использованы при разработке компьютерной системы автоматического управления процессом формования оптических кварцевых волокон.

Разработанные структуры и алгоритмы позволяют получать оптические волокна с более «жесткими» допусками по геометрическим параметрам.

Развиваемые в диссертации методы управления процессом формования оптических волокон путем их вытяжки из заготовки могут быть использованы для автоматизации аналогичных операций при производстве новых перспективных видов волокон, таких, как, например, фторидные, халькогенидные и другие, а также для автоматизации технологических процессов производства химических волокон, используемых, в том числе и в текстильной отрасли.

Апробация работы: Материалы работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку специалистов на Международных и Всероссийских научных конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на Международной научно-технической конференции Прогресс (Иваново -2008), Научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск - 2008), Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2008), 61 межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» г. Кострома, конференции молодых ученных и специалистов, посвященной дню химика», проводимой в ОАО «ВНИИХТ».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе 3 в журналах ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 76 наименований. Основное содержание изложено на 134 страницах, содержит 63 рисунка и 3 таблицы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе всестороннего анализа технологического процесса вытяжки оптического волокна из заготовки предложена уточненная математическая модель объекта управления, требующая различных подходов к задаче управления в условиях различных скоростных режимов.

2. Предложен принцип управления процессом формования оптических волокон, использующий контуры регулирования диаметра и натяжения оптического волокна и обеспечивающий адаптацию к изменяющимся параметрам объекта управления и инвариантность по отношению к гармоническому возмущению.

3. Предложена структура модифицированного регулятора Смита. Проведена параметрическая оптимизации соотношения параметров объекта управления и его модели в регуляторе при использовании в качестве критерия оптимизации интегральных квадратичных ошибок.

4. Определено влияние отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта на возможность повышения качества системы управления при использовании структуры модифицированного регулятора Смита.

5. Проведен синтез цифровой системы регулирования диаметра волокна в условиях высокоскоростных режимов работы на основе метода корневого годографа.

6. Проведен синтез двумерной системы управления процессом формования оптических волокон с желаемым распределением корней характеристического уравнения и путем моделирования определена эффективность этой системы.

7. Проведено моделирование системы управления процессом формования оптических волокон в условиях низко — и высокоскоростных режимов, результаты которого подтвердили высокую эффективность предложенных алгоритмов.

8. Разработаны функциональная и принципиальная схемы компьютерной системы управления процессом формования оптических волокон путем вытягивания из заготовки на базе интеллектуальных сервоприводов.

9. Разработана программная реализация алгоритма управления процессом формования оптических волокон в условиях высоких скоростных режимов.

1. Слепов Н. Фотонно — кристаллическое волокно уже реальность. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес 5/2004, с. 84

2. Питерских С.Э. Оптические волокна нового класса. // Lightwave Russian Edition 2005, №3, с. 25-28

3. Алессандро Ночивелли. Полимерные волокна — универсальный оптический доступ // Lightwave Russian Edition 2006, №3, с. 4-6

4. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы, измерения. -М.: Компания Сайрус системе, 1999. 671с

5. Hybrid manufacturing process for optical fibers.//Patent № US 7,003,984 B2, 2006

6. Гуртов В.А. Оптоэлектроника и волоконная оптика. // Учеб. пособие. Петрозаводск: ПетрГУ, 2005 238

7. Н.В. Никоноров, А.И. Сидоров, «Материалы и технологии волоконной оптики: специальные оптические волокна». Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009 г. 130 стр.

8. И. И. Гроднев, Ю. Т. Ларин, И. И. Теумин Оптические кабели: конструкции, характеристики, производство и применение М.: Энергоатомиздат, 1991 .-264 с

9. Бондарев С.А. Разработка и исследование высокоточной системы автоматического управления технологическими параметрами при производстве стекловолокна.// Дис. канд. тех. наук. — М.,1982 210с

10. Ю.Тимохин А.Н. Электротехническая система управления процессом вытяжки оптического стекловолокна. // Дис. канд. тех. наук. — М., 1999г.-137с

11. П.Старченко С.А. Система автоматического управления процессами вытяжки и намотки оптического волокна. М., 2001, -168с

12. Hayes Jim. Fiber Optics: technician's manual. // The Fiber Optic Association, Inc, 235 с/

13. Сеунг-Хун Ox , Ки-Ун Намкоонг ; Дзин-Хан Ким . Устройство и способ изготовления оптического волокна. // патент РФ, № 21366186, 1999

14. Н.Малинин А., Ленардич Б., Исаев В., Чаморовский Ю. Использование электро печи в MCVD технологиях. // Lightwave Russian Edition 2006, №3, с. 28-29

15. ВДС-технология производства оптического волокна.

16. Банк Йоунг Мин ; Йоон Йоунг Сик ; Ким Сун Ук ; Дзун Миунг Чул. Способ получения кварцевого стекла высокой чистоты с применением золь гелевого процесса. // Патент РФ, № 2190575, 2002

17. Han Y., Boyraz О., Nuruzzaman A., Jalali В. Optical header recognition using time stretch preprocessing. // Optics Communications 237 (2004) 333340

18. Charles Acquah, Ivan Datskov, Andryas Mawardi, Feng Zhang, Luke E. K. Achenie, Ranga Pitchumani, Eugene Santos. Optimization of an Optical Fiber Drawing Process under Uncertainty // Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 8475-8483

19. G W Barton, S H Law , P McNamara T N Phan Measurement and Control Challenges for the Specialty Optical Fibre Industry in the 21st Century// University of Sydney NSW 2006 Australia

20. Generic Requirements for Optical Fibre and Optical Fibre Cable // Telcordia GR-20, Section 4.3, July 1998

21. Law, S. H., Phan, T. N. & Poladian, L. Fibre Geometry and Pigtailing, IEEE 51 st Electronic Components & Technology Conference, Lake Buena Vista, Florida, 2001 1447-1450.

22. Lin, Y. T, Choi, M, Greif, R, A three-dimensional analysis of particle deposition for the modified chemical vapor deposition (MCVD) process, Trans. ASME. J. of Heat Transfer, Vol 114, No.3 pp. 735-752, 1992

23. Е. М. Dianov, V. V. Kashin, S. M. Perminov, V. N. Perminova, S. Ya. Rusanov, V. K. Sysoev, The effect of different conditions on the drawing of fibres from preforms, Glass Tech., Vol. 29, No. 6, pp. 258-262, 1988

24. S. R. Choudhury, Y. Jaluria, Practical aspects in the drawing of an optical fibre, J Mater. Res., Vol. 13, No. 2, pp. 483-493, 1998

25. T. N. Phan, The Study of Fibre Diameter Control and Variation During the Drawing Process, PhD Thesis, University of Sydney, 2003

26. D. H. Smithgall, Application of Optimization Theory to the Control of the Optical Fibre Drawing Process,The Bell System Technical Journal, Vol. 58, No. 6, pp. 1425-1435, 1979

27. M. G. Forest & H. Zhou, Unsteady Analyses of Thermal Glass Fibre Drawing Processes, European Journal of Applied Mathematics, Vol. 12, pp. 479-496, 2001

28. Дукельский K.B. Разработка специальных типов оптических волокон для нетрадиционных областей использования. // Дис. канд. тех. наук С-П,2003 152с

29. Technical Literature LI800-4.//Auto readout laser diameter gauge, Beta instrument company - 33p

30. Шевандин В. С. Кварцевые волоконные световоды с особыми оптическими и механическими свойствами // Дис. д-ра техн. наук: Санкт-Петербург, 2006 307 с

31. Muto R., AkijamaN., Sakata Н., J Non-Cryst. Solids, 1975, Vol. 19, 269 pp

32. Ansel R.E., Stanton J.J., Physics Fiber Optics, 1981, Vol. 2, 36 pp

33. Коен Л.Г., Глин П. Динамический метод измерения диаметра оптических волокон и приборы для научных исследований. 1973, Т44, №12 , с 65-68

34. Rourke M.D. Measumerent of core diameter variation with Od TR. // Ibid, p. 108-109

35. Е.И.Симановская, С.Я.Фельд, Г.В.Шимайская, "Влияние температуры на оптические характеристики световодов на основекварцевое стекло-полимер", Квантовая электроника, т.7, стр.1118-1120 (1980)

36. Л.М.Аверина, В.Б.Кравченко, Ю.С.Милявский, С.Р.Нанушьян, Е.И.Симановская, С.Я.Фельд «Исследование температурных зависимостей оптических характеристик полимеров для световодов типа стекло-полимер», ЖТФ т.55, стр. 1605-1611 (1985)

37. Е.М.Дианов, В.М.Машинский, "Упругие напряжения в заготовках для стеклянных волоконных световодов", Квантовая электроника, Т.5, стр.2463-2466 (1978).

38. W.F.Yeung, A.R.Johnston "Effect of temperature on optical fiber transmission", Appl. Opt., v.17, pp.3703-3705 (1978)

39. Жовинский A.H., Жовинский В.H. Инженерный экспресс — анализ случайных процессов. — М.: Энергия, 1979. 112с

40. Рей У. Методы управления технологическими процессами, Мир, Москва 1983г -368с

41. Перельмутер В.М. Пакеты расширения Matlab. Control system toolbox и robust control toolbox. — M.: Солон-пресс, 2008 -224c

42. Козлов А.Б., Румянцев Ю.Д., Тимохин A.H., Круглова C.B. Автоматизация процесса производства оптических волокон. — М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2005 192с

43. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. —М.: Наука, 1975

44. Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т. 1. Линейные системы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 288 с.

45. Бесекерский В. А. Цифровые автоматические системы. — М.: Наука, 1976

46. Громов Ю.Ю., Земской H.A., Лагутин А.В,. Иванова О.Г, Тютюнник В.М. Системы автоматического управления с запаздыванием : учеб. пособие // Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. 76 с.

47. Янушевский, Р.Т. Управление объектами с запаздыванием / Р.Т. Янушевский. М. :Наука, 1978. — 416 с

48. Турецкий, X. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием / / М.: Машиностроение, 1974. — 328

49. Резван В. Абсолютная устойчивость автоматических систем с запаздыванием//МгНаука, 1983 г

50. Normey — Rico J.E., Camacho E.F. Control of dead time processes. // Springer-Verlag London Limited 2007, 474c

51. Hocken R.D., Salehi S.V., Marshall J.E. Time-delay mismatch and the performance of predictor control schemes.// Int. J. Control, 1983, vol. 38, №2, p. 433-447

52. Изерман P. Цифровые системы управления. — M.: Мир, 1984. — 541 с. 53.Smith O.J.M. Close control of loops with dead time // Chemical Engineering

53. Progress. 1957. Vol. 53. P. 217 235

54. Mann G.K.I., Bao Gang Hu, Gosine R.G. Analysis of direct action fuzzy PID controller structures // IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Part B. Jun. 1999. Vol. 29. Issue 3. P. 371 - 388

55. Li Jie, Xie Jianying, Wu ZhengDmao Design of disturbance rejection PID controllers for time delay system based on genetic algorithms // International Conference on Neural Networks and Brain (ICNN&B '05), 13-15 Oct. 2005. Vol. 2. P. 876 -880.

56. Pereira D.S., Pinto J.O.P. Genetic algorithm based system identification and PID tuning for optimum adaptive control // IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, 2005. Proceedings. P. 801 -806

57. Michael Rapson. Analysis of Controller Design Methodologies for Integrator plus Dead Time Processes // The International Conference on "Computer as a Tool" EUROCON 2007

58. М. R. Matausek, and A. D. Micic, "A Modified Smith Predictor for Controlling a Process with an Integrator and Long Dead-Time," IEEE Trans. Autom. Control, vol. 41, no. 8, pp. 1199-1203, Aug. 1996.

59. M. R. Matausek, and A. D. Micic, "On the Modified Smith Predictor for Controlling a Process with an Integrator and Long Dead-Time," IEEE Trans. Autom. Control, vol. 44, no. 8, pp. 1603-1606, Aug. 1999.

60. S. Majhi, and D. P. Atherton, "Obtaining controller parameters for a new Smith predictor using autotuning," Automatica, vol. 36, pp.1651-1658, 2000.

61. Kaya, "Obtaining controller parameters for a new PI-PD Smith predictor using autotuning," J. Process Control, vol. 13, pp. 465-472, 2003.

62. T. Liu, Y. Z. Cai, D. Y. Gu, and W. D. Zhang "New modified Smith predictor scheme for integrating and unstable processes with time delay," IEE Proc.-Control Theory Appl., Vol. 152, No. 2, pp. 238-246, March 2005

63. Veronesi M. Performance improvement of Smith predictor through automatic computation of dead time. // Technical report English edition №35 ,2003

64. Бондарев C.A., Костылева H.E, Румянцев Ю.Д. Параметрическая оптимизация устройства управления в системах с запаздыванием. // Sbornik vedeckych praci k. 25 vyroci druzebni spoluprace, VSST Liberec, 1988-c. 51-57

65. Удерман Э. Г. Метод корневого годографа в теории автоматического управления. // Госэнергоиздат, 1963 112с

66. Мышляев Л.П., Авдеев В.П., Карташов В.Я., Купчик М.Б. Алгоритмизация управления объектами с запаздыванием. //Учеб. пособие. Кемерово: Кемеровский государственный университет, 1989 -83с

67. Филлипс 4-, Харбор Р. Системы управления с обратной связью. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 — 616 с

68. Соколова Т.В., Румянцев Ю.Д., Захаркина С.В. Двумерная система автоматического управления процессом вытяжки оптических волокон из заготовки // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. -2010, №3 С- 86-90

69. Соколова Т.В. Синтез системы автоматического регулирования диаметра волокна в условиях высоких скоростей вытяжки // Химические волокна. — М., 2010. №3.-С.31-34

70. Соколова Т.В., Румянцев Ю.Д., Тимохин А.Н., Шевченко Н.В. Цифровая математическая модель процесса вытягивания оптического волокна // Химические волокна. М., 2009. - №2.-С.23-26

71. Соседка В.Л., Соседка Е.В., Соседка Ю.В. Методы пространства состояния в теории управления.// Донецк: Схидний видавничий дом, 2007 224с

72. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления // М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. 832 с.

73. User Manual PositionServo.// AC Technology Corporation, 2005 — 64p

74. Руководство по программированию PositionServo, AC Technology Corporation, 2005 72c

75. Соседка В.Л. Современная теория управления М.: Наука. - 2006.

76. Андреев В.Н. Управление конечномерными линейными объектами. // М: Наука, 1976.-424с.