автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование температурных параметров подкомбинезонного пространства глубоководного водолаза как объекта системы автоматического регулирования температуры искусственной среды обитания

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Аналитический обзор современного состояния 5 проблемы, постановка задачи диссертационной работы и ее общая характеристика.

1.1. Обзор современного состояния проблемы.

1.2. Постановка задачи диссертационной работы н ее крат- 19 кое содерлсание.

Глава 2. Исследование процессов теплообмена водолаза 24 с внешней средой.

2.1. Теплопотеры от тела через одежду в окруэ/сающую сре

2.2. Теплопотери на нагрев дыхательного газа.

2.3. Тепловой баланс организма водолаза.

2.4. Влияние физической деятельности и теплопотерь на 41 самочувствие е^Щ^тпотлаве.

Глава 3. Математическая модель тепловой динамической 46 системы: «человек - одежда - среда».

3.1. Исследование теплофнзических параметров модели.

3.2. Разработка математической модели температурных 55 параметров нагревательного элемента оделсды как объекта системы автоматического управления.:.

3.3. Разработка математической модели температурных 58 параметров тела водолаза.

Выводы по главе

Глава 4. Разработка и исследование нагревателя газовой 64 смеси для снаряжения как элемента системы автоматического управления

4.1. Конструкция нагревательного элемента.

4.2. Исследование коэффициентов теплоотдачи.

4.2.1. Определение коэффициента теплоотдачи от нагреватель- 70 ного элемента к газу в ограниченном пространстве при отсутствии вынужденного движения для заданных условий (со = 0 м/сек).

4.2.2. Определение коэффициента теплоотдачи при вынужден- 71 ном движении газа.

4.2.3. Определение коэффициента теплоотдачи к гелио- 71 воздушной смеси.

4.3. Методика расчета нагревательного элемента.

4.4. Динамические характеристики температуры нагрева- 76 тельного элемента и дыхательной смеси.

Выводы по главе

Глава 5. Исследование системы автоматического регули- 91 рования температуры в одежде.

5.1. Структурная схема АСР температуры оде.жды.

5.2. Исследование АСР температуры одежды с релейным ре- 95 гулятором.

5.3. Исследование АСР температуры оделсды с линейными 100 П- и ПИ-регуляторами.

5.3.1. П - регулирование.

5.3.2. ПИ - регулирование.

5.4. Исследование АСР температуры оде.жды с дискретными 104 77- и ПИ-регуляторами с амплитудно-импульсной модуляцией управляющего сигнала.

5.3.1. П - регулирование.

5.3.2. ПИ - регулирование.

5.5. Исследование АСР температуры одеэюды с дискретными 108 П- и ПИ-регуляторами с ишротно-гшпульсной модуляцией управляющего сигнала.

5.3.1. П - регулирование.

5.3.2. ПИ - регулирование.

Выводы по главе.

Трагедия атомохода «Курск» в Баренцевом море со всей остротой показала необходимость создания новой водолазной техники и специального глубоководного водолазного снаряжения, их своевременной модернизации на основе новейших достижений науки.

Большой объем водолазных работ требуется при установке и эксплуатации нефтяных самоходных плавучих буровых установок, проведении газо- и нефтепроводов по дну моря, очищении от наростов раковин и водорослей днищ кораблей и платформ, при практическом решении комплекса задач освоения и использования природных богатств морей и океанов.

Все это требует углубления и расширения фронта научно-исследовательских работ в первую очередь в части обеспечения надежной защиты водолаза от низких температур окружающей его морской среды, создания специальной электронагревательной одежды, автоматических систем регулирования состава и температуры газовой дыхательной смеси и т.п.

Отмеченные научные задачи составили предмет настоящей диссертационной работы. Она продолжает научное направление многолетних исследований, проводимых на кафедре автоматики Московского государственного университета дизайна и технологии (Московский технологический институт легкой промышленности, Московская государственная академия легкой промышленности), у истоков которого стоял основатель кафедры и ее бессменный руководитель в течение длительного времени доктор технических наук, профессор Макс Михайлович Майзель.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Определены теплофизические параметры системы «человек - обогреваемая одежда - искусственная среда обитания».

2. Разработаны методики расчетов мощности нагревательных элементов электрообогревательной одежды для обеспечения заданной температуры под-комбинезонного пространства.

3. Исследованы динамические характеристики температуры подкомбинезон-ного пространства как объекта автоматического управления в условиях управляющих и возмущающих воздействий.

4. Исследованы теплофизические параметры нагревателей газовой смеси дыхательных аппаратов с целью определения динамических и статических характеристик объекта системы автоматического управления температурой дыхательной смеси.

5. Осуществлен выбор регулятора и параметров его настройки для поддержания температуры подкомбинезонного пространства в заданных пределах.

Заключение

1. Аладьев И.Т. Кандидатская диссертация. ЭНИН, Академия наук, 1949.

2. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. М.: Наука, 1976.

3. Афанасьева Р.Ф. Гигиенические основы проектирования одежды для защиты от холода. М.: Легкая промышленность, 1977.

4. Афанасьева Р.Ф. Тепловое состояние человека при эксплуатации различных электрообогревательных предметов одежды // Гигиена и санитария. -1975. -№3,- С. 46 50.

5. Афанасьева Р.Ф. Физиолого-гигленическое обоснование теплозащитных свойств одежды с электрообогревом, предназначенной для жителей Крайнего Севера // Научно-исследовательские труды ЦНИИШП. 1975. - № 22. С. 22-32.

6. Афанасьева Р.Ф., Делль Р.А. и др. Гигиена одежды. М.: Легкая индустрия, 1981.

7. Балакирев B.C., Дудников Е.Г., Цирлин A.M. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления. -М.: Энергия, 1967.

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

9. Бовро Г.В., Кащеев B.C., Макаров В.И. Исследования по обоснованию оптимальной топографии подведения тепла в организме человека при пребывании в условиях холода // Гигиена труда и профессиональные заболевания. 1976.-№ 9. - С. 22-25.

10. Боровиков П.А., Самарский В.А. Подводная техника морских нефтепромыслов. Л.: Судостроение, 1980.

11. Бретшнайдер С. Свойства газов и /К идкостей. Инженерные методы расчета. М.-Л.: Химия, 1966. - С. 392 - 394.

12. Бусыгина Л.К., Карпинос Д.М., Малахов А.И. Результаты исследований макетного образца безразмерной комбинированной теплозащитной одежды // Гигиена труда и профзаболеваний. 1985. - № 3. - С. 2 - 7.

13. Бусыгина Л.К., Третьякова Л.И., Смуров А.В. Физико-гигиенические исследования электрообогревающего комбинезона для водолазов // Технология легкой промышленности. Известия ВУЗов. Киев: 1982. -№4.

14. Вешняков В.А., Меренков И.В. Глубоководная водолазная техника. Л.: Судостроение, 1982.

15. Витте Н.К. Тепловой обмен человека и его гигиеническое значение. М.: Медгиз, 1956.

16. Гаршенин В.Ф. Опыт использования костюма с гидрообогревом в условиях прибрежной зоны Антарктиды // Гигиена и санитария. 1974. - № 11.

17. Гольдштейн Д.С., Кащеев B.C. Организация индивидуальной защиты в атомной промышленности. М.: Энергоиздат, 1983. - С. 96.

18. Городинский С.М. Средства индивидуальной защиты для работы с реактивными веществами. М.: Атомпздат, 1979. С. 296

19. Гривина И.В. Моделирование системы человек среда при проектирование обогревательной одежды с автоматическим регулированием температуры. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -М.: МТИЛП, 1982.

20. Дехтяренко П.И., Коноваленко В.П. Определение характеристик звеньев системы автоматического регулирования. М.: Энергия, 1985.

21. Дженсон к., Ханс Ф., Ульрих Ф. Физиологический основы адаптации к холоду: эндокринологические механизмы. // Военно-медицинская исследовательская лаборатория США, Вашингтон. Июль 1951.

22. Ермакова И.И. Математическое моделирование процессов терморегуляции у человека // В кн. Итоги науки и техники. Физиология человека и животных. ВИНИТИ. - 1987. - Т. 33.

23. Ермакова И.И., Попов А.А. Биологическая и медицинская кибернетика. -Киев: ИК АН УССР, 1982. С. 72 - 74.

24. Ефремов В.В., Рубцова И.И. Динамика температуры в электрообогреваемой спецодежде // Сб. научных трудов «Вопросы динамики и технологии машин легкой промышленности» под ред. Проф. Карамышкина В.В. и Андре-енкова Е.В. М.: МГУДТ, 2000.

25. Ефремов В.В., Рубцова И.И. Динамика температуры тела в обогреваемой спецодежде // Сб. научных трудов «Вопросы динамики и технологии машин легкой промышленности» под ред. Проф. Карамышкина В.В. и Андре-енкова Е.В. М.: МГУДТ, 2000.

26. Жаворонков А.И. Теоретические основы и методы проектирования обогревательной специальной одежды. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МТИЛП, 1984.

27. Жаворонков А.И. Исследование динамических и теплозащитных свойств электрообогреваемой одежды для водолазов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МТИЛП, 1971.

28. Жаворонков А.И., Математическая модель системы «человек теплозащитная одежда - среда» с АСР температуры // Автоматизация технологических процессов легкой промышленности: Тезисы доклада. Всесоюзная научно-техническая конференция. - 1982. - С. 62.

29. Иванов К.П. Термодинамика и регуляция биологических процессов. М.:1. Наука, 1984. С. 144- 152.

30. Исследование и разработка системы автоматического регулирования температуры электрообогреваемой одежды для спецусловий. Отчет по х/теме 8102. №81035549.-М.:МТИЛП, 1982.

31. Кандрор И.С., Новосельцев В.Н. Физиологические адаптации к теплу и холодную. Л.: Наука, 1969. - С. 35 - 42.

32. Кащеев B.C., Макаров В.И., Ромапенко М.И. Гигиенические требования к созданию обогреваемой одежды в условиях воздействия резкого охлаждения // Гигиена и санитария. 1975. - № 8.

33. Кащеев B.C., Макаров В.И., Ромаиенко М.И. Электрообогревающий защитный комплект для работающих в условиях низких темпеоатур // Медико-технические проблемы индивидуальной защиты человека. 1970. -Вып. 6.-С. 149 - 156.

34. Кении Д.Е. Техника освоения морских глубин. Пер. с английского языка. -Л.: Судостроение, 1977.

35. Клинцевич Г.Н. Поражение холодом. Л.: Медицина, 1973.

36. Койранский Б.Б. О повышенной устойчивости организма против переохлаждения. М.: «Гигиена и санитария», №4, 1952.

37. Колесников П.А. Основы проектирования теплозащитной одежды. -М.: «Легкая индустрия», 1971.

38. Колесников П.А. Теплозащитные свойства одежды. М.: Легкая индустрия, 1965.

39. Колесников П.А., Афанасьева Р.Ф. Проектирование производственной и специальной зимней одежды для различных условий труда и климата. Л.: Знание, 1970.

40. Коробко О.В., Панкович В.Н. Математическое описание теплообмена в биологическом объекте при общих тепловых воздействиях // В кн. Некоторые проблемы тепло- и массобмепа. Минск: АН БССР, 1978. - С. 208 -212.

41. Коробко О.В., Панкович В.Н., Минкин С.Б. Тепло и массоперенос: процессы и аппараты. Минск: 1978. - С. 15 - 17.

42. Коробко О.В., Перельман Г.Л. Инженерно-физический журнал. 1974. - Т. 26.-№3.-С. 523 -528.

43. Костюм с электрообогревом: Рекламный проспект. Киев: ИПМ АН УССР, 1974.

44. Кощеев B.C. Некоторые актуальные вопросы физиологии и гигиены индивидуальной защиты человека в воде. // В сб. научных трудов «Медико-технические проблемы индивидуальной защиты человека». М.: Медицина, 1983.

45. Куманичкин С.Д. Некоторые данные о терморегуляции человека при дыхании воздушно-гелиевыми смесями под давлением. // Военно медицинскийжурнал. 1958. - № 1.

46. Кундиев Ю.И., Капринос Д.М., Науменко И.М., Галеневич В.А. Спецодежда с электрообогревом для защиты рабочих от действия низких температур // Гигиена труда. Киев: Здоровье, 1971. - Вып. 7.

47. Кутателадзе С.С., Боршанский В.М. Справочник по теплопередаче. M.-JL: Госэнергоиздат, 1959.

48. Майстрах Е.В. Физиология острого охлаждения // В кн. Физиология терморегуляции. Л.: Наука, 1984. - С. 181 - 222.

49. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.

50. Мясников А.П. Медицинское обеспечение легководолазов и аквалангистов. Л.: Медицина, 1967.

51. Никитченко И.И. Тезисы доклада 53 научной конференции студентов, молодых ученых «Молодые ученые XXI веку» - М.: МГУДТ, 2001.

52. Никитченко И.И. Тезисы доклада 54 научной конференции студентов, молодых М.: МГУДТ, 2002.

53. Новые обогревающие материалы и устройства, методы и технологические процессы их получения. Киев: ИПМ АН УССР, 1979. - С. 151.

54. НТС. Военно-морская техника и вооружение. 1976.

55. Патент Англии №1578333 Р.Ж. «Водный транспорт». 1981. - №4.

56. Патент США № 4013122 Р.Ж. «Водный транспорт» 1977. - № 10.

57. Проблемы космической биологии. Действие гипербарической среды на организм человека и животных. М.: Наука, 1980. - Т. 39.

58. Ростопшин 10. А. Космическая биология и авиакосмическая медицина. -1976.-Т. 10,-№ 2.-С. 37-42.

59. Савельева Л.В., Новосельцев В.Н., СтихаревА.А. «К вопросу математического моделирования тепловой защиты организма человека» // В сб. «Медико-технические проблемы индивидуальной защиты человека» под ред. Прохорова A.M. М.: Советская энциклопедия, 1984.

60. Терморегуляция у человека при мышечной работе // В кн. Физиология терморегуляции. Л.: Наука, 1984. С. 139 - 180.

61. Тихомиров И.Н. Статистическая обработка результатов экспериментов. —1. М.: Наука,1988.

62. ТУ 110-11-79. Прослойка электрообогревающая к внутреннему костюму косплекта "Костюм мужской для защиты от пониженных температур, нефти и нефтепродуктов". Киев: ОКТБ ИМП АН УССР.

63. ТУ 120-11-80ю Прослойка электрообогревающая к внутреннему костюму косплекта "Костюм мужской для арктических и антарктических экспедиций". Киев: ОКТБ ИМП АН УССР.

64. Уэбб П. Основы космической биологии и медицины. М.: Наука, 1975. - 2 кн. - С. 105 - 138.

65. Физико-гигиентичекие требования к изолирующим средствам индивидуальной защиты. М.: МЗ СССР, 1981. - С. 27.

66. Фукина В.А., Жаворонков А.И. Расчет распределения температур в одежде с обогревом // Сб. Конструирование и технология швейных изделий. М.: МТИЛП, 1979. - С. 81-82.

67. Фукина В.А., Жаворонков А.И., Плужников JI.H. Исследование процесса получения нагревательного элемента // ТСНТ Конструирование и технология изделий из кожи. М.: 1979. - С. 152 - 154.

68. Человек, море, техника. JL: Судостроение, 1984.

69. Электрообогревательная система глубоководного водолазного снаряжения легкого типа. Технический проект 1970. Архив МТИЛП.

70. Юдаев Б.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1973.

71. Ястребов B.C., Соболев Т.П., Смирнов А.В. Системы и элементы глубоководной техники подводных исследований. Л.: Судостроение, 1981.

72. Atkins A., Wyndham С. In: Pfliig. Arch., 1966, v. 307, p. 104 119.

73. Bligh J. In: New trends in thermal physiology / Eds. Y. Houdas and J. Guicu. -Paris: Masson, 1978, p. 1 10.

74. Brokaw R.S., Ind. Eng. Chem., 47, 2398, 1955.

75. Brown A. Report AMRL. TRD-63-116, 1983 / Ed. A. Patterson, Ohio, p. 1 -108.

76. Brown A.C. ASIIA, AD 428144; 1963.

77. Burton A.C. In: Temperature its measurement and control in science and industry Reinhold, 1963, p. Ill, p. 522 - 527.

78. Chaterjee I., Gandhi O. In: Trans. Biomed. Eng. IEEE, 1983, v. 30, № 11, p. 707-715.

79. Crosbic R.I., Hardy I.D., Fessenden E. Electrical analog simulation of temperature regulation in man // Trans. On Bio-Med. Electronics IRE, 1961, v. 8, № 4.

80. Crosstie R., Hardy I., Fessenden E. Temperature its measurement and control in science and industry / Eds. J. Hardy Reinhold, 1963, p. Ill, p. 627 - 635.

81. Emery A.F., Short R.E, Guy A.W., Kraning K.K., Lin J.C. The numerical thermal simulation of human body, when undergoing exercise or nonionizing electromagnetic irradiation // Trans. ASME, 1976, № 2, p. 284 291.

82. Gagge A. A model of temperature regulation in man // Fed. Proc., 1973, v. 32, 1 5, p. 1572- 1582

83. Hardy I., Hammel H. Temperature its measurement and control in science and industry / Eds. J. Hardy Reinhold, 1963, p. Ill, p. 613 - 625.

84. Hardy J. In: Physiol. Rev., 1961, v. 41,1 3, p. 521 - 606.

85. Heusel H., Baiiet M. In: New trends in thermal physiology / Eds. Y. Houdas and J. Guicu. Paris: Masson, 1978, p. 53 - 58.

86. Houdas Y. Phusiocal models of human thermoregulation // Temperature regulation and drug action. -Basel, 1975.

87. Houdas Y., Lecroat J., Ledru C. et al. In: New trends in thermal physiology / Eds. Y. Houdas and J. Guicu. Paris: Masson, 1978, p. 11 - 18.

88. Hucaba C.E., Tam H. Advances in Biomedical engineering / Ed. Cooney, 1980, p. 2-58.

89. Liebermeister D. Handtuch der Pathologic und Therapie des Fiebers. -Leipzig: Vogel, 1877.

90. Mac Donald D.K.C., Wyndman C. In: J. Appl. Physiol, 1950, v. 3.

91. Mitchell D. Snellen J, Atkins A. In: Pfliig. Arch, 1970, v. 321, p. 293 302.

92. Pennes H. In: Journal of Applical Physiology. Washington, 1948, v. 1, p. 93 -122.

93. Snellen J. In: Essays on temperature regulation. / Eds. J. Bligh and E. Moore. -North-Holland: Elsevier, 1972, p. 139- 148.

94. State I, Reclcout V, Blacktone E. In: Proc. Computer simulation conts. -Chicago, Illinoise, 1977, p. 471 476.

95. Stolwijlc J.A, Hardy J. Partitional calorimetric studies of man during exporures to thermal transients // J. Appl. Physiol, 1966, p. 129 162.

96. Stolwijk J.A.J. A mathematical model of physical temperature regulation in man. Washington: NASA, 1971.

97. Stolwijk J.A.J. In: Thermography Proc. I-st Europ. Conf, Biol. Radiol, 1975, v.6, p. 151 156.

98. Timbal J, Lond M, Bouteller C. Mathematical model of mans tolerance to cold, using morphological factor // Aviat. Space and Envirop. Med, 1976, v. 47, № 4, p. 958 964.

99. Villalon A. Conditiones de trabajo en temperaturas extremas // VII Assamblea de la CSIS. Spain, 1968, p.p. 150 165.

100. Volpe S, Jain R. In: Med. Physiol, 1982, v.g. № 4, p. 506 513.

101. Webb P. Thermaregulation in actiely cooled working man // Physiological and Behavioral temperature Regylation. Thomas, 1970.

102. Wissler E.H. In: J. Appl. Physiol, 1961, v. 16, p. 734-740.

103. Wissler E.H. Physiological and behavioral temperature regulation / Eds. Hardy I, Cagge A, Stolwijk J.A.J. -Illinois: Thomas Springfied, USA, 1970.

104. Wissler E.H. Proc. Summer Comput. Simul. Conf. -Chcago, Illinois, 1974, p. 477-488.

105. Wissler E.H. Temperature, its measurement, control in science and industry / Eds. Hardy I. -Reinhold, 1963, p. Ill, p, 603 612.