автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система автоматического управления температурным режимом нагрева заготовки при производстве фторидных волокон

КОНТРОЛЬНЫЙ \

На правах рукописи

КРУГЛОВА Светлана Валерьевна

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ НАГРЕВА ЗАГОТОВКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ФТОРИДНЫХ ВОЛОКОН

Специальность 05 13 06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (легкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Московском государственном текстильном университете им. А. Н. Косыгина на кафедре автоматики и промышленной электроники

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

кандидат технических наук, доцент Румянцев Ю. Д. доктор технических наук профессор Поляков А.Е. кандидат технических наук, доцент Никифоров Ю.Н

Федеральное государственное

унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт хлопчатобумажной промышленности» (ЦНИИХБИ)

Защита состоится «_»_2004 г. в_часов на заседании диссертационного совета Д212.139.03 в Московском государственном текстильном университете им. А. Н. Косыгина по адресу: 119991, Москва, М. Калужская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного текстильного университета им. А.Н. Косыгина. Автореферат разослан «_»_2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение интенсивности технологических процессов предопределяет использование современных методов и средств контроля качества продукции и технологических параметров, а также управления этими процессами, что требует наличия обширной и достоверной первичной информации о состоянии контролируемых и управляемых объектов. Использование оптоэлектронных преобразователей, в том числе и инфракрасных, работающих по принципу отражения, поглощения и фазовых сдвигов, позволяет , контролировать большое число технологических параметров, к которым можно отнести геометрические размеры текстильных продуктов, их поверхностную и линейную плотность, влажность, температуру, пороки и дефекты и т.д. Сочетание полупроводниковых источников и приемников излучения с волоконными световодами позволяет осуществить бесконтактный контроль и измерения в труднодоступных местах, в агрессивных средах, а также в зонах с повышенной температурой. При этом немаловажную роль в решении этих задач играют свойства, параметры и конструкция волоконных световодов, обеспечивающих не только передачу информации и оптическое сопряжение источников и приемников излучения, но и являющихся в ряде случаев первичными преобразователями полезной информации. Фторидные стекла считаются в настоящее время наиболее перспективными для создания световодов со сверхнизкими оптическими потерями в инфракрасном диапазоне. Фторидные стекла - это материалы с широким диапазоном прозрачности от глубокого ультрафиолета до средней ИК области спектра. Однако процесс производства фторидных оптических волокон сопряжен с трудностями, связанными с кристаллизационной способностью фторидных стекол, требующими точного регулирования температуры в зоне нагрева заготовки. В силу указанного, тема диссертационной работы,, посвященная вопросам регулирования температурных режимов в зоне нагрева фторидной заготовки, является весьма актуальной.

Экспериментальные исследования проводились на базе имеющегося оборудования ФГУП «Всероссийского научно-исследовательского института химической технологии».

Работа проводилась в соответствии с календарным планом по научно-исследовательской теме «Теоретическая разработка методов контроля технологических параметров текстильного производства на базе оптоэлектронной техники с использованием оптических волокон», выполняемой по единому заказ -наряду Министерства образования Российской Федерации.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование и разработка системы автоматической стабилизации температурных режимов в процессе производства фторидных оптических волокон, а также унифицированных компонентов системы управления процессом производства оптических волокон, обеспечивающих получение конечного продукта с заданными физико-механическими свойствами. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: | РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

1 БИБЛИОТЕКА

з !

1. Анализ особенностей технологического процесса вытягивания фторидного оптического волокна. Исследование существующих методов, средств и технологий вытягивания.

2. Экспериментально-теоретическое исследование модуля нагрева фторидной оптической заготовки, как объекта управления.

3. Получение математической модели процесса нагрева фторидной заготовки и разработка общего алгоритма управления этим процессом.

4. Выбор структуры системы автоматической стабилизации температурных режимов в зоне нагрева фторидной оптической заготовки.

5. Синтез двухконтурной системы автоматической стабилизации температурных режимов в зоне нагрева фторидной оптической заготовки.

6. Разработка и исследование системы управления электроприводом постоянного тока на скользящих режимах.

7. Разработка волоконно-оптического датчика температуры зоны формования фторидной заготовки.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса нагрева фторидвой заготовки. Результаты параметрической идентификации.

2. Принцип управления процессом нагрева фторидной заготовки с использованием в качестве управляющего воздействия расхода инертной среды.

3. Двухканальная структура системы управления процессом нагрева фторидной заготовки.

4. Имитационная модель системы управления процессом нагрева заготовки.

5. Оптоэлектронный способ измерения температуры нагрева фторидной заготовки.

6. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования разработанных алгоритмов и схем.

Методика проведения исследований. В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. При построении математической модели процесса нагрева фторидной заготовки применялся метод экспериментальной идентификации и компьютерной обработки информации. Теоретические исследования основывались на методах современной теории автоматического управления и теории скользящих режимов. Экспериментальная часть исследований проводилась с использованием высокоточных регулирующих и измерительных приборов. Для исследования алгоритмов управления использовались методы математического моделирования в среде Matlab.

Научная новизна. Исследована конструкция модуля нагрева фторидной заготовки, как объекта автоматического управления. Предложена математическая модель процесса нагрева заготовки. Проведено исследование статических

и динамических характеристик температурных полей в зоне нагрева фторидной заготовки. Разработана система стабилизации температурных режимов в процессе вытяжки фторидных оптических волокон, использующая в качестве основного управляющего воздействия изменение расхода газа, подаваемого в зону нагрева.

Разработан волоконно-оптический датчик температуры зоны формования фторидной заготовки.

Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей процесса нагрева фторидной заготовки и системы управления подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

Практическая ценность. Полученные научные результаты могут быть использованы при создании и совершенствовании систем управления процессами вытяжки оптических волокон.

Развиваемые в диссертации методы управления процессом вытягивания могут найти применение для автоматизации аналогичных операций в производстве химических волокон, а также других продуктов, получаемых путем вытягивания из расплавов.

Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2001, Текстиль-2002), Всероссийской научной конференции. «Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности» (Ин-фотекстиль-2004).

Публикации По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 75 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 65 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цели и задачи исследования, сформулированы защищаемые научные положения, указана новизна и практическая ценность полученных результатов.

Глава 1. Математическая модель процесса нагрева фторидной оптической заготовки.

Рассматривается состояние технологии изготовление фторидных оптических волокон. Определяется структура башни вытяжки фторидных оптических волокон. Показывается, что технологический процесс перетяжки заготовки в волоконный световод является сложным, в силу кристаллизационной способности фторидных стекол при температуре вытяжки, и подвержен влиянию большого числа возмущений.

Одной из важнейших характеристик фторидных стекол является сильная зависимость вязкости от температуры. Температурная зависимость вязкости фторидных стекол является одним из основных факторов, определяющих не только свойства получаемых волокон, но и стабильность самого процесса вытягивания.

Даже незначительный перегрев заготовки с появившимися ранее зародышами приводит к интенсивному росту кристаллов. Увеличение скорости вытягивания не может принципиально изменить характер процесса, т.к. стекло уже находится при повышенной (относительно оптимальной) температуре.

Второй проблемой, связанной с получением фторидных оптических волокон, является взаимодействие расплава стекла с парами атмосферной воды. Взаимодействие фторидных стекол с атмосферной водой особенно ощутимо и отличается высокой скоростью при температурах выше температуры стеклооб-разования. Во время вытяжки волокна происходит химическое взаимодействие гидроксильных групп с поверхностью световода, что сопровождается образованием оксидных частиц, которые служат центрами кристаллизации.

Таким образом, для получения волокон требуемого качества необходимо, во-первых, регулировать температуру вытяжки волокна с высокой точностью и, во-вторых, не допустить взаимодействия расплава с гидроксильными группами. В связи с влиянием гидроксильных групп на химическую стабильность (водная коррозия), механическую прочность и оптические свойства фторидных волокон процесс вытяжки необходимо проводить в инертной среде.

Проводится экспериментально-теоретическое исследование модуля нагрева фторидной оптической заготовки, как объекта управления. Проведена экспериментальная идентификация модуля нагрева фторидной заготовки путем снятия переходных характеристик по основным каналам управления:

- изменение напряжения, подаваемого на обмотку печи нагрева заготовки - температура нагрева заготовки

- изменение расхода инертного газа, подаваемого в зону нагрева заготовки - температура нагрева заготовки

Путем аппроксимации переходных характеристик получена математическая модель процесса нагрева фторидной оптической заготовки по двум каналам управления (рис.1 и рис.2).

Передаточная функция по каналу имеет следующий вид:

(1)

Максимальная погрешность аппроксимации Дтах=10,87% при фиксированном времени Среднеквадратичное отклонение принятой модели от экспериментальной переходной функции

Передаточная функция по каналу имеет следующий вид:

Щ>П(Р) =

1357

(8 Д2 •/?+!)• (7Ц53- р+1)

2,25

(8,71-р+1)-(5,84-р+1) (2)

Среднеквадратичное отклонение принятой модели от экспериментальной переходной функции с=0,016. Максимальное о т к л о ш^еариД^Л р и фиксированном времени 1=18 с.

Глава 2. Синтез системы стабилизации температурных режимов в зоне нагрева фторидной оптической заготовки.

Проведено исследование температурных полей в зоне нагрева фторидной заготовки и спектрального состава возмущающих воздействий при отсутствии контура управления.

Вид кривых распределения температуры в зоне нагрева ясно свидетельствует, что любое смещение конца заготовки, например, в силу кривизны последней, относительно центра зоны нагрева будет приводить к увеличению температуры. Отсутствие в конструкции нагревательного элемента возможности проводить операцию центровки заготовки относительно нагревательного элемента накладывает дополнительные требования к системе стабилизации температурных режимов.

В работе путем статистической обработки временных диаграмм изменений температуры определен спектральный состав возмущающих воздействий. Вид графика спектральной плотности позволяет судить о рассматриваемом процессе, как о широкополосном случайном процессе, спектр пространственных частот которого заключается в диапазоне от 0 до 1,7 Гц. Низкие частоты вызваны суточными изменением напряжения сети и изменением температуры инертной среды, подаваемой в зону нагрева. Высокие- частоты обусловлены турбулентным характером истечения инертной среды.

Традиционным управляющим воздействием в процессе нагрева заготовок является изменение напряжения, питающего обмотку печи. Однако проведенные исследования показали, что такой способ управления является инерционным и не позволяет быстро парировать возмущения, приходящие в систему. Поэтому в настоящей работе предложено в качестве основного управляющего воздействия использовать изменение расхода инертного газа, поступающего в зону нагрева.

Таким образом, предлагаемая система управления процессом нагрева состоит из двух контуров: контура регулирования напряжения, питающего обмотку печи нагрева, и контура регулирования расхода инертной среды (рис. 1).

Избыточность в управлении обусловлена следующими факторами:

1. Канал «1Г„ — 0Н» является инерционным и не позволяет оперативно изменять температуру среды в зоне формования, но обеспечивает нагрев заготовки до заданной начальной температуры.

2. Канал «(Знс — 0„» является быстродействующим, позволяет парировать высокочастотные возмущения температуры в зоне формования, но не обеспечивает нагрев заготовки до заданной начальной

температуры.

Доказано, что система автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной оптической заготовки является управляемой и наблюдаемой.

Осуществлен синтез системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной заготовки с желаемым распределением корней характеристического уравнения.

Рис. 1. Структурная схема системы стабилизации температурных режимов.

С целью подтверждения адекватности полученных результатов проведено моделирование системы автоматического управления температурным режимом нагрева по каналу «QHC - OK» в приложении Simulink системы Matlab (рис.2 и рис.3).

3 2 1

U

CD 0 <

•1 -2

_3_i_i_i_i_i_i_i_i_i_

О 50 IDO 150 200 250 300 350 4С0 450 SOD t. СЭК

Рис. 2. Реакция системы на возмущающее воздействие вида

F(t) = sin 0,03 t: 1 - без регулятора, 2-c регулятором.

Установлено, что регулятор подавляет низкие частоты, поданные на вход объекта управления, вызванные суточными изменениями напряжения в сети,

изменением температуры газа, поступающего в кварцевую трубу, температуры внешней среды.

Высокие частоты возмущающего воздействия, вызванные турбулентным характером истечения инертной среды, подавляются самим объектом управления, поскольку он сам является фильтром низких частот.

О 11|||||-1 I I I

0 051-

U

о

Ф о <

-005 ■

_Q 1 _I_1_ ' '_I_I_I_I_I_

□ 20 4С Ш ВО 100 120 140 1БО 180 200

t, сек

Рис. 3. Реакция системы на возмущающее воздействие вида F(t) = sin 3-t;

1 - без регулятора, 2-е регулятором.

Осуществлено преобразование системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной оптичсскбй заготовки в дискретную форму. Проведено моделирование этой системы. Результаты аналогичны моделированию линейной системы.

Глава 3. Система управления процессом вытяжки оптических волокон из заготовки

Определена связь между управляющими воздействиями и регулируемыми параметрами в процессе вытягивания фторидного оптического волокна. Авторы работ, посвященных вытяжке кварцевых оптических волокон, исключали температуру из рассмотрения ее в качестве управляющего воздействия, считая ее фиксированной на заданном значении. В процессе же производства фторид-ных оптических волокон температуру в зоне нагрева заготовки необходимо регулировать с высокой точностью.

В работе была исследована передаточная функция по каналу «скорость вытягивания - диаметр волокна» при изменении скорости вытяжки. Исследования переходных характеристик показывают, что по мере увеличения скоростей вытягивания проблема запаздывания становится несущественной. Постоянная времени переходного процесса для конкретного типа нагревающего устройства остается практически неизменным во всем скоростном диапазоне. Однако коэффициент передачи канала зависит от скорости вытягивания. Это легко можно доказать, используя формулу:

(g) = VD2-const,

где v - скорость вытягивания волокна; d- диаметр волокна; К-скорость подачи заготовки; D - диаметр заготовки.

Определен характер требуемых изменений параметров регулятора диаметра оптического волокна при изменении скорости вытяжки (рис.4). Предложена техническая реализация адаптивного регулятора скорости вытяжки оптического волокна.

Результаты моделирования ясно показывают, что в системе регулирования диаметра оптического волокна необходимо использовать адаптивный регулятор.

80 120 160 200 240 Vb, м/мин Vb, м/мин

Рис. 4. Характер требуемых изменений параметров регулятора диаметра

оптического волокна при изменении скорости вытяжки В работе рассмотрена задача построения высокоточного привода на базе двигателя постоянного тока с привлечением методов теории систем с переменной структурой. В частности, рассмотрены алгоритмы управления на основе преднамеренной организации скользящих режимов, обеспечивающих инвариантность к параметрическим и внешним возмущениям, а также повышенное быстродействие привода.

Разработана структурная схема (рис.5) электропривода постоянного тока на скользящих режимах.

Линию переключения управляющего воздействия в фазовой плоскости координат Xj, Х2 выбираем в в и S *СЙ Но.хт=]0 £ б о в а в , чтобы переходный процесс в контуре управления заканчивался за 1рз=0,05 с при зоне допустимых отклонений найдем . Разрывное управление выбираем в виде

Лиг

Ж.

тг

Форнчотят«» линии пер«Евоч<яга

X

Рис. 5. Структурная схема электропривода постоянного тока на скользящих режимах

На вход формирователя линии переключения поступает сигнал с тахоге-нератора ТГ, пропорциональный скорости вращения электропривода (х), и сигнал, пропорциональный силе тока якорной обмотки двигателя постоянного тока

Для реализации скользящего режима необходимо применение мостового инвертора, частота переключения которого составляет 3-5 КГц, что накладывает особые требования к выбору элементной базы.

Проведено исследование работы импульсного преобразователя постоянного напряжения на биполярных транзисторах.

Определены недостатки стандартной мостовой схемы инвертора на биполярных транзисторах:

- индуктивный характер нагрузки;

- наличие противо - ЭДС;

- кратковременные, но многократные перегрузки по току;

- близость этапа пуска к режиму короткого замыкания.

Обоснован выбор IGBT транзисторов в качестве элементной базы для построения мостового инвертора.

Осуществлен синтез системы регулирования скорости вращения электропривода постоянного тока на скользящих режимах.

Проведено моделирование АСР скорости вращения электропривода постоянного тока с ПИ регулятором и на скользящих режимах, которое показало: 1. Время переходного процесса с ПИ регулятором составляет 0,17 сек, а в системе на скользящих режимах - 0,05 сек.

2. Система регулирования скорости вращения электропривода постоянного тока на скользящих режимах инвариантна по отношению к внешним возмущениям.

Проведено моделирование системы регулирования диаметра оптического волокна с ПИ и с релейным регулятором скорости вращения электропривода.

Схема моделирования показана на рис. 6 Результаты моделирования показаны на рис.7.

Преимущества применения скользящего режима регулирования скорости вращения электропривода очевидны: время подавления возмущающего воздействия в системе с релейным регулированием скорости вращения электропривода на 32% меньше, чем в системе с ПИ регулированием скорости вращения.

I

Рис. 6. Схема моделирования системы регулирования диаметра оптического волокна

Рис. 7. Реакция системы регулирования диаметра оптического волокна на возмущающее воздействие с использованием для регулирования скорости вращения электропривода постоянного тока: 1 - ПИ регулятора, 2 - скользящего режима.

Глава 4. Техническая реализация системы стабилизации температурных режимов в зоне нагрева фторидной оптической заготовки

Основным условием практической реализации системы автоматического управления процессом нагрева фторидной заготовки является решение информационной задачи - контроля температуры зоны формования - «луковицы», в которой и осуществляется перетяжка заготовки в волоконный световод. В предыдущих главах рассматривался контроль температуры в зоне нагрева фторид-ной заготовки, т. е. температуры среды, в которой формируется «луковица». Однако в этом случае нет информации о температуре в самой заготовке. А ведь именно от температуры нагрева самой зоны формования («луковицы») зависит качество вытягиваемых волокон.

Существует большое разнообразие типов датчиков температуры. Однако проведенный анализ известных средств автоматического контроля температуры показал, что ни одно из известных устройств не может быть использовано для решения указанной задачи в силу специфических свойств конструкции узла нагрева заготовки.

При перетяжке фторидной оптической заготовки в волоконный световод необходимо исключить контакт «луковицы» и чувствительного элемента датчика. Поэтому использование контактных средств измерения температуры «луковицы» (термопар, термометров, терморезисторов и т. д.) недопустимо в технологии производства фторидных оптических волокон. Использование пирометра влечет за собой ряд трудностей, связанных с помещением его в зону нагрева заготовки.

Основная проблема заключается в том, что процесс формования проводится внутри кварцевого цилиндра, поверхность которого в процессе нагрева разогревается до температуры, существенно большей, чем температура зоны формования. В работе приводятся результаты исследования узла нагрева заготовки с помощью тепловизионной установки. Из приведенных рисунков следует, что зона формования недоступна для чувствительного элемента тепловизора. Таким образом, для измерения температуры самой зоны формования («луковицы») данный способ не подходит.

Таким образом, единственный способ измерения температуры самой заготовки заключается в использовании датчиков, основанных на передаче ИК излучения.

Сама конструкция нагревательной печи, диапазон контролируемых температур создают предпосылки к применению оптического способа измерения температуры, основанного на передаче ИК излучения от нагретого конца заготовки к фотоприемнику. В данном случае фторидная заготовка, обладающая волноводной структурой, сама является средством передачи информации.

Все тела с температурой выше абсолютного нуля обладают электромагнитным излучением, которое вызвано движением их атомов и молекул. Спектр. и интенсивность этого излучения зависят от температуры тела. Спектральное распределение излучения «абсолютно черного тела» может быть выражено уравнением Планка:

Л5 ехр(С2/Л©)-1

ал,

(5)

где 0 - абсолютная температура, 0К; X - длина волны, см; - спектральная излучательная (лучеиспускательная) способность, т. е. энергия излучения абсолютно черного тела с единицы поверхности, в интервале длин волн с!А., обычно измеряется в вт/см • мкм; €]= 2пЪсг- 3,74 10"12 вт-см2, С2= Ьс/к= 1,44 см • град, Н

- постоянная Планка; с - скорость света; k - постоянная Больцмана.

Для измерения температуры использован метод «двух цветов», При этом измеряется интенсивность излучения на двух длинах волн, входящих в спектр излучения, и по их соотношению определяется температура.

Вытяжка фторцирконатных и фторгафнатных оптических волокон происходит в диапазоне 280-5-320 °С (в зависимости от содержания входящих в состав стекла компонентов). На рис. 8 представлены зависимости интенсивности излучения от длины волны для температур 280°С и 320°С.

Для измерения температуры можно выбрать любые две длины волны. Однако фотоприемники для длины волны X > 2,2 мкм более дорогие и в процессе работы должны охлаждаться. Поэтому выберем длины волн: мкм и Я,2=2,2 мкм.

На рис. 9 представлено отношение спектральных излучательных способностей при 2 мкм и 2,2 мкм.

Характер отношения спектральных излучательных способностей на выбранных длинах волн обладает линейной зависимостью. ,

Длина волны, мкм Температура, °С

Рис. 8 Рис- 9

Предложена технологическая схема измерения температуры «луковицы».

Разработаны схемы подключения датчика температуры зоны формования к компьютеру.

Для обработки результатов измерения была разработана программа, которая считывает информацию по каждому из каналов, соогветствующих измерению спектральной излучательной способности на выбранных длинах волн,

рассчитывает частное от полученных результатов и преобразует полученный результат в значение температуры.

Предложена техническая реализация релейного регулятора канала управления «ин - Он». Предложена техническая реализация инвертора, реализующего линию скольжения в системе автоматического регулирования скорости вращении электропривода постоянного тока, на ЮВТ модулях.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследована конструкция модуля нагрева фторидной заготовки, как объекта автоматического управления. Проведена экспериментальная идентификация модуля нагрева фторидной заготовки путем снятия переходных характеристик по двум каналам управления. Путем аппроксимации переходных характеристик получена математическая модель процесса нагрева фторидной оптической заготовки по двум каналам управления.

2. Проведен анализ спектрального состава возмущающих воздействий в процессе нагрева фторидной заготовки, который позволяет судить о рассматриваемом процессе, как о широкополосном случайном процессе, спектр пространственных частот которого заключается в диапазоне от 0 до 1,7 Гц.

3. Предложены функциональная и структурная схемы системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторид-ной оптической заготовки, включающей два управляющих воздействия:

- изменение напряжения, подаваемого на обмотку печи нагрева фторидной заготовки;

- изменение расхода инертного газа, подаваемого в зону нагрева.

4. Проведен синтез системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной заготовки с желаемым распределением корней характеристического уравнения, обеспечивающей требуемый характер переходного процесса системы.

5. Выполнено моделирование системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной оптической заготовки, позволившее определить интервал ее эффективности.

6. Осуществлено преобразование системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной оптической заготовки в дискретную форму, позволяющее использовать полученную модель процесса нагрева в цифровых системах управления.

7. Проведен анализ передаточной функции по каналу «скорость вытягивания - диаметр волокна» при изменении скорости вытяжки. Определен характер требуемых изменений параметров регулятора диаметра оптического волокна при изменении скорости вытяжки.

8. Осуществлен синтез системы регулирования скорости вращения электропривода постоянного тока в классе линейных систем и сис-

3-8240

тем с разрывным управлением, подтвердивший высокую эффективность скользящих режимов в контуре регулирования диаметра волокна.

9. Предложен новый принцип измерения температуры зоны формования («луковицы»), основанный на передаче ИК излучения по фто-ридной заготовке.

10 Предложена техническая реализация релейного регулятора канала управления «^ - Он» и инвертора, реализующего линию переключения в АСР скорости вращения электропривода постоянного тока на скользящих режимах, на ЮВТ модулях.

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. Круглова С. В., Румянцев Ю. Д Система автоматической стабилизации температурных режимов в процессе производства фторидных волокон. Тезисы доклада Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2001) -Мл МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2001. - с. 176

2. Круглова С. В, Румянцев Ю. Д. Исследование температурных режимов в процессе производства фторидных волокон. Тезисы доклада Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной - промышленности» (Текстиль-2002). - М: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2002. - с 162.

3. Круглова С. В., Румянцев Ю. Д. Регулирование температуры нагревания. заготовки. Сборник научных трудов аспирантов. - 2002, вып. 4, - с. 99,

4. Круглова С. В, Смирнова М. А, Румянцев Ю. Д. Система автоматического управления процессом нагревания фторидных заготовок. Сборник« научных трудов аспирантов. - 2003, вып. 6. - с. 69.

5. Круглова С. В, Суханова З. Л, Тимохин А. Н. Исследование привода постоянного тока на скользящих режимах в программе МаЙаЬ. Тезисы доклада Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности» (Инфо-текстиль-2004) -М.: МГТУ им А Н. Косыгина, 2004. - с. 82.

ИД №01809 от 17.05.2000

Подписано в печать 11.05.04 Сдано в производство 11.05.04 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Уч.-издл. 0,75 Заказ 234 Тираж 80

Электронный набор МГТУ, 119991, ул. Малая Калужская, 1

Введение

Глава 1. Математическая модель процесса нагрева фторидной оптической заготовки

1.1 Анализ методов, средств, технологий производства фторидных оптических волокон.

1.2 Конструкция башни вытяжки фторидных оптических волокон.

1.3 Модуль нагрева заготовки.

1.4 Исследование модуля нагрева фторидной заготовки как объекта управления.

1.5. Выводы по главе.

Глава 2. Синтез системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной оптической заготовки

2.1. Исследование температурных полей в зоне нагрева фторидной оптической заготовки.

2.2 Функциональная и структурная схемы системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной оптической заготовки.

2.3 Синтез системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной заготовки с желаемым распределением корней характеристического уравнения.

2.4. Моделирование системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной оптической заготовки.

2.5. Дискретная модель системы стабилизации температурных режимов в зоне нагрева фторидной оптической заготовки.

2.6. Выводы по главе.

Глава 3. Система управления процессом вытяжки оптических волокон из заготовки

3.1. Анализ управляемого процесса вытяжки.

3.2.У правление двигателем постоянного тока на скользящих режимах.

3.3. Функциональная схема электропривода постоянного тока на скользящих режимах.

3.4. Моделирование электропривода постоянного тока.

3.5. Выводы по главе.

Глава 4. Техническая реализация системы стабилизации температурных режимов в зоне нагрева фторидной оптической заготовки

4.1. Анализ средств контроля температуры зоны формования - «луковицы»

4.2. Основные теоретические предпосылки к применению оптического метода контроля температуры.

4.3. Техническая реализация датчика температуры зоны формования.

4.4. Техническая реализация релейного регулятора канала управления «U,, - 0„».

4.5. Инвертор на IGBT модулях.

4.6. Выводы по главе.

Выводы по диссертационной работе.

Актуальность работы. Повышение интенсивности технологических процессов предопределяет использование современных методов и средств контроля качества продукции и технологических параметров, а также управления этими процессами, что требует наличия обширной и достоверной первичной информации о состоянии контролируемых и управляемых объектов. Использование оптоэлектрон-ных преобразователей, в том числе и инфракрасных, работающих по принципу отражения, поглощения и фазовых сдвигов, позволяет контролировать большое число технологических параметров, к которым можно отнести геометрические размеры текстильных продуктов, их поверхностную и линейную плотность, влажность, температуру, пороки и дефекты и т.д. Сочетание полупроводниковых источников и приемников излучения с волоконными световодами позволяет осуществить бесконтактный контроль и измерения в труднодоступных местах, в агрессивных средах, а также в зонах с повышенной температурой. При этом немаловажную роль в решении этих задач играют свойства, параметры и конструкция волоконных световодов, обеспечивающих не только передачу информации и оптическое сопряжение источников и приемников излучения, но и являющихся в ряде случаев первичными преобразователями полезной информации. Фторидные стекла считаются в настоящее время наиболее перспективными для создания световодов со сверхнизкими оптическими потерями в инфракрасном диапазоне. Фторидные стекла — это материалы с широким диапазоном прозрачности от глубокого ультрафиолета до средней ИК области спектра [1, 2]. Однако процесс производства фторидных оптических волокон сопряжен с трудностями, связанными с кристаллизационной способностью фторидных стекол, требующими точного регулирования температуры в зоне нагрева заготовки. В силу указанного, тема диссертационной работы, посвященная вопросам регулирования температурных режимов в зоне нагрева фторидной заготовки, является весьма актуальной.

Экспериментальные исследования проводились на базе имеющегося оборудования ФГУП «Всероссийского научно-исследовательского института химической технологии».

Работа проводилась в соответствии с календарным планом по научно-исследовательской теме «Теоретическая разработка методов контроля технологических параметров текстильного производства на базе оптоэлектронной техники с использованием оптических волокон», выполняемой по единому заказ-наряду Министерства образования Российской Федерации.

Цель и задачи работы. Целыо настоящей работы является исследование и разработка системы автоматической стабилизации температурных режимов в процессе производства фторидных оптических волокон, а также унифицированных компонентов системы управления процессом производства оптических волокон, обеспечивающих получение конечного продукта с заданными физико-механическими свойствами. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ особенностей технологического процесса вытягивания фто-ридного оптического волокна. Исследование существующих методов, средств и технологий вытягивания.

2. Экспериментально-теоретическое исследование модуля нагрева фто-ридной оптической заготовки, как объекта управления.

3. Получение математической модели процесса нагрева фторидной заготовки и разработка общего алгоритма управления этим процессом.

4. Выбор структуры системы автоматической стабилизации температурных режимов в зоне нагрева фторидной оптической заготовки.

5. Синтез двухконтурной системы автоматической стабилизации температурных режимов в зоне нагрева фторидной оптической заготовки.

6. Разработка и исследование системы управления электроприводом постоянного тока на скользящих режимах.

7. Разработка волоконно-оптического датчика температуры зоны формования фторидной заготовки. 5

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса нагрева фторидной заготовки. Результаты параметрической идентификации.

2. Принцип управления процессом нагрева фторидной заготовки с использованием в качестве управляющего воздействия расхода инертной среды.

3. Двухканальная структура системы управления процессом нагрева фторидной заготовки.

4. Имитационная модель системы управления процессом нагрева заготовки.

5. Оптоэлектронный способ измерения температуры нагрева фторидной заготовки.

6. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования разработанных алгоритмов и схем.

Методика проведения исследований. В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. При построении математической модели процесса нагрева фторидной заготовки применялся метод экспериментальной идентификации и компьютерной обработки информации. Теоретические исследования основывались на методах современной теории автоматического управления и теории скользящих режимов. Экспериментальная часть исследований проводилась с использованием высокоточных регулирующих и измерительных приборов. Для исследования алгоритмов управления использовались методы математического моделирования в среде Mallab.

Научная новизна. Исследована конструкция модуля нагрева фторидной заготовки, как объекта автоматического управления. Предложена математическая модель процесса нагрева заготовки. Проведено исследование статических и динамических характеристик температурных полей в зоне нагрева фторидной заготовки. Разработана система стабилизации температурных режимов в процессе вытяжки фто-ридных оптических волокон, использующая в качестве основного управляющего воздействия изменение расхода газа, подаваемого в зону нагрева.

Разработан волоконно-оптический датчик температуры зоны формования фторидной заготовки.

Достоверность результатов работы. Адекватность полученных .моделей процесса нагрева фторидной заготовки и системы управления подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

Практическая ценность. Полученные научные результаты могут быть использованы при создании и совершенствовании систем управления процессами вытяжки оптических волокон.

Развиваемые в диссертации методы управления процессом вытягивания могут найти применение для автоматизации аналогичных операций в производстве химических волокон, а также других продуктов, получаемых путем вытягивания из расплавов.

Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2001, Текстиль-2002), Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности» (Инфотекстиль-2004).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 75 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 65 иллюстраций.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследована конструкция модуля нагрева фторидной заготовки, как объекта автоматического управления. Проведена экспериментальная идентификация модуля нагрева фторидной заготовки путем снятия переходных характеристик по двум каналам управления. Путем аппроксимации переходных характеристик получена математическая модель процесса нагрева фторидной оптической заготовки по двум каналам управления.

2. Проведен анализ спектрального состава возмущающих воздействий в процессе нагрева фторидной заготовки, который позволяет судить о рассматриваемом процессе, как о широкополосном процессе, спектр пространственных частот которого лежит в пределах от 0 до 1,7 Гц.

3. Предложены функциональная и структурная схемы системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной оптической заготовки, включающей два управляющих воздействия:

- изменение напряжения, подаваемого на обмотку печи нагрева фторидной заготовки;

- изменение расхода инертного газа, подаваемого в зону нагрева.

4. Проведен синтез системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной заготовки с желаемым распределением корней характеристического уравнения, обеспечивающий требуемый характер переходного процесса системы.

5. Выполнено моделирование системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной оптической заготовки, позволившее определить интервал ее эффективности.

6. Осуществлено преобразование системы автоматического управления температурным режимом нагрева фторидной оптической заготовки в дискретную форму, позволяющее использовать полученную модель процесса нагрева в цифровых системах управления.

7. Проведен анализ передаточной функции по каналу «скорость вытягивания — диаметр волокна» при изменении скорости вытяжки. Определен характер требуемых изменений параметров регулятора диаметра оптического волокна при изменении скорости вытяжки.

8. Осуществлен синтез системы регулирования скорости вращения электропривода постоянного тока в классе линейных систем и систем с разрывным управлением, подтвердивший высокую эффективность скользящих режимов в контуре управления диаметром волокна.

9. Предложен новый принцип измерения температуры зоны формования («луковицы»), основанный на передаче ПК излучения по самой фторидной заготовке.

10.Предложена техническая реализация релейного регулятора канала управления «UH - ©■,» и инвертора, реализующего линию переключения в АСР скорости вращения электропривода постоянного тока на скользящих режимах, на ЮВТ модулях.

1. Горюнова Н. А., Коломиец В. Т., Шило В. П. // Журнал технической физики. -1958. - Т.28. №5. -с. 981.

2. Мюллер Р. Л., Орлова Г. М., Тимофеева В. Н., Терновая Т. И. // Вести ЛГУ. Физика и химия. 1962-№22. Вып. 4-с. 146.

3. Williams J.R. Proc. 6th Int. Symp. on Halide Glasses, IV 1989. Mater. Sci. Forum.-1991.-r. 521.

4. Pureza Pablo C., Brower Darlel Т., Aggarwal Ishwar D. // Communications the American Ceramic Sosiety. 1989-vol.72.-№ 10-r. 1980.

5. Mitachi S., Miyashita Т., Manabe T. // Electron. Lett. -1981. vol. 17. -r. 128.

6. Кацуяма Т., Мацумура X. Инфракрасные волоконные световоды. М.: «Мир». 1992.-272 с.

7. Mitachi S., Miyashita Т., Kanamori Т. // Electron. Lett. 1981- vol. 18-r. 59.

8. Mitachi S. et al. //J. of App. Phys. -1981.- vol. 20. r. 5.

9. Miyashita Т., Manabe Т., // IEEE of Quantum Electronics. 1982. - QE-18, № 10. -r. 1432.

10. Kobayashi S., Shibata N., Shibata S., Isawa T. // Review Elect. Comm. Labor. -1978. vol. 28, № 3-4. - r. 453.

11. Mumeru S., Muramumi T. // Electron. Lett. 1982. - vol. 18. - r. 170.

12. Ohishi Y., Mitachi S., Tacahashi S. // J. Lightwave Technol. 1984. - LT-2, r. 593.

13. Tran D. C., Fisher C.F., Siegel G.H. // Electron. Lett. 1982. - vol. 18. - r. 865.

14. Tokiwa A. et al. // Electron. Lett. 1985. - vol. 21. - r. 1131.I

15. Fujiura K., Ohishi Y., Takahashi S. Proc. of 6 Int. Symp. on Halide Glasses VI. -1989. -Mater Sci. Forum. r.45.

16. Fujiura K., Ohishi Y., Takahashi S. //Japan J. of Appl. Phys. 1989. - vol.28, №1. -r. 147.

17. Mitachi S., Afiyashita Т., Kanarnori T. // Electron, lett. -1981. vol. 17. - r. 591.

18. Tran D.C., Fisher C. F., Sigel G. H. lr. // Electron. Lett. -1982. vol. 18. - r. 657.

19. Andrews W., Coulson D., Rosman G. 7th Int. Symp. on Halide Glasses Symp. Proceedings, Lome, Victoria, Australia. — 1991. r. 8.65.

20. Kobert A. et al. Abstracts of 5th Int. Symp. on Halide Glasses, Frankfurt, FRG. -1989. r. 201.

21. Kobert A. et al. Proc. of 6th Int. Symp. on Halide Glasses VI, 1989. Mater Sci. Forum. r. 401.

22. Sanghera J., Harbison B.B., Aggarval I.D. 7th Int. Symp. on Halide Glasses, Symp. Proceedings, Lome, Victoria, Australia. —1991. — r. 4.1.

23. Drexhage M.G., Bendow В., Lorentz T. Tech. Digest 3rd Int. Conf. on Integrated Optics and Optical Fiber Communications, 32 (1981).

24. Дианов E. M. и др. Материалы всесоюзного совещания по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применение в народном хозяйстве. 16-17 марта 1988.-Л., 1989.-е. 132.

25. Broer М. et al. Abstracts of 5lh Int. Symp. on Halide Glasses, r. 401.

26. Broer M. et al. Proc. of 5th Int. Symp. on Halide Glasses VI, 1989. -Mater Sci. Forum. r.39.

27. Broer M., Walker K.L.//SPIE Proc. 1986-vol. 618.-r. 10.

28. Fujiura K., Ohishi Y., Takahashi S. Proc. of 6lh Int. Symp. on Halide Glasses VI. -1989. -Mater Sci. Forum. r.45.

29. Tran O.C., Burke M.J., Sigel G.N., Levin K.N. Tech. Dig. Conf. on Optical Fiber Communication , New Orleans, LA. 1984. p 182.

30. Tran D. C., Sigel G. H. lr., Bendow B. //J. Lightwave Technol. -1984. LT-2. - r. 566.

31. Fujiura K., Ohishi Y., Takahashi S. // Japan J. of Appl. Phys. 1989. - vol.28. №1. -r. 147.

32. Tran D.C., Ginther R.I., Sigel G. H. Mater. Res. Bull. -1982. vol. 17. - r. 1177.

33. Mimura У., Tokiwa H., Shinbori O. // Elektron. Lett. -1984. vol. 20. - r. 100.

34. Robinette S.// Journal of Non-Crystalline Solids.- 1979-vol.33, -r. 279.

35. Tokirwa И., Mimura У., Nakai Т., Shinbori О. // Electron. Lett. -1985. vol. 21. -r. 1131.

36. Nakai Т., Mirnura Y., Shinbori O., Tokiwa H. // Japan. J. Appl. Phys. -1986. vol. 25.-r.704.

37. Nang T.T., Okuda M., Matsushita T. // Journal of Non-Crystalline Solids. -1979.-vol. 33, №3. — r. 311.

38. Voight В., Dresler G. // Journal of Non-Crystalline Solids. 1983. - vol. 58, №1.-r. 41.

39. Федоров В. Д., Сахаров В. В, Басков П. Б., Круглова С. В. И др. Отчет НИ-ОКР: Создание специальных радиационно-стойких стекол и волокон. ТИ 2536. -М.: 2002г.-112 с.

40. Регулятор микропроцессорный МИНИТЕРМ 300.31. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: МЗТА, 1996. — 48 с.

41. Жовинский А. Н., Жовинский В. Н. Инженерный экспресс-анализ случайных процессов. М.: Энергия, 1979. - 112 с.

42. Иванова В.М., Калинина В.Н. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1975 г. - 567 с.

43. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. — М.: Высшая школа, 1977.-479 с.

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

45. Балакирев В. С., Дудников Е. Г., Цирлин А. М. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления. -М.: Энергия, 1967. 236 с.

46. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов: Пер с англ. -М.: Мир, 1971.-408 с.

47. Круглова С. В., Румянцев Ю. Д. Регулирование температуры нагревания заготовки. Сборник научных трудов аспирантов. — 2002, вып. 4. — с. 99.

48. Круглова С. В., Смирнова М. А., Румянцев Ю. Д. Система автоматического управления процессом нагревания фторидных заготовок. Сборник научных трудов аспирантов. 2003, вып. 6. - с. 69.

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

50. Воронов А.А. Введение в динамику сложных управляемых систем. — М.: Наука, 1985.-351 с.

51. Петелин Д. П.,Козлов А. Б., Джелялов А. П., Шахнин В. Н. Уч. Пособие: Автоматизация технологических процессов в текстильной промышленности. — М.: Легкая индустрия, 1980. 320 с.

52. Фельдбаум А. А. Электрические системы автоматического регулирования. -М.: Оборонгиз, 1957. 806 с.

53. Дьяконов В., Круглов В. Matlab, Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 448 с.

54. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и z-преобразования. М.: Наука, 1971. -288 с.

55. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. — М.: Высшая школа, 1975. 408 с.

56. Домрачев В.Г., Смирнов Ю.С. Цифроаналоговые системы позиционирования. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 240 с.

57. Иванов В.А., Ющенко А.С. Теория дискретных систем автоматического управления. — М.: Наука, 1983. — 483 с.

58. Джури Э. Импульсные системы автоматического регулирования. — М.: Физ-матгиз, 1963.-223 с.

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

60. Румянцев Ю.Д. Система управления процессом производства волоконныхсветоводов с адаптацией на скользящих режимах. Дис.канд. тех. наук. М.,1990г.-204 с.

61. Старченко С. А. Система автоматического управления процессами вытяжки и намотки оптического волокна. Дис.канд. тех. Наук. М., 2001г. — 168 с.

62. Ходаковский М.Д. Исследование влияния процесса формования на разнотолщинность непрерывного стеклянного волокна. Дис. канд. тех. наук. 1. М:, 1964 г.-194 с.

63. Stone F., Tariyal В.// Journal of Non-Crystalline Solids. 1980. - vol. 42, №3. - r. 247.

64. Lidtin J. D., Meyer F. // Acta electronika. 1979. - vol.22, №3. - r. 225.

65. Paul S. et al. // Communications the American Ceramic Sosiety. 1983. - №5.

66. Уткин В.И. Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой. М.: Наука. 1974. -272 с.

67. Уткин В. И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. — М.: Наука. 1981. -368 с.

68. Краснопрошина А. А., Скаржепа В. А., Кравец П. И. Электроника и микросхемотехника. Часть 2. Киев: Выща школа. 1989.-304 с.

69. Герман-Галкин С. Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. -СПб.: Учитель и ученик, Корона принт, 2002. 304 с.

70. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат. Ле-нингр. отд-ние, 1990.-256 с.

71. Брамсон М. А. Инфракрасное излучение нагретых тел. М.: Наука. 1965. -221 с.

72. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. Клюева В. В. М.: Машиностроение. 1976. - 391 с.