Идентификация и автоматическое управление технологическим процессом вытяжки оптического волокна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Галиуллин, Ренат Шагитович

• Галиуллин, Ренат Шагитович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Галиуллин, Ренат Шагитович

Введение.

1. Исследование вопроса автоматического управления и идентификации технологического процесса вытяжки оптического волокна.

1.1 Технология производства оптического волокна.

1.2 Задача идентификации нелинейных объектов типа Гаммерштейна.

2. Идентификация технологических объектов со структурой Гаммерштейна.

2.1 Постановка задачи.

2.3 Определение оптимальных планов идентификации.

2.4 Идентификация объекта со структурой Гаммерштейна с известной входной динамической структурой.

3. Контур управления диаметром вытягиваемого оптического волокна.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Алгоритмы оптимального управления контуром стабилизации диаметра.

3.2.1 Робастный алгоритм

3.2.2 Адаптивный алгоритм

3.3 Алгоритм оценивания тренда диаметра вытягиваемого волокна.

4. Контур управления натяжением вытягиваемого оптического волокна.

4.1 Построение моделей вытяжки оптического волокна.

4.2 Адаптивный апериодический регулятор в контуре стабилизации натяжения.

4.3 Алгоритм оптимального управления контуром стабилизации натяжения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Идентификация и автоматическое управление технологическим процессом вытяжки оптического волокна»

Актуальность работы. Быстрое развитие новых технологий открыло возможности для передачи различных видов информации с использованием общей телекоммуникационной среды, каналы связи которой используют в качестве направляющих систем волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Преимуществами ВОЛС являются широкая полоса пропускания и малое затухание светового сигнала в оптическом волокне, которое позволяет строить участки линий без ретрансляций протяженностью до 100 км и более. Максимально допустимая длина участка без использования ретрансляции определяется основными характеристиками волокна — коэффициентом затухания и коэффициентом хроматической дисперсии. Вытяжка оптических волокон с требуемыми характеристиками относится к классу высоких технологий, конкретно настраиваемых на выполнении ряда требований, вытекающих из свойств каждой вытягиваемой заготовки, так называемой преформы.

Построение системы автоматического управления вытяжки волокна, в свою очередь, требует построения адекватных моделей управляемого объекта. В качестве объекта управления рассматривается зона перетяжки оптического волокна, в которой формируются заданные натяжение и диаметр вытягиваемого волокна. Как следует из аналитических описаний и проведенных экспериментальных исследований в ОАО «Особое конструкторское бюро кабельной промышленности» (г. Мытищи), натяжение вытяжки определяется поверхностным натяжением и формой капли расплава, формируемыми в зоне перетяжки. Форма капли расплава зависит от температуры в печи и скорости вытяжки, в большой мере определяет качество оптического волокна. Эти данные позволяют предположить, что объект управления может быть математически описан как нелинейный объект со структурой Гаммерштейна.

Определение параметров модели можно произвести методом активной идентификации объекта управления, алгоритм которой предложен Б.К. Чостковским и A.A. Юдашкиным. А так как идентификация производится в рабочем режиме вытяжки очередной преформы, то необходимо минимизировать время идентификации и выбрать оптимальную величину интервала квантования по времени.

При технической реализации разработанной системы управления всегда предусматривается некоторый исполнительный орган, который формирует рассчитанное управляющее воздействие цифрового регулятора на входе объекта. Исполнительный орган описывается некоторой динамической характеристикой, поэтому для применения известной процедуры активной идентификации необходима её адаптация, с учетом дополнительной инерционности на входе объекта со структурой Гаммерштейна.

Технологический процесс вытяжки оптического волокна как объекта управления характеризуется наличием нелинейности и транспортным запаздыванием, которые должны учитываться при разработке алгоритмов автоматического управления. Нелинейность статических характеристик должна быть учтена при синтезе алгоритмов управления.

Для минимизации потерь готовой продукции при вытяжке оптического волокна необходимо обеспечить нужную эффективность управления как в стационарном режиме вытяжки, так и в переходных режимах разгона башни вытяжки, когда скорость вытяжки увеличивается от начального до заданного значения.

В связи с этим, актуальной задачей является построение адекватных моделей зоны перетяжки оптического волокна как объекта управления, а также разработка системы автоматического управления натяжением и диаметром вытягиваемого волокна в условиях возмущения по скоростям вытяжки, подачи преформы и её диаметру.

Цель работы. Основная цель диссертационной работы состоит в разработке метода активной идентификации и синтезе автоматизированной системы управления технологическим процессом вытяжки оптического волокна, что приводит к сокращению доли выпускаемого некондиционного волокна.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Выбор и исследование методов идентификации технологического процесса вытяжки оптического волокна.

2. Определение оптимальных параметров эксперимента при идентификации исследуемого технологического объекта со структурой Гаммерштейна по экспериментальным данным.

3. Синтез алгоритмов управления технологическим процессом вытяжки оптического волокна.

4. Компьютерное моделирование процесса автоматической вытяжки оптического волокна.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, аппарата г-преобразований, теории автоматического управления, теории дискретных систем управления, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.

Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области математического моделирования и синтеза систем автоматического управления технологическим процессом вытяжки оптического волокна.

В диссертации получены следующие основные научные результаты: 1. Методика идентификации технологического процесса вытяжки оптического волокна как объекта автоматического управления, которая отличается от известных использованием компенсационных звеньев с цепочечной структурой, что позволяет компенсировать инерционность исполнительного устройства.

2. Получено новое представление технологического процесса вытяжки оптического волокна по экспериментальным данным, которое отличается вводом нелинейности в структуру объекта, что позволяет получить оптимальное решение задачи синтеза системы автоматического управления объектом со структурой Гаммерштейна для данного процесса.

3. Получено решение задачи оптимального управления процессом в стационарном и нестационарном режимах вытяжки оптического волокна, которое отличается от известных учетом влияния тренда диаметра преформы, что позволяет определить алгоритм корректировки скорости её подачи.

4. На основе впервые полученных математических моделей зоны перетяжки найдены оптимальные настройки цифрового регулятора системы автоматического управления натяжением вытяжки, которые отличаются определением их аналитических зависимостей от скорости вытяжки, что позволяет обеспечить заданное значение натяжения и сократить выпуск некондиционного волокна.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами: методикой построения математических моделей, описывающих с достаточной точностью процесс вытяжки оптического волокна, структуру которых можно представить в форме Гаммерштейна; разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение процедур синтеза систем управления технологическим процессом вытяжки оптического волокна в стационарном и нестационарном режимах работы; разработаны и практически применены алгоритмы управления технологическим процессом вытяжки оптического волокна, обеспечивающие заданные параметры вытяжки в условиях изменения скоростей вытяжки, подачи преформы и её диаметра. Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы в виде алгоритмического, математического, программного и аппаратного обеспечения при разработке и внедрении автоматизированных информационно-управляющих систем процессом изготовления волоконно-оптических кабелей в ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания», а также в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационно - измерительные и управляющие системы (ИИУС-2010)» (Самара, 2010), Международном научном конгрессе «Нейробиотелеком-2010» (Санкт-Петербург, 2010), VII Всероссийской научно-практической конференции «Молодежь и современные информационные технологии (Томск, 2011),. Международной научно-практической конференции «Наука и современность - 2011» (Новосибирск, 2011), I Международной заочной научно-технической конференции «Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации ITRT-2011» (Тольятти, 2011), Международной IEEE Сибирской Конференции по управлению и связи SIBCON-2011) (Красноярск, 2011).

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 9 печатных работ, из них 2 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 102 страницах машинописного

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Галиуллин, Ренат Шагитович

Выводы

1) Построена структурная модель системы автоматического управления натяжением вытягиваемого оптического волокна, с учетом влияния скорости вытяжки, скорости подачи преформы и её диаметра.

2) Получены зависимости оптимальных настроек регулятора от параметров объекта управления системы управления натяжением вытягиваемого волокна в пространстве состояний, позволяющие построить адаптивный алгоритм управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты

1) Предложена методика и условия идентификации технологического процесса вытяжки оптического волокна как объекта автоматического управления, модель которого можно представить в форме Гаммерштейна.

2) По экспериментальным данным получены математические модели и структурное представление процесса вытяжки оптического волокна, как объекта управления диаметром и натяжением вытягиваемого волокна;

3) На основе полученных математических моделей разработаны алгоритмы оптимального управления процессом вытяжки оптического волокна, позволяющие получить максимальную точность диаметра вытягиваемого волокна в нестационарном и стационарном режимах вытяжки в условиях влияния тренда диаметра преформы;

4) Получены аналитические зависимости оптимальных настроек цифрового регулятора системы автоматического управления натяжением вытяжки, обеспечивающие заданное значение натяжения в условиях возмущения по скоростям вытяжки, подачи преформы и её диаметру.

5) Получены результаты численного моделирования объектов и систем автоматического управления технологическим процессом вытяжки оптического волокна.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Галиуллин, Ренат Шагитович, 2011 год

1. Чостковский, Б.К., Тян В.К., Коляда, Н.А. Методы и системы оптимального управления технологическими процессами производства кабелей связи.-М.: Машиностроение, 2009.-189 с.

2. Васильев, В.Н., Дульнев, Г.Н., Наумник, В.Д. Исследование нестационарных условий формирования оптического волокна / В.Н. Васильев, Г.Н. Дульнев, В.Д. Наумник//ИФЖ.-1990.-Т.57.-№3.-С.499-505.

3. Волоконно-оптические системы передачи и кабели: справичник / И.И. Гроднев, А.Т. Мурадян, P.M. Шарафудзинов и др. М.: Радио и связь, 1993. -264с.

4. Дианов, Е.М. и др. Динамика тепловых процессов при вытяжке кварцевых волоконных световодов / Е.М. Дианов, В.В. Кашин, С.В.Перминов,

5. B.Н. Перминова, С.Я. Русанов, В.К.Сысоев // ЖТФ. 1987. - Т.57. -Вып.8.-С. 1562-1569.

6. Юдашкин А.А. Методы синтеза самоорганизующихся систем, обладающих памятью счетного числа состояний: автореферат. Дис. Д-ра техн. наук / А.А. Юдашкин.-Самара, 2005.-34 с.

7. Европейский патент Р226396, INT Cl. G 01 L 5/10 Non-contact monitoring of optical fibre tension by measuring fibre vibration frequency / Smith G.E. - EP479120 A.

8. Европейский патент P479120, INT Cl. G 01 L 5/04 Optical waveguide fibre tension monitoring method monitoring frecuency component of transverse motion of the fibre drawengs / Mensuh Т.О., Powers D.R., Burton1. C.D. EP226396 A.

9. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. M.: Наука, 1974. - 712 с.

10. Merki Н.А. Control of diameter and capacitance of products with cellular insulation //Wire bid., 1983, vol. 50, 389, p. 39-42.

11. Kaijoka H., Sone F. Improvement of transmission characteristics of superconductive coaxial cable. Spectral analysis of dimensional irregulaty of rawmaterials of coaxial cable // JEE Transactions on communications. 1978, 25, №10, C. 1153-1163.

12. П.Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. M.: Энергия, 1972.

13. Tchostkovski В. Method and apparatus for measuring tension in a moving strand. Patent Application Great Britain (G B). G В 2291507. 24.01.1996.

14. Tchostkovski В., Shipilov S. Method and apparatus for measuring tension in a moving strand. International Application Published under the Patent Coopération Treaty (PCT)/ wo 9601984. 25.01.1996.

15. Патент РФ №2154812. Устройство измерения натяжения вытяжки оптического волокна / Чостковский Б.К., Чостковский Д.Б., Штайнике Г., Виттманн М. 2000. БИ №23, 2000.

16. Патент РФ №2201583. MKUG01L 5/10. Устройство измерения натяжения оптического волокна / Чостковский Б.К. 27.03.2003. БИ №9.

17. РСТ 2001131417. Устройство для непрерывного измерения натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки. Международная заявка, опубликованная в соответствие с Договором о патентной кооперации (РСТ) / Б.К. Чостковский, 2003.

18. Патент РФ №2253848. 2005. Устройство для непрерывного измерения натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки/ Б.К. Чостковский БИ №16, 2005.

19. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления: оценивание параметров и состояния. М.: Мир, 1975. - 684 с.

20. Справочник по теории автоматического управления /Под ред. А.А. Красовского.-М.: Наука, 1987.-712с.

21. Галнуллин Р.Ш. Особенности влияния нелинейной части на математическую модель системы// Информационные техноло-гии.Радиоэлектроника. Телекоммуникации (ITRT-2011): Сб. тр. I Ме-ждунар. Заоч. Науч.-технич. Конф. Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2011. с. 140-144.

22. Девятов Б.Н., Демиденко Н.Д. Динамика распределенных процессов в технологических аппкратах, распределенный контроль и управление. Красноярск, 1976. -311 с.

23. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1983. - 367 с.

24. Липатов В.Н. Типовые процессы химической технологии как объекта управления. М.Ж Химия, 1973.-320 с.

25. Ту Ю. Современная теория управления. М.: Машиностроение, 1971.472 с.

26. Александровский Н.М., Дейч A.M. Методы определения динамических характеристик нелинейных объектов // Автоматика и телемеханика. 1968. №5. 3-11.

27. Кичатов Ю.Ф. Аналитический метод решения задачи оптимизации нелинейных систем одного класса // Автоматика и телемеханика. 1965. -№8.С. 1348-1356.

28. Попков Ю.С., Кисилев О.Н., Петров Н.П., Шмульян Б.Л. Идентификация нелинейных стохастических систем. М.Ж Энергия, 1976.440 с.

29. Пупков К.А., Капалин В.И., Ющенко A.C. Функциональные ряды в теории нелинейных систем. М.: Наука, 1976. 448 с.

30. Солодовников В.В., Дмитриев А.Н., Егупов Н.Д., Анализ и синтез нелинейных систем автоматического регулирования при помощи ряда

31. Вольтерра и ортогональных спектров //Техническая кибернетика Т.З.Ч.2. -М.: Машиностроние, 1969. С. 223-254.

32. Шенцен М. Синтез нелинейных систем в одном специальном случае // Техническая кибернетика за рубежом / Сб. переводов под ред. В.В. Со-лодовникова. М.: Машиностроние, 1968. - С. 7216-230.

33. Дробышев Ю.П. Динамические измерения для одного класса нелинейных преобразователей /Исследования в области теоретической метрологии: Сб.тр. СНИИМ. Новосибирск. Выпуск 7, 1970. С. 71-74.

34. Иванов А.И. Алгоритмы идентификации нелинейных динамических объектов, использующие детерминированные сигналы. Челябинск: Челябинский политехнический институт, 1984. - 46 с.

35. Haber R., Keviczky L. Nolinear structures for system identification// Jnt. J. System Sci. 1980. V.ll. - №4. - P. 393-404.

36. Каминскас В. Идентификация динамических систем по дискретным наблюдениям. Ч.П. Оценивание параметров нелинейных систем. Виль-ню: Москлас, 1985. 153 с.

37. Райбман Н.С., Чадаев В.М. Построение моделей процессов производства. -М.: Энергия, 1975. -374 с.

38. Райбман Н.С. Идентификация объектов управления обзор //Автоматика и телемеханика. 1979. №6. -С. 101-107.

39. Райбман Н.С., Капитоненко В.В., Овсепян Ф.А., Варлаки П.М. Дисперсионная идентификация. М.: Наука, 1981. - 336 с.

40. Сверкунов Ю.Д. Идентификация и контроль качества нелинейных элементов радиоэлектронных систем спектральный метод. М: Энергия, 1975.-97с.

41. Bamberger W., Iserman R. Adaptive on-line steadystate optimization of slow dynamic processes// Automatica. 1978. - V.14. - P. 464-468.

42. Douse J.L. Identification of a class of nonlinear systems //№4 th IFAC symp. ident. par. est.Tbilisi. 1976. -P.l-16.

43. Billings S.A., Fakhowri S.Y. Identification of systems composed of linear dynamic and static nonlinear elements //Automatica. 1982. №18. P.15-26.

44. Billings S.A., Fakhowri S.Y. Identification of nonlinear systems using correlation analysis and pseudorandom inputs // Jnt.J.Syst. Sci. 1980. №11. P.261-279.

45. Fakhouri S.Y Identification of a class of nonlinear systems with Gaussion nno-white inputs //Jnt. J. Systems Sci. 1980. -V.18.-№5.-P. 541-555.

46. Chen G.J., Lai T.L., Wei C.Z. Convergence systems and strong consistency of least squaresestimates in regression models //J.Multivar. Anal. -1981. -V.ll. -№3.-P.319-333.

47. Bunke H., Schit W.H. Asymptotic result on nonlinear approximations of regreassion functions and weighted least squnares //Math. Operations forash/ and Statist. -1980. -Vol.11. -№l.-P.3-22.

48. Буштрук А. Д. Структурная идентификация нелинейных динамических объектов// АиТ. 1989. №10. С. 84-96.

49. Справочник по теории автоматического управления/ Под ред. А.А. Красовского. М.: Наука. 1987.

50. Greblicki W., Pawlak М. Hamerstein system identification by non-parametric regression estimation// Int. J. Contr. 1987. V. 45. № l.P. 343354.

51. Чостковский Б.К., Юдашкин А.А. Активная идентификация нелинейных динамических объектов типа Гаммерштейна // АиТ, №1, 1992. С.96-103.

52. Галиуллин Р.Ш., Чостковский Б.К. Планирование эксперимента при идентификации объектов со структурой Гаммерштейна// Информационно измерительные и управляющие системы (ИИУС-2010). Материалы Международной науч.-техн. конф. - Самара, 2010, -с. 6-11.

53. Галиуллин Р.Ш. Поиск оптимальных условий построения математических моделей нелинейный объектов// «Наука и современность 2011». Междунар. Науч.-практич. Конф. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - с. 147-150.

54. Гроп Д. Методы идентификации систем. -М.: Мир, 1979. -302с.

55. Растригин Л.А., Маджаров Н.Е. Введение в идентификацию объектов управления. -М.: Энергия, 1977. -216с.

56. Волгин В.В. Методы расчета систем автоматического регулирования: Учеб. Пособ. -М.:МЭИ, 1972. -192с.

57. Галиуллин Р.Ш. Идентификация модифицированного объекта Гаммерштейна// Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». Самара: СамГТУ, 2011. №1(29). с. 6-11.

58. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 541 с.

59. Чостковский Б.К., Колпащиков С.А. Робастное регулирование непрерывного процесса изготовления длинномерных изделий. // Сб. науч тр.

60. Математическое моделирование систем и процессов управления». Самара; 1997. С. 39-47.

61. Галиуллин Р.Ш. Синтез системы управления технологическим процессом вытяжки оптических волокон // Международная ШЕЕ Сибирская Конференция по управлению и связи (SIBCON-2011) с. 301-303

62. Шварц Г.Р., Ф.Н. Рассказов, Мигачева JI.A., Кузнецов П.К., Абакумов A.M. Оптимизация систем управления электроприводными газоперекачивающими агрегатами компрессорных станций. М.: Машиностроение-!, 2006. - 292 с.

63. САМАРСКАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КАБЕЛЬНАЯ КОМПАНИЯ

64. ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «САМАРСКАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КАБЕЛЬНАЯ КОМПАНИЯ» РОССИЯ, 443022, САМАРА, УЛ. КАБЕЛЬНАЯ 9. ТЕЛ.: [phone]. ТЕЛ./ФАКС: [phone]. УТВЕРЖДАЮктор ЗАО «СОКК» С.Г. Онищенко 2011 г.

65. СПРАВКА об использовании результатов кандидатской диссертации Р.Ш. Галиуллина в ЗАО «СОКК»

66. Зав. кафедрой АУТС д.т.н., профессор1. А.Н. Чертыковцева1. В.Н. Митрошин

67. Председатель МС ФАИТ Доцент1. В.В. Зайвый