Исследование и разработка двумерной системы управления процессом формования оптических волокон на базе интеллектуальных сервоприводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Соколова, Татьяна Владимировна

• Соколова, Татьяна Владимировна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соколова, Татьяна Владимировна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка двумерной системы управления процессом формования оптических волокон на базе интеллектуальных сервоприводов»

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.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Соколова, Татьяна Владимировна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соколова, Татьяна Владимировна, 2010 год

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.