Система автоматического управления температурным режимом нагрева заготовки при производстве фторидных волокон тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Круглова, Светлана Валерьевна

• Круглова, Светлана Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Круглова, Светлана Валерьевна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система автоматического управления температурным режимом нагрева заготовки при производстве фторидных волокон»

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.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Круглова, Светлана Валерьевна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Круглова, Светлана Валерьевна, 2004 год

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.