Система оптимального управления процессом охлаждения кабельной изоляции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Кретов, Дмитрий Иванович

• Кретов, Дмитрий Иванович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кретов, Дмитрий Иванович

Введение.

1. Технологический процесс производства кабелей связи.

1.1 Конструкция кабелей связи с медным проводником и полиэтиленовой изоляцией.

1.2 Технологический процесс изготовления кабеля и технологические параметры качества, формируемые на разных этапах его изготовления.

1.3 Участок охлаждения экструзионной линии как объект автоматического управления.

Выводы.

2. Применение метода конечных элементов для расчета температурных полей изоляционных покрытий.

2.1 Метод конечных элементов.

2.2 Реализация конечноэлементного метода.

Выводы.

3. Математическое моделирование процесса охлаждения изолированной кабельной жилы.

3.1 Аналитическое описание процесса охлаждения изолированной кабельной жилы.

3.2 Численное моделирование процесса охлаждения кабельной жилы.

Выводы.

4. Синтез оптимальной системы управления процессом охлаждения кабельной изоляции.

4.1 Модальное представление процесса охлаждения кабельной изоляции.

4.2 Оптимальное управление процессом охлаждения кабелей связи.

Выводы.

5. Структурное моделирование температурных полей при охлаждении изолированной кабельной жилы.

5.1 Математическое описание системы «проводник-кабельная изоляция».

5.2 Нахождение передаточных функций системы сопряженных осесимметричных тел.

5.3 Структурное представление изолированной кабельной жилы и внутреннего проводника.

Выводы.

6. Техническая реализация системы оптимального управления процессом охлаждения изолированной кабельной жилы.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система оптимального управления процессом охлаждения кабельной изоляции»

Диссертация посвящена разработке системы оптимального управления процессом охлаждения кабельной изоляции после ее наложения методом экструзии. В работе описывается технология кабельного производства. Проведено математическое и структурное моделирование процесса охлаждения экструдированных кабельных жил как объекта управления с распределенными параметрами. Синтезирована система оптимального управления процессом охлаждения.

Актуальность работы.

При производстве кабелей связи важнейшим параметром, определяющим протекание процесса, является температура. Температурные поля играют особую роль как на стадии формирования полимерной изоляции при ее наложении на медную жилу, так и при последующем охлаждении наложенной изоляции воздушно-водяным способом. Электрические и геометрические параметры кабелей связи формируются при наложении изоляции в червячных экструдерах, а процесс охлаждения кабельной изоляции определяет ее последующие эксплуатационные свойства. При несоблюдении необходимых технологических параметров в полученном кабеле возникают механические напряжения, приводящие при последующей эксплуатации к преждевременному выходу кабеля из строя.

Задача построения математической модели процесса охлаждения изолированного кабеля, алгоритмизация и управление им приобретает первостепенное значение для гарантированного качества изготавливаемого изделия и его безаварийной эксплуатации в течение достаточно длительного срока.

Проблеме повышения эффективности управления технологическими процессами кабельного производства, разработке моделей, систем и алгоритмов автоматического управления различными технологическими процессами производства кабелей связи посвящены научные исследования

А. А. Абросимова, Б.К. Чостковского, С.А. Кижаева и других авторов [1,3, 51].

До настоящего времени в научной литературе, посвященной исследованию технологии изготовления изолированных кабелей связи, процесс охлаждения либо не рассматривался вовсе, либо участок охлаждения представлялся в виде сосредоточенного звена транспортного запаздывания [58, 59]. Однако технологический процесс охлаждения изолированных кабельных жил является распределенным по своей природе. Для достижения требуемых показателей качества изготавливаемой продукции управление этим процессом также должно быть распределенным.

В этой связи получение модели описания процесса охлаждения как объекта управления с распределенными параметрами является настоятельно необходимым, т. к. система охлаждения реализуется в виде системы с распределенными параметрами.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов и систем оптимального управления процессом охлаждения изолированных кабельных жил как объектом управления с распределенными параметрами, обеспечивающих требуемые характеристики изготавливаемой продукции.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

-разработка математической модели температурного поля системы "изоляция-проводник" при охлаждении изолированной кабельной жилы после экструдирования, как объекта управления с распределенными параметрами;

-структурное моделирование исследуемого объекта управления с распределенными параметрами;

- синтез алгоритмов и способов их реализации для оптимального управления процессом охлаждения изоляционных покрытий кабельных жил как технологических объектов с распределенными параметрами.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались методы теории теплопроводности, аппарата конечных интегральных преобразований, методы теории автоматического управления, структурной теории распределенных систем, методы численного и имитационного моделирования объектов автоматического управления.

Научная новизна.

В диссертации получены следующие научные результаты:

- предложены математические модели, описывающие температурное поле в изолированной кабельной жиле на участке охлаждения экструзионной линии;

- осуществлено структурное моделирование процесса охлаждения изолированной кабельной жилы на экструзионной линии как объекта управления с распределенными параметрами;

- разработаны алгоритмы оптимального управления охлаждением кабельной изоляции с учетом фазовых ограничений на предельное значение температурного градиента изоляции, позволившее существенно улучшить технико-экономические показатели технологического оборудования и повысить качество изготавливаемой продукции.

Практическая значимость.

Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- проведенное в работе структурное моделирование процесса охлаждения изолированной кабельной жилы позволило решить задачу по определению минимальной длины ванн охлаждения, при которой достигается заданная абсолютная точность приближения результирующего радиального распределения температуры изоляции к требуемому состоянию. Это позволяет рассчитать максимально возможную скорость изолирования при сохранении гарантированной точности температурного распределения. Рост производительности при этом достигает 10 %;

- предлагаемое техническое решение позволяет в 2,7 раза уменьшить длину ванн охлаждения с подогретой водой.

Реализация результатов работы.

Полученные в работе результаты внедрены и используются в системе управления экструзионной линией ЗАО "Самарская кабельная компания".

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на второй Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 2005), третьей Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 2006), V межвузовской конференции по научному программному обеспечению (Санкт-Петербург, 2007), XII Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" (Рязань, 2007), XIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 2007), четвертой Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 2007).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемом научном издании из перечня, рекомендованного ВАК.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 115 страницах машинописного текста; содержит 35 рисунков, 3 таблицы, список литературы, включающий 62 наименования.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Кретов, Дмитрий Иванович

Выводы

1. Разработаны алгоритмы оптимального проектирования ванн охлаждения

2. Предложен вариант практической реализации системы оптимального управления

Заключение

Диссертационная работа посвящена исследованию процесса охлаждения изоляции кабелей завязи, накладываемой на проводник методом экструзии, математическому и структурному моделированию процесса, отысканию оптимальных алгоритмов управления им, а также синтезу замкнутой системы управления процессом охлаждения, как объектом с распределенными параметрами.

В работе получены следующие результаты:

1. Получено математическое описание процесса охлаждения изолированной кабельной жилы при ее охлаждении воздушно-водяным способом.

2. Рассчитаны температурные поля системы "медный проводник-полимерная изоляция" для различных условий охлаждения и различных типов кабеля.

3. Показано, что учет внутренних источников, возникающих в результате кристаллизации полимера, практически не влияет на температурное распределение в кабеле в процессе охлаждения.

4. Проведено структурное моделирование температурного поля системы проводник-изоляция в процессе охлаждения. Получена структурная схема процесса охлаждения кабельной изоляции как объекта с распределенными параметрами.

5. Осуществлен синтез системы оптимального автоматического управления процессом охлаждения изолированных кабелей связи.

6. Предложен вариант практической реализации системы автоматического управления процессом охлаждения кабельной изоляции по температуре охлаждающей воды в каждой из ванн, рассматриваемый как объект с распределенными параметрами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кретов, Дмитрий Иванович, 2007 год

1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 768 с.

2. Бульхин А.К., Кидяев В.Ф., Кижаев С.А. Автоматизация и наладка кабельного оборудования. Самара: ИЦ "Книга", 2001. - 130 с.

3. Бутковский А.Г. Структурная теория распределенных систем. -М.: Наука, 1977.-320 с.

4. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1979. - 224 с.

5. Бутковский А.Г., Пустыльников JI.M. Теория подвижного управления системами с распределенными предельными параметрами. М.: Наука, 1980.-384 с.

6. Гроднев И.И., Фролов П.А. Коаксиальные кабели связи. М.: Радио и связь, 1983. - 208 с.

7. Зиннатуллин P.P., Труфанова Н.М. Численный анализ воздушно-водяного режима охлаждения провода с полиэтиленовой изоляцией // Сборник научных трудов "Информационные управляющие системы". Пермь (ПГТУ), 2004, с. 232-238.

8. Карслоу Г., Егер Д. Операционные методы в прикладной математике. -М.: ИЛ, 1948.

9. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964.-487 с.

10. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. -М.: Высш. шк., 2001. 550 с.

11. Карякин Н.Г., Фурсов П.В. Расчет возможности образований воздушных включений в пластмассовой изоляции кабеля при охлаждении. -Электротехническая промышленность. Серия "Кабельная техника", 1977, № 5, с. 8 11.

12. Ковригин J1.A. Расчет механических напряжений в изоляции кабелей с учетом зависимости модуля Юнга от температуры // Сборник научн. тр. "Вестник ПГТУ. Технологическая механика". Пермь (ПГТУ), 2002, с. 64-70.

13. Коренев Б.Г. Введение в теорию бесселевых функций. М.: Наука, 1971.-287 с.

14. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. - 832 с.

15. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970. - 710 с.

16. Кретов Д.И. Нахождение передаточных функций системы сопряженных осесимметричных тел // Труды Третьей Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи". Ч. 3. Самара, 2006. С. 134-136.

17. Кретов Д.И. Оптимальное управление процессом охлаждения изолированной кабельной жилы // Труды четвертой Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи". Ч. 2. Самара, 2007. С. 70-71.

18. Кретов Д.И. Расчет оптимальной длины ванн охлаждения экструзионных линий для производства кабелей связи // Труды V межвузовской конференции по научному программному обеспечению. Санкт-Петербург, 2007. С. 99-101.

19. Кретов Д.И. Расчет температурных полей экструдированных покрытий кабельных жил // Труды Второй Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи". Ч. 2. Самара, 2005. С. 147-150.

20. Кретов Д.И., Лойко А.Ю. Система распределенного управления охлаждением изоляции в процессе производства кабелей связи // Труды Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи". Ч. 2. Самара, 2007. С. 71-73.

21. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.-599 с.

22. Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник). М.: Энергия, 1978. -480 с.

23. Митрошин B.H. Автоматизация технологических процессов производства кабелей связи / В.Н. Митрошин. М.: Машиностроение-1, 2006. - 140 с. - ISBN 5-94275-256-7.

24. Митрошин В.Н. Автоматическое управление объектами с распределенными параметрами в технологических процессах изолирования кабелей связи. М.Машиностроение-1, 2007. - 184 с. - ISBN 978-5-94275334-4.

25. Митрошин В.Н. Алгоритмизация и автоматизация процесса наложения пористой изоляции при непрерывном производстве кабелей связи: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Самара, 1996. - 20 с.

26. Митрошин В.Н. Математическое моделирование процессов теплопереноса при охлаждении экструдированной кабельной жилы с учетом фазовых превращений полимерной изоляции. // Вестн. Самар. гос. техн. унта. Сер. "Технические науки", 2005, Вып. 32, с. -182 186.

27. Митрошин В.Н. Структурное моделирование процесса охлаждения изолированной кабельной жилы при ее изготовлении на экструзионной линии // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. "Технические науки", 2006, Вып. 40, с. 22 33.

28. Митрошин В.Н. Структурное моделирование процесса охлаждения изолированной кабельной жилы при ее изготовлении на экструзионной линии // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. "Технические науки", 2006, Вып. 40, с. 22-33.

29. Михайлов М.Ф. Обобщенное конечное интегральное преобразование. Инж.-физ. журн., 1968, т. 14, № 5, с. 826 - 831.

30. Никитенко Н.И., Кольчик Ю.Н., Сороковая Н.Н. Метод канонических элементов для моделирования гидродинамики и тепломассообмена в областях произвольной формы. // Инженерно-физический журнал, 2000, №6, с. 74 80.

31. Овсиенко В.Л., Шувалов М.Ю., Крючков А.А., Троицкая Г.А. Внутренние механические напряжения в изоляции высоковольтных кабелей и их влияние на электрическую прочность // Электротехника, 1999, №8, с. 28 -33.

32. Полиэтилен. Справочное руководство / Под ред. М.И. Гарбара. -JL: Госхимиздат, 1955.

33. Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. -М.: Наука, 2000. 336 с.

34. Рапопорт Э.Я. Анализ и синтез систем автоматического управления с распределенными параметрами. М.: Высш. шк., 2005. - 292 с.

35. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. М.: Металлургия, 1993. - 279 с.

36. Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование объектов и систем управления с распределенными параметрами. М.: Высш. шк., 2003. - 299 с.

37. Рапопорт Э.Я. Структурно-параметрический синтез систем автоматического управления с распределенными параметрами // Известия РАН. Теория и системы управления, 2006, № 4, с. 47- 60.

38. Теория автоматического управления. Ч II. Теория нелинейных и специальных систем автоматического управления. / Под ред. А.А. Воронова. М.: Высш. школа, 1977. - 288 с.

39. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров. -М.: Химия, 1977. 464 с.

40. Труфанова Н.А., Труфанова Н.М., Широких Д.И. Математическая модель образования технологических напряжений в пластмассовой изоляции провода // Пластические массы, 1997, № 8, с. 33 -36.

41. Тян В.К. Математическое моделирование и автоматизация процесса производства коаксиальных радиочастотных кабелей: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Куйбышев, 1989.-21 с.

42. Хаджийски Н., Пацов С. Управление экструдерной линией как объектом с распределенными параметрами // Автом. изчисл. техн. и автоматизир. сист., 1986, № 5, с. 7 18.

43. Холодный С.Д., Соколов И.Т., Месенжник Я.З. Расчет технологических режимов изготовления кабелей с изоляцией из вулканизируемого полиэтилена. Электротехническая промышленность. Серия "Кабельная техника", 1979, № 8, с. 7 - 9.

44. Чадаев В.В. Математическое моделирование и оптимизация процесса производства жил кабелей связи на участке охлаждения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Самара, 1991. - 12 с.

45. George, P.L., Automatic Mesh Generation-Application to Finite Element Methods, Wiley, 1991.

46. Incropera, Frank P., and DeWitt, David P., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4th edition, John Wiley & Sons, New York, 1996.

47. Johnson, C., and Eriksson, K., Adaptive Finite Element Methods for Parabolic Problems I: A Linear Model Problem, SI AM J. Numer. Anal, 28, (1991), pp. 43-77.

48. Johnson, C., Numerical Solution of Partial Differential Equations by the Finite Element Method, Studentlitteratur, Lund, Sweden, 1987.

49. Laurich K., Muller G., Bluckler В., Wallau H. Untersuchung einer Zweigro(3enregelstrecke an einer kabelummantelungsanlage. Mess. - Steuern -Regeln, 1979, 22,№l,s. 28-31.

50. Laurich K., Muller G., Wallau H. Automatisierungssystem fur kabelummantelungsanlagen. Mess. - Steuern - Regeln, 1979, 22, № 7, s. 370 -374.

51. Rosenberg, I.G., and F. Stenger, A lower bound on the angles of triangles constructed by bisecting the longest side, Math. Сотр. 29 (1975), pp 390-395.

52. Strang, Gilbert, and Fix, George, An Analysis of the Finite Element Method, Prentice-Hall Englewoood Cliffs, N.J., USA, 1973.62. http://matlab.exponenta.ru/femlab/default.php «Система конечноэлементных расчётов FEMLAB»1. УТВЕРЖДАЮ

53. Генеральный директор ЗАО "Самарская кабельная компания", к.э.н.1. В.Ф. Ключников 2007 г.1. СПРАВКАоб использовании результатов кандидатской диссертации Д.И. Кретова в ЗАО "Самарская кабельная компания'

54. Главный электроник ЗАО "СКК",1. С.А. Кижаев