Введение к работе
Актуальность работы. При автоматизации технологических процессов кабельного производства приходится, как правило, сталкиваться с объектами управления, регулируемая величина которых зависит не только от времени, но и от пространственных координат объекта. Такие объекты описываются дифференциальными уравнениями в частных производных и относятся к классу объектов с распределенными параметрами. К подобным объектам относятся в первую очередь технологические процессы с тепловыми полями и полями скоростей. Ярким примером такого объекта является процесс формирования температурного поля расплава полимера на выходе экструдера технологической линии для производства кабелей связи.
Используемая на практике классическая теория автоматического управления таким технологическим процессом на основе типовых моделей объектов с сосредоточенными параметрами часто ведет к утрате существенных физических свойств процесса (зависимость изменения температуры расплава полимера от пространственных координат) и значительным ошибкам при синтезе системы регулирования. Это негативно сказывается на качестве готового продукта и ведет к увеличению его себестоимости в виду увеличения затрат при проведении натурных испытаний.
Кроме того, непрерывное ужесточение требований, предъявляемых к конечной продукции, в частности к высокочастотным кабелям связи, приводит к необходимости совершенствования автоматизированной системы управления технологическим процессом его изготовления в целом и, прежде всего, наиболее ответственных его участков. К таким участкам, несомненно, относится зона дозирования одночервячного экструдера, предназначенная для формирования требуемой температуры расплава полимера на выходе экструдера с заранее заданной точностью.
Только с учетом фактора пространственной распределенности управляемых величин можно решить задачу управления режимными параметрами технологического процесса изолирования высокочастотных кабелей, основным из которых является температура расплава полимера на выходе экструдера.
Вопросами разработки систем автоматического управления различными участками технологической линии изолирования кабелей связи посвящен ряд работ, авторами которых являются В.К. Крыжановский, К. Раувендаль, B.C. Ким, Н.М. Труфанова, Л.А. Ковригин, Е.М. Вишняков, В.Н. Митрошин, Б.К. Чостковский и другие отечественные и зарубежные ученые. В данных работах задача получения удовлетворительных эксплуатационных характеристик кабеля решалась путем управления различными параметрами на отдельных участках экструзионной линии, в большинстве своем, рассматривая процессы регулирования как объекты с сосредоточенными параметрами, либо как объекты с распределенными параметрами, но с сосредоточенными входными воздействиями. Такой подход не учитывает дополнительных возможностей, связанных с использованием пространственно-распределенных управляющих воздействий.
Работы А.Г. Бутковского, Э.Я Рапопорта, В.А. Кубышкина, Ю.Э. Плешивцевой, Я.Б. Кадымова и других ученых, посвященные анализу и синтезу систем автоматического управления тепловыми объектами с распределенными параметрами, позволяют применить подходы структурного моделирования к разработке систем распределенного управления процессом такого рода объектов управления. Однако эти работы посвящены либо нагреву неподвижного тела, либо движущейся металлической заготовки.
Цель работы заключается в разработке системы распределенного управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера.
Для достижения указанной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние флуктуации температуры расплава полимера на выходе экструдера на основные эксплуатационные характеристики высокочастотных кабелей связи, таких как коаксиальный и LAN- кабель.
-
Разработать математическую модель температурного поля расплава полимера в зоне дозирования с учетом влияния на него технологических условий переработки и реологических особенностей материала.
-
Разработать структурную и численную модель формирования температуры течения расплава полимера на выходе зоны дозирования одночервячного экструдера как объекта с распределенными параметрами.
-
Разработать алгоритм распределенного автоматического управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера, учитывающего пространственно-временную структуру внешних и внутренних воздействий на исследуемую систему.
-
Построить структурную и численную модель распределенной системы автоматического регулирования температурой расплава на выходе экструдера с одно- и двух-зонным нагревом цилиндра в зоне дозирования.
Методы исследования и достоверность полученных результатов работы. Поставленные в работе задачи решены с использованием современных научных методов математического анализа, теории тепломассопереноса, теории автоматического управления, методов структурной теории распределенных систем, а также вычислительных экспериментов.
Достоверность результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований.
Основные положения, выносимые на защиту:
формализованная постановка задачи пространственно-распределенного управления процессом нагрева расплава полимера в зоне дозирования при наложении изоляции на кабели связи;
математическое и структурное моделирование процесса изменения температуры расплава на выходе зоны дозирования, как объекта управления с распределенными параметрами, учитывающее влияние условий переработки и реологических свойств перерабатываемого полимера;
математическая модель объекта управления для случая с одно- и двухзонным распределением управляющего воздействия по мощности нагревателя в системе управления температурой расплава полимера в зоне дозирования;
методология построения структурных и численных моделей автоматической системы пространственно-распределенного управления температурой расплава полимера как объекта управления с распределенными параметрами;
структурная модель процесса нагрева расплава полимера в зоне дозирования с двухзонным нагревом цилиндра одночервячного экструдера, с учетом распределенных внешних возмущающих воздействий, позволяющая уменьшить время регулирования по сравнения с используемыми на практике системами с сосредоточенными внешними воздействиями.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана структурная модель процесса нагрева полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера как объекта управления с распределенными параметрами с учетом внутренних источников тепла за счет диссипации энергии вследствие вязкого трения полимера, в отличие от известного, описания этого процесса моделями с сосредоточенными параметрами;
впервые получены математические модели объекта управления для случая с одно- и двухзонным распределением управляющего воздействия по мощности нагревателя в системе управления температурой расплава полимера в зоне дозирования;
учтены особенности процедуры синтеза системы автоматического управления температурой расплава полимера на выходе экструдера при наложении химически вспененной изоляции, в отличие от известных подходов к проектированию этих систем;
впервые разработаны методология построения и структура системы распределенного управления температурой течения расплава полимера в зоне дозирования с двухзонным нагревом цилиндра одночервячного экструдера, в отличие от известного способа однозонного управления;
разработанная численная модель системы распределенного управления учитывает пространственную распределенность внешних возмущений, действующих на экстру-дер в зоне дозирования, в отличие от известных моделей автоматических систем с сосредоточенным возмущающим воздействием.
Практическая значимость работы:
разработанные модели управления процессом нагрева расплава полимера в зоне дозирования при производстве кабелей связи позволяют сократить временные и материальные затраты за счет исключения большого числа испытаний при изменении режимов технологических процессов и перерабатываемых материалов;
структурное моделирование процесса изменения температурного поля на выходе зоны дозирования как объекта с распределенными параметрами позволило формализовать требования к распределенному управлению, обеспечивающему распределение температуры расплава по глубине канала шнека с требуемой точностью;
полученная методология построения систем автоматического управления температурой расплава полимера позволяют значительно снизить влияние пространственно распределенных внешних возмущений, на формирование качественных параметров кабеля за счет сокращения времени их отработки системой автоматического регулирования.
разработанные модели и методология построения систем управления могут быть использованы при проектировании и практической реализации сложных систем автоматического управления одношнековыми экструзионными установками, а также нагревательными установками непрерывного действия с ярко выраженными пространственными распределениями своих параметров.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии методов математического моделирования и управления процессом нагрева полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера технологической линии изготовления кабелей связи.
Реализация результатов работы:
результаты работы использованы в проектных разработках при построении системы автоматического управления технологическим процессом производства кабелей связи на базе одночервячного экструдера в ЗАО «Самарская кабельная компания» (г. Самара);
результаты работы в виде моделей систем автоматического управления были использованы при наладке систем автоматического управления нагревательными установками непрерывного действия с ярко выраженными пространственными распределениями своих параметров научно-производственным центром «ПАЛС» (г. Самара);
структурные модели и алгоритмы полученные в ходе работы, используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Управление в технических системах» для специальности 170105, а также, дисциплины «Методы идентификации и распознавания»
для направления 220400 на кафедре «Радиотехнические устройства» Самарского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях:
VII Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2010 г.); Международной молодежной научной конференции по естественным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2010 г.); XI Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2010 г.); XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011 г.); XIII Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2012 г.); III Международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы» (Самара, 2012 г.); Всероссийской молодежной школы «Энергонасыщенные материалы, изделия, инновационные технологии их изготовления и применения» (Новочеркасск, 2012 г.); XV Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 2013 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2013 г.).
Представленная работа выполнялась как составная часть НИР по проекту Российского Фонда Фундаментальных Исследований «Разработка основ теории и методов реализации энергосберегающих систем оптимального управления технологическими процессами изолирования проводных кабелей связи» (проект 11-08-01171-а)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 4 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК России для опубликования результатов диссертационных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 126 наименований, приложения. Общий объем работы 145 страниц машинописного текста, в том числе 41 рисунок.
