Введение к работе
Актуальность работы Быстрое развитие новых технологий открыло возможности для передачи различных видов информации с использованием общей телекоммуникационной среды Техника связи предъявляет новые и все более жёсткие требования к эксплуатационным характеристикам кабелей связи и радиочастотных кабелей, которые уже не могут быть выполнены с помощью традиционных конструктивных и технологических средств
В качестве одной из мер для выхода из этой сложной ситуации предлагается создание новой методологии, позволяющей осуществлять комплексное проектирование и оптимальное управление технологическими процессами, использующие системный подход к построению многоконтурных систем автоматического управления и контроля совмещенных, многооперационных технологических процессов производств кабелей связи В основе методологии лежит декомпозиция глобального критерия оптимизации управления совмещаемыми технологическими операциями на иерархическую систему локальных критериев оптимальности
Технологический прогресс и развитие промышленности связаны с созданием и внедрением автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и гибких производственных систем Их использование способствует решению задач улучшения качества выпускаемой продукции Но желаемый результат использования таких систем может быть достигнут только при их построении на основе адекватных математических моделей, которые описывают взаимосвязи характеристик законов автоматического управления и контротя технолої ических процессов с важнейшими характеристиками выпускаемых кабелей связи, определяющими их качество и эксплуатационные свойства Существующая теория нерегулярных цепей кабельной линии описывает влияние нерегулярности по длине на характеристики конкретного образца кабеля и не может использоваться в качестве указаішой модели из-за стохастических свойств всех параметров кабелей и технологических режимных параметров используемого технологического оборудования Известные модели, описывающие вероятностные характеристики параметров передачи кабелей, имеют частный характер и не могут быть использованы для реализации единого системного подхода к синтезу оптимальных систем автомагического управления и коїггроля технологических процессов производств кабелей связи Это обусловливает необходимость построения стохастической модели, имеющей обобщенный характер, и ее использование при синтезе структуры и оптимизации параметров соответствующих АСУ ТП
Проблемам математического описания нерегулярных цепей кабельной линии, разработки моделей, алгоритмов и систем, обеспечивающих повышение регулярности кабелей связи посвящены научные исследования ученых Авдеева О Н , Андреева В А , Грод-нева И И , Дорезюк Н И , Ионова А Д , Колесникова К Д , Попова М Ф Однако, в известных работах решались, как правило, задачи теории нерегулярных кабелей, задачи оптимизации коиструкшш кабеля и технологического оборудования, применения традиционных подходов к автомат изации технологических процессов Полученные результаты не описывают связь законов управления технологическими процессами с эксплуатационными характеристиками производимых кабелей и поэтому не могут быть использованы в задачах оптимизации управления
Традиционные оптимальные по типовым критериям системы управления не могут быть использованы применительно к задачам управления производства кабелей связи, поскольку оптимальность по данным критериям не только не приводит к улучшению качества кабельной продукции, а даже ухудшает его по сравнению с результатами ручного управления Так наличие большого транспортного запаздывания во всех контурах автоматической стабилизации параметров кабеля приводит к колебательности переходных про-
цессов в системах, оптимальных по быстродействию или по минимуму среднеквадратичной оишбки Данная колебательность обусловливает существенное ухудшение частотных характеристик кабетей на соответствующих частотах передаваемых сигналов Демпфирование систем не приводит к желаемому улучшению качества кабелей Поэтому актуальным являегся формирование критериев, адекватных предъявляемым эксплуатационным требованиям и решение проблемы синтеза структуры и алгоритмов оптимального управления на основе результатов идентификации технологаческого оборудования с учетом его влияния на формируемые характеристики кабельной продукции
Для технической реализации необходимых АСУ ТП требуется создание полного комплекса датчиков внедряемых систем автоматического управления и информационно-измерительных систем
Все вышеизложенное обосновывает актуальность рассматриваемой в диссертации проблемы разработки теоретических, системно-методологических основ и инженерных методик моделирования, проектирования, управления, а также создания программно-технических средств для построения ЛСУ ТП производств кабелей связи
Диссертация представляет собой обобщение многолетнего опыта работы автора в области автоматизации и исстедования управляемых технологических процессов производств кабелей связи в отечественной и зарубежной кабельной промышленности
Работа выполнена в рамках важнейших НИР, в соответствии с рядом проектов и программ в том числе в соответствии с комплексной целевой программой ГКНТ СССР О Ц 026 «Автоматизация и управление технологическими процессами, производствами, машинами, станками оборудованием с применением мини-ЭВМ и микро-ЭВМ» по заданию 03 01 02 «Разработать методы идентификации технологических объектов», научно-технической программой ГКВТИ СССР 0 80 02 «Создать и ввести в эксплуатацию системы автоматизации процессов производства и управления в народном хозяйстве на основе интеграции АСУ различного уровня, применения вычислительной техники и микропроцессорных средств (интегрированные АСУ)» по заданию 0 80 02 35 01 05П «Разработать методы и программные средства для адаптивной идентификации и управления технологическими производствами непрерывного и дискретно-непрерывного характера» № ГР 01860123594, (Г-65-69/86), НИР по единому заказ-наряду Г-20/94 «Разработка методов и средств самонастройки систем управления качеством кабельных изделий», 1 1 97П/504/97 «Разработка обобщенных критериев и методов оптимизации многоконтурных систем управления», научно технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», раздел 201 06 «Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления производством», проект 201 06 01 024 «Интеллектуальные системы автоматизированного управления производством оптического волокна и оптических кабелей на их основе» в 2001 - 2003 годах, комплексных научно-технических программ «Надежность конструкций» утверждённых приказом № 641 от 10 10 86 Минвуза РСФСР и приказом № 359 от 23 06 92, а также связаны с выполнением пятнадцати хоздоговорных НИР, проводившихся под научным руководством и при непосредственном участии автора в 1976 — 2006 г г
Целью работы является теоретическое обобщение и построение новых математических моделей, обобщенных критериев оптимизации и методологии синтеза оптимального управления совмещенными технологическими процессами производства кабелей связи, создание на этой основе новых элементов и структур автоматизированных систем управления технологическими процессами, повышение эффективности технологического оборудования и качества кабельной продукции
Для достижения указанной цели должны быть решены следующие взаимосвязанные научные задачи
- выбор и обоснование обобщенных показателей качества управления технологическими процессами,
построение маїематических моделей формирования обобщённых показателей качества кабечьной продукции в ходе управляемых технологических процессов,
разработка методов и алгоритмов идентификации управляемых технологических объектов,
разработка методов, структур и алгоритмов оптимального управления и контроля технологических процессов производства кабелей связи на основе полученных математических моделей,
разработка и внедрение новых систем автоматизации и анализ эффективности их функционирования
Методы исследования, используемые в диссертации основаны на системном подходе к решаемой проблеме, на положениях теории связи, теории случайных функций, теории вероятностей и математической статистики, теории идентификации, теории измерений, теории автоматического управления, методов корреляционно-спектрального анализа и линейной алгебры
Научная новизна. В диссертации впервые поставлена и решена комплексная задача построения многосвязных систем автоматического управления технологическими процессами производств кабелей связи высокой регулярности Сведенное понятие спектра отражений позволили построить общий подход и единую форму представления результатов автоматического управления и контроля совмещенных технологических операций
К новым научным резучьтатам в этом направлении относятся
математическое описание стохастического процесса формирования нерегулярности электрических кабелей связи в виде иерархической модели, связывающей динамические ошибки всех систем автоматической стабилизации с предлагаемым обобщенным показателем качества управления,
глобальный критерий оптимальности и способ его декомпозиции на локальные функционалы качества управления, которые позволили разработать теоретические основы и отличігую от существующих методику топологизации иерархической структуры управления совмещенными многооперационными технологическими процессами производств электрических кабелей связи,
методы построения и реализации оптимальных алгоритмов авточагического управления, которые, в отличие от существующих, позволяют обеспечить инвариантность управления к переменной производительности технологических процессов без введения специальных контуров адаптации,
способ введения и оптимизащш межконтурных систем координации при интегрированном синтезе многоконтурных систем управления, которые, в отличие от существующих способов, предполагает использование в качестве управпяемых координат предложенных обобщенных параметров нерегулярности кабелей связи вместо измеряемых параметров кабельных изделий
предложенный метод идентификации нелинейных объектов управления со структурой Гаммерштейна, являющийся существенным обобщением известного метода идентификации линейных стохастических объектов
Научная значимость работы Совокупность разработанных в диссертации математических и структурных моделей процессов формирования нерегулярности кабелей связи в ходе их производства, методов и алгоритмов оптимального управления и контроля представляют собой методологические основы построения интегрированных систем автоматизации непрерывных совмещённых технологических процессов производств кабелей связи всех типов
- э -
Практическая ценность работы заключается в разработке конкретного математического и алгоритмического обеспечения, программных и аппаратных средств АСУ ТП кабельных производств, а также в том, что
разработанные методы и алгоритмы идентификации кабельного технологического оборудования позволяют решать задачи предварительного обследования технологических процессов кабельных производств перед их автоматизацией,
разработанные методы и алгоритмы автоматического контроля и управления позволяют осуществить синтез структур и настройка параметров оптимальных многоконтурных систем автоматизации технологических процессов различных типов кабелей связи, в том числе вновь разрабатываемых,
разработанная и структурированная библиотека алгоритмических и программных модулей и моделей технологических объектов управления кабельных производств позволяет решить широкий круг задач проектирования систем автоматизации кабельных производств,
разработанные критерии оптимизации и методика оптимизации обеспечивают существенное улучшение выпускаемых кабелей связи и освоение новых частотных диапазонов передаваемых по ним сигналов
Основные положения, выносимые на защиту:
стохастическая модепь и структурное представление способа формирования обобщенных параметров качества кабелей связи в процессе их изготовления,
критерии минимума среднего риска в задачах оптимального управления параметрами кабельных изделий,
системный подход и методология интегрированного синтеза много контурных систем управления совмещенными технологическими процессами изготовления кабелей связи с использованием в качестве управляемых координат объектов управления вычисляемых в реальном масштабе времени оценок первичных и вторичных параметров передачи и параметров влияния изготавливаемых кабелей,
концепция структурно-параметрического синтеза многосвязных систем управления технологическими процессами производств кабельной продукции обеспечивающая минимизацию нерегутярности кабелей связи по обобщенным параметрам качества,
методы идентификации технологических объектов кабельных производств,
способ построения дискретных систем автоматического управления, робастных к переменному транспортному запаздыванию объектов кабельных производств,
алгоритмы управленій и структура многоконтурных систем автоматического управления с межконтурными программно-терминальными регуляторами, обеспечивающими заданную форму возмущенного процесса,
результаты реализации и промышленного внедрения способов, алгоритмов и систем оптимального управления и автоматизации процессов производств кабелей связи
Реализация результатов исследования Результаты диссертационной работы были использованы и внедрены
- в рамках НИР и НИОКР по хоздоговорам с ФГУП «Особое конструкторское
бюро кабельной промышленности» (г Мытищи) в форме методов и средств ав
томатизированного управления и контроля качества радиочастотных кабелей,
кабелей для систем кабельного телевидения, волоконно-оптических кабелей, а
также сверхпроводящих кабелей связи, по результатам проведённых работ раз
работаны и внедрены 5 автоматизированных систем управления технологиче-
скими процессами и ряд комплексов математического и программного обеспечения,
в ЗАО «Самарская кабельная компания» (г Самара) в виде автоматизированных систем контроля и управления комплекса экструзионных линий для производства городских телефонных кабелей и коаксиальных кабелей связи,
в рамках Соглашения с компанией "ОРТ OPTICAL FIBRES L IMITED" (г Лондон, Великобритания) в виде АСУ ТП башен вытяжки оптических волокон,
в рамках Соглашения с компанией «ALTIN Photonics AG» (г Берлин, Германия) в виде проекта бесконтактного датчика натяжения вытяжки оптического волокна,
в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальностям 220201 «Управление и информатика в технических системах», 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (специализация «Компьютерные системы управления в производстве и бизнесе») в виде лекционного материала по дисциплинам «Математические основы теории систем», «Математические методы в задачах автоматизации и управления», «Автоматизированное управление в технических системах», «Цифровые системы управления»
4пробация работы Результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на шестнадцати Международных, Всесоюзных, республиканских конференциях, в том числе на Международной научно-технической конференции "Автоматизация технологических процессов и производственный контроль" (Тольятти, 2006 г), 11 Международной конференции "Аналитическая теория автоматического управления и ее приложения" (Саратов, 2005 г ), Международной научно-технической конференции "Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-2005)" (Самара, 2005 г), Всероссийской научно-технической конференции "Надежность механических систем" (Самара, 1995 г ), Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация и механизация кабельного производства" (Москва, 1977 г), Всесоюзной научно-технической конференции "Новые технологические и автоматизировшгаые системы, новое техническое оборудование кабельных производств" (Ташкент, 1980 г), V Всесоюзной научно-технической конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений' (Киев, 1981 г), VI Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития кабелей связи в XI пятилетке' (Одесса, 1982 г), Всесоюзной научно-технической конференции "Применение ЭВМ в управлении качеством" (Киев, 1984 г), Всесоюзной научно-технической конференции ' Новое технологическое оборудование, современные средства автоматизации и механизации кабельного производства" (Бердянск, 1984), VI Всесоюзной научно-техничесьой конференции "Информационно-измерительные системы - 85 (ИИС-85)" (Куйбышев, 1985 г), VII Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития кабелей связи в XII пятилетке" (Бердянск, 1986 г ), Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизированные комплексы и системы, совреметюе оборудование кабечыюго производства' (Москва, 1988 г ), Всесоюзной научно-технической конференции "Опыт применения персональных ЭВМ в кабельной промышленности" (Москва, 1990 г), X юбилейной научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управленій (ДАТ ЧИК-98)" (Гурзуф, 1998 г), XII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов, "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2000)" (Гурзуф, 2000 г )
Выполненные по результатам исследований устройства и системы экспонировались на выставках
- экспонат "Прибор для автоматического контроля параметров кабельной продук
ции" (ВДНХ СССР, 1988 г ),
экспонат ' Робастный регулятор для систем с переменным транспортным запаздыванием ' (ВДНХ СССР, 1988 г), награжден серебряной медалью ВДНХ,
"Компьютерные автоматизированные системы управления и диагностики технологического оборудования на базе серийных персональных компьютеров" (Выставка "Научно-технические достижения и интеллектуальная собственность высшей школы", Москва, 1994 г)
"Управление натяжением в процессе вытяжки оптического волокна" (Международная выставка "High Technology Exhibition", Цюрих, Германия, 1997 г)
Публикации Основные результаты опубликованы в 65 научных работах, в том числе 11 статей опубликованы в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК России для опубликования результатов докторских диссертаций, по теме диссертации получено 16 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения Российской федерации, 1 патент Великобритании и 2 Международных патента
Похожие диссертации на Структурно-параметрический синтез систем оптимального управления совмещёнными технологическими процессами производства кабелей связи по эксплуатационным критериям качества
