Автоматизированная система управления технологическими процессами газотермического нанесения покрытий на основе алгоритмов адаптации и координации

10

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Автоматизированная система управления технологическими процессами газотермического нанесения покрытий на основе алгоритмов адаптации и координации

Хасанов Зимфир Махмутович

Уфа 2009

Размещено на http://www.allbest.ru//

10

Работа выполнена

в Уфимском государственном авиационном техническом университете

научный консультант д-р техн. наук, проф.

Гузаиров Мурат Бакеевич

Официальные оппоненты д-р техн. наук, проф.

АФОНИН Вячеслав Леонидович

д-р техн. наук, проф.Мунасыпов Рустэм Анварович

д-р техн. наук, проф.Якимович Борис Анатольевич

Ведущая организация ОАО Государственный ракетный центр

«КБ им. академика В.П. Макеева», г. Миасс

Защита диссертации состоится « 11» декабря 2009 г. в 10 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.288.03

при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «____» ________________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д-р техн. наук, проф. Миронов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Для многих отраслей машиностроения, энергетики (в том числе атомной), авиастроения и химической промышленности наиболее прогрессивными и экономически выгодными технологическими процессами, позволяющими повышать износостойкость, жаропрочность, коррозийной стойкость и других свойств рабочей поверхности выпускаемых машин и аппаратов, являются технологические процессы газотермического нанесения покрытий (ТП ГНП). К этим процессам относятся осаждение из газовой фазы, электродуговая металлизация и газопламенное напыление, плазменное напыление и детонационно-газовый метод нанесения покрытий.

За последние три десятилетия многое сделано для широкого внедрения ТП ГНП в промышленность. Разработан и выпускается широкий ассортимент материалов для нанесения покрытий различного функционального назначения; создано современное технологическое оборудование, имеющее приемлемый ресурс работы; проведены многочисленные экспериментальные исследования, определяющие режимы нанесения покрытий; исследованы многие аспекты кинетики образования соединений покрытия с основой; исследованы контактные взаимодействия нанесенных покрытий с поверхностью детали и друг с другом.

Дальнейшее повышение эффективности использования ТП ГНП, особенно в специальном машиностроении, связано с разработкой методов и средств автоматизации и компьютеризации технологических процессов нанесения покрытий.

Переход на автоматизированное нанесение покрытий позволит существенно улучшить качество и стабильность свойств нанесенных покрытий, повысить производительность труда, снизить себестоимость продукции и сократить количество обслуживающего персонала. Автоматизация эффективна и потому, что обеспечивает гибкость и быструю переналаживаемость технологического оборудования, способствует резкому повышению качества продукции, устраняет малопроизводительные формы ручного труда и сводит к минимуму влияние вредных условий труда. Кроме того, исключается влияние квалификации оператора на качество нанесения покрытий, уменьшается количество брака, полученного по вине технолога-оператора.

Одними из главных задач автоматизации ТП ГНП является разработка и создание автоматизированных систем управления технологическим процессом газотермического нанесения покрытий (АСУ ТП ГНП), в состав которых входят несколько взаимосвязанных цифровых подсистем автоматического управления. На них возлагаются задачи, связанные с обработкой данных о ТП ГНП и с последующим управлением или с выбором оптимальных режимов при решении целевых задач и др. Функции управления реализуются при этом программным обеспечением. Поскольку управление происходит в реальном масштабе времени, то в АСУ ТП ГНП время должно входить на все вычислительные и исполнительные программы. Вопрос о временном масштабе управления ТП ГНП на сегодняшний день не решен. Но грубо его диапазон можно принять в диапазоне 0,00050,05 с, причем, чем меньше временной интервал, тем более жесткие требования предъявляются к функциональным подсистемам АСУ.

При проектировании многосвязных цифровых систем автоматического управления (САУ) АСУ ТП ГНП возникают серьезные проблемы, связанные с тем, что эти системы относятся к классу многофункциональных систем, характеризующиеся большим числом изменяемых параметров, сильной их взаимозависимостью, наличием обратных связей, адаптивностью, нелинейностью и нестационарностью поведения. По мнению многих исследователей, на стабильность свойств и на качество нанесенного покрытия в той или иной степени влияет около 60 параметров. Функционируя в условиях существенной неопределенности параметров технологической среды, все подсистемы АСУ ТП постоянно находится под влиянием внешних и внутренних возмущений, снижающих их эффективность и приводящих к неустойчивому функционированию. В качестве основных источников возникновения неопределенностей выступают непредсказуемость и непредвиденные изменения в поведении плазмотрона, связанные с выгоранием электродов и колебаниями плазменной струи. Поэтому придание АСУ ТП ГНП свойств самоорганизации и повышение эффективности работы ее функциональных подсистем, способных компенсировать последствия влияния неопределенных факторов, является весьма актуальной проблемой.

Кроме того, основными факторами, сдерживающими широкое внедрение АСУ ТП ГНП, на сегодня являются: невысокая точность функциональных зависимостей, описывающих ТП ГНП; отсутствие методик и алгоритмов адаптивного управления автоматизированными системами нанесения покрытий, учитывающих быстротекущие динамические процессы, как в зоне нанесения покрытий, так и в упругих системах технологического. Следствием этого является отсутствие точных моделей управления, либо их чрезмерная сложность и вероятностный характер, высокая размерность пространства состояний и стратегий управления. Данные факторы приводят к повышенной сложности и большому количеству решаемых задач, к еще большему увеличению количества регулируемых параметров в подсистемах, ужесточению требований к различным ее свойствам, к качеству функционирования отдельных подсистем и их взаимодействию. Попытки учесть все на ранних этапах проектирования, т.е. стремиться получить полную и абсолютно достоверную информацию, ориентироваться только на строгие модели, идеальную реализацию соответствующих методов и алгоритмов, обречены на провал.

Известные к настоящему времени результаты теории адаптивных систем позволяют во многих случаях синтезировать алгоритмы адаптивного управления, гарантирующие устойчивость и заданное качество систем при существенной неопределенности параметров объекта управления и внешних воздействий. Однако еще далеко не все прикладные задачи ТП ГНП поддаются точному решению известными методами. Поэтому одной из актуальных задач при синтезе АСУ ТП ГНП остается расширение применения методов синтеза адаптивных регуляторов с разработкой новых алгоритмов адаптивного и координированного управления, способных компенсировать последствия влияния неопределенных факторов ТП ГНП.

Таким образом, проблема разработки методологии и теории проектирования АСУ ТП ГНП на основе алгоритмов адаптации и координации функциональных подсистем с целью повышения эффективности и качества нанесения газотермических покрытий является актуальной и своевременной.

Объектом диссертационного исследования являются методическое и алгоритмическое обеспечение АСУ ТП ГНП, а предметом диссертационного исследования - структуры, модели и алгоритмы АСУ ТП ГНП.

Цель и задачи исследования Целью диссертационной работы является разработка методологических и теоретических основ построения автоматизированных систем управления технологическими процессами газотермического нанесения покрытий на основе алгоритмов адаптации и координации функциональных подсистем, реализуемых с помощью современных аппаратно-программных средств, а также оценка их эффективности по результатам экспериментальных исследований и математического моделирования.

Для достижения этой цели требуется решение следующих задач:

Разработать на основе системного анализа концепцию автоматизации технологических процессов газотермического нанесения покрытий.

Разработать методологию синтеза систем автоматизированного управления ТП ГНП как сложным многосвязанным и многоуровневым объектом управления.

Разработать математические модели ТП ГНП, позволяющие исследовать нестационарные режимы и механизмы повышения качества нанесения керамических и стеклянных покрытий при выполнении этих технологических операций.

Развить на основе системного подхода теоретические основы синтеза структуры и алгоритмов управления адаптивной САУ плазменной струей.

Разработать методы и алгоритмы оптимального адаптивного управления для САУ перемещением каретки плазмотрона;

Разработать алгоритмы идентификации и методы синтеза цифровых нелинейных фильтров для функциональных подсистем АСУ ТП ГНП;

Исследовать эффективность предложенных алгоритмов управления и внедрить разработанные методики, программные продукты и технические решения в автоматизированные системы управления ТП ГНП.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, методы теории многосвязных систем оптимального и адаптивного управления, методы аналитического проектирования и разработки проблемно-ориентированного программного обеспечения, а также методы теории информационных систем. Для построения моделей и их анализа использовались методы механики сплошных сред, теории нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, численного интегрирования, теории устойчивости движения и математической физики. Исследование математических моделей и обработка экспериментальных данных проводились на основе оригинальных программ ЭВМ, составленных с использованием математических пакетов MATCAD, MAPLE и MATLAB.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации

Обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на использовании апробированных научных положений и методов исследования, корректном применении математического аппарата, согласовании новых результатов с известными теоретическими положениями.

Достоверность полученных теоретических положений и выводов работы подтверждается экспериментальными исследованиями, результатами численного моделирования, апробации и промышленного внедрения разработанных аппаратно-программных средств АСУ ТП ГНП на машиностроительных предприятиях РФ. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением сертифицированной и аттестованной измерительной аппаратуры в соответствии с действующими российскими и международными стандартами (ГОСТ 29024-91, ISO 7027).

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

Концепция автоматизации ТП ГНП, основанная на усовершенствовании конструкции плазмотронов, нахождении оптимальных режимов нанесения покрытий и эффективного многоуровневого управления современными и перспективными ТП ГНП как сложными, многомерными и взаимосвязанными объектами, функционирующими в условиях неопределенности, на основе алгоритмов адаптивного и координированного управления подсистемами АСУ ТП ГНП.

Методология построения АСУ ТП ГНП, основанная на рассмотрении ТП ГНП как сложного, многосвязанного и многоуровневого динамического объекта и представлении структуры АСУ ТП ГНП в виде взаимосвязанной совокупности информационно-измерительной подсистемы, функционально-технических подсистем, подсистем адаптивного управления качеством, координации, принятия решений и программного управления.

Математические модели ТП ГНП, позволяющие моделировать нестационарные технологические режимы нанесения диэлектрических покрытий с заданными свойствами и определить механизмы повышения качества этих покрытий при выполнении перспективных технологических операций.

Метод синтеза алгоритмов адаптивного управления параметрами плазменной струи, основанный на декомпозиции задач управления термодинамическими процессами плазменной струи на три самостоятельные задачи: поиск оптимальных термодинамических параметров состояния плазменной струи для заданных режимов ТП ГНП, стабилизация параметров состояния струи вдоль заданной траектории и адаптивное управление термодинамическими параметрами струи при смене технологических операций.

Метод синтеза структуры адаптивной САУ перемещением каретки плазмотрона и алгоритмов оптимального управления, основанный на принципах полной или частичной адаптации к вектору приведенных параметрических рассогласований объекта управления, с использованием оценок, вырабатываемых на скользящих режимах идентификации.

Алгоритмы идентификации информационных сигналов функциональных подсистем АСУ ТП ГНП и метод цифрового спектрального анализа, основанный на определении параметров гармонических компонент, попавших в полосу пропускания высокодобротных рекурсивных цифровых фильтров.

Результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности предложенной методологии построения технических решений АСУ ТП ГНП.

Научная новизна

Новизна предложенной концепции автоматизации ТП ГНП основана на усовершенствовании конструкции плазмотронов, нахождении оптимальных режимов нанесения покрытий и эффективного многоуровневого управления современными и перспективными ТП ГНП, функционирующими в условиях неопределенности, на основе алгоритмов адаптивного и координированного управления функциональными подсистемами АСУ ТП ГНП.

Новизна методологии построения АСУ ТП ГНП заключается в том, что она основана на рассмотрении ТП ГНП как сложного, многосвязанного, многоуровневого динамического объекта и представлении структуры АСУ ТП ГНП в виде взаимосвязанной совокупности информационно-измерительной подсистемы, функционально-технических подсистем; подсистем адаптивного управления качеством, координации, принятия решений и программного управления.

Новизна математических моделей ТП ГНП заключается в том, что они позволяют моделировать нестационарные технологические режимы нанесения диэлектрических покрытий с заданными свойствами и определить механизмы повышения качества этих покрытий при выполнении перспективных технологических операций. На этих моделях исследовано влияние режимных факторов, физических и геометрических показателей ТП ГНП на термодинамические процессы нанесения керамических и стеклянных покрытий с заданными свойствами.

Новизна предложенного метода синтеза адаптивной САУ плазменной струей основана на декомпозиции задачи управления процессами плазменной струи на три самостоятельные задачи: поиск оптимальных термодинамических параметров состояния плазменной струи для заданных режимов ТП ГНП, стабилизация параметров состояния струи вдоль заданной траектории и адаптивное управление термодинамическими параметрами струи при смене технологических операций. Разработана обобщенная модель управления движением плазмотрона, представленная в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений в физическом пространстве движения плазменной струи.

Новизна предложенного метода синтеза структуры адаптивной САУ перемещением каретки плазмотрона и алгоритмов оптимального управления заключается в повышении точности и быстродействия системы, за счет распределения задач адаптивного управления между интерполятором САУ, микроинтерполятором и контурными регуляторами цифрового регулятора. Алгоритм обладает свойством самокорректировки, что ослабляет влияние погрешности задания краевых условий в узлах аппроксимируемой последовательности.

Новизна предложенного метода цифрового спектрального анализа основана на определении параметров гармонических компонент, попавших в полосу пропускания цифрового фильтра функциональной подсистемы АСУ ТП ГНП и использовании в качестве идентификатора высокодобротного цифрового рекурсивного фильтра. Разработанные алгоритмы идентификации позволяют при минимальных аппаратных и вычислительных затратах существенно повысить быстродействие и точность информационно-измерительных и управляющих подсистем АСУ ТП ГНП.

Практическая ценность и внедрение результатов

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в:

разработке методологии построения АСУ ТП ГНП, обеспечивающей повышение эффективности процессов управления качеством нанесения покрытий за счет оптимального распределения функций управления в функционально-технических подсистемах; подсистемах адаптивного управления качеством, координации, принятия решений и программного управления;

разработке математических моделей и программ для их численного решения на ЭВМ, позволяющих исследовать нестационарные технологические режимы нанесения диэлектрических покрытий с заданными свойствами и определить механизмы повышения качества нанесения этих покрытий при выполнении перспективных технологических операций ГНП;

разработке структур, алгоритмов адаптивного управления, расчетных линеаризованных моделей и методик синтеза многосвязных САУ параметрами плазменной струи, апробированных в производственных условиях в управлении несколькими типами плазмотронов и регуляторов расхода плазмообразующих газов;

разработанных моделях, структурах и алгоритмах оптимального адаптивного управления перемещением каретки плазмотрона, внедренных при практическом проектировании АСУ ТП ГНП на ряде машиностроительных предприятий РФ;

разработанном алгоритмическом и программном обеспечении, автоматизирующих основные этапы предлагаемых методик синтеза подсистем АСУ ТП ГНП, которые реализованы в виде программных модулей для персональной ЭВМ;

разработанных мобильных приборах и ИИС, обеспечивающие достаточную точность и оперативность определения параметров ТП ГНП. Новизна предложенных технических решений защищена авторскими свидетельствами.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в виде методик, программных продуктов, ИИС и мобильных приборов в НПП «Плазмотрон», ОАО Государственный ракетный центр «КБ им. академика В.П. Макеева», ОАО «Нефтекамский автозавод», ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение», ОАО «Уфимский тепловозоремонтный завод», ОАО «Чепецкий механический завод», ООО НИЦ «Поиск».

Результаты диссертационной работы, связанные с разработкой и исследованием оптоэлектронных измерителей линейных размеров («ИЛР-3», «ИЛР-11»), неконцентричности нанесения полимерного покрытия в двух сечениях («ОИ-1», «ОИ-2») внедрены в НИИ «Технического стекла» и в Уфимском конструкторском бюро «Кабель».

Все внедренные образцы получили ведомственную или государственную метрологическую аттестацию. За внедрение ряда высокоточных ИИС и на их базе уникальных САУ получены два аттестата I степени, две бронзовые и одна серебряная медали ВДНХ СССР.

В ходе промышленной эксплуатации внедренных образцов получен фактический экономический эффект в размере 313,254 тысяч рублей в год в ценах до 1991 года и более 880 тысяч рублей в год в ценах 1998-2009 годов. Разработанные средства защищены 14 авторскими свидетельствами, 11 из которых внедрены в промышленность с реальным экономическим эффектом 528,45 тысяч рублей в год, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы

Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Российских научных совещаниях и конференциях. Наиболее значимые из которых: Всесоюзная конференция «Современные проблемы управления», Москва, 1985; Всесоюзный симпозиум «Проблемы управления», Алма-Ата, 1986; Всесоюзная конференция «Микропроцессорные системы автоматизации технологических процессов», Новосибирск, 1987; Всесоюзный семинар по теории машин и механизмов АН СССР «Измерение перемещений в динамическом режиме», Каунас, 1987; Всесоюзная конференция «Новые электронные приборы и устройства», Москва, 1988; Всесоюзная конференция «Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления», Пенза, 1989 - 1994; VI Всесоюзное совещание «Управление многосвязными системами», Суздаль, 1990; III-V Межотраслевые научно-технические семинары «Вопросы проектирования и экспериментальных исследований регулируемых энергоустановок специального назначения», Миасс, 1994; IV Международная конференция по интеллектуальным автономным системам, Карлсруэ, Германия, 1995; VII Всероссийское совещание с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Москва-Гурзуф, 1995; VII Четаевская научно-техническая конференция «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением», Казань, 1997; Международный конгресс «Нелинейный анализ и его приложения», Москва, 1998; I Международная конференция «Новые технологии управления движением технических объектов», Ставрополь, 1999; X Юбилейная международная конференция «Вычислительная механика и современные прикладные программные системы», Переславль-Залесский, 1999; Республиканская конференция «Интеллектуальное управление в сложных системах», Уфа, 1999; Научно-техническая конференция «Наукоемкие технологии машиностроения», Уфа, 2000; Международная научная конференция «Идентификация систем и задачи управления (SICPRO2000)», Москва, 2000; III Международная конференция по компьютерным наукам и информационным технологиям (CSIT'2001), УфаЯнгантау, 2001; Конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», Москва, 2001-2002; XII Всероссийское совещание с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Москва, 2002; Конференция по теории управления, посвященная 90-летию академика Б.Н. Петрова, Москва, 2003; VI и VII Международные научно-практические конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права», Москва, 2003-2004; Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий», Уфа, 2006-2007; Всероссийская научно-техническая конференция «Машиностроительные технологии», Москва, 2008.

Связь исследований с научными программами

Исследования в данном направлении выполнялись в период с 1983 по 2007 гг. в Уфимском государственном авиационном техническом университете и Институте механики УНЦ РАН в рамках: целевой комплексной программы «Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, машинами, станками, оборудованием с применением мини-ЭВМ и микро-ЭВМ»; координационного план НИР вузов Минвуза СССР в области механики на 1985-1990 гг., «Исследование несущей способности теплозащитных и конструкционных композиционных материалов при нестационарных воздействиях»; целевой программы научно-исследовательских работ Министерства авиационной промышленности СССР в рамках тем «Гироскоп», «Зонд 1», «Зонд 3» федеральной целевой программы «Интеграция» на 1998-2002 гг.», направление «Математическое моделирование энергетических систем», и связана с выполнением ряда хоздоговорных научно-исследовательских работ с Государственным ракетным центром «КБ им. академика В.П. Макеева» (г. Миасс), НПП «Плазмотрон» (г. Уфа), НПО «Якорь» (г. Москва), п/я А-7727 (г. Москва), п/я Р-6679 (г. Сарапул), п/я Ю-9539 (г. Жуковский), ОАО «Нефтекамский автозавод», ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение», ОАО «Уфимский тепловозоремонтный завод», ОАО «Чепецкий механический завод», ООО НИЦ «Поиск» (г. Уфа) и Уфимским конструкторским бюро «Кабель».

Публикации

Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в 61 печатных работах, в том числе 18 статьях в рецензируемых центральных журналах, входящих в перечень ВАК, 1 учебном пособии с грифом УМО, 14 авторских свидетельствах на изобретения и 3-х свидетельствах об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и содержит 394 страницу основного текста, кроме того, содержит 77 рисунков и 11 таблиц. Список литературы включает 300 наименований.

алгоритм цифровой идентификация покрытие газотермический

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель исследования, указывается связь с научными программами, перечисляются подходы и методы решения задач, приводятся задачи, выносимые на защиту, отмечается их научная новизна и практическая ценность. Приводятся сведения об апробации работы и внедрении результатов исследований.

В первой главе проведен анализ работ, прямо или косвенно связанных с вопросами автоматизации ТП ГНП и проектирования высокоскоростных автоматизированных систем управления для этих технологических процессов. Выполнен обзор существующих методов обеспечения эффективности ТП ГНП и проанализированы факторы, сдерживающие дальнейшее увеличение производительности и улучшения качества наносимого покрытия. Определена степень негативного влияния динамической неустойчивости ТП ГНП на производительность технологического оборудования и на качество нанесенного покрытия. Решения этих задач имеют значительный практический интерес, так как могут позволить рациональным образом проектировать технологические комплексы. Под этим подразумевается синтез АСУ ТП, средств измерений, исполнительных устройств, регуляторов и программного обеспечения для них.

В первом разделе главы проводится анализ работ по автоматизации современных и перспективных ТП ГНП, обосновывается необходимость построения АСУ ТП ГНП. Большой вклад в автоматизацию ТП ГНП, анализу теоретических и экспериментальных исследований в этой области посвящены работы многих ученых: А. В. Белова, М. М. Бубнова, Ю. С. Волкова, В. В. Григорьянца, Л. И. Готлиба, Г. Г. Девятых, Е. М. Дианова, М. Е. Жаботинского, И. Г. Жаркова, В. М. Иванова, В. А. Ким, А. А. Кудинова, В. В. Кудинова, А. Ф. Пузрякова, В. Л. Колпащикова, Д. К. Саттарова, А. Г. Суслова, В. П. Уварова, А. В. Фойгеля, И. П. Черкасова, А. Хасуй и др., ставшими фундаментальными, классическими работами в области ГНП.

Анализ литературных данных показывает, что изучение процессов ГНП в основном осуществляется на базе экспериментальных исследований. Кроме того, основное большинство этих процессов в реальных условиях представляют собой нелинейные стохастические процессы, достаточно полные математические модели, которых отсутствуют. Вследствие того, что физико-химические процессы, протекающие при ТП ГНП, очень сложны и, главное, очень скоротечны, и большинство из них могут быть описаны только качественно, требуются обширные теоретические и экспериментальные исследования. Поэтому для выбора режимов ТП ГНП, обеспечивающих максимальную производительность с обеспечением необходимого качества, необходимы специальные промышленные испытания.

Во втором разделе главы проводится анализ современного состояния методов и подходов к исследованию и проектированию АСУ ТП ГНП. На современном технологическом оборудовании ГНП автоматизировано большинство основных и вспомогательных операций нанесения покрытий. С помощью различных систем управления осуществляется автоматизированное перемещение плазмотрона (газовой горелки) относительно обрабатываемой детали, автоматизирована смена режимов источника питания плазмотрона и режимов подачи плазмообразующих газов в зону обработки. Однако для обеспечения высоких технологических показателей ГНП необходимо автоматическое управление всеми взаимосвязанными параметрами ТП ГНП с оптимизацией основных технологических операций. Однако решение этих задач с помощью существующих систем управления не дает должного результата, так как эти системы разработаны без учета специфики выполнения технологических операций ГНП и показателей качества нанесения покрытий.

Разработка АСУ ТП ГНП и ее функциональных подсистем связана с решением многочисленных взаимосвязанных задач, охватить которые в полном объеме не представляется возможным. Отмечены основные особенности и требования к функциональным подсистемам, подчеркнуты большие перспективы применения адаптивных принципов при создании АСУ ТП. Вместе с тем ряд вопросов, необходимых для создания высокоэффективных АСУ ТП, обеспечивающих высокое качество управления, не только не решен, но даже и не ставится. Во-первых, отсутствует анализ взаимосвязи подсистем друг с другом. В результате, непонятно, на внедрение каких средств нужно обратить внимание, чтобы получить ожидаемый результат. Во-вторых, практически во всех источниках отмечается, что АСУ в любом случае обеспечивает повышение эффективности ТП ГНП. Это действительно так, но внедрение даже известных подсистем АСУ ТП в новой структуре АСУ ТП предполагает обязательное создание новых программ и алгоритмов функционирования этих средств. Данная проблема относительно автоматизации ТП ГНП в известных источниках не решена и не поставлена. В-третьих, не решены задачи обеспечения требуемого быстродействия и защиты подсистем АСУ ТП от электромагнитных и высокотемпературных помех технологического оборудования ГНП.

Неопределенности в АСУ ТП ГНП в значительной степени порождаются неточностью и недостоверностью получаемой информации. Эта неточность присутствует при синтезе регулирующей аппаратуры технологического оборудования, при определении целей, при выборе критериев оценки, т.е. в тех задачах, где есть альтернативный выбор. Сложность компенсации неопределенностей в том, что все они взаимосвязаны и оказывают косвенное воздействие на каждую подсистему по иерархии.

Информационно-измерительные системы (ИИС) в АСУ ТП ГНП весьма многообразны, что определяется сложностью структуры технологических операций, реализуемых в многосвязанных системах технологического оборудования. Поэтому при создании каждой адаптивной САУ предъявляют дополнительные требования к ИИС. На сегодняшний день, к сожалению, существующие ИИС для ТП ГНП недостаточно совершенны, и вопросам построения алгоритмов обработки измерительной информации в АСУ ТП ГНП уделяется мало времени. Поэтому на этапе разработки ИИС и алгоритмов управления адаптивной САУ представляется актуальной оценка рациональных временных интервалов опроса датчиков и погрешности их измерения.

Показана актуальность разработки новых ИИС как для отдельной адаптивной САУ, так и для группы САУ с учетом их взаимовлияния в составе АСУ ТП ГНП. Проводится анализ тенденций развития перспективных ИИС с точки зрения общих закономерностей развития сложных технических систем. На конкретных примерах показана возрастающая роль использования высокоточных (погрешность контроля 0,05-0,1 %), быстродействующих (400-1000 измерений в секунду) и помехоустойчивых ИИС при решении технологических, технических и научных задач в широком круге проблем автоматизации ТП ГНП.

С расширением номенклатуры выпускаемой продукции и увеличением производительности ТП ГНП, когда параметры динамической модели технологического оборудования как объекта управления изменяются в десятки раз, рассматриваются различные варианты построения и координации АСУ к новым условиям ТП ГНП. Сложность ее решения заключается в том, что при формировании алгоритмов управления необходимо учитывать не только изменение динамических свойств объекта в прямом канале, но и изменение отношений (связей) между функциональными подсистемами АСУ ТП ГНП.

В третьем разделе главы проводится анализ существующих подходов к исследованию и синтезу структур адаптивных САУ для АСУ ТП ГНП. Показано, что при проектировании АСУ, когда получение простых и однозначных зависимостей между изменяемыми параметрами системы и параметрами окружающей среды затруднительно (невозможно), целесообразно использовать замкнутые алгоритмы адаптации, построенные в классе беспоисковых самонастраивающихся систем (БСНС) с эталонной моделью на основе концепции обобщенного настраиваемого объекта. В БСНС существует принципиальная возможность раздельного рассмотрения регуляторов, обеспечивающих требуемые качества отработки задающих воздействий и сигнальных возмущений, и регулятора, обеспечивающего стабилизацию динамических свойств системы. Это в значительной степени облегчает как расчет и синтез, так и доводку системы, позволяя, например, изменять структуру и параметры регулятора, не затрагивая при этом той части системы, которая придает ей свойство адаптации.

Отмечается распространенность использования алгоритмов адаптивного управления в различных АСУ ТП. Однако практическое использование цифровых адаптивных САУ в структурах АСУ ТП ГНП пока находится в стадии становления. Проблема состоит в том, что развитие систем автоматизации и адаптивного управления ТП ГНП представляет собой единый процесс, недостаточно изученный с позиций интеграции. Кроме того, большие возможности, открываемые адаптивными САУ в автоматизации ТП ГНП еще мало исследованы. Это обосновывает необходимость усовершенствования и разработки новых структур цифровых адаптивных САУ.

Теория и техника адаптивного управления наиболее полно изложены в трудах Ю. А. Борцова, Д. П. Деревицкого, Ю. М. Козлова, А. А. Красовского, Б. Н. Петрова, А. Л. Фрадкова, В. В. Солодовникова, Е. Д. Теряева, А. В. Тимофеева, Я. З. Цыпкина, И. Б. Ядыкина, В. А. Якубовича. Большой вклад внесли и зарубежные ученые: У. Эшби, Г. Лонг, Р. Ли, С.Г. Леондес, Х.П. Уитейкер, К.И. Острем и др.

Структура цифровой адаптивной САУ определяется задачами, которые должна решать система, и техническими особенностями используемой аппаратуры. Поскольку эти два основных фактора не могут жестко определить структуру схемы, то появляется возможность разных решений. От правильного выбора схемы во многом зависят такие важные характеристики, как быстродействие, надежность и гибкость этой САУ. Кроме того, разработку цифровой адаптивной САУ невозможно эффективно осуществить без четкого определения стратегии управления АСУ ТП ГНП. Выработка такой стратегии должна быть основана на достаточно полном изучении всех характеристик ТП ГНП, а также на их взаимосвязи со свойствами наносимых покрытий и параметрами обрабатываемых деталей. Выработка стратегий развивается по двум направлениям: экспериментальные и теоретические.

Практически все современные цифровые адаптивные САУ имеют в своем составе: микроконтроллер; информационно-измерительные устройства с сигнализаторами состояния; исполнительные механизмы, реализующие управляющие воздействия. Здесь микроконтроллер предназначен для обработки информации и принятия решений по воздействию на заданные механизмы, различные аналоговые и цифровые устройства, позволяющие осуществлять раздельное регулирование и стабилизацию по каждому из управляемых параметров.

В цифровых адаптивных САУ рациональная организация процессов измерения, передачи и обработки информации также занимает особое место. К настоящему времени теоретическая и практическая проработка структурных решений устройств передачи и ввода основывается на моделях, реализуемых на основе отдельных компонентов и их связях (взаимодействиях) через интерфейс. Существенными недостатками при этом являются относительно низкая пропускная способность, невысокая точность и быстродействие. Указанные недостатки становятся неприемлемыми при проектировании цифровых адаптивных САУ, работающих в режиме реального времени с интенсивными измерительными потоками подсистем АСУ ТП ГНП.

На основе проведенного анализа принципов построения цифровых адаптивных САУ, с учетом основных тенденций автоматизации ТП ГНП сделан вывод о том, что на сегодняшний день в этой области существует целый ряд нерешенных задач, к основным из которых можно отнести следующие:

не разработаны математические модели, позволяющие оценить нестационарные режимы и механизмы повышения качества нанесения покрытий в перспективных технологических операциях ГНП, и на их основе разработать новые методы синтеза цифровых адаптивных САУ, функционирующих в среде мощных электромагнитных и тепловых помех технологического оборудования ГНП;

не разработаны алгоритмы адаптивного управления, учитывающие многосвязанность и многомерность объектов управления адаптивных САУ;

не разработаны высокоточные, быстродействующие и помехоустойчивые цифровые адаптивные САУ, что не позволяет проектировать высокоэффективные АСУ ТП ГНП и выявить перспективные направления их совершенствования.

Таким образом, нерешенность отмеченных задач вызывает серьезные затруднения при проектировании АСУ ТП ГНП, поскольку при изменении компоновки адаптивных САУ или изменении динамических свойств функциональных подсистем меняются и описывающие их системы дифференциальных уравнений.

На основе проведенного анализа проблем повышения эффективности и надежности ведения ТП ГНП обоснована необходимость построения АСУ ТП ГНП как динамичного, многосвязанного и многофункционального объекта управления, обладающего свойствами адаптивности и управляемого с участием оператора. Реализация выбранного пути решения проблемы требует теоретического обобщения известных научных подходов и методов с целью разработки методологических и теоретических основ построения АСУ ТП ГНП. Кроме того, проведенный анализ позволяет сформулировать основные требования к АСУ ТП ГНП и выбрать для нее необходимые функциональные подсистемы. Эти подсистемы должны быть многосвязными и многорежимными, что требует согласования путем координации процесса функционирования, как отдельных подсистем, так и всех подсистем в целом. С учетом всего вышеизложенного, сформулирована цель и определены основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена выработке методологических основ разработки и создания высокоэффективных автоматизированных систем управления сложными динамическими объектами, к каким относятся технологические объекты и процессы ГНП, особенности функционирования которых определяются тем, что ТП ГНП являются распределенными многосвязанными иерархическими процессами.

Рисунок 1. Методология разработки АСУ ТП ГНП

Обобщены в систему и классифицированы принципы, позволяющие корректно осуществлять процессы автоматизации ТП ГНП, что позволяет в рамках единой концепции решать многочисленные задачи исследования, моделирования и управления динамическими объектами технологического оборудования ГНП и должно составить в будущем основу методологии создания АСУ ТП ГНП.

На основе системного, динамического, структурно-функционального подхода, а также на различных принципах, определяющих эти подходы, предлагается методология разработки АСУ ТП ГНП, представленная в виде множества взаимосвязанных друг с другом этапов (рисунок 1). Данная системная концепция охватывает все основные этапы разработки АСУ ТП ГНП, объединяя их в единую систему. Преимущество разработанной методологии разработки АСУ ТП ГНП состоит в том, что она:

во-первых, формирует не только единую концепцию построения и развития АСУ ТП ГНП, но и всего комплекса своих функциональных подсистем управления;

во-вторых, характеризует принципиальные особенности построения и функционирования функциональных подсистем АСУ ТП ГНП;

в-третьих, позволяет выявить основные свойства проектируемого класса подсистем АСУ ТП ГНП, формулируя с единых теоретических позиций задачи исследования, моделирования и управления;

в-четвертых, служит основой для разработки новых алгоритмов адаптивного и координированного управления функциональными подсистемами АСУ ТП ГНП.

В рамках предложенной методологии разработана иерархическая многоуровневая структура АСУ ТП ГНП (рисунок 2). Здесь можно выделить три уровня управления: стратегический, тактический и исполнительный.

На стратегическом уровне по командам от центрального управляющего компьютера (ЦУК) производится формирование цели управления и организация принципов супервизирного управления с учетом реальной обстановки ведения ТП ГНП. Совокупность аппаратных и программных средств ЦУК генерирует оптимальную последовательность действий, которая с помощью подсистемы координации и принятия решений декомпозируется на локальные планы действий отдельных функциональных подсистем АСУ ТП ГНП (адаптивных САУ и ИИС). Структура центрального устройства управления и обмена характеризуется вполне определенной функциональной и пространственной организацией, соответствующей назначению устройства и условиям функционирования. От правильного выбора структуры этого устройства во многом зависят такие важные характеристики АСУ ТП ГНП, как быстродействие, надежность и гибкость.

На тактическом уровне по командам подсистемы координации и принятия решений производится формирование программ управления для каждой адаптивной САУ и ИИС, согласование процессов управления и взаимодействия подсистем друг с другом, а также адаптация САУ и ИИС при смене технологических операций ГНП. Для реализации функций адаптации на основе принципа управления по модели в подсистему координации и принятия решений вводятся многосвязная эталонная модель и построенный на основе принципа инвариантности многосвязный регулятор параметрического управления, настраиваемые коэффициенты которого обеспечивают желаемое движение управляемых координат многосвязанного технологического объекта управления, задаваемое эталонной моделью.

На исполнительном уровне решаются задачи стабилизации нелинейных характеристик исполнительных механизмов адаптивных САУ и ИИС, отработки заданных программ управления с требуемым качеством переходных процессов, обеспечение робастности к внутренним и внешним возмущениям и т.д. Данные функции реализуются с помощью многосвязанных цифровых регуляторов координатного управления технологическими объектами ГНП. Так как все контура управления адаптивных САУ замкнуты, то функции оператора сводятся к наблюдению за работой АСУ ТП и регулированию ТП ГНП только при возникновении аварийных ситуаций.

Рисунок 2. Структура АСУ ТП ГНП

Информационное обеспечение АСУ представлено соответствующими адаптивными ИИС и структурами базы данных. Базы данных реализованы в виде иерархических структур с заданным уровнем вложенности, что обеспечивает гибкость структуры базы данных, возможность настройки в соответствии с требованиями пользователей АСУ ТП ГНП. Открытость предлагаемой структуры ИИС обеспечивает возможность дальнейших расширений в системе, а также совместное использование как адаптивных, так и интеллектуальных алгоритмов измерения и передачи информации.

В третьей главе представлены результаты математического и имитационного моделирования объектов управления АСУ ТП ГНП. Изучены и исследованы особенности протекания теплофизических процессов в ТП ГНП.

Определены общие критерии качества управления температурными полями ТП ГНП: стабилизация температуры в зоне нанесения покрытия на уровне 0.2-0,5 %; допустимые колебания температуры в глубину проникновения детали в течение одной технологической операции не должны превышать 0.05-0,1 %; стабилизация температуры плазмотрона на уровне 0,1 % и т.п. На основе этих критериев, учитывая установленные связи между прочностными и термическими характеристиками детали с покрытием, решена задача математического моделирования температуры на поверхности нанесенного покрытия. Целью такого моделирования является получение высокого качества нанесения покрытия при минимальных материальных и энергетических затратах. Например, при рациональном управлении процессами теплообмена при электродуговом плазменном напылении можно добиться как экономии энергии, так и легирующих элементов. Кроме того, температурное поле является основным управляющим фактором фазового перехода при ТП ГНП.

Процессы фазового перехода создают некую неопределенность при автоматизированном управлении ТП ГНП (процессами кристаллизации). Проблема оценки тепловой энергии кристаллизации и исследование ее характеристик с физической точки зрения стала особенно актуальной в связи с тем, что рассматриваемая тепловая энергия обладает большой энергетической емкостью и нестабильностью ее характеристик. Фактором нестабильности являются колебания температурных полей. Следовательно, средства управления ТП ГНП должны быть оснащены необходимыми моделями, описывающими процессы теплообмена во всех технологических операциях ГНП.

Особенностью задач определения температурного поля в приповерхностных слоях из диэлектрических материалов (керамика, кварц и т.д.), является сложность описания процессов теплопроводности, конвекции, лучистого теплопереноса и газодинамики, которые имеют пространственно-временной, часто нелинейный характер, отличаются разнообразием граничных условий и широким диапазоном определяющих параметров. Поэтому моделирование процессов теплообмена в приповерхностных слоях из диэлектрических материалов при высоких температурах представляет значительную трудность, так как с повышением температуры все более заметную роль в процессах теплопередачи играет радиационная составляющая. Следовательно, интерпретация теплопередачи на основе закона Фурье становится невозможной, так как перенос тепла в рассматриваемых диэлектриках осуществляется как за счет излучения, так теплопроводности и массопереноса.

Проведен математический эксперимент по определению коэффициента теплопроводности диэлектрического покрытия для заданных коэффициентов теплоемкости и плотности материала покрытия, и в предположении, что первоначально покрытие прогрето до заданной температуры на всю глубину. Поскольку при обратном возвращении плазмотрона нанесенный слой покрытия остывает в широком диапазоне , соответственно модель управления ТП нанесения следующего слоя имеет погрешность управления.

Разработана математическая модель и решена задача управления процессами теплообмена между подвижным источником тепла (плазмотроном) и приповерхностными слоями диэлектрического нанесенного покрытия, учитывающая нелинейность теплофизических характеристик материала (теплопроводность , теплоемкость и плотность ), что позволяет адекватно управлять процессами теплообмена в приповерхностных слоях нанесенного покрытия.

Построены аналитические описания продольных и продольно-изгибных колебаний детали при неравномерном нанесении покрытий. Приведены решения задач, получены расчетные схемы для моделей с дискретно-распределенными параметрами (первая задача) и с непрерывно-распределенными параметрами (вторая задача). На основе проведенных исследований разработан способ бесконтактной электростатической стабилизации положения нанесенного покрытия в ТП ГНП и предложена технология нанесения диэлектрических покрытий с требуемыми (заданными) параметрами.

Для решения первой задачи в работе изложены основные положения теории свободного вращения детали с покрытием, выбраны обобщенные координаты системы и составлены дифференциальные уравнения Лагранжа второго рода. Ввиду сложности решения системы из 12-и нелинейных дифференциальных уравнений движения, последние приведены к виду, удобному для численного анализа.

Во второй задаче (модель с непрерывно-распределенными параметрами) излагается методика вычисления частот собственных колебаний системы при неравномерном распределении толщины покрытия детали. Математическая модель процесса представлена в виде задачи на собственные значения, для дифференциального уравнения поперечных колебаний детали с учетом деформации сдвига и инерции поворота сечения. При этом упрощается постановка промежуточных и краевых условий, а также учет дискретных инерционных, жесткостных и диссипативных характеристик течения наносимого покрытия по поверхности детали. Коэффициент сдвига принимается постоянным по всей поверхности детали, так как его изменением на больших участках рассматриваемых конструкций детали можно пренебречь.

В работе также приводится вычисление частот собственных колебаний многоопорной детали, несущей сосредоточенные или непрерывно распределенные массы. На основе этих моделей исследованы закономерности релаксации собственных колебаний детали с заданным неравномерным покрытием.

Важным звеном при построении математической модели процесса плазменного нанесения покрытий является описание процессов транспортировки, фокусировки и ускорения потока напыляемых частиц в турбулентном потоке плазменной струи. Строгой теории расчета параметров плазменной струи нами не обнаружено, однако постановка задач по исследованию плазменной струи представлена в ряде работ.

Движение потока расплавленных частиц в газовом потоке определяется гидродинамическими и массовыми силами. Массовые силы обусловлены физическими внешними полями, например, гравитационными, электромагнитными, электростатическими и другими, которые могут быть применены в ТП ГНП. Гидродинамические силы обусловлены взаимодействиями расплавленных частиц с несущим их газовым потоком. К этим силам следует отнести силы сопротивления, трения и давления, а также силы, создаваемые продольными и поперечными градиентами давления и температуры газовой среды, и подъемные инерционные силы, связанные с ускорением частиц в плазменном потоке газов.

К примеру, скорость напыляемых частиц описывается уравнением

,

где , , - скорость, плотность и диаметр расплавленных частиц соответственно; , - скорость и плотность плазменной струи; - коэффициент гидродинамического сопротивления. Обозначим через объемную концентрацию расплавленных частиц, тогда объемная плотность смеси частиц и плазменной струи примет вид

.

Пусть масса элементарного объема смеси частиц и плазменной струи равна , а соответствующая масса расплавленных частиц - , тогда для первого потока перенос количества массы равен , а для второго потока - . Выполняя операцию осреднения и считая равными нулю третьи гидродинамические моменты, распределение расплавленных частиц в турбулентном потоке транспортирующего газа определяется по формуле

,

где ; ; ; h - усредненный путь прохождения частиц; z - расстояние от центра плазмы до поверхности детали; - постоянная Кармана.

Тогда решение поставленной задачи сводится к определению координат (, ) расплавленных частиц на срезе плазменной струи

где - усредненная скорость турбулентных пульсаций в потоке газа; k - коэффициент диффузии частиц; t - время полета частиц.

На основе этих математических моделей построено программное обеспечение для IBM PC. Даны рекомендации по усовершенствованию конструкций плазматронов и регуляторов расхода плазмообразующих газов, обеспечивающих повышение производительности и улучшение физико-механических свойств нанесенного покрытия.

В четвертой главе выявлены и разработаны управляющие переменные, регулируемые координаты, программы управления, критерии эффективности, применяемые при формировании алгоритмов управления показателями качества наносимого покрытия и параметрами плазменной струи.

...