Методология управления показателями качества продукции в технологиях метизного производства на основе моделей с элементами нечеткой логики

48

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Методология управления показателями качества продукции в технологиях метизного производства на основе моделей с элементами нечеткой логики

Специальность 05.02.23 - Стандартизация и управление качеством продукции (металлургия)

Корчунов Алексей Георгиевич

Магнитогорск - 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный консультант доктор технических наук, профессор Чукин Михаил Витальевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бринза Вячеслав Владимирович

доктор физ.-мат.наук, профессор Гитман Михаил Борисович

доктор технических наук, профессор Сидельников Сергей Борисович

Ведущая организация Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно -Уральский государственный университет» (г. Челябинск)

Защита состоится 18 мая 2010 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.05 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Полякова М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Металлические изделия промышленного назначения являются традиционным и пользующимся постоянным спросом на рынке видом продукции метизного производства. Основными потребителями металлических изделий являются промышленное и гражданское строительство, железнодорожная отрасль, добывающая промышленность, автомобилестроение, машиностроение, черная металлургия, то есть отрасли, определяющие развитие экономики и обороноспособность страны.

Создание все более сложных узлов, агрегатов и механизмов с новым уровнем потребительских свойств, стремление к минимизации затрат на переработку и максимальной продолжительности эксплуатационного срока продукции определяют тенденцию постоянного ужесточения требований потребителей к показателям качества металлических изделий. В связи с этим для метизных предприятий жизненно важными являются вопросы обеспечения заданного уровня потребительских свойств новых и традиционных видов продукции на основе эффективного управления показателями качества в процессах технологической обработки.

Процессы технологической обработки метизного производства базируются на взаимодействии методов различной физической природы (холодная и горячая обработка металлов давлением, обработка резанием, термическая обработка и др.). Многообразие методов обработки открывает широкие технологические возможности по формированию показателей качества металлических изделий, созданию схем их производства, обладающих высокой степенью технологической развязки, внутренней гибкостью с большим числом вариантов, мобильностью при смене сортамента, возможностью изготовления малотоннажных партий.

Характерной особенностью при разработке новых и совершенствовании действующих технологических процессов метизного производства, направленных на решение задач по управлению показателями качества продукции, является то, что зачастую цели сформулированы лишь в качественном виде или выражены в виде направления желательного движения. Получение всей необходимой для управления показателями качества продукции информации в структурно-сложных и многофакторных процессах обработки, характеризующихся действием наследственных связей между технологическими операциями, связано с большими сложностями, финансовыми и временными затратами. Это в свою очередь затрудняет установление четкого однозначного соответствия между параметрами управления процессами обработки и показателями качества металлических изделий.

В этих условиях существующие методы управления показателями качества продукции, основанные на детерминированных или случайно - вероятностных математических моделях, оказываются не вполне эффективными.

Вышеизложенное определяет актуальность разработки методологии управления показателями качества продукции с учетом неполноты и нечеткости информации при создании новых и совершенствовании действующих процессов и режимов обработки, обеспечивающих заданный уровень потребительских свойств готовых металлических изделий.

Разделы диссертационной работы выполнялись при поддержке грантов Министерства образования РФ и Правительства Челябинской области в 2004, 2006гг., в рамках тематического плана фундаментальных НИР, проводимых по заданию Федерального агентства по образованию в 2006-2007гг., аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» в 2009-2010гг., федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в 2009-2011гг.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методологии создания и применения математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий при проектировании новых и совершенствовании действующих технологических процессов метизного производства, обеспечивающих заданный уровень потребительских свойств готовой продукции.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:

- разработать последовательность структурной и параметрической идентификации математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий применительно к технологическим процессам метизного производства;

- формализовать описание параметров управления, параметров состояния и показателей качества продукции нечеткими и лингвистическими переменными для разработки структуры логических правил управления вида «если…то» для технологических процессов метизного производства;

- адаптировать и применить алгоритм работы с математическими моделями с элементами нечеткой логики к управлению показателями качества металлических изделий в процессах технологической обработки;

- провести исследования процессов формирования единичных показателей качества с использованием формализованной степени их технологического наследования в процессах обработки низкоуглеродистой арматурной проволоки периодического профиля диаметрами 6,0 -10,0 мм, высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал, калиброванной стали для машиностроения, пружинных клемм рельсовых скреплений ОП105 для разработки и параметрической идентификации логических правил управления;

- разработать математические модели с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий, позволяющие определять результативные режимы обработки при необходимом уровне технологического наследования показателей качества продукции;

- с использованием разработанной методологии решить прикладные задачи по созданию новых и совершенствованию действующих процессов и режимов обработки, обеспечивающих заданный уровень показателей качества перспективных видов металлических изделий для строительства, железнодорожной отрасли, машиностроения, оценить эффективность предлагаемой методологии управления показателями качества продукции промышленным внедрением.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- методология разработки и применения математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий в процессах их формирования и технологического наследования для поддержки принятия управляющих решений по обеспечению заданного уровня потребительских свойств готовой продукции при разработке новых и совершенствовании действующих технологических процессов метизного производства;

- принцип управления показателями качества на основе моделей с элементами нечеткой логики с использованием лингвистических переменных, значениями которых выступают нечеткие множества, математически заданные в виде функций принадлежности, характеризующие параметры управления процессом обработки и показатели качества металлических изделий, а их взаимосвязь представляется в виде нечеткого отношения;

- принцип учета неблагоприятных наследственных связей в процессах формирования и технологического наследования единичных показателей качества металлических изделий при взаимодействии методов обработки различной физической природы в технологиях метизного производства.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработана концепция управления показателями качества металлических изделий в технологических процессах метизного производства, отличающаяся использованием математических моделей с элементами нечеткой логики при формализации взаимосвязи между параметрами процесса управления, более адекватно описывающих реальную ситуацию с учетом неполноты и нечеткости исходной информации;

- разработаны математические модели управления показателями качества металлических изделий в процессах обработки калиброванной стали, высокопрочной арматуры, железнодорожных пружинных клемм, отличающиеся использованием нечетких и лингвистических переменных при формировании условий и заключений в логических правилах управления вида «если…то», позволяющие определять технологические режимы обработки, обеспечивающие получение заданного уровня показателей качества готовой продукции;

- приведено научное обоснование режимов обработки низкоуглеродистой арматурной проволоки периодического профиля больших диаметров, высокопрочной арматуры для железобетонных шпал, пружинных клемм для рельсовых скреплений ОП105, калиброванной стали для машиностроения, отличающихся учетом неблагоприятных наследственных связей в ходе формирования и технологического наследования показателей качества изделий и обеспечивающих заданный уровень потребительских свойств готовой продукции;

- получены новые научные знания о формировании показателей качества стали марок 40С2 и 55С2 по механическим свойствам при различных видах и сочетаниях деформационного и термического воздействий;

- разработаны и формализованы критерии подобия, характеризующие параметры управления и технологическое наследование показателей качества поверхности стали при калибровании в монолитной волоке с учетом способа предварительной подготовки поверхности исходной заготовки;

- на основе экспериментальных и промышленных исследований получены математические модели оценки формоизменения при нанесении двух - и четырехстороннего периодического арматурного профиля в зависимости от технологических факторов обработки, отличающиеся тем, что в качестве исходной заготовки в процессе холодного профилирования используется круглая проволока диаметром более 6,0 мм.

Практическая ценность. Определен и адаптирован алгоритм структурной и параметрической идентификации моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества применительно к технологическим процессам метизного производства, позволяющий ускорить процесс разработки и применения моделей при проектировании режимов технологической обработки, обеспечивающих заданный уровень потребительских свойств готовой продукции.

С использованием современных информационных технологий FuzzyTECH Professional автоматизированы и подготовлены к практическому использованию на персональном компьютере математические модели для управления показателями качества калиброванной стали, высокопрочной арматуры для железобетонных шпал, пружинных клемм для рельсовых скреплений ОП105, что позволяет существенно сократить время принятия технологических решений по обеспечению заданного уровня качества готовой продукции.

Разработаны новые технологические процессы и режимы обработки низкоуглеродистой арматурной проволоки диаметром более 6,0 мм, обеспечивающие требуемое качество продукции из рядовых марок стали с уменьшением затрат на ее изготовление (патенты РФ № 2221654 и № 2310534).

Разработаны промышленные режимы производства новых видов продукции для железнодорожной отрасли: высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал и пружинных клемм для рельсовых скреплений ОП105, обеспечивающие заданный уровень качества готовой продукции при использовании нестандартной кремнистой стали марки 40С2 и снижение затрат на производство. Экономический эффект от внедрения разработок в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ» составил 992,7 руб. на 1 тонну товарной продукции в ценах 2006г.

Разработаны технологические режимы производства калиброванной стали с регламентированным качеством поверхности. Экономический эффект от внедрения в условиях «Магнитогорский калибровочный завод» составляет 396,34 тыс. руб. в год в ценах 2004г.

Создано программное обеспечение, позволяющее проектировать на персональном компьютере результативные технологические режимы волочения в монолитной волоке на основе моделирования и анализа напряженного состояния, оценки деформационных и энергосиловых параметров процесса (Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2006614009 и № 2008614834).

Реализация работы. Технологические процессы производства низкоуглеродистой арматурной проволоки реализованы в условиях ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» и ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод» (патенты РФ№ 2221654 и № 2310534). Разработан пакет технологической документации для производства низкоуглеродистой арматурной проволоки с заданным уровнем качества диаметрами 6,0 - 10,0 мм по ТУ 14 - 170 - 217 -94 и ТУ 14-1 - 5393 -2000.

Разработаны и приняты к внедрению на ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» технологические режимы производства высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм по ТУ-14-125-704-96 для железобетонных шпал, используемых на тяжелонагруженных участках железных дорог.

Разработаны и внедрены на ОАО «ММК-МЕТИЗ» (г. Магнитогорск) усовершенствованные технологические режимы производства железнодорожных пружинных клемм в виде изменений в технологическую инструкцию ТИ 176-Т-241-2002 «Производство проката для изготовления пружинных клемм» и технологическую карту ТК 176-МТ.КР-390-2006 «Клемма пружинная прутковая для крепления рельсов по ОП105 ТУ».

Разработаны и приняты к использованию на ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» технологические режимы производства калиброванной стали по ТУ 14-176-128-2003 с регламентированными значениями высотных параметров шероховатости поверхности. Разработаны и внесены изменения в технологическую инструкцию ТИ 176-Т-135-05 «Производство проката со специальной отделкой поверхности».

Теоретические и практические результаты используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» при подготовке инженеров по специальностям 2005030 - «Стандартизация и сертификация» и 150106 - «Обработка металлов давлением», а также для студентов, обучающихся по направлению 150100 - «Металлургия» (бакалавриат и магистратура).

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова 2002 - 2009гг., Межгосударственной научно-технической конференции “Проблемы развития металлургии Урала на рубеже 21 века“ (Магнитогорск, 1995г.), Международной научно-технической конференции “Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий” (Волгоград, 1997г.), Первой международной выставке “Технологии металлургии“ (Магнитогорск, 1997г.), на Всероссийской научно-технической конференции “Перспективные материалы, технологии, конструкции” (Красноярск, 1998г.), IV, V и VII конгрессах прокатчиков (Магнитогорск, 2001г., Череповец, 2003г., Москва, 2007г.); III, IV , V, VI школах - семинарах «Фазовые и структурные превращения в сталях» (пос. Кусимово, Башкортостан, 2003, 2004, 2006, 2008гг.); II Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (Тула, 2004г.), Международной научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации» (Москва, 2004г.), Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы, новые материалы и оборудование ОМД» (Рыбинск, 2006г.), Международной научно-технической конференции «Образование через науку» (Москва, 2005г.), Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2007г.); II Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в машиностроении» (Пенза, 2006г.), III региональной научно-технической конференции «Перспективные технологии получения и обработки материалов» (Иркутск, 2006г.), Международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2005, 2007гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии - НТМ» (Москва, 2004, 2006, 2008гг.), на техническом совете ОАО «ММК-МЕТИЗ» (г. Магнитогорск, 2009г.), на совместном научном семинаре Пермского научно-образовательного центра проблем управления Института проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН и кафедры «Динамики и прочности машин» ГОУ ВПО «Пермского государственного технического университета» в 2009г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 монографии, 58 научных статей, из них 16 в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ (в т.ч. 7 без соавторов), двух патентах РФ на изобретение, двух свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 7 глав, изложена на 320 страницах машинописного текста (включая приложения), иллюстрирована 136 рисунками, содержит 60 таблиц, 15 приложений, библиографический список из 243 наименований.

Личный вклад автора заключается в разработке концепции управления показателями качества продукции в технологиях метизного производства на основе моделей с элементами нечеткой логики, организации, постановке и проведении экспериментальных и теоретических исследований, в разработке новых и совершенствовании действующих процессов и режимов обработки перспективных видов металлических изделий с заданным уровнем качества, обобщении полученных результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научной проблемы, сформулированы цель и задачи работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая ценность и реализация работы, приведены данные об апробации работы, публикациях и структуре диссертации.

В первой главе дана классификация металлических изделий, рассмотрена структура показателей их качества, проанализированы особенности архитектуры технологических процессов метизного производства, обобщены материалы по математическим методам управления показателями качества металлических изделий в ходе обработки.

Технологический комплекс производства металлических изделий представляет группу взаимосвязанных и взаимодействующих технологических процессов, осуществляющих глубокую переработку продукции черной металлургии. К числу базовых технологических процессов, формирующих показатели качества металлических изделий, относятся технологии горячей и холодной обработки металлов давлением, термической, химико-термической и резцовой обработок.

Специфической особенностью обработки в технологиях метизного производства является значительная немонотонность и разнонаправленность пооперационного изменения значений показателей качества металлических изделий.

В ходе обработки показатели качества готовых металлических изделий формируются на протяжении всего процесса обработки и технологически наследуются от предшествующей операции к последующей. При этом под технологическим наследованием понимается явление переноса (передачи) показателей качества металлических изделий от предшествующих операций к последующим.

При решении задач по обеспечению заданного уровня качества продукции при разработке новых и совершенствовании действующих технологических процессов обработки четвертого передела эффективно использовать основные положения теории технологического наследования и, в частности, методологию определения и анализа неблагоприятных наследственных связей, инициирующих несоответствия по качеству производимой продукции.

Среди основных мероприятий, направленных на подавление развития или устранение неблагоприятных наследственных связей в технологиях метизного производства, можно выделить: совершенствование режимов обработки без изменения предназначения операций; определение места «технологических барьеров» в процессе производства; смена основного рабочего хода процесса; определение рационального сочетания и последовательности включения в технологию производства операций, реализующих методы обработки различной физической природы.

Управление показателями качества металлических изделий в технологических процессах можно классифицировать на перспективное и оперативное. технологический металлический метизный

Под перспективным управлением понимается прогнозирование количественных значений показателей качества металлических изделий в зависимости от значений параметров управления (технологических факторов) до реализации процесса обработки. Под оперативным управлением понимается управляющее воздействие в виде изменения значений параметров управления, которое определяется после реализации процесса обработки с целью устранения величины отклонения значения показателя качества и приведения его к заданному уровню.

Для успешного решения задач по управлению показателями качества при реализации технологических мероприятий необходимо иметь математические модели, формально описывающие взаимосвязи между параметрами управления процессом обработки и показателями качества изделий.

Однако в реальном масштабе времени значительная часть информации, необходимой для их математического описания, существует в форме представлений или пожеланий экспертов.

Проблемы получения всей необходимой для управления показателями качества информации и построения таких моделей значительно усложняются для многооперационных технологических процессов, реализующих обработку с использованием методов различной физической природы, и связаны с большими сложностями, финансовыми и временными затратами, особенно при разработке новых процессов и совершенствовании технологических режимов в условиях действующего производства.

В свою очередь, это усиливает неопределенность достижения требуемого уровня значений показателей качества.

При этом основным источником неопределенности является нечеткость или расплывчатость информации, которая определяется не только отношениями между параметрами управления и показателями качества изделий, но и деятельностью человека - лица принимающего решения (ЛПР).

В условиях нечеткости и расплывчатости информации математические модели управления показателями качества продукции, разработанные на основе детерминированных или случайно-вероятностных подходов, не приносят желаемого результата.

В настоящее время стремительно развиваются методы математического моделирования на основе теории нечетких множеств, позволяющие преодолевать трудности, связанные с качественным характером, а также неполнотой и расплывчатостью информации.

Теория нечетких множеств опирается на предпосылку о том, что элементами мышления человека являются не числа, а элементы некоторых нечетких множеств, для которых переход от "принадлежности" к множеству - к "непринадлежности" не скачкообразен, а непрерывен.

Впервые такой подход был предложен американским математиком Л. Заде в 1965 г. и предназначался для формализации неточных понятий, анализа и моделирования систем, в которых участвует человек.

Это привело к появлению математического аппарата для разработки моделей управления на основе нечеткой логики, отличительной особенностью которых является возможность использования нечетких и лингвистических переменных.

Применительно к задачам управления показателями качества продукции в технологиях метизного производства такой подход имеет следующие преимущества:

1. Возможность быстрой разработки модели по логическим правилам на малых объемах статистической информации с последующим усложнением ее функциональности, адаптации и обучения по результатам анализа управления.

2. Возможность обобщения и преобразования к единой форме в виде функций принадлежности и использования при управлении неоднородной информации (детерминированной, интервальной, статистической, лингвистической) о технологических режимах обработки, областях их допустимости, эффективности и предпочтительности одних режимов перед другими с точки зрения обеспечения требуемого уровня показателей качества продукции. Обработка особого типа информации - знаний.

3. Представление параметров процесса управления показателями качества в виде лингвистических переменных, а их взаимосвязи в виде логических правил управления, позволяет описать свойственный человеку качественный процесс решения задачи при оценке предпочтительности режимов обработки.

Модель более проста для понимания и реализации.

4. Значительно сокращается время и объем вычислений. Открытость архитектуры модели позволяет легко вносить дополнения и изменения.

5. Решение задач по управлению показателями качества на основе моделей с элементами нечеткой логики соответствует гибкой стратегии адаптивного приближения при сохранении необходимой точности результата.

При этом необходимость в целевых функциях и решении задач оптимального управления отпадает.

На современном этапе развития важнейшей особенностью жизнеспособности теоретической концепции является ее реализация и поддержка в соответствующих программных продуктах.

Появление специализированного программного обеспечения, ориентированного на решение задач моделирования с использованием теории нечетких множеств и нечеткой логики свидетельствует о том, что предлагаемый подход может и должен быть эффективно использован для решения задач управления показателями качества продукции в технологиях метизного производства.

В связи с вышеизложенным математический аппарат теории нечетких множеств и нечеткой логики принят в данной диссертационной работе за базу при разработке методологии создания и применения математических моделей управления показателями качества металлических изделий.

Вторая глава посвящена разработке методологии создания и применения математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества продукции в технологиях метизного производства.

Предложена и разработана последовательность структурной и параметрической идентификации математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий применительно к технологическим процессам метизного производства (рис.1).



Рис.1. Схема разработки математической модели с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий

Для осуществления структурной идентификации модели была формализована необходимая процедура задания параметров управления технологическими процессами обработки и показателей качества металлических изделий в виде нечетких и лингвистических переменных.

Нечеткая переменная определяется как кортеж:

, (1)

где - наименование нечеткой переменной; - ее универсум (область определения); - нечеткое множество, заданное на , описывающее возможные значения нечеткой переменной , где является элементом универсального множества , а - функция принадлежности, ставящая в соответствие каждому из элементов действительное число из интервала [0,1], посредством чего определяется степень принадлежности к нечеткому множеству .

Лингвистическая переменная формализуется следующим образом:

, (2)

где - наименование лингвистической переменной; - множество ее значений (термов), каждое из которых является наименованием отдельной нечеткой переменной ; - универсум нечетких переменных, входящих в определение лингвистической переменной;- синтаксическая процедура, описывающая процесс образования из множества новых, осмысленных для рассматриваемой нами задачи значений лингвистической переменной; - семантическая процедура, позволяющая поставить в соответствие каждому новому значению лингвистической переменной, образованному процедурой , осмысленное содержание посредством формирования соответствующего нечеткого множества.

При структурной идентификации модели общее количество входных и выходных лингвистических переменных, их наименование, определение для каждой лингвистической переменной количества и наименований термов, а также задание для них универсумов, обуславливается конкретной задачей по управлению показателями качества в процессах технологической обработки.

Под входными переменными модели понимаются параметры управления процессом обработки, а выходные переменные соответствуют параметрам состояния или показателям качества изделий. Важным вопросом на этом этапе является выбор вида функций принадлежности для каждого из термов лингвистических переменных. В связи с этим была выполнена математическая формализация видов функций принадлежности для термов лингвистических переменных, а также изложены рекомендации по их выбору.

С целью формализации взаимосвязи между параметрами управления и показателями качества изделий были предложены математические модели, состоящие из совокупности логических правил управления в виде «если…то», условия и заключения в которых формулируются с использованием лингвистических переменных, характеризующих процесс управления показателями качества продукции.

Структура логического правила «если…то» при управлении показателями качества металлических изделий формализуется выражением:

, (3)

где - номер правила, позволяющий однозначно его идентифицировать; - ядро правила, в котором - антецедент (условие), - консеквент (заключение), знак логической секвенции (следствие); - метод определения количественного значения степени истинности заключения ядра правила (метод композиции);- вес правила, принимающий свое значение из интервала [0,1].

В ядре правила в качествеи используются нечеткие лингвистические высказывания относительно значений тех или иных лингвистических переменных, характеризующих параметры управления, параметры состояния, показатели качества изделий, в том числе и составные, соединенные логическими связками «и», «или», «не», а также с использованием модификаторов «очень», «более», «менее» и других.

При управлении под условием в ядре логического правила (3) понимаются нечеткие лингвистические высказывания относительно значений лингвистических переменных, характеризующих параметры управления процессом обработки, а под заключением - нечеткое лингвистическое высказывание, соответствующее параметру состояния материала или показателю качества изделий.

Параметрическая идентификация модели осуществляется в два этапа. Первый этап включает определение параметров функций принадлежностей для всех термов лингвистических переменных, формирование логических правил управления «если…то» и определение их весов. Определение параметров функций принадлежностей термов лингвистических переменных на их универсумах осуществляется на основе заранее известного количественного значения выделенного признака в соответствии с семантикой наименований термов. Для входных лингвистических переменных в качестве такого признака выступают значения параметров управления процессом обработки, а для выходных - заданный уровень значений показателя качества, технологические критерии оценки параметров состояния материала и стабильности обработки.

При формировании логического правила условие и заключение в нем интерпретируются как два нечетких множества и , заданных на универсумах соответствующих нечетких высказываний и с функциями принадлежности и , а их взаимосвязь определяется как нечеткое отношение на декартовом произведении универсумов. Под нечетким отношением, характеризующим эту связь, заданным на универсумах и , понимается нечеткое подмножество декартова произведения этих универсумов:

, (4)

где- кортеж элементов, каждый из которых выбирается из своего универсума:; - функция принадлежности нечеткого отношения.

Определение нечетких отношений является центральным звеном в последовательности разработки математических моделей с элементами нечеткой логики.

Исходная информация о количественной взаимосвязи между параметрами управления и показателями качества металлических изделий в процессах обработки, необходимая для определения нечетких отношений и формирования логических правил управления «если…то», может быть получена с помощью математического моделирования, путем экспериментальных исследований на натурном объекте или его модели; на основе опыта и знаний эксперта; обобщением сведений из литературных источников; комбинацией указанных способов.

Разработанные правила сводятся в единую базу, которая представляет собой конечное множество отдельных правил, согласованных относительно используемых в них лингвистических переменных, значениями которых выступают нечеткие множества, математически выраженные в виде функций принадлежности, соответствующим параметрам управления, параметрам состояния или показателям качества изделий, и представляется в форме структурированного текста:

(5)

Общее количество логических правил в модели зависит от количества значений входных лингвистических переменных, формирующих условия правил, и определяется как декартово произведение на их универсумах.

Совокупность всех логических правил управления в базе (5) формализуется нечетким отношением:

(6)

с функцией принадлежности , где - нечеткое отношение вида (4) для каждого - того логического правила управления базы (5).

После выполнения первого этапа параметрической идентификации модели следует ее апробация на примере решения задач управления показателями качества путем вычислительных экспериментов.

Моделирование на основе базы правил (5) осуществляется с использованием математического аппарата нечеткой логики.

Для работы с математическими моделями с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий был адаптирован и использован алгоритм принятия решений, включающий последовательность следующих операций: фаззификация входных переменных; агрегирование подусловий в логических правилах с использованием операции min-конъюнкции; активизация или композиция подзаключений в правилах; аккумулирование заключений логических правил по методу max-дизъюнкции; выбор четкого значения нечеткой выходной переменной по методу центра тяжести композиции максимум-минимум.

Для компьютерной реализации разработанных моделей согласно указанному алгоритму использована специализированная программа FuzzyTECH Professional фирмы INFORM Gmbh (Германия).

Вторая стадия параметрической идентификации модели выполняется по результатам апробации и сопоставления результатов моделирования с фактическими данными, наблюдаемыми в производственных условиях, и включает корректировку параметров функций принадлежностей термов лингвистических переменных и весов логических правил управления «если…то».

В результате реализации математических моделей с элементами нечеткой логики определяется количественное значение показателей качества продукции в детерминированном виде в зависимости от конкретного сочетания параметров управления технологическим процессом обработки.

Для оценки характера изменения значений показателей качества металлических изделий в ходе технологического процесса формализована количественная степень их технологического наследования при пооперационной обработке в виде:

, (6)

где , - значение показателя качества изделия после j -ой и (j -1)-ой технологической операции соответственно.

При = 0 значение -го показателя качества после выполнения j -ой технологической операции соответствует исходному значению , т.е имеет место полное наследование («копирование») показателя качества.

При наблюдается технологическое наследование с уменьшением числового значения показателя качества , а при - увеличение.

При происходит ликвидация показателя качества .

Суммарный коэффициент технологического наследования по -му показателю качества изделия после реализации всего процесса обработки определится как:

, (7)

где =1…m, m- общее число технологических операций; =1…n, n - количество показателей качества.

По результатам управления технологические режимы обработки, обеспечивающие достижение заданного уровня показателей качества металлических изделий, фиксируются через коэффициенты технологического наследования.

Это позволяет записать технологические режимы обработки в виде кортежа коэффициентов благоприятного технологического наследования показателей качества продукции:

, (8)

где , - общее число технологических операций в ходе обработки; , - количество показателей качества;

,- множество значений коэффициентов благоприятного оперативного наследования по -му показателю качества изделия после j -ой операции и всего процесса обработки соответственно.

В третьей главе приведены результаты математического моделирования и экспериментального исследования процесса формирования и технологического наследования высотных параметров шероховатости поверхности углеродистых сталей в процессе калибрования в монолитной волоке, необходимые для разработки математической модели с элементами нечеткой логики для управления показателями качества поверхности калиброванной стали.

Путем направленного опроса и обработки мнений экспертов, а также анализа специальной литературы были определены и приняты к дальнейшим исследованиям наиболее значимые параметры управления, воздействующие в процессе калибрования на показатели качества поверхности стали.

Разработаны детерминированные математические модели описания технологического наследования высотных параметров шероховатости поверхности стали при калибровании с учетом формы микронеровностей заготовки после различных видов предварительной подготовки к деформации и описывающие функцию распределения микронеровностей поверхности заготовки законом Рэлея.

На основе методов теории размерностей были получены и формализованы критерии подобия, характеризующие параметры управления и технологическое наследование показателей качества поверхности стали при калибровании в монолитной волоке.

Проведены экспериментальные исследования и получены критериальные зависимости оценки влияния параметров управления процессом калибрования на технологическое наследование показателей качества микрорельефа поверхности калиброванной стали.

Технологическое наследование высотного параметра шероховатости поверхности Ra исходной заготовки в зависимости от способа предварительной обработки описывается следующими выражениями:

- после травления

, (9)

 - после резцовой обработки (обточки)

, (10)

где - критерий подобия, характеризующий технологическое наследование высотного параметра шероховатости Ra; - критерии подобия, характеризующие степень деформации, упрочнение стали, угол рабочего канала и калибрующую зоны волоки, соответственно.

Результаты проведенных исследований послужили основой для разработки математической модели с элементами нечеткой логики для управления показателями качества поверхности стали в процессе калибрования.

Модель содержит четыре входные лингвистические переменные, базу логических правил управления, включающую два блока (первый блок работает в случае калибрования исходной заготовки после травления, второй - если обрабатывается подкат после обточки поверхности), и одну выходную лингвистическую переменную.

В качестве входных лингвистических переменных использовали параметры управления процессом калибрования, выраженные в виде критериев подобия:

, (11)

, (12)

, (13)

. (14)

Выходная лингвистическая переменная соответствовала критерию подобия, характеризующему технологическое наследование показателя качества поверхности:

. (15)

На основе обобщения полученных знаний о процессах формирования и технологического наследования показателей качества поверхности стали в процессе калибрования были определены параметры функций принадлежностей термов лингвистических переменных (рис.2) и разработаны логические правила управления, связывающие лингвистические значения входных и выходных переменных в виде «если…то» (см. табл.1).

Таблица 1

Фрагмент базы логических правил управления качеством поверхности стали при калибровании исходной заготовки, предварительно подвергнутой обточке

№
R1	малое	малое	средний	малый	малое
R2	малое	малое	средний	большой	малое
---	---	---	---	---	---
R13	среднее	малое	средний	малый	малое
R14	среднее	малое	средний	большой	малое
---	---	---	---	---	---
R35	большое	высокое	большой	малый	большое
R36	большое	высокое	большой	большой	большое

Все лингвистические термы в базе правил (см. табл.1) представляются как нечеткие множества, заданные соответствующими функциями принадлежности (см. рис. 2)

а.	б
в.	г
д

Рис.2. Функции принадлежности нечетких множеств соответствующих термов лингвистических переменных, характеризующих процесс управления показателями качества поверхности стали:

а - , б - , в - , г - , д - .

Модель была реализована в специализированной программе FuzzyTECH Professional и использована при проектировании режимов обработки в технологическом процессе производства калиброванной стали, включающем предварительную обработку поверхности исходной заготовки путем резцовой обточки и последующее калибрование на заданный размер. Резцовая обточка поверхности исходного подката была включена в технологию обработки в качестве «технологического барьера» с целью удаления и предотвращения технологического наследования дефектов поверхности прокатного происхождения. На основе модели были определены новые режимы обработки, обеспечивающие достижение заданного уровня значений высотных параметров шероховатости калиброванной стали со специальной отделкой поверхности для изготовления элементов подвески легковых автомобилей.

В четвертой главе приведены результаты исследований процессов формирования и технологического наследования показателей качества низкоуглеродистой арматурной проволоки периодического профиля диаметрами 6,0 -10,0 мм; сформированы нечеткие отношения для управления режимами технологической обработки и обеспечения требуемого уровня показателей качества продукции из рядовых низкоуглеродистых марок стали.

Формирование показателей качества арматурной проволоки основывается на технологической схеме, включающей обработку горячекатаной катанки методами холодной пластической деформации на размер под профилирование и профилирование путем нанесения на ее поверхность периодического профиля для повышения уровня сцепления с бетоном.

Предложен способ профилирования путем прокатки круглой проволоки - заготовки в двухвалковом калибре с нанесением четырехстороннего периодического профиля. Проведены исследования по определению и выбору рациональной формы поперечного сечения холоднокатаного периодического профиля. Проанализированы известные из практики производства арматурной стали формы поперечного сечения профилей, которые могут быть получены прокаткой в двухвалковом калибре, а именно: ромбическое с различными углами при вершине ромба, квадратное, стрельчатое, «трефовое» и кольцевое. Так как форма поперечного сечения профиля определяется формой калибра, образованного двумя ручьями, нарезанными на профилирующих валках, то проводился анализ соответствующих систем двухвалковых калибров: круг-квадрат, круг-ромб, круг-стрельчатый квадрат, круг-калибр с выпуклыми гранями, круг-калибр с вогнутыми гранями. На основе результатов исследования разработана модель в виде бинарного нечеткого отношения, функция принадлежности которого количественно описывает степень предпочтения той или иной формы калибра, исходя из желательных условий профилирования и формирования показателей качества арматурной проволоки (табл. 2).

Таблица 2

Значения функции принадлежности нечеткого отношения предпочтения, характеризующего взаимосвязь формы калибра и условий профилирования арматурной проволоки

Y X
х1	0,7	0,7	0,8	0,6	0,9	0,7
х2	0,9	0,7	0,6	1,0	0,9	0,8
х3	0,4	0,7	0,8	0	0,8	0,2
х4	0,7	0,9	0,9	0,5	0,6	0,6
х5	0,9	0,6	0,8	0,8	0,6	0,7
х6	0,4	0,9	0,6	0,2	0,2	0,2

где - элементы базисного множества X, характеризующего форму калибров, принятых к анализу (- квадратный, ,- ромбический с углом при вершине 102 и 78, соответственно, - стрельчатый, - с выпуклыми стенками, - с вогнутыми стенками); - элементы базисного множества Y, характеризующего условия обработки при профилировании (- нечеткое множество «низкая неравномерность деформации», заданное на универсуме интегрального коэффициента неравномерности высотной деформации , - нечеткое множество «высокий коэффициент охвата», заданное на универсуме коэффициента охвата , - нечеткое множество «высокая степень ограничения уширения», заданное на универсуме коэффициента степени ограничения уширения , ,,- нечеткие множества «профилирование нескольких типоразмеров», «низкая трудоемкость нарезки» и «высокая стойкость инструмента», соответственно, заданные на универсуме в виде шкалы от 0 до 1).

На основе нечеткого отношения предпочтения была определена форма поперечного сечения четырехстороннего периодического профиля (ромбическая с углами при вершине 90 - 102), обеспечивающая благоприятные условия формирования показателей качества при профилировании прокаткой в двухвалковом калибре.

Были разработаны номограммы для определения геометрических параметров четырехстороннего периодического арматурного профиля с ромбической формой поперечного сечения и диаметра заготовки под профилирование по заданным значениям критерия анкеровки Рема и номинального диаметра арматурной проволоки. В лабораторных условиях были проведены исследования для определения характера формоизменения и наследования показателей качества по механическим свойствам арматурной проволоки в процессе прокатки четырехстороннего периодического профиля.

Были получены математические модели, описывающие взаимосвязь параметров управления при профилировании с геометрическими показателями качества четырехстороннего арматурного профиля:

 (16)

где - критерий подобия, характеризующий изменение размеров поперечного сечения профиля по вертикали; - критерий подобия, характеризующий изменение размеров поперечного сечения профиля по горизонтали; - критерий, характеризующий относительную высоту выступа; критерий, характеризующий угол при вершине калибра; - критерий подобия, характеризующий прочностные свойства заготовки под профилирование; - критерий подобия, характеризующий диаметр профилирующего валка.

При оценке технологического наследования показателей качества, характеризующих механические свойства арматурной проволоки было установлено, что в области формирования требуемой высоты выступа пластические свойства существенно зависят от показателя фактора формы очага деформации .

Так, при 2,0 коэффициент технологического наследования по показателю качества «относительное удлинение» составлял значение , при = 2,5 - , а при 3,0 - .

Результаты исследований преобразовали к форме в виде функций принадлежности, характеризующих предпочтительность технологических режимов профилирования, используемых при управлении показателями качества проволоки.

Для управления показателями качества проволоки на этапе получения заготовки под профилирование на основе обобщения экспертной информации и литературных источников и было сформировано нечеткое отношение предпочтения режимов волочения.

Были выполнены экспериментальные исследования для выяснения влияния параметров управления процессом волочения на показатели качества холоднотянутой проволоки из низкоуглеродистых сталей и характер их технологического наследования.

Было установлено, что благоприятные условия технологического наследования показателей качества по механическим свойствам проволоки - заготовки под профилирование, обеспечиваются одновременным увеличением значений степени единичной деформации при волочении и уменьшением углов рабочего конуса волоки.

Однако при таком сочетании параметров управления значительно возрастают энергетические затраты на волочение, нагрузки на волочильный инструмент, ослабевает экономическая целесообразность процесса.

Учитывая высокую пластичность низкоуглеродистых сталей в состоянии поставки, для получения промежуточной круглой заготовки под профилирование был предложен и экспериментально обоснован новый способ холодной прокатки проволоки в системе калибров «круг-гладкая бочка-круг».

На основе результатов исследований определено нечеткое отношение предпочтения режимов прокатки.

Параметрическую идентификацию функции принадлежности выполнили на основе установленных в ходе исследований значений фактора формы очага деформации и феноменологического критерия устойчивости при прокатке, обеспечивающих равномерность параметров состояния материала при стабильном протекании процесса деформации и благоприятное технологическое наследование показателей качества проволоки по механическим свойствам (табл. 3).

Таблица 3

Значения функции принадлежности нечеткого отношения предпочтения режимов прокатки проволоки в системе калибров «круг-гладкая бочка-круг»

Х1/ Х2	Степень деформации плоскоовальной полосы в круглом калибре,%
	20-24	24-28	28-32	32-36	36-40
Степень деформации на гладких валках,%	20-24	0	0	0,4	0,2	0
	24-28	0	0,2	0,8	0,8	0,4
	28-32	0,2	0,6	0,9	1,0	0,8
	32-36	0	0,6	0,8	0,8	0,4
	36-40	0	0,4	0,4	0,2	0

Установленные в результате исследований нечеткие отношения предпочтения были использованы при проектировании промышленных режимов обработки арматурной проволоки периодического профиля диаметрами 6,0 - 10,0 мм, обеспечивающих заданный уровень качества готовой продукции по геометрическим показателям и механическим свойствам.

Пятая глава посвящена моделированию и экспериментальным исследованиям процессов формирования эксплуатационных свойств высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал современных магистралей и разработке, структурной и параметрической идентификации математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества готовой продукции.

...