Введение к работе
Актуальность проблемы. При решении задач повышения качества продукции различного назначения можно выделить ряд технологических процессов, для которых характерными классификационными признаками являются: объединение разнородных физических процессов, имеющих различный временной масштаб протекания; существенная нелинейность; неконтролируемость показателей качества в реальном времени; слабая формализуемость при описании и др. К таким технологическим процессам можно отнести, например, различные металлургические, сварочные, химические, биологические и др. процессы.
Известно, что объекты с такими характеристиками, в силу названых причин, могут характеризоваться хаотическим движением Своих параметров. Это означает, что по текущим значениям контролируемых параметров процесса невозможно точно предсказать значения показателей качества. В этом смысле технологические процессы такого типа принято характеризовать как ограниченно детерминированные (хаотические).
При таких условиях единственно возможным путем для управления качеством становится воздействие на процесс путем компенсации неста-бильностей на этапе подготовки производства. Имеется в виду, что на вход технологического процесса поступают материалы, энергия, оборудование и оператор, технологические свойства которых отвечают нормативным требованиям для данного производства.
Сварочное производство и монтаж атомных энергетических установок подчиняются "Правилам и нормам в атомной энергетике" и "Основным положениям (ОП) и правилам контроля (ПК)", ГОСТ 9467-75, ГОСТ 24376-91, ГОСТ 13821-77 и др. Эти документы жестко регламентируют все этапы подготовки, производства и контроля сварных соединений. В соответствии с этими основными правилами в сварочном производстве осуществляется нормативное управление качеством сварных соединений. Это управление заключается в том, что на этапе подготовки производства осуществляется всесторонний контроль и аттестация технологических свойств оператора-сварщика, сварочных материалов и оборудования: Необходимо также отметить, что этап подготовки производства при изготовлении корпусного оборудования АЭС сопряжен со значительными материальными затратами, а по времени превосходит собственно само производство этого оборудования. Например, подготовка производства корпуса реактора ВВЭР-1000 в ПО "Атоммаш" заняла около двух лет.
трол
Однако проведенные исследования показывают, что, несмотря на все меры, принимаемые при контроле и аттестации, в реальном производстве сохраняется высокий уровень нестабильности квалификации операторов-сварщиков, характеристик уже р^^^^рщй5йЙРДв и свароч-
ОЭ за&**те&П
ного оборудования. Это объясняется трудностями получения объективных характеристик: практически все существующие методы контроля либо дороги и неэффективны (например, методы разрушающего контроля), либо принципиально содержат элемент необъективности - экспертные оценки. Другим результатом исследований является тот факт, что компенсация нестабильностей, накопленных на этапах подготовки производства, путем адекватных изменений параметров режима сварки затруднительна. Это объясняется сложной физической природой процесса сварки, отсутствием обратной связи по показателям качества и противоречиями (оппозициями) в критериях качества сварного соединения.
Таким образом, для производства ответственных изделий корпусного оборудования в энергетическом машиностроении актуальным является решение проблемы повышения точности, надежности и производительности контроля и аттестации процесса сварки плавлением на этапе подготовки производства. Решение этой проблемы связано с разработкой математических методов получения идентификационных характеристик и методик классификации процесса сварки, основанных на них алгоритмов, а также аппаратно-программной системы, реализующей эти методы.
Работа выполнялась в рамках госбюджетной фундаментальной научно-исследовательской работы № 1.3.99 Ф "Разработка теории и методов повышения технологической прочности, качества и надежности оборудования на основе создания математических методов расчета и моделирования, новых технологий и материалов", а также в соответствии с научным направлением ЮРГТУ (НПИ) "Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления", утвержденного на период 1995-2000 гг. решением Ученого совета университета от 25.01.95. Отдельные этапы работы выполнялись по хоздоговорам на проведение научно-исследовательских (опытно-конструкторских) работ: "Автоматизированная система управления сваркой плавлением корпусного оборудования АЭС" 1990 г. ПО "Атоммаш"; "Автоматизированная система контроля технологических свойств сварочных материалов" 1991 г. ПО "Атоммаш"; "Информационно-регистрирующая система ИРИС-М" 1987 г. ВНИИМонтажспецстрой; "Автоматизированная система аттестации оператора-сварщика РДС" 2003 г. ОАО "ЭМК-Атоммаш".
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является совершенствование сварочного производства ответственных конструкций АЭС средствами автоматизации, обеспечивающими повышение качества подготовки технологических процессов сварки плавлением. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
анализ вариации параметров процесса сварки как объекта исследования, его классификация и обоснование выбора математических методов идентификации;
разработка метода выбора размерности фазового портрета процесса с целью получения топологического отображения (модели) процесса сварки;
разработка робастных методов получения численных характеристик топологического отображения для идентификации процесса сварки;
разработка нейросетевой модели-классификатора для идентификации сварного соединения в системе аттестации оператора-сварщика, сварочных материалов и оборудования;
разработка автоматизированного аппаратно-программного комплекса для аттестации сварочного процесса.
Методы исследований. Для классификации процесса сварки плавлением использованы методы математической статистики, методы нелинейной динамики, спектральные методы анализа процессов, для обоснованного определения значений параметров - методы математического моделирования и оптимизации, для разработки интерфейса - методы проектирования программных систем, а также экспериментальные методы исследования на основе созданных устройств.
Достоверность научных результатов выполненных диссертационных исследований подтверждается корректным применением фундаментальных законов соответствующих областей знаний. Основные допущения, принятые при аналитических исследованиях, моделировании и оценке достоверности результатов, не противоречат физике рассматриваемых явлений, часто используются при изучении сложных нелинейных процессов. Достоверность научных результатов подтверждается также:
положительными результатами промышленных испытаний созданной (на основе теоретических исследований и разработанных автором методов и алгоритмов) автоматизированной системы контроля и аттестации сварочных процессов, а также опытом ее эксплуатации на предприятиях ряда отраслей промышленности;
сопоставлением результатов, полученных с помощью разработанных автором методов идентификации и классификации процесса сварки плавлением, с результатами экспериментальных исследований при контроле и аттестации на основе регламентных испытаний (их расхождение не превышает 4%), проведенных в соответствии с требованиями "Правил контроля сварных соединений конструкций атомных электростанций опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок" ПК 1514-72 и других нормативных документов;
использованием при проведении экспериментальных исследований только поверенной высокоточной аппаратуры и аттестованных специальных измерительных аппаратно-программных систем.
Научная новизна
Новизна научных результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
-
Впервые показано, что процесс сварки плавлением классифицируется как ограниченно детерминированный (хаотический) с аддитивной стохастической составляющей. Этот результат обосновывает ограничения на использование интегро-дифференциальных уравнений для решения задач управления процессом в реальном времени и определяет приоритетность использования автоматизированных систем контроля и аттестации на этапе подготовки производства.
-
Разработан новый метод восстановления размерности фазового пространства процесса, отличающийся тем, что он имеет квадратичную зависимость сложности от количества исходных данных по сравнению с экспоненциальной для других методов. Этот метод позволяет обоснованно ограничить снизу количество параметров, необходимых для описания состояний исследуемого процесса.
-
Впервые получена зависимость оценки амплитуды аддитивной стохастической составляющей сигналов от размерности фазового пространства процесса, позволяющая формально обосновать точность измерительных и числовых преобразований данных о процессе при идентификации его состояний.
-
Разработан метод автоматической идентификации по многомерной эмпирической функции распределения данных, отличающийся роба-стностью основных статистических моментов для количества данных порядка 10б за счет их предварительной агрегации при расчете фазового портрета. Этот метод позволяет получить множество численных идентификационных характеристик, чувствительных к состояниям процесса сварки плавлением.
-
Разработано масштабирующее преобразование множества численных идентификационных характеристик процесса, отличающееся тем, что оно задает для каждого малого интервала значений масштаб, пропорциональный вероятности попадания значения в этот интервал. Оно позволяет обеспечить равномерное распределение данных в своем диапазоне, тем самым обеспечивая максимум значения энтропии (информативности) входных данных нейросетевой модели-классификатора.
-
Разработана новая автоматизированная система, отличающаяся совместным использованием подсистемы автоматической идентификации состояний процесса по масштабированной сглаженной многомерной эмпирической функции распределения данных о процессе и нейросетевой моделью-классификатором. Это позволяет обеспечить контроль и аттестацию процесса сварки плавлением без экспертной оценки на основе регламентных испытаний сварного соединения.
Научная значимость. Диссертация решает важную научную проблему повышения надёжности и долговечности функционирования ответственного энергетического оборудования атомной энергетики и других отраслей народного хозяйства. Она вносит вклад в теорию автоматизации технологических процессов, обеспечивающих повышение качества сварных соединений. Впервые показано, что совместное применение разработанного метода автоматической идентификации состояний, основанного на сегментации топологического отображения процесса в восстановленном фазовом пространстве с нейросетевой моделью-классификатором, позволяет решить проблему уменьшения нестабильности и повышения качества, а также является общим для достаточно широкого класса таких технологических процессов как металлургические, химические и др.
Практическая значимость работы.
Основным итогом диссертационного исследования являются как общие теоретические положения по идентификации процесса сварки плавлением, так и практические разработки, позволяющие обеспечить повышение качества сварных соединений при производстве корпусных изделий АЭС за счет автоматизации контроля и аттестации на этапе подготовки производства.
