Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблем автоматизации ТП ГНП 19
1.1. Актуальность проблем автоматизации ТП ГНП 19
1.2. Анализ проблем построения АСУ ТП ГНП 31
1.3. Анализ принципов построения адаптивных САУ 37
1.4. Цели и задачи исследований 45
Выводы по главе 1 48
Глава 2. Разработка методологических основ построения АСУ ТП ГНП.. 49
2.1. Проблемы построения АСУ ТП ГНП 49
2.2. Методологические подходы синтеза подсистем АСУ ТП ГНП 58
2.3. Концепция построения адаптивных САУ для АСУ ТП ГНП 70
2.4. Обобщенная структура АСУ ТП ГНП 80
Выводы по главе 2 87
Глава 3. Разработка математических моделей управления ТП ГНП 88
3.1. Задачи управления процессами теплообмена в ТП ГНП 88
3.2. Определение поверхностного теплообмена и коэффициента теплопроводности покрытия из диэлектрических материалов 93
3.3. Математическая модель управления процессами теплообмена в приповерхностных слоях из диэлектрических материалов 104
3.4. Моделирование процессов нанесения покрытий при вынужденных колебаниях детали относительно оси вращения.. 112
3.5. Расчет вынужденных колебаний детали с непрерывно распределенным покрытием 125
3.6. Алгоритм расчета параметров вынужденных колебаний детали с неравномерным покрытием относительно оси вращения 131
3.7. Математическая модель переноса частиц в плазменной струе 137
Выводы по главе 3 144
Глава 4. Разработка теоретических основ синтеза САУ плазменной струей 146
4.1. Плазменная струя как динамический объект управления САУ 146
4.2. Адаптивные алгоритмы для термодинамических процессов в плазменной струе 151
4.3. Синтез адаптивной САУ плазменной струей 157
4.4. Синтез адаптивной САУ плазменной струей с сигнальной настройкой на внешнем контуре 168
4.5. Синтез адаптивной САУ плазменной струей с настраиваемой моделью и настраиваемой обратной связью 175 Выводы по главе 4 182
Глава 5. Синтез алгоритмов управления перемещением каретки плазмотрона 184
5.1. Синтез алгоритмов основного контура управления перемещением каретки плазмотрона 184
5.2. Синтез цифрового регулятора адаптивной САУ перемещением каретки плазмотрона 196
5.3. Синтез алгоритма интерполяции для цифрового регулятора перемещения каретки плазмотрона 206
5.4. Синтез алгоритмов управления адаптивной САУ перемещением каретки плазмотрона 215
5.5. Синтез алгоритма оптимального адаптивного управления ЭМС перемещением каретки плазмотрона 224 Выводы по главе 5 238
Глава 6. Синтез алгоритмов идентификации и структур цифровых фильтров для адаптивных САУ 240
6.1. Синтез беспоисковых алгоритмов идентификации для адаптивных САУ 240
6.2. Синтез нелинейного цифрового фильтра 250
6.3. Особенности синтеза нелинейных фильтров для цифрового регулятора перемещения плазмотрона 265
6.4 Модель цифрового регулятора перемещения каретки плазмотрона в пространстве состояний 275
6.5. Синтез рекурсивного цифрового фильтра адаптивной САУ перемещением каретки плазмотрона 285
Выводы по главе 6 301
Глава 7. Построение и исследование подсистем АСУ ТП ГНП 303
7.1. Особенности построения и структура АСУ ТП электродугового плазменного напыления 303
7.2. Этапы построения цифровых адаптивных регуляторов плазмообразующих газов 318
7.3. Структура САУ источником питания плазматрона 322
7.4. Программное обеспечение АСУ ТП ГНП 326
7.5 Помехоустойчивость подсистем АСУ ТП ГНП 342
7.6. Оценка помехоустойчивости адаптивной САУ 350
Выводы по главе 7 362
Заключение 364
Список литературы
- Анализ принципов построения адаптивных САУ
- Концепция построения адаптивных САУ для АСУ ТП ГНП
- Алгоритм расчета параметров вынужденных колебаний детали с неравномерным покрытием относительно оси вращения
- Синтез адаптивной САУ плазменной струей
Введение к работе
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 (SICPRO-2000)», Москва, 2000; III Международная конференция по компьютерным наукам и информационным технологиям (CSIT’2001), Уфа-Янгантау, 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.
Анализ принципов построения адаптивных САУ
Интенсивное использование методов ГНП в настоящее время обусловлено современными тенденциями развития, характерными для отечественного машиностроения. Перед машиностроением остро стоит задача интенсификации производственных процессов изготовления продукции, при этом выпускаемая продукция должна удовлетворять самым высоким требованиям качества [146, 227]. Высокая гибкость и технологичность методов ГНП позволяет успешно решить эти задачи.
Газотермическое нанесение покрытий заключается в нагреве наносимого материала высокотемпературным источником до температуры плавления с образованием направленного двухфазного газопорошкового потока, переносе этим потоком наносимого материала и формировании покрытия на поверхности изделия. К этим процессам относятся осаждение из газовой фазы, плазменные, газопламенные и детонационные методы напыления покрытий [228].
Все методы ГНП отличаются более высокой производительностью (в Ю-ї-1000 раз) по сравнению с производительностью при напылении в вакууме, диффузионном насыщении и электроосаждении. Характерной чертой методов ГНП, также является отсутствие расплавления материала основы детали или минимальное оплавление очень тонкого слоя наружной поверхности детали.
Основной особенностью материалов в нанесенных покрытиях является то, что их физические, в частности механические или оптические, свойства изменяются при использовании различных методов ГНП [147, 214]. Известно, что процессом нанесения покрытий и свойствами поверхности можно управлять, как изменяя основные технологические параметры, так и условия образования покрытия. Однако точность таких управляющих воздействий очень ограничена. Следствием этого является значительная дисперсия свойств материала в покрытии. Поэтому качество ТП оценивают воспроизводимостью получаемых результатов с наименьшей дисперсией производственных погрешностей.
Среди способов нанесения покрытий плазменное напыление благодаря своим технологическим возможностям привлекает особое внимание. Плазменное напыление является логическим развитием электродуговой металлизации и газопламенного напыления. При плазменном напылении используются технологические приемы нанесения покрытий этими методами.
Процесс плазменного напыления осуществляют по схеме, представленной на рисунке 1.1, где 1ц — расстояние от среза сопла плазмотрона до напыляемой поверхности; Тч — температура частицы; Тп и q — температура и тепловой поток на поверхности детали соответственно. Между катодом и напыляемой проволокой зажигается электрическая дуга. В зависимости от конструкции плазмотрона и источника питания величину тока электрической дуги можно регулировать в пределах 80-ИЮО А. В дуговой промежуток подают плазмообразующий газ (например, аргон, азот и т.д.). При контакте с дугой плазмообразующий газ нагревается и, ускоряясь, выходит из сопла в виде струи низкотемпературной плазмы. Температуру плазмы можно регулировать от 3500 до 30000 С. Скорость струи в зависимости от режима проведения процесса плазменного напыления может изменяться от 300 до 2500 метров в секунду. Варьируя параметрами напыления (величина тока, расход плазмообразующего газа, размер проволоки и ее расход, дистанция напыления и т.д.), можно в довольно широких пределах изменять свойства покрытий.
Процесс плазменного напыления [263, 289] характеризуется высокими температурами в плазменной струе и скоростями частиц, а также инертностью среды. Эти особенности метода позволяют в широком диапазоне регулировать свойства покрытий и в значительной степени устранять недостатки, характерные для других методов напыления. Так, к примеру, плазменные покрытия имеют в три раза большую прочность сцепления, чем газопламенные.
По сравнению с детонационными покрытиями плазменные покрытия являются менее прочными, однако в последнее время плазменное напыление становится более преимущественным, чем детонационное [146]. Причина этого состоит в том, что использование мелкодисперсных порошков и специальных типов проволок для электродуговых плазменных методов напыления дало возможность получать равномерные плазменные многослойные покрытия с меньшей пористостью и большей прочностью.
Плазменные покрытия можно наносить практически из всех материалов: металлов, сплавов, окислов, карбидов и т.п., а также что особенно важно, из их смесей. В результате воздействия плазмы на материал покрытия он приобретает качественно новое состояние. Его структура становится мелкодисперсной, с большим количеством различных фаз, находящихся в метастабильном состоянии. Нанесение покрытий из смесей нескольких материалов привлекает все больше внимание исследователей [107, 146]. В последние время созданы технологические варианты получения композиционных материалов[225].
Концепция построения адаптивных САУ для АСУ ТП ГНП
Общесистемные принципы устанавливают особенности и направления практической реализации системного подхода в проектировании подсистем автоматического управления АСУ ТП. Пренебрежение общесистемными принципами может привести не только к неэффективному функционированию проектируемых подсистем автоматического управления и ограничению их возможностей, но и к ухудшению надежности технологического оборудования. При проектировании АСУ ТП ГНП принцип системности проявляется в многообразии определения структур, состава и целей системы, а также целей проектирования и исследования функциональных САУ. Представление АСУ ТП в соответствии с принципом системности требует рассмотрения целостной модели «объекты управления ГНП - АСУ ТП - внешняя среда». Структура самой простой АСУ ТП ГНП состоит из нескольких САУ. Каждая из этих САУ обладает всеми основными свойствами АСУ ТП и может исследоваться как самостоятельная система и как элемент АСУ. Использование системных принципов особенно целесообразно при решении проблем, связанных с разработкой концепций и методологий проектирования сложных АСУ ТП.
Особое место среди общесистемных принципов занимают принципы декомпозиции, композиции, эквивалентности и согласованности [153]. Принцип декомпозиции заключается в возможности расчленения по тому или иному признаку АСУ ТП ГНП на отдельные подсистемы и в формировании для них собственных целей, функций из условия обеспечения достижения глобальной цели управления АСУ ТП. Отметим, что процедура выделения подсистем, ее системных свойств определяется особенностями организации АСУ ТП, задачами и целями управления и не всегда является очевидной и легко разрешимой процедурой.
Различают декомпозицию по горизонтали и по вертикали. В результате декомпозиции АСУ ТП по горизонтали образуются многосвязанные САУ. В результате декомпозиции по вертикали образуются многоуровневые САУ с тем или иным количеством уровней. Уровни могут быть подчинены друг другу по вертикали, и также имеют свои собственные цели и функции, выполнение которых направлено на достижение глобальной цели АСУ ТП ГНП. В многоуровневой САУ на каждом уровне выбираются свои базовые элементы, которые лежат в основе декомпозиции.
Принцип композиции заключается в возможности объединения по определенным правилам и различными способами множества исходных САУ с помощью множества связей в единую АСУ ТП ГНП. Использование принципа композиции при проектировании САУ позволяет сформировать и решить ряд задач, связанных с разработкой функциональных и структурных схем АСУ ТП.
Принцип эквивалентности достижения цели управления заключается в том, что существует реально несколько эквивалентных (равноценных) путей достижения одинакового конечного результата, отличающихся друг от друга используемыми средствами, технологиями и алгоритмами управления.
Принцип согласованности заключается в том, что все подсистемы, как по горизонтали, так и по вертикали, должны быть согласованы между собой по всем показателям с целью достижения заданной эффективности управления ТП ГНП. В соответствии с этим принципом в АСУ ТП должно быть предусмотрено согласование по выполняемым функциям, по целям функционирования, по статическим и динамическим характеристикам, по характеру движения электромеханических систем во времени и в пространстве, по режимам функционирования подсистем, по информационным потокам, по программному обеспечению и т.д. Частными случаями принципа согласованности являются: принцип оптимальности, заключающийся в согласовании режимов функционирования подсистем управления и АСУ ТП по определенным параметрам, при которых обеспечивается максимальная эффективность качества ТП ГНП, характеризуемая, векторным показателем оптимизации; принцип координации, заключающийся в синхронизации работы всех подсистем во времени и по форме информационных сигналов. Реализация этого принципа обеспечивает максимальное быстродействие и точность АСУ ТП.
Принципы управления лежат в основе построения структур всех подсистем управления АСУ ТП ГНП и моделей управления ими. АСУ ТП ГНП не должна содержать неуправляемых САУ, ИИС, распределенных сетей и других структур управления. Ни одна из подсистем не должна выпасть из процесса управления, а должна целенаправленно взаимодействовать со всеми подсистемами данного уровня либо подсистемами вышестоящего уровня.
Принцип адаптивного управления заключается в том, что АСУ ТП самостоятельно, на основе информации о параметрах внешних воздействий, динамических характеристиках объекта или подсистем управления, получаемой в процессе работы, осуществляет активное изменение алгоритма управления или его параметров с целью обеспечения оптимальной работы замкнутой системы.
Применение принципов адаптации по сравнению с неадаптивным управлением позволяет: обеспечить высокую точность управления при существенных изменениях динамических свойств объектов управления; осуществлять оптимизацию режимов работы технологического оборудования в условиях изменения его динамических свойств; повысить надежность и унифицировать отдельные подсистемы и их блоки; снизить технологические требования к изготовлению отдельных функциональных блоков АСУ ТП ГНП и сократить сроки их разработки и доводки.
Алгоритм расчета параметров вынужденных колебаний детали с неравномерным покрытием относительно оси вращения
Как было отмечено в первом параграфе, одним из основных свойств покрытий является прочность сцепления, существенное влияние на нее оказывают остаточные напряжения. Для снижения уровня остаточных напряжений в ТП ГНП применяется виброобработка. Метод отличается универсальностью и небольшой стоимостью оборудования.
Анализ работ по применению виброобработки показал перспективность ее использования. Виброобработка рассматривается как один из лучших физико-механических способов воздействия на внешний контур управления
АСУ ТП ГНП. Время кристаллизации наносимых покрытий 10 7 -И О-3 с, следовательно, влияние вибрации следует рассматривать с учетом ее воздействия на структуру нанесенного материала.
Кроме того, одними из наиболее важных задач для ТП ГНП является определение оптимальных скоростей вращения детали, амплитуд и частот вынужденных колебаний при этих скоростях вращения. Если вынужденные колебания детали с нанесенным покрытием рассчитать без учета неравномерности этого покрытия, а также без учета податливости опорных систем, которая сравнительно высока, то это приведет к несоответствию частотных характеристик, получаемых в результате расчета, их из действительным значениям и сделает систему вращения детали более чувствительной к возмущающим силам виброобработки [146].
Правильный выбор расчетной схемы очень важен. Прежде всего, следует установить, что является существенным и несущественным для расчета вынужденных колебаний детали. Необходимо отбросить все то, что не может заметным образом повлиять на результаты. Схематизация системы вращения детали совершенно необходима, так как решение задачи с полным учетом всех свойств реального объекта неосуществимо.
Наряду со схематизацией установление расчетной схемы в теории вынужденных колебаний во многом обусловлено выбором числа степеней свободы [275]. Определение числа степеней свободы и соответствующих им обобщенных координат представляет для нашей системы довольно сложную задачу, так как одновременно в системе работает несколько источников вынужденных колебаний. При этом возникают трудности связанные как с неоднозначностью выбора расчетных моделей, так и с расчетом на ЭВМ систем с большими числами степеней свободы. В связи с этим необходимо создать способы упрощения расчетной схемы за счет уменьшения числа степеней свободы [216], у которой собственные частоты и формы колебаний с заданной точностью аппроксимируются с частотой и формой колебаний исходной системы.
Динамические податливости систем механической части оборудования ГНП зависят от большого числа параметров и определяются различными методами. Например, динамические податливости опор находим с помощью специального эксперимента, а центробежные силы дисбаланса нагретых участков детали вообще нельзя определить.
Нанесение покрытий на поверхность осуществляется при вращающейся детали и возвратно поступательном перемещении плазмотрона. Кинематические параметры представлены в работе [216]. При плазменном и газопламенном нанесении покрытий первые проходы выполняют без нанесения покрытий для подогрева поверхности детали до температуры 5CN-800 С.
В отличие от механической обработки деталей, где основное условие обеспечения качества состоит в точном позиционировании рабочего инструмента относительно обрабатываемой поверхности, при нанесении покрытий наиболее важным фактором является точность задания скоростей вращения детали и перемещения распылителя (плазмотрона). Неточность задания скоростей и вынужденные колебания детали относительно оси вращения приводят к большим неравномерностям в толщине покрытия.
Расчетная схема крепления детали (см. рисунок 3.3) представляет собой многомассовое тело вращения 1, опирающееся в точках Л-, Dj на упругие демпфирующие опоры 2. Не умаляя общности, считаем что электростатические опоры 3 и 4 всегда расположены в точках Bj, Cj над сосредоточенными массами наносимого покрытия. Фактическое число электростатических опор 3 и 4 может быть любое. Отбрасывая связи и заменяя их действие реакциями, вращение детали 1 можно считать свободным.
Синтез адаптивной САУ плазменной струей
Такая структура особенно удобна при непрямом адаптивном управлении, так как коэффициенты qx и А,-вычисляются на основании алгебраических уравнений по оценкам коэффициентов полинома КУ A(s) И B(S). Из других методов, применяемых при синтезе ОНО для адаптивной САУ плазменной струей, отметим возможность применения методов модального управления [47].
Этот метод позволяет синтезировать основной контур адаптивной САУ, динамика которого при постоянных параметрах адаптивного регулятора слабо зависит от переменных параметров объекта управления, исполнительного механизма, что ведет к сокращению числа перестраиваемых параметров ОНО и упрощению алгоритмов адаптации в контурах самонастройки.
Ранее молчаливо предполагалось, что F(t{) доступно измерению. Однако это не всегда возможно. Известно, что неполная информация о F( ) может привести к потере устойчивости. В-связи с этим актуальной является задача косвенного измерения ft(t;) или получения оценок F(f,.) с помощью каких-либо наблюдающих устройств. В этом случае мы приходим к двум возможным решениям. Основной контур может строиться либо по принципу Б.Н.Петрова (С0(ґ;) = 0), либо F(ti) подавать на модель с заданным оператором. В первом случае происходит компенсация F ), и контуры самонастройки лишь обеспечивают условия компенсации при переменных параметрах объекта. Во втором случае добиваются заданной реакции системы на реакции вектораF(tt).
С точки зрения оценки работы ОК адаптивной САУ плазменной струей предпочтителен первый вариант. Во втором случае, когда F(tt) подается на модель, контуры самонастройки работают более точно. Кроме того, любое возмущение, подаваемое на систему и модель, ускоряет процессы адаптации.
Синтезированная адаптивная САУ является нелинейной системой. При этом для построения реальной адаптивной САУ плазменной струей приходится делать существенные упрощения, как основного контура, так и алгоритмов адаптации. В связи с этим имеют большое значение в теории построения адаптивных САУ методы линеаризации, методы синтеза систем, обладающих заданными свойствами при упрощенных, физически реализуемых алгоритмах управления и адаптации, методы исследования адаптивных САУ плазменной струей при случайных воздействиях.
В настоящее время при расчете контуров самонастройки САУ плазменной струей широкое применение нашли линеаризованные модели самонастраивающихся систем. Параметрическая модель представляет собой стационарную линейную систему, входом которой являются переменные параметры ОУ, а выходом - настраиваемые коэффициенты регулятора. Основной контур и нелинейные зависимости в алгоритмах адаптации заменяются эквивалентным при определенных условиях линейным звеном.
Наиболее хорошие результаты получены для случая, когда в контурах самонастройки САУ имеются узкополосные фильтры [46, 86, 101]. Параметрические модели адаптивных САУ могут учесть влияние внешних возмущений, детерминированных и случайных благодаря использованию асимптотических методов [99].
Структурную схему линеаризованной параметрической модели адаптивной САУ плазменной струей можно представить в виде, показанном на рисунке 4.6. Здесь: Х( ), K(t{) - векторы переменных состояния движения ИМ и перестраиваемых коэффициентов цифрового регулятора, -F( ) - вектор возмущений окружающей среды, W (s), WjKi (s), W;F (s) - матрицы передаточных функций. Целью всех описанных выше методов получения параметрических моделей как раз и является отыскание для каждого временного отрезка tt передаточных функций W (s), WtKi (s), W?1 (s). m W (s) (t) \ і m . . Wf is) /0\ 1s K \y л W (s) Рисунок 4.6. К расчету передаточной функции линеаризованной ОНО Для расчета и исследования динамики контуров самонастройки адаптивной САУ с учетом линеаризованной ОНО могут применяться все методы, известные в теории управления. Например, используя частотный или аналитический метод синтеза ОНО, находим передаточные функции КУ, а затем вносим соответствующие поправки в упрощенные алгоритмы адаптации. Кроме того, при расчете основного контура можно использовать методы корневого годографа или логарифмических частотных характеристик.
В процессе этого исследования уточняются передаточные функции корректирующих устройств, число перестраиваемых коэффициентов регулятора адаптивной САУ плазменной струей, с помощью которых можно влиять на положение существенных нулей и полюсов с тем, чтобы качество процессов по регулируемой координате соответствовало заданным требованиям во всем диапазоне изменения параметров объекта. При этом иногда удается подобрать корректирующие устройства так, чтобы совместить часть существенных нулей и полюсов, т.е. создать ненаблюдаемую часть системы. При этом упрощается структура основного контура и эталонной модели.
Таким образом, на основе известного аналитического метода синтеза линеаризованных систем, синтезирован «грубый» основной контур адаптивной САУ плазменной струей, динамика которого при постоянных параметрах регулятора слабо зависит от переменных параметров объекта управления, что ведет к сокращению числа перестраиваемых параметров регулятора и упрощению алгоритмов адаптации (т.е. к упрощению контуров самонастройки). Однако, прямое использование адаптивной САУ плазменной струей при мощных электромагнитных и тепловых помехах сталкивается тем, что широко используемые интегральные алгоритмы адаптации, обеспечивая при выполнении определённых условий асимптотическую устойчивость системы управления в целом, равномерную по начальному моменту времени и начальным рассогласованиям в системе относительно управления по эталонной модели, зачастую приводят к медленно затухающим колебательным процессам отработки параметрических возмущений и, как следствие, не обеспечивают достижение заданной динамической точности процессов самонастройки.
Похожие диссертации на Автоматизированная система управления технологическими процессами газотермического нанесения покрытий на основе алгоритмов адаптации и координации
-
