Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ процессов и систем электроплазменной обработки как объектов проектирования 14
1.1. Анализ физико-химических механизмов электроплазменной обработки 14
1.2. Конструирование и разработка электроплазменного оборудования 23
1.2.1. Структурная схема электроплазменного оборудования 23
1.3. Плазмотроны 24
1.3.1. Требования, предъявляемые к плазмотронам 24
1.3.2. Конструкции плазмотронов 27
1.4. Ионные источники 37
1.4.1. Общая характеристика 37
1.4.2. Конструкции ионных источников 40
1.5. Магнетронные распылительные системы 46
Общая характеристика 46
1.5.1. Конструкции магнетронных распылительных систем и их характеристики 49
1.6. Формальная модель проектирования электроплазменных технологий и оборудования 53
Выводы по главе 1 61
Глава 2 Методологические основы системотехнического процесса проектирования электроплазменных технологий и автоматизированного оборудования на основе проектных моделей знаний 63
2.1. Основные понятия системного и информационного подходов, используемые для формирования проектных моделей знаний 65
2.2. Нечёткие модели представления знаний процесса проектирования 74
2.3. Управление формированием проектных моделей знаний для проектирования электроплазменных технологий и оборудования 80
2.4. Управление распределением ресурсов для решения научно-технических задач 92 Выводы по главе 2 103
Глава 3 Автоматизация технологического эксперимента при исследовании процессов электроплазменной обработки 104
3.1. Моделирование нечётких знаний при проведении автоматизированного технологического эксперимента 105
3.2. Алгоритмы управления электроплазменными технологическими процессами при проведении автоматизированного эксперимента 117
3.3. Научные принципы разработки оборудования для автоматизированного эксперимента электроплазменной обработки 129
Выводы по главе 3 137
Глава 4 Исследование и разработка методов повышения устойчивости газовых разрядов в распределённых электродных системах технологических плазменных устройств 138
Постановка задачи 138
4.1. Классификация технологических плазменных устройств по принципу распределенности газовых разрядов 139
4.2. Факторы, определяющие устойчивость газовых разрядов 151
4.3. Анализ устойчивости тлеющего разряда, обусловленной тепловыми процессами на электродах 162
4.4. Исследование влияния импульсной формы тока на устойчивость тлеющего разряда 173
4.5. Исследование влияния технологических факторов и геометрических размеров электродов на устойчивость тлеющего разряда 189
4.6. Анализ устойчивости коронного разряда, обусловленного скоростью прокачки газа через межэлектродный промежуток распределённой электродной системы 214
4.7. Экспериментальное определение предельного тока коронного разряда в распределённой электродной системе типа игла-плоскость 218
Выводы по главе 4 227
Глава 5 Исследование и разработка электроплазменных технологических процессов 229
5.1. Исследование технологических процессов очистки и нагрева деталей в тлеющем разряде 233
5.1.1. Анализ процессов очистки деталей в тлеющем разряде 233
5.1.2. Анализ термических условий очистки и нагрева деталей в тлеющем разряде 237
5.1.3. Анализ процесса термической активации поверхности основы дополнительным газовым разрядом 240
5.1.4. Экспериментальные исследования очистки деталей при обработке импульсным тлеющим разрядом 250
5.1.5. Разработка технологии чернения стальных деталей в тлеющем разряде 256
5.1.6. Разработка технологических требований к оборудованию очистки и нагрева деталей в тлеющем разряде 262
5.2. Исследование и разработка технологии озонирования пористых тел 268
5.2.1. Разработка вероятностной модели озонирования пористых тел 268
5.2.2. Экспериментальное исследование пористых тел 275
5.2.3. Анализ диффузионных процессов обработки пористого материала озоном 277
5.2.4. Математическое моделирование процесса движения воздушно-озонового потока внутри пористого материала 282
5.2.5. Разработка технологии озонирования зернистых материалов 287
5.2.6. Экспериментальные исследования зависимости концентрации озона от параметров массообменных процессов в объёме пористого материала 293
5.2.7. Разработка технологических требований к оборудованию озоновой обработки 296 Выводы по главе 5 308
Глава 6 Научные принципы разработки автоматизированного оборудования для электроплазменных технологических процессов 310
Постановка задачи 310
6.1. Автоматизированное оборудование для плазменного нанесения порошковых покрытий с совмещённой активацией основы газовыми разрядами 311
6.2. Автоматизированное оборудование для плазмохимической обработки 317
6.2.1. Технологические особенности оборудования 317
6.2.2. Установка для плазмохимической обработки карусельного типа 321
6.2.3. Установка для плазмохимического чернения стальных деталей 328
6.3. Автоматизированное оборудование для нанесения тонких плёнок 330
6.3.1. Общая характеристика оборудования 330
6.3.2. Установка для магнетронного напыления тонких плёнок 332
6.4. Установка ионно-лучевого напыления тонких плёнок 340
6.5. Установка напыления тонких плёнок на основе плазменного ускорителя 343
6.6. Разработка адаптивного регулятора для управления процессом электроплазменной обработки изделий 347
6.7 Пример практической реализации адаптивного регулятора для управления процессом нагрева изделий в тлеющем разряде 353
Выводы по главе 6 372
Выводы по диссертации 373
Список использованной литературы 377
Приложения 398
- Конструирование и разработка электроплазменного оборудования
- Нечёткие модели представления знаний процесса проектирования
- Алгоритмы управления электроплазменными технологическими процессами при проведении автоматизированного эксперимента
- Анализ устойчивости тлеющего разряда, обусловленной тепловыми процессами на электродах
Введение к работе
Актуальность проблемы. Электроплазменные процессы обработки материалов и нанесения покрытий являются весьма перспективными в производстве ответственных деталей современных машин и приборов, а также в других отраслях промышленности. Это определяется их возможностью достаточно эффективно модифицировать поверхность различных материалов, придавая ей заданный комплекс свойств путем очистки, диффузионного насыщения, нанесения относительно толстых покрытий или пленок. Эти процессы исключают технологии с вредными условиями на производстве и загрязняющие окружающую среду. Решению задач исследования и разработки электроплазменных методов обработки материалов и нанесения покрытий посвящены работы Н. Н. Рыкалина, В, В. Кудинова, Б. С. Данилина, Л. С. Полака и других отечественных и зарубежных ученых, создавших научные основы разработки электроплазменных технологий и оборудования.
Однако ряд важнейших вопросов электроплазменных технологий
остается нерешенным. В частности, не вполне изучена возможность
повышения качества покрытий путем воздействия на основу и
напыляемый материал в процессе напыления газоразрядной плазмой, не
созданы эффективные методы повышения устойчивости газовых разрядов,
не получены закономерности, позволяющие управлять параметрами
газоразрядных процессов. Остается не изученным влияние газоразрядной
плазмы на высокопористые (в частности биологические) объекты. Мало
изучены закономерности использования газоразрядной плазмы для
создания защитных пленок, одновременно обладающих
светопоглощающими свойствами (например, чернение). Также одним из факторов, сдерживающих широкое внедрение этих и других изученных электроплазменных процессов, является низкая эффективность проектных и экспериментальных работ, направленных на создание новых технологий и оборудования.
Автоматизация является самым перспективным методом повышения эффективности проектных работ и совершенствования методов управления процессами обработки. При этом особенность современных систем автоматизированного проектирования и управления состоит в том, что они оперируют не данными, а взаимосвязанными проектными моделями знаний, которые позволяют проводить адаптацию априорной информации, приспосабливая ее к техническим требованиям или к техническому заданию на конкретный процесс или оборудование.
Основные положения методологии формирования и использования проектных моделей знаний разработаны в трудах А. Н. Борисова, К. Д. Жука, А. Н. Мелехова, А. И. Половинкина, Г. С. Поспелова, В. И. Скурихина и других отечественных и зарубежных ученых. Однако эти
положения разработаны применительно к традиционным методам обработки и сборки и не учитывают особенности электроплазменных процессов.
Электроплазменные технологии характеризуются большим количеством взаимовлияющих факторов, что вносит высокую степень стохастичности в протекание процесса и поэтому затрудняет его моделирование и формализацию описания.
В связи с возникновением новой концепции построения систем проектирования и управления на основе проектных моделей знаний появилась возможность повышения эффективности проектных работ и управления процессами и электроплазменным оборудованием, а также существенного улучшения качественных показателей электротехнологий. Разработка и использование новых методов проектирования и автоматизации экспериментальных работ применительно к электроплазменным технологиям и оборудованию сдерживается отсутствием научных основ формирования системы проектирования на базе проектных моделей знаний, учитывающих отмеченные выше особенности электроплазменных процессов.
В соответствии с изложенным основная проблема, решаемая в данной работе, заключается в разработке методологии системотехнического проектирования автоматизированного оборудования на основе проектных моделей знаний, учитывающей особенности многофакторных электроплазменных процессов, на базе комплексного изучения закономерностей процессов, протекающих в газоразрядной плазме и зоне ее взаимодействия с материалами. Решение данной проблемы является актуальным, поскольку позволит повысить эффективность электроплазменных технологий и оборудования, а также расширить сферу их применения в производстве конкурентоспособных изделий.
Цель работы — создание новых конкурентоспособных электроплазменных технологий и оборудования на базе методологии автоматизированного проектирования с использованием проектных моделей знаний, полученных в ходе автоматизированного технологического эксперимента.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Совмещение во времени процессов электроплазменного
напыления и воздействия на основу и покрытие газоразрядной плазмой
позволяет повысить адгезионно-когезионные характеристики покрытия
путем управляемой термической активации, граничные параметры которой
определяются полученной в ходе исследований зависимостью.
2. Чернение стальных деталей в тлеющем разряде позволяет
получить оксидные пленки с содержанием РезС>4 не менее 90%.
-
Продувание через обрабатываемый объект воздушно-озоновой смеси, образуемой в коронном разряде, позволяет озонировать пористые материалы за счет диффузионных процессов, их кинетика описывается уравнением, решение которого позволяет установить требуемую концентрацию озона при сравнительно низком его парциальном давлении.
-
Полученные на основе теоретических и экспериментальных исследований закономерности процесса повышения устойчивости газовых разрядов в распределенных электродных системах технологических плазменных устройств улучшают качество обработки газоразрядной плазмой.
-
Обоснованные проектные модели знаний являются основой концепции гибкой системы управления процессом проектирования электроплазменных технологий и соответствующего автоматизированного оборудования.
6. Разработанные методы представления знаний в виде формальных
моделей обучения, идентификации и управления позволяют создать
концепцию адаптивного управления процессами электроплазменной
обработки и нанесения покрытий.
Методы и средства исследований. Методологической основой исследований явился системный подход и принципы информационных технологий. Теоретические исследования выполнены с использованием теории информационных систем, нечётких моделей для экспертных систем, теории газоразрядной плазмы, положений тепломассопереноса, кинетики химических превращений, химии поверхности раздела металл-газ.
Экспериментальные исследования проводились на специальном лабораторном оборудовании по оригинальным методикам. Основными методами измерений явились: измерение толщины оксидной плёнки оптическим поляризационным методом с использованием лазерного эллипсометрического микроскопа; измерения количества органических загрязнений спектрометрическим методом; рентгенофазный анализ структуры твёрдого тела; масс-спектрометрический анализ состава рабочих газов; осциллографирование и измерение электрических параметров процесса; обработка результатов исследований проводилась с использованием статистических методов.
Научная новизна. Сформированы научные основы проведения автоматизированного эксперимента при изучении закономерностей процессов электроплазменной обработки и созданы проектные модели знаний для автоматизированной разработки электроплазменного оборудования. Важнейшими из новых научных результатов, полученных в диссертационной работе, являются следующие:
1. Впервые предложены и обоснованы научные принципы построения новых технологических схем:
плазменного нанесения покрытий с совмещенным воздействием на основу и покрытие газоразрядной плазмы, позволяющей гибко управлять их активацией в процессе формирования покрытия, что обеспечивает повышение и стабилизацию адгезионно-когезионных характеристик;
плазмохимического чернения стальных изделий, обеспечивающего содержание РезС>4 в защитной пленке до 90%;
озонирования пористых тел с использованием коронного разряда, обеспечивающего их объемную обработку;
2. Впервые исследованы статические и динамические характеристики электротехнологических систем, на основе которых определены закономерности и методология оптимизации режимов электроплазменной обработки.
. 3. Определены наиболее значимые факторы, определяющие устойчивость тлеющего и коронного разрядов:
тепловые условия на электродах;
состояние поверхности электродов;
геометрические параметры электродов;
модуляции тока разряда.
Экспериментально впервые установлены количественные требования к этим факторам, обеспечивающие стабильное существование разряда и оптимальное протекание процесса.
-
Впервые предложена модель проведения автоматизированного технологического эксперимента для исследования закономерностей электроплазменной обработки в условиях нечётких знаний, которая позволяет осуществлять в автоматизированном режиме процедуры идентификации, оптимизации и адаптации, что обеспечивает высокую достоверность результатов исследований и создание технологических процессов повышенной эффективности.
-
Разработаны и обладают новизной математические модели, которые позволяют проектировщику электроплазменного оборудования в автоматизированном режиме гибко распределять ресурсы в течение всего периода решения научно-технических задач, что обеспечивает повышение качества и производительности проектных работ.
-
Разработаны проектные модели четких и нечетких знаний, на основе которых создана новая структура адаптивного регулятора для управления процессами электроплазменной обработки и нанесения покрытий, которые позволяют сформулировать управляющий алгоритм, оптимизирующий процесс при случайных изменениях условий обработки.
Практическая ценность работы. Создано методическое обеспечение для системы гибкого управления процессом проектирования электроплазменных технологий и оборудования, направленных на повышение эффективности проектных работ и разработку новых электроплазменных технологий и автоматизированного оборудования.
Предложены конструкции, разработано и внедрено автоматизированное оборудование для электроплазменных технологических процессов, обеспечивающее улучшение качества обрабатываемых изделий и повышение производительности труда:
автоматизированное оборудование для плазменного напыления порошковых покрытий с совмещенной активацией подложки газовыми разрядами;
автоматизированное оборудование для плазмохимической обработки;
автоматизированное оборудование для нанесения тонких плёнок;
оборудование для озонирования сельскохозяйственных культур, кормоцехов птицефабрик и свинокомплексов.
Реализация результатов работы. Методическое обеспечение для систем проектирования внедрено на предприятии ОАО «Саратовский научно-исследовательский институт машиностроения» при создании конструкторской и технологической документации в процессе разработки электроплазменных технологий и автоматизированного оборудования. Разработанные электроплазменные технологические процессы внедрены с экономическим эффектом на ОАО «МЭЛЗ» (г. Москва), ОАО «Контакт» (г. Саратов), ОАО «Сельхозтехника» (с. Перелюб, Сарат. обл.), СХА «Михайловское» (с. Михайловка, Сарат. обл.), ЗАО «Птицефабрика «Балаковская» (г. Балаково, Сарат. обл.), других предприятиях г. Москвы, Саратова и Саратовской области.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надёжности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза, 1996-1999); первой Всероссийской научно-методической конференции с международным участием (Саратов, 2000); 26-м Всероссийском научно-практическом семинаре «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии» (Москва, 2003), VII Международной конференции «Динамика технологических систем» (Саратов, 2004); 7-й Международной конференции «Современные проблемы имплантологии» (Саратов, 2004); ежегодных научно-технических конференциях СГТУ в 1995-2004 гг., I Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии» (Москва, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 3 монографии и три авторских свидетельства на изобретение. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, выводов по диссертации, списка использованной литературы (215 наименований); содержит 405 страниц текста, в том числе 181 рисунок, 51 таблицу.
Конструирование и разработка электроплазменного оборудования
Электроплазменное оборудование представляет собой сложный комплекс технических систем, которые формируют разнообразные физико-химические процессы, направленные на качественную обработку изделий. Процессы электроплазменной обработки характеризуются высокой энергонасыщенностью, нестабильностью, быстротечностью и случайностью многих явлений. Перечисленные технологические условия обработки обусловливают сложность создания высокоэффективных и надежных автоматизированных систем управления и контроля процессов электроплазменной обработки. Общая структурная схема систем электроплазменного оборудования приведена на рис. 1.3. Центральное место в структуре оборудования занимают технологические плазменные устройства, которые являются инструментом для обработки изделий (рис. 1.3). Бурное развитие электроплазменных процессов предъявляет к плазмотронам новые и более высокие требования. В связи с тем, что для каждого технологического процесса применима одна вполне определенная конструкция плазмотрона, дающая высокий технико-экономический эффект, число требований, предъявляемых к плазмотронам, растет пропорционально количеству разработанных технологических процессов. Можно выделить основные требования, присущие наиболее широко распространенным плазмотронам: 1) мощность; 2) стабильность параметров плазменного потока; 3) высокая энергетическая эффективность; 4) большая длительность непрерывной работы; 5) надежность конструкции; 6) простота эксплуатации; 7) возможность использования любых плазмообразующих сред; 8) легкость ввода исходных материалов в плазменный поток и т.д. Создание плазмотронов, соответствующих этим требованиям, обеспечивает высокую технико-экономическую эффективность электроплазменных процессов [39, 62, 110,131]. Мощность плазмотрона. В зависимости от вида электроплазменного процесса мощность плазмотрона может меняться от единиц киловатт до десятков и сотен мегаватт.
Плазмотроны мощностью до 100 кВт широко используются в процессах сварки, резки, наплавки, напыления и др. Плазмотроны мощностью до 1 МВт применяются в промышленных целях и для опытно-промышленных установок. Более мощные плазмотроны (от 10 до 100 МВт) пока еще находятся в стадии разработки. Дуговые плазмотроны большой мощности имеют невысокий ресурс работы, а ВЧИ плазмотроны - более низкую энергетическую эффективность. Стабильность параметров плазменного потока. Это требование является одним из самых существенных, так как от выполнения его значительно зависят качество готового продукта и эффективность ведения технологического процесса. Так, процессы шунтирования дуги в канале плазмотрона создают значительные пульсации параметров плазменного потока, что в некоторых случаях неприемлемо. Высокая энергетическая эффективность плазмотрона. Это требование включает высокую эффективность преобразования электрической энергии в тепловую и возможность получения максимального КПД технологического процесса. Например, при сфероидизации дисперсных материалов эффективность технологического процесса увеличивается с уменьшением скорости плазменного потока, но в то же время термический КПД плазмотрона при этом снижается. Поэтому плазмотрон должен обеспечивать оптимальные условия ведения технологического процесса при высоком термическом к.п.д. установки. Большая длительность непрерывной работы плазмотрона. Данному требованию удовлетворяют плазмотроны, стабильно и надежно работающие в продолжение более 200 ч. ВЧИ плазмотроны достигают непрерывной работы около 2000 ч, что определяется ресурсом работы генераторной лампы. Дуговые плазмотроны в настоящее время могут работать 200 ч без смены электродов. Многоэлектродные плазмотроны дают возможность значительно увеличить ресурс работы плазмотрона. В некоторых случаях длительная работа плазмотрона может быть обеспечена быстрой сменой электродов или путем непрерывной подачи электродов в область дугового промежутка. Надежность конструкции плазмотрона. Она определяется многими факторами: простотой конструкции плазмотрона, широким распространением использованных в нем материалов, удобством монтажа и надежностью его сборки и разборки, исключающими возникновение нестабильностей формирования электрического разряда и т.д. Простота эксплуатации плазмотрона.
Данное требование включает простоту сборки и разборки плазмотрона, простоту крепления его в технологической зоне, легкость возбуждения электрического разряда, причем желательно без ввода дополнительных устройств в область разрядного канала. Например, для ВЧИ разряда желательно производить возбуждение плазмы без ввода поджигающих угольных стержней или без ввода дополнительных электродов и плазмотронов. Дуговой разряд желательно возбуждать без проволочек или вводимых в канал поджигающих электродов. Возможность использования любых плазмообразующих сред. В ВЧИ, СВЧ и некоторых других плазмотронах это требование автоматически выполняется в связи с отсутствием эрозирующих электродов. Значительно хуже в этом смысле обстоит дело с дуговыми плазмотронами, хотя в настоящее время среди них уже имеются плазмотроны для работы на воздухе и в других агрессивных средах при использовании защищенных электродов или перемещающихся электродных пятен. Легкость ввода исходного материала в плазменный поток. Выполнение этого требования обеспечивается далеко не при любой конструкции плазмотрона. Так, ввод дисперсного материала в вихревой плазменный поток весьма затруднен. Рассмотрение требований, предъявляемых к плазмотронам, можно было бы продолжить. В большинстве случаев они являются специфическими для данной конструкции плазмотрона и требуют индивидуального анализа. В настоящее время имеется множество различных конструкций плазмотронов или, как их иногда называют, генераторов плазмы, подогревателей плазмы. Существующие плазмотроны можно разделить на группы. Это плазмотроны на постоянном и переменном токе, высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны, а также комбинированные. Такое разнообразие схем плазмотронов обусловлено в первую очередь различными требованиями технологических процессов и возможностями создания плазменных потоков с необходимыми параметрами [29,35, 39, 62].
Нечёткие модели представления знаний процесса проектирования
Творческая деятельность проектировщика включает в качестве основного элемента процесс принятия решения (выбор). Понятие "принятие решений (выбор)" в системологии трактуется как действие над множеством альтернатив, в результате которого получается подмножество выбранных альтернатив. Для принятия решений необходимо сформулировать цель решаемой задачи, определить критерий для сравнения альтернатив, сгенерировать множество альтернатив, на котором предстоит выбор лучшей альтернативы в соответствии с принятым критерием. Если процесс принятия решения поддается четкой математической формализации, то принятие решения можно сформулировать как задачу оптимизации и решить ее методом теории оптимизации [54]. Однако, как отмечается в [165], "идею оптимальности, чрезвычайно плодотворную для систем, поддающихся адекватной математической формализации, нельзя перенести на сложные системы. В сложных системах проектирования математическое моделирование является затруднительным, приблизительным, неточным. Чем сложнее система, тем осторожнее и скептичнее следует относиться к ее оптимизации". При проектировании сложных систем возникают проблемы, которые оказываются неразрешимыми в рамках формальных математических постановок задач. В таких случаях прибегают к услугам экспертов — высококвалифицированных специалистов, чьи суждения и интуиция могут решать сложные проблемы. Основная идея экспертных оценок состоит в том, чтобы формализовать в виде моделей знаний профессиональные знания экспертов и их способности находить решения на трудноформализуемых этапах проектирования.
В настоящее время для моделирования знаний экспертов широко используется математический аппарат нечетких множеств [86, 100, 118, 125]. При построении нечетких моделей ключевыми понятиями являются "нечеткие множества", "функция принадлежности", "нечеткие и лингвистические переменные". Функция // :X-»[0;l] называется функцией принадлежности нечеткого множества А, а X - базовым множеством или базовой шкалой. Нечеткой переменной называют тройку а,Х,С(а) , где а -наименование нечеткой переменной; = ( } область ее определения (базовое множество); С(а)={ /гс (х)/х \хеХ) - нечеткое подмножество множества X, описывающее ограничения на возможные значения нечеткой переменной а. Лингвистическая переменная характеризуется набором /?, Tip ) , X, G, М , в котором (3 - название лингвистической переменной; Т((3) терм-множество лингвистической переменной (3, т.е. множество лингвистических (вербальных) значений переменных, причем каждое из этих значений является нечеткой переменной с областью определения X; G -синтаксическое правило, порождающее наименование аеТІф) вербальных значений лингвистической переменной Р; М - семантическое правило, которое ставит в соответствие каждой нечеткой переменной а є T(j3) нечеткое множество С(а) - смысл нечеткой переменной а. Значение функции принадлежности ріА{х) для конкретного элемента хеХ называется степенью принадлежности. Согласно [97], степень принадлежности fiA(x) есть субъективная мера того, насколько элемент хеХ соответствует понятию, смысл которого формализуется нечетким множеством А. При создании нечетких моделей одним из этапов является этап построения функции принадлежности нечетких множеств, описывающих семантику базовых значений лингвистических переменных, используемых в модели.
Нечеткие модели содержат множество лингвистических переменных и множество базовых значений этих переменных. Поэтому для построения функции принадлежности можно воспользоваться методами экспертных оценок [34,116, 118]. Для построения функции принадлежности разработаны методы, которые предусматривают использование группы экспертов или всего одного эксперта. Наиболее просто функция принадлежности строится прямым методом для одного эксперта. В этом случае эксперт каждому значению функции принадлежности ставит в соответствие определенную степень соответствия Sg, которая, по его мнению, наилучшим образом согласуется со смысловой интерпретацией множества А. Один из возможных вариантов степени соответствия может быть следующий: К наиболее широко распространенному методу экспертных оценок следует отнести ранговый метод. В математической статистике ранжированием называется присвоение элементом некоторого множества порядковых номеров 1, 2, 3, 4...в зависимости от убывания (возрастания) какого-либо количественного или качественного признака. При этом присваиваемый элементу порядковый номер называется рангом этого элемента. В ранговом методе составляется специальная матрица опроса экспертов М, в которую заносятся оценки экспертов по предложенному решению в баллах
Алгоритмы управления электроплазменными технологическими процессами при проведении автоматизированного эксперимента
Тезаурус алгоритмов управления последовательностью состояний систем технологического оборудования приведен нарис. 3.5. Типовые алгоритмы стабилизации технологических параметров и методы настройки регуляторов, реализующих эти алгоритмы, представлены на рис. 3.6, 3.7 [101, 148]. При разработке новых технологических процессов различают две задачи оптимизации: I. Выбор наивыгоднейшего по производственным показателям технологического режима - оптимизация технологии (рис. 3.8). И.Оптимизация управления технологическим процессом (рис. 3.9). Решение задачи оптимизации начинается с процедуры выбора цели. Согласно системному подходу, при выборе цели проектировщик исходит из того, что рассматриваемый технологический процесс является подсистемой более сложной системы, в которую входит рассматриваемая подсистема. Для конкретизации цели вводится ее характеристика - критерий. Среди критериев выделяют качественные и количественные (рис. 3.10). При разработке вакуумно-плазменных технологий обычно приходится учитывать несколько различных целей и, соответственно, несколько критериев, или одну цель характеризовать несколькими критериями.
В этом случае решается многокритериальная (векторная) задача оптимизации. При этом предполагается, что критерии являются противоречивыми, т.е. невозможно достичь максимума или минимума по всем критериям. В этом случае оптимизация вакуумно-плазменных технологических процессов производится путем сочетания методов экспертных оценок и математических методов. Наиболее распространенными типами оптимальных систем управления технологическими процессами электроплазменной обработки являются экстремальные системы, в которых оптимизируемый объект имеет экстремальную статическую характеристику, а автоматический регулятор (оптимизатор) обеспечивает работу технологического объекта в экстремальном режиме. Основной задачей оптимизатора является получение минимума или максимума заданного показателя качества. За исходную информацию принимается тот факт, что показатель качества имеет экстремальную зависимость от технологических параметров. Среди экстремальных систем управления выделяют программные и поисковые [101]. Более современной является система управления с автоматическим поиском экстремума, позволяющая при неизвестном законе изменения экстремальной характеристики обеспечить экстремальное значение показателя качества системы.
В задачах нелинейного программирования ограничения могут отсутствовать совсем, или может быть заранее известно, что оптимум лежит внутри области допустимых решений. Для задач данного класса наиболее эффективными методами поиска экстремума являются градиентные методы. Они позволяют после некоторого конечного числа шагов отыскать локальный экстремум. Типовые алгоритмы оптимизации технологических процессов представлены на рис. 3.11. К адаптивным относятся системы управления, в которых параметры или структура регулятора контура стабилизации автоматически перестраиваются в соответствии со случайными изменениями во времени динамических характеристик технологического объекта, чтобы обеспечить выполнение заданного критерия качества [101]. При этом задачами адаптации могут являться минимизация среднеквадратической ошибки из условия наилучшей статистической фильтрации времени регулирования, наилучшего приближения процесса к некоторому заданию в каждый момент времени и др. Необходимость адаптации по динамическим характеристикам объектов возникает в тех случаях, когда параметры объекта и его динамические характеристики меняются под воздействием внешних условий так, что их поведение трудно прогнозировать. Для осуществления адаптации надо определить динамические свойства объекта регулировки. Типовые динамические характеристики вакуумно-плазменных систем регулирования приведены на рис. 3.12. При построении оптимальных и адаптивных систем управления вакуумно-плазменными технологическими комплексами одной из основных задач является определение статических и динамических характеристик объектов и сигналов внешних воздействий с целью получения соответствующих математических моделей [31, 53,192].
Анализ устойчивости тлеющего разряда, обусловленной тепловыми процессами на электродах
Повышенная устойчивость газового разряда обеспечивается с помощью мультикатоднои системы эмиттировки электронов на сравнительно небольших участках выходного отверстия анодного цилиндра прямоугольной формы, с которого и осуществляется экстракция ионов с помощью мультикатоднои системы эмиттирования электронов. Катоды расположены линейно вдоль экстрагирующего электрода, что дает более равномерную ионизацию газа и, следовательно, более однородную плазму у экстрагирующих отверстий. В настоящее время в технологии плазменной обработки все более широкое применение находят плазмохимические процессы (ПХП). Они используются для очистки и полировки поверхностей, нанесения и формирования пленок, удаления и равномерного травления материалов, скрайбирования и обработки кромок и краев пластин и подложек [30, 64, 94, 113, 196, 157]. Для ПХП характерно образование в плазме под воздействием неупругих соударений молекул реагентов с электронами свободных атомов и радикалов. Свободные атомы (кроме инертных газов) и радикалы, отличающиеся от молекул наличием свободных (одной или нескольких) валентностей, проявляют вследствие этого высокую химическую активность. Скорость процесса плазмо-химического удаления материалов может определяться как скоростью доставки активных частиц, так и скоростью химической реакции на поверхности материала.
Величина и распределение концентрации химически активных частиц в реакционной зоне у поверхности образцов зависят от способа возбуждения плазмы, вида и конструкции электродной системы или ВЧ-индуктора, мощности разряда, распределения газового потока в реакционной зоне, размеров реакционной зоны и расстояния от зоны генерации активных частиц рабочего давления, материала и чистоты внутренних поверхностей плазменного реактора [15-17, 27,44,45,47, 197-201].
Способ возбуждения плазмы определяет диапазон рабочих давлений газа или смеси в реакторе. При использовании электродных ВЧ-разрядов с катодной связью диапазон рабочих давлений составляет (1,33-13,3)Па, электродных ВЧ-разрядов с анодной связью - (13,3-133)Па, безэлектродных индукционных и емкостных ВЧ-разрядов - (1,33-13,3)-102 Па. В ВЧ-разрядах область наиболее интенсивного образования электронов, а следовательно, и активных частиц находится за темным пространством либо у стенок реактора (в безэлектродных разрядах), либо у электродов. В большинстве типов плазменных реакторов движение газа осуществляется в вязкостном режиме, и только в реакторах на основе электродных разрядов с катодной связью режим течения газа может быть молекулярно-вязкостным.
Для увеличения концентрации активных частиц и регулирования положения зоны их генерации в плазменных реакторах могут использоваться магнитные поля. Вид и степень чистоты материала внутренних поверхностей плазменных реакторов влияют на величину концентрации активных частиц как в реакционной зоне, так и в зоне генерации. Это влияние становится особенно сильным при низких давлениях, когда преобладающей становится скорость поверхностной рекомбинации активных частиц [194, 209].
На основе анализа особенностей электродных систем технологических плазменных устройств по принципу распределенности газовых разрядов в пространстве они классифицированы на три группы: для возбуждения сосредоточенных газовых разрядов - плазмотроны, для возбуждения распределенно-сосредоточенных разрядов - магнетроны, ионные источники; для возбуждения распределенных газовых разрядов - распределенные электродные системы (рис. 4.5).
Преимущество и проблемы генерации и применения пространственно распределенных газовых разрядов представлены на схеме (рис. 4.6). Очевидным преимуществом пространственно распределенных газовых разрядов является возможность обработки больших поверхностей изделий, интенсификация процесса обработки. Однако низкая устойчивость этих разрядов сдерживает их более широкое применение для технологических целей.
Основными физико-химическими механизмами плазменной обработки являются катодное распыление, химические и плазмохимические реакции, адсорбция и диффузия частиц на поверхности основы, тепловые процессы. На схеме (рис. 1.2) представлены разнообразные физические и химические явления, которые определяют процесс плазменной обработки и оказывают определяющее влияние на устойчивость газовых разрядов. Одним из основных параметров плазменной обработки является давление рабочего газа. В зависимости от способа плазменной обработки давление газовой среды может изменяться от 10 Па до атмосферного и выше, технологическими параметрами газовой среды являются также расход газа, температура, скорость газового потока, химический состав, концентрация химических компонентов. Все эти параметры находятся в сложной технологической взаимосвязи и оказывают существенное влияние на устойчивость газовых разрядов. Важнейшими технологическими параметрами плазменной среды являются энергия и концентрация заряженных частиц в газовых разрядах. Низкотемпературная газоразрядная плазма, которая используется в качестве технологического инструмента, с позиций физики плазмы представляет собой слабо ионизированный газ со степенью ионизации порядка 10"6 - 10"4 (концентрация электронов 10 - 10 м ). В газоразрядной плазме электроны имеют среднюю энергию 1-Ю эВ (температура порядка 104 - 105 К, а средняя энергия тяжелых частиц (ионов, атомов, молекул) на два порядка меньше (3-5)-102 К.
