Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие промышленного производства сопровождается значительным изменением экологической обстановки. Существенный вклад в ухудшение экологии внесли техногенные катастрофы. Потери от аварий на атомных электростанциях и химических заводах, как, например, на Чернобыльской АЭС или на химкомбинате г. Бхопал (Индия) сопоставимы с последствиями войн.
В современных условиях отказаться от достижений научно-технического прогресса и прекратить развитие атомной энергетики, химических и других опасных производств не представляется возможным. Поэтому вопросам повышения надежности изделий атомного энергетического, химического и других отраслей машиностроения необходимо уделять самое серьезное внимание.
Одним из основных технологических процессов во многих отраслях промышленности: энергетическом и транспортном машиностроении, трубном производстве и других, является сварка. И надежность изделий во многом зависит от того, насколько качественно выполнено сварное соединение. Однако значительная часть дефектов изделий закладывается именно сварочным производством. Так, при изготовлении оборудования атомных станций эта доля достигает 80%, а при производстве газовых и нефтяных магистралей на долю сварочных дефектов приходится от 30% до 70%.
Одним из основных путей повышения надежности и качества сварных соединений является использование информационно-измерительных и управляющих систем на всех этапах производства ответственных металлоконструкций. Однако проведенные исследования показали, что до трети систем управления в дуговой сварке оказались неэффективными. Процессы дуговой сварки, как объекты управления совокупностью свойств сварных соединений, не рассматривались. Несмотря на принимаемые при контроле и аттестации меры, уровень возмущений, вносимый в процесс его элементами, и, в первую очередь, сварщиками-операторами, остается значительным.
Задача одновременного управления многими показателями в случае высокого уровня неконтролируемых возмущений существенно усложняется. В таких условиях для повышения надежности и качества сварки необходимо как снижать уровень возмущений за счет компенсации нестабильностей элементов технологического процесса, так и управлять всей совокупностью показателей качества соединения.
Таким образом, для повышения качества сварочного производства ответственных металлоконструкций актуальным является решение задач разработки методов управления совокупностью свойств сварных соединений в условиях изменяющегося уровня неконтролируемых возмущений, методов идентификации качества протекания процессов и компонентов квалификации операторов, а также технических средств и систем реализующих 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 управления”, утвержденных на период 1995-2000 гг. решением Ученого совета университета от 25.01.95. Отдельные этапы работ выполнялись по хоздоговорам на проведение научно-исследовательских (опытно-конструкторских) работ: “Разработка промышленного образца модернизированного тиристорного регулятора с блоком АСУ ТП для сварки нержавеющих труб на станах аргонодуговой сварки (АДС) с автоматическим управлением параметрами режима” 1978 г. Московский трубный завод (МТЗ); “Разработка системы управления качеством сварки труб на станах АДС” 1983 г. МТЗ; “Разработка системы управления процессом наплавки рабочего слоя прокатных валков с регламентированным распределением свойств” 1991 г. Мариупольский металлургический институт (ММИ); “Разработка специализированного сварочного оборудования на базе цифровых промышленных сетей” 2004 г. ИПС РАДИС; “Автоматизированная система аттестации оператора-сварщика РДС” 2003 г. ОАО “ЭМК-Атоммаш”.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие методов теории и практики создания информационно-измерительных и инвариантных управляющих систем для процессов дуговой сварки, обеспечивающих повышение качества и надежности сварных соединений ответственных металлоконструкций в условиях реального производства. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- анализ процессов дуговой сварки как объектов управления;
- разработка способа адаптации к действию неконтролируемых возмущений;
- исследование динамических характеристик элементов процесса;
- разработка формализованного метода анализа дуговой сварки как объекта управления совокупностью свойств соединения;
- исследование идентификационных характеристик дуговой сварки и разработка метода идентификации качества протекания процесса;
- разработка, на основе исследования информационного пространства технологического процесса, метода синтеза структуры измерительных каналов инвариантной системы управления;
- расширение области саморегулирования процесса сварки короткой дугой плавящимся электродом;
- разработка идентификационной модели взаимодействия оператора-сварщика с процессом и способа аттестации компонентов квалификации оператора;
- разработка систем управления совокупностью свойств соединения при дуговой сварке и технических средств аттестации элементов процесса и компонентов квалификации операторов – сварщиков.
Методы исследований. В диссертационной работе использовались методы математической статистики, теории идентификации, планирования эксперимента; дисперсионный и регрессионный анализ; методы математической физики, линейной алгебры, моделирования процессов; частотные методы теории автоматического регулирования, теории оптимальных стохастических систем; спектральный анализ и другие современные методы.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации обеспечивается: - сопоставлением результатов, полученных по разработанных автором математическим моделям с результатами экспериментальных исследований (их рассогласование не превышает 10%); - использованием при экспериментальных исследованиях только поверенной аппаратуры; - корректным применением методов математической статистики, теории вероятности и других используемых научных методов; - соответствием основных допущений, принятых при аналитических исследованиях, моделировании и оценке достоверности результатов, физике рассматриваемых явлений; - использованием современных программных комплексов (Matlab 6.0 и др.); - справками о внедрении разработанных технических устройств и систем управления процессами дуговой сварки и наплавки.
Научную новизну представляют:
1. Метод анализа дуговой сварки отличающийся тем, что технологический процесс впервые рассмотрен как объект управления совокупностью свойств сварного соединения, что позволяет повысить надежность и качество сварочного производства ответственных металлоконструкций.
2. Доказанная возможность построения инвариантной системы управления свойствами соединений для процессов дуговой сварки;
3. Впервые предложенный метод адаптации процесса дуговой сварки к действию неконтролируемых возмущений отличающийся оценкой их уровня по разности между измеренной в визируемой точке очага плавления и идентифицированной по модели температурами, что позволяет обеспечить инвариантность свойств сварных соединений к технологическим возмущениям.
4. Метод расширения области естественного саморегулирования процесса сварки с периодическими короткими замыканиями отличающийся тем, что естественные флуктуации напряжения дуги используются для организации слежения за изменяющимся средним значением напряжения, что позволяет расширить технологические возможности управляемого сварочного оборудования и обеспечить надежность и качество сварки пространственных металлоконструкций.
5. Математическая модель дуговой сварки с периодическими короткими замыканиями отличающаяся тем, что впервые процесс сварки описан Марковской моделью непрерывного времени, что позволяет использовать его идентификационные характеристики для создания информационно-измерительных систем аттестации однотипных элементов сварочного контура.
6. Впервые созданная модель взаимодействия оператора с процессом дуговой сварки отличающаяся включенным в модель программным моторным выходом, что позволяет использовать его идентификационные характеристики для создания информационно-измерительных систем аттестации компонентов квалификации оператора.
Научная значимость. Диссертация решает важную научную проблему повышения надежности функционирования ответственных металлоконструкций в атомной энергетике, химических производствах и других областях народного хозяйства. Она вносит вклад в теорию разработки информационно-измерительных и инвариантных управляющих систем процессами дуговой сварки, обеспечивая повышение качества сварных соединений. Впервые предложенный формализованный метод анализа дуговой сварки как объекта управления совокупностью свойств соединений, метод адаптации дуговой сварки к действию неконтролируемых возмущений и метод расширения области естественного саморегулирования процесса сварки с периодическими короткими замыканиями позволяют решить проблему повышения надежности и качества, а также являются общими для достаточно широкого класса технологических процессов.
Практическая значимость работы. Основными итогами диссертационного исследования являются:
- предложенная и апробированная методика проектирования систем управления комплексом свойств сварного соединения;
- разработанная и апробированная методика идентификации уровня неконтролируемых возмущений при дуговой сварке;
- полученные передаточные функции дуги и гидродинамических процессов в сварочной ванне, позволяющие учитывать динамические явления приэлектродных областей и динамику изменения длины дуги при анализе устойчивости сварочного контура и формировании управляющих воздействий
- предложенный и подтвердивший эффективность и универсальность блочно-модульный принципе компоновки специализированных сварочных установок с цифровыми системами управления;
- разработанной и апробированной методике идентификации качества дуговой сварки с плавящимся электродом и методике аттестации составляющих сварку элементов на основе ее представления Марковским случайным процессом непрерывного времени;
- разработанной и апробированной методике идентификации характеристик моторного выхода операторов дуговой сварки.
