Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Выбор объекта и методов математического моделирования 11
1.1.0 Перспективах применения композитов системы nb-ti+cu для развития энергетических комплексов 11
1.2. Состояние теории обработки давлением композитов волокнистого строения 15
1.3. Обоснование необходимости развития математических моделей технологической системы изготовления композитов волокнистого строения 26
1.4. Выбор методов математического моделирования 29
Выводы. Постановка задач исследования 38
Глава 2. Разработка математических моделей 41
2.1 Методология моделирования технологической системы 41
2.2 Разработка иерархической структуры технологической системы изготовления композита .49
2.3. Определение механических характеристик компонентов структурно-неоднородных материалов ..53
2.4. Разработка математической модели процесса выдав лив ания композита 54
2.4. Применение феноменологической теории разрушения 61
2.5. Разработка методики изучения напряженно-деформированного состояния и накопления поврежденности компонентов волокнистого композита 63
Выводы 70
Глава 3. Разработка программного комплекса 72
3.1. Разработка программного комплекса для моделирования технологической системы 72
3.2. Программный комплекс для изучения ндс и накопления поврежденности 87
3.3. Методы повышения качества программного комплекса 92
3.3.1. Создание web-сервера 92
3.3.2. Применение пакета distributed computing toolbox 97
3.3.3. Интеграция matlab и универсальных языков программирования., 100
Выводы 102
Глава 4. Синтез технологической системы 104
4.1. Выбор оптимальных параметров процесса выдавливания 104
4.2. Изучение напряженно - деформированного состояния 120
4.3. Концептуальная модель системы управления процессом 128
4.3.1. Разработка модели системы управления прессом 128
4.3.2. Принципы управления процессом изотермического прессования композита 131
4.3.3. Интеллектуальное управления процессом прессования композита 135
Выводы 139
Заключение 142
Список литературы
- Состояние теории обработки давлением композитов волокнистого строения
- Определение механических характеристик компонентов структурно-неоднородных материалов
- Программный комплекс для изучения ндс и накопления поврежденности
- Концептуальная модель системы управления процессом
Введение к работе
Одним из приоритетных направлений развития науки, технологии и техники в Российской Федерации определены работы по индустрии наносистем и материалов (утверждены Президентом Российской Федерации 21 мая 2006г. Пр-843). В перечень критических технологий Российской Федерации включены такие технологии как: нанотехнологии и наноматериалы, технологии производства программного обеспечения, технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления, технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов (утверждены Президентом Российской Федерации 21 мая 2006г. Пр-842).
Актуальность исследования. Перспективно применение
сверхпроводящих композитов для энергетических комплексов. Названные материалы будут использоваться, в частности, для строительства первого международного экспериментального термоядерного реактора ITER, размещенного во Франции.
Для изготовления сверхпроводящих композитов применяют сложную техническую систему с большим количеством длительных по* времени циклически повторяющихся операций пластического деформирования композитных заготовок; при этом используют дорогостоящее исходное сырьё. Создание новых и совершенствование существующих технологий производства волокнистых композитов требует проведения математического моделирования на всех стадиях проектирования и производства. Математическое моделирование позволяет выбрать оптимальные параметры технологических процессов уменьшить потери дорогостоящего сырья в безвозвратные отходы, повысить коммерческую цену продукции. Результаты математического моделирования необходимы для разработки интегрированной системы управления производственным комплексом изготовления композитов волокнистого строения.
В настоящее время разработаны теоретические основы и практические методы решения задач механики волокнистых композитов. Над совершенствованием технологи работали сотрудники ВНИИНМ, ХФТИ У АН, ИМЕТ РАН, ИФМ УрО РАН и др. организаций. Существенный вклад в организацию производства сверхпроводящих композитов в России внесли Коновалов В.Ф., Никулин А.Д., Черноплёков Н.А., Шиков А.К. и др. Математическое моделирование процессов пластической деформации низкотемпературных сверхпроводящих материалов осуществлено в работах Залазинского А.Г., Огородникова В.А., Райныша В.А., Трофимова В.Н. и др. Однако, несмотря на имеющиеся наработки, отсутствуют математическое моделирование замкнутой системы изготовления металлических волокнистых композитов и программный комплекс, позволяющий производить решение практических задач. Реализация технологического процесса получения волокнистого композита не может быть обеспечена без применения современных интеллектуальных систем управления, в частности системы управления прессового комплекса.
Контроль деформированного состояния необходимо осуществлять на всех стадиях технологического процесса. В настоящее время отсутствуют необходимые программные комплексы для реализации методов изучения напряженно-деформированного состояния и накопления поврежденности компонентов волокнистого композита в процессах обработки давлением.
Диссертационная работа выполнялась в рамках комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления по индексу направления 2.2.2 № гос. per. 01.200.110669 и по гранту РФФИ №05-08-01464а.
Цель работы: Используя модель кусочно-однородной среды с регулярной структурой, экстремальные теоремы теории пластичности и феноменологическую теорию разрушения, осуществить математическое моделирование системы изготовления волокнистых металлических композитов Nb-Ti+Cu для энергетических комплексов, разработать комплекс
программ и определить оптимальные параметры для совершенствования технологических процессов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ и разработать математическую модель системы
изготовления волокнистых композитов Nb-Ti+Cu;
2. Разработать математическую модель процесса выдавливания
композитов;
3. Разработать программный комплекс для моделирования
пластического деформирования металлических композитов волокнистого
строения;
4. Изучить напряженно-деформированное состояние и накопление
поврежденности компонентов волокнистого композита в процессах
деформирования;
5. Разработать концептуальную модель системы управления прессового
комплекса.
Методы и средства исследования. При выполнении работы использованы методы объектно-ориентированного анализа и проектирования для разработки пакета программ математического моделирования, метод конечных элементов для построения дискретной модели, методы линейной алгебры для решения алгебраических задач с матрицами высокого порядка. При построении программного комплекса изучения напряженно-деформированного состояния и накопления поврежденности компонентов волокнистого композита в процессах обработки давлением использованы методы построения параллельных распределенных вычислений, программные пакеты обработки изображений, распознавания образов, методы построения нейро-нечетких адаптивных сетей. При построении интеллектуальной системы управления прессового комплекса использованы методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления, теория нечетких множеств и методы построения систем искусственного интеллекта. При исследовании широко использованы методы построения
распределенных вычислений, систем клиент-сервер, интеграции различных приложений и возможности системы компьютерной математики MATLAB.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечивается применением ранее обоснованных вариационных принципов и развитой в работах В.Л. Колмогорова и др. сотрудников ИМАШ УрО РАН феноменологической теории разрушения, сопоставлением полученных результатов с экспериментальными данными, а также апробированием предложенных методов при решении тестовых задач.
Научная новизна. В процессе исследований получены следующие научные результаты:
Предложена математическая модель и создан программный комплекс для анализа и оптимизации технологической системы обработки давлением волокнистых композитов системы Nb-Ti+Cu;
С использованием феноменологической теории разрушения и экстремальных теорем теории пластичности разработана методика прогнозирования степени повреждённости компонентов ' композита микродефектами сплошности деформируемого материала;
Разработана иерархическая модель структуры технологической системы изготовления волокнистых композитов, позволяющая декомпозировать задачу управления на ряд оптимальных задач с минимизацией повреждённости волокон;
4. Предложена концептуальная модель системы управления прессового
комплекса для выполнения операций изотермического выдавливания
волокнистого композита, базирующаяся на применении методов
интеллектуального управления.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
1. Математическая модель технологической системы изготовления волокнистых композитов системы Nb-Ti+Cu;
2. Программный комплекс для реализации математического
моделирования задач механики волокнистых композитов;
3. Методика изучения напряженно-деформированного состояния и
накопления поврежденности компонентов волокнистого композита в
процессах обработки давлением;
4. Концептуальная модель системы управления прессового комплекса.
Практическая значимость работы. Научные результаты работы могут быть применены при создании отечественного производства сверхпроводящих композитов волокнистого строения. Они использованы в учебном процессе и плановых госбюджетных научно-исследовательских работах за 2004-2008гг., выполненных на кафедре "Информационные технологии и автоматизация проектирования" УГТУ - УПИ и лаборатории "Системного моделирования" ИМАШ УрО РАН. Программный комплекс зарегистрирован в ОФАП (код программы по ЕСПД .03524577.02173-01 99 01).
Реализация работ в промышленности. Результаты работы применяются на ООО НЛП ЭЛТЕРМ (г. Екатеринбург) и переданы для использования на Чепецкий механический завод (г. Глазов).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVII Российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 5-11 сентября 2005г.); на областной научно-практической конференции «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 11-12 ноября 2005г.); III Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении (МКТМ-2005)» (Тюмень, 06-09 декабря 2005г.); 4 IF AC (International Federation of Automatic Control) -Симпозиуме по мехатронным системам «Mechatronics 2006» (Хейдельберг
(Heidelberg), Германия, 12-14 сентября 2006г.); 1-й Российской мультиконференции по проблемам управления (Санкт-Петербург, 10-12 октября 2006г.); Международной научно-технической конференции «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (Екатеринбург, 16-17 ноября 2006г.), Ш-й Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 23-26 апреля 2007г.); Мультиконференции «Проблемы информационно-компьютерных технологий и мехатроники (ИКТМ-2007)» (Дивноморское, 24 - 29 сентября 2007г.).
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 14 работах, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, зарегистрирован программный продукт.
Состояние теории обработки давлением композитов волокнистого строения
Нанотехнология, подразумевающая возможность манипуляции элементами структуры, молекулами и даже атомами вещества, — уникальная область науки. Еще недавно практические возможности применения нанотехнологии считались фантастикой, вплоть до 1998г., когда появился первый транзистор наномасштаба. Нет сомнения в том, что в ближайшее время нанотехнологии будут широко применяться в самых разных областях прикладной науки и в промышленности, включая производство новых видов материалов, систем телекоммуникации, источников энергии, методов диагностики и лечения в медицине.
Одним из научных направлений, способствующих развитию нанотехнологии является механика структурно-неоднородных материалов, изучающая поведение элементов структуры материала на макро- , микро- и мезомасштабных уровнях [101-103].
Математическая теория пластичности к настоящему времени в основном сложилась и располагает принципиальными возможностями для достаточно полного и точного описания разнообразных процессов обработки металлов давлением. Однако краевые задачи кузнечно-штамповочного производства обладают специфическими особенностями, связанными в первую очередь с нелинейностью основных уравнений, сложной геометрией области течения, неопределенностью описания граничных условий на контактных поверхностях, переменностью температурных полей и т.п.
Первые работы в области механики структурно-неоднородных тел выполнены к концу 20-х годов прошлого века, когда В. Фойгт и Э. Рейс предложили вычислять соответственно эффективные модули упругости и податливости микронеоднородных материалов по правилу механического смешивания. Затем И.М. Лифшицем и Л.Н. Розенцвейгом был предложен метод осреднения свойств поликристаллов на основе решения стохастической краевой задачи, который получил развитие в работах В.В. Болотина, С.Д. Волкова, В.А. Ломакина, Ю.В. Соколкина, А.А. Ташкинова, Т.Д. Шермергора и других. Хашиным, Штрикманом, Б. Розеном, Р. Хиллом и другими на основе вариационных методов разработан метод, позволяющий вычислять границы эффективных модулей гранулированных и волокнистых композитов. При этом использованы упрощенные модели композиционных материалов, не в полной мере учитывающие взаимодействие элементов структуры.
Большой вклад в развитие механики структурно-неоднородных сред внес Р.И. Нигматулин.
Общего математического описания пластического течения композиционных материалов волокнистого строения при обработке давлением в литературе не дано. Существующие решения носят приближенный характер. Из экспериментальных методов исследования пластических деформаций наиболее широко используются следующие: метод делительной сетки, метод визиопластичности, применение многослойных моделей, поляризационно-оптический метод, метод муаровых полос, микроструктурный метод. Перечисленные методы развиты в работах Э. Зибеля, А. Надай, Н.Н. Давиденкова, Г.Д. Деля, Н.К. Воронцова, И.П. Ренн е, Г.А. Смирнова-Аляева, В.П. Чикидовского и др.
Математическому моделированию процессов пластического деформирования металлических композитов слоистого и волокнистого строения были посвящены работы Р. Кристенсена, Г. Э. Аркулиса, М. И. Бояршинова, Л.С. Ельмана, М.С. Гильденгорна, Д.М. Карпиноса, В.А. Маковского, А.С. Матусевича, Л.Н. Могучего, Л.И. Тучинского, А.И. Колпашникова, В.Ф. Мануйлова, Ю.В. Соколкина, А.А. Такшинова и др.
Экспериментально-аналитические методы исследования деформированного состояния микро- и макроструктуры материалов при пластическом деформировании выполнены в работах [75, 104, 105, 106].
Ниже дадим предельно краткую характеристику лишь нескольких методов из множества существующих.
Метод делительной сетки. Впервые попытка создания экспериментального метода, базирующегося на теории течения, была сделана, по-видимому, Э. Зибелем. Этот метод был использован им при экспериментальном изучении- стационарных процессов осесимметричного течения при волочении, прессовании и обратном выдавливании. Метод был развит в конце шестидесятых годов прошлого столетия. В соответствии с методом используется делительная сетка, которая наносится- в меридиональной плоскости симметрии образцов так, чтобы продольные её риски при стационарном течении совпадали с линиями тока. В этом случае для любого текущего положения на линии тока малого объёма, ограниченного размерами ячейки делительной сетки, можно получить характеристики удлинения элемента объёма в; трёх направлениях: в направлениях, одно из которых совпадает с линиями тока. Линейные компоненты тензора малых деформаций находятся дифференцированием по параметру s, характеризующему перемещение материальных частиц вдоль линии тока.
Метод еизиопластичности. Метод заключается в том, что опытным путём устанавливается векторное поле перемещения частиц, в очаге деформации. Для этого, в частности, на плоскость разъёма образца, испытывающего пластическую деформацию, наносят координатную сетку. Части образца скрепляют и подвергают его дальнейшей деформации. Образец извлекают из деформирующего инструмента, разъединяют и измеряют перемещения- узлов сетки. Перемещения Auj j задают приближённо полагая, что они пропорциональны скоростям перемещения материальных частиц. Аппроксимируют экспериментальные данные и получают поле скоростей в виде функциональной связи; вычисляют скорости деформации. После получения картины деформированного состояния переходят к определению напряжённого состояния. Для этого с использованием физических уравнений вычисляют девиатор напряжений в каждой точке образца. Для определения недостающего среднего нормального напряжения применяют одно из уравнений равновесия, а именно то, для которого известны граничные условия.
Применение многослойных моделей. Изготавливаются многослойные образцы и после деформации исследуется искривление границ раздела слоев, в результате чего удаётся получить исходную для расчёта напряжений и деформаций сетку. Этот метод нашёл применение при исследовании процессов деформирования композитов слоистого и волокнистого строения.
Поляризационно-оптический метод. В основе метода лежат оптические явления: явления поляризации света и двойного лучепреломления. Метод применяется на моделях изготовленных из специальных оптически чувствительных материалов. Недостатком метода является отсутствие хорошо разработанной теории переноса результатов исследований с моделей на натуру.
Метод муаровых полос. В основу метода положена механическая интерференция, возникающая при наложении деформированной вместе с образцом и исходной (эталонной) сеток. Применение метода муар вместо обычных делительных сеток даёт лучшую информацию о поле скоростей течения частиц в очаге деформации.
Микроструктурный метод. Решая проблему возможности установления направления главных осей и величины компонентов деформации, интенсивности и вида деформированного состояния в весьма малой частице металлического тела обычно используют микроструктурный метод исследования конечных пластических деформаций. При этом за основу берётся гипотеза о том, что первоначально сферические частицы принимают форму эллипсоидов. По направлениям и величине главных полуосей эллипсоида устанавливаются направления главных осей тензора деформации и величин компонентов деформированного состояния.
Определение механических характеристик компонентов структурно-неоднородных материалов
Определение механических характеристик компонентов структурно-неоднородных материалов вызывает существенные трудности, связанные с необходимостью отделить и испытать каждый компонент. Поэтому обычно применяется косвенная оценка механических свойств компонентов. Для этой цели используется метод измерения микротвёрдости [111]. При построении зависимостей напряжений и деформаций от микротвёрдости последнюю связывают с интенсивностью касательных напряжений в условии пластичности Мизеса. На основании такой связи по данным измерения микротвёрдости из градуировочного графика, построенного по результатам испытания однородного материала при испытаниях на растяжение или сжатие, вычисляются значения интенсивности касательных напряжений и деформаций сдвига в заданных точках образцов, в результате чего определяются физические уравнения. Методика определения механических характеристик компонентов композита подробно изложена в работе [84].
Физико-механические свойства компонентов композита задавали с использованием аппроксимирующих выражений: av = [Л„,0]+ФД]іп(і + л/3//); asc = [Л„,Є]+Ф6[0]іп(і + Д4 Apf=A0F[kf,Q\exp[-/3f()kf\; V» = AoF[Am.0]exp[- fim()km], где crs- предел текучести; Л0- степень деформации материальных частиц к началу очередной операции обработки давлением; - температура; /и - вытяжка; к- коэффициент напряжённого состояния; Р/,Рт эмпирические коэффициенты; F, P - функции, найденные экспериментально; нижние индексы /, т, с относятся к волокнам, матрице и композиту, соответственно; индекс о фиксирует начальное состояние деформируемого материала.
Данные зависимости включаются в базу знаний программного комплекса. Особенностью напряженно-деформированного состояния (НДС) структурно-неоднородных материалов с фазовыми превращениями является возможность возникновения полей напряжений в элементах микроструктуры и необратимых деформаций даже тогда, когда макроскопические напряжения равны нулю [89]. Это является следствием изменения объема элементов микроструктуры материалов при фазовом превращении. Наличие структурной неоднородности приводит к неравномерному накоплению повреждений на отдельных участках циклически деформируемого материала. Даже при малых амплитудах переменной нагрузки зависимость «напряжение-деформация» трансформируется в замкнутую петлю механического гистерезиса, характеризующего необратимую работу за полный цикл нагружения. В работе [89] была построена математическая модель процесса термоциклирования цилиндра с учетом фазовых превращений. Модель позволяет учесть влияние скорости нагрева -охлаждения и характера распределения температуры по сечению на величину остаточных напряжений и деформаций, возникающих при термоциклировании на мезоуровне. Для упрощения расчетов при математическом моделировании данные особенности не учитываем.
При прессовании композитов, как в волокнах, так и в матрице, имеет место напряженное состояние всестороннего неравномерного сжатия, что позволяет обрабатывать самые различные, в том числе и малопластичные материалы. Значительные вытяжки и большие удельные давления прессования дают возможность достигнуть необходимую для осуществления последующих процессов деформирования прочность сцепления поверхностей компонентов композита. Применение хороших смазок и современного технологического оборудования обеспечивает деформацию заготовок, близкую к однородной. Благодаря этим особенностям процесс прессования получил широкое распространение.
Разработаем математическую модель процесса осесимметричного выдавливания композита волокнистого строения (рисунок 12).
Для математического моделирования процесса выдавливания использовали подход Лагранжа, в соответствии с которым определяли изменение состояния индивидуальных частиц композита по мере движения их вдоль траекторий (рисунок 13). Предполагали, что композитная заготовка отделена от контейнера и инструмента тонким слоем вязкопластической смазки, обеспечивающей предельно малые силы контактного трения; основа и армирующие волокна композита обладают жёстко пластическими свойствами. На поверхностях, разделяющих волокна и основу композита, относительные смещения материальных частиц отсутствуют; направления волокон совпадают с траекториями движения материальных частиц.
Программный комплекс для изучения ндс и накопления поврежденности
Для реализации методики изучения напряженно-деформированного состояния и накопленной поврежденности, изложенной в главе 2, был разработан специализированный программный комплекс SHLIFF. Он работает в среде MATLAB и использует его специфические возможности, например, возможность обработки изображений, проведения распределенных вычислений и построения нейро-нечетких адаптивных сетей (рисунок 35).
Обработка снимков в разработанном программном комплексе производится в среде системы компьютерной математики MATLAB. В соответствии с принятой технологией разработки ПО были применены методы, описанные в главе 1. Для увеличения скорости обработки применен пакет распределенных вычислений Distributed Computing Toolbox, что позволило повысить скорость обработки снимков в несколько раз. Так для использования двух двуядерных компьютеров скорость обработки увеличивается почти в 4 раза по сравнению с обработкой на одном компьютере (даже если он имеет два процессора).
Программное обеспечение позволяет производить обработку целой серии снимков, размещенных на компьютере - пакетную обработку.
Для программного комплекса SHLIFF специальный пользовательский интерфейс не разрабатывался, т.к. вся обработка снимков выполняется в автоматическом режиме, а от пользователя необходимо только задание каталога, в котором размещены снимки обрабатываемых шлифов.
Рассмотрим последовательность работы программного комплекса:
1) Пользователем производится выбор каталога, содержащего обрабатываемые снимки;
2) На первом этапе производится загрузка первого снимка из файла в среду СКМ MATLAB с применением встроенной функции imread и отображение на экране также с применением стандартной функции imagesc;
3) Так как изображение, полученное с цифровой камеры является цветным, то далее производится разложение изображения на цветовые каналы RGB и в оттенки серого. Формируется 4 матрицы. Пользователю выводятся на экран данные матрицы в виде изображений (см. рисунок 36);
4) Далее производится обработка изображения с целью выявления основы и волокон композита, а также царапин на поверхности образца шлифа. Так как данный и следующие этапы требуют значительных вычислительных ресурсов компьютера, то применение пакета распределенных вычислений Distributed Computing Toolbox позволяет сократить время обработки, при наличии нескольких компьютеров, объединенных в сеть. Так как для обработки на предыдущем этапе было сформировано 4 матрицы, то оптимально применение 4 рабочих (worker), каждый для обработки одной матрицы;
5) Выделение диапазонов принадлежности пикселей к отдельным материалам (матрица, волокна, царапины) производится с применением встроенных функций his tog и gis. Графики разбиения выводятся пользователю;
6) По графикам интенсивности изображения невозможно вывести однозначный критерий по определению принадлежности пикселей к различным материалам. После обработки данных получаются возможные интервалы. В связи с неопределенностью интервалы могут перекрываться;
7) Предварительные данные по разложению изображения на составляющие по всем каналам выводятся с помощью разработанной функции trim;
8) Применение возможностей функций strel и imageclose из пакетов обработки изображений Image Processing Toolbox и Image Acquisition Toolbox позволяет удалить шумы и получить более определенные границы изображений; Этапы с 4 по 8 выполняются в распределенном режиме параллельно.
9) В связи с большой неопределенностью разложения обработанных матриц для выявления основы и волокон композита, устранения возможных царапин и затемнения изображения применяются возможности пакетов Fuzzy Logic Toolbox и Neural Network Toolbox. Построенная в функции neuron нейро-нечеткая адаптивная сеть позволяет разделить изображение на волокна и основу. Данная функция обрабатывает информацию по всем каналам изображения (все 4 матрицы). После обработки получается одна матрица, содержащая одно бинарное изображение, однозначно определяя волокна и основу;
10) Для выделения опорных точек волокон композита на обработанном изображении используются встроенные функции пакета обработки изображений Image Processing Toolbox. В соответствии с применяемым микроструктурным методом, согласно которому изначально сферические частицы в процессе деформирования принимают эллиптическую форму, рассчитываются параметры эллипсов, полученные после применения функций bwlabel.
Концептуальная модель системы управления процессом
В настоящее время широко применяются для построения систем управления сложным технологическим оборудованием принципы нейроуправления и систем искусственного интеллекта [120, 122]. Некоторые принципы построения ЭС пластического деформирования тел сложной конфигурации методами нейроинформатики рассматриваются в работе [79]. Рассмотрим подходы к интеллектуализации систем управления процессами прессования и штамповки изделий на мощных горизонтальных и вертикальных гидравлических прессах [98].
Предложена следующая концептуальная модель системы управления процессом изотермического прессования (рисунок 72).
Ранее в работах [80, 81, 82] предлагалось создание автоматической адаптивной системы изотермического прессования высокопрочных алюминиевых сплавов. Одним из способов достижения условий изотермического прессования предлагается использовать регулирование скорости движения пресс-штемпеля в процессе прессования с использованием обратной связи по основному выходному параметру процесса - температуре пресс-изделия на выходе из матрицы [143]. Для управления процессом необходимо в реальном масштабе времени решить две задачи: определить момент и величину изменения скорости движения пресс-штемпеля. Указанные задачи наиболее эффективно можно решить методами нейроинформатики за счет использования в контуре управления искусственных нейронных сетей для выработки адаптивных коэффициентов настройки ПИД-регуляторов гидравлического привода пресса. Этот прием эффективен как для прессов с аккумуляторным, так и с индивидуальными приводами. Данный подход требует использования в структурной схеме управления гидроприводом блока, содержащего нейросеть для настройки параметров регулятора. В задачах управления обычно используются полносвязные трехслойные сети, на входы которых подаются сигналы, определяющие состояние исполнительной системы, а на выходе получают управляющий сигнал.
Систему управления непосредственно процессом прессования можно рассматривать как систему нижнего уровня в иерархической структуре управления полным технологическим процессом производства пресс-изделий. Однако именно этот уровень в основном определяет качество и производительность всего процесса производства и является базой для создания систем управления более высокого уровня.
Создание системы управления процессом прессования включает в себя анализ объекта управления, построение для него математической модели, разработку структуры и алгоритма управления, а также комплекса технических средств и программного обеспечения.
В случае разработки системы управления уже действующего технологического процесса, обеспеченного элементарными средствами механизации и автоматизации (каким и является процесс прессования), целесообразно осуществлять создание системы управления в два этапа. На первом этапе нужно разработать математическую модель процесса и систему датчиков, опираясь на существующие средства автоматизации, а в режиме ручного управления (динамика процесса прессования позволяет осуществлять его ручное управление) - полностью оценить практические возможности будущей автоматизированной системы управления. Затем, убедившись в работоспособности и целесообразности системы управления, следует приступить ко второму этапу работы - к созданию автоматизированной системы управления на базе управляющей вычислительной машины или промышленного контроллера.
Результаты, приведенные в предыдущих главах, позволяют создать достаточно простую математическую модель процесса прессования композита волокнистого строения, которая вместе с неконтактными датчиками температуры металла на выходе из очка матрицы составляет основу для создания системы управления процессом прессования указанных пресс-изделий.
