Введение к работе
Актуальность. Создание современных автоматизированных технологических комплексов является приоритетным направлением развития новых информационных технологий в оптическом приборостроении. Оптическая и электронная промышленность в значительной степени определяют уровень развития многих отраслей народного хозяйства страны, что обуславливает необходимость создания новой концепции автоматизированной технологии, комплексной автоматизации процесса проектирования. Поэтому создание и совершенствование системы автоматизированного производства оптических материалов на основе системного подхода является актуальной задачей. Указанные задачи нашли отражение в работах отечественных ученых Пузырена В.А., Лейбовича B.C., Тимана Б.С., Бурачаса С.Ф. и других.
Несмотря на определенные успехи в области создания автоматизированных технологических систем оптического производства, их проектирование осуществляется в основном в соответствии с методологией построения автономных систем регулирования и управления. Вместе с тем интеграция в единую структуру технологии, методов управления, программно-алгоритмических средств, обеспечивающих требуемое качество оптических материалов, возможна только при системном подходе. Однако общий подход к построению автоматизированных технологических комплексов (АТК), обеспечивающий качественно новый уровень решения задачи автоматизированного производства, не получил должного развития.
Сложившаяся к настоящему времени практика проектирования и создания АТК оптического производства основана в основном на использовании жестких детерминированных программно-алгоритмических структур. Требования, направленные на реализацию потенциальных возможностей интегрированного программно-инструментального комплекса, с учетом инвариантного прикладного математического обеспечения и сопоставления вариантов по различным характеристикам, делают необходимым придание системе свойств адаптации к внешним условиям заказчика или потребностям рынка. Перспективным является создание интегрированной системы, охватывающей все этапы исследования технологических процессов (ТП) и проектирования программно-алгоритмического обеспечения, открытой для пользователя как по расширению реализуемых функций, так и по библиотекам исследуемых программно-алгоритмических модулей.
Одной из главных проблем при создании интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов (ИСАПОМ) лежит в области создания новой информационной технологии проектирования на основе решения проблем формализации процесса и построения его математической модели. Поэтому теоретическое обоснование, методологичесое единство решаемых задач требуют кардинального осмысления методов анализа и синтеза системы как методологии исследования трудно наблюдаемых и трудно понимаемых свойств и отношений в ТП, заключающихся в представлении этого ТП в качестве целенаправленной системы и изучения его свойств и взаимоотношений между целями и средствами их реализации.
Другой проблемой, которая должна быть решена в процессе проектирования, является реализация принципа максимума эффективности, т.е. реализации возможных вариантов разделенных по функциональному признаку частей общей системы, отвечающей требованиям мак-сиума математического ожидания эффективности. Здесь необходимо знание особенностей технологии производства оптических материалов (ОМ), а также создание адекватных математических моделей. Поэтому для обоснованного выбора оптимальных проектных решений, их практической реализации необходимо создание методики проектирования в условиях неопределенности и многокритериального поля эффективности, что является актуальной научной задачей.
Объектом исследования в настоящей диссертационной работе являются технологические процессы варки оптического стекла в индукционной печи с холодным тиглем и в электрической ванной печи, выращивание оптических кристаллов методом Чохральского. Идеология автоматизации исследования и производства ОМ подразумевает сокращение сроков проектирования программно-алгоритмического обеспечения системы автоматизации, повышение качественных характеристик ОМ за счет проектирования интегрированной системы автоматизации, как соответствующей системы принятия и реализации решений в процессе функционирования.
Целью работы является развитие и обобщение теории и методов проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов, создание методологической и теоретической базы, охватывающей все аспекты проектирования, удовлетворяющей требованиям системного подхода, обеспечивающей комплексный характер решаемых задач, автоматизацию технологических процессов, инвариантность прикладного программного обеспечения.
Задачи исследований. Для достижения сформулированной цели в работе ставятся и решаются следующие задачи: -развитие методологических и теоретических основ проектирования ИСАПОМ, включающих в себя средства и методы автоматизации проектных работ, алгоритмы генерации и выбора проектных решений, удовлетворяющих критерию эффективности; -разработка методов математического моделирования и алгоритмов автоматизации ТП производства ОМ, основанных на научных принципах оптимальности и комплексе математических моделей, относящихся к определенному классу;
-разработка и исследование методов интеграл:<н алгоритмов и программ на основе принципа самоорганизации, обеспечивающих функционирование АТК, как единой программно-аппаратной системы;
-разработка новой информационной технологии на основе решения проблем формализации процесса проектирования и построения его математической модели; -исследование и системный анализ технологических процессов как объектов автоматизации, обеспечивающих реализацию и настройку программно-алгоритмического обеспечения на конкретный ТП; -разработка концепции и основополагающих принципов построения ИСАПОМ, реализующей выдвинутые в работе научные положения и внедрение их в практику проектирования. Методы исследований основаны на теории и методах автоматизации проектирования технических систем, методах математического моделирования и управления, теории идентификации и оценивания, теории вероятностей и математической статистики, теории принятия решений и системного анализа, методах оптимизации.
Научная новизна определяется тем, что впервые выполнено научное обобщение проблемы создания основ проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов. В процессе решения поставленных задач были получены основные научные результаты:
-
Созданы научные и методологические основы проектирования ИСАПОМ на базе разработанных принципов и иерархии математических моделей (ММ) и инвариантного программного обеспечения;
-
Разработаны методы формирования облика системы автоматизации на основе диалоговых процедур принятия проектных решений и
схемы последовательного анализа и отсева вариантов по синтезируемым отношениям.
-
Разработана оригинальная автоматизированная методика построения и исследования математических моделей ТП производства ОМ. Она сочетает термодинамический подход к построению ММ ТП с принципами последовательного раскрытия неопределенностей и эволюционного развития топологии систем, структур и их операторов и конкретизации значений параметров на основе поэтапного использования информации о функциях системы, целей управления и требований к качеству процесса;
-
Разработаны новые принципы математического моделирования в САПР, основанные на решении задачи проектирования ММ методом формальных процедур, на основе самоорганизации моделей претендентов. Предложены методы и алгоритмы идентификации ММ и синтеза адаптивного регулятора, учитывающие особенности ТП;
-
Разработаны и исследованы методы параллельного структурного и параметрического синтеза математического обеспечения, позволяющие в рамках одной программной системы сочетать анализ ТП как объекта автоматизации, анализ и синтез ММ, синтез алгоритмов управления;
-
Разработаны программные средства топологического проектирования, направленные на оптимизацию ТП производства ОМ. Разработана и исследована процедура построения функционала качества системы управления, создана структура программного обеспечения, модули которого могут работать как автономно, так и в составе программной системы;
-
Разработаны оригинальные алгоритмы контроля хода ТП, позволяющие анализировать производственные параметры в условиях нормального функционирования оборудования;
-
Разработаны новые технологические решения и методы управления ТП производства ОМ, защищенные авторскими свидетельствами.
Основные защищаемые положения диссертационной работы включают:
-методологические и теоретические основы разработки ИСАПОМ на базе современной информационной технологии проектирования как последовательного процесса снятия неопределенностей; -развитие основ теории принятия проектных решений и принципы построения инвариантного программного обеспечения с учетом особенностей ТП;
-комплекс моделирующих алгоритмов, математических моделей на основе сочетания термодинамического подхода с принципами последовательного раскрытия неопределенностей и эволюционного развития топологии системы;
-принципы математического моделирования в САПР, основанные на иерархии и самоорганизации моделей;
-методику оптимизации параметров системы управления, включающую обоснование выбора целевой функции и критерия оптимизации, а также процедуру построения функционала качества; -оригинальные алгоритмы контроля хода ТП, позволяющие анализировать производственные параметры в условиях нормального функционирования оборудования;
-комплекс прикладных результатов и статистических данных, полученных в ходе проектирования, синтеза программных средств, обеспечивающих точность, сходимость и другие свойства алгоритмов; - новые технологические решения и методы управления режимами ТП производства ОМ, защищенные авторскими свидетельствами. Достоверность приводимых в работе результатов и выводов обеспечивается корректным применением аппарата теории и методов автоматизации проектирования технических систем, теории идентификации и оценивания, теории вероятностей и математической статистики, теории принятия решений и системного анализа. Основные расчетные соотношения и алгоритмы, полученные в работе, подтверждаются результатами имитационного моделирования и экспериментальными данными.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Совокупность предложенных в работе идей, методологических и прикладных результатов составляет новое направление в области создания интегрированных систем автоматизированного производства оптических материалов, обладающих принципиальной направленностью на достижение потенциальной эффективности производства.
Реализация перечисленных выше результатов дает обоснованную методику проектирования ИСАПОМ.
Практическая ценность работы заключается в разработке методов исследования и синтеза математических моделей, реализованных как инвариантный комплекс прикладных программ. Разработаны принципы построения и организации программного обеспечения. Разработаны проектные решения, позволяющие ускорить процесс синтеза автоматизированного технологического комплекса на основе достижений
теории математического моделирования. Получены статистические данные о ТП, а также свойствах алгоритмов.
Разработанные в диссертации теоретические положения, методы проектирования, алгоритмы и программы использовались в ряде научно - исследовательских работ, выполняемых в рамках государственных программ, а также при создании программно-аппаратного комплекса автоматизированного управления ТП в НИИТИОМ ВНЦ ГОИ, СПбФ ИЗМИР АН, ОКБ "Электроавтоматика", ООО Инженерный центр "Технокон". Новизна и значимость технических решений подтверждена четырьмя свидетельствами на изобретения.
Научные аспекты диссертационных исследований нашли свою реализацию в лекционных курсах, читаемых автором студентам специальности "Конструирование и технология ЭВС" Санкт-Петербургского Государственного института точной механики и оптики (Технического университета), лекционных курсах, читаемых в СПб ГЭТУ (ЛЭТИ), в многочисленных публикациях и выступлениях на международных и отечественных конференциях и семинарах.
За внедрение результатов работы автор награжден премией Ленинградской комсомольской организации в области науки и техники.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в 1981-2000 годах на 15 Международных, Всесоюзных, республиканских, региональных научных конференциях, школах и семинарах, в аом числе: Республиканском семинаре "Проблемы создания и внедрения АСУ ТП", (Кишинев, 1981 г.), Всесоюзной школе-семинаре "Проектирование и производство микрозлектронных устройств", ОКБ ИКИ АН СССР (Фрунзе, 1982, 1983 г.), отраслевом семинаре "Пути создания ИЦСС" (Ленинград, 1983 г.), XI и ХП Международных конференциях конструкторов-проектировщиков (ЧССР, Братислава, 1984, 1988 г.), Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1986 г.), VII конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок, СО АН СССР (Новосибирск, 1986 г.), отраслевой научно - технической конференции "Интегральные оптические линии связи", МПСС (Ленинград, 1989 г.), Ш Всесоюзной конференции "Моделирование роста кристаллов", АН СССР (Рига, 1990 г.), отраслевой научно-технической конференции "Цифровые сети с интеграцией служб" (Ленинград, 1991 г.), Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных представителей "Интеллектуальные САПР-94" (Геленжик, 1994
г.), Международной конференции "Прикладная оптика" (СЛетербург, 1996 г. ), Межвузовском научно-техническом семинаре с международным участием "Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем" (Санкт-Петербург, 1998 г.) ряде конференций профессорско - преподавательского состава СПб ГИТМО(ТУ) (1981-1999 г.), Международной конференции молодых специалистов "Оптика- 99" (ноябрь 1999).
Публикации. Основные положения и результаты работы достаточно полно отражены в 41-ой печатной работе, список которых приведен в конце автореферата. Материалы диссертации отражены в б отчетах по НИР, выполненных по теме диссертации, где автор был ответственным исполнителем и научным руководителем.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, б глав, заключения и списка литературы, включающего 192 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 322 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 2 таблицы.
