ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Дегтяренко Ілля Вячеславович

УДК 621.75.06:658.562

АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА КОНТРОЛЮ І УПРАВЛІННЯ
ТЕХНОЛОГІЧНИМ КОМПЛЕКСОМ ВИРОБНИЦТВА МАШИН
ЗВОРОТНО-ПОСТУПАЛЬНОЇ ДІЇ З НИЗЬКОЮ
ВІБРОАКУСТИЧНОЮ АКТИВНІСТЮ

Спеціальність 05.13.07 - “Автоматизація технологічних процесів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донецькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Воронцов Олександр Григорович,

доцент кафедри “Автоматика і телекомунікації”
Донецького державного технічного університету,
м. Донецьк.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Ткаченко Валерій Миколайович,

завідувач відділу “Теорії керуючих систем”
Інституту прикладної математики і механіки НАН
України, м. Донецьк;

кандидат технічних наук, доцент

Зубов Дмитро Анатолійович,

доцент кафедри “Комп’ютеризовані системи”
Східноукраїнського національного університету
Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Провідна установа: науково-виробнича корпорація “Київський інститут
автоматики” Державного комітету промислової
політики України, державне науково-виробниче
підприємство “Спецавтоматика”, м. Київ.

Захист відбудеться “26” червня 2001 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.03 Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, корп. 1, ауд. 201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, корп. 2.

Автореферат розісланий “24” травня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К11.052.03

кандидат технічних наук, доцент Мокрий Г.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Машини зворотно-поступальної дії (МЗПД), укладаючи основу цілого ряду виробів масового виробництва машинобудівної галузі (автомобільних двигунів, кондиціонерів, холодильників, насосів та ін.), є інтенсивними джерелами вібрації й акустичного шуму. Ці обставини часто є вирішальними в конкурентній боротьбі за ринки збуту промислової продукції, що включає у свій склад МЗПД, і визначають необхідність враховувати параметри фактичної віброакустичної активності МЗПД при управлінні процесом їхнього виробництва.

Підвищена віброакустична активність виготовлених машин, як правило, пов'язана з недосконалістю конструкції машини і наявністю дефектів, викликаних відхиленнями, допущеними в ході процесу її виробництва. Задача удосконалювання управління технологічними процесами виробництва з метою підвищення якості виробів нерозривно пов'язана з розробкою прогресивних методів і засобів контролю процесів і виробів, що засновуються на максимальному використанні інформації про процеси, що відбуваються у виробі при його експлуатації. Параметри вібрації найбільш повно відтворюють якість виробу і стан технологічного устаткування, задіяного в його виробництві. Вібропроцеси, що відбуваються в МЗПД, носять нестаціонарний характер, тому для одержання інформації про першопричини підвищеної віброакустичної активності вироблених МЗПД необхідно аналізувати структуру вібрації виробів, що виготовляються, з прив'язкою до фази робочого циклу машини. Це дає можливість ідентифікувати елементи МЗПД, у технології виробництва яких мають місце неприпустимі відхилення, і цілеспрямовано впливати на відповідне технологічне устаткування шляхом його підрегулювання, заміни інструмента і т.д., з метою забезпечення бажаної якості виробів по віброакустичних показниках.

Все вищесказане визначає актуальність розробки автоматизованої системи контролю і управління технологічним комплексом виробництва МЗПД з низькою віброакустичною активністю, побудованої на нових науково обгрунтованих методах аналізу нестаціонарних процесів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках НДР ДонДТУ Н-1-96, Д11-98 (№ДР 0198U002418) і Д14-2000 (№ДР 0100U001048) відповідно до “Програми наукових досліджень і розробок Міністерства освіти України з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки”, а також договору про науково-технічне співробітництво між Дослідницько-іспитовим центром ЗАТ “Донецький інститут холодильної техніки” і кафедрою АТ ДонДТУ.

Метою дисертаційної роботи є розробка автоматизованої системи контролю і управління технологічним комплексом виробництва МЗПД, що базується на науково обгрунтованих методиках і алгоритмах аналізу нестаціонарних вібропроцесів та забезпечує гарантований рівень показників віброакустичної активності виробів, що випускаються.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі задачі:

1. Розробка математичної моделі об'єкта виробництва - поршневого компресора, що дозволяє встановити нові взаємозв'язки параметрів елементів компресора та приводу, з одного боку, з параметрами вібрації - з іншого, що дасть можливість одержати інформаційні ознаки для ідентифікації дефектів виробництва.

2. Розробка методів ідентифікації дефектів виробництва елементів МЗПД, що обумовлюють збільшення рівня віброакустичної активності готового виробу, які базуються на результатах вихідного віброакустичного контролю.

3. Обгрунтування можливості та доцільності застосування методів вихідного віброакустичного контролю МЗПД для формування управління технологічним комплексом їхнього виробництва.

4. Розробка структури й алгоритмів функціонування автоматизованої системи контролю і управління технологічним комплексом виробництва МЗПД з низькою віброакустичною активністю. Створення апаратних і програмних засобів для реалізації системи.

5. Проведення експериментальних досліджень розробленої системи з метою перевірки її працездатності й оцінки ефективності реалізованих у ній методів.

Об'єктом дослідження є технологічний комплекс виробництва МЗПД з низькою віброакустичною активністю.

Предметом дослідження є автоматизована система контролю і управління технологічним комплексом виробництва МЗПД.

Методи досліджень. У роботі застосовані методи ситуаційного управління, теорії точності виробництва, теорії машин і механізмів, математичного моделювання, математичної статистики, кореляційного і спектрального аналізу, частотно-часового аналізу (ЧЧА), теорії планування й обробки результатів експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розроблено математичну модель динаміки поршневого компресора, включаючи приводний електродвигун, яка відрізняється тим, що вона дозволяє встановити взаємозв'язок параметрів елементів компресора з миттєвими значеннями сил, що збуджують вібрації, і миттєвими значеннями струму, споживаного електроприводом компресора, з урахуванням зазорів у механічних сполученнях компресора і нелінійного характеру навантаження.

2. Запропоновано новий метод оцінки віброакустичних характеристик елементів МЗПД, що базується на частотно-часовому аналізі вібрації машини та використовує як критерій оцінки щільність енергії вібрації в межах частотно-часової області, яка визначається фазою збудженого стану елемента, що оцінюється, і породжуваними ним частотними компонентами.

3. Вперше показано, що вихідний віброакустичний контроль з використанням аналізу частотно-часових розподілів нестаціонарних вібрацій машини може ефективно застосовуватися для формування управління технологічним комплексом виробництва МЗПД.

4. На основі принципів ситуаційного управління розроблена структура автоматизованої системи контролю і управління технологічним комплексом виробництва МЗПД, яка відрізняється тим, що в ній використовується комплексний аналіз вібрації МЗПД у частотно-часовій області, реалізований на базі частотно-часових квадратичних детекторів і моделі динаміки машини

Практичне значення отриманих результатів.

1. У результаті аналізу розробленої математичної моделі динаміки поршневого компресора отримані нові інформаційні ознаки про стан його елементів, необхідні для організації управління технологічним комплексом виробництва поршневих компресорів за результатами вихідного віброакустичного контролю.

2. Розроблено методику оцінки характеристик віброакустичної активності елементів малих поршневих холодильних компресорів, яка дозволяє виявити на етапі доведення конструкції або виробництва компресора елементи, що мають підвищену віброакустичну активність.

3. Розроблено алгоритми прийняття рішень та дискретна ситуаційна мережа управління технологічним комплексом виробництва малих поршневих холодильних компресорів за результатами вихідного віброакустичного контролю.

4. Створено автоматизовану систему контролю і управління технологічним комплексом виробництва малих поршневих холодильних компресорів. Розроблено структурні, функціональні схеми апаратних засобів системи, алгоритми функціонування і пакет прикладних програм, що реалізують комплексну оцінку нестаціонарних віброакустичних і енергетичних характеристик МЗПД.

5. Обгрунтовано та реалізовано у системі новий засіб автоматичної прив'язки частотно-часових уявлень вібропроцесів до фази роботи МЗПД, який не потребує додаткових апаратних засобів і дозволяє застосовувати частотно-часове детектування для контролю стану і управління виробництвом герметичних машин.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблена математична модель динаміки поршневого компресора; критерій оцінки віброакустичних характеристик елементів МЗПД; структура автоматизованої системи контролю і управління; засіб автоматичної прив'язки частотно-часових уявлень вібропроцесів до фази роботи МЗПД; дискретна ситуаційна мережа управління технологічним комплексом виробництва малих поршневих холодильних компресорів; алгоритмічне забезпечення, програмні й апаратні засоби системи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були оприлюднені на 3-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у ХХІ сторіччі” (м. Харків, 1999), на Всеросійській науково-технічній конференції з міжнародною участю “Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности” (Росія, м. Таганрог, 1999), на регіональній науково-практичній конференції “Стратегія управління соціально-економічним розвитком регіону на період до 2010 року” (м. Донецьк, 1999), на 2-му Міжнародному науково-технічному семінарі “Практика і перспективи розвитку інституційного партнерства” (м. Донецьк, 2001), на семінарах кафедри “Автоматика і телекомунікації” ДонДТУ (1998, 1999, 2000).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 10 друкарських роботах, у тому числі у 6 наукових виданнях рекомендованих ВАК України і 4 доповідях на науково-технічних конференціях.

Реалізація результатів роботи. Розроблені в дисертаційній роботі методика, структура, алгоритми функціонування, програмні та апаратні засоби автоматизованої системи контролю і управління були використані Дослідницько-іспитовим центром ЗАТ “Донецький інститут холодильної техніки” при проведенні робіт з дослідження характеристик і удосконалювання конструкції малого поршневого холодильного компресора ХКВ-6.23, НДІ комплексної автоматизації в процесі проведення проектно-конструкторських робіт зі створення систем комплексної діагностики автомобільних двигунів для станцій технічного обслуговування, а також у навчальному процесі при підготовці лекцій та практичних занять по дисципліні “Діагностика систем і засобів зв'язку”.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'ятьох розділів, висновків і додатків. Основний текст роботи викладений на 150 сторінках машинописного тексту і містить 77 рисунків, 5 таблиць, список літературних джерел з 116 найменувань. Додатки містять 65 сторінок, у тому числі 5 таблиць, 17 рисунків, 4 документи про іспити і використання результатів роботи.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, викладені основні наукові і практичні результати, що отримані в роботі, дані про реалізацію й апробацію результатів дисертаційної роботи.

У першому розділі “Стан питання та основні задачі дослідження” технологічний комплекс виробництва МЗПД з низькою віброакустичною активністю розглянуто як об'єкт контролю і управління; показана необхідність вихідного віброакустичного контролю об'єкта виробництва для ефективного управління технологічним комплексом; проведено аналіз існуючих методів і засобів віброакустичного контролю МЗПД, на основі чого обгрунтовані напрямок та задачі досліджень.

Технологічні процеси, що входять у технологічний комплекс виробництва МЗПД, розглянуто як об'єкти управління дискретних систем, управління в яких реалізується за результатами проміжного контролю. У якості вихідної координати технологічних процесів використана похибка виготовлення деталей (складання вузлів), що є істотним показником технологічних процесів з погляду забезпечення низькою віброакустичною активністю виробу в цілому. Як координати на які здійснюється вплив з боку системи використано параметри настроювання технологічного устаткування і стан інструмента. З точністю до постійного коефіцієнту закон зміни похибки i-го параметра деталі (вузла) машини описується формулою

,

де t* - поточний час ( 0< t* < Тц ); Тц - часовий інтервал між сусідніми підрегулюваннями устаткування; -складова, обумовлена розлагодженням устаткування і зносом інструмента; u0 - управляючий (компенсуючий) вплив для циклу виробництва, що розглядається.

Встановлено, що для ефективного управління якістю вироблених МЗПД необхідно використовувати засоби, що дозволяють давати оцінки похибок виготовлення деталей і вузлів за результатами вихідного віброакустичного контролю, і на основі цих оцінок здійснювати управління технологічним комплексом виробництва МЗПД. Показано, що створення цих засобів потребує розробки моделі динаміки МЗПД, а також адекватних методів аналізу вібрації машини, які дозволяють витягати необхідну для контролю і управління інформацію з нестаціонарних процесів, що спостерігаються.

Проведений аналіз існуючих методів та засобів віброакустичного контролю МЗПД дозволив встановити, що вони не задовольняють поставленим вимогам, тому є необхідність розробці досконалих методів з метою підвищення інформативності, достовірності, точності, а також адаптації результатів контролю для формування управління технологічним комплексом виробництва МЗПД.

Зазначені обставини характеризують актуальність питання і є обгрунтуванням теми дисертаційної роботи. Проведений аналіз дозволив визначити напрямок подальших досліджень і сформулювати їх задачі.

У другому розділі “Розробка математичної моделі об'єкта виробництва - поршневого компресора” описано розробку і дослідження математичної моделі поршневого компресора як об'єкта виробництва, віброакустичні властивості якого залежать від похибок виконання технологічних операцій.

Структура математичної моделі поршневого компресора приведена на рис. 1. Вхідними даними для математичної моделі є параметри елементів компресора, які можна розділити на механічні (вектор ) й електричні параметри (вектор ). До механічних відносяться параметри циліндро-поршневої групи, клапанів та механізму, що перетворює обертальний рух в зворотно-поступальний, параметри підвіски. До електричних відносяться параметри приводного двигуна.

Математична модель механічної частини компресора описує динамічні навантаження, що діють в агрегаті, тобто сили, що викликають змушені коливання компресора. Ця модель являє собою модель динаміки циліндро-поршневої групи і кривошипно-повзунового механізму з урахуванням зазорів у сполученнях і нелінійного характеру навантаження. Вона описується нелінійними диференціальними рівняннями, що відтворюють динаміку ідеального механізму (1) та поводження механізму при прольоті зазорів кривошип – повзун (1), повзун – куліса (2), поршень – гільза циліндру (3) (2).

, (1)

, , , (2)

де - кут повороту кривошипа; Мд – електромагнітний момент двигуна; Fг – газова сила; R – радіус кривошипа; ; ; Jкр – момент інерції кривошипа; m2 – маса повзуна; m3 – маса куліси і поршня.

Ця модель дозволяє зв'язати механічні параметри компресора (маси, моменти інерції, зазори та ін.) з динамікою зміни сил, що збуджують вібрацію, а також оцінити фази робочого циклу, на яких відбуваються перекладання в механічних сполученнях (вектор ), що необхідно для ідентифікації дефектів виробництва елементів компресора.

В моделі приводного двигуна здійснюється урахування реальних характеристик приводу МЗПД, тому що їхні зміни можуть істотно вплинути на динаміку руху елементів МЗПД, а, отже, і на її віброактивність. Інформація про динаміку приводного двигуна з МЗПД у якості навантаження дозволяє одержати ще один набір непрямих ознак стану елементів машини - параметри миттєвого споживаного струму (вектор ). Це суттєво для герметичних машин, до яких належить малий поршневий холодильний компресор, тому що через герметичність значно звужується перелік доступних параметрів (параметри вібрації, струму), по яких можна судити про стан машини та її елементів. У якості приводу компресора в даному дослідженні розглядається однофазний асинхронний електродвигун, який широко використовується у побутовій техніці. Модель асинхронного однофазного двигуна подана системою диференціальних рівнянь Парка-Горєва, що описує електромеханічне перетворення енергії в електричній машині при еліптичному полі. У матричній формі запису ця система має вигляд

,

де М - матриця, обумовлена повними індуктивностями обмоток статора і ротора прямої та зворотної послідовностей, взаємними індуктивностями прямої та зворотної послідовностей; - вектор похідних струмів прямої та зворотної послідовності в статорі і роторі; - вектор напруг, обумовлений напругами статора прямої та зворотної послідовностей, активними опірами обмоток статора і ротора для струмів прямої та зворотної послідовностей, струмами прямої та зворотної послідовності в статорі і роторі, миттєвою частотою обертання ротора.

За допомогою моделі каналу передачі коливань на корпус компресора описується процес перетворення вихідних параметрів математичної моделі механічної частини компресора параметри, що контролюються: віброприскорення різноманітних точок поверхні кожуха компресора або їхні спектральні уявлення (вектор ).

Проведено дослідження розробленої математичної моделі для даних малого поршневого холодильного компресора ХКВ-6.23. Отримано часові реалізації сил і моментів, що діють у компресорі, а також часові реалізації миттєвого значення струму, споживаного електроприводом компресора. Аналіз цих реалізацій дозволив оцінити фази можливих прольотів зазорів у механічних сполученнях щодо робочого циклу компресора, а також показав, що як ознаку для непрямого контролю розміру тиску в нагнітальній порожнині компресора можуть бути використані параметри низькочастотної вібрації і рівні парних гармонік у спектрі струму, споживаного електроприводом компресора. Таким чином, були отримані нові інформаційні ознаки про стан елементів компресора, на підставі яких можна судити про якість технологічних процесів їхнього виробництва й управляти цими процесами.

Реалізація моделі на ЕОМ дозволила створити простий і ефективний інструмент як для подальших досліджень, так і для побудови системи автоматизованого контролю і управління технологічним комплексом виробництва МЗПД з низькою віброакустичною активністю.

У третьому розділі “Обгрунтування, вибір і розвиток методів ідентифікації виробничих дефектів за результатами вихідного віброакустичного контролю” обгрунтовано використання методу частотно-часового аналізу (ЧЧА) для ідентифікації дефектів виробництва елементів МЗПД; розроблено метод оцінки віброакустичних характеристик елементів МЗПД і методика використання цього методу стосовно малих поршневих холодильних компресорів; описано алгоритм ідентифікації дефектів виробництва елементів МЗПД за допомогою частотно-часових квадратичних детекторів.

У результаті порівняльного аналізу відомих методів ЧЧА встановлено, що для аналізу багатокомпонентних віброакустичних процесів МЗПД, виходячи з критерію мінімуму інтерференційних компонентів, як найкраще підходять методи ЧЧА на основі частотно-часового розподілу (ЧЧР) Цзуя-Уільямса.

Для оцінки віброакустичної активності окремих елементів МЗПД запропоновано використовувати метод, що базується на ЧЧА вібрації машини. Даний метод використовує як критерій оцінки щільність енергії вібросигналу Р*t у частотно-часовій області з межами D і Dt (див. рис. 2):

,

де P(t,) – ЧЧР вібросигналу; S(D, Dt) - площа частотно-часової області.

Межі частотно-часової області D і Dt. визначаються фазою активності та частотною характеристикою елемента МЗПД, що оцінюється.

Показано, що формалізація процедури ідентифікації дефектів виробництва елементів МЗПД із використанням методу ЧЧА може бути зроблена шляхом побудови модулів ухвалення рішення (частотно-часових квадратичних детекторів), які реалізують критерій відношення максимальної правдоподібності

де Нk0, - гіпотеза про відсутність дефекту k-го елемента машини; Нk1 - гіпотеза про наявність дефекту k-го елемента машини; - відношення правдоподібності; r=r(t) – реалізація вібропроцесу, що характеризує конкретний екземпляр виробу; k - поріг ухвалення рішення.

Для знайдення відношення правдоподібності запропоновано використовувати квадратичні статистики, визначені через уявлення процесів у частотно-часовій області:

,

де - еталонне ЧЧР, отримане за результатами усереднення спостережень; - ЧЧР для n-ої реалізації вібропроцесу, отриманої за ті самі незмінні умови ( - працездатний стан контрольованого елемента або - стан відмови контрольованого елемента); - ЧЧР; Dk - частотно-часова область, що містить інформацію про стан k-того елемента.

Показано, що за допомогою лінійки частотно-часових квадратичних детекторів, настроєних на задані дефекти з переліку контрольованих дефектів елементів машини, може бути складений вектор стану технологічного комплексу виробництва МЗПД. Бінарні елементи цього вектора вказують на наявність або відсутність відхилень у технології виробництва окремих елементів МЗПД. Аналіз вектора стану об'єкта управління дозволяє виявити неприпустимі відхилення в технологічних процесах виробництва елементів МЗПД та одержати первинну інформацію, що сигналізує про необхідність впливу на ці процеси з метою усунення виявлених відхилень. Таким чином, показано, що частотно-часові квадратичні детектори можуть бути основою структури автоматизованої системи контролю і управління технологічним комплексом виробництва МЗПД.

У четвертому розділі “Розробка алгоритмічного, програмного й апаратного забезпечення автоматизованої системи контролю і управління” розглянуті питання розробки структури системи контролю і управління, заснованої на принципах ситуаційного управління; розроблені алгоритми прийняття рішень і дискретна ситуаційна мережа управління технологічним комплексом виробництва малих поршневих холодильних компресорів; сформульовані вимоги до системи; розроблені та описані: алгоритмічне забезпечення, апаратні і програмні засоби системи.

Розроблена автоматизована система, призначена для управління технологічним комплексом виробництва МЗПД за результатами вихідного контролю віброакустичних характеристик готових виробів. Метою управління є забезпечення гарантованого рівня показників віброакустичної активності виробів при мінімізації виробничих витрат. Для досягнення поставленої мети системою вирішуються такі задачі:

-

-

На рис. 3 подана структурна схема управління технологічним комплексом виробництва МЗПД за результатами вихідного віброакустичного контролю. Технологічний комплекс, що включає m технологічних процесів, характеризується функцією , що описує зміну ЧЧР вібрацій машини в залежності від часу виробництва ti* в інтервалі між сусідніми підрегулюваннями технологічного устаткування. У припущенні, що відхилення параметрів технологічних процесів і викликані ними похибки малі, а взаємозв'язок між зміною похибок і енергією вібрації описується кусочно-гладкими функціями, результуюча функція віброакустичної активності визначається як

,

де Ki(f,t) - частотно-часова характеристика i-го елемента машини; - відносна похибка технологічного процесу виготовлення i-го елемента машини.

ЧЧР вібрацій машини являє собою окремий випадок для моменту ti*, реєструється та аналізується за допомогою автоматизованої системи контролю і управління. Дана система побудована на принципах ситуаційного управління. Структура системи містить у собі вхідний блок, аналізатор, класифікатор, корелятор і екстраполятор (див. рис. 3). Вхідний блок здійснює реєстрацію віброакустичних процесів , що описують ситуацію, яка склалася на об'єкті управління в момент ti*, а також призводить їх до вигляду, придатному для опрацювання в аналізаторі.

У аналізаторі відбувається оцінка інтегральних характеристик шуму та/або вібрації виробу відповідно до наявних нормативів, у результаті чого визначається клас якості виробу (наприклад, для зовнішнього ринку, для внутрішнього ринку, брак), тобто вирішується задача управління потоками готових виробів. Крім того, аналізатор приймає рішення про необхідність втручання в процеси, що протікають в об'єкті управління. Якщо втручання необхідно, то реалізація вібропроцесу передається в класифікатор, який відносить ситуацію, що склалася на об'єкті управління, до одного з класів. Класифікатор являє собою лінійку частотно-часових квадратичних детекторів, настроєних на визначені дефекти виробництва. Вибір інформаційних областей Di детекторів (див. рис. 2) здійснюється на основі аналізу описаної вище математичної моделі динаміки машини. На виході класифікатора формується вектор стану об'єкта управління , який описує ситуацію, що склалася на технологічному комплексі виробництва МЗПД, у термінах стану елементів машин, що випускаються.

Вектор стану об'єкта управління передається в корелятор, у якому містяться логіко–трансформаційні правила (ЛТП), що однозначно зіставляють виділені класи ситуацій з однокроковими рішеннями по управлінню технологічним комплексом. Сукупність ЛТП може бути подана у вигляді дискретної ситуаційної мережі (ДСМ). На рис. 4 приведена розроблена в роботі ДСМ управління технологічним комплексом виробництва малих поршневих холодильних компресорів, яка зв'язує набір інформаційних ознак стану об'єкта управління (І1-І5), отриманих класифікатором, з набором рішень по управлінню визначеними ділянками технологічного комплексу (С1-С10). Корелятор визначає, чи достатньо ознак для прийняття єдиного рішення. Якщо ознак достатньо, то правило, що йому відповідає, видається для виконання. Якщо ознак для вибору єдиного правила недостатньо, то система звертається до екстраполятору, де здійснюється виявлення та аналіз додаткових ознак ситуації, що склалася на об'єкті управління. Екстраполятор містить у собі додаткові засоби опрацювання (Р1-Р3) і аналізу (АР1-АР7) характеристик машини (аналіз спектрального складу струму, ЧЧА вібрацій та ін.), також до його складу може бути включена модель динаміки машини, у результаті дослідження якої виявляються нові ознаки стану елементів машини, і експертна система, яка генерує додаткові ознаки ситуації на основі аналізу поточних параметрів технології виробництва (параметри матеріалів, стан устаткування та ін.) і накопичених статистичних даних про результати управління технологічним комплексом у минулому. Таким чином, у екстраполяторі вектор стану об'єкта управління поповнюється додатковими ознаками . Після одержання достатньої кількості ознак корелятор видає рішення про вплив на об'єкт. Рішення по управлінню i-тим технологічним процесом складають вектор ситуаційного управління . Сукупність векторів ситуаційного управління для всіх технологічних процесів, що входять у технологічний комплекс виробництва МЗПД, формує матрицю ситуаційного управління Му.

Для реалізації описаної вище структури системи розроблено програмне й апаратне забезпечення, яке дозволяє робити реєстрацію та аналіз вібрації і струму, споживаного МЗПД. У системі реалізовано: метод ЧЧА, частотно-часові квадратичні детектори, класичні методи аналізу (спектральний аналіз, кореляційний аналіз і т.д.), а також новий засіб автоматичної прив'язки частотно-часових уявлень процесів до фази роботи МЗПД, що не потребує додаткових апаратних засобів і дозволяє застосовувати частотно-часове детектування для контролю і управління виробництвом герметичних машин.

Експериментальний взірець системи контролю і управління технологічним комплексом виробництва малих поршневих холодильних компресорів, виконаний за замовленням підприємства, був використаний Дослідницько-іспитовим центром ЗАТ “Донецький інститут холодильної техніки” при проведенні робіт з дослідження характеристик і удосконалювання конструкції малого поршневого холодильного компресора ХКВ-6.23.

У п'ятому розділі “Експериментальні дослідження і практичне використання результатів дисертації” описані експериментальні дослідження, проведені з метою перевірки працездатності та оцінки ефективності реалізованих у розробленій системі методів і засобів, а також визначення адекватності розробленої моделі динаміки МЗПД. Як випробувана МЗПД використовувався малий поршневий холодильний компресор ХКВ 6.23.

За допомогою функцій спектрального аналізу і ЧЧА, реалізованих у системі, проведена ідентифікація причин виникнення різноманітних частотних компонентів вібропроцесу поршневого компресора, а також виявлені компоненти вібропроцесу, у яких може міститись інформація про дефекти виробництва елементів компресора (збільшені зазори в сполученнях, недостатнє мастило, дефект глушника та ін.).

Експериментально показано, що для непрямого контролю тиску в нагнітальній області компресора може бути використано контроль парних гармонік спектра струму, споживаного компресором, а також контроль високочастотної вібрації за допомогою реалізованій у системі функції частотно-часового детектування. Аналіз експериментальних даних підтвердив адекватність розробленої математичної моделі динаміки поршневого компресора реальним процесам, що відбуваються у ньому.

В цілому, проведені експерименти показали ефективність і доцільність використання розроблених у роботі методів і засобів, які їх реалізують, для ідентифікації дефектів виробництва елементів МЗПД, що дає можливість більш обгрунтовано приймати рішення по управлінню технологічним комплексом виробництва МЗПД.

В основних висновках сформульовані наукові результати та практична значимість виконаної роботи.

У додатках приведені документи про використання результатів дисертаційної роботи; лістинги програмних засобів системи; структурні схеми і параметри цифрової моделі поршневого компресора; методика оцінки характеристик віброакустичної активності елементів малих поршневих холодильних компресорів, яка розроблена у роботі; технічні характеристики елементів системи; результати оцінки метрологічних характеристик системи; результати експериментальних досліджень.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дане нове рішення актуальної задачі створення автоматизованої системи контролю і управління технологічним комплексом виробництва МЗПД, що засновується на науково обгрунтованих методиках і алгоритмах аналізу нестаціонарних вібропроцесів. Наукове і практичне значення роботи полягає у виробленні на основі результатів моделювання динаміки МЗПД нових інформаційних ознак, які дозволяють вести контроль стану технологічного комплексу їхнього виробництва; у розвитку й автоматизації методів ідентифікації дефектів виробництва МЗПД на основі результатів вихідного віброакустичного контролю; у створенні алгоритмів прийняття рішень і дискретної ситуаційної мережі управління технологічним комплексом виробництва малих поршневих холодильних компресорів; у створенні на цій основі автоматизованої системи контролю і управління технологічним комплексом виробництва МЗПД з низькою віброакустичною активністю.

За результатами роботи можна зробити такі основні висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

За темою дисертації опубліковані такі наукові праці:

1. Воронцов О.Г., Дегтяренко І.В. Автоматизація контролю і управління процесом виробництва машин зворотно-поступальної дії з низькою віброакустичною активністю// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: международный сборник научных трудов, выпуск 15. – Донецк: ДонГТУ. – 2001. – С. 54-59.

2. Воронцов А.Г., Дегтяренко И.В. Математическая модель малого поршневого компрессора// Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизацiя, випуск 3. - Донецьк: ДонДТУ. -1999. – С. 32-39.

3. Сивокобыленко В.Ф., Воронцов А.Г., Дегтяренко И.В. Математическое моделирование асинхронного двигателя как привода поршневого компрессора// Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизацiя, випуск 3. - Донецьк: ДонДТУ. -1999. – С. 115-121.

4. Дегтяренко И.В. Об использовании частотно-временного анализа виброакустических сигналов при построении систем оценки технического состояния машин возвратно-поступательного действия// Наукові праці Донецького державного технічного унiверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизацiя, випуск 12. - Донецьк: ДонДТУ. -1999. - С. 47-53.

5. Воронцов А.Г., Дегтяренко И.В. Об использовании частотно-временного анализа вибраций для оценки виброакустических характеристик элементов машин возвратно-поступательного действия// Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматiзацiя, випуск 20. - Донецьк: ДонДТУ.- 2000. – С. 31-38.

6. Воронцов А.Г., Дегтяренко И.В. Система виброакустического контроля технического состояния машин возвратно-поступательного действия// Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Гірничо–електромеханична, випуск 16. -Донецьк: ДонДТУ. -2000. –С. 55-62.

7. Воронцов А.Г., Дегтяренко И.В. Автоматизация процесса управления производством машин циклического действия по результатам контроля их виброакустической активности// Вісник ТРТУ-ДонДТУ. Матеріали Другого Міжнародного семінару “Практика і перспективи розвитку інституційного партнерства”. – Донецьк: ДонДТУ. - 2001. – С. 77-84.

8. Дегтяренко И.В., Воронцов А.Г. Математическая модель динамики малого поршневого компрессора// Збірник наукових праць 3-го Міжнародного молодіжного форуму “Радіоелектроніка і молодь у ХХІ ст.”. – Частина 2. – Харків: ХДТУР. – 1999. - С.281-284.

9. Воронцов А.Г., Дегтяренко И.В. Моделирование машин возвратно-поступательного действия на пакете Matlab// Компьютерные и информационные технологии в инженерной и управленческой деятельности. – Таганрог: ТРТУ. -2000. – С. 39-44.

10. Воронцов А.Г., Ямилов В.К., Ярошенко О.А., Дегтяренко И.В., Ничке Г.В., Заика В.Д. Система виброакустического мониторинга стационарного горного оборудования// Материалы региональной научно-практической конференции “Стратегия управления социально-экономическим развитием региона на период до 2010 года”. – Том 1. – Донецк: ИЭПИ НАН Украины. – 1999. – С. 70-75.

Особистий внесок автора в публікаціях, що написано у співавторстві: [1,7] - розробка концепції, структури та алгоритмів функціонування системи автоматизованого контролю і управління технологічним комплексом виробництва МЗПД з низькою віброакустичною активністю; [2,3,8] - розробка математичної моделі поршневого компресора; [5] - розробка методу оцінки віброакустичних характеристик елементів МЗПД; [6] - розробка структури та алгоритмів функціонування системи віброакустичного контролю МЗПД; розробка засобу автоматичної прив'язки частотно-часових уявлень сигналів до фази роботи МЗПД; розробка програмних і апаратних засобів системи; [9] - розробка цифрової моделі поршневого компресора; [10] – розробка програмних засобів системи.

АНОТАЦІЯ

Дегтяренко І.В. “Автоматизована система контролю і управління технологічним комплексом виробництва машин зворотно-поступальної дії з низькою віброакустичною активністю”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - “Автоматизація технологічних процесів”. - Донецький державний технічний університет, м. Донецьк, 2001 р.

Дисертація присвячена рішенню актуальної наукової задачі - розробці автоматизованої системи контролю і управління технологічним комплексом виробництва машин зворотно-поступальної дії (МЗПД) з низькою віброакустичною активністю. Подана система побудована на принципах ситуаційного управління. Вона здійснює управління технологічним комплексом виробництва МЗПД за результатами вихідного віброакустичного контролю. Особливістю структури розробленої системи є те, що для формування управлінських рішень у ній використовується частотно-часовий аналіз віброакустичних процесів, реалізований на основі частотно-часових квадратичних детекторів. Квадратичні детектори дозволяють виявити неприпустимі відхилення в технологічних процесах виробництва МЗПД. Вибір інформаційних областей детекторів здійснюється на основі аналізу розробленої математичної моделі динаміки машини, що виробляється. Ця модель встановлює зв'язок між показниками технічного стану машини і її приводу та силами, що збуджують вібрацію. Для оцінки віброакустичних характеристик елементів МЗПД у системі реалізований новий метод, що використовує як критерій оцінки щільність енергії віброакустичного процесу в межах заданої частотно-часової області. Частотно-часова область визначається фазою збудженого стану оцінюваного елемента та частотними компонентами, що ним породжуються.

Ключові слова: автоматизована система контролю і управління, технологічний комплекс, ситуаційне управління, машина зворотно-поступальної дії, віброакустичний процес, частотно-часовий аналіз, математична модель динаміки машини, частотно-часовий квадратичний детектор.

АННОТАЦИЯ

Дегтяренко И.В. “Автоматизированная система контроля и управления технологическим комплексом производства машин возвратно-поступательного действия с низкой виброакустической активностью”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - “Автоматизация технологических процессов”. - Донецкий государственный технический университет, г. Донецк, 2001 г.

На основании теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе предложено решение актуальной научной задачи - разработка автоматизированной системы контроля и управления технологическим комплексом производства машин возвратно-поступательного действия (МВПД) с низкой виброакустической активностью. Данная система построена на принципах ситуационного управления. Она осуществляет управление технологическим комплексом производства МВПД по результатам выходного виброакустического контроля. Особенностью структуры разработанной системы является то, что для формирования управленческих решений в ней используется частотно-временной анализ виброакустических процессов, реализованный на основе частотно-временных квадратичных детекторов. Квадратичные детекторы позволяют обнаружить недопустимые отклонения в технологических процессах производства МВПД. Выбор информационных областей детекторов осуществляется на основе анализа разработанной математической модели динамики изготавливаемой машины. Данная модель устанавливает связь между показателями технического состояния машины и ее привода с силами возбуждающими вибрацию. Для оценки виброакустических характеристик элементов МВПД в системе реализован новый метод, использующий в качестве оценочного критерия плотность энергии вибропроцесса в пределах заданной частотно-временной области. Частотно-временная область определяется фазой возбужденного состояния оцениваемого элемента и порождаемыми им частотными компонентами.

В работе решены следующие задачи:

1. Разработана математическая модель динамики поршневого компрессора, включая приводной электродвигатель, отличающаяся тем, что она позволяет установить взаимосвязь параметров элементов компрессора с мгновенными значениями сил, возбуждающих вибрации, и мгновенными значениями тока, потребляемого электроприводом компрессора с учетом зазоров в механических сопряжениях компрессора и нелинейного характера нагрузки.

2. Предложен новый метод оценки виброакустических характеристик элементов МВПД, базирующийся на частотно-временном анализе вибрации машины и использующий в качестве оценочного критерия плотность энергии вибрации в пределах частотно-временной области, определяемой фазой возбужденного состояния оцениваемого элемента и порождаемыми им частотными компонентами.

3. Впервые показано, что выходной виброакустический контроль с использованием анализа частотно-временных распределений нестационарных вибраций машины может эффективно применяться для формирования управления технологическим комплексом производства МВПД.

4. На основе принципов ситуационного управления разработана структура автоматизированной системы контроля и управления технологическим комплексом производства МВПД,