КІРОВОГРАДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ГАЛАЙ ВАСИЛЬ МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 519.711+62.506+681.5.015

АДАПТИВНА АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМ ПРОЦЕСОМ ВИРОБНИЦТВА

КВАРЦОВИХ ТРУБ

Спеціальність 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кіровоград – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі автоматики та електроприводу Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Сільвестров Антон Миколайович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри теоретичної електротехніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гончаренко Борис Миколайович, Національний університет харчових технологій (м. Київ), професор кафедри автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій;

доктор технічних наук, професор Кошовий Микола Дмитрович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, завідувач кафедри авіаційних приладів і вимірювань.

Захист відбудеться 12 жовтня 2007р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К23.073.01 у Кіровоградському національному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, проспект Університетський, .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського національного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, проспект Університетський, 8.

Автореферат розіслано 9 вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М. Каліч

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Кварцові труби характеризуються високою жаростійкістю, оптичною прозорістю та достатньо високою міцністю. Дякуючи цим властивостям, вони є незамінними, базовими в багатьох галузях промисловості: електротехнічній, приладобудівній, хімічній, оборонній. Процес витягування труб з попередньо виготовленої і розігрітої до пластичного стану гільзи (кварцового блоку, заготовки), є одним із основних і найскладнішим в технологічному циклі їх виробництва. Гільзи наплавляють із багатостадійно збагаченого природного кварцу. Існуюча технологія збагачення, навіть при повному виконанні умов її здійснення, не забезпечує однорідності фізико-хімічних властивостей кварцу. Існуючі засоби автоматизації виробництва кварцових труб потребують модернізації, бо не забезпечують їх високу якість. В результаті брак труб, що не відповідають за геометричними характеристиками (діаметрами, овальністю, конусністю) допускам стандарту, складає в середньому близько 17%. А це безумовно втрати (кварцове скло, на відміну від звичайного, не допускає повторної переплавки, бо втрачає свої властивості).

Необхідність досліджень продиктована нестабільністю характеристик кварцу і самого технологічного процесу виробництва кварцових труб, який представляє собою нестаціонарний багатовимірний об’єкт керування. Внаслідок цього неможливо обмежитися одноразовою ідентифікацією моделі об’єкта: необхідно забезпечити її поточне уточнення та оптимальне керування. Такий підхід вимагає розробки нових більш точних методів контролю параметрів об’єкта та удосконалення алгоритмів керування ним. Підвищення точності геометричних характеристик кварцових труб має безумовний економічний ефект для ряду базових галузей економіки України, сприяє підвищенню прибутковості підприємств, задіяних у їх виробництві та використані, тому є актуальною науковою задачею.

Відповідно актуальною є тема дисертації: підвищення якості функціонування автоматизованої системи управління технологічним процесом виробництва кварцових труб (АСУ ТП ВКТ) завдяки розробленню спеціальних заходів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано у відповідності з темою науково-дослідної роботи "Обґрунтування, розробка та дослідження системи контролю геометричних характеристик неметалевих труб" (ДР №0196U006057) згідно з державним замовленням на науково-технічні роботи з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки та у відповідності з тематичним планом №217-11/99 науково-дослідних та конструкторських робіт на період 2000-2005 р., затвердженому науково-технічною радою ТОВ "Полтавський завод ГРЛ". Робота відповідає напрямку наукових досліджень кафедри автоматики та електроприводу Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності функціонування автоматизованої системи виробництва кварцових труб і, як наслідок, підвищення точності їх геометричних параметрів шляхом розробки, удосконалення та реалізації ефективних методів контролю, ноніусної ідентифікації і адаптивного автономного керування в умовах апріорної невизначеності та нестаціонарності характеристик об’єкта керування.

Для досягнення цієї мети ставилось розв’язання наступних задач:

- підвищення точності контролю геометричних параметрів вихідного продукту та компенсації запізнення у вимірюючій підсистемі АСУ ТП ВКТ;

- розробка більш ефективного методу поточного контролю в’язкості скломаси у зоні витягування труб;

- дослідження оптимального і адаптивного алгоритмів керування та вибір алгоритму найбільш адекватного реальній ситуації, що визначається нестаціонарністю і стохастичністю характеристик об’єкта керування;

- аналіз існуючих і розробка нових, надійно функціонуючих підсистем ідентифікації об’єкта керування, які забезпечують отримання більш точних оцінок структури і параметрів математичних моделей окремих каналів "вхід-вихід" об’єкта в умовах нестаціонарності і стохастичності його характеристик;

- технічна реалізація розроблених методів і алгоритмів в АСУ ТП та оцінювання її ефективності.

Об’єкт дослідження – автоматизована система управління технологічним процесом виробництва кварцових труб.

Предмет дослідження – методи і алгоритми контролю параметрів технологічного процесу та методи оптимального і адаптивного керування з урахуванням багатовимірності, нелінійності, нестаціонарності та стохастичності об’єкта.

Методи дослідження базуються на положеннях сучасної теорії автоматичного керування, методах теорії оптимального оцінювання параметрів і станів динамічних систем, статистичному аналізі вимірюваних даних, методах імітаційного моделювання, обчислювальної математики та прийняття рішень.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Вперше для більш ефективного автоматизованого керуванням процесом виробництва кварцових труб запропоновано адаптивну стратегію керування з використанням ноніусного підходу для ідентифікації нестаціонарних характеристик процесу. Доведено, що такий підхід забезпечує подвійну інваріантність системи керування як до зміни параметрів, так і до збурень.

2. Розроблено нову більш точну систему контролю геометричних розмірів труб, яка, на відміну від існуючої, ураховує поточний баланс об’ємів витрат скла гільзи і труби.

3. На основі модельного підходу запропоновано нову систему непрямого контролю в’язкості скломаси за поточними даними параметрів електропривода витяжної машини. Це забезпечує своєчасне отримання більш точної інформації про в’язкість скла безпосередньо в зоні витяжки, тим самим підвищуючи якість керування і якість продукції.

4. Для компенсації запізнення у вимірах діаметрів труб запропоновано використання ноніусного фільтра – предикатора. Це дозволило суттєво підвищити швидкодію системи керування і, як наслідок, якість вихідного продукту.

5. За результатами аналізу на робастність оптимального і адаптивного алгоритмів керування встановлено, що кращим в ситуації неповної визначеності параметрів процесу витягування кварцових труб є адаптивний дуальний алгоритм мінімізації поточного значення функціоналу якості керування.

6. Для підвищення точності оцінок параметрів об’єкта запропоновано прогнозування в зону робочого режиму оцінок, зміщених внаслідок заміни нелінійної моделі лінійною, отриманих при значних відхиленнях в режимі налаштування процесу. Такий підхід забезпечує коректність процесу ідентифікації і, як наслідок, необхідну якість системи стабілізації вихідних змінних об’єкту (геометричних розмірів труби).

Практичне значення отриманих результатів полягає в реалізації теоретичних положень та технічних рішень дисертації на “Полтавському заводі газорозрядних ламп” в системі автоматизації і оптимізації процесу виробництва кварцових труб. Їх реалізація забезпечила наступний ефект:

- компенсація запізнення у вимірах підвищила швидкодію системи;

- підвищення точності контролю геометричних параметрів труб і в’язкості скломаси поліпшило якість вихідного продукту;

- використання ноніусного адаптивного підходу забезпечило необхідну стійкість і якість автоматичного режиму витягування труби в умовах нестаціонарного стохастичного середовища;

- в цілому автоматизація процесу суттєво спростила вимоги до кваліфікації оператора: його функції полягають тільки в ручній заправці труби на початку процесу витягування та її обрізання в процесі виготовлення.

Результати дисертаційної роботи впроваджено в виробництво (ТОВ “Полтавський завод ГРЛ”) і в навчальний процес на кафедрі автоматики та електроприводу ПНТУ ім. Юрія Кондратюка та в інституті електромеханіки і енергоменеджменту Одеського національного політехнічного університету.

Особистий внесок здобувача в отримання нових результатів. Наукові результати, наведені в дисертації, одержано автором самостійно. У публікаціях, виконаних у співавторстві, особистий внесок автора полягає в наступному: в роботі [4] – дослідження похибки екстраполяції в залежності від астатизму ноніусного фільтра; [5] – реалізація принципу дуальності; [6, 7] – ноніусний, адаптивний алгоритм керування та прогноз параметрів моделі в робочу зону; [8] – структурно-варіантний підхід до ідентифікації параметрів об’єекта при будь-яких початкових відхиленях; [9] – планування та виконання експерименту; [10, 13] – ноніусна адаптація, автономізація керування багатовимірним об’єктом, високоточна стабілізація на основі прогнозу параметрів моделі в робочу область.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися і обговорювалися на міжнародних конференціях: “Автоматика – 2003” (м. Севастополь); “Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології” (м. Чернівці, 2004р.); “Датчики, прилади та системи – 2005” (м. Ялта, 2005); “Проблемы автоматизированного электропривода” (Алушта, 2005); “Приборостроение – 2004” (м. Вінниця – Ялта); “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості – 2004” (м. Кривий Ріг); “Нові технології та технічні рішення” (м. Київ, НУХТ, 2005); “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні” (м. Харків, ХАІ, 2006); “Автоматика – 2006” (м. Вінниця).

Публікації. Основні наукові положення дисертації опубліковані в 19 друкованих працях, із них 3 статті у наукових журналах, 6 статей у збірниках наукових праць, 4 – у матеріалах конференцій і 6 – у збірниках тез доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях. Із опублікованих 7 статей надруковано в фахових виданнях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 130 найменувань, додатків на 27 стор. Повний обсяг дисертації 181 стор., з яких основний зміст викладено на 137 стор. друкованого тексту. До складу роботи включено 47 рисунків і 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Приводиться обґрунтування актуальності напрямку дисертаційного дослідження; сформульовано мету і задачі дослідження; зазначені наукова новизна, практична цінність і апробація роботи.

Розділ 1. Задача автоматизації технологічного процесу витягування кварцових труб (ТП ВКТ) та підходи до її вирішення. Розглянуто всі складові технологічного процесу виробництва кварцових труб, що включають видобування, сортування, промивку, механічне дроблення, відбраковку дефектних кристалів, подальше подрібнення, сепарацію, флотацію, промивання, травлення, сушку, прокалювання, виготовлення блоків (гільз), їх механічну та хімічну обробку і нарешті витягування труб (рис. 1).

Кожна складова впливає на процес витягування труб через неоднорідність хіміко-фізичних властивостей як для різних блоків, так і вподовж кожного окремо взятого. Тому задача керування процесом формулюється як нестаціонарна і стохастична, яка вимагає поточного оцінювання параметрів математичної моделі процесу, закладеної в алгоритм адаптивного керування.

Сигнали давачів, що поступають в керуючу ЕОМ, спотворюються завадами: флуктуаційними (шумами), імпульсними (зосередженими в часі), гармонічними (зосередженими за спектром). Вони є неминучими і частина з них є неусувними. Тому проаналізовані відомі оптимальні, спрощені та адаптивні алгоритми згладжування та захисту від аномальних похибок. В результаті аналізу, для зменшення впливу завад на підсистеми ідентифікації та керування в модернізованій АСУ ТП, вибрані наступні алгоритми:

1) МНК – апроксимації на ковзному інтервалі вимірів поліномами Чебишева;

2) згладжування вимірів ковзним середнім;

3) захисту від аномальних даних шляхом використання адаптивного порогу.

Таким чином, на основі аналізу технологічного процесу і досягнень сучасної теорії автоматичного керування, наведених у першому розділі, обґрунтовано напрям наукових досліджень, необхідних для модернізації АСУ ТП ВКТ, сформульовано мету і поставлено задачі.

Розділ 2. Загальна методика досліджень, спрямованих на підвищення точності АСУ ТП виробництва кварцових труб. Викладені методики оптимізації динаміки автоматизованої системи управління, ноніусного уточнення моделі технологічного процесу та удосконалення структури адаптивної АСУ.

При цьому доведено, що керування процесом витягування труби за моделлю, яка неперервно уточнюється, забезпечує системі керування подвійну умову інваріантності і можливість оптимальності: інваріантність до сигнальних збурень і зміни параметрів моделі; оптимальність за заданим критерієм якості керування. Автономне керування багатовимірним за входом-виходом об’єкта досягається ввімкненням діагоналізатора між локальними регуляторами і керуючими входами об’єкта. Завдяки автономності, кожен канал керується за допомогою ПІ – регулятора і компенсатора частини динаміки об’єкта цього каналу. Параметри діагоналізатора і компенсатора адаптуються (налаштовуються) за інформацією з підсистеми ідентифікації, так, щоб канали були незалежними, а канал об’єкта плюс компенсатора мав наближено характеристики інерційної ланки першого порядку. Тоді для кожного канала параметри ПІ – регулятора однозначно визначаються за умови ідентичності контура регулювання еталонній моделі. Залежно від ступеню нестаціонарності характеристик об’єкта, його модель, що побудована за ноніусним принципом, спрощує чи ускладнює (уточнює) свою структуру (адаптується), забезпечуючи можливу за вказаних умов адекватність йому і, як наслідок, стійкість і якість процесу керування.

Розділ 3. Підвищення точності підсистеми оцінювання сигналів давачів в АСУ ТП ВКТ. Підсистема оцінювання сигналів включає в себе давачі (в’язкості, діаметрів, температури, швидкостей, тиску) та канали зв’язку між ними і вхідними пристроями мікропроцесора. В попередньому розділі розглянуті відомі методи, повне чи неповне використання яких забезпечує потрібну перешкодостійкість всіх інформаційних каналів АСУ ТП. Але, враховуючи специфіку об’єкта і вимоги до якості керування, ще, крім вирішення питання перешкодостійкості, вдалося підвищити достовірність інформації, шляхом розробки більш ефективних методів її виявлення та своєчасного представлення. Для цього розроблено три методи: непрямого контролю в’язкості розм’якшеного скла, поточного контролю діаметрів труб і компенсації запізнення в отриманні інформації.

1. Контроль в’язкості. На якість вихідного продукту суттєво впливає в’язкість скломаси в зоні витягування блока в трубу. Нажаль яскравість цієї зони неточно пов’язана із в’язкістю. За умови вимірюваних діаметрів і , параметром, що однозначно визначає в’язкість , буде зусилля чи момент на валу електроприводу установки витягування труб. Теоретично побудовано і експериментально уточнено математичну модель залежності досить точно вимірюваних змінних стану електропривода від моменту на його валу:

, (1)

де – відповідно оцінки кількості обертів на хвилину,

потужностей (Вт), напруги (В), струму (А) та еквівалентного опору (Ом) якоря. Останній має індуктивну складову внаслідок неповної компенсації комутаційних електрорушійних сил. Тому експериментально визначене залежить від . Механічний момент періодично, повільно спадає до моменту обрізання труби, що знаходиться нижче апарату витягування. В роботі виконано статистичний аналіз похибок в розрахунку за умови його лінійної апроксимації в межах кожного періоду часу. В результаті запропоновано методику незміщеного ефективного оцінювання для моментів часу після відрізання труби з виявленням цих моментів за стрибком похідної в часі алгоритмом визначення моментів стрибків похідної. Алгоритм виявлення збоїв наведено у розділі 1. Оцінювання залежності виконується рекурентним МНК, як оптимальним для гаусових шумів у вимірах . Регулювання температури блока і, як наслідок, в’язкості виконується комплексною системою (рис. 2), в якій П-регулятор реагує на зміну температури яскравості блоку грубо, але швидко; а І-регулятор відпрацьовує похибку відносно моменту точно, але більш повільно.

В зв’язку з тим, що не існує приладів (ні зразкових, ні технічної групи), якими можна виміряти поточні значення в’язкості кварцового скла, то оцінювалася ефективність розробок під час дослідно-промислової експлуатації АСУ ТП ВКТ за процентом бракованих труб, виготовлених з регулятором в’язкості (рис. ) і без нього. Результати досліджень такі: за рахунок регулятора в’язкості кількість труб, зовнішні діаметри і товщина стінок яких вишли за межі допуска стандарта, зменшилася в середньому на 30%.

2. Контроль діаметрів труб. Задача оптимального оцінювання діаметрів розглядалася, як варіаційна задача умовної мінімізації функції Лагранжа:

, (2)

де та – діаметри, що виміряні з випадковою похибкою, а і – шукані оцінки діаметрів , ; – невизначений множник Лагранжа; , – діаметри гільзи (блока); , – виміряні лінійні швидкості переміщення труби і блока; – поточна дискрета часу; – параметр алгоритму усереднення.

В якості додаткової умови в (2) враховане рівняння зв’язку діаметрів , , , та швидкостей ,

, (3)

що витікає з умови балансу об’ємів (мас) скла гільзи і труби в процесі витяжки.

Взявши похідні функціонала за шуканими змінними , і та прирівнявши їх нулю

, , , (4)

отримуємо систему із 3-х рівнянь, яка після перетворень записується у вигляді рівняння 4-ї степені відносно зовнішнього діаметра труби

(5)

де ; ; ;

; . . (6)

Додатній дійсний корень розв’язку рівняння (5) являється екстремаллю функціонала (2).

Як показали дослідження (табл. 1) алгоритм контролю, оснований на розв’язку задачі Лагранжа на умовний екстремум, забезпечує зниження в середньому в 1,94 рази коефіцієнта варіації вимірів діаметрів труб порівняно з коефіцієнтом варіації усереднених діаметрів.

Таблиця 1

Дані моделювання алгоритмів оцінювання діаметрів труб простим

усередненням і розробленим алгоритмом |

, см | , см | , см | , см | ,

см/хв | , см/хв

0,043 | 8,3 | 7,95 | 16,7 | 10,4 | 97 | 0,87 | 0,39 | 1,81

0,071 | 4,6 | 4,3 | 17,1 | 10,2 | 50 | 12 | 0,38 | 1,85

0,12 | 2,7 | 2,4 | 16,7 | 10,4 | 97 | 0,87 | 0,37 | 1,91

0,13 | 2,08 | 1,83 | 16,7 | 10,4 | 141 | 0,81 | 0,37 | 1,95

0,15 | 1,43 | 1,23 | 16,7 | 10,4 | 181 | 0,56 | 0,36 | 1,97

0,28 | 0,65 | 0,49 | 24 | 10,4 | 312 | 0,12 | 0,35 | 2,08

0,36 | 1,4 | 0,97 | 24 | 9,6 | 117 | 0,25 | 0,36 | 2,0

?Т – задана товщина стінки труби; – середній діаметр труби; – середня-квадратична похибка діаметра, визначена моделюванням; – коефіцієнти варіації діаметрів труб, визначені усередненням вимірів і моделюванням при наявності перешкод в каналах контролю діаметрів і швидкостей.

Дослідження (табл. 1) здійснювалися при імітації жорстких умов: діаметри змінювалися синусоїдно з амплітудою і частотою , а перешкоди задавалися розподіленими за нормальним законом з нульовим середнім і СКП см і мм.

Розбіжність точності між традиційним методом контролю діаметрів труб (за допомогою калібрів) і розробленим незначна. Але перевага розробленого алгоритму полягає в забезпечені змоги автоматизувати процес контролю труб. З урахуванням величин чутливостей об’єкта керування до зміни швидкостей і , а також технічних вимоги до точності діаметрів труб встановлено, що відносна допустима похибка контролю діаметрів не повинна перевищувати 6%. Тоді вплив похибки швидкостей на діаметри труб не суттєвий. Виходячи з діапазонів контролю швидкостей =50...350 см/хв, =0,03…9,86 см/хв та допустимої похибки встановлено, що клас точності давачів швидкостей не повинен перевищувати 0,5.

3. Компенсація запізнення.  Алгоритми усереднення, особливо в оптичній системі вимірювання головного показника якості труб – їх зовнішнього і внутрішнього діаметрів, створюють часове запізнення. Останнє суттєво впливає на динамічну точність підсистеми стабілізації і . З метою підвищення точності в замкнений контур регулювання, враховуючи плавність у часі зміни характеристик кварцового блока, ввімкнено компенсатор цього запізнення. Аналогову модель компенсатора у вигляді ноніусної структури з’єднання фільтрів , показано на рис. 4. Кожен -й фільтр дає прогнозну на час оцінку згладжених фільтрами даних. Для цього сигнал, що прогнозується, представляється рядом Тейлора з урахуванням тільки лінійної або квадратичної складової розкладання.

Оператор реалізує цю операцію відносно самого сигналу , оператор – відносно першої похибки прогнозу, – другого і так далі. Результуюча скорегована оцінка прогнозного значення є сумою прогнозних значень сигналу і відповідних похибок прогнозу. В цьому і полягає ноніусний підхід до прогнозування. Доведені необхідні ствердження, які дозволяють визначити раціональну структуру і параметри для фільтрів, що входят до складу операторів . Доведено, що для забезпечення нульової похибки слідування достатньо забезпечити, щоб число фільтрів було на одиницю більше степені полінома, що апроксимує прогнозне значення ; що при апроксимації полінома порядку членами ряда Тейлора степінь полінома похибки апроксимації дорівнює ; що зі зростанням номеру і (рис. 4) інерційність фільтра слід збільшувати. На рис. 5, як приклад, наведено роботу фільтра екстраполятора для прогнозу , яке зашумлено першкодою. Як бачимо, зі зростанням числа і похибки прогнозу зменшуються: лежить в межах (), , .

Розділ . Теоретичне обґрунтування і дослідження алгоритмів керування та ідентифікації. Внутрішні контури регулювання (електричної потужності нагрівача блоку, тиску азоту, швидкостей руху блоку і труби ) мають суттєво більшу швидкодію, ніж контури регулювання і . Виміри і досить точні і не потребують суттєвого (для динаміки замкненої системи) усереднення. В них немає підсистеми ідентифікації, але їх параметри можуть змінюватись на 2040%. Тому для вибору найбільш підходящого алгоритму мікропроцесорного керування в цьому розділі досліджено чутливість оптимального алгоритму керування за умови мінімуму квадратичного функціоналу якості на напівнескінченному (стаціонарний П-регулятор) інтервалі керування. Задачу вирішено на основі рівняння Лагранжа-Ейлера для точних даних про об’єкт керування і у випадку 50% відхилень оцінок параметрів. Отримані відповідні варіації оптимальних значень критерія якості. Аналогічну задачу було вирішено для адаптивного ступінчасто-сталого на коротких інтервалах керування з прогнозом траєкторії на наступний інтервал і розрахунком оптимальної (за умови мінімума похибки керування на наступному інтервалі) поточної ступеньки керуючого впливу. За такої процедури попутно параметрично оцінювалась і ураховувалась в алгоритмі керування перехідна функція об’єкту. Як показали результати моделювання, адаптивний алгоритм несуттєво програє оптимальному для точних даних, але суттєво виграє для їх 50% відхилень. Тому його було закладено в цифровий регулятор тиску азоту (рис. 6).

Розроблено алгоритм ноніусного уточнення математичної моделі об’єкта для робочої зони. Ідея полягає в тому, що при апроксимації нелінійної моделі лінійною функцією, її коефіцієнти залежать від змінних. Тоді, подаючи змінні на об’єкт у напрямку зменшення їх амплітуд, визначається відповідна послідовність коефіцієнтів. Шляхом прогнозу цієї залежності в робочу точку (в зону нульових відхилень), знаходяться істинні для робочої зони значення коефіцієнтів лінійної складової моделі.

Зовнішні контури стабілізації вихідних змінних (геометричних розмірів кварцових труб) повинні забезпечувати високу точність і в умовах дії нестаціонарних стохастичних збурень, пов’язаних з неоднорідністю фізико-хімічних властивостей гільзи, неідеальністю роботи внутрішніх контурів регулювання та ін. Неможливо забезпечити високу точність САК без знання (внаслідок нестаціонарності об’єкта) і постійного уточнення в процесі роботи математичної моделі об’єкта керування. Тому в цьому розділі досліджено підсистему ідентифікації об’єкта керування. Як базовий, проаналізовано метод найменших квадратів та доведено, що в умовах зашумленості як вихідних, так і вхідних сигналів об’єкта, він не забезпечує незміщеності оцінок параметрів. Той же недолік має і більш складний метод максимальної правдоподібності (мінімума дисперсії). Тому замість мінімуму середнього (чи середньо-зваженого) квадрата похибки , з метою зменшення зміщення оцінок вектора параметрів моделі об’єкта, використано кореляційний функціонал , де – вектор-функція похибки, що зсунута у часі на .

Далі досліджено залежність варіації оптимального значення показника якості керування

, (7)

де і – відхилення вихідної змінної (діаметрів труби) і керуючого впливу відповідного каналу, залежно від статистичних параметрів сигналу і завади (показників експоненціального затухання і їх кореляційних функцій), а також оптимізованого за (7) параметра алгоритму ідентифікації. Як бачимо (рис. 7), чим більше (чим ближче шум до білого), тим менше ; чим довша вибірка (більше ), тим більше (показано, що зі збільшенням зростає дисперсія оцінок , а зі збільшенням М вона зменшується). Метод з оптимальним зсувом застосовується для визначення коефіцієнтів передаточних функцій об’єкта керування за зашумленими вимірами сигналів.

Розділ 5. Режими роботи АСУ ТП ВКТ та оцінювання їх ефективності. Підсистеми регулювання проміжних величин створюють необхідні умови для забезпечення роботи основної ноніусної адаптивної системи стабілізації діаметрів і кварцової труби – головних показників якості вихідного продукта АСУ ТП ВКТ (рис. 8). Властивість ноніусної адаптивності і високої точності полягає в наступному:

1. На пусковому етапі установки витягування кварцової труби, коли її діаметри ще не відповідають заданим, до вхідних керуючих дій і (рис. 8) додається послідовність взаємо ортогональних ступеньок і різної величини і знака.

2. Для кожної ступеньки визначаються оцінки коефіцієнтів лінійних операторів квазілінійного об’єкта.

3. Оцінки досить стабільні, але зміщені, внаслідок заміни нелінійної моделі лінійною. Точні значення оцінок визначаються шляхом лінійної апроксимації зміщених оцінок в функції відхилень режимів, за яких вони визначалися, від номінального (тобто діаметрів труб від бажаних). Це забезпечує коректність задачі ідентифікації і точність лінійної моделі об’єкта в зоні робочого режиму.

4. Далі, вже в процесі виробництва труб із заданими межами відхилень їх геометрії від бажаної, якщо блок достатньо однорідний і суттєвих збурень не виникає, подальше ноніусне уточнення моделі досягається подачею і у вигляді псевдовипадкового бінарного шуму і уточненням операторів шляхом послідовного ввімкнення із вже побудованими і налаштування додаткових операторів, уточнюючих динаміку попередніх.

Відповідно до оцінок структури і параметрів математичної моделі об’єкта блоком налаштування відбувається адаптація параметрів ПІ – регуляторів, компенсаторів (що доповнюють ПІ – регулятори при ускладненні моделі об’єкта) та діагоналізатора. Останній забезпечує автономність каналів стабілізації геометричних розмірів , , . В результаті динаміка кожного з каналів наближено відповідає динаміці еталонної моделі – ланки першого порядку з заданою інерційністю.

Програмно-апаратний комплекс АСУ ТП ВКТ розроблено на базі промислового контролера SIEMENS Simatic S7-312.

Випробувальні дослідження точностних характеристик кварцових труб, виготовлених на дослідно-промисловому комплексі, обладнаному удосконаленою адаптивною автоматизованою системою управління ТП ВКТ (рис. ) здійснено в ТОВ “Полтавський завод газорозрядних ламп”. Як показали дослідження, розроблена АСУ ТП ВКТ забезпечує виробництво кварцових труб з похибкою, що не перевищує 6,5%. У результаті брак виготовлених труб зменшився з 17% до 8,6%. ТОВ “Полтавський завод газорозрядних ламп” отримало річний економічний ефект в сумі 56 грн. за рахунок скорочення браку виробництва кварцових трубок для пальників ламп типу ДРЛ.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі запропоновано нове рішення актуальної науково – прикладної задачі: підвищення ефективності функціонування технологічного комплексу виробництва кварцових труб і, як наслідок, підвищення точності їх геометричних параметрів, шляхом розробки та реалізації більш досконалих методів контролю параметрів технологічного процесу та адаптивної стратегії керування з ноніусною ідентифікацією.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, отримані в процесі досліджень:

1. Завдяки використанню відомих і розробленню нових ефективних методів та засобів автоматизації технологічного процесу виробництва кварцових труб, забезпечено суттєве підвищення показників якості вихідного продукту за геометричними характеристиками. Як результат, зменшення браку труб в середньому на 52% при підвищенні рентабельності виробництва.

2. На основі розв’язку варіаційної задачі Лагранжа розроблено метод контролю діаметрів труб, в якому додатковою умовою є поточний баланс об’ємів скла гільзи і труби в процесі витяжки. Реалізація метода зменшила середньоквадратичну похибку майже в 2 рази порівняно з простим усередненням.

3. Ноніусна реалізація фільтра Брауна забезпечила компенсацію часових запізнень в отриманні первинної інформації про діаметри від оптичних давачів. Це дозволило суттєво підвищити швидкодію та динамічну точність системи керування і, як наслідок, якість вихідного продукту.

4. На основі активного експерименту на апараті витягування, що проводиться до початку ТП ВКТ, побудовано і використано для подальшого контролю в’язкості скломаси математичну модель залежності в’язкості від вимірюваних параметрів електроприводу. Такий підхід ефективніший, ніж непряме визначення в’язкості за яскравістю скломаси, яка залежить, в першу чергу, від фізико-хімічної однорідності кварцу.

5. Різнотемпову багатовимірну АСУ ТП ВКТ декомпозовано на класи:

а) швидкодіючі внутрішні САК для регулювання внутрішніх змінних;

б) більш повільна, але більш точна двовимірна САК верхнього рівня для стабілізації діаметрів труб.

5.1. Для САК класу (а) в результаті аналізу на робастність оптимального і адаптивного алгоритмів запропоновано адаптивний підхід, що гарантує якість регулювання тиску азоту, та алгоритм квазідуального керування, де підсистема ідентифікації оптимізується за умови оптимуму показника якості керування при суттєвих відхиленнях параметрів системи.

5.2. Для САК класу (б), з метою забезпечення високої точності стабілізації вихідних змінних і об’єкту з нестаціонарною стохастичністю, запропоновано ноніусний принцип побудови моделі об’єкта, де, залежно від величини нестаціонарності, змінюється структура моделі, забезпечуючи збіжність процесу ідентифікації об’єкта і відповідно якість стабілізації і .

6. З метою забезпечення коректності процесу оцінювання параметрів використано спрощені лінійні моделі нелінійного об’єкту: точну лінеарізовану модель для обмеженої області стабілізації і визначають шляхом лінійної апроксимації, зміщених (внаслідок простої структури) але стабільних оцінок коефіцієнтів залежно від амплітуди відхилень змінних відносно базового режиму. Таким чином вирішено протиріччя між необхідністю зменшення діапазону відхилень змінних (щоб не впливала неврахована нелінійність) і неможливістю цього зробити внаслідок зростання співвідношення “перешкода/сигнал” та обмеженості часового інтервалу.

7. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження за допомогою ЕОМ і на виробничому устаткуванні підтвердили достовірність основних теоретичних положень, сформульованих в роботі, показали працездатність і ефективність їх технічної реалізації.

8. Економічний ефект за рахунок впровадження результатів досліджень в АСУ технологічним процесом виробництва кварцових труб в ТОВ “Полтавський завод ГРЛ” склав 56 тис. грн. на рік.

Таким чином, у дисертації одержано нові теоретично та експериментально обґрунтовані результати, сукупність яких є суттєвою для розвитку автоматизованих систем управління та контролю технологічних процесів виробництва кварцових труб.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Галай В.М. Автоматизація контролю діаметрів кварцових труб // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. – Кременчук: КДПУ, 2007. – Вип. 4/2007(45) ч.1. – С.165-166.

2. Галай В.М. Контроль в’язкості скломаси в зоні витяжки кварцової трубки за параметрами моделі електроприводу // Вісник національного технічного університету “ХПІ”. Серія “Електротехніка, електроніка і електропривод”. –Харків.: НТУ “ХПІ”. –2005. –№45. –С.443-455.

3. Галай В.М. Обґрунтування ефективного алгоритму управління багатовимірним стохастичним об’єктом // Нові технології. –2005. –№2(9). –С.121-126.

4. Галай В.М., Сільвестров А.М. Ноніусний компенсатор запізнення в системі автоматичної стабілізації параметрів технологічного процесу // Вісник Черкаського державного технологічного університету. –2005. –№3. –С.113-115.

5. Галай В.М., Сільвестров А.М. Практична реалізація принципу дуальності в системах керування // Сб-к. трудов междунар. научно-техн. конф. - “Приборостроение 2004”. – Винница – Ялта, 2004. – С.154 – 159.

6. Галай В.М., Сільвестров А.М., Шефер О.В. Високоточне ноніусне адаптивне управління процесом скловитяжки в невизначених нестаціонарних умовах // Матеріали 10-ї міжнародної конференції по автоматичному управлінню "Автоматика - 2003", м. Севастополь, в 3-х т. – Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2003 – Т. 1. –С.124 – 125.

7. Галай В.М., Сільвестров А.М., Шефер О.В. Ноніусна адаптивна високоточна система стабілізації стохастичних технологічних процесів // Системні дослідження та інформаційні технології. – 2003. – №1. – С.135 – 142.

8. Галай В.М., Сільвестров А.М., Шефер О.В. Структурно-варіаційний підхід до забезпечення збіжності процесу контролю параметрів і стану динамічних об’єктів // Системні дослідження та інформаційні технології. – 2003. – №2. – С.79 – 83.

9. Галай В.М., Сільвестров А.М. Високоточна ідентифікація і стабілізація об’єкта керування // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. -№4.– С.13 – 18.

10. Галай В.М., Сільвестров А.М. Проблема автоматизації і оптимізації динаміки багатовимірних стохастичних об’єктів // Вісник технологічного університету Поділля, №2. – Хмельницький: ХДУ, 2004. –ч.1, том 1. –С.36– 39.

11. Галай В.М. Узагальнена постановка задачі ідентифікації об’єкта керування // Збірник наукових праць Морського університету кораблебудування. – Миколаїв: "МУК", 2005, №1. – С.124 – 129.

12. Галай В.М. Проблема ідентифікації складних об’єктів керування // Міжнар. наук.-техн. конф. "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості – 2004", м. Кривий Ріг. Збірник доповідей. – Кривий Ріг: Видавництво КТУ, 2004. – Том 2. –С.210 – 211.

13. Сільвестров А.М., Галай В.М. Алгоритм поступового удосконалення АСУ ТП виробництва трубок // Тези доп. Міжнар. наук. практ. конф. "Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології". – Чернівці: ЧФЮІ, 2004. – С.188 – 189.

14. Галай В.М. Комп’ютерно-інтегрована система адаптивного керування багатовимірним стохастичним об’єктом // Матеріали IX Міжнародної науково-технічної конференції “Нові технологічні та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості, сьогодення і перспективи”, 17-19 жовтня 2005 р. – У 2 ч. –К.:НУХТ. –2005. –ч.2. –С.51.

15. Галай В.М. Ноніусний підхід до побудови математичних моделей складних об’єктів керування // Тези доповідей Міжнар. наук.-техн. конф. “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ 2006). –Харків: ХАІ. –2006. –С.130.

16. Галай В.М. Автоматичний контроль діаметрів труб в процесі їх виробництва // Тези доп. ХІІІ Міжнар. конф. з автоматичного управління (Автоматика – 2006). –Вінниця: УНІВЕРСУМ – Вінниця. –2006. –С.181.

17. Галай В.М. Автоматичне розпізнавання якості склоблоків у процесах виготовлення деталей освітлювальних ламп // Матеріали VІІ Міжнар. наук.-практ. конф. "Наука і освіта 2004". – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. – Т.64. – Технічні науки. – С.34 – 36.

18. Галай В.М. Підвищення точності оцінювання сигналів від первинних перетворювачів в системах автоматизації // Друга Всеукр. наук. техн. конф. молодих вчених і спеціалістів "Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації". Тези наук. доп. – Кременчук: КДПУ, 2004. – С.15.

19. Галай В.М. Інтерполяційний та апроксимаційний підходи до оцінювання сигналів давачів в системах автоматизації // Матеріали ІІ Міжнар. наук.-практ. конф. "Сучасні наукові дослідження – 2006". Том 17. Технічні науки. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2006. – С.32 – 35.

АНОТАЦІЇ

Галай В.М. Адаптивна автоматизована система управління технологічним процесом виробництва кварцових труб. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів. – Кіровоградський національний технічний університет, Кіровоград, 2007.

Дисертацію присвячено актуальній задачі підвищення ефективності автоматизованої системи управління технологічним процесом виробництва кварцових труб шляхом впровадження високоефективних методів ідентифікації і адаптації, удосконалення та оптимізації її підсистем контролю діаметрів труб, в’язкості скломаси в зоні витягування блока в трубу та систем адаптивного квазіоптимального керування.

В роботі запропоновано нові більш точні методи контролю діаметрів труб, точність яких є головним показником якості вихідного продукту, а також контролю в’язкості скломаси, що є головним збурюючим фактором.

Для внутрішніх контурів регулювання запропоновано адаптивні робастні до зміни характеристик системи квазіоптимальні алгоритми автоматичного керування (САК) проміжних змінних.

Для зовнішніх контурів розроблено більш досконалі адаптивні САК з ідентифікаторами характеристик об’єкта керування, орієнтованими на найкраще вирішення задачі керування.

Систему реалізовано на сучасних засобах автоматики і обчислювальної техніки в ТОВ “Полтавський завод ГРЛ”. Економічний ефект від впровадження становить 56 000 грн. на рік.

Ключові слова: автоматизація, адаптація, ідентифікація, контроль, кварцова труба, ноніусні системи, оптимальність, робастність, ефективність, технологічний процес.

Галай В.Н. Адаптивная автоматизированная система управления технологическим процессом производства кварцевых труб. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – Автоматизация технологических процессов. – Кировоградский национальный технический университет, Кировоград, 2007.

Диссертация посвящена актуальной задаче повышения эффективности функционирования автоматизированной системы управления производством кварцевых труб и, как следствие, повышения точности их геометрических параметров путем разработки, усовершенствования и реализации эффективных методов контроля переменных состояния системы, нониусной идентификации нестационарного объекта управления, находящегося в нестационарной стохастической среде и, соответственно, адаптивного автономного управления многомерным объектом.

Управляющими входами объекта являются ток нагревателя печи, давление азота внутри гильзы, скорость вытягивания трубы при неизменной скорости подачи гильзы в печь. Управляемыми величинами есть диаметр и толщина трубы, вязкость стекломассы в зоне вытягивания. Система трехуровневая: нижний уровень – стабилизация работы внутренних контуров регулирования управляющих воздействий на объект; средний – стабилизация выходных параметров (диаметров и толщины труб); верхний – оптимизация режимов работы установки (подсистема “Технолог”).

В работе получено: новый, более точный метод контроля диаметров и толщины кварцевой трубы на основе учета баланса объемов (масс) расходуемого стекла в процессе вытяжки; метод компенсации временного запаздывания, связанного с технологией измерений и их обработки, использующий нониусную структуру фильтров-предикаторов Брауна; метод более точного контроля вязкости расплавленной стекломассы, основанный на физико-математической модели, связующей вязкость с усилием, а усилие с непосредственно измеряемыми переменными процесса вытягивания.

Высококачественная автоматика внутренних контуров регулирования внутренних переменных процесса совместно с измерительной системой нониусной (структурно-адаптивной) идентификации нелинейного объекта с нестационарными стохастическими возмущениями рядом линейных моделей, смещенные параметры которых прогнозируются (в функции отклонений от заданного режима) в заданную (рабочую) зону, позволили создать функционально надежную адаптивную систему с эталонной моделью автономной стабилизации диаметров труб с идентификатором объекта, диагнолизатором каналов управления и оптимизатором управления.

Эффективность разработанных методов и алгоритмов обоснована теоретически, численным моделированием и практическим применением в АСУ производством кварцевых труб.

Система реализована современными средствами автоматики и вычислительной техники на одном из четырех агрегатов ООО “Полтавский завод ГРЛ. Экономический эффект от внедрения составил 56 000 грн. при изготовлении в год 2  горелок из кварцевых трубок для дуговых газоразрядных ламп, производимых этим заводом.

Ключевые слова: автоматизация, адаптация, идентификация, контроль, измерения, кварцевая труба, нониусные системы, оптимальность, технологический процесс, эффективность.

Galay V.M. Adaptive automatic system for managing technological process in fabrication of quartz tubes. - Manuscript.

The thesis for the degree of Candidate of the engineering sciences, speciality 05.13.07 - Automation of manufacturing processes. The Kirovograd National Technical University, Kirovograd, 2007.

The thesis is dedicated to the relevant problem of product quality output increasing by way of origination of automated control system in process of fabrication of quartz tubes. It also deals with research and optimisation of the subsystems in measurement of internal and external diameter