МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХЕРСОНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 681.142.2

Естрін Семен Володимирович

МОДЕЛІ ТА АЛГОРИТМИ УПРАВЛІННЯ

ЕЛЕКТРОГІДРОІМПУЛЬСНИМИ ПРОЦЕСАМИ

05.13.06 – Автоматизовані системи управління

та прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Херсон - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному морському технічному університеті імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Блінцов Володимир Степанович, Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, декан електротехнічного факультету, завідувач кафедрою електрообладнання суден

Офіційні опоненти: | - доктор технічних наук, професор Кондратенко Юрій Пантелійович, Національний університет “Києво-Могилянська Академія”, Миколаївська філія, професор кафедри комп’ютерних технологій

- доктор фізико-математичних наук, професор Хомченко Анатолій Никифорович, Херсонський державний технічний університет, завідувач кафедрою прикладної математики та математичного моделювання

Провідна установа: Харківський державний технічний університет радіоелектроніки

Захист відбудеться 17 листопада 2000 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 67.052.01 у Херсонському державному технічному університеті за адресою: м.Херсон, Бериславське шосе 24, кор. 3, ауд.320.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського державного технічного університету.

Автореферат розісланий 16 жовтня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.О.Костін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах створення ринкових відносин одним з важливих завдань науки є підвищення ефективності функціонування пріоритетних галузей економіки. Законом України “Про концепцію Національної програми інформатизації”(розділ IV.5) серед основних завдань інформатизації визначено “…вирішення проблеми комплексної автоматизації виробництва на основі сучасних стандартів і технологій, яка б охоплювала процеси від проектування та підготовки виробництва до безпосереднього автоматизованого виробництва”. Для цього необхідно розробити теоретичні засади проектування автоматизованих систем управління (АСУ) різного рівня й призначення, які взаємопов’язані між собою на принципах технологічної, документаційної, програмної та інформаційної сумісності та які утворюють цілісну інформаційну структуру.

До першочергових завдань відносяться завдання автоматизації виробництв, що використовують електрогідроімпульсні процеси (ЕГП), в яких для обробки виробів застосовується електрогідравлічний ефект – високовольтний електророзряд у рідині. Такі виробництва дуже розповсюджені в металургійній, машинобудівній, хімічній та інших енергоємних галузях української економіки. Вони забезпечують низьку матеріалоємність та хороші екологічні характеристики й базуються на вітчизняних наукових результатах. Низький рівень АСУ такими виробництвами обумовлює їх недостатню ефективність на внутрішньому ринку і є перешкодою для експорту цього вітчизняного ноу-хау.

Висока трудомісткість розробки та налагодження АСУ такими виробництвами вимагає застосування сучасних інформаційних технологій для їх проектування. За міжнародною класифікацією інформаційні технології аналізу, проектування, розробки і супроводження інформаційних систем управління відносяться до CASE (Computer Аided Software Engineering)-технологій – інструментарію системних аналітиків, розробників і програмістів, який дає змогу автоматизувати процес проектування програмного забезпечення (ПЗ), та CACSD (Computer-Aided Control System Design)-технологій – інструментарію розробників систем автоматичного управління, який дає змогу автоматизувати процес проектування ПЗ комп’ютерних систем управління (КСУ).

Безпосереднє застосування CASE та CACSD технологій для проектування АСУ виробництвами з ЕГП неможливе через відсутність відповідних моделей та алгоритмів управління. Подолання цього недоліку дасть змогу скоротити терміни та підвищити якість проектування АСУ виробництв з ЕГП, дасть змогу їх уніфікувати, оптимізувати витрати енергії, підвищити конкурентоспроможність цих наукомістких виробництв. Тому завдання створення моделей і алгоритмів управління ЕГП, які роблять можливим застосування сучасних інформаційних технологій проектування АСУ, є актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дослідження дисертації відноситься до основних наукових напрямків Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова (УДМТУ) і пов’язаний з програмами фундаментальних і пошукових досліджень Інституту імпульсних процесів та технологій (ІІПТ) НАН України.

Основних результатів було досягнуто при виконанні науково-дослідних робіт: № 854 “Автоматизація проектування і управління електрогідроімпульсними установками”; № 542 “Розробка методів і засобів автоматизованого проектування управляючих програм електрогідроімпульсних установок”(номер держреєстрації № 0193U034708); № 773 “Автоматизація проектування уніфікованої системи управління електрогідроімпульсними установками” (Замовник – ІІПТ НАН України).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є удосконалення математичного та алгоритмічного забезпечення процесів проектування АСУ виробництвами з ЕГП шляхом розробки інформаційних моделей та алгоритмів управління автоматизованим виробництвом, розробки математичних моделей ЕГП як об’єкту управління і створення керованої бази управляючих алгоритмів як підсистеми АСУ виробництвом з ЕГП.

Для досягнення поставленої мети вирішено такі завдання:

обгрунтовано клас виробництв з ЕГП, що знайшли найбільше застосування і для яких доцільно застосовувати інформаційні технології проектування АСУ, встановлені властивості цього класу як об’єкту управління зі складною ієрархічною структурою;

проведено структурний аналіз інформаційних систем виробництв з ЕГП, на основі якого розроблена нова концепція автоматизованого управління ними, що передбачає два рівні – системи організаційного управління (підготовки, моніторингу й переналагодження виробництва з ЕГП) та системи безпосереднього управління ЕГП;

сформовані інформаційні моделі організаційного управління виробництвами з ЕГП, які враховують потоки даних у комп’ютерній мережі підприємства та дають змогу генерувати ПЗ автоматизованих робочих місць (АРМ) і відповідну документацію;

створено алгоритм управління виробництвом з ЕГП, який базується на розробленій концепції дворівневого управління і утворює цілісну інформаційну структуру АСУ на принципах технологічної, документаційної, програмної та інформаційної сумісності;

створена узагальнена трирівнева математична модель ЕГП як об’єкту управління, що враховує процеси електророзряду у рідині, процеси просторового руху джерела електророзряду та допоміжні операції;

розроблена спеціалізована мова циклограм, що дає змогу візуального програмування КСУ допоміжними операціями;

розроблена керована база управляючих алгоритмів, яка дає змогу оперативно налагоджувати та переналагоджувати виробництво з ЕГП;

на основі розроблених моделей та алгоритмів управління створено інструментальні засоби проектування і супроводження АСУ виробництвами з ЕГП.

Методи дослідження базуються на методології системного структурного аналізу, використанні нотацій Йодана для побудови інформаційних моделей, теорії множин, теорії графів, моделюванні за допомогою диференціальних рівнянь, теорії програмування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

встановлена спільна математична та алгоритмічна основа класу виробництв з ЕГП, що дає змогу розробляти для них спільні моделі та алгоритми управління;

розроблена методологія створення АСУ виробництв з ЕГП, яка полягає в урахуванні потоків даних не тільки в організаційній системі управління виробництвом, а також у системах безпосереднього управління ЕГП;

на основі DFD (Data Flow Diagrams) діаграм нотації Йодана розроблена інформаційна модель АСУ виробництвом з ЕГП як основа створення організаційної системи управління;

на основі аналізу груп операцій запропоновано єдиний підхід для моделювання функціонування ЕГП як графа з трьома типами стійких станів – електрогідроімпульсної обробки, переміщення джерела електророзряду та допоміжних операцій;

розроблено математичну модель електрогідроімпульсної обробки з урахуванням експериментальних даних опору плазми каналу електророзряду, що дає змогу її використовувати в завданнях розробки і верифікації управляючих алгоритмів КСУ ЕГП;

розроблена математична модель руху джерела електророзряду за розрахунковими траєкторіями обробки різноманітних виробів, що дає змогу створювати керовану базу управляючих алгоритмів;

на основі теоретико-множинного підходу розроблено математичну модель управління допоміжними операціями ЕГП, що дає змогу створювати управляючі алгоритми;

на основі теорії розмірностей запропоновано метод та алгоритм управління ЕГП за енергозберігаючим критерієм з використанням малопотужних (вимірювальних) електричних розрядів у рідині.

Достовірність результатів досліджень забезпечується експериментальним визначенням характеристик вихідних координат ЕГП, застосуванням мови програмування Visual C++, програми Mathcad 7.0 Professional, мови функціональних блокових діаграм (МЕК 1131-3), а також успішною експлуатацією розроблених інструментальних засобів проектування АСУ виробництвами з ЕГП.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблені моделі та алгоритми управління виробництвами з ЕГП дали змогу впровадити в проектну практику сучасні інформаційні технології та за рахунок цього зменшити термін і підвищити якість проектування АСУ виробництвами з ЕГП.

Розроблене математичне і алгоритмічне забезпечення проектування АСУ використовується для широкого класу виробництв з ЕГП.

Результати дослідження використовувались в ІІПТ НАН України при виконанні науково-дослідної роботи “Дослідити і розробити уніфіковану систему управління технологічними процесами обробки виробів у електрогідроімпульсній установці” (номер держреєстрації № 01890015759), Замовник – НАН України.

Розроблені інструментальні засоби проектування АСУ виробництвами з ЕГП очищення лиття і штампування впроваджені в ІІПТ НАН України (Акт впровадження від 10 січня 2000 р.).

Результати роботи використовуються в УДМТУ Міносвіти і науки України для підготовки інженерних кадрів за спеціальністю 8.090604 “Техніка і електрофізика високих напруг” та в навчальному процесі Південної академії підвищення кваліфікації Державного комітету промислової політики .

Особистий внесок здобувача. З 12 робіт, що відображають основний зміст дисертації, 7 виконано у співавторстві, де особисто автором отримані такі результати: розробка нової концепції автоматизованого управління та методологія створення ПЗ АСУ виробництв з ЕГП, розробка математичної моделі ЕГП як об’єкту управління, застосування теорії графів для моделювання режимів функціонування ЕГП, застосування теоретико-множинного підходу для опису моделі функціонування і управління допоміжними операціями, алгоритми управління ЕГП за енергозберігаючим критерієм.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на: науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УДМТУ 1985-99 р.р.; 4-й і 5-й науково-технічних конференціях “Електричний розряд у рідині і його застосування у промисловості” (м. Миколаїв, 1988, 1992); 4-й Українській конференції з автоматичного управління за участю міжнародних спеціалістів “Автоматика 97” (м. Черкаси, 1997); науково-технічній конференції “Нові інформаційні системи та технології”( м. Миколаїв, 1998).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 7 статтях у наукових фахових виданнях.

Публікації, в яких додатково викладено результати дисертації, включають 1 препринт, 4 тез наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків. Обсяг дисертації - 136 стор., 39 ілюстрацій. Список використаних джерел містить 110 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обгрунтування актуальності теми дослідження, її основну мету, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

Перший розділ присвячений аналізу стану питання і вибору напрямків досліджень.

Розглянуто основні промислові системи, де знайшли застосування ЕГП. На основі аналізу об’єктом дослідження обрано виробництва з ЕГП очищення лиття і штампування, які є найбільш розповсюдженими в Україні й СНД (більше тисячі підприємств). Обладнання для цих виробництв поставлялось у Швецію, Японію, Іспанію та інші країни. Показано, що недостатній рівень АСУ такими виробництвами призводить до підвищення собівартості продукції, не дає можливості включити їх в єдину інформаційну систему управління підприємством. Як наслідок, іноземні компанії закуповують лише дослідні зразки обладнання, а не виробництва в цілому. Тому напрямком дослідження було обрано створення сучасних АСУ виробництвами з ЕГП.

Огляд методологій проектування АСУ показав, що у світової практиці знайшли використання CASE- та CACSD-технології. Причому, у більшості робіт розглянуто методи використання CASE-технологій для розробки ПЗ корпоративних систем управління, або використання CACSD-технологій для розробки ПЗ КСУ обладнанням. Такий підхід не враховує КСУ обладнанням як частину АСУ виробництвом. Показано, що поєднання методологій обох інформаційних технологій для проектування АСУ виробництвом з ЕГП дозволить пов’язати між собою різні рівні управління на принципах програмної та інформаційної сумісності та утворити цілісну інформаційну структуру. Розробка інструментальних засобів підтримки проектування таких АСУ на основі CASE- і CACSD-технологій вимагає наявності відповідних моделей та алгоритмів.

Аналіз сучасного стану проблеми показує, що не існує інформаційних моделей та алгоритмів управління виробництвом з ЕГП, а більшість математичних моделей процесів електророзряду у рідині недостатньо формалізовані і їх неможливо використовувати для розробки і верифікації ПЗ АСУ, відсутні моделі та алгоритми управління переміщенням джерела електророзряду і допоміжних операцій.

Для вирішення питання створення інструментальних засобів підтримки проектування АСУ виробництвами з ЕГП предметом дослідження було обрано моделі та алгоритми управління такими виробництвами.

У другому розділі дисертації розробляється загальна методика проведення дисертаційних досліджень.

На основі структурного системного аналізу розглянуто властивості обраного класу виробництв з ЕГП, встановлена їх математична і алгоритмічна спільність. Розроблена нова концепція автоматизованого управління ними (рис.1). Вона передбачає два рівні – верхнього рівня організаційного управління (підготовка, моніторинг та оперативне переналагоджування виробництва) та нижній рівень безпосереднього управління ЕГП. Для створення АСУ запропоновано ураховувати потоки даних в обох рівнях.

Рис.1.Структурна схема автоматизованого управління виробництвом з ЕГП

1 – АРМ конструктора; 2 – АРМ оператора; 3 – АРМ технолога ; 4 – КСУ електрогідроімпульсною обробкою; 5 – КСУ переміщенням джерела електророзряду; 6 – КСУ допоміжними операціями; 7 – датчики струму і відмов; 8 – приводи вертикального переміщення електрода; 9 – сканер поверхні обробки, координатні датчики положення електрода і датчики відмов; 10 – приводи горизонтального переміщення електрода; 11 – кінцеві вимикачі, датчики електропровідності рідини, відмов; 12 – виконуючі пристрої (приводи, електромагніти і т.ін.).

Підготовка виробництва здійснюється за допомогою АРМ конструктора і технолога. Перше має стандартне ПЗ для розробки документації – AUTO-CAD. З цього місця документація на нові вироби поступає через мережу в базу даних підприємства. Цю інформацію використовують для роботи АРМ технолога, де за допомогою графічного редактора користувач задає траєкторію обробки, кількість імпульсів в кожній точці обробки, міжелектродний проміжок і т.ін.

Вихідною інформацією АРМ технолога є управляючі алгоритми обробки нових виробів, які накопичуються в керованій базі управляючих алгоритмів (КБУА). Для розробки управляючих алгоритмів на основі порівняння обрано мову функціональних блокових діаграм (МЕК 1131-3).

Моніторинг виконується за допомогою АРМ оператора, де ведеться спостереження за процесами в режимі анімації на екрані комп’ютера, накопичується поточна інформація про вироби, що обробляються та про аварійні ситуації. При необхідності, з цього місця виконується безпосереднє управління ЕГП. Вхідна інформація через локальну мережу надходить з нижнього рівня управління.

Оперативне переналагоджування виробництва для обробки нових виробів виконується з АРМ оператора. Вхідною інформацією є КБУА, яка поповнюється з АРМ технолога. Алгоритми транслюються в коди і через мережу завантажуються в відповідні управляючі контролери.

Нижній рівень АСУ виробництвами з ЕГП – безпосереднє управління обладнанням – передбачає три підрівні. Перший підрівень – КСУ операціями електрогідроімпульсної обробки, що забезпечує заданий тиск на поверхню виробу відповідно до

, (1)

де - напруга пробою робочого проміжку; ; - накопичена енергія, яка виділяється у першому півперіоді струму розряду; - електропровідність рідини; - індуктивність контуру розряду; - міжелектродний проміжок.

Таким чином, метою управління першого підрівня є забезпечення заданого проміжку між електродом і поверхнею виробу шляхом вертикального переміщення джерела електророзряду в рідині. Запропоновано визначати величину цього переміщення на основі прогнозної інформації про рельєф поверхні обробки, яка надходить від другого підрівня КСУ, або в результаті посереднього вимірювання максимального значення струму в розрядному колі потужного електророзряду , який при урахуванні його стохастичного характеру може служити необхідною інформаційною координатою. Для підвищення інформаційної достовірності вимірювань струму використовується метод стохастичної апроксимації.

Показано, що використання потужних електророзрядів для отримання поточного значення цієї координати супроводжується великими енерговитратами, особливо у випадках інформаційної невизначеності об’єкту обробки. Запропоновано внести в алгоритм управління ЕГП операції з використанням малопотужного метрологічного генератора імпульсів струму.

Другий підрівень – КСУ операціями переміщення джерела електророзряду в горизонтальній площині – будується як координатна програмована система. Його призначення – визначення рельєфу поверхні, що обробляється, розрахунок траєкторії переміщення джерела електророзряду, підготовка прогнозної інформації про рельєф поверхні обробки для першого підрівня КСУ, а також управління горизонтальним переміщенням джерела електророзряду. Запропоновано управляти горизонтальним рухом і динамікою робочого органу, отримуючи інформацію про просторове розташування об’єктів обробки від верхнього рівня АСУ або від спеціального скануючого пристрою (відео-, ультразвукового та ін.) та обчислюючи траєкторію з використанням геометричних образів об’єктів обробки.

Третій підрівень – КСУ допоміжними операціями – будується на основі циклограм. Встановлено, що для нього вхідною інформацією є стан допоміжного обладнання, а вихідною – сигнали управління ним. Показана необхідність із-за великої кількості даних розробки мови візуального програмування для автоматизації програмування КСУ третього підрівня.

Всі підрівні АСУ пов’язані між собою через локальну мережу та через АРМ оператора підключені до мережі підприємства.

Для проектування ПЗ верхнього рівня АСУ (АРМ технолога, АРМ оператора, КБУА) за допомогою CASE – інструментаріїв сформульоване завдання – розробити інформаційні моделі управління. Для побудови інформаційних моделей обрано DFD діаграми нотації Йодана. Це дасть змогу більше уваги приділити початковим фазам спіральної моделі життєвого циклу АСУ - аналізу вимог, проектуванню специфікацій та позбавити проектувальників АСУ виробництв з ЕГП від рутинної роботи - кодування.

Для проектування ПЗ нижнього рівня АСУ за допомогою CACSD-інструментаріїв сформульоване завдання - розробити математичну модель ЕГП як об’єкту управління та відповідні алгоритми управління. Для побудови моделей обрано теорію множин, графів та моделювання за допомогою диференціальних рівнянь.

У третьому розділі розроблено математичне і алгоритмічне забезпечення процесів проектування АСУ виробництвами з ЕГП.

Інформаційна модель управління виробництвом з ЕГП має вигляд ієрархії діаграм потоків даних і структурограм даних. Діаграма верхніх рівнів ієрархії (рис.2) визначає основні функції системи з зовнішніми входами і виходами, далі ці функції детально описуються за допомогою діаграм нижнього рівня. Така функціональна декомпозиція виконана до рівня, неможливого для подальшої деталізації, в результаті чого отримана багаторівнева ієрархія діаграм потоків даних і структурограм даних. Це дає змогу з використанням мініспецифікацій-алгоритмів перейти до перетворення вхідних потоків у вихідні (генерування прикладного ПЗ). Дано опис інформаційних моделей АРМ технолога, АРМ оператора, моделей структур даних КБУА.

Рис.2. Інформаційна модель управління виробництвом з ЕГП

Для розробки і верифікації управляючих алгоритмів з використанням системного підходу створено математичну модель ЕГП як об’єкту управління. Проаналізовано функціонування ЕГП, ураховано особливості перетворення енергії та інформації, а також уточнена роль людини-оператора в управлінні.

Модель функціонування ЕГП запропоновано представити графом, у якого групи операцій відповідають гілкам, а стійкі стани – вершинам графа (рис.3). Стійкі стани операцій електрогідроімпульсної обробки , операцій переміщення джерела електророзряду і допоміжних операцій з застосуванням теоретико-множинного підходу у загальному випадку утворюють множину , причому

; ; . (2)

Зв’язок між координатами вхідного і вихідного векторів у загальному вигляді представлено виразом

, (3)

де , - вихідний і вхідний вектори; - оператор дії КСУ ЕГП; , , - координати вхідних векторів, що характеризують відповідно групи операцій електрогідроімпульсної обробки, операцій переміщення джерела електророзряду, допоміжні операції; ,

, - координати вихідних векторів об’єкту управління.

Поточний стійкий стан і поточне значення вихідного вектора залежать від вхідного вектора і попереднього стійкого стану об’єкту , а дуги - умовні переходи від одного стійкого стану до іншого.

Система рівнянь, що описують ЕГП, у загальному випадку має вигляд:

; | ; | , | (4)

де , , - відповідно , , -мірні функції; , , - число складових векторів , , .

Рис.3. Модель функціонування ЕГП

Запропоновано математичну модель ЕГП як об’єкту управління представити для операцій електрогідроімпульсної обробки – моделями перетворення енергії у каналі розряду і розрядного струму; для операції горизонтального та вертикального переміщення джерела електророзряду у рідині – моделями виконавчих електроприводів, лічильників обертів, відмов виконавчих елементів та кінцевих вимикачів; для допоміжних операцій – моделями кінцевих вимикачів, виконавчих елементів, відновлення електропровідності рідини, відмов елементів.

Для моделі електрогідроімпульсної обробки вхідний вектор має координати ,, а вихідний вектор має координати . Модель перетворення енергії у каналі розряду описується за допомогою рівняння яке зв’язує електричні параметри з гідродинамічними

(5)

де - струм у розрядному колі; - опір каналу розряду; - час від замикання міжелектродного проміжку каналом електронної провідності; - ефективний показник адіабати плазми каналу; - тиск у каналі; - радіус каналу розряду; - довжина каналу (з-за кривини каналу розряду ).

Нелінійне диференціальне рівняння, яке описує розрядний струм, має вигляд

, (6)

де - початкова напруга розряду; - ємність контуру розряду.

Опір каналу розряду визначено за допомогою експерименту і апроксимується поліномом

, (7)

, (8)

де - коефіцієнти полінома, що залежать від електропровідності рідини і міжелектродного проміжку; - коефіцієнти апроксимації по ; =1,2,3.

Коефіцієнти , визначені в результаті експериментальних досліджень і апроксимуються за методом найменших квадратів. Після вирішення системи рівнянь (5)-(8) отримано графіки розрядного струму (рис.4) при різних значеннях міжелектродного проміжку .Встановлено, що при зміні значення напруги нижче 50 кВ метрологічний генератор імпульсів струму не пробиває рідину (робить “порожні” розряди). Тому рекомендовано для нього обрати напругу таку ж, як і для робочого генератора імпульсів струму. Для зниження витрат енергії в метрологічному генераторі струму необхідно зменшити ємність його накопичувача енергії.

а) | б)

Рис.4. Струм в розрядному колі: а – при =50 мм; б – при =100 мм

Для моделі переміщення джерела електророзряду у рідині вхідний вектор має координати: - потрійні предикати, що визначають логіку управління -м виконавчим електродвигуном, - сигнал управління -м виконавчим електродвигуном, який генерується КСУ; вихідний вектор має координати: частоту обертів електропривода -го виконавчого елементу , поточне та початкове значення шляху, що пройдений робочим органом у -му напрямі , де - координати просторового руху джерела електророзряду.

Математична модель динаміки просторового переміщення джерела електророзряду у рідині має вигляд

; | , | (9)

де - приведений момент інерції електропривода -го виконавчого елементу; , - рушійний та гальмуючий моменти -го елементу; - коефіцієнт гідродинамічного опору та приєднані маси рідини -го елементу; - нелінійні функції; - подвійний предикат відмов; , - радіус робочого колеса та коефіцієнт редукції -го виконавчого елементу.

Розроблена математична модель дає змогу проводити верифікацію управляючих алгоритмів руху джерела електророзряду у рідині за розрахунковими траєкторіями обробки різноманітних виробів.

Для математичної моделі допоміжних операцій вхідний вектор має координати , де - подвійні предикати, що визначають логіку управління -м виконавчим елементом, а вихідний вектор має координати , де - сигнал -го датчику виконавчого елементу, - стан -го кінцевого вимикача. Модель будується для кожного виконавчого елементу з використанням рівнянь алгебри логіки.

Алгоритм управління операціями електрогідроімпульсної обробки (рис.5) грунтується на залежності між струмом та міжелектродним проміжком через безрозмірний критерій подібності . Алгоритм складається з блоків П1, П2 – відповідно операцій технологічних і метрологічних електророзрядів, читання значення і обчислення , умов У1.1, У2.1 (значення дорівнює заданому), умови У1.2 (втрата інформації й перехід на блок метрологічних розрядів), умов У1.4, У2.2 (значення не дорівнює заданому), та блоків П3, П4 - операцій регулювання міжелектродного проміжку, умови У1.3 – кінець роботи.

Рис.5. Алгоритм управління операціями електрогідроімпульсної обробки

При зникненні інформації про стан об’єкту під час виконання технологічних операцій (наприклад, у випадку різкого перепаду рельєфу деталі, що обробляється) включається метрологічний генератор імпульсів струму, за допомогою якого встановлюється величина необхідного переміщення технологічного електрода для продовження обробки без витрат енергії основного технологічного генератора імпульсів струму. Зроблено аналіз динаміки регулятора міжелектродного проміжку.

Розроблені типові алгоритми управління операціями руху джерела електророзряду і допоміжними операціями для створення КБУА.

Четвертий розділ присвячений викладу результатів використання розроблених моделей та алгоритмів для створення інструментальних засобів підтримки проектування АСУ виробництвами з ЕГП. Розроблено інтегроване середовище підтримки проектування – прикладний пакет EGPCAD, що дає змогу користувачам отримувати генероване ПЗ і відповідну документацію до розробляємого проекту АСУ. Розроблена спеціалізована мова циклограм для автоматизації програмування КСУ допоміжними операціями. Розроблена керована база управляючих алгоритмів. Наведені приклади розробки АСУ виробництвом з ЕГП очищення лиття.

В И С Н О В К И

У дисертації наведене нове вирішення наукового завдання, що виявляється в удосконаленні математичного та алгоритмічного забезпечення процесу проектування АСУ виробництвами з ЕГП шляхом розробки інформаційних моделей та алгоритмів управління такими виробництвами, шляхом розробки математичних моделей ЕГП як об’єкту управління і створення керованої бази управляючих алгоритмів, що дає змогу на основі сучасних інформаційних технологій розробити інструментальні засоби проектування, кодування, налагодження і супроводження ПЗ АСУ.

Найважливіші наукові й практичні результати одержані в дисертації:

1. На основі аналізу найбільш розповсюджених виробництв з ЕГП обгрунтовано клас таких виробництв, для яких доцільно застосовувати інформаційні технології проектування АСУ, що дає змогу розробити найсучасніші АСУ та підвищити конкурентоспроможність цих наукомістких виробництв.

2. Встановлена спільна математична та алгоритмічна основа класу виробництв з ЕГП, що дало змогу розробити спільні моделі та алгоритми управління і уніфікувати АСУ виробництвами з ЕГП очищення лиття і штампування.

3. Розроблена нова концепція автоматизованого управління виробництвом з ЕГП, яка передбачає два рівні – організаційне управління (підготовки, моніторингу та переналагодження виробництва) та безпосереднє управління ЕГП, що дає змогу раціонально організувати виробничі і технологічні процеси та включити їх у загальну інформаційну структуру підприємства.

4. Розроблена методологія створення АСУ виробництв з ЕГП, яка полягає в урахуванні не тільки потоків даних в організаційній системі управління виробництвом, а також в системах безпосереднього управління ЕГП, що дає змогу створити цілісну інформаційну систему управління на принципах технологічної, документаційної, програмної та інформаційної сумісності.

5. На основі DFD-діаграм Йодана розроблені інформаційні моделі та створено алгоритм автоматизованого управління виробництвом з ЕГП, які використовуються в інструментальних засобах для генерування ПЗ і відповідної документації та дають змогу більше уваги приділити початковим фазам спіральної моделі життєвого циклу АСУ.

6. На основі аналізу груп операцій запропоновано єдиний підхід до опису функціонування ЕГП як графа з трьома типами стійких станів – електрогідроімпульсної обробки, переміщення джерела електророзряду та допоміжних операцій, що дає змогу розробляти уніфіковані КСУ.

7. Розроблено математичні моделі електрогідроімпульсної обробки з урахуванням експериментальних даних опору плазми каналу електророзряду, руху джерела електророзрядів за розрахунковими траєкторіями обробки виробів, управління допоміжними операціями ЕГП, що дає змогу проводити верифікацію алгоритмів, створити КБУА.

8. На основі теорії розмірностей запропоновано метод та алгоритм управління ЕГП з використанням малопотужних (вимірювальних) електричних розрядів у рідині, що дає змогу оптимізувати енерговитрати.

9. Розроблена спеціалізована мова циклограм, що дає змогу автоматизувати процес розробки ПЗ КСУ допоміжними операціями.

10. Розроблені інструментальні засоби проектування і супроводження АСУ виробництвами з ЕГП впроваджені в ІІПТ НАН України й використовуються в учбовому процесі УДМТУ і Південної академії підвищення кваліфікації Держкомітету Промполітики України.

Основні результати дисертації опубліковані

в наукових спеціалізованих виданнях:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Публікації, в яких додатково викладено зміст дисертації

8.

9.

10.

11.

12.

Естрін С.В. Моделі та алгоритми управління електрогідроімпульсними процесами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. – Херсонський державний технічний університет, Херсон, 2000.

Дисертацію присвячено питанням створення математичного і алгоритмічного забезпечення завдань проектування АСУ виробництвами з електрогідроімпульсними процесами (ЕГП).

Сформовано на основі DFD (Data Flow Diagrams) діаграм потоків даних нотації Йодана інформаційні моделі управління автоматизованим виробництвом та розроблено і досліджено математичні моделі ЕГП як об’єкту управління, а також створено керовану базу управляючих алгоритмів.

Розроблені моделі та алгоритми дали можливість використати CASE (Computer Аided Software Engineering)- і CACSD (Computer Aided Control System Design)-технології для проектування та приділити більше уваги початковим фазам спіральної моделі життєвого циклу АСУ. Створено інструментальні засоби підтримки проектування АСУ, які дають змогу користувачам отримувати генероване програмне забезпечення і відповідну документацію до проекту. Отримані результати впроваджені в проектну практику Інституту імпульсних процесів та технологій НАН України.

Ключові слова: електрогідроімпульсні процеси, DFD діаграми потоків даних, математичні моделі, керована база управляючих алгоритмів, CASE і CACSD- технології.

Эстрин С.В. Модели и алгоритмы управления электрогидроимпульсными процессами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. – Херсонский государственный технический университет, Херсон, 2000.

В диссертации приведено новое решение научной задачи - усовершенствовано математическое и алгоритмическое обеспечения задач проектирования АСУ производствами с электрогидроимпульсными процессами (ЭГП), что дало возможность использовать CASE (Computer Аided Software Engineering)- и CACSD (Computer Aided Control System Design)-технологии для проектирования и уделить больше внимания начальным фазам спиральной модели жизненного цикла АСУ.

На основе анализа наиболее распространенных производств с ЭГП обоснован класс таких производств, для которых целесообразно применять информационные технологии проектирования АСУ, что дает возможность разработать современные АСУ и повысить конкурентоспособность этих наукоемких производств.

Установлена общая математическая и алгоритмическая основа класса производств с ЭГП, что дало возможность разработать общие модели и алгоритмы управления и унифицировать АСУ производствами с ЭГП очистки литья и штамповки.

Разработана новая концепция автоматизированного управления производством с ЭГП, которая предусматривает два уровня - организационного управления (подготовки, мониторинга и перенастройки производства) и непосредственного управления ЭГП, что дает возможность рационально организовать производственные и технологические процессы и включить их в общую информационную структуру предприятия.

Разработана методология создания АСУ производствами с ЭГП, которая подразумевает учет не только потоков данных в организационной системе управления производством, а также в системах непосредственного управления ЭГП, что дает возможность создать целостную информационную систему управления на принципах технологической, документационной, программной и информационной совместимости.

На основе DFD-диаграмм Йодана разработаны информационные модели и создан алгоритм автоматизированного управления производством с ЭГП, которые используются в инструментальных средствах для генерирования ПО и соответствующей документации и дают возможность больше внимания уделить начальным фазам спиральной модели жизненного цикла АСУ.

На основе анализа групп операций предложен единый подход к описанию функционирования ЭГП как графа с тремя типами устойчивых состояний - электрогидроимпульсной обработки, перемещения источника электроразряда и вспомогательных операций, что дает возможность разрабатывать унифицированные компьютерные системы управления (КСУ).

Разработаны математические модели электрогидроимпульсной обработки с учетом экспериментальных данных сопротивления плазмы канала электроразряда, движения источника электроразряда по расчетным траекториям обработки изделий, вспомогательных операций, что дает возможность проводить верификацию алгоритмов и создать управляемую базу алгоритмов.

На основе теории размерностей предложен метод и алгоритм управления ЭГП с использованием маломощных (измерительных) электрических разрядов в жидкости, что дает возможность оптимизировать энергозатраты.

Разработан специализированный язык циклограмм, что дает возможность автоматизировать процесс разработки программного обеспечения КСУ вспомогательными операциями.

Разработанные инструментальные средства проектирования и сопровождения АСУ производствами с ЭГП внедрены в Институте импульсных процессов и технологий НАН Украины, а также используются в учебном процессе Украинского государственного морского технического университета и Южной академии повышения квалификации Госкомитета промполитики Украины.

Ключевые слова: электрогидроимпульсные процессы, DFD диаграммы потоков данных, математические модели, управляемая база алгоритмов управления, CASE- и CACSD-технологии.

Estrin S.V. Models and algorithms of electrohydroimpulse processes control. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s of engineering science degree by specialty 05.13.06 – automated control systems and advanced information technologies. – Kherson state technical university, Kherson, 2000.

The dissertation is devoted to the development of the theoretical maintenance for designing the information control systems of industrial production using electrohydroimpulse technological processes (EHTP).

In the work the models of industrial production control based on DFD (Data Flow Diagrams) in Yourdon’s notation, mathematical models of EHTP and base of control algorithms are created.

The models and algorithms elaborated in this work enabled to use CASE (Computer Аided Software Engineering)- and CACSD (Computer Aided Control System Design) - technologies and concentrate on supporting the early phases of the spiral model of the life cycle. Designed tools aid a software engineer to maintain and develop software. They include automated code and documentation generators.

The results received in the dissertation have been implemented in the Institute of impulse processes and technologies of the National Ukrainian Academy of Science.

Key words: electrohydroimpulse technological processes, DFD, mathematical models, base of control algorithms, CASE- and CACSD-technologies.