|
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Захожай Олег Ігорович
УДК 621.791.357:658.512.011.56
МЕТОДИ, МОДЕЛІ І АЛГОРИТМИ
ІНФОРМАЦІЙНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРОЦЕСУ
ПАЙКИ П‘ЄЗОКЕРАМІКИ З МЕТАЛОМ
Спеціальність 05.13.06 – Автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса – 2004
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі „Електронні системи” Донбаського гірничо-металургійного інституту, Міністерства освіти та науки України.
Захист відбудеться 30.09.2004 р. о 13 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ауд. 400-А
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий 30.08.2004 року.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасний етап розвитку промислового виробництва характеризується переходом до використання передових інформаційних технологій, прагненням підвищити експлуатаційні характеристики як діючого обладнання, так і того, що проектується, необхідністю звести до мінімуму будь-які виробничі втрати. Все це можливо тільки за умови істотного підвищення якості управління промисловими об'єктами, у тому числі шляхом широкого застосування автоматизованих систем управління та прогресивних інформаційних технологій.
Необхідність вдосконалення інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом пов’язана з тим, що п’єзокераміка має істотний розкид параметрів при відносно високій стабільності підтримання параметрів, а також з необхідністю динамічної зміни параметрів впливу в процесі пайки.
Використання централізованої структури автоматизованої системи управління процесом пайки, а також апаратно-програмного комплексу і сучасних інформаційних технологій, дозволить спростити адаптацію процесу пайки під окремі умови виробництва і зменшити кількість обслуговуючого персоналу, при одночасному покращенні характеристик об’єктів, що виготовляються.
Виходячи з усього вищезгаданого, удосконалення методів, моделей і алгоритмів інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом є актуальним.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження по темі дисертаційної роботи проводилися в рамках комплексного міжвузівського проекту Міністерства освіти і науки України „Створення і забезпечення постійної експлуатації мережі лазерно-локаційних станцій спостережень штучних супутників Землі на території України для вирішення завдань з екології, ресурсозбереження, геодезії, картографії, навігації та метеорології, затвердженого МінВУЗом України 22.04.92. Проект виконувався відповідно до державної програми „Створення та розвиток державної служби еталонних частот”, затвердженого постановою Кабінету Міністрів України від 16.04.95. Результати роботи використані при виконанні госпдоговірної роботи “Розробка пристрою розподілу сигналів синхронізації та зрівняння частот” (Договір №596/2002-22 замовник Державна первинна мережа ВАТ Укртелеком).
Мета і задачі дослідження. Підвищення ефективності управління процесом пайки п‘єзокераміки з металом шляхом розробки і впровадження нових прогресивних інформаційних технологій. Для досягнення мети дисертаційної роботи поставлені наступні задачі:
– розробка ефективного методу інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом;
– розробка інформаційної моделі автоматизованої системи управління процесом пайки п‘єзокераміки з металом;
– розробка ефективних алгоритмів збору, обробки інформації і управління процесом пайки п‘єзокераміки з металом;
– розробка експертної системи для підтримки прийняття рішень стосовно пошуку раціональних значень параметрів пайки п‘єзокераміки з металом.
Об'єктом дослідження є інформаційний процес в автоматизованій системі пайки п‘єзокераміки з металом.
Предметом дослідження є інформаційне забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом.
Методи досліджень. В роботі використано методи математичного планування експерименту щодо пошуку оптимального рівня технологічних параметрів, методи теорії ймовірності, аналізу та обробки експериментальних даних.
Наукова новизна отриманих результатів складається в наступному:
– запропонований метод інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом, який полягає в організації інформаційного каналу контролю стану об‘єктів, що паяються, і дозволяє підвищити ефективність управління;
– розроблена інформаційна модель автоматизованої системи управління процесом пайки п‘єзокераміки з металом, яка дозволяє оптимізувати інформаційні потоки в системі та централізувати управління з використанням одного оператора;
– розроблені алгоритми збору, обробки інформації і управління, сутність яких полягає у введенні декількох циклів опитування і подальшої інтерполяції значень, що дозволяє у будь-який проміжок часу сформувати ефективну стратегію управління з метою підвищення ефективності процесу пайки п‘єзокераміки з металом;
– запропонована експертна система, яка на основі поточної інформації про стан процесу, а також бази знань, сформованої за емпіричними дослідженнями, проведеними автором, генерує логічний висновок для підтримки прийняття рішень, стосовно пошуку раціональних значень параметрів пайки п‘єзокераміки з металом.
Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень, отримані в дисертаційній роботі, знайшли практичне застосування при виробництві складених п‘єзокерамічних перетворювачів для електромеханічних фільтрів. В результаті вдалося підвищити рівень п’єзоактивності складених п‘єзокерамічних перетворювачів на 6% при зниженні дисперсії цього значення на 12%.
Особистий внесок здобувача полягає в розробці методу інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом, інформаційної моделі автоматизованої системи управління процесом пайки п‘єзокераміки з металом, алгоритмів збору, обробки інформації і управління пайкою п‘єзокераміки з металом, експертної системи пошуку раціональних значень параметрів пайки п‘єзокераміки з металом.
У опублікованих роботах із співавторами здобувачем виконано: у роботі [4] і [6] запропонований метод інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом; [5] розроблено спосіб з‘єднання п‘єзокераміки з металом; у [7] розроблений спосіб управління процесом пайки п‘єзокераміки з металом, через використання інформаційного каналу контролю поточного стану п‘єзокерамічної структури; у [8] – проведено аналіз доцільності використання автоматизованої системи управління щодо пайки п‘єзокераміки з металом, а також підходів до організації її інформаційного забезпечення; у [9] – зроблено аналіз ефективності використання запропонованих засобів інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом; у [10] – запропоновані заходи щодо використання комп’ютерних систем і сучасних інформаційних технологій до пайки п‘єзокераміки з металом.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на 5 наукових конференціях: „Автоматика – 2002” м. Донецьк, „Інформаційна техніка і електромеханіка – 2003”м. Луганськ, Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів – 2003 м. Хмельницький, „Сучасні інформаційні та електронні технології – 2003” м. Одеса, „Автоматика - 2003” м. Севастополь.
Публікації. Основні результати роботи викладені в 11 публікаціях, з яких чотири статті – у фахових виданнях, отримано 3 державних патенти України.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів. Загальний обсяг дисертації – 100 стор., 25 рисунків, 2 таблиці, 2 додатки і список використаних джерел із 63 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована мета і задачі досліджень. Викладені основні наукові і практичні положення, що виносяться до захисту.
У першому розділі розглянуті питання стосовно актуальності вдосконалення процесу пайки п‘єзокерамцки з металом шляхом використання автоматизованої системи управління і прогресивних інформаційних технологій, досліджено фактори, які впливають на якість розглянутого процесу, а також існуючі шляхи організації його інформаційного забезпечення. Показано, що необхідність вдосконалення інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом пов’язана з тим, що п’єзокераміка має великий розкид параметрів при відносно високій стабільності підтримання технологічних параметрів, а також з необхідністю проведення великої кількості технологічних операцій в ідентичних умовах. Евристичний підхід до прийняття рішень, властивий людині, дозволить оператору системи визначити оптимальні умови проведення процесу пайки.
Реалізація автоматизованої системи управління на базі апаратно-програмного комплексу і сучасних інформаційних технологій дозволить підвищити гнучкість адаптації системи під окремі умови виробництва, здійснювати контроль параметрів в реальному масштабі часу, реалізувати алгоритми самодіагностики і інтерактивний інтерфейс з оператором.
У другому розділі розроблений метод інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом, проведена ідентифікація процесу пайки, запропоновані алгоритми збору і обробки інформації та інформаційна модель автоматизованої системи управління процесом пайки п‘єзокераміки з металом.
В основі запропонованого методу інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом лежить управління параметрами в залежності від поточної інформації про струм витоки п’єзокерамічної структури. Управління параметрами здійснюється при часовому суміщенні процесів пайки і поляризації. Поляризація здійснюється на етапі охолодження п’єзокермічної структури імпульсами напруги, амплітудою Uполмакс, за релейним законом. В момент досягнення струмом витоки передпробивного значення Івитмакс, напруга поляризації знижується до тестового рівня Uполтест, і навпаки, при досягненні струмом витоки значення Iвитмін напруга поляризації знов набуває рівня Uполмакс.
Таким чином, інформаційне забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом повинно бути націлене на організацію контролю стану п‘єзокерамічної структури у реальному масштабі часу, з можливістю у будь-який момент визначати найбільш ефективну стратегію управління параметрами пайки з метою підвищення якісних показників виробів, що виготовляються.
Як приклад, в дисертаційній роботі розглядається процес пайки складених п‘єзокерамічних перетворювачів (СПП) для електромеханічних фільтрів, що являють собою паяне з‘єднання п‘єзокерамічного елемента і металевого резонатора. Оцінка якості виготовлення п‘єзоперетворювачів проводилася по значенню відносного резонансного проміжку, який є мірою п‘єзоактивності.
Ідентифікація процесу пайки через проведення активного експерименту дозволило отримати математичну модель залежності відносного резонансного проміжку складених п‘єзокерамічних перетворювачів, який є мірою п’єзоактивності, від амплітудного значення імпульсів напруги поляризації Uполмакс і максимального рівня струму витоки Івитмакс. Для СПП смугових електромеханічних фільтрів на частоту 128 кГц була отримана залежність виду
 (1)
де x1, x2 – значення факторів впливу Івитмакс і Uполмакс;
а0, а1, а2 – коефіцієнти регресії.
З метою підвищення надійності вводу даних про поточне значення струму витоки, був запропонований алгоритм збору і обробки інформації, який проілюстрований на рисунку 1. В кожному циклі (такті квантування) окремі об’єкти опитуються декілька разів через проміжок часу ∆t. Результати m опитувань усереднюються і середні значення запам’ятовуються. Після цього, через проміжок часу, рівний періоду квантування Т0, увесь процес повторюється. Для забезпечення точності вводу інформації потрібне щоб
 (2)
при k=0, 1, 2, 3… при обмеженні
m∙∆t ≤ T0. (3)
Рис. 1. Алгоритм збору і обробки інформації
Для отримання необхідної інформації про поведінку об’єкта або процесу між дискретними точками, а також обробки отриманої інформації для зручного відображення оператору, в алгоритмі реалізується стохастична інтерполяція даних. В цьому випадку, побудова апроксимуючої функції ν(t) здійснюється у формі багаточлена, коефіцієнти якого є функціями характеристик випадкового процесу:
 , (4)
де  – коефіцієнти багаточлена, які знаходяться з умов мінімізації середньоквадратичної похибки інтерполяції за величинами P(t-ti);
M[X] – математичне очікування Х(t);
n – кількість точок, за якими виробляється інтерполяція;
X(ti) – реалізація випадкового процесу в точці ti.
Розробка методу інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом дозволило запропонувати інформаційну модель, яка наведена на рисунку 2.
Рис. 2. Інформаційна модель автоматизованої системи управління
процесом пайки п‘єзокераміки з металом
Така модель заснована на комплексному підході до збору, обробки інформації і управління і розрахована на використання одного операторського місця для координації роботи системи. Основними джерелами інформації в системі є система вимірювання (при допомозі якої здійснюється визначення параметрів СПП, що виготовляються), система підготовки інформації, система контролю за технологічними факторами і станом технологічного процесу, а також оператор.
У третьому розділі розглядаються питання організації автоматизованої системи управління процесом пайки п‘єзокераміки з металом, структури програмного забезпечення, розроблені алгоритми управління параметрами пайки, а також запропоновані заходи щодо організації автоматизованої системи управління та інформаційного забезпечення в умовах промислового виробництва.
Для забезпечення якісного проведення процесу пайки у відповідності до запропонованої інформаційної моделі, побудова автоматизованої системи управління повинна здійснюватися за наступними принципами:
– автоматизована система управління процесом пайки повинна здійснювати контроль стану п‘єзокерамічної структури через контроль струму витоки в реальному масштабі часу;
– для підвищення п’єзоактивності СПП, автоматизована система повинна здійснювати контроль і управління процесами пайки та поляризації при їх часовому суміщенні;
– для підвищення рівня п’єзоактивності, у будь-який момент часу, автоматизована система управління процесом пайки СПП повинна забезпечувати максимально припустимий рівень напруги поляризації, у відповідності до запропонованого способу управління параметрами пайки;
– для підвищення точності контролю параметрів пайки, в автоматизованій системі управління необхідно реалізувати збір і обробку інформації у відповідності до запропонованого алгоритму, який наведений на рисунку 1;
– враховуючи стохастичну поведінку об’єкту автоматизованого управління необхідно реалізувати обробку і представлення інформації у відповідності до запропонованої інформаційної моделі;
– оператор автоматизованої системи управління повинен мати можливість приймати участь у всіх стадіях управління процесом пайки, особливо при визначенні раціональних значень параметрів пайки, і коректуванні управляючих впливів, так як людині властиве проведення евристичного аналізу при прийнятті рішення.
На рисунку 3 наведена структура запропонованої автоматизованої системи управління процесом пайки п‘єзокераміки з металом. В структурі прийняті наступні позначення:
Оператор – інженер-технолог, який бере на себе функції управління процесом пайки і координує роботу автоматизованої системи управління;
МПСУ – мікропроцесорна система управління, яка представляє собою сукупність апаратно-програмних засобів і інтелектуальних алгоритмів здійснення функцій збору, обробки інформації і управління, а також реалізацію інтерфейсу з оператором;
СВ – система вимірювання, як сукупність вимірювальних приладів, для визначення необхідної інформації про характеристики СПП і їх елементів;
СПІ – система підготовки інформації, яка формує необхідний набір технічної, технологічної інформації для оператора, а також систематизує статистичні данні про характеристики СПП і їх елементів, які надходять з системи вимірювання;
СУРП – система управління режимами пайки. Згідно з принципом розподілу процесу пайки на два етапи, запропонованим у розділі 2, визначає етап нагріву і етап охолодження, тим самим здійснює відповідну зміну алгоритмів функціонування джерела нагріву і джерела напруги поляризації;
СКСВ – система контролю струму витоки п’єзокерамічної структури;
Рис. 3. Структура автоматизованої системи управління
процесом пайки п‘єзокераміки з металом
СКСТУ – система контролю стану технологічної установки, яка проводить збір інформації про поточний стан джерела нагріву і джерела напруги поляризації;
ДН – джерело нагріву, яке здійснює нагрів СПП у процесі пайки;
ДНП – джерело напруги поляризації, здійснює додання напруги поляризації в процесі пайки СПП;
ОУ – об’єкт управління, яким є процес пайки п‘єзокераміки з металом.
Автоматизована система управління працює таким чином. Після проведення емпіричного дослідження характеристик партії п’єзокерамічних елементів при допомозі системи вимірювання, ця інформація надходить до системи підготовки інформації, яка виконує задачі, пов’язані з формуванням технічної і технологічної документації, а також систематизацією статистичних даних з системи вимірювання. Надалі, ця інформація надходить до оператора, а також мікропроцесорної системи управління. На основі отриманої інформації, оператор здійснює настройку технологічної установки для виготовлення визначеної номенклатури СПП. Використовуючи інформацію, з системи підготовки інформації та на основі розробленої математичної моделі, мікропроцесорна система, з участю оператора, визначає раціональні значення технологічних параметрів Івитмакс і Uполмакс.
При проведенні процесу пайки, мікропроцесорна система, використовуючи отриману інформацію, а також на основі інформації про поточний стан струму витоки, яка надходить з системи контролю струму витоку, здійснює формування сигналів управління на систему управління режимами пайки, джерело нагріву і джерело напруги поляризації, які управляють процесом пайки за відповідним алгоритмом. Система управління режимами пайки формує на джерело нагріву і джерело напруги поляризації управляючі сигнали, яки визначають етап процесу пайки – нагрів або охолодження. Таким чином, на кожному етапі діє окремий алгоритм управління параметрами пайки.
Система контролю стану технологічної установки проводить аналіз режимів технологічного обладнання і перевірку його працездатності. Уся поточна інформація від СКСТУ надходить оператору і може бути використана для роботи систем захисту як в ручному, так і автоматичному режимах.
Після проведення процесу пайки, здійснюється вимір характеристик отриманих СПП при допомозі системи вимірювання. Надалі, ця інформація обробляється системою підготовки інформації і передається оператору, який приймає рішення про необхідність корекції технологічних параметрів.
Інформаційне забезпечення автоматизованої системи управління реалізується відповідно до структури програмного забезпечення, яка наведена на рисунку 4.
Рис. 4. Структура програмного забезпечення автоматизованої
системи управління процесом пайки п‘єзокераміки з металом
На кожному етапі процесу пайки (нагрів або охолодження) діє окремий алгоритм управління параметрами. Алгоритм, який діє на етапі нагріву проілюстрований на рисунку 5.
На етапі нагріву, автоматизована система відслідковує збільшення поточного значення струму витоки і в разі його підвищення до наперед заданого рівня Івитзад, яке відповідає необхідним умовам пайки, джерело нагріву відключається.
Рис. 5. Алгоритм управління параметрами на етапі нагріву
Алгоритм управління параметрами на етапі охолодження проілюстрований на рисунку 6.
Алгоритм управління параметрами на етапі охолодження СПП реалізує спосіб релейного управління напругою поляризації на основі інформації про поточний стан п‘єзокерамічної структури. Контроль струму витоки п‘єзокерамічної структури і його порівняння з визначеними раціональними значеннями технологічних параметрів дозволяє сформувати управляючу інформацію для корекції параметрів пайки. tпроц – параметр, який визначає час охолодження складеного п‘єзокерамічного перетворювача.
Рис. 6. Алгоритм управління параметрами
на етапі охолодження
Для визначення раціональних значень параметрів пайки пропонується використання експертної системи, структура якої наведена на рисунку 7.
Рис. 7. Структура експертної системи пошуку раціональних
значень параметрів пайки
На рисунку прийняті наступні умовні позначення:
ДІ – діалоговий інтерфейс;
СЗД – система збереження даних;
МПР – модуль підтримки рішень;
БЛВ – блок логічного виводу;
МПЗ – модуль поповнення знань;
БЗ – база знань експертної системи.
База знань експертної системи містить факти і правила, які використовуються при логічному виводі. В даному випадку її доцільно будувати за правилом продукцій. Структура представлення знань в базі знань експертної системи проілюстрована на рисунку 8, де прийняті наступні позначення:
БЗ – база знань експертної системи пошуку раціональних значень технологічних параметрів;
КЗ – керуючі знання;
З – безпосередньо знання, які вносяться до бази знань;
Ф – факти;
П – правила;
ІО – інформаційний образ;
Д – діалоги;
БПД – блок пояснення дій.
У четвертому розділі вирішуються питання розробки інструментальних засобів визначення раціональних значень параметрів пайки для формування бази знань експертної системи, а також аналізу ефективності використання запропонованих нових технічних рішень інформаційного забезпечення процесу пайки п‘єзокераміки з металом.
Рис. 8. Структура представлення знань в базі знань експертної
системи пошуку раціональних значень параметрів пайки
В дисертаційній роботі для визначення раціональних значень параметрів пайки Івитмакс і Uполмакс пропонується використання експериментального дослідження. На основі отриманої моделі (1) і використовуючи метод математичного планування експерименту Бокса-Уілсона, можливе визначення раціональних значень параметрів пайки, які забезпечують підвищення п’єзоактивності і повторювальності параметрів складених п‘єзокерамічних перетворювачів різної номенклатури.
Оцінка ефективності використання запропонованих технічних рішень проводилася в порівнянні з традиційним способом побудови процесу пайки через додання постійної напруги поляризації. Для СПП смугових електромеханічних фільтрів на частоту 128 кГц було отримане підвищення п’єзоактивності на 6% при одночасному зниженні дисперсії цієї величини на 12% при довірчій вірогідності 0,95 (при оцінці п’єзоактивності по величині відносного резонансного проміжку).
| 
