Діагностика стану і параметрів автоматизованої системи управління виробництвом кварцових трубок - Автореферат

Діагностування та забезпечення надійності автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУТП) - дозволяють забезпечити високі якісні характеристики процесу. Часто використовуються моделі динаміки процесів у просторі станів, які зручні для параметричної ідентифікації, оптимального оцінювання станів та виводу законів керування. Популярні нейромережеві моделі, моделі у вигляді множини логічних правил, що базуються на нечітких (лінгвістичних) змінних, моделі мережевого типу на основі застосування байесівського правила виводу та комбінації цих моделей. У СВВМВ моделі обєднано з методами прийняття рішень щодо наявності пошкоджень у системі. розробка функціонально надійної системи керування процесом витягування кварцових трубок шляхом створення підсистеми діагностики її стану, яка дозволяє виробляти продукцію із заданими параметрами якості та забезпечити надійність і економічну ефективність установки.Визначено, що найбільш зручними для побудови СВВМВ є моделі в просторі станів: , ,(1) де вектори станів, сигналів керування, вимірів та збурень, відповідно, необхідної вимірності; вектор шумів вимірів; відомі матриці обєкта. Збурюючі впливи, що не контролюються: неоднорідність по довжині блоку фізико-хімічних властивостей кварцу; неідеальність геометрії блоку; зовнішні механічні збурення у вигляді коливань конструкції, що передаються на блок та трубку і, як результат, вносять заваду в оптичну систему вимірювань діаметрів. Наприклад, у випадку пошкодження обєкта: ,(5) де - момент часу, коли зявляється пошкодження; - вимірна вектор-функція, що характеризує пошкодження; - одинична ступінчата функція, яка приймає значення 1 при . За допомогою виразу (7) визначають вплив пошкодження на систему (3), (4) шляхом аналізу характеристик функції (7), що змінюються в результаті настання пошкодження чи відмови. Метод ефективний, якщо функція має достатнє (для оцінювання виникнення пошкодження) зміщення (тобто в сильно діагностованому просторі).На основі аналізу процесу витягування кварцових трубок як обєкта контролю і керування зроблено огляд та вибір математичних моделей процесу витягування трубки, механічних коливань установки та системи адаптивного керування цим процесом, орієнтованих на задачу діагностики. На основі аналізу підходів до побудови систем виявлення та визначення місцезнаходження відмов (СВВМВ) встановлено, що найбільш поширеним є модельний підхід. Визначено основні типи неперервних та дискретних математичних моделей, що складають основу СВВМВ. З метою зменшення кількості датчиків запропоновано апроксимацію ортогональними поліномами з подальшим аналітичним обчисленням значень швидкості відхилень та власне відхилень елементів конструкції від рівноважного стану. Розроблено та досліджено систему визначення в реальному часі чотирьох типів пошкоджень електроприводу установки витягування трубок на основі аналізу стану та параметрів моделі двигуна.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. На основі аналізу процесу витягування кварцових трубок як обєкта контролю і керування зроблено огляд та вибір математичних моделей процесу витягування трубки, механічних коливань установки та системи адаптивного керування цим процесом, орієнтованих на задачу діагностики.

2. На основі аналізу підходів до побудови систем виявлення та визначення місцезнаходження відмов (СВВМВ) встановлено, що найбільш поширеним є модельний підхід. Визначено основні типи неперервних та дискретних математичних моделей, що складають основу СВВМВ.

3. Визначено основні типи структурованих та неструктурованих невизначеностей, що характерні для СВВМВ, властивості, яким повинна задовольняти СВВМВ - робастність до початкових умов, нелінійностей, збурень стану та шумів вимірів, немодельованої динаміки та характеру відмови. Встановлено, що досягти необхідного ступеня робастності СВВМВ можна шляхом застосування алгоритмів структурно-параметричної ідентифікації, оптимального оцінювання станів та повязаних з ними методів прийняття рішень.

4. Для контролю параметрів моделі коливань установки витягування кварцових трубок запропоновано алгоритми параметричної ідентифікації. З метою зменшення кількості датчиків запропоновано апроксимацію ортогональними поліномами з подальшим аналітичним обчисленням значень швидкості відхилень та власне відхилень елементів конструкції від рівноважного стану.

5. Розроблено методику визначення наявності відмов у системі керування на основі використання фільтра Калмана та узагальненого співвідношення правдоподібності. Такий підхід забезпечує високу надійність визначення поточного стану обєкта керування.

6. Розроблено та досліджено систему визначення в реальному часі чотирьох типів пошкоджень електроприводу установки витягування трубок на основі аналізу стану та параметрів моделі двигуна. Експериментально доведено, що система дозволяє виявляти тип пошкодження та його місцезнаходження.

7. Побудовано діагностичну систему на основі банку фільтрів Калмана, виходи яких відповідають визначеному типу пошкодження. Рішення щодо наявності пошкодження приймається на основі статистики Льюнга-Бокса та узагальненого співвідношення правдоподібності. Досліджено функціонування СВВМВ у частотній області з використанням статистики Колмогорова-Смірнова та спектральної густини потужності для тестування похибок моделі. Експериментальні дослідження системи показали, що помилка діагностичної оцінки не перевищує 10%.

8. Запропоновано підхід виявлення слабких вібрацій установки, що базується на застосуванні інверсного кореляційного перетворення та лінійної фільтрації. Виконано теоретичний аналіз та доведено статистичним моделюванням перевагу (відносно частотного порогового метода) запропонованого підходу. Розроблений метод дає можливість виявляти на ранніх стадіях вібрації установки та своєчасно прийняти заходи по запобіганню виготовлення неякісної продукції.

9. Розроблено і впроваджено в підсистемі контролю параметрів обєкту адаптивного керування алгоритм послідовної зміни структур моделей, який гарантує в умовах дії адитивних, некорельованих з корисним сигналом шумів на виході обєкту збіжність процесу оцінювання параметрів передавальних функцій за будь-яких їх початкових значень. Похибка в оцінюванні параметрів не перевищує 12%.

10. На підставі проведених досліджень отримані наукові результати по діагностиці стану і параметрів автоматизованої системи управління виробництвом кварцових трубок, які дозволяють покращити якість вихідного продукту, шляхом забезпечення функціональної надійності системи керування процесом витягування кварцових трубок.

10. Економічний ефект від впровадження системи діагностики у виробництво, завдяки скороченню аварійних режимів і зменшенню відсотку браку на 10%, становить 20000 гривень на рік (на 2,5 млн.одиниць продукції).

В.Н. Галай, Л.Ю. Спинул, А.В. Шефер. Контроль динамики объектов. - К.: ”Экономика и право”, 2004. - 185 с.

Кулій В.М., Сільвестров А.М., Шефер О.В. Ноніусно-кореляційний метод контролю вібрацій механічних систем // Адаптивні системи автоматичного управління. - 2002 №5(25) С. 93 - 99.

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.

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

Бидюк П.И., Гасанов А.С., Шефер А.В., Зуев С.А. Алгоритм идентификации стохастических нелинейных систем по измерительным данным. УСИМ, №1, 2004, С. 12 - 18.

Сільвестров А.М., Спінул Л.Ю., Шефер О.В. Уточнення спрощених закономірностей на основі системного підходу // Системні дослідження та інформаційні технології.- 2004.- №1. - С. 135 - 142.

Галай В.М., Сільвестров А.М., Шефер О.В. Високоточне ноніусно - 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. - том 1. - С. 124 - 125.

Бідюк П.І., Шефер О.В. Автоматична діагностика систем керування за допомогою байесівського методу. Матеріали 10-ї міжнародної конференції по автоматичному управлінню “Автоматика - 2003”, м. Севастополь, в 3-х т. - Севастополь: Вид-во СЕВНТУ, 2003. - том 3. - С. 30 - 32.

Шефер О.В. Розробка системи виявлення та визначення відмов електропривода установки витягування кварцових трубок. Матеріали VII Міжнародної науково - практичної конференції “Наука і освіта ‘2004”, м. Дніпропетровськ. Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - Том 64. Технічні науки. - С. 84 - 88.

Шефер О.В. Підсистема виявлення місцезнаходження можливих відмов промислової установки витягування кварцових трубок за допомогою нейромережевого піходу. Друга всеукраїнська науково-технічна конференція молодих вчених і спеціалістів, “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації”. Тези наукових доповідей. - м. Кременчук: КДПУ, 2004. - С. 48.

Шефер О.В. Визначення та виявлення відмови елементів складних технічних систем за допомогою генерації робастних залишків. Міжнародна науково - технічна конференція, “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2004”, м. Кривий Ріг. Збірник доповідей. Кривий Ріг: Вид-во КТУ, 2004. - том 2. - С. 173 - 177.

Шефер О.В. Застосування алгоритмів ідентифікації для контролю параметрів та діагностики промислової установки витягування кварцових трубок. Матеріали ІІІ Міжнародної науково - практичної конференції “Динаміка наукових досліджень ‘2004”, м. Дніпропетровськ. Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - Том 64. Технічні науки. - С. 53 - 55.