автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация и управление процессами технологической подготовки производства композиционных материалов

005048872

На правах рукописи

ЖМАЙЛОВ БОРИС БОРИСОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

31 ЯНВ 2013

Ростов-на-Дону - 2012

005048872

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» на кафедре «Управление качеством»

Научный консультант: Кохановский Вадим Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, Донской государственный технический университет, профессор кафедры "Технология конструкционных материалов", г.Ростов-на-Дону

Официальные оппоненты: Илюхин Андрей Владимирович,

доктор технических наук, профессор, МАДИ, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов», г.

Москва

Попов Дмитрий Иванович,

доктор технических наук, доцент, Московский государственный университет печати, заведующий кафедрой «Информатика и ВТ», г Москва Митрофанов Владимир Георгиевич, доктор технических наук, профессор, МГТУ «СТАНКИН», заведующий кафедрой «Автоматизированные системы обработки информации и управления», г. Москва

Ведущая организация: Ростовский вертолетный производственный комплекс Открытое акционерное общество "Роствертол", г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 13 февраля 2013 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу:

125319, г. Москва, Ленинградский пр., д.64. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Автореферат разослан «11» января 2013 г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять в адрес совета МАДИ.

Ученый секретарь /

диссертационного совета, ¡, / /

кандидат технических наук, доцент Михайлова Н.В.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Наше время характеризуется существенным сокращением запасов природных материалов и, в частности, металлов. Решение проблемы их дефицита характеризуется двумя тенденциями: рециркуляцией и разработкой принципиально новых, как правило, композиционных материалов. Последние характеризуются наличием химически разнородных компонентов, четкой межфазовой границей и специфическими свойствами, несвойственными их отдельным компонентам. К композиционным материалам относится целый набор порошковых, металлических и полимерных материалов. Общим для них является жесткая связь технологии изготовления и структуры, что определяет их свойства. Управляя технологией изготовления и структурой композитов можно реализовать создание материала под конкретную деталь с ее рабочими нагрузками. При этом основная масса технических задач в настоящее время решается экспериментально, что требует существенных материальных и временных затрат из-за естественной вариации свойств массовой промышленной продукции. Значительно менее трудоемким и более эффективным представляется решение подобных задач для широкого класса композиционных материалов с помощью компьютерного моделирования и наглядного графического представления на классических диаграммах "состав-свойство", "состав-структура" и т.п. Кроме того, компьютерное моделирование позволяет исследовать самые разные материаловедческие, технологические и эксплуатационные проблемы в недоступных для непосредственного человеческого присутствия местах. Таких как: космический вакуум, океанские глубины, внутренние среды живых организмов и т.д.

Первые автоматизированные программные комплексы для моделирования и оценки параметров композиционных материалов с помощью методов математической статистики и планирования эксперимента были представлены в нашей стране в средине 70-х годов. По мере развития информационных технологий (ИТ) в начале 90-х годов появились профессиональные программные продукты, например 81аЙ5Иса, МаШсаё, МайаЬ, Марр1е. Однако данные комплексы не ориентированы на решение узкоспециализированных задач, таких как исследование композитов и композиционных технологий. В этих комплексах отсутствует необходимое информационно - методическое обеспечение и данные системы требуют углубленной статистической и компьютерной подготовки пользователей, а также используют собственные форматы для физического хранения данных.

В связи с относительной малоизученностью композитов и композиционных технологий, а также отсутствием средств автоматизации для контроля и диагностики их параметров в ходе технологической подготовки и промышленного производства композиционных материалов требуются новые подходы и разработка нового класса программных систем с созданием хранилищ информации, и использованием методов интеллектуального

анализа данных. Для этого необходимы новые архитектурные решения с привлечением передовых ИТ-технологий. На основании вышеизложенного, автоматизация и управление процессами технологической подготовки и промышленного производства композиционных материалов с использованием автоматизированных интеллектуальных систем моделирования и оценки их параметров в реальном масштабе времени представляется важной и актуальной проблемой.

Целью настоящей работы является повышение эффективности процессов технологической подготовки и производства композиционных материалов за счет непрерывного мониторинга основных параметров с использованием эффективных методов и алгоритмов, включенных в состав автоматизированной системы управления технологическими процессами по производству композиционных материалов и деталей из них.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить общую структуру основных этапов методологии разработки автоматизированных интеллектуальных систем в области оценки инженерных свойств композиционных материалов на основе процессно-системного подхода.

2. Разработать алгоритмы управления с использованием моделей на базе численных методов, аппарата математической статистики и математической теории планирования эксперимента для решения интерполяционных, оптимизационных и прогностических задач при производстве композитов.

3.Разработать новые модели, алгоритмы методов управления и графической интерпретации на плоскости для многокомпонентных систем, с количеством компонент более 3-х, различной технической направленности: "состав-свойство", "технология-свойство", "эксплуатация-свойство" в области композитов и композиционных технологий.

4. Создать методы современного структурного проектирования универсально - модульных программных систем, на базе которых реализовать автоматизированный комплекс, интегрируемый в состав АСУ 111.

5. Выявить структурные аспекты основных информационных объектов в данной предметной области, реализовать способы их физического хранения и механизмы интеллектуального обмена и трансформации данных для интеграции с различными автоматизированными системами управления.

6. Разработать кроссплатформенную открытую программно-математическую среду для автоматизации и управления процессами технологической подготовки производства композиционных материалов с помощью технологий UML, Java, JBoss, Web-сервисов и BPEL.

7. Выполнить экспериментальное подтверждение эффективности используемых методов и алгоритмов, реализованных в разработанной автоматизированной программной системе в области композиционных материалов и технологий.

Методы исследования

В работе используются методы системного анализа и дискриминации моделей, аппарат математической теории планирования эксперимента, процессный подход, имитационное моделирование, объектно-ориентированный анализ и проектирование, формальные логические модели представления и обработки информации, методы интеллектуального анализа данных и другие.

В качестве инструментального средства для моделирования, проектирования и разработки системы использовался программный продутсг №1Веапз, в качестве базовой использовалась .Гауа-платформа.

Научная новизна

• Разработаны теоретические основы автоматизации технологической подготовки производства для решения интерполяционных и оптимизационных задач при определении основных инженерных параметров композиционных материалов, позволяющие эффективно использовать вычислительные ресурсы ЭВМ, значительно сократить время расчетов при требуемой точности процедур.

• Разработана общая методология систем компьютерного моделирования и графической интерпретации данных, выявлена специфика и направленность исследований в рассматриваемой предметной области.

• Создана структурно-параметрическая модель, на основе которой сформирована информационная технология анализа и диагностики эксплуатационных свойств композитов как большой многофакторной технической системы.

• Реализована подсистема управления моделированием и оценкой параметров композитов и композиционных технологий, входящая в состав АСУТТТ. Полученные разработки опробованы с удовлетворительными результатами на ряде технических комплексов: материаловедческом (композиционные материалы), технологическом (обработка резанием), эксплуатационном (ресурс антифрикционного покрытия).

Практическая значимость

Разработанные методы и алгоритмы, а также реализующий их программный комплекс, позволили:

• автоматизировать процесс моделирования и оценки технологических и эксплуатационных параметров деталей из композиционных материалов;

• оценить эффективность комплекса существующих стандартов и другой нормативной документации, которые регламентируют процесс жизненного цикла программной системы при использовании объектно-ориентированной методологии разработки;

• создать инструментарий для оперативного анализа массивов транзиент-ной первичной информации на основе предварительной статистической обработки, отбирая только статистически значимые данные, что позволяет по-

высить оперативность процессов контроля качества в ходе промышленного производства композиционных материалов.

Использование полученных результатов позволило реализовать конкретные технические и технологические решения по оценке эксплуатационных параметров деталей из композиционных материалов с применением методов математического моделирования и автоматизированного программного комплекса в нижеследующих работах:

"Разработка типовой технологической схемы проектирования программного обеспечения объектно-ориентированными средствами" и "Оценка эффективности использования комплекса существующих стандартов при разработке программного обеспечения" с ФГУП "Градиент", г. Ростов-на-Дону;

"Разработка автоматизированной системы коллективного доступа NanoJASMINE" с компанией Narrow Gâte Corporation", г. Киото, Япония;

Государственный контракт № 16.647.12.2035 "Создание интерактивного комплекса удаленного доступа для студентов и аспирантов по исследованию наноматериалов на базе многофункционального оборудования" по целевой научно-технической программе "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 годы".

Представленные исследования выполнены в Донском государственном техническом университете (ДГТУ) в рамках подпрограммы "Новые материалы" научно-технической программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области приоритетных направлений науки и техники" по разделу "Функциональные порошковые материалы" (проект 202.05.01.026) за 2001-2004 г.г.

Результаты диссертации используются в учебном процессе в ДГТУ и ЮФУ, в разработанных автором учебно-методических комплексах по дисциплинам "Управление процессами" и "Системный анализ".

Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами, свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ, опубликованными учебно-методическими пособиями и монографиями.

На защиту выносится

• Онтологическая и объектная модели АСУТП, созданные на базе численных методов, математической теории планирования эксперимента и математической статистики.

• Новые методы и информационные структуры для физического хранения и интеграции основных информационных объектов в области композиционных материалов и технологий.

• Алгоритмы компьютерного моделирования, анализа полученных моделей и на этой основе оптимизации и прогнозирования инженерных характеристик композиционных материалов.

« Алгоритмы графической интерпретации многокомпонентных (>3-х компонент) моделей.

• Впервые полученные результаты комплексных экспериментальных исследований эксплуатационных и технологических характеристик порошковых и полимерных антифрикционных композитов, результаты их диагностики и параметрического прогнозирования в области технологических режимов и качества рабочей поверхности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на российских и международных конгрессах, конференциях, семинарах, представлялись на специализированных выставках и конкурсах: "Новые материалы и технологии НМТ", Москва - 2002; "Европейский конгресс по порошковой металлургии EURO РМ" - 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 г.г.; "Промышленный конгресс Юга России", 2005-2007г.г. - Ростов-на-Дону; "Всероссийский конкурс Java-программ", 2005г.; "Технологии Sun Microsystems", Ростов-на-Дону 2004г.; "HighMatTech", Киев - 2007г.; "Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нано-технологий", Анапа - 2008г; научные семинары кафедры "С и ПУ", ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2005, 2011гг.; совместный научный семинар кафедр "Информатика и вычислительная техника" и "Информационные системы", МГУП, Москва, 2009, 2011г., научный семинар кафедры "Системный анализ", ЮФУ, Ростов-на-Дону, 2010г.

По теме диссертации опубликовано 63 научных работы, в том числе из перечня, рекомендованного ВАК - 12 работ, четыре свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, три монографии и два учебных пособия.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, 3 приложений и списка использованной литературы из 293 наименований. В работе содержится 22 таблицы, 72 рисунка. Объем работы без учета приложений составляет 259 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены вопросы актуальности, общие проблемы структуры исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнена постановка имеющейся проблемы, сформулирована цель и задачи исследования. Экономический эффект применения композиционных материалов определяется значительным снижением трудоемкости изготовления из них различных деталей машин (втулок, шестерней, кронштейнов), высвобождением производственных площадей, существенным повышением ресурса антифрикционных и фрикционных узлов.

В таблице 1 в качестве примера приведены средние удельные затраты энергии при изготовлении изделий из металлов и армированного пластика на основе углеродных волокон и эпоксидной смолы (эпоксиуглепластик).

Общая технология производства композиционных материалов и изделий из них включает: совмещение компонентов, энерговоздействие, окончательную доработку готовых изделий.

Выбирая состав и управляя технологией изготовления и структурой композитов можно сформировать материал для конкретной детали с реальными ее рабочими нагрузками. Менее трудоемким, чем экспериментальные исследования и, следовательно, более эффективным решением, представляется решение подобных задач путем моделирования на классических симплекс -диаграммах "состав-свойство", "состав-структура", "технология-свойство" и т.п.

В условиях неполного знания механизма явлений, задачи идентификации и оптимизации состава многокомпонентных систем или технологических режимов, модель объекта исследования удобно представить в виде кибернетической системы - черного ящика. Одной из проблем, с которой приходится сталкиваться при материально-агрегатном лабораторном .моделировании в данной области, является ограниченность или, вовсе, отсутствие технической возможности проведения экспериментальных исследований в необходимом диапазоне даже на образцах. Поэтому данные задачи решаются только с помощью моделирования и дальнейшей интерполяции для целей диагностики или экстраполяцией - для прогнозирования. Идентификация рассматриваемых систем базируется на статистическом аппарате математической теории планирования экспериментов. Среди универсальных методик следует выделить симплекс-решетчатое планирование, позволяющее, в отличие от других методов, охватывать наиболее широкий фронт исходной информации, включающей системы "состав-свойства", "технология-свойства" и т.п.

Таблица 1 - Удельные затраты энергии на производство волокнистых полимерных композиционных материалов и изделий из них (кВт - час.)_

Материал Расчет на 1 кг материала Расчет на 1 кг изделия

Композит (Эпоксиушепластик) 33,0 72,7

Сталь 35,2 220,4

Алюминий 48,5 392,4

Титан 189,5 1543,2

Таким образом, актуальная техническая информация о композиционных материалах и технологиях включается в единый экспериментально-теоретический исследовательский и производственный комплекс. В свете этого, современная методологическая задача сводится к минимизации экспериментальной части этого комплекса за счет разработки и углубления мате-матико-статистических методов и информационных технологий, обеспечивающих повышение адекватности и точности результатов.

Можно выделить два типа программных продуктов, используемых в данной предметной области. К первому типу относятся продукты, которые разрабатывают довольно крупные фирмы. Их отличительной особенностью является ориентированность на решение широкого круга задач и пользовате-

лей с различной степенью подготовки. К недостаткам таких систем следует отнести их «закрытость», в силу того, что они являются коммерческими продуктами, а также то, что с их помощью бывает довольно затруднительно решить узкоспециализированные задачи, например, исследования в области композиционных технологий.

Ко второму типу программных продуктов относятся системы, которые разработаны для решения локальных задач с помощью существующих языков программирования. К недостаткам таких систем относится то, что они также являются «закрытыми» в силу их не распространенности и требуют от пользователя специфичной подготовки. Однако они позволяют довольно эффективно решать поставленные частные задачи и на начальном этапе формирования рынка специализированных АСУ являлись одним из основных инструментов в своих предметных областях.

На основании сравнительного анализа программных продуктов для производственно-технологических задач установлено следующее. Разработанные до 90-х годов программные комплексы позволяли решать узкоспециализированные задачи, в том числе в области композиционных технологий с помощью симплекс-решетчатых планов. Однако в силу недостатка вычислительных ресурсов в то время использование их было сопряжено с рядом проблем. Кроме того, эти системы не имели «дружественного» пользовательского интерфейса. Существующие коммерческие программные продукты, выпускаемые крупными фирмами, в первую очередь, ориентированы на массового пользователя и решение узкоспециализированных задач в них довольно затруднительно. Это требует от пользователя не только углубленных знаний в предметной области, но и довольно серьезную подготовку в конкретной программной среде. В силу «закрытости» коммерческих программных продуктов перенос данных между ними вызывает определенные трудности, поэтому налицо проблема унификации форматов хранения экспериментальных данных. Существующие программные системы, как правило, не имеют Web-интерфейса, который бы позволил обеспечить доступ к ним и возможность удаленной работы. Свободно распространяемые программные системы, как правило, ориентированы на операционную систему Unix и не обладают широким спектром возможностей, но, вместе с тем, они являются расширяемыми. Из существующих программных систем только пакет Statistica позволяет использовать не только планы полнофакторного и дробнофакторного эксперимента, но и метод симплекс-решетчатого планирования; однако даже этот пакет не обеспечивает изменения критериев оценки достоверности модели и ее анализа.

Анализ существующего положения дел в исследуемой инженерной области свидетельствует о постоянном росте разработок и внедрения композиционных материалов в самые разные отрасли промышленности. Вместе с тем, формализация композиционных технологий затруднена в силу малой изученности процессов и явлений, протекающих при их использовании. Для реше-

ния проблемы — автоматизации технологической подготовки производства при моделировании структуры и свойств композитов разной природы, а также технологии их разработки и применения, необходимы новые подходы. Это требует создания нового класса АСУ с использованием методов интеллектуального анализа при получении, обработке и интерпретации инженерных параметров, а также новых архитектурных решений, с привлечением передовых ИТ-технологий.

Во второй главе изложены методологические этапы системных исследований. В современной технике практически отсутствует методология системного анализа композиционных технологий, а в попытках анализа не реализованы в полной мере системные исследования.

Место работы в общем контуре технологического процесса производства композиционных материалов и деталей из них представлено на рис.1. Задачи автоматизации охватывают все этапы производственного цикла, включая процесс формирования исходного состава будущего материала и заканчивая диагностикой эксплуатационных характеристик. В техническом плане система исследования композитов и композиционных технологий преобразует пространство входных величин в пространство выходных. Её системная цель - получение знаний о новых композиционных материалах и технологиях. Системная функция - обеспечение требуемых эксплуатационных характеристик материалов и деталей из них. Конкретизируя системную функцию для реальной композиционной системы необходимо, опираясь на системную цель, сформированную в надсистеме, выявить такую функцию, которая обеспечит выполнение этой цели, сделав её выполнение целесообразным и возможным.

Рис. 1. Место работы в общем контуре технологического процесса производства композиционных материалов

В рамках системного подхода объект рассматривается в триадном комплексе: надсистема-система-подсистема, то есть понятие системы относительно и имеет свою иерархию.

Иерархия системных целей и функций приведена в табл. 2. Здесь все системные цели сформированы в надсистемах по отношению к рассматриваемой системе.

Для дальнейшего анализа и декомпозиции системных целей и функций в диссертации был разработан универсальный шаблон, состоящий из этапов и основных процессов. На базе данного шаблона построена иерархия системных целей и функций каждой подсистемы для возможности последующего модельного исследования.

Таблица 2 - Иерархия системных целей и функций

Наде ис-тема Система Системная цель Системная функция

0 1 Ускоренное и экономичное получение новых знаний о композиционных материалах и технологиях Разработка методологии компьютерного моделирования и модельного исследования технических объектов и процессов на примере композиционной технологии и материалов

1 2 Выявление необходимого объема входной информации Оценка исходной информации по технической значимости, ее идеализация и формализация

2 з Формирование адекватной математической модели Установление оптимальной структуры и оценки параметров модели

3 4 Модельные исследования технических параметров композитов Установление технических характеристик композиционных материалов и технологий

Методология АСУ технологической подготовки производства композиционных материалов может быть представлена схематично, в виде блочно -связевого комплекса, рис. 2. Системный анализ позволил выделить информационную техническую систему композитов и композиционных технологий и установить ее границы. Выявить структурный состав рассматриваемой системы в виде функциональных подсистем разного иерархического уровня. Определить место рассматриваемой системы в информационном поле композиционных технологий. Сформулировать системную цель и системную функцию как базу для структурной разработки общей методологии и процессов компьютерного моделирования.

Рис. 2. Методология АСУ технологической подготовки производства композиционных материалов

Понятие коммуникативного пространства складывается из разнообразно-

го круга системных функций, которые рассматриваются в рамках каждой подсистемы. Компонентами коммуникативного пространства являются модели каждой системы, внешние интерфейсы, обеспечивающие взаимодействие надсистемы с системой и внутренние - взаимодействие модели с источником данных. Исходя из этого, в общем виде информационно - коммуникативное пространство подсистемы представлено на рис. 3.

Анализ коммуникативного пространства системы позволяет выделить границы каждой подсистемы, что дает возможность рассматривать их независимо друг от друга, согласуя только по уровню внешнего интерфейса взаимодействия. Более того, блочно-уровневая структура подсистемы позволяет использовать разные методы и технологии для реализации функциональных возможностей, варьируя ими. Благодаря этому может быть получен оптимальный технический результат.

Внешний интерфейс

(\л/еЬ - ьа-Исе/БепЧеЦюгйк/человисомаиынный)

Рис. 3. Схема коммуникативного пространства системы

Таким образом, в диссертации установлена взаимосвязь между этапами жизненного цикла и системного анализа, которая заключается в том, что необходимо на основании результатов, полученных на этапах системного анализа, разработать виртуальную компьютерную модель, инкапсулировать ее в компьютерную систему, для реализации которой необходимо выбрать ИТ- технологии и смоделировать архитектуру системы таким образом, чтобы она могла решать задачи в конкретной предметной области, обеспечивая требуемые инженерные характеристики получаемых в процессе промышленного производства композиционных материалов и деталей из них.

Третья глава посвящена вопросам разработки алгоритмов реализации управления производственными процессами на базе численных методов при решении интерполяционных и оптимизационных задач, методам дискриминации моделей, а также построению онтологической и концептуальной моделей предметной области.

Современные многофакгорные экспериментальные исследования путем формирования на основе полученных результатов моделей процессов или объектов решают следующий круг задач.

Интерполяционные задачи, устанавливающие величину выхода внутри экспериментальной области, но между точками, в которых проводились эксперименты. Исследования могут быть спланированы в зависимости от исходной цели по схемам "состав - свойство", полнофакторному линейному или квадратичному двухуровневому плану.

Модели в виде линейных полиномов или полиномов, включающих смешанные взаимодействия, представляют собой разложения функций в степенной ряд. Подобные выражения имеют громоздкую аддитивную структуру, что делает неудобным их логарифмирование или выражение выхода в безразмерных относительных единицах. Последнее затрудняет получение развиваемых или достраиваемых моделей. Приемом, в значительной степени разрешающим эти затруднения, является преобразование переменных. Особенно эффективно это в задачах, приводящих к нелинейным по параметрам моделям с целью их линеаризации. В результате становится возможной постановка полнофакторного или дробно-факторного эксперимента первого порядка взамен квадратичных планов. Кроме того, вместо громоздких полиномов в качестве моделей используются более удобные и компактные выражения мультипликативной структуры. Наконец, преобразование переменных позволяет использовать простые планы первого порядка для описания экстремальных зон поверхности отклика.

Наиболее простым способом преобразования переменных факторов является логарифмирование. В этом случае экспериментатор при обработке результатов исследований оперирует не выходом, а его логарифмом (десятичным или натуральным). Алгоритм данного метода представлен на рис.4.

Тогда уравнение регрессии в кодовых переменных имеет вид (1). Через формулы перехода к натуральным переменным, точнее их логарифмам (2), имеем модель в логарифмах натуральных переменных в виде полинома (3). Потенцируя (3), будем иметь окончательно модель в натуральных переменных в виде произведения степенных или показательных функций (4). Очевидно, что выражение (2) можно записать в общем виде (5). Это обстоятельство значительно расширяет область применения факторных планов.

У = Ь у-Ъ+ХВл

(1)

1па, -(1па,),

+ 1 = т, 1по,

(2)

y--Aaf\cC (4)

=mj(nl) + n, (5)

У = ах" (6)

y= a0* (7)

(8)

y = (9)

где: y - выход эксперимента, x - переменный фактор, ffo) - любая функция переменного фактора,

торного эксперимента

До сих пор нельзя было подбирать вид модельной функции, аппроксимирующей исследуемый процесс, определяя только параметры модели заранее заданной структуры. Используя изложенное, возможно, в определенных пределах, решить вопрос по структуре модели при ПФЭ или ДФЭ.

В подавляющем большинстве случаев выход экспериментальных исследований в виде дискретных точечных рядов может быть аппроксимирован монотонными гладкими без разрывов и частных экстремумов функциями.

Основные виды возможных плоских кривых с минимальной погрешностью аппроксимирующих различные типы экспериментальных рядов, представлены на рис. 4. Кривые 1-3 удовлетворительно описываются степенной функцией (6) или показательной(7). Поскольку всегда используется только ограниченный интервал значений аргумента, эффективность применения выражений (6) и (7) примерно одинакова и определяется минимумом погрешности аппроксимации.

Определенные трудности возникают при подборе вида зависимости для уменьшающейся по параметру выпуклой кривой (рис. 4, кривая 4). Для этого случая подходит показательная функция (8).

Переход от кодовых переменных к натуральным после потенцирования позволит получить мультипликативную модель вида (9).

Модели мультипликативной структуры могут развиваться путем включения в них дополнительных факторов. При этом частная модель с дополнительным фактором должна иметь тот же выход, быть получена в экспериментальной области, где получена развиваемая модель, и быть выражена в безразмерных единицах.

Таким образом, функциональное преобразование переменных позволяет использовать линейные планы для моделей, описывающих криволинейные поверхности отклика. Подбор типа преобразования выполняется автоматически по критерию погрешности модели.

При постановке оптимизационных задач для движения по поверхности отклика к экстремуму необходимое направление может быть выбрано по линейной модели. В этом случае экстремум достигается пошаговым приближением экспериментов к зоне оптимума. Для этого использовался градиентный метод "крутого восхождения" Бокса и Уилсона (10-14), который определяет стратегию последовательного пошагового проведения экспериментов, при котором весь цикл исследований разбивается на отдельные этапы, виртуальные и реальные опыты. Причем на каждом последующем этапе используются результаты предыдущего.

(Ю)

ду _ Ау Эх. Ах,

(И)

= ¿у 4- 62_/ +... 4- Ъкк ду

V

Вх.

(14)

Алгоритм данного метода в виде блок-схемы представлен на рис. 5. Если известно об экстремальном характере исследуемой зависимости, то применяются полиномы второго порядка (15),

Далее задача сводится к преобразованию квадратичного полинома (15) к выражению канонического вида (27),

у-Ъ0 + Ь2х2 +Ьпх!х2 +Ьих? +Ь21х\ ду_ Эх,

8хг

2 Ь„ Ь„

= 6, + Ь12х2 + 2Ьих1 =0 = Ь2 + Ьпх2 + 2 Ь22хг = О

Д =

Ьп 2Ь2

Ьа 2Ьп

Ъг 2 Ъп II Ьг 2 Ъг

У.=ьо +ЬЛ* +Ь2Х2, +¿>12*1 А, +Ьпх1 + Ь22Х22, У~У,= ЬП(Ь - хъ)(х2 - х21) + Ьп(х, - х,,)2 + Ь2г(хг - х2,У

X1 Х^ Х7 ~ Х-, X,,

у-у,=ь\Лх2 +ЬпХ\ +Ь21х1 с1ё2а --Ь"

2, = Ху сов а + хг%та

ДЛ) =

г2 = —х, Бт а + хг соб а 1

Ъп-А

1

где:

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20) (21) (22)

(23)

(24)

(25)

(26) (27)

у - текущее значение параметра оптимизации; у$ - значение в новых координатах;

А у — коэффициенты уравнения регрессии канонического вида при квадратичных членах;

Ъу — новые оси координат (смещенные в новый центр и повернутые относительно старых осей).

Блок-схема алгоритма решения оптимизационных задач с помощью канонического преобразования представлена на рис. 6.

£ начало ^

Градиентный метод крутого восхождения Бокса и Уилсона

Оценка модели

-

___'<

—(1 -

Рис. 4. Блок-схема алгоритма решения оптимизационных задач методом Бокса - Уилсона

Существующие методологии моделирования программных систем, например, такие как гибкое моделирование, ориентированы в первую очередь на коммерческие проекты, решая основные задачи - повышение качества продукта и ускорение процесса разработки. При этом осуществляется активное взаимодействие с конечными пользователями, организация эффективной коллективной работы разработчиков и ведение дополнительной документации. Процесс разработки АСУ в области композиционных технологий, несмотря на то, что также решает задачи получения качественного программного продукта, не позволяет использовать известные методологии моделирования коммерческих систем. Это связано с рядом особенностей. Например, в силу специфики предметной области и сложности модельных исследований, она не может выполняться большим коллективом разработчиков. Так как найти сразу двух человек, которые одновременно глубоко разбираются в сущности задачи предметной области и информационных технологиях, довольно проблематично. В связи с этим процесс разработки растягивается на довольно длительный срок. При этом технологии, которые использовались в начале разработки, могут устареть. Этим обусловлено появление так называемых "однозадачных" систем, которые разрабатываются для решения одной задачи и после получения результатов больше не используются. Эти системы остаются "вещью в себе" и в особенностях их реализации могут разобраться

обычно только сами исполнители. Вместе с тем, применение подходов моделирования, которые используются при коммерческой разработке АСУ в данной области моделирования, позволит избежать появления "однозадачных" программ, создавать хранилища информации для создания баз знаний, использовать современные технологии при их разработке.

Рис. 5. Блок-схема алгоритма решения оптимизационных задач с помощью канонического преобразования

Моделирование предметной области является одним из наиболее важных этапов работ при проектировании программных систем. Немаловажным является комплексность подхода и использование единой унифицированной нотации не только на этапе моделирования предметной области, но и на последующих этапах разработки программной системы. Основными задачами при моделировании предметной области являются описания бизнес-процессов, бизнес-сущностей, сценариев выполнения бизнес-функций, состояний бизнес-сущностей, бизнес-правил. Для разработки системы использовался рациональный унифицированный процесс Rational Unified Process (RUP). Сущность данного процесса заключается в последовательной декомпозиции или разбиении процесса ООАП на отдельные этапы, на каждом из которых осуществляется разработка соответствующих типов канонических UML-диаграмм системы. На первом этапе необходимо представить последовательность действий , выполняемых системой в ответ на событие, инициируе-

мое некоторым внешним объектом (действующим лицом). Это реализуется с помощью иМЬ-диаграммы вариантов использования, рис. 7. При этом, проектируемая система представляется в форме вариантов использования, с которыми взаимодействуют внешние сущности. С точки зрения сервис - ориентированной архитектуры вариант использования служит для описания сервисов, которые система предста&тяет на внешних интерфейсах.

Одним из самых важных элементов ООАП является диаграмма классов, которая служит для представления статической структуры модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования. Диаграмма классов может отражать различные взаимосвязи между отдельными сущностями предметной области, такими как объекты и подсистемы, а также описывать их внутреннюю структуру и типы отношений- Она состоит из множества элементов, которые в совокупности отражают декларативные знания о предметной области. Эти знания интерпретируются в базовых понятиях языка ЦМЬ, таких как классы, интерфейсы и отношения между ними и их составляющими компонентами. Диаграмма классов АСУ композитов и композиционных технологий при использовании методов планирования экспери-

Рис. 6. Диаграмма вариантов использования АСУ технологической подготовки и диагностики композиционных материалов

Кроме того, была построена онтологическая модель предметной области в включающая в себя OWL-диаграмму (рис. 9) и глоссарий терминов для организации базы знаний. Совокупность результатов полученных на данном этапе представляют собой концептуальную модель предметной области, которую можно реализовать под различные платформы с учетом особенностей той или иной технологии, например Java или С++.

Рис. 7. Диаграмма классов системы композитов и композиционных технологий

В четвертой главе описаны особенности моделирования архитектуры АСУ 111 на базе концепции слоев. Разработан новый подход, использующий машину правил и систему управления бизнес — процессами для автоматизации широкого круга задач при производстве композиционных материалов.

В настоящее время отсутствуют какие-либо алгоритмизированные системы позволяющие реализовать комплексную автоматизацию и управление процессами моделирования и оценки параметров композиционных материа-

Рис. 8. OWL - диаграмма предметной области

лов. В результате проведенного анализа были установлены основные причины их отсутствия:

1. область композиционных материалов и технологий довольно трудно унифицировать, так как даже в одном технологическом цикле могут использоваться различные методики и модели;

2. производство может вестись как крупной организацией с привлечением больших вычислительных мощностей, так и при единичном производстве с использованием персональной ЭВМ;

3. для обработки параметров производственных процессов используется большое количество аппаратуры, а отсутствие единых стандартов в данной области и использование проприетарных программных продуктов вызывает большие трудности при сопряжении результатов;

4. существующие системы управления используют стандартные методологии, например, MRP, в которых четко обозначены алгоритмы взаимодействия между информационными потоками, а в данной области специфика такова, что информационный поток может менять как свои направления, так и точки входа/выхода информации в зависимости от

параметров полученных на промежуточных стадиях протекания процесса.

На основании вышеизложенного были сформулированы требования и подходы к разработке системы автоматизации и управления процессами моделирования и оценки параметров композиционных материалов:

1. модульный подход к реализации бизнес - логики с использованием стандартов открытых систем, что позволит варьировать методиками и моделями, рассматривая их как кибернетические системы при интеграции;

2. обеспечение интероперабельности системы, что позволит при масштабировании системы сохранить ее функциональные возможности;

3. обеспечение кроссплатформенности как программной, так и аппаратной, что позволит системе функционировать на ЭВМ с различной архитектурой и под управлением различного системного программного обеспечения, а также устанавливать взаимодействие с различной аппаратурой и технологическим оборудованием;

4. обеспечение совместимости со всеми принятыми стандартами хранения данных для сопряжения с существующими программными системами;

5. обеспечение различных режимов работы с системой: многопользовательский, однопользовательский;

6. реализация способов сжатия и трансформации данных, что позволит создавать хранилища информации;

7. использовать для реализации системы программные модули, которые распространяются по свободной лицензии;

8. реализовать возможность взаимодействия с системой при помощи Internet/Intranet технологий;

9. минимизировать трудоемкость процесса сопряжения системы со сторонними модулями.

При проектировании и разработке архитектуры системы использовался подход моделирования слоев. В результате чего в системе были выделены следующие слои: презентационный, бизнесс-логики и физического хранения данных.

Далее разрабатывалась структура с учетом функционального назначения каждого слоя. В результате этого на каждом уровне родительского слоя удалось создать пбдслои определенного функционального назначения, реализация которых не зависит друг от друга. Например, слой графической интерпретации данных реализует различные алгоритмы графических построений и в свою очередь также состоит из нескольких подслоев для построения симплекс-планов, шкалы желательности, графиков многокритериальной оптимизации. При этом родительские слои являются строгими, то есть допустимо взаимодействие только между соседними слоями сверху вниз. Слои, которые входят в состав родительских слоев, являются нестрогими и допускают связи

от вышележащего слоя к нескольким нижележащим слоям (потенциально ко всем), а не только к непосредственному соседу снизу.

Выделение слоев являлось одним из ключевых моментов для анализа и построения архитектуры системы. Слои позволили упорядочить архитектурные модели и, следовательно, упростить их анализ. С архитектурной точки зрения с каждой из разновидностей слоев связаны определенные плюсы и минусы, что позволяет быстро находить и устранять различные архитектурные дефекты. Кроме того, данный подход позволил сделать систему адаптивной к режимам эксплуатации, подбирать модули-компоненты сторонних производителей, а также разрабатывать собственные, исходя из конкретных условий и задач. Реализация сервис-ориентированного подхода базируется на технологии Web-сервисов. Разработанный внешний интерфейс системы представляет собой набор - методов, функционирующих в среде сервера приложений JBoss, который добавлен в виде слоя "Интерфейс Web-сервисов" в существующую архитектуру. В результате пользователи могут обращаться к сервисам без потребности в знании их реализационной платформы. При таком подходе Internet/intranet используется как коммуникационная среда, а для передачи данных применяется протокол SOAP (Simple Object Access Protocol), для определения сервисов - язык WSDL (Web Services Description Language), рис. 10.

Рис. 9. Сервис - ориентированная архитектура системы

Это дало возможность использования технологии управления бизнес-процессами (Business Process Management System - BPMS) при технологической подготовке производства композитов. В данном случае бизнес-процесс-набор методов(сервисов), рис. 11. Из них можно создавать сложные и разнообразные, по используемым методам и длительности, технологические процессы. Очевидно, что план выполнения процесса зависит от полученных промежуточных результатов, которые могут изменять направление его хода, поэтому проблема управления процессами моделирования и оценки параметров композиционных материалов представляется весьма актуальной.

©

!

OWhlltWotAdwiUMC« j

ô

Рис. 10. BPMN - диаграмма процесса оценки инженерных свойств компози-

тов

В рамках технологического процесса с помощью одного метода, вся логика реализуется внутри него. Но при использовании нескольких методов реализация бизнес - логики в рамках одного мета-метода не является целесообразной. Так как это: во-первых, делает систему негибкой, а во-вторых, усложняет ее. Поэтому в диссертации был разработан и реализован следующий подход. Логика выполнения процесса была разбита на два уровня (части). Первый уровень отвечает за реализацию того или иного метода, при этом логика инкапсулируется этим методом и имеет жесткую связь с ним и, фактически, является алгоритмом для выполнения процесса по выбранному методу.

Рис. 11: Схема получения правил для проверки адекватности по критерию Фишера, где: 1 - табличные значения критерия Фишера; 2 - правила для определения значений критерия Фишера, в виде таблиц решений в формате табличного процессора MS Excel; 3 - UML-класс сущности для выполнения правила; 4 - Java-ioiacc сущности (JavaBean) для выполнения правила; 5 - Web - приложение для управления правилами.

Второй уровень отвечает за общий алгоритм протекания процесса, не имеет жесткой связи с тем или иным методом и формируется исходя из конкретных условий производства. Бизнес-логика второго уровня системы была вынесена на машину правил JBoss Drool. Такой подход расширяет возможности пользователей и экспертов предметной области, упрощая изменение и управление правилами. Схема разработки бизнес-правил для проверки адекватности по критерию Фишера представлен на рис. 12. Правила могут часто изменяться, а ввод новых и изменение существующих правил непосредственно в слое бизнес-логики приложения усложняет дальнейшее его обслуживание. Машина правил реализуется с использованием сервис-ориентированной

архитектуры и является частью общей БОА инфраструктуры системы, рис. 13.

! Web-service API

Appkaboo S«nw JBOSS

aKMS NfKMM !0Г0»К-»Ьптв( ScíentificRules

| «roelt-f«eotitary (РооНчстфАс* |RsherAdequacy| í

j K* fpckrtbbrt] i

хранилище правил на внешнем носителе:

scientific.pkg

Рис. 12. Архитектура модуля сервисов бизнес-правил

Функциональная схема взаимодействия системы по разработанному подходу представлена на рис.14. Методика реализации моделирования выглядит следующим образом:

1. Формируется план в виде бизнес-процесса, используя Web - сервисы методов процесса системы.

2. Логика протекания процесса, в зависимости от полученного результата на предыдущем методе, формируется в виде таблиц решений на машине бизнес-правил.

3. При запуске бизнес-процесса результаты каждого метода анализируются путем вызова метода правил, в результате чего формируется направление протекания бизнес-процесса.

1

1V

Мшима бюиее njuaua

Язк

Метода мселсдшжмй

Рис. 13: Схема взаимодействия элементов логики при выполнении моделирования и оценки композитов

Пятая глава посвящена решению информационных задач.

Интеграция разнородных гетерогенных данных является одной из старейших и до конца не решенных задач в области разработки баз данных и АСУ. Она заключается в создании программного обеспечения, обеспечивающего возможность унифицированного доступа к этим данным как-будто бы они имели единое логическое и физическое представление. Используя методы системного анализа и технологию объектно-ориентированной разработки прикладных программных систем, установлены структурные аспекты данных в технологическом процессе с помощью методов математической теории планирования эксперимента и реализовано их физическое хранение средствами технологий Java и XML. Это позволило решить следующие проблемы: хранение гетерогенной информации, переносимости полученных данных, создание на их основе отчетов и вывода их на печать, разработку "дружественного" пользовательского интерфейса, рис. 15.

Работа с системой подразумевает оперирование большими массивами данных при их вводе, промежуточной обработке и интеграции с другими системами. Поэтому выбор стратегии организации способов их промежуточного хранения является важным аспектом, так как в конечном итоге это определяет работоспособность всей системы. Например, используя стратегию сохранения всех промежуточных данных в СУБД можно обезопасить систему от потери данных в результате сбоя, но при этом будут нерационально использоваться машинные ресурсы. Поэтому за основу была принята стратегия оперативной обработки данных и сохранение в СУБД только значимых и необходимых из них. Для этого была разработана специальная библиотека Qt, представляющая собой интерпретатор языка SQL. Разработаны алгоритмы, которые позволили увеличить производительность обработки промежуточных данных, а также получить экспериментальное подтверждение правильности выбранного подхода. По скорости выполнения запросов Qt сопоставим с СУБД MySql, а из-за отсутствия необходимости передачи данных через мост JDBC и чтения с диска даже показывает более высокое быстродействие.

Преимущества процесса стандартизации, организующего разработку любого объекта и, в частности, ИТ-системы общеизвестны. Однако анализ имеющихся нормативных документов показал, что сегодня, практически, невозможно найти стандарт, который бы устанавливал общую структуру, охватывающую жизненный цикл программных средств от концепции замыслов через определение и объединение процессов для заказа и поставки программных продуктов и услуг, а также обеспечивал возможность контроля и модернизации данных процессов. Как правило, эти процессы образуют множество общего назначения. Поэтому одна из важных задач заключается в выборе соответствующего подмножества процессов.

Кроме того, существующие стандарты описывают архитектуру процессов жизненного цикла программных средств, но не определяют детали реализации или выполнения работ и задач, входящих в данные процессы. Также

они не предназначены для определения наименований, форматов или подробного содержания выпускаемой документации, а только требуют

.«аор Л2ЙЗ XI . : X? ХЗ Опят V* <¿»4, VI ЗнКС»М От»Р*У?

, 9.' ¡1 20 > пи 4550 0023

г 3 30 4 VI22 6 Г-<233 ...,«о .50 ю • 96 4 90 УЗ ' I '«: }ЗЙЗ$ 46МКИ . 53333Ш !« Ь6ШЙ5 ¡V!» • 90 ,3 3333333 6(>ОЫ5 '«33 114? •«51 1160 »3 мг 114Г0 "1:520 ' 15 75 У2 Ю >122 •0033 £ЙГ оэ*

иго 440 № Я 7$ "15 Л •20925 .-9вТ5 /133 ^233 5? 3' 5 0243

3 9" Х223 : 94 ««¿4 :<....... '■4 333333 Ш »155 а'.?.. . УИЗ Г0ФЗ*

, 90 486666«. 4 333333 ^3 11« а» 186 '5 У723 0055 -

-.пг-и.-У- гпп >

Рис. 14. Основные элементы пользовательского интерфейса

разработки документов одного класса или типа, например, различных планов, но не предусматривают, чтобы такие документы разрабатывались или комплектовались раздельно или совместно. Решение этих вопросов оставлено на усмотрение разработчиков и должно согласовываться с заказчиком. В связи с этим в работе выполнен анализ существующего комплекса стандартов и приведены рекомендации по его возможной доработке.

Доказано, что существующая нормативно-техническая документация, регламентирующая процесс создания программного обеспечения, не учитывает современных технологий разработки программных продуктов и инструментальных средств для их реализации. Это, в первую очередь, связано с довольно бурным развитием средств проектирования и разработки. Кроме того, в регламентирующих документах довольно трудно учесть специфику предметной области.

Особенно существенно отсутствие данных документов ощущается на стадиях системного анализа и предварительного проектирования, которые, как известно, являются основополагающими при разработке программных продуктов. В частности, это касается выбора технологии и методологии объектно - ориентированной разработки и выбора СА8Е-систем.

В шестой главе приведены результаты модельных исследований, а также сравнительный анализ результатов исследований по данным представленным различными авторами в научных изданиях. Также представлены оригинальные методики исследования многокомпонентных систем (более трех компонентов) с помощью плоских псевдосимплексных планов.

Традиционно методика симплекс-решетчатого планирования используется для исследования систем "состав-свойство". Однако с точки зрения практики и расширения области использования этого метода, вызывают большой интерес исследования влияния технологических и эксплуатационных параметров на самые различные технико - экономические показатели конечного продукта.

Как одно из эксплуатационных свойств, была исследована деформация ползучести при нормальной нагрузке антифрикционного полимерного покрытия, сформированного на основе саржи 1/1 с 67% политерафторэтилена (ГГГФЭ). В этом композиционном покрытии толщиной 0, 33 мм используется связующее марки ГИПК-114 как матричный материал и адгезив для закрепления покрытия на субстрате. Экспериментальная установка представлена на рис. 16. Эксплуатационными параметрами были напряжения а в диапазоне 4,9 - 98,1 МПа и температура - Т=22-200 °С. Процесс ползучести продолжался 6 часов (360 мин.). В качестве выхода экспериментальных исследований использовалась относительная (по отношению к толщине покрытия) деформация ползучести (е). Одновременно определялись мгновенный и равновесный модули первого рода ( Е0 и Е„ ) и постоянная времени ползучести т. Средняя погрешность модели 8 = 4,71 %. Проверка адекватности модели с помощью традиционных методик дала положительные результаты. Графическая интерпретация результатов представлена на рис. 17.

Для исследования q- компонентных систем (более трех компонент) используют полином соответствующей степени. При таком подходе невозможно получить общую картину влияния всех входных параметров на исследуемое свойство в плоскости чертежа. Это связано с тем, что основные расчеты по определению коэффициентов полинома на плоскости выполняются при уче-

те взаимодействия только трех компонент, при этом остальные компоненты находятся в относительном нуле. Далее, путем последовательного перебора и подстановки исходных компонент рассчитывают коэффициенты соответствующих взаимодействий.

Рис. 15: Схема установки для исследования вязко - упругого поведения антифрикционных покрытий

хз

Рис. 16: Изменение ресурса в зависимости от эксплуатационных параметров

Где: XI - нормальное контактное напряжение на проекцию вала (а); Х2 - скорость скольжения (вращения) (V); ХЗ - температура (Т); Х4 - весовая доля ПТФЭ (С).

Таким образом, с помощью интерполяции можно установить характер изменения исследуемого параметра на симплекс-решетчатом плане для различных сочетаний трех компонент, без учета влияния остальных. Однако, несмотря на то, что существуют методы приведения многокомпонентных си-

стем к трехкомпонентной, это не позволяет получить наглядную общую картину влияния всех факторов в виде какой - либо графической интерпретации на плоскости.

В работе приведены методики и результаты исследования ресурса (Я) полимерного композиционного покрытия, сформированного на основе саржи 1/1 с политетрафторэтиленовыми (ПТЭФ) нитями в узле трения с диаметром вала 14мм. В качестве переменных эксплуатационных факторов использовали: средние (на проекцию) нормальные контактные напряжения о в диапазоне 4,9 - 50 МПа, скорость скольжения (вращения) V = 0,083 - 0,214 м/с, температура Т = 60 - 170°С (333 - 443 измеряемая в 10"2 К), и весовая доля ГГГФЭ С=35,7 - 66,9%. Для графической интерпретации результатов исследования было решено использовать псевдосимплекс на основе четырехугольника - квадрата.

Графическая интерпретация полученных результатов исследования позволила выявить стационарные области для диапазона значений ресурса, рис. 18. Область максимальных значений характеризуется невысокой скоростью скольжения и минимальной температурой при максимально весовой доле ПТФЭ и нагрузке.__

Рис. 17. Изменение деформации ползучести в зависимости от эксплуатационных параметров

Использование такого подхода при производстве подшипников из антифрикционного композита на ряде предприятий ВПК, по сравнению с применением металлофторопластовой ленты, позволило увеличить ресурс узла трения более чем в два раза.

На следующем этапе данная методика была опробована на эмпирической модели, описывающей взаимосвязь параметра шероховатости поверхности деталей из стали ШХ15 при обработке торцевым фрезерованием. Графическая интерпретация результатов была выполнена на четырех - и пятиугольном псевдосимплексах, рис. 19, 20. При построении четырехугольного псев-одс-имплекса в качестве константы был принят передний угол зубьев фрезы

у= 5°. Средняя погрешность в обоих случаях не превышает 1%. Это подтвер-

логических параметров

Таким образом, использование данной методики позволяет на плоскости чертежа наглядно представлять характер изменения любых многофакторных систем. И при дальнейшем развитии этого направления исследований минимизировать количество опытов для получения коэффициентов полиномиальной модели за счет введения в нее дополнительных коэффициентов.

v

Рис. 19. Изменение состояния поверхностного слоя в зависимости от технологических параметров при постоянном у=50

Далее приведены результаты диагностики композиционных материалов на основе промышленных железных порошков с содержанием 0,5% графита (спеченные стали). Это распыленный порошок марки ASC 100.29, восстановленный порошок марки ПЖВ2.160.26, ПЖВЗ.160.26, ПЖРВ4.200.26 (ГОСТ 9849-86) с помощью обобщенного показателя качества. Такой подход позволяет оперативно произвести диагностику технических систем (в приме-

ре дисперсных) и выбрать оптимальный по качеству вариант как составляющих исходных компонент, так и технологических параметров. А если учесть легкую возможность введения или исключения из рассмотрения того или иного частного отклика по ходу проведения исследований и накопления информации, то становится ясным, что обобщенный параметр можно использовать в качестве критерия для оценки широкой гаммы разнообразных по свойствам и требованиям технических объектов и процессов. Общие выводы

1. Разработана и сформулирована общая структура основных этапов методологии создания автоматизированной информационной системы в области композиционных технологий, включающая: декомпозицию и системный анализ частных задач, их алгоритмическое обеспечение на основе численных методов, математической теории планирования эксперимента и математической статистики. Выбрана программная платформа для их реализации на базе стандартов открытых систем, а также построены и исследованы модели для оценки инженерных свойств композиционных материалов. Это позволяет снизить временные затраты на разработку подобных систем в смежных предметных областях и сократить время простоя технологического оборудования.

2. Реализованы алгоритмы моделирования инженерных свойств композиционных материалов на базе математической статистики (дискриминация входной информации), математической теории планирования экспериментов (двухуровневый полнофакторный эксперимент, методы симплекс планирования) и других численных методов, позволившие решить интерполяционные, оптимизационные и прогностические задачи, что повышает эффективность технологических процессов при их производстве.

3. Разработан новый метод графической интерпретации результатов диагностики композитов и деталей из них в виде правильных многоугольных псевдосимплексов, обеспечивающий наглядное графическое представление взаимовлияния параметров технологического процесса на плоскости, при числе переменных факторов более трех. Метод позволяет снизить трудоемкость и время выполнения операции за счет уменьшения количества экспериментов при реализации контроля качества в ходе производства композитов и деталей из них.

4. Реализована структурно-параметрическая модель, на основе которой создана сервис-ориентированная архитектура распределенной системы оперативной обработки и управления технологическими параметрами процесса, в виде набора взаимодействующих сервисов. Это позволило адаптировать систему к конкретным условиям промышленного производства, легко и оперативно выполнять процесс смены технологических режимов и оптимизировать комбинацию элементов, входящих в

состав композиционных материалов, расширяя ее функциональные возможности.

5. Создан модуль на базе стратегии оперативной обработки больших массивов данных технологического процесса, полученных при автоматическом или ручном режиме их ввода в виде библиотеки Qt, представляющей собой интерпретатор языка SQL. Разработанные алгоритмы позволили увеличить производительность обработки промежуточных данных. Получено экспериментальное подтверждение правильности выбранного подхода по сравнению с традиционным взаимодействием через JDBC с существующими платформами СУБД.

6. Получен новый подход к организации управления процессами технологической подготовки и производства композиционных материалов за счет непрерывного мониторинга основных параметров, при котором логика управления процесса выносится на машину правил и является неотъемлемой частью SOAP - инфраструктуры системы. Это позволяет использовать систему в условиях гетерогенной вычислительной среды и реализовать децентрализованную обработку данных, увеличивая эффективность использования системных ресурсов.

7. Создан комплекс проблемно-ориентированных кроссплатформенных программных модулей на базе стандартов открытых систем и технологий UML, Java, JBoss, Web-сервисов, BPEL для автоматизации и управления процессами технологической подготовки производства композиционных материалов и деталей из них. Это позволяет довольно легко интегрировать полученный комплекс в состав практически любой АСУТП.

8. Произведена оценка эффективности использования комплекса существующих стандартов, представлены рекомендации по его доработке и разработана типовая технологическая схема проектирования автоматизированной информационной системы с помощью современных средств и методологий. В результате установлена номенклатура документов, которые необходимо скорректировать с учетом специфики предприятий и современных технологий и выдвинуты предложения по их доработке.

9. Экспериментально подтверждена эффективность разработанной автоматизированной информационной системы на ряде технических объектов в промышленном производстве. Результаты апробации включают модели технических систем, таких как порошковые и полимерные композиционные материалы и процессы их обработки и эксплуатации.

Основные публикации по теме диссертации Монографии

1. Жмайлов Б.Б. Методология разработки интеллектуально - исследовательских систем моделирования и оценки параметров композиционных

материалов: монография/ Б.Б. Жмайлов - Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2010 - 190 с.

2. Жмайлов Б.Б. Интеллектуальные системы в управлении производственными и технологическими процессами: монография/ И.В. Богуславский, А.К. Тугенгольд, Е.А. Лукьянов, Л.В. Борисова, Н.М. Серуб-лова, В.П. Димитров, С.М. Харахашьян, Б.Б. Жмайлов, П.В. Александров - Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2010 - 182 с.

3. Жмайлов Б.Б. Теоретические и практические аспекты управления процессами в системе менеджемента качества: монография/ В.П. Димитров , Л.В. Борисова, Б.Б. Жмайлов - Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2009 - 186 с.

Учебные пособия

4. Жмайлов Б.Б. Программирование на ассемблере для персональных компьютеров: учебно пособие/ Б.Б. Жмайлов , H.H. Садовой - Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2001 - 60 с.

5. Жмайлов Б.Б.Управление процессами: учебное пособие/В.П. Димитров , Л.В. Борисова, П.П. Куненков, Б.Б. Жмайлов - Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2008 - 76 с.

6. Жмайлов Б.Б.Введение в системный анализ: учебно пособие/В.П. Димитров, Л.В. Борисова, Б.Б. Жмайлов - Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2010-85 с.

Статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК

7. Жмайлов Б.Б. Способы реализации средствами СУБД Access и VBA алгоритма определения распространенности и глубины ожоговых ран -'Б.Б. Жмайлов, Б.В. Соболь //Вестник ДГТУ, 2002 - Т.2, №2(12), с.61-65.

8. Жмайлов Б.Б. Объектный подход при разработке открытой информационной системы для исследования свойств многокомпонентных сме-сей/'Б.Б. Жмайлов// Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2005. - №11, с. 22-27

9. Жмайлов Б.Б. Термосинтез в вибрирующем слое дисперсных микрокомпозитов как метод создания функциональных порошковых материалов нового поколения/ Б.Б. Жмайлов, В.Г. Люлько, К.К. Шугай, Д.В. Олейников//Вестник ГОТУ. Проблемы современных материалов и технологий. - Пермь, 2005. - Вып. 11, с.35-49.

Ю.Жмайлов Б.Б. Преимущества и недостатки разработки Java-программ без использования ШЕ-средств/Б.Б. Жмайлов// Вестник компьютерных и информационных технологий.-2006. - №6, с.40-42.

11.Жмайлов Б.Б. Реализация хранения экспериментальных данных средствами Java и XML/Б.Б. Жмайлов// Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2006. - №10, с. 46-53.

12.Жмайлов Б.Б. Диагностика дисперсных систем с помощью обобщенного показателя качества./Жмайлов Б.Б., Люлько В.Г.//Контроль, Диагностика. -2006 .-№12, с. 44-48

13.Жмайлов Б.Б. Реализация принципов проектирования и анализа свойств поликомпонентных композиционных материалов./Люлько А.В., Жмайлов Б.Б.// Вестник ДГТУ, 2007, т.70,№1 (32), с.25-30.

И.Жмайлов Б.Б. Способы переноса баз данных между различными субд на примере транзита с Microsoft SQL Server Express 2005 на MySQL 5.0/ Б.Б. Жмайлов //Вестник компьютерных и информационных технологий.- 2007. -№5, с. 38-43.

15.Жмайлов Б.Б. Адаптивное проектирование и тестирование многокомпонентных композиционных материалов по симплексным диаграммам «состав-свойства»/Б.Б. Жмайлов, А.В. Люлько, А.В. Бровер// Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 9, с. 53-56.

16.Жмайлов Б.Б, Эффективные процедуры реализации выгрузки больших массивов данных на стороне клиента с помощью компонент Hibernate и Java/ Б.Б. Жмайлов //Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2007. - №10, с. 41-49.

17.Жмайлов Б.Б. Информационно-аналитические аспекты организации получения порошковых микрокомпозитов на основе железа/Б.Б. Жмайлов, А.В.Люлько, В.В.Гриценко , В.Г.Люлько // Вестник ДГТУ, 2008, т.8,№4 (32), с. 120-126

18. Жмайлов Б.Б. Построение онтологии технического сервиса в агропромышленном комплексе /В. П. Димитров, JI. В. Борисова, Жмайлов

Б.Б.// Вестник ДГТУ, 2011, т.11,№10 (61), с.1771-1779.

Основные публикации в других издания

19.Жмайлов Б.Б. Физико-химические закономерности микрофазного легирования в вибрирующем слое железных и медных порошков элементами III-IV групп для создания оригинальных конструкционных и электротехнических порошковых материалов// Б.Б. Жмайлов, В.Г. Люлько, Хлебунов С.А. [и др.] Проект 202.05.01.026 (N гос. регистр. 01.20.03.08241) Функциональные порошковые материалы: в сб. ст. по проектам подпрограммы 202 "Новые материалы" Минобр. РФ за 2003г., с. 30-33.

20.Жмайлов Б.Б. Новые источники сырья для производства качественных железных порошков/Малофеева С.А., Люлько В.Г, Жмайлов Б.Б., Анку-динов П.Ю.//Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении: материалы Ш междунар. науч.-техн. семинара, 25-27 февр. - Киев, 2003, с. 41-44.

21. Жмайлов Б.Б. Развитие метода микрофазного легирования в вибрирующем слое железных порошков и создание на их основе модифицированных порошковых материалов/ Б.Б. Жмайлов, В.Г. Люлько,С.А. Ма-лофеева, С.А. Хлебунов, А.Г. Краснобаев// Отч. по проекту 202.05.01.026 (N гос. регистр. 01.20.03.08241) в сб. ст. по проектам подпрограммы 202 "Новые материалы" Минобр. РФ за 2004г. Вып.2 -Пермь, 2004, с. 63-67, 86-87.

22. Жмайлов Б.Б. Алгоритм построения системы оценок свойств порошковых материалов по симплексным 2D/3D диаграммам 'состав-свойство' на Java - платформе /Б.Б. Жмайлов, В.Г. Люлько, И.Е. Артамонов //Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике: тез. Докл. Междунар. конф., 8-12 сент.- Киев, 2003, с. 30-31.

23. Жмайлов Б.Б. Концепция моделирования свойств порошковых материалов по эмпирико- статистическим симплексным диаграммам/Люлько В. Г., Жмайлов Б.Б., Хлебунов С. А., Лебедев А. О., Платонов Д. В//Технологии получения и применения порошковых и композиционных функциональных материалов: сб. тр. науч.-техн. конф. и науч.-практ. семинара, 16-18 сент. / Южно-Рос. Экспоцентр. - Ростов н/Д, 2003, с.84-87.

24. Жмайлов Б.Б. Технологическое обеспечение рациональной переработки композиционных материалов на основе адаптивного компьютерного дизайна системы «Состав-свойство-техлогия» /Б.Б. Жмайлов, В.Г. Люлько, С.А. Хлебунов, И.Е. Артамонов//Акутальные проблемы кон-структорско — технологического обеспечения машиностроительного производства: материалы Междунар. конф., 16-19 сентУ Волг! ТУ. -Волгоград, 2003. - 411, с. 240-243.

25. Жмайлов Б.Б. Оптимизация изготовления порошковых материалов по результата симплексного планирования по диаграмме "состав-свойства"/ Жмайлов Б.Б., Люлько В.Г., Хлебунов С.А. Артамонов И.Е.//Технологическое управление качеством поверхности деталей машин: материалы Междунар. науч. конф., 11-13 нояб. - Киев, 2003, С. 97101.

26.JmaiIov В.В. Computer Design and Technological Maintenance of Composite Powders Manufacturing on Functional dependences in threefold Sys-tem/Lyulko V. G., Jmailov B.B., Zakharova.O.A.//Euro PM 2003: Proceeding European Conference on Powder Metallurgy, Octovber 20-22nd. - Valencia, 2003,- Vol. 3, p. 134-138.

27. Жмайлов Б.Б. Подбор и анализ составов и свойств порошковых материалов по функциональным зависимостям в тройных системах компо-зиций/Люлько В. Г.,Жмайлов Б.Б., Хлебунов С. А.// Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка: материалы докл. 6-й междунар. науч.-техн. конф., 6-7 апр. - Минск, 2004, с. 49-51.

28. Жмайлов Б.Б. Особенности формирования кадра протокола МОБВиЗдля режима RTU / Жмайлов Б.Б. //Технологии Sun Microsystems: тез. докл. II Междунар. науч.-техн. конф. /ДГТУ,. Ростов н/Д. 2004, с. 137-141.

29. Жмайлов Б.Б. Проектирование и разработка открытой информационной системы для удаленного сбора информации /Жмайлов Б.Б.//Знерго-

и ресурсосбережение - ХХ1зек.: сб. материалов 11-ой Междунар. науч,-практ. интернет-конф./ ОрёлГТУ. - Орел, 2004, с. 51-52.

30. Жмайлов Б.Б. Предварительный анализ и выбор Fe-P композиционных порошков для изготовления спеченных магнито-мягких материалов /Люлько В.Г., Жмайлов Б.Б.//Новые материалы и технологии: материалы докл. 6-й Междунар.науч.-техн. конф., 6-7 апр. - Минск, 2004, с. 6769.

31.Jmailov B.B.Algorithm of Selection the Powder Material Compositions from Empirical-Statistical Diagrams «Composition-Properties»/ Lyulko V. G, Jmailov B.B., Zakharova. O.A., Malofeeva S. A.//Euro PM - 2004: Congress and Exhibition "Powder Metallurgy", 17-21 Sept., - Vienna 2004, Proc. Vol.3, p. 375-381.

32. Жмайлов Б.Б. 3D/2D - дизайн и новая технология изготовления порошковых цельнопрессованных элементов электродвигателей/Люлько

B.Г.Малофеева С.А. Артамонов НЕ.// Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) - 2004: сб. науч. тр., 20-23 сент. -Волгоград, 2004. - Т.1, Секц. "Наноматериалы и технологии", с. 71-73.

33. Жмайлов Б.Б. Приложение графоаналитического метода анализа порошковых материалов по симплексным диаграммам к практическим задачам/ Жмайлов Б.Б., Люлько А.В., Иванова А.А., Хлебунов

C.А.//Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении: материалы 5-го Междунар. науч.-техн. семинара, г. Свалява, 22-24 февр. -Киев, 2005, с. 50-53..

34.Жмайлов Б.Б. Контроль знаний с помощью открытой информационной системы для исследования свойств многокомпонентных сме-сей/Жмайлов Б.Б.//Развитие методов и средств компьютерного тестирования: материалы 3-ей Всерос. науч.-метод. конф., 20-21 апр. / МГУП. -М., 2005, с.93-95.

35. Жмайлов Б.Б. Развитие метода термосинтеза в вибрирующем слое композиционных порошков с наноразмерными эффектами/Люлько В.Г, Жмайлов Б.Б., Краснобаев А.Г, Хлебунов С.А,.Борков А.В//Прогрессивные процессы порошковой металлургии: сб. докл. междунар. науч.-техн. симп., проводимый в рамках 10-й междунар. выст, "Порошковая металлургия-2005", 30 марта - Минск, 2005, с. 111116.

36. Жмайлов Б.Б. Разработка библиотеки QL средствами Java2 для обработки данных в компоненте JTable /Жмайлов Б.Б., Демьяненко А.Г.//Математические методы в технике и технологиях - ММТ - 18: сб. тр. XVIII Междунар. науч. конф.: В ЮтЛСГТУ. - Казань, 2005. - Т. 8,, С.164-166

37.Жмайлов Б.Б. Объектный подход при планировании эксперимента в порошковой металлургии/ Жмайлов Б.Б.//Математические методы в

технике и технологиях - ММТ - 18: сб. тр. XVIII Междунар. науч. конф.: в 10 т. / КГТУ. - Казань, 2005. - Т. 8, с. 207-208.

38.Жмайлов Б.Б. Система планирования эксперимента с помощью симплексных решеток/Жмайлов Б.Б. // PC Magazine Russian edition. - 2005 -№4, с. 136.

39.Жмайлов Б.Б. Основные принципы создания информационно - аналитической системы анализа многокомпонентных порошковых материа-лов/Жмайлов Б.Б., Люлько А. В., Смирнов С. С., Иванова А. А.// Прогрессивные технологические процессы в металлургии и машиностроении. Экология и жизнеобеспечение. Информационные технологии в промышленности и образовании: сб. тр. науч.-техн. конф., 7-9 сент. -Ростов н/Д, 2005, с. 110-113.

40. Jmailov B.B. Development of method PC - analysis of powder materials under simplex diagrams "Mixing-Technology-Properties" /Lyulko V.G, Jmailov B.B., Krasnobaev A.H., Barkov A.V, .Babets A.V., Smirnov S.S.//EURO PM 2005: Proceedings Congress and Exhitibition, October 2-5. -Prague, Czech Republic, 2005, p. 395-400.

41. Жмайлов Б.Б. Разработка основных принципов построения информационно-аналитической системы исследования многокомпонентных порошковых материалов /Жмайлов Б.Б., Люлько A.B., Смирнов С.С., Иванова A.A., Хлебунов С.А.//Современные проблемы машиноведения и высоких технологий: тр. Междунар. науч. - техн. конф.,посвящ. 75 -летаю ДГТУ. - Ростов н/Д, 2005. - Т. Ш, с.113-120.

42.Жмайлов Б.Б. Выбор и использование критериев свойств многокомпонентных смесей по диаграммам «комбинации состава-свойства»/Жмайлов Б.Б. Люлько В. Г., Дрягина М. П., Педько А. Г.//Инженерия поверхности и реновация изделий: материалы 6-го Междунар. науч.- техн. конф., г. Ялта, 30 мая -1 июня. -Киев, 2006, с.73-76.

43. Жмайлов Б.Б. Разработка критериев оптимизации свойств порошковых композиций по симплексным диаграммам «комбинации состава-свойства» /Жмайлов Б.Б. //Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия: материалы докл. 7-ой Междунар. науч. тезхн. Конф., 16-17 мая.- Минск, 2006, с. 71-72.

44.Жмайлов Б.Б. Информационно- аналитические приемы создания обобщенного показателя качества порошковых многокомпонентных материалов/ Жмайлов Б.Б.,Люлько А. В., Смирнов С. С..Краснобаев А. Г., Малофеева С. А.// Современные тенденции развития металлургической, машиностроительной и станкоинструментальной промышленности в рамках промышленного конгресса Юга России и междунар. спе-циализир. выставки «Метмаш. Станкоинструмент — 2006»: сб. тр., 6-8 сент. - Ростов н/Д, 2006. - Секц. 5, с.27-30.

45.Жмайлов Б.Б. Построение системы оценок качества композиционных материалов по плоским симплексным диаграммам/Жмайлов Б.Б., Люлько А. В.//Стратегия качества в промышленности и образовании = Stra-tegy of Quality in Industry and Educa-tion: материалы III Междунар. конф., 1-8 июня. - Днепропетровск; Варна. - 2007. -Т.1, с. 74-76.

46. Жмайлов Б.Б. Критерии подбора и оптимизации свойств порошковых материалов по симплексным диаграммам и функции желательности /Жмайлов Б.Б., Люлько А.В.//Порошковая металлургия: республ. межведом. сб. науч. тр. - Минск, 2007. - Вып. 30. - с. 95-100.

47. Жмайлов Б.Б. Некоторые прикладные результаты реализации принципов проектирования поликомпонентных композиционных материалов на симплексных диаграммах /Жмайлов Б.Б., Люлько А.В.//Порошковая металлургия в автотракторном машиностроении. Сварка и резка материалов: материалы, технологии и оборудование для нанесения функциональных защитных покрытий: сб. докл. - Минск, 2007, с. 87-89.

48. Jmailov В.В. Selection of powder materials properties under diagrams "mix - property" with reference to manufacture of the loaded constructional products (тез. На ант. яз.)/ЬуиГко V.G, Jmailov B.B., Mosca E. Barkov A.V.// HighMatTech - 2007: Proceeding of conference, 15 -19 oct. - Kiev, 2007, p. 205.

49. Жмайлов Б.Б. Интеграция экспериментальных данных при исследовании многокомпонентных систем дисперсных материалов/Жмайлов Б.Б.//Инновационные процессы пьзоэлектрического приборостроения и нанотехнологий: труды VI междунар, науч.-техн. конф. - Анапа. - 2008, с. 225-227.

50.Жмайлов Б.Б. Использование системы управления бизнес-процессами (BPMS) при организации самостоятельной работы/Жмайлов Б.Б. Димитров В. П., Хубиян К. Г.// Педагогический менеджмент и прогрессивные технологии в образовании: сб. ст. XVII междунар. науч.-метод. конф. - Пенза, 2009, с.57-60.

51.Жмайлов Б.Б. Некоторые способы взаимодействия технологий ВРМ и 1С/ Жмайлов Б.Б., Димитров В.П., Александров П.В.//Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики: науч. тр. XII междунар. науч.- практ. конф ./МГУ ПИ. - М., 2009, с. 5-8.

52.Жмайлов Б.Б. Использование технологии JSR-168 при разработке кафедрального портала/Жмайлов Б.Б., Александров П.В., Кочнев C.B., Димитров В. П.// Современные информационные технологии в образовании: материалы СИТО / ЮФУ. - Ростов н/Д, 2010, С. 19-20.

53. Жмайлов Б.Б. Информационное обеспечение систем менеджмента качества с помощью технологий Active VOS/ Жмайлов Б.Б., Александров П.В., Кочнев C.B. Лэзли Минасиан, Гарри Арк//Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения,

авиастроения, транспорта и сельского хозяйства: нуч. труды IX между-нар. науч.-техн. конф/ - ИЦ ДГТУ, Ростов н/Д 2010, с.1079-1082.

54.Жмайлов Б.Б. Способы обработки исключительных ситуаций при управлении бизнес - процессами с помощью ВРМ-системы ActiveVOS/Жмайлов Б.Б., Кочнев C.B. Лэзли Минасиан, Гарри Арк//Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства: нуч. труды IX междунар. науч.-техн. конф/ - ИЦ ДГТУ, Ростов н/Д 2010, с. 1097-1101.

55. Жмайлов Б.Б. Использование ВРМ-системы в научных исследовани-ях/Жмайлоз Б.Б., Александров П. В., Борисова Л.В.//Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики: науч. тр. ХП междунар. науч.- практ. конф./МГУПИ. - М., 2010, с. 121124.

56.Жмайлов Б.Б. Особенности реализации бизнес-процессов с помощью BPMN-нотации/Жмайлов Б.Б., Димитров В. П., Кочнев C.B.// Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики: науч. тр. XII междунар. науч.- практ. конф./МГУПИ. - М., 2010, с.124-127.

57.Жмайлов Б.Б. Концепция организации курсового проектирования по дисциплине "Управление процессами" с помощью ВРМ-системы Active VOS/ Александров П.В., Димитров В. П.// Научн.-техн. международная конф. "Системы, методы, техника и технологии обработай ме-диаконтента": сб. тез., 25-27 окг. / МГУПИ. - М., 2011, с.5-8.

58. Жмайлов Б.Б. Моделирование технологических процессов на основе псевдосимплексных экспериментальных планов / Александров П.В., Иванов С.И., Кохановский В.А.//Системный анализ, управление и обработка информации: Труды 1-го междунар. семинара студентов, аспирантов и учёных 27-29 сентября Ростов н/Д, 2010 г., с.47-52.

59.Жмайлов Б.Б. Реализация системы поддержки исполнения на базе технологии JBoss Drools/Жмайлов Б.Б., Зайченко К.А., Севостьянова П.Л., Димитров В.П.//Современные информационные технологии в образовании: материалы СИТО / ЮФУ. - Ростов н/Д, 2012, с. 137-138.

Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ

60.Жмайлов Б.Б. Проектирование многокомпонентных порошковых материалов по симплекс-диаграммам и оптимизация их свойств/Жмайлов Б.Б. Краснобаев А.Г., Люлько А.В.,Демьяненко А.Г.//Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005611223. -2005610655; заявл. 04.04.05; зарег. 25.05.05

61.Жмайлов Б.Б. Компьютерное моделирование функциональных характеристик многокомпонентных материалов по симплекс-диаграммам "со-став-свойство"/Люлько В.Г., Жмайлов Б.Б.,Краснобаев А.Г., Люлько А.В.,Хлебунов С.А.//СвидетельстЕо об официальной регистрации про-

граммы для ЭВМ N<>2005611224. - 2005610655; заявл. 04.04.05; зарег. 25.05.05

62.Жмайлов Б.Б. Программа расчета симплекс-центроидных и симплекс-решетчатых планов тестирована состава дисперсных сред/Жмайлов Б.Б., Люлько В.Г.//Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005611225.- 2005610655: заявл. 04.04.05; зарег. 25.05.05

63. Жмайлов Б.Б. Компьютерное моделирование многокомпонентных систем с помощью псевдосимплексных диаграмм на базе многоугольников/ Александров П.В, Кохановский В.А., Сергеева М.Х., Жмайлов Б.Б.//Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ Хо2011611211.-2010617853; заявл. 13.10.10; зарег. 4.02.11

Подписано в печать 28 декабря 2012 Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ № 34

ТЕХПОЛИГРАФЦЕНТР Россия, 126319 , г. Москва, ул. Усиеаича, д. Тел.: 8-916-191-08-51 Тел./факс (439) 152-17-71 ь-таП: 7tpc7@mail.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет»

0&2013 ¡54)318

ЖМАЙЛОВ БОРИС БОРИСОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: Доктор технических наук, профессор Кохановский В.А.

Ростов-на-Дону 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................... 4

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

1.1. Современные композиционные материалы................................ 9

1.2. Композиционные технологии....................................................... 15

1.3. Математические методы моделирования в композиционных технологиях........................................................................................... 28

1.4. Автоматизированные системы управления в области композиционных технологий........................................................ 33

1.5. Цель и задачи исследования.......................................................... 44

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

2.1. Концепция системы в области композиционного материаловедения................................................................................. 46

2.2. Информационно — коммуникативное пространство при технологической подготовке производства композиционных 55 материалов ...............................................................................

2.3. Системная методология производства композиционных материалов........................................................................................... 61

2.4. Модельная парадигма жизненного цикла АСУ композитов и композиционных технологий.......................................................... ^

2.5. Выводы............................................................................................ 78

ГЛАВА 3. СТРУКТУРНАЯ И ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ

3.] Моделирование в системных исследованиях............................... 80

3.2 Модели порождения данных.......................................................... 88

3.3 Модели и алгоритмы управления в технологическом цикле

96

производства композитов....................................................................

3.4 Концептуальный подход при моделирование системы............... 124

3.5 Выводы............................................................................................. 139

ГЛАВА 4. СИСТЕМНАЯ АРХИТЕКТУРА

4.1 Моделирование архитектуры АСУ................................................ 141

4.2 Реализация сервис-ориентированного подхода........................... 147

4.3 Моделирование бизнес - процессов технологического цикла.. 151

4.4 Выводы............................................................................................. 161

ГЛАВА 5. РЕШЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ЗАДАЧ

5.1 Организация хранения внешних данных............................................................................163

5.2 Реализация языковой подсистемы SQL — интерпретатора................175

5.3 Эффективность существующих стандартов при разработке программных систем........................................................................................................................................................184

5.4 Выводы..........................................................................................................................................................................................197

ГЛАВА 6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ

6.1 Построение моделей технологических и эксплуатационных процессов..............................................................................................................................................................................................199

6.2 Графопостроение на плоских псевдосимплексных планах................219

6.3 Диагностика систем на основе обобщенного показателя качества....................................................................................................................................................................................................228

6.4 Выводы..........................................................................................................................................................................................233

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................................235

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................................................................238

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Результаты экспериментальных исследований..............260

Приложение Б. Требования к этапам ООАП..........................................................264

Приложение В. Акты внедрения............................................................................277

Введение

Наше время характеризуется существенным сокращением запасов природных материалов и, в частности, металлов. Решение проблемы их дефицита характеризуется двумя тенденциями: рециркуляцией и разработкой принципиально новых, как правило, композиционных материалов. Последние характеризуются наличием химически разнородных компонентов, четкой межфазовой границей и специфическими свойствами, несвойственными их отдельным компонентам. К композиционным материалам относится целый набор порошковых, металлических и полимерных материалов [1]. Общим для них является жесткая связь технологии изготовления и структуры, что определяет их свойства. Управляя технологией изготовления и структурой композитов можно реализовать создание материала под конкретную деталь с ее рабочими нагрузками. При этом основная масса технических задач в настоящее время решается экспериментально, что требует существенных материальных и временных затрат из-за естественной вариации свойств массовой промышленной продукции. Значительно менее трудоемким и более эффективным представляется решение подобных задач для широкого класса композиционных материалов с помощью компьютерного моделирования и наглядного графического представления на классических диаграммах "состав-свойство", "состав-структура" и т.п. Кроме того, компьютерное моделирование позволяет исследовать самые разные материаловедческие, технологические и эксплуатационные проблемы в недоступных для непосредственного человеческого присутствия местах. Таких как: космический вакуум, океанские глубины, внутренние среды живых организмов и т.д.

Первые автоматизированные программные комплексы для моделирования и оценки параметров композиционных материалов с помощью методов математической статистики и планирования эксперимента были представлены в нашей стране в средине 70-х годов. По

мере развития информационных технологий (ИТ) в начале 90-х годов появились профессиональные программные продукты, например, 51аП5йса, МаЛсас!, МайаЬ, Марр1е. Однако данные комплексы не ориентированы на решение узкоспециализированных задач, таких как исследование композитов и композиционных технологий. В этих комплексах отсутствует необходимое информационно - методическое обеспечение и данные системы требуют углубленной статистической и компьютерной подготовки пользователей, а также используют собственные форматы для физического хранения данных.

В связи с относительной малоизученностью композитов и композиционных технологий, а также отсутствием средств автоматизации для контроля и диагностики их параметров в ходе технологической подготовки и промышленного производства композиционных материалов требуются новые подходы и разработка нового класса программных систем с созданием хранилищ информации, и использованием методов интеллектуального анализа данных. Для этого необходимы новые архитектурные решения с привлечением передовых ИТ-технологий. На основании вышеизложенного, автоматизация и управление процессами технологической подготовки и промышленного производства композиционных материалов с использованием автоматизированных интеллектуальных систем моделирования и оценки их параметров в реальном масштабе времени представляется важной и актуальной проблемой.

Научная новизна :

• Разработаны адаптивные алгоритмы для решения интерполяционных, оптимизационных и прогностических задач при определении основных инженерных параметров композиционных материалов на этапе технологической подготовки производства, позволяющие эффективно использовать вычислительные ресурсы ЭВМ, значительно сократить время расчетов при требуемой точности

процедур.

• Разработана общая методология систем компьютерного моделирования и графической интерпретации данных, выявлена специфика и направленность исследований в рассматриваемой предметной области.

• Создана структурно-параметрическая модель, на основе которой сформирована информационная технология анализа и диагностики эксплуатационных свойств композитов как большой многофакторной технической системы.

• Реализована подсистема управления моделированием и оценкой параметров композитов и композиционных технологий, входящая в состав АСУТП. Полученные разработки опробованы с удовлетворительными результатами на ряде технических комплексов: материаловедческом (композиционные материалы), технологическом (обработка резанием), эксплуатационном (ресурс антифрикционного покрытия).

Практическая значимость.

Разработанные методы и алгоритмы, а также реализующий их программный комплекс, позволили:

• автоматизировать процесс моделирования и оценки технологических и эксплуатационных параметров деталей из композиционных материалов;

• оценить эффективность комплекса существующих стандартов и другой нормативной документации, которые регламентируют процесс жизненного цикла программной системы при использовании объектно-ориентированной методологии разработки;

• создать инструментарий для оперативного анализа массивов транзиентной первичной информации на основе предварительной статистической обработки, отбирая только статистически значимые данные, что позволяет повысить оперативность процессов контроля

качества в ходе промышленного производства композиционных материалов.

Использование полученных результатов позволило реализовать конкретные технические и технологические решения по оценке эксплуатационных параметров деталей из композиционных материалов с применением методов математического моделирования и автоматизированного программного комплекса в нижеследующих работах.

"Разработка типовой технологической схемы проектирования программного обеспечения объектно-ориентированными средствами" и "Оценка эффективности использования комплекса существующих стандартов при разработке программного обеспечения" с ФГУП "Градиент", г Ростов-на-Дону;

"Разработка автоматизированной системы коллективного доступа NanoJASMINE" с компанией "Narrow Gâte Corporation", г. Киото, Япония;

Государственный контракт № 16.647.12.2035 "Создание интерактивного комплекса удаленного доступа для студентов и аспирантов по исследованию наноматериалов на базе многофункционального оборудования" по целевой научно технической - программе "Развитие инфраструктуры наноиндутрии в Российской Федерации на 2008-2011 годы".

Представленные исследования выполнены в Донском государственном техническом университете (ДГТУ) в рамках подпрограммы "Новые материалы" научно-технической программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области приоритетных направлений науки и техники" по разделу "Функциональные порошковые материалы" (проект 202.05.01.026) за 2001-2004 г.г.

Результаты диссертации используются в учебном процессе в ДГТУ и ЮФУ, в разработанных автором учебно-методических комплексах по дисциплинам "Управление процессами" и "Системный анализ"

Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими

актами, свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ, опубликованными учебно-методическими пособиями и монографиями.

На защиту выносятся:

• Онтологическая и объектная модели АСУТП, созданные на базе численных методов, математической теории планирования эксперимента и математической статистики.

• Новые методы и информационные структуры для физического хранения и интеграции основных информационных объектов в области композиционных материалов и технологий.

• Алгоритмы компьютерного моделирования, анализа полученных моделей и на этой основе оптимизации и прогнозирования инженерных характеристик композиционных материалов.

• Алгоритмы графической интерпретации многокомпонентных (>3-х компонент) моделей.

• Впервые полученные результаты комплексных экспериментальных исследований эксплуатационных и технологических характеристик порошковых и полимерных антифрикционных композитов, результаты их диагностики и параметрического прогнозирования в области технологических режимов и качества рабочей поверхности.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

1.1. Современные композиционные материалы

В данном разделе проанализированы основные свойства современных

композиционных материалов (композитов), область их применения и перспективы развития.

Композиционные материалы используются во всех областях науки, техники, промышленности, в том числе: жилищном, промышленном и специальном строительстве, общем и специальном машиностроении, металлургии, химической промышленности, энергетике, электронике, бытовой технике, производстве одежды и обуви, медицине, спорте, искусстве [ 2, 3, 4, 5, 7, 8, 41].

Композиты — это природные или искусственные многокомпонентные материалы, состоящие из матрицы (непрерывной фазы или основы) и наполнителей или армирующей компоненты, играющих, как правило, упрочняющую или иную функциональную роль [28] Между фазами (обычно компонентами) композита имеется четкая граница раздела, обеспечивающая связь компонентов, т.е. единство композита как конструкционного материала. Сочетание и межфазное взаимодействие разнородных веществ приводит к формированию нового материала, свойства которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы, соотношение компонентов и технологические режимы их совмещения получают широкий спектр композиционных материалов с требуемым набором свойств

В современной общемашиностроительной практике наиболее широкое применение нашли порошковые, полимерные и углеродные композиционные материалы [19, 25]. Рассматриваемые классы композитов могут быть сформированы на основе самых различных природных, искусственных и синтетических материалов, из которых может состоять как матрица, так и наполнитель Сочетание в составе матрицы нескольких химически или физически разнородных веществ образует полиматричные материалы. Подобное же сочетание веществ в

наполнителе образует гибридные композиты. Основными функциями матричной фазы является объединение всех элементов композита в единый материал, рациональное перераспределение рабочих нагрузок между отдельными фрагментами наполнителя или армирующей компоненты, обеспечение стойкости материала к воздействию окружающей среды (химическому, тепловому, динамическому) и ряд специфических частных функций [40].

Важную роль здесь играет степень адгезионного (или иного) взаимодействия на межфазных границах раздела и технология производства материала [38]. В частности для порошковых материалов— гомогенность шихты, давление компактирования и т.д.

Функции наполнителей также многообразны [16]. Наполнители определяют общеконструкционные свойства композиционного материала, прочность, жесткость, износостойкость и т.д.

Большую роль играет форма и размеры наполнителей. Один из вариантов общей классификации наполнителей по этим параметрам приведен на рис. 1 1

Соотношение непрерывной матричной фазы и наполнителя, пространственная ориентация последнего, а также его форма и размеры, определяют композиционную структуру материала независимо от химической природы его компонентов. Порошковые композиционные материалы состоят из металлических и неметаллических порошков дисперсностью от 0,6мм до нанометров. Технологическая схема их производства включает: получение порошков — деформационное формообразование заготовок (прессовок) путем прессования экструзии, прокатки и т.д. - термообработку, для интенсификации межчастичной диффузии или плавления легкоплавкого компонента, а при необходимости выполняют вторичное динамическое прессование для снижения пористости и повышения конструкционных свойств и, наконец, механическую обработку отдельных элементов деталей [37].

Примерами широко известных и применяемых порошковых материалов являются инструментальные твердые сплавы (типа ВК, ТК и др.), пористые про-

Рисунок 1.1: Классификация наполнителей.

питанные маслом втулки подшипников скольжения (например. ЖГрЗДЮ с пористостью 20 - 30%), фрикционные материалы для колодок и дисков тормозных систем и различных муфт (ФМК-8, ФМК-11).

Экономический эффект применения порошковых материалов определяется значительным снижением трудоемкости изготовления из них различных деталей машин (втулок, шестерней, кронштейнов), высвобождением производственных площадей, существенным повышением ресурса антифрикционных и фрикционных узлов.

Полимерные композиционные материалы получили свое название по типу матричного связующего [36, 37, 39]. Это могут быть фенольные, эпоксидные, полиэфирные, полиамидные и др. полимерные смолы. Термопластичные смолы имеют линейные макромолеку�