автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизированные методы исследования и проектирования процессов производства оптических материалов

? Г 6 0 йкотитут точной шакш ■ . и оптики

; Он!

Ва правах рукописи

КОРОБЕЙНИКОВ Анатолий Григорьевич

АВТОМАТИЗИРОВАНИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ '' И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПР0ИЗЭДСТЗА 01ТГКЧЕСККХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

Авторе&эрат . диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена в Институте точной механики и оптики,

Науадый руководитель - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Гатчин Крий Армикакавяч.

. Официальные оппоненты : доктор технических наук профессор Арустамов С.А.; кандидат технически: наук старший научный сотрудник Чернокнижный Г.

Ведущая организация - утЕарздеиа на заседании Специаливи-рованкого Совета.

Зазип диссертации состоится 1? октября .1993 г. е 15 часов на заседании Специализированного Совета.К053. .26. Санкт-Петербургского »Института точной у.о коники и оптики по адресу : 197101, Санкт-Петербург, ул. Сяблкнокая 14.

С диссертацией мохно ознакомится в библиотеке института.

Автореферат разделан " - " __ , . 1693 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета В.И.Поляков

Подписано к печати 21.06.93 г, Объем 1,2 п.л,

-Закат 206 Тира» Юр экэ, Бесплатно".

Ротапринт. ИТДО. ISOGCO, С.-Петербург, пер.Гривцова, 14

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Изменение социальных условий б сфере • производства и потребления оптических материалов, таких как . улучшение условий труда, решение экологических проблем, расширение ассортимента изделий, улюсточенпэ требований к и:: качеству, а тайке экономические факторы, такие - как удорожание трудовых, сырьевых и толлквно - энергетических'ресурсов. выраженный рыночный характер современной экономики играют все более значительную роль при производстве оптических материалов. Указанны® проблемы социально-экономического характера "еняют традиционные организационно-технические основы производства оптических мате- • риалов и псроадают нозые задачи в области создания систем авто-' ¿атизации (са). Решение этих задач потребовало создание новой, концепции автоматизированной технологии, на передний план в которой выдвигается комплексная автоматизация процесса проектиро- , вания, которая реализуется с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР), Кроме того, существующее отечественное оборудование для производства оптических материалов в основном рснап&но элементами автоматики, которая уж не способна удовлетворить требованиям современного производства. Вместе с тем начало появляться новое оборудование со встроенной микропроцессорной системой управления и возможностью связи с ЭЕМ. Тем не . менее, темпы разработок и, в особенности, внедрения СА в области производства оптических материалов отстают от существующей потребности. Это объясняется такими причинами как сложность формализации физико-химических процессов, протекающих в ходе технологического процесса (ТП), наличием малого количества функционально-ориентированных автоматизированных рабочих мест (АЛО проектировщика-технолога и т. д.

В связи с этим, тема диссертационной работы, посвященная разработке автоматизированных методов исследования и проектирования технологических процессов производства оптических материалов является акт. ильной. •

Цель работы и задачи исследования. . Целью., диссертационно^ работы является разработка автоматизированных Методов исследования' и проектирования ТП производства оптических материалов и разработка на основе этих методов ..акета прикладных программ (ППП) автоматизированного проектирования ТП производства оптических материалов.

В соответствии с целью в'работе решались следующие основные задачи;

- анализ существующих САПР ТП в нашей стране и га рубежам, а также тенденции их развития;

- исследование ТП производства оптических материалов как объекта автоматизации;

- разработка автоматизированных методов исследования и проектирования ТП производства оптических материалов; .

- разработка и исследование алгоритмов автоматизированного контроля функционирования технологического оборудования;

• - разработка структуры и определение осноеных функций разрабатываемого ИПП САПР ТП;

- разработка математического обеспечения САПР ТЛ производства оптических материалов;

- разработка программного обеспечения САПР ТП;

- исследование работоспособности и эффективности разработанного 1ШП на основе практического применения разработанных методов и алгоритмов;

- разработка АРМ проектировщика- технолога для моделирования и исследования ТП производства оптических материалов.

Основные методы исследования. При решении поставленных задач использовались теория и методы САПР, принципы схемного анализа, аппарата матричной алгебры, теории алгоритмов, теории управления, теории идентификации и оценивания, теории вероят-■ ности и математической статистики, ' теории методов принятия решений.

Научная новизна работы заключается _ следующем:

• - разработаны научные принципы и автоматизированные методы исследования И проектирования ТП производства оптических материалов;

- разработана методика построения математических моделей (ММ) ТП производства оптиче ких материалов и их исследования. Предложенная методика основана на термодинамическом подходе к построению ММ ТП с прг чипами последовательного раскрытия неопределенностей и эволюционного развития апологии систем,; структур и и: операторов, конкретизации значений параметров на основе поэтапного использования информации о функциях системы, целей управления и требований к Качеству процессов. Эти модели учиты-ваиг различные технологические ситуации и состояние оборудования;

г - разработана методика оценки веса вырааиваеюго монокристалла методом Чэхрадъского в ходе ТП;,

- разработана и реализована методика оценки времени выхода термопар из строя во время ТП варки оптического стекла в элек* трической ванной печи непрерывного действия!

- разработаны и исследованы функциональные.схемы построения' двухуровневых систем управления ТП производства оптических материалов;

- на основе разработанных динамических моделей синтезированы линейные оптимальные законы управления технологическими процессами;

.- разработаны принципы, структура, комплекс технических, средств и ПО а?М проектировщика - технолог л.

Практическая ценность работы заключается в следующем .

- разработаны и исследованы-алгоритмы автоматизированного , исследования и проектирования математического обеспечения (МО)' ТП производства оптических материалов, позволяющие в рамках од-: ного-ППП сочетать анализ ТП как объекта'автоматизации, анализ и синтез ММ, синтез алгоритма управления;

- рззргботана и реализована двухуровневая автоматизированная система управления варкой оптического стекла в индукционной -печи с холодным тиглем (ИПХГ);

- разработан пакет программ автоматизированного проекТйро^ вания технологического процесса - расчет -Шихты, ' расчет крупки; ,. расчет шихты- из крупки, расчет параметра, элементарной ячейки ПО . БЬгока, расчет формульных показателей оптических кристаллов ГСАГ, ГСГГ и УСГГ.

Апробация раооты. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 2-Всесоюзном • совещании • по электроварке стекла (Ечадимир, май-июнь 1990 г.), н<* четырех научно-технических конференциях 1ФГ0И, проведен ряд экспериментов по получению оптических материалов, заслушивался На заседаниях кафедры МАП -и? МО. ...

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных и 8 рукописных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 129 наименований и приложений. Работа изложена на 166 страницах, машинописного текста, иллюстрированного рисунками, таблицами И фотографиями.

- 4 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и практическая важность работы, формулируется цель, определяются основные на-, правления работы.'

В первой главе проводится обзор состояния вопроса САП? .ТП, проводится анализ выбранных ТП производства оптических материалов как объекта автоматизации, рассматриваются особенности', ТП и задач!! разработки автоматизированных методов исследования • и проектирования ТП производства оптических материалов, произведена постановка задачи.

В сфере потребления продукции - оптической промышленности . происходят изменения связанные с расширением ассортимента изделий, ужесточением требований к качеству и т. д. Кроме того и экономические факторы, .такие, как удорожание трудовых , сыро-' евых, и топливно - энергетических ресурсов, выраженный рыночный характер экономики,. играют все белее значительную роль. При это^ .наблюдается взаимное влияние социальных и экономических фактсроЬ йа техническую политику в области автоматизации, так как тяжелые условия труда на неавтоматизированных участках приводят к оттоку квалифицированных кадров, что отрицательно сказывается на произ*-водотве. Указанные проблемы социально - эконошчеоксм характера меняют . традиционные организационно - технические основы производства оптических материалов и порождают новые задачи в области ; автоматизации. Решение этих задач потребовало создания новой, концепции автоматизированной технологии, которая включает в себй •четыре основных положения :

- системный, маоговариаятный подход при разработке технологических комплексов«,

- переход от ¡автоматизации действующего оборудования к созданию автоматис рованного оборудования со встроенной микропроцессорной системой управления, переход от поточ-

' но - механизи~эанных участков к созданию автоматизиро -ванных технологических комплектов с многоуровневой сис темой управления, построенной по иерархическому принципу;

- разработка гибкого автоматизированного производства/ обеспечиваиагго адаптацию к изменяющимся условиям внешен среды Ces изменения структуры компоновки технологических комплексов-,

- автоштиаация интеллектуального труда в сфере производства.

Вое возрастаю©» требований современного народного хозяйства стимулирует появление большого Количества новых оптических материалов, разработку нового технологического оборудования. Поэтому-задача разработки новых автоматизированных методов исследования и проектирования ТП производства оптических материалов является актуальной. Реаением подобной задачи в нашей стране занимаются в МГУ, ФИАНэ, ГИРКДМЕТе, ГИСе и ряде других организаций.

- В качестве объектов автоматизации -были "выбраны следующие ТП : .ТП выращивания оптических кристаллов методом Чохральского, ТП варки оптического стекла . в елециализй; -¡ванных индукционных устакозках, ТП производства очковых заготовок из фотохромного стекла в электрической ванной Печи непрерывного действия, ¡^ге три ТП принадлежат одному классу по подобию физико-химических процессов, протекающих з них.

После проведения анализа ТП как объекта'автоматизации была определена структура вектора входных параметров и, Еектора состояний X, Еектсра возмущений V, выходного вектора У. Основными особенностям!! ТП как объекта автоматизации являются-:

- малая информативность ТП из-за ненаблюдаемости компонент вектора V, характеризующих качество готов го йродукта. По этой причине нэвоомслно проектирование замкнутых систем автоматизированного управления, у-которых в качестве обратных связей'исподь-

. зуется информация о качественных показателях готового Продукта;,

- сложность физико-химических явлений, определяющих протекание ТП, исключает возможность построения сложных- аналитических ММ ТП, которые могли бы быть использованы при разработке алгоритмов управления; •

- нестационарность ТП, связанная как с физикой Тй так и с, изменением параметров, характеризующих шменение_ технологического оборудования во времени.

Таким образом, сложность ТП обуславливает сложность Ш и определяет слоагоуть'ПО. Используемое ПО в САПР для СА ТП обладает всеми свойствами сложых систем. Оно содержит, большое количество компонент-модулей, тесно взаимодействующих в проць^-се-. решения общей -целевой задачи. Комплота программ имеет и единую цель функционирования - обработку ¡.'"формация и принятия решений для управления объектами, вплоть до формирования соответствующих управляющих воздействий.

- б -

Одной из особенностей проектирования сложных систем является трудность определения единого критерия эффективности функционирования и наличия обычно нескольких более или менее равнозначных критериев, каждый из которых может-стать доминирующим в '•зависимости от внешних условий-и состояния системы. Это обусловлено тем, что каждая сложная система является частью системы большего масштаба и выспего уровня, и подчинена ей/ Поэтому при проектировании приходится ограничиваться анализом критериев качества для некоторых типовых условий функционирования сложных систем, каадый раз вьщеляч необходимые я желательные для оптимизации параметры, и отчитать влияние • систем высшего уровня на выбор показателя качества. Б результате создается некоторая шкала важности критериев эффективное?: Тем не менее, необходимо стремиться выделить и определить специализированный для данной системы единый обобщенный критерий эффективности, который должен :

- численно и в наиболее обдем виде характеризовать степень выполнения системой своей осноеной целевой функции;

- позволять вьквить и оценить степень влияния на эффективность системы различных факторов и параметров, в том числе различного вида затрат на ее реализацию;_

- быть простым и иметь малую дисперсию, т. е, слабо зависеть от неконтролируемых случайных факторов. '

В общем случае при проектировании необходимо создать в соответствии с принятым критерием эффективности оптимальную систему управления или обработки информации при ограничении двух типов.

Перзый тип ограничений характеризует уровень современных знаний теории и методов решений поставленных задач, принципов построения основных функциональных алгоритмов, методов структурного построения сложных систем и технологий их проектирования.

Второй тип ограничений относится в основном к техническим параметрам средств, на которых предполагается реализовать одежную систему, .и к ресу-сам, которые могут, быть выделены на разработку и эксплуатацию системы. _

Прс■ктирование систем автоматизации ТП имеет ряд характерных для него особенностей, отличающих его от Сольиинства САПР других технических объектов :

- при проектировании различных СА основные трудности связаны с выбором структуры, информационных потоков, функциональных, динамических, логических и алгоритмических связей меаду подсистемами

- ЭВМ ке только входит е состав САП? СА, но и является составным элементом системы автоматизации. Поэтому САП? системы автоматизированного проектирования ТП производства оптических ма -териалов момко рассматривать .нр только как обобщенную модель процесса проектирования, но и гак модель конкретней автоматизированной системы управления в процессе ее нормальной эксплуатации;

- ьМ СА создается в условия:; существенно неполной информации об объекте управления, о действугсцих на него возмущениях, а также б условиях неполкой измерительной информации искаженной помеха!.«;

- системам управления обычно адекватны.не статические, а ло-гккодинажческие модели высокой размерности, учитывайте принципиальна структурную особенность СА, представляющих собой системы с обратной связью, для которых важными условиями работоспособности является устойчивость, управляемость, наблюдаемостьдинамическая точность и качество.

Для автоматизации проектирования применяются, в основном, два метода. Первый состоит в тем, что разработчик использует анализирущие возможности ЭВМ как средства моделирования. В этом случае при автоматизации проектирования выполняется .малинный анализ для оказания помощи разработчику. Второй" метод подразумевает использование анализирующих возможностей ЭВМ для выбора оптимального решения. При этом ЭВМ сама изменяет входные параметры. Роль разработчика сводится б зтом ■ случае к определению параметров, которые следует изменять или оставить инвариантными. В этом варианте автоматизация проектирования становится системным проектированием на ЭВМ под наблюдением и управлением разработчика.

В настоящее' вреш автоматизация проектирования ТП находится, з основном, на уровне, когда проектировщик и ЭВМ взаимодействуют друг с другом в рекиме диалога при помощи программных систем, реализующих на ЭВМ методы теории регу-

лирования и вычислительной математики.

Современные ЭВМ. позволяет легко получить большее количество решений задачи, если она поддается алгоритмизации. ■Однако, епж 'перебор вариантов .и .нахождение оптимального решения полностью Возложить на ЭВМ, то программа работы машины ме.тет оказаться достаточно сложной и громоздкой, чте:- снижает эффективность разработки. Поэтому целесообразно осуществлять проектирование в два этапа На первом этапе осуществляется предварительный $ыбор метода управления с учетом ряда „рпугэний,. структуры и основных

элементов ОА, которые, как правило, обеспечивают выполнение наиболее .существенных требований, предъявляемых к СА, ко не удовлетворяют критерия оптимальности. На втором этапе осуществляется оптимизация автоматизированной системы с использованием различных аналитических методов.

Таким образом, для ресзния задачи разработки ППП автоматизированного исследования и проектирования ТП производства оптических материалов необходимо решить следующие задачи :

- Прелести анализ современного состояния методов и систем автомат;:: ироБанного проектирования;

- провести ксследспние ТП как объекта автоматизации-,

- разработать методику проектирования Ш ТП производства оптических материалов;

- на основе разработанных Щ разработать методику синтеза законов управления ТП производства оптических материалов;

• разработать' алгоритмы сбора и первичной обработки технологической информации;

- разработать алгоритмы нтроля функционирования технологического оборудования;

. - разработать структуру и определить основные функции ППП исследования и проектирования ТП производства оптических материалов;

- разработать и исследовать функциональные схс:.;ы автоматизированных систем управления ТП производства оптических материалов;

- исследовать работоспособность "И эффективность ППП на основе практического применения.

При постановке и уточнении задач,авимагизирозанного проектирования необходимо учитывать, , что реализовать теоретический оптимум обычно невозможно или не выгодно с вычислительной точки зрения. Поэтому суть проектирования состоит в поиске удовлетворительного,' в каком то смыслу а не точного решения.

3 работе реализован принцип генерации» лежащий в основе . ШП и являющийся весьма важным свойством, .обеспечивающим удов-' летворение требований различных польвогат-- лей и удобство в эксплуатации 'использование этого принципа обеспечивает настройку пакета на параметры конкретного объекта управления, в результате чего универсальный Шй превращается в специализированный программный продукт, ориентированный на конкретные условия эксплуатации и на стандартизированный комплекс технических средств.

Во второй главе рассмотрен анализ процесса проектирования ММ, проведена разработка ММ ТП ьарки оптического отекла а электрической ванной печи, варки оптического стекла в индукционной печи с холодным тиглем (ИПХТ), вырашвания оптических кристаллов методом Чохральского, проведен обзор методов разработки и исследования ММ для СА та

В настоящее время роль математического моделирования чрезвычайно велика. Это объясняется в основном двумя важными обето-гтельствами, Во первых, это достижения математики, а во вторых широкое внедрение вычислительной техники. Кроьэ того, в настоящее время, . больше усилия направлены на внедрение -вычислительной техники в автоматизированные системы управления ТП, процессами проектирования, для создания банков, данных и знаний. Но любая систе -а управления нуждается в информации об управляемом объекте или процессе. Поэтому справочные системы, банки данных и знаний следует рассматривать как подспорье для управляющих систем. В свою очередь, любая система управления нуждается в модели управляемого объекта или процесса, в моделировании-последствий тех или иных управляющих воздействий. В связи с этим разработка ММ является необходимым условием, ы разработка единой методики создания ММ, очевидно, не представляется возможным. то обусловлено большим разнообразием классов систем. Поэтому для определенных .- классов систем разработаны или разрабатываются' формализованные схемы и математические методы, -позволяющие описать Функционирование системы/ а в некоторые случаях и выполнять аналитические исследования. Др;тими словами, целесообразно использовать базу данных о ММ различных ТЕ В ПО это'означает, что каждой ММ соответотвуе" своя подпрограмма.

Для построения Ш ТП необходимо определить множество входных и выходных сигналов, вектор состояния системы и соотношения между ними. Эти соотношения могут быть детерминированы или содержать некоторые элементы не- :ределеиности. способу получения ^г-маюг теоретические И эмпирические ММ. Первые отражают физические закон-черностк процессов, происходящих во время ТП, а вторь» получглт на основании изучения обмкта как. " черного ящика", т.е. по его отклику на внешнее воздействие.. Теоретические модели, как правило, более универсальны и справедливы в большем диапазоне внешних воздействий, чем эмпирические.

На основе проведенного анализа применения теории многссзязных систем к большим и сложным системам, выявлены вычислительные проблемы, акцентировано.внимание на необходимости иметь эффективные, надежные и устойчивые алгоритмы. Использование в работе матричных моделей для описания систем приводит к робастным алгоритмам. Зто определяет преимущество использования моделей в пространстве состояний перед передаточными функциями. Поэтому для рассматриваемых ТП были разработаны мэтоды проектирования МЫ в терминах пространства состояний.

Дифференциальное уравнение, описывающее тепловые процессы в бассейне электроетекловареннсй печи, выводится их уравнения тепло^го баланса и выглядит следующим образом :

С К£Д-/Р + F(t),

где С - теплоемкость,¿~7С - приращение температуры стекломассы,

Кс -■ коэффициент. самоЕыравнивания; F(t)-BHeiüHee воздействие от изменения производительности и температур; <Гр - вводимая мощность,

Для управления температурным полем, необходимо изменение вводимой мощности. В качестве управляющего воздействия принимается напряжение на электродах.

ММ. варки стекла в ЙШ разрабатывалась на основе подхода раздельного рассмотрения электрической и тепловой задачи. Для вычисления взаимных ичдуктивностей и коэффициентов самоиндукции элементов индуктора и нагрузки использованы формулы для тонких соленоидов :

|Sr+ iSx| J lr + i I/I -J Mr + iU*i, .

где S^jS^ соответственно матрицы активных, а такие взаимных и собственных сопротивлений элементов нагрузки и индуктора, If., 1Л матрицы активных и реактивных токов, U,.,^- матрицы активных, и реактивных составляющих напряжений. !

Распределение температуры в цилиндрическом тигле определяется из решения уравнения теплопроводности :

1&' 9Г(Г>2)) > ^í^- f(r.z),

Г Ы /

где г - радиус тигля; s - высота тигля; fir,г) - функция распределения тепла по телу; Т(г,г) - температура.

. При решении задачи принимается допущение о равномерном распределение источников тепла Г(г,г) по телу. Предпосылкой этого допущения слукит интенсивное конвективное движение расплава при варке стекла.

МЛ выраьдоания оптических кристаллов из расплава методом ЧЬхральского основана на моделировании процессов тепломассопереноса и явления капиллярности. Формулировка Задачи капиллярности выглядит следующим образом. Пусть 2, г - ордината и абцисса произвольной "очки кривой мениска относительно центральной точки его основания, принятой за начала ' координат. Требуется найти решение системы дифференциальных уравнений : 0

а? .¿г*. - р 21

У' ¿г ~ г>

2 С = Сдгг + дг*)-£ ;

где у - угол между положительной полуосью абцисс и касательной к кривой мениска; у?- постоянная Лапласа.

Распределение температуры Т(2,г,Ь) в системе расплав-кристалл описывается уравнением ;

где С - удельная теплое.¿кость;у?- плотность;Л(Г) - кусочно-посто-шная функция. В твердой .ззеЛСГ) -Л; в згадкойЛСТ) -Л-1

- радиальная и вертикальная компоненты скорости расплава.

На границе раздела фаз ставится условие Стесана

Лг II ~ ** V

■де Ь - удельная скрытая теплота плавления; - скорость кристал-ш^ации; -

Все рассмотрение ТП занесены в базу данных ■ моделей.

Теоретической базой, на которой основываются :етоды синте-а и анализа Ш СА, являются общая теори систем и теория авто-атическог о. управления. К основным задачам анализа. Ш ТП произ-адства оптических материалов относятся исследование структурных войств и устойчивости. Структурные свойства представляй: собой ажные характеристики ММ - управляемости, наблюдаемости, вырож-енность и грубость, влияющие на поведение, системы в целом, Ис-ледовакие устойчивости - одна из ключевых задач анализа, опре-элявдая области устойчивости, запас устойчивости и возможность габилизации системы.

На основе анализа и исследований, установлено, что для обеспечения необходимого показателя качества достаточно стабилизировать определенные параметры з заданных пределах. С математической точки -зрения это означает, что система становится стационарной, В этом случае разлагая систему в окрестности точки стационарности в ряд Тейлора и отбрасывая члены второго порядка малости и вы»чеа получаем линейную модель процесса. Но на основании теоремы оО абсолютной устойчивости, следует,что если невозмущенная линейк л модель экспотенциально устойчива, то можно бороться с многочисленны)!« возмущениями типа нелинейностей и аддитивных помех,. На основании этого сделан вывод о достаточности исп льзования в СА ТП линейных ж '

Устойчивость систем определяется с' помощью алгебраических критериев РАУССА и Гурвица. Анализ систем яа наблюдаемость и управляемость, проведен с помощью критериев, разработанных Калманоы.

В третьей главе рассмотрены алгоритмы автоматизированного . контроля функционирования технологического оборудования,-алгорип идентификации параметров Ш и оценки вектора состояние, проведен анализ выбора языка программирования, определена структура ШШ Проектирования ММ ТП производства оптических материалов. ■

Получение Достоверной информации о ходе ТП является необходимым, условием для-правильного ведения ТЕ Но расплав в силу ря^а. причин химически агрессивен, что является основной причиной быстрого выхода из строя контактирующих с расплавом термопар. В связи с эдш возникает задача определения момента времени выхода термопары из строя го результатам измерения управляющих электрических параметров и показаний термопары. Для решения этой задачи разработан бригинальный алгоритм, базирующийся на Нахождении установившегося решения корреляционного уравнения.

, На практике процессу измерения сопутствуют случайные погрешности, а процесс. функционирования самой системы подвержен воздействию .случайных возмущений. Больше того, самих измерений может быть'.или ,олищом мало иди слишком много. ' Таким образом, одной из.основных аадач становится получение оптимальных (в каком то смысле] уценок-для переменных, описывающих параметры и соотоянив яинадачеекой системы. Рассмотрим алгоритм оценивания вектора.состояния системы на промежутке [, и ' .Аи)хШ + «(О; у(0 - СШхи)+у(0; где т«;

х(1) --иоддемадай оценке вектор состояния; •

АС tJ - известная непрерывная nxn матрица; y(t) - г - мерный измеряемый Еектор;

x(t ) - случайный вектор с математическим ожиданием М£х(te)3 ковариационной матрицей P(tc,)-C(x(t)-x0)CxCt)-x0)r3 ; w(t) - n - мерный вектор шумов возмущений; v(t) - г -мерный вектор шумов измерений; МС v( t) ] -МС v( t) 3 -Ж w( t) "Лд1 -MC v( t) x„3 -Ж w( t) v( t) 3 -0; ,VIw(t)wU)r] - R''(t)<T(t-£); K[v(t)vr(t)3 - Q*'(t)i(t-i);

Линейная несмещенная оценка с минимальной,среднеквадратичной некой описывается уравнением

■SCt) - A(t)$(t) + К( tKy( t) -С( t) х( t) У ; x(t0) - х„; е КС tj -Pi: t) cl t) Q~'( t) ;

t)-A(t) PC t) +R"'(t)P(t)AT( t) -P(t)CT(t)t)C(t)P(t); ;

Большое значение имеет пркмыкзш&я к задаче оценивания па-метров задача определения неизвестных параметров -. идентифи-ция. В разработанном ППП реализован один из самых эффективных в тода время удобный для реализации на ЭШ алгоритм идентифи-щш многомерных систем - алгоритм Качмзла, который имеет эстую структуру и состоит из следующих рекуректных соотношений :

г С(к) - оценка на к - саге неизвестного параметра..

При формулирований задачи проектирования В терминах опти-зацкоккой задачи необходимо определить критерий, парам гры гулятора, которые подлежат оптимизации и наложенное на них . закичения, В диссертационной работе рассьШрвЯ алгорить опти-иьного управления ТП, описываемого системой уравнений : ¿ft) - ACt)x(t) + B(t)uCt) + wCt); y(t) - C( t)x(t)+v( t); i B(t) - известная непрерывная n*n матрица, u(t) - m - мерный .вектор управления

Критерием оптимальности является знс :ение функционала •

mlnil-MCO. 5х' Сt)SCt)x(t) + 0. s/с2ТСt)Ff t)x(t) + ur(t)ECt)u(t))dt3>

c. u(t) и v(t) независимые белые шумы, то детерминированное »авленив будет несыеденадм и оптимальным й для стохастической ¡таковка. ГЬэтому алгоритм управления имеет сл^дуицую структуру .)-EV(t)BT(t)SCt); t

,)-S(t)A(t)-ArCt)SCt)+S(t)B(t)E (t)ВГ(t)S(t)-F(t); S(t,)-Se; ( 1 )

- 14 - ■

Таким образом, если вое координаты вектора состояния измеряются, то стохастическое управление совпадает с детерминированным, Если измерению доступны кэ все координаты вектора состояния, то оптимальный стохастический регулятор должен быть связан с системой оценивания состояний. В этом случае, считая начальное состояние х(0) некоррелированным с »(Ь), и распределенным по нормальному закону со средним 1»!Сх(0))-х„и ковариацией

Р0 - №(х(0)-хс)(х(0>-х,)Г] получим оптимальный закон управления г

и(Ь)-К(дх(1)-. - А(Л)х(с) + Р(исГ(1)5иНуи)-Си)хП;)>; где К(Ь) находится из (1) а

Р( Ь) -Р( и / (I) -А( Р1Ч - Р(« с"( 1) и С( Ю Р( I) +Я'(Ь); Р( ^) -Р0 ;

В соответствии с представленными выражениями, оптимальное стохастическое управление реализовано в виде последовательно соединенных оптимального фильтра, оценивающего координаты вектора состояния, и оптимального детерминированного регулятора, использующего полученные оценки вместо истинных состояний.

Реализация алгоритмов анализа и синтеза прозодилась на алгоритмическом языке Пц++.

Разработанный ШШ состоит из интерактивной подсистемы и шее основных подсистем, управление которым передается через меню.

четвертой главе рассматриваются, принципы проектирования и структура АРМ проектировщика-технолога системы автоматизированного производства оптических материалов, рассмотрен пример использования разработанного ПГЗ для синтеза закона управления автоматизированной системы выращивания оптических кристаллов методом Чохральского, приведены результаты применения разработанного ШП для проектирования законов управления ТП производства ' оптических материалов.

- В соответствии с принципами создания АРМ, ПО разработанное для анализа и синтеза, может быть интегрировано в интерактивную систему автоматизированного лроектнтювааия ТЕ При организации А проектироввдка-технолога учтены пожелания пользователей и ограничения на комплекс технических средств. Ё ходе работы над диссертацией был разработан АРЫ проектировщика-теляолога, предназначенного для создания программно-алгоритмического обеспечения СА ТП производства оптических материалов. АРМ проектировщика -технолога является эффективным вычислительным инструментом, на вход которого Подаются массивы технологической информации, а на

ссоде получаем адекватное математическое описание 1П и опти-шьный закон его управления.

В рассмотренном примере приводятся результаты расчета для I выращивания кристалла ГСГГ радиусом г-3.2 см, скорость вытя-[вания у-О. 2 ом/мин.

Разработанный ГОШ реализован в трех автоматизированных :отемах управления производством оптических материалов.

-16 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Основной научный результат диссертационной работы заключается в разработке научных принт-шов и автоматизированных методов исследования и проектирования ТП производства оптических материалов.

При проведении исследований к разработок по теме настоящей работы получены следующие теоретические и прикладные результаты:

1. Проверен анализ современного состояния методов и систем автоматизированного проектирования ТП, показана необходимость разработки и внедрения системы автоматизированного проектирования математического обеспечения ТП производства оптических материалов, позволяющей снизить затраты на разработку прикладного ПО для существующих автоматизированных установок производства оптических материалов.

2. Разработана методика построения 1й4 ТП и их исследование. Предлс «энная методика сочетает термодинамический подход к построению ММ ТГ о принципами последовательного раскрытия.неопределенностей и эеолюцис ного развития топологии систем, структур и их операторов и конкретнее значений параметров на основе поэтапного использования информации-о 0 циях системы, целей управления и требования к качеству процессов. й дели учитывают разные технологические ситуации и состояние оборудован

3. Разработаны и исследованы ММ ТП автоматизированного производств оптических материалов в терминах пространства состояний, включая и стохастические характера шки, отличающиеся от аналогичных тем, что е них учтены факторы, не учитываемые раньше.

4. В результате анализа и исследования ТП производства оптических материалов разработаны принципы математического моделирования в САПР 1П производства оптических материалов.

Б. Разработана и реализована автоматизированная методика оценки времени выхода термопар- во время ТП ззрки оптического стекла в электрической ванной печи непрерывного действия.

6. Разработаны и исследованы функциональные схемы построения двухуровневых систем управления производства оптических материалов.

7. Разработана и реализована двухуровневая автоматизированная система варки оптического стекла в ШЕСТ.

8. Разработана автоматизированная методика оценки веса выращиваемого монокристалла методом Чохральского в ходе ТЕ

9. На осноье разработанных динамичес щ моделей синтезированы линейные оптимальные законы управления технологическими процессами.

10. Проведена большая серия экспериментов с использованием законов управления, расчитанных с помощью разработанного ППП,

11. ГЬлучены статистические данные в ходе экспериментов о точности, скорости сходимости к других свойствах алгоритмов идентификации и оинтеэа регуляторов автоматизированного производства оптических материалов.

12. Разработаны программы сбора к обработки технологической информации, идентификации модели ТВ, синтеза стохастических регуляторов.

13. Разработана структура» комплекс технических средств и ПО АРМ проектхрсвзкка - технолога

14. Р:.,':раосган комплекс программ автоматизированного исследования и проектирования ТП - расчет шихты, расчет крепки, расчет шихты из крупкг, р?.сч:*т параметра элементарной ячейки по ЗТКОКА, расчет формульных показателей для ГСАГ, ГСГГ и УСГГ.

15. Разработаны и исследованы алгоритмы автоматизированного прсектирсвелия математического обеспечения СА ТП производства оптических материалов, позволяющие в рамках одной ППП сочетать анализ ТП ка:-: объекта автоматизации, анализ и синтез Ш, синтез алгоритма управления.

16. Рассмотрены особенности построения и разработана структура ППП автоматизированного проектирования МО СА ТП производства оптических материалов.

1?. Эффективность разработанных методов, алгоритмов и программ ' и их практическая значимость подтверкен:.: при их реализации в рамках разработанного ПШ на реальных ТП производства оптических материалов : - варки фотохр.-много стекла ФХ>8,варчи ссобочистс-го лантаяового стекла, выращивании оптического кристалла ГСГГ.

;7с материалам .диссертации опубликованы следу-дине основные работы :

1. Коробейников А, Г. , Початков Л. Д., Еельянкнов Ю. К "Кзучетг зьксномзрностей тепломассопэреноса в вязких расплавах при вьооких температурах в условиях электротермического нагрева при произ водствэ сптнчесчасз стекла" отчет ГОИ, тема 1Ф41 - ОЬ - 61;

2. Ксробейшков А. Г. .Макаренко В. Г. Банк д^кыьк для авто «авизированной системы методических исследований в области рекгенсопектрального флуоресцентного анализа (РИА) - Информационный листок ЛЦНТИ, N 826, 1989.

3. Коробейников А. I'. .Виноградов С. А., Власенко А. В. Выбор и эбоснование математической мо^эли агтоматизг"ова;.'.-:ого процесса зырас-'вания оптических монокристаллов. - СШ.1983, N6, 0.37-40.

4. Коробейников А. Г., Ел^енко А. а, Лунев А. А. О практическом приме -1ении аналитического решения одной, задачи оцениваний в автомати -зированной системе выращивания оптических кристаллов. - Д-чэниро-5ана в Информприборе под N 4072 пр. ст Сб. 04.88.

5. Коробейников А. Г., Лунев А. А. Система управления температурой лгагоаонной резистизной печи. - Информационный листок ДЦНГИ, N 725,1588.

6. Коробейников А. Г., Лунев А. А. Локальный' многомашинный комплекс мига- и микро-5ЕМ управления технологическими установками электротермического типа - Информационный листок ЛЕНГИ, N 728,1988.

7. Коробейников А. Р. , Початков Л. Д., Вяасекко А. Б. и др. "Разработка и внедрение АСУ ТП варки особо стекол" отчет ГОК, тема НСУ -

477 77/1 £-41 - 11 - 61;

8. Коробейников А. Г. , Початков Л. Д., Кзелов Г. ¡Í. к др. "Разработка и внедрение йвтсматхзироьаяных сцегсы управгейия технологическими процесса выращивания крксталлээ" отчет ГОК,тема 1С41-С2-32/Нй?-ХХ1 ЕСУ-490-31;

9. Коробейников А. Г. , Початков. Л. Д.. Рласенко А. В. "разработка базовых к врэблсмзо - ориентированных средств АСУ у. применение их для построения АСУ ТП производства оптических сред" отчет ГОй, тема 11Д1 - 01 - 83/Т Т1 С-11S- 83;

10. Коробейников А. Г. , Почьтков Л Д. , Козлов Г. И. *' Разработка и внедрение ^тсматизированнсй системы по вырагиванкю оптических кристаллов ка-базе микро-l-J.; и аппаратуры в стандарте КА.МАК" отчет ГСП, тема VI41-07-86/TT12-C4S-o3;

11. Коре.ейнкюь А. Г., Помазков Л. Д. . Злзсенко A.B. "Разработка макете, авгематизирйваькол системы контроля и управления техно -логическими процесса«:', варки оптического стгкла в электрической ван«Ы' т?чи" огчет ГОй, тема 1Ф41-10-о5/'Г:12-б85-80;

12. АэроЗейников А. Г. , Бельянинов K.Ii, Г^чзткой Л. Д. "Разработка основных принципов построения автоматизированной информационно -Измерительной и управляю^,-: системы для гибкого производственного модуля олггческого стекловарения на основе электрической ванной печи" отнэ. ГСП, тема 1Ф41-05-88/Т;

13. Кдрсбейниког А. Г., Ыеженцев Е. В., Антонов 3. А. "Исследование и разработка технология и экспериментального оборудования для создания гибких .производственных сис^м стекловарения" отчет ГОЙ, тема 1Ф43-10-88/ТТ12-6с4-33;

14. Коробейников А. Г., Кежнцев Б. Б.., Скворцоз Ю. А. Математическое моделирование етекдовареннх печен с, холодным тиглем. - Тезисы докладов 2-го Бг-.-соювиого совещания по злектроваркэ стекла. Ела -димир, 1333 г. , стр. 74-75.

15. Коробейников А. Г., Ыаслюк Б. Е., Гатчия ¡O.A., Початков Л. Д. Алгоритм оценки температуры и момента вь-'ода термопары из строя во время технологического процесса. - Известия еысших учебных заведений, "ПРИБОРОСТРОЕНИЕ". Т. 34, 1991,N7, с, 101-104.

16. Коробейников А; Г., Некекцэв КВ., Антонов Э. А. , Махмудов К. М. , Скворцов D. А. САУ стекловаренной индукционной печью с холодным тиглем, /г Стекло и керамика, М 9, 13S0, с. 6-8.

17. Коробейников А. Г., Беженцев Е" В., '(¡¿хмудое КМ. Тезисы докладов 2-го Всесоюзного совещания по злектроварке стекла. Владимир,1990, стр. 76-77.