автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Принципы построения и методы проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов

Санкт-Петербургский Государственный институт точной механики и оптики (Технический университет)

Н£правах рукописи

РГб од - 5 июл 2103

Гатчин Юрий Армеиакович

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

05.11.М. Технология приборостроения. 05.13.lz. Системы автоматизации проектирования

■ -и

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2000 г.

Работа выполнена на кафедре проектирования компьютерных систем Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (Технического университета).

Научные консультанты:

доктор технических наук, профессор Немолочнов О.Ф. доктор технических наук, профессор Путилин Э.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Валетов В.А. доктор технических наук, профессор Мироненко ИТ. доктор технических наук, профессор Смолич Г.Г.

Ведущая организация:

ОКБ 'ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКА" (г.Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится 13 июня 2000 г. в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д 053.26.03 Санкт-Петербургского Государственного института точной механики и оптики (Технического университета) по адресу: 187101, г. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СПб ГИТМО(ТУ). Автореферат разослан " / / " мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

ЮЛКузьмин

К9вО.Ч2-£4-5-05,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Создание современных автоматизированных технологических комплексов является приоритетным направлением развития новых информационных технологий в оптическом приборостроении. Оптическая и электронная промышленность в значительной степени определяют уровень развития многих отраслей народного хозяйства страны, что обуславливает необходимость создания новой концепции автоматизированной технологии, комплексной автоматизации процесса проектирования. Поэтому создание и совершенствование системы автоматизированного производства оптических материалов на основе системного подхода является актуальной задачей. Указанные задачи нашли отражение в работах отечественных ученых Пузырева В.А., Лейбовича B.C., Тимана Б.С., Бурачаса С.Ф. и других.

Несмотря на определенные успехи в области создания автоматизированных технологических систем оптического производства, их проектирование осуществляется в основном в соответствии с методологией построения автономных систем регулирования и управления. Вместе с тем интеграция в единую структуру технологии, методов управления, программно-алгоритмических средств, обеспечивающих требуемое качество оптических материалов, возможна только при системном подходе. Однако общий подход к построению автоматизированных технологических комплексов (АТК), обеспечивающий качественно новый уровень решения задачи автоматизированного производства, не получил должного развития.

Сложившаяся к настоящему времени практика проектирования и создания АТК оптического производства основана в основном на использовании жестких детерминированных программно-алгоритмических структур. Требования, направленные на реализацию потенциальных возможностей интегрированного программно-инструментального комплекса, с учетом инвариантного прикладного математического обеспечения и сопоставления вариантов по различным характеристикам, делают необходимым придание системе свойств адаптации к внешним условиям заказчика или потребностям рынка. Перспективным является создание интегрированной системы, охватывающей все этапы исследования технологических процессов (ТП) и проектирования программно-алгоритмического обеспечения, открытой для пользователя как по расширению реализуемых функций, так и по библиотекам исследуемых программно-алгоритмических модулей.

Одной из главных проблем при создании интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов (ИСАПОМ) лежит в области создания новой информационной технологии проектирования на основе решения проблем формализации процесса и построения его математической модели. Поэтому теоретическое обоснование, методологичесое единство решаемых задач требуют кардинального осмысления методов анализа и синтеза системы как методологии исследования трудно наблюдаемых и трудно понимаемых свойств и отношений в ТП, заключающихся в представлении этого ТП в качестве целенаправленной системы и изучения его свойств и взаимоотношений между целями и средствами их реализации.

Другой проблемой, которая должна быть решена в процессе проектирования, является реализация принципа максимума эффективности, т.е. реализации возможных вариантов разделенных по функциональному признаку частей общей системы, отвечающей требованиям мак-сиума математического ожидания эффективности. Здесь необходимо знание особенностей технологии производства оптических материалов (ОМ), а также создание адекватных математических моделей. Поэтому для обоснованного выбора оптимальных проектных решений, их практической реализации необходимо создание методики проектирования в условиях неопределенности и многокритериального поля эффективности, что является актуальной научной задачей.

Объектом исследования в настоящей диссертационной работе являются технологические процессы варки оптического стекла в индукционной печи с холодным тиглем и в электрической ванной печи, выращивание оптических кристаллов методом Чохральского. Идеология автоматизации исследования и производства ОМ подразумевает сокращение сроков проектирования программно-алгоритмического обеспечения системы автоматизации, повышение качественных характеристик ОМ за счет проектирования интегрированной системы автоматизации, как соответствующей системы принятия и реализации решений в процессе функционирования.

Целью работы является развитие и обобщение теории и методов проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов, создание методологической и теоретической базы, охватывающей все аспекты проектирования, удовлетворяющей требованиям системного подхода, обеспечивающей комплексный характер решаемых задач, автоматизацию технологических процессов, инвариантность прикладного программного обеспечения.

Задачи исследований. Для достижения сформулированной цели в работе ставятся и решаются следующие задачи: -развитие методологических и теоретических основ проектирования ИСАПОМ, включающих в себя средства и методы автоматизации проектных работ, алгоритмы генерации и выбора проектных решений, удовлетворяющих критерию эффективности; -разработка методов математического моделирования и алгоритмов автоматизации ТП производства ОМ, основанных на научных принципах оптимальности и комплексе математических моделей, относящихся к определенному классу;

-разработка и исследование методов интеграции алгоритмов и программ на основе принципа самоорганизации, обеспечивающих функционирование АТК, как единой программно-аппаратной системы;

-разработка новой информационной технологии на основе решения проблем формализации процесса проектирования и построения его математической модели; -исследование и системный анализ технологических процессов как объектов автоматизации, обеспечивающих реализацию и настройку программно-алгоритмического обеспечения на конкретный ТП; -разработка концепции и основополагающих принципов построения ИСАПОМ, реализующей выдвинутые в работе научные положения и внедрение их в практику проектирования.

Методы исследований основаны на теории и методах автоматизации проектирования технических систем, методах математического моделирования и управления, теории идентификации и оценивания, теории вероятностей и математической статистики, теории принятия решений и системного анализа, методах оптимизации.

Научная новизна определяется тем, что впервые выполнено научное обобщение проблемы создания основ проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов. В процессе решения поставленных задач были получены основные научные результаты:

1. Созданы научные и методологические основы проектирования ИСАПОМ на базе разработанных принципов и иерархии математических моделей (ММ) и инвариантного программного обеспечения;

2. Разработаны методы формирования облика системы автоматизации на основе диалоговых процедур принятия проектных решений и

схемы последовательного анализа и отсева вариантов по синтезируемым отношениям.

3. Разработана оригинальная автоматизированная методика построения и исследования математических моделей ТП производства ОМ. Она сочетает термодинамический подход к построению ММ ТП с принципами последовательного раскрытия неопределенностей и эволюционного развития топологии систем, структур и их операторов и конкретизации значений параметров на основе поэтапного использования информации о функциях системы, целей управления и требований к качеству процесса;

4. Разработаны новые принципы математического моделирования в САПР, основанные на решении задачи проектирования ММ методом формальных процедур, на основе самоорганизации моделей претендентов. Предложены методы и алгоритмы идентификации ММ и синтеза адаптивного регулятора, учитывающие особенности ТП;

5. Разработаны и исследованы методы параллельного структурного н параметрического синтеза математического обеспечения, позволяющие в рамках одной программной системы сочетать анализ ТП как объекта автоматизации, анализ и синтез ММ, синтез алгоритмов управления;

6. Разработаны программные средства топологического проектирования, направленные на оптимизацию ТП производства ОМ. Разработана и исследована процедура построения функционала качества системы управления, создана структура программного обеспечения, модули которого могут работать как автономно, так и в составе программной системы;

7. Разработаны оригинальные алгоритмы контроля хода Ш, позволяющие анализировать производственные параметры в условиях нормального функционирования оборудования;

8. Разработаны новые технологические решения и методы управления ТП производства ОМ, защищенные авторскими свидетельствами.

Основные защищаемые положения диссертационной работы

включают:

-методологические и теоретические основы разработки ИСАПОМ на базе современной информационной технологии проектирования как последовательного процесса снятия неопределенностей; -развитие основ теории принятия проектных решений и принципы построения инвариантного программного обеспечения с учетом особенностей ТП;

-комплекс моделирующих алгоритмов, математических моделей на основе сочетания термодинамического подхода с принципами последовательного раскрытия неопределенностей и эволюционного развития топологии системы;

-принципы математического моделирования в САПР, основанные на иерархии и самоорганизации моделей;

-методику оптимизации параметров системы управления, включающую обоснование выбора целевой функции и критерия оптимизации, а также процедуру построения функционала качества; -оригинальные алгоритмы контроля хода ТП, позволяющие анализировать производственные параметры в условиях нормального функционирования оборудования;

-комплекс прикладных результатов и статистических данных, полученных в ходе проектирования, синтеза программных средств, обеспечивающих точность, сходимость и другие свойства алгоритмов; - новые технологические решения и методы управления режимами ТП производства ОМ, защищенные авторскими свидетельствами.

Достоверность приводимых в работе результатов и выводов обеспечивается корректным применением аппарата теории и методов автоматизации проектирования технических систем, теории идентификации и оценивания, теории вероятностей и математической статистики, теории принятия решений и системного анализа. Основные расчетные соотношения и алгоритмы, полученные в работе, подтверждаются результатами имитационного моделирования и экспериментальными данными.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Совокупность предложенных в работе идей, методологических и прикладных результатов составляет новое направление в области создания интегрированных систем автоматизированного производства оптических материалов, обладающих принципиальной направленностью на достижение потенциальной эффективности производства.

Реализация перечисленных выше результатов дает обоснованную методику проектирования ИСАПОМ.

Практическая ценность работы заключается в разработке методов исследования и синтеза математических моделей, реализованных как инвариантный комплекс прикладных программ. Разработаны принципы построения и организации программного обеспечения. Разработаны проектные решения, позволяющие ускорить процесс синтеза автоматизированного технологического комплекса на основе достижений

теории математического моделирования. Получены статистические данные о ТП, а также свойствах алгоритмов.

Разработанные в диссертации теоретические положения, методы проектирования, алгоритмы и программы использовались в ряде научно - исследовательских работ, выполняемых в рамках государственных программ, а также при создании программно-аппаратного комплекса автоматизированного управления ТП в НИИТИОМ ВНЦ ГОИ, СПбФ ИЗМИР АН, ОКБ "Электроавтоматика", ООО Инженерный центр "Технокон". Новизна и значимость технических решений подтверждена четырьмя свидетельствами на изобретения.

Научные аспекты диссертационных исследований нашли свою реализацию в лекционных курсах, читаемых автором студентам специальности "Конструирование и технология ЭВС" Санкт-Петербургского Государственного института точной механики и оптики (Технического университета), лекционных курсах, читаемых в СПб ГЭТУ (ЛЭТИ), в многочисленных публикациях и выступлениях на международных и отечественных конференциях и семинарах.

За внедрение результатов работы автор награжден премией Ленинградской комсомольской организации в области науки и техники.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в 19812000 годах на 15 Международных, Всесоюзных, республиканских, региональных научных конференциях, школах и семинарах, в юм числе: Республиканском семинаре "Проблемы создания и внедрения АСУ ТП", (Кишинев, 1981 г.), Всесоюзной школе-семинаре "Проектирование и производство микрозлектронных устройств", ОКБ ИКИ АН СССР (Фрунзе, 1982, 1983 г.), отраслевом семинаре "Пути создания ИЦСС" (Ленинград, 1983 г.), XI и XII Международных конференциях конструкторов-проектировщиков (ЧССР, Братислава, 1984, 1988 г.), Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1986 г.), VII конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок, СО АН СССР (Новосибирск, 1986 г.), отраслевой научно - технической конференции "Интегральные оптические линии связи", МПСС (Ленинград, 1989 г.), III Всесоюзной конференции "Моделирование роста кристаллов", АН СССР (Рига, 1990 г.), отраслевой научно-технической конференции "Цифровые сети с интеграцией служб" (Ленинград, 1991 г.), Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных представителей "Интеллектуальные САПР-94" (Геленжик, 1994

г.), Международной конференции "Прикладная оптика" (СЛетербург, 1996 г. ), Межвузовском научно-техническом семинаре с международным участием "Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем" (Санкт-Петербург, 1998 г.) ряде конференций профессорско - преподавательского состава СПб ГИТМО(ТУ) (1981-1999 г.), Международной конференции молодых специалистов "Оптика - 99" (ноябрь 1999).

Публикации. Основные положения и результаты работы достаточно полно отражены в 41-ой печатной работе, список которых приведен в конце автореферата. Материалы диссертации отражены в б отчетах по НИР, выполненных по теме диссертации, где автор был ответственным исполнителем и научным руководителем.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, б глав, заключения и списка литературы, включающего 192 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 322 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обосновывается актуальность проблемы, сформулированы цель, научная новизна, практические результаты работы, основные защищаемые положения, приведено краткое изложение диссертации по главам.

Первая глава посвящена анализу современного состояния теории и практики проектирования систем автоматизированного производства оптических материалов, системному анализу технологических процессов варки стекла и выращивания кристаллов.

Рассматриваются интерактивные методы моделирования технологических систем, реализованные в виде пакетов прикладных программ. Изложены их функциональные возможности, являющиеся предпосылкой для проектирования программно-алгоритмического обеспечения и создания ИСАПОМ.

Проведенный анализ развития современных САПР технологических систем показал, что главными и перспективными направлениями являются:

-применение средств вычислительной техники для построения адаптивных систем с учетом случайных и неопределенных факторов;

-использование информационной технологии, для которой возможна конструктивная конкретизация общей схемы декомпозиции задач проектирования и условий координации принимаемых проектных решений для определенного класса технологических систем; •применение методологии сквозного проектирования, реализующей идеи системного подхода к созданию интегрированных САПР, обладающих достаточной универсальностью к разнообразию параметров проектируемых систем автоматизации (СА) и ТП разных классов.

Эти направления позволили выделить общую тенденцию совершенствования СА ТП, определить внутреннюю структуру интегрированной системы. Она предполагает наличие альтернативного программного обеспечения и возможность выбора совокупности программ применительно к данному ТП или классу ТП.

Конкретизация основных цепей и задач, системный подход позволили выделить основные принципы построения ИСАПОМ, а именно: системного единства и комплексности, т.е. обеспечение связности проектирования отдельных элементов и всего объекта в целом на всех стадиях; открытости и развития, позволяющей совершенствование компонентов системы; информационного единства, заключающегося в согласованности систем и всего программного обеспечения; совместимости, обеспечивающей совместное функционирование всех подсистем; иерархической организации программно-алгоритмического обеспечения, вытекающей из организации процесса проектирования в виде логической схемы решения задачи.

Проведены исследования и системный анализ трех технологических процессов: варки оптического стекла в электрической стекловаренной ванной печи непрерывного действия и в индукционной печи с холодным тиглем (ИПХТ), выращивания кристаллов методом Чохральского как объектов автоматизации. При этом определены входные параметры и, параметры состояния объекта X, возмущения, действующие на ТП W и выходные параметры У. Выделены параметры, позволяющие определять косвенным путем качество конечного продукта: для ТП варки стекла в электрической ванной печи непрерывного действия - температурное поле в варочном бассейне и над поверхностью шихты; для ТП варки стекла в ИПХТ - температура на зеркале расплава; для ТП выращивания кристаллов - вес кристалла или расплава.

Исходя из проведенных в работе исследований и анализа ТП сделаны следующие выводы: ТП как объекты автоматизации имеют малую информативность из-за ненаблюдаемости выходных параметров, ха-

растеризующих свойства готового продукта. Сложность физико-химических явлений, определяющих протекание ИТ, затрудняет возможность построения адекватных аналитических математических моделей, которые могли быть использованы при разработке алгоритмов управления. ТП отличает нестационарность, связанная как с физикой процессов, так и с изменением параметров, характеризующих свойства технологического оборудования во времени. Распределенность параметров, множество перекрестных связей приводит к взаимосвязи управляющих воздействий и усложнению задачи автоматизации TTI.

Рассмотрены и классифицированы основы построения программного обеспечения (ПО) ИСАПОМ как сложной системы. При этом выбрана иерархическая структура с несколькими уровнями группирования и подчиненности модулей, использованная также при анализе критериев качества всего комплекса программ и его частей.

В работе прослежены пути развития интегрированных систем автоматизации ТП производства ОМ, сформулированы характерные черты и особенности этих систем. Проанализировано состояние работ в этой области и сформулированы пути решения задач, подлежащих разработке в диссертации. Основные этапы проектирования ИСАПОМ представлены на рис. 1.

Вторая глава посвящена разработке методов и алгоритмов этапа предварительного проектирования, решающих задачу формирования облика СА, исследования технологических процессов, как объектов автоматизации.

Установлено, что для рассматриваемого класса ТП проблема разработки основ информационной теории проектирования, имеет принципиальное значение, а ее решение определяет дальнейший прогресс в теоретических исследованиях и практической реализации автоматизированных технологических комплексов оптического производства.

К основным задачам анализа и исследования ТП отнесены исследование структурных свойств и устойчивости. Структурные свойства представляют собой важные характеристики - управляемость, наблюдаемость, вырожденность и грубость, влияющие на поведение технологической системы в целом. Они формируют и определяют облик автоматизированной системы. Рассмотрены теоретические критерии устойчивости: алгебраические и частотные. При анализе использован характеристический полином (ХП), полученный методом Леверрье. Приводятся алгоритмы исследования устойчивости по критериям Гурвица и Рауса. Для исследования управляемости разработана методика на осно-

Рис. 1.Этапы проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов (ИСАПОМ)

нове матрицы управляемости и определения ее ранга Оу. Оценка наблюдаемости определяется свойствами матриц А и С из структуры матрицы наблюдаемости II.

Разработана методика и алгоритм оценки степени нелинейности ТП. Методика основана на принципе построения линейной относительно параметров модели, которая по динамике, однако, является не линейной и динамической. Оценка степени нелинейности базируется на анализе зависимости вход - выход у(0 = Р,[Щ)]. При этом строится модель = £[Щ),п] и определяется такое п, при котором процессы уф и были бы близки в смысле близости их вероятностных характеристик. При этом решается экстремальная задача минимизации:

N

I = М1 = 2 [8т - бт(п)]2, где 6т - относительные семиинварианты,

ПГ")

для решения которой использован целочисленный вариант алгоритма стохастической аппроксимации. Применена специальная задача оценивания для оценок температуры, в частности, в ходе варки оптического стекла, и оценки времени выхода термопары из строя. Для синтеза стационарного фильтра находятся установившиеся значения = (Цс = 1, 2,... п). Согласно предложенной методике находятся не сами У*, а лишь соотношения между Уа» входящими в уравнение фильтра. Производится сравнение полученной оценки температуры и ее практическое значение. Это позволяет в начале ТП определить все корреляционные функции и в дальнейшем производить их корректировку. Оценка момента выхода из строя термопары определяется по величине невязки.

В работе предложена информационная технология, базирующаяся на формализованных знаниях о процессах принятия решений, являющаяся новым направлением автоматизированной технологии системного анализа и принятия проектных решений на этапе предварительного проектирования. Она базируется на совокупности диалоговых процедур взаимодействия лица, принимающего решение, и технологов-проектировщиков с системой поддержки в виде информационно-программной системы. Существо задачи принятия решений состоит в выборе некоторого подмножества из множества альтернатив или их упорядочивание по определенному правилу.

Постановка задачи принятия решений имеет вид:

где г - формулировка задачи;

X - множество допустимых альтернатив; Я - множество критериев оценки достижения цели; А - множество шкал измерения критериев; Б - отображение множества допустимых альтернатив в

множество критериальных оценок; в - система предпочтений решающего элемента.

В качестве критериев рассматриваются показатели, характеризующие альтернативы как средства достижения цели. Далее определяется пространство критериальных оценок альтернативных действий. Анализ показал, что актуальными являются методы, ориентирующие на много-критериальность и неопределенность.

Выделим ядро - множество максимальных элементов из X по бинарному отношению Ф:

Х=>Х* =Мах(Х,Ф) (1)

На начальном этапе формируется вектор параметров хеЕк размерности N. принимающий значения из множества X и реализуется процедура отбраковки неперспективных альтернатив на основе последовательного анализа вариантов и бинарных отношений сравнительной эффективности. При этом сравнение альтернатив осуществляется по синтезируемым отношениям, а не по глобальному отношению эффективности Ф. Дня этого вводятся бинарные отношения У), и И,...к.

На практике бинарное отношение Ф задается вектором технических параметров V/, для которого отношение V служит хорошим приближением Ф.

Решение задачи (1) сводится к отысканию ©, содержащими параметры альтернатив и параметры г (гбЕн), связанные с моделью функционирования системы.

На основе этого в работе предложен обобщенный алгоритм последовательного анализа вариантов, как алгоритм отыскания ©.

Третьи глава содержит вопросы разработки и исследования математических моделей ТП методом пространства состояний.

Определено, что основная проблема при создании инвариантного математического обеспечения методом пространства состояний состоит в разработке методов и формализованных схем построения теоретических математических моделей ТП. В работе предложено несколько подходов к математическому моделированию стекловаренных печей с электрическим нагревом стекломассы. Первый основан на расчете нестационарного линейного температурного поля с применением уравне-

ния баланса энергии с внутренним источником без учета переноса тепла в виде:

8t 1 1

Область определения уравнения содержит характеристики расплава стекломассы, футеровку, электроды и шихту. Граничные условия записываются для конкретной печи. Второй подход основан на уравнении теплопроводности для ванны с расплавом и шихты, которые связывают электрическую мощность, скорость прохождения материала и толщину слоя шихты вида рсУДТ + У(Ю7Т) = п. Однако получаемое значение средней температуры не позволяет в полной мере оценить распределение температур в расплаве и может быть использовано для локальной задачи управления. Третий подход более предпочтителен. Он основан на описании процессов теплового баланса:

й5Т , .

С-8Т =8Р+К[т)

йг сг- с 1

где С - теплоемкость печи; 5ТС - приращение температуры стекломассы относительно начальной величины Тс; К^ - коэффициент са-

I

мовыравнивания; Р- мощность.

Для управления температурным полем используется изменение вводимой мощности - напряжения на электродах. Получено выражение:

кп -к ви2

С. э г

$Гс=2Хи$и+Р2(т)

где и - напряжение на электроде, X - удельная электрическая проводимость, В - угол наклона стекла, Кь - коэффициент состояния электродов, Б2 - внешнее воздействие на объект.

Математическая модель управления ТП варки оптического стекла в электрической ванной печи получается путем преобразования системы и разложения ее в ряд Тейлора относительно частного решения Хс. Матричное уравнение с системой наблюдения дает ММ:

х = Ах + Ви + (2)

Определен вид матриц В, С, Б исходя из особенностей ТП. При математическом моделировании варки стекла в ИПХТ выделено два подхода к построению ММ. Первый подход включает сопряженные электрическую и тепловую задачи. Однако он не дает достоверных значений тепловых и электрических свойств расплава. Другой подход - с разделением тепловой и электрической задачи упрощает процесс исследования ИПХТ. Он позволяет качественно исследовать влияние на режим нагрева различных нагрузок индуктора. По заданной форме и геометрическим размерам ванны, усредненных по температуре электрических характеристик расплава производится электрический расчет индукционной системы. Предложен метод связанных контуров. Вся система разбивается на а кольцевых элементов с заранее известным распределением тока I по их сечению. Для каждого элемента составляется уравнение на основе 2-го закона Кирхгофа. Задача сводится к решению п алгебраических уравнений первого порядка с комплексными коэффициентами. Получим систему:

к+]8х1 к+ДхЫи^и,! где Б,-, - соответственно матрицы активных, а также взаимных и собственных сопротивлений элементов нагрузки и индуктора, 1„ I, - матрицы активных и реактивных токов, и„ и, - матрицы активных и реактивных составляющих напряжений.

При решении тепловой задачи распределение температуры в цилиндрическом тигле определяется уравнением:

Г[¿Г сг \ & где Т - температура, /(г,г) - функция распределения источников тепла по телу.

№ решения уравнения определяется положение изотермы Т(гд) = Тр1 (Тр1 - температура плавления). Математическая модель варки стекла в ИПХТ с сопряженной электрической и тепловой задачей описывается матричным уравнением (2):

где а - трехмерный вектор и = (и|, иг, из).

и! - напряжение на первичной обмотке трансформатора

«2- напряжение регулятора обратной связи

из- сопротивление обратной связи между контурами

Математическое моделирование процесса выращивания кристаллов основано на моделировании процессов тепломассопереноса и явления капиллярности. Решение капиллярной задачи основывается на анализе сил поверхностного натяжения, образующих подкристалышй столбик расплава высотой Ь. Скорость кристаллизации Ук зависит от соотношения линейных размеров элементов системы кристалл - расплав - тигель. Задача формулируется следующим образом. Пусть г, г -ордината и абцисса произвольной точки кривой мениска относительно центральной точки его основания, принятой за начало координат.

Требуется найти решение системы уравнений:

& .

—=8Ш0Г,

¿8

а■ &

д(р _€\п(р^ 2

г р где & - дифференциал дуги мениска,

Ф - угол между положительной полуосью абцисс и касательной

к кривой мениска, Э - постоянная Лапласа. Тогда приближенное решение задачи капиллярности с определенными краевыми условиями будет иметь вид:

а =

где ©1 - угол, образованный кривой мениска и образующей поверхности кристалла в точке раздела трех фаз.

Решение тепловой задачи исходит из исследования распределения температуры Т(г,г,1) в системе расплав - кристалл, описываемого уравнением теплопроводности. Определено, что приближенное решение двумерной стационарной функции распределения температуры в кристалле имеет вид:

'1со БС/Л2 . 4г )

Р*яЦ,

4 г

Т*(*>г>Тл+(ТгТ,

1-Фг,/2 г

\-ФГхП)

ехр

Г V2 2ф

+—

/

где Ф = е/Х,, е - коэффициент теплоотдачи, V - суммарная скорость подъема затравки и опускания расплава в тигле относительно верхней его кромки, % - температуропроводность, 1ч - радиальное расстояние от оси кристалла, имеющего радиус г, ТА - температура среды выращивания. Через ряд преобразований, учитывающих определение угла 05 через вариации высоты столбика расплава АЬ, радиуса кристалла Лг и линеаризацию уравнений, получена система, определяющая динамику фронта кристаллизации:

к Ь

1

©

А/г.

Ь=ГАг--А1г+к0Ат0+КААТА+Ку&>

где Г, Ко, КА) Ку -коэффициенты.

Преобразовав систему и введя уравнение датчика веса кристалла Ай получим систему уравнений (2),

где вектор состояния х = (Аг, АЬ, Ав).

Созданные модели программно реализованы и занесены в базу данных моделей.

В работе представлены и исследованы алгоритмы оценки параметров и переменных состояния ТП. Предложен удобный для реализации на ЭВМ алгоритм идентификации многомерных систем и модифицированный алгоритм Качмажа. Осуществлены исследования и созданы методы оптимального оценивания состояния системы в момент времени I по результатам измерений на промежутке |*о> г], (Ыо) на основе фильтра Калмана. Алгоритмы идентификации и оптимального оценивания реализованы в виде программных модулей и включены в ПС.

Четвертая глава посвящена исследованию и разработке автоматизированных методов математического моделирования ТП языком формальных процедур, включающих обоснование особенностей моделирования, анализ и исследование принципов самоорганизации моделей, обоснование вида целевой функции и критерия оптимизации, вы-

явление составляющих целевой функции и разработку методов идентификации параметров моделей - претендентов.

Для рассматриваемого класса Ш предложен альтернативный подход к построению математических моделей и инвариантному программному обеспечению. Анализ и исследования показали, что ТП, как системы с неполной априорной информацией могут быть изучены и описаны на основе экспериментальной информации языком формальных процедур математического моделирования.

В работе предложена методика самоорганизации ММ, как теоретическая основа для исследования систем с полностью или частично неизвестной динамикой, функционирующих в стохастической среде. Это направление демонстрирует новые возможности методов идентификации и связано с моделированием исследуемых неизвестных систем в реальном масштабе времени. Разработанные методы самоорганизации базируются на подходе, при котором ТП описываются эмпирическими соотношениями. Вначале в некотором заранее определенном классе, достаточно широком и математически строго обоснованном, подбирается ММ, которая не зависит от физической сущности системы. Анализ ММ позволяет предсказать ее поведение. На основе предсказанных свойств выбирается подходящее управление и проводится его апробация. При этом реализуется принцип устранимых неопределенностей, особенностью которого является совершенствование математического описания модели ТП в темпе реального времени. Свойство самоорганизации, необходимое для управления системами с устранимыми неопределенностями, рассматривается как способность к обучению. Исходными данными для самоорганизации моделей являются: выборка наблюдений, в которой содержатся значения входов и выходов объекта в процессе нормальной работы, класс уравнений и предполагаемые виды опорных функций, в которых следует искать модель, критерии выбора модели. Как показали исследования, важным свойством самоорганизации моделей является помехоустойчивость, требующая учитывать информационные свойства исходной выборки и уровень отношения помеха - сигнал. Реализация методики самоорганизации требует подать на перебор по внешним критериям достаточно разнообразное множество моделей - претендентов, отличающихся сложностью структуры, классом уравнений, видом опорной функции.

Проведенные в работе исследования по определению области нахождения моделей - претендентов в некотором Е классе структур отображений привели к задаче структурного моделирования по выборкам

наблюдений. А именно: необходимо найти структуру feF, являющуюся несмещенной оценкой отображения h; найти структуру, являющуюся эффективной в классе F оценкой отображения h. Исходя из этого показано, что описанный класс F - класс всех линейных регрессий.

В работе предложена обобщенная линейная по параметрам дискретная модель ТП порядка m с дискретным запаздыванием d:

ш га ш ш

Yk + 2 аГГым = 2b 2c ¡VM-i+Zdi^-i

M i=l ¡=1 i-1

где e-k - согнал ошибки (помеха измерения),

Uj - входная последовательность ТП в момент i, Yi - выходная последовательность в тот же момент времени. В рамках этой модели сформулирована и исследована совокупность моделей - претендентов. Результативность функционирования методов самоорганизации ММ оценивается рядом критериев: суммар-

N

ный квадратичный критерий: характеризующей степень адекват-

ь-о

ности модели исследуемому процессу на всей рассматриваемой выбор-

N

ке; усредненный пошаговый квадратичный критерий ( 2e\)/N, анали-

к=0

зирующий квадрат невязки между модельным выходом и реальным выходом ТП на каждом шаге; скорость сходимости алгоритма параметрической идентификации Уа0л с заданной точностью е; затраты машинного времени на решение задачи структурной и параметрической идентификации. Трас,, суммарный квадратичный критерий управления

N

2е\ + rU2b объем оперативной памяти в байтах, занимаемый программным модулем Soa, сложность модели, учитывающей порядок m и число переменных Sm=mn. Тогда функционал качества проектирования принимает вид:

Ф = (|e\)/N, УС10Д,Трмч, +rU2k, SM ,

и представляет линейную комбинацию критериев с заданным проектировщиком весом. В зависимости от целей проектирования те или иные критерии становятся глобальными и акцент в работе системы

смещается к удовлетворению заданных требований. В работе приведена процедура построения и анализа функционала качества на примере трех критериев н соответственно трех функционалов Фь Фг, Фз, изображенных векторами в ортогональном критериальном базисе. На начальных этапах самоорганизации предпочтителен автоматический режим работы, позволяющий формировать в базе данных каталог моделей, наиболее близко отражающей исследуемый ТП.

Представлены и исследованы методы идентификации ТП : рекуррентный метод наименьших квадратов, максимального правдоподобия, метод стохастической аппроксимации, обобщенный алгоритм Качмажа. При этом рассмотрена последовательность применения методов с учетом скорости сходимости алгоритмов и смещенности оценок. Предложена процедура полиномиальной аппроксимации нелинейной системы, с параметрами изменяющимися медленно в сравнении с частотой итерации.

Пятая глава посвящена разработке основополагающих принципов проектирования математического обеспечения CA ТП и алгоритмов управления на основе процедур, изложенных в главе П.

Исследованы и разработаны общая схема проектирования математического обеспечения, основанная на подборе методов идентификации, моделирования и стохастического регулирования ТП. Она предполагает экспериментальное исследование объехта на базе информации, поддающейся непосредственному измерению. При этом в процессе формирования ММ ТП первоначально отражаются основные физические явления с целью факторизации модели, а затем выполняется статистическая оптимизация с учетом специфики Ш. В работе предложен оригинальный алгоритм автоматизированного проектирования МО с помощью методики самоорганизации моделей. Процесс проектирования имеет итеративный характер и логически разделяется на три этапа: моделирования ТП, синтеза регулятора, окончательного синтеза ПО из библиотеки объектных модулей для ЭВМ, стоящей в контуре ТП. Начало проектирования представляет собой структурный синтез ММ с произвольным выбором составляющих модели. Это производится как автоматически, так и в диалоге с проектировщиком, с наименьшей конфигурацией. Синтезированная на основе обобщенной модели гипотетическая модель - претендент подвергается параметрической идентификации при помощи методов, входящих в банк алгоритмов подсистемы идентификации. После оценки коэффициентов инициируется процедура анализа локального критерия идентификации и формирования мо-

дельного выхода. Он сравнивается на каждом шаге по суммарному квадрату невязки с реальным выходом. Результаты расчета заносятся в базу данных. Далее выбирается другой метод идентификации и исследование повторяется. Процедура исследования продолжается при последовательном переборе значений структурных параметров модели.

В результате работы системы формируется набор логических записей, содержащих: номер исследования по порядку, структурные характеристики модели, оценки параметров ММ, набор вычисленных критериев качества. Результаты исследования используются на этапе синтеза стохастического адаптивного регулятора. При синтезе регулятора изложенная методика многокритериальной оптимизации работает аналогично. На основе полученных проектных параметров разработчик принимает окончательное решение о структуре МО СА. Предложенные методика и алгоритмы были проверены путем моделирования реальных ТП оптического производства. Данная методика позволила сократить в 2-3 раза сроки проектирования МО.

В работе синтезированы и исследованы самооптимизирующие адаптивные регуляторы с идентификацией объекта управления, основанные на принципе стохастической эквивалентности и рекуррентном оценивании. Проведенные эксперименты показали, что при реализации алгоритма управления с подстройкой параметров наиболее приемлемы регуляторы следующего тала: апериодические (простой и повышенного порядка) АР(у) и АР(у+1), и с минимальной дисперсией РМД. Исследования показали, что РМД целесообразно использовать при воздействии на систему окрашенного шума, а апериодические регуляторы - при ступенчатом изменении задающей переменной. Преимуществом таких регуляторов является более сильно выраженные опережающие свойства, и подавление колебаний управляющей переменной. Для этапа синтеза регуляторов решена задача стыковки методов идентификации и регулирования. Использование разработанного МО позволяет значительно повысить качество управления ТП, компенсировать стохастические возмущения и улучшить качество оптических материалов.

Шестая глав« посвящена разработке программного обеспечения, вопросам реализации и экспериментального исследования автоматизированных методов проектирования СА на основе интегрированной САПР. Дня обеспечения взаимодействия всех программных компонент в программной системе СПС) предложены многоуровневые иерархические структуры, что позволило проектировать ПО сверху вниз. В структуру ПО помимо общесистемных модулей включены подсистемы: ис-

следования Ш как объектов автоматизации, сбора и обработки технологической информации, идентификации параметров и оптимального оценивания, синтеза самонастраивающихся регуляторов (рис.2). Приводится описание программных модулей. Все модули завязаны на общую базу данных и имеют свои внутренние библиотеки данных, связанные по иерархическому принципу с общесистемной базой данных. В работе описаны функциональные возможности ИСАПОМ, которая позволяет решать практически необходимые задачи сквозного проектирования СА при помощи соответствующего набора программных модулей.

Экспериментальное исследование ПО проведено как на реальных ТП, так и модельных задачах. В результате экспериментов и исследований ТП варки оптического стекла в электрической ванной печи получено стекло ФХС-8 с высокими оптическими характеристиками. Реализация разработанной системы на установке типа "Кристалл 403" при варке в индукционной печи с холодным тиглем позволила разработать новый ТП варки особо чистого лантанового стекла с коэффициентом потерь менее 50 дБ/км. При выращивании оптических монокристаллов ГСГГ снижены производственные затраты на 30%, улучшены оптические и генерационные характеристики кристаллов за счет оптимизации параметров и геометрии кристалла. Полученные результаты позволили синтезировать системы автоматизации с приоритетными параметрами, защищенные авторскими свидетельствами.

ИСАПОМ можно использовать для исследования не только ТП производства ОМ, но, при незначительной модификации, для исследования других сложных технологических объектов и процессов приборостроения.

Монитор

OTI

Диалоге проектировщиком

Сбор д анных о ходе процесса

Предварительная обработка

Запись в БД

АГГ

Выборка из базы данных

Диалоге проектировщиком

Анализ дование объек автомап ииссле-ТПкак TOB гизагот

Диалоге проектировщиком

Выборка из БД

Моделирование ТП

S5

со

S] С

Диалоге проектировщиком

Выборка из БД

Ввод результатов моделирования

X

Синтез регулятора

Синтез МО по результатам работы CGI и STC из библиотеки объектных модулей

Г AR

HARP1

RMD

Рис.2. Иерархия программных модулей ИСАПОМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основе общих тенденций развития теории и практики проектирования современных автоматизированных технологических комплексов в работе решается актуальная научно - техническая проблема создания методологических и теоретических основ проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов.

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Проведен теоретический анализ проблемы создания автоматизированных технологических комплексов оптического производства на основе современных информационных технологий сквозного проектирования в условиях стохастической среды.

2. Разработаны методы формирования облика системы автоматизации на основе диалоговых процедур принятия проектных решений и схемы последовательного анализа и отсева вариантов по синтезируемым отношениям.

3. Сформулированы, созданы методологические и теоретические основы проектирования ИСАПОМ на базе разработанных принципов, иерархии математических моделей и инвариантного программного обеспечения.

4. Проведен анализ и исследование технологических процессов как объектов автоматизации на основе системного подхода, обеспечивающие реализацию и настройку программно - алгоритмического обеспечения на конкретный ТП.

5. Разработаны и исследованы методы построения математических моделей ТП оптического производства, сочетающие термодинамический подход к построению ММ с принципами последовательного раскрытия неопределенностей и эволюционного развития топологии систем, структур и их операторов, конкретизации значений параметров на основе поэтапного использования информации о функциях системы, целей управления и требований к качеству процесса.

6. Сформулированы и разработаны ноше принципы математического моделирования, основанные на решении задачи проектирования ММ теоретическими методами и методами формальных процедур с помощью методики самоорганизации моделей - претендентов.

7. Разработаны и исследованы методы и эффективные алгоритмы параллельного структурного и параметрического синтеза математи-

ческого обеспечения, позволяющие в рамках одной программной системы сочетать анализ ТП как объекта автоматизации, анализ и синтез ММ, синтез алгоритмов управления.

8. Разработан комплекс оригинальных алгоритмов исследования и контроля хода ТП, позволяющих анализировать производственные параметры в условиях нормального функционирования оборудования.

9. Разработаны и исследованы принципы построения ИСАПОМ. Предложена структура прикладного математического, программного и методического обеспечения в рамках интегрированной системы. Разработаны и исследованы основные пакеты прикладных программ проектирования СА ТП.

Ю.Предложены новые технологические решения и методы управления ТП оптического производства, защищенные авторскими свидетельствами.

11.Теоретические результаты работы доведены до практической реализации в виде методологического, программного и информационного обеспечения ИСАПОМ. Данные экспериментальных исследований и экономический эффект от внедрения разработанной системы подтвердили результаты теоретических исследований, основные научные положения и показали эффективность предложенных подходов к проектированию ИСАПОМ.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Гатчин Ю.А. Некоторые вопросы исследования и разработки автоматизированной системы управления технологическим процессом выращивания кристаллов,// Тезисы докладов Республиканского семинара 'Проблемы создания и внедрения АСУ ТП", - Кишинев, 1981, с. 49-50.

2. Гатчин ЮЛ., Хабалоь В .В. Методы исследования технологического процесса выращивания кристаллов.// Тезисы докладов Всесоюзного семинара "Проектирование и производство микроэлектронных устройств", - Фрунзе, 1982, с. 54.

3. Гатчин Ю.А. Современные тенденции построения систем автоматизированного управления технологическими процессами выращивания оптических монокристаллов. // Депонирована в ЦНИИ ТЭИ приборостроения, 10.03.82., № 1824, пр-Д 82,5 с.

4. Гатчин Ю.А., Белов Л.Б. Аппаратура КАМАК в системах автоматизации измерений и управления.// Тезисы докладов отраслевого семинара "Пути создания ИЦСС". - Ленинград, 1983, с. 207-208.

5. Гатчин ЮЛ. Разработка системы автоматизированного управления технологическим процессом выращивания кристаллов.// Тезисы докладов отраслевого семинара "Пути создания ИЦСС". - Ленинград, 1983, с. 275-276.

6. Гатчин Ю.А., Петухов Г.А., Лунев A.A. Системы автоматизированного управления технологическим процессом роста монокристаллов.// Тезисы докладов Всесоюзной школы-семинара "Проектирование и производство микроэлектронных устройств", - Фругое, 1983, с. 74-74.

7. A.C. 1111512, МКИ В01У 17/18. Система автоматического управления Ш выращивания кристаллов. //Гатчин < Ю.А. Заявлено 27.12.1982, № 3527429,1983.

8. Гатчин Ю.А. Принципы проектирования микровычислительной системы автоматизированного выращивания кристаллов.// Тезисы докладов VII конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок.-Новосибирск, СО АН СССР, 1986.С.118-119.

9. Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю.,Хабалов В .В. Прикладное программное обеспечение для системы автоматизированного выращивания кристаллов. // Тезисы докладов VII конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок.-Новосибирск, СО АН СССР, 198б,с.116-117.

10. Гатчин Ю.А., Осипов М-Ю.Дабалов В.В. Оценка параметров математической модели Ш выращивания кристаллов.// Тезисы докладов УП конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок. - Новосибирск, СО АН СССР, 1986, с.120-121.

П. A.C. 1380299, МКИ B01J 17/18. Система автоматического управления технологическим процессом выращивания кристаллов. //Гатчин ЮЛ. Заявлено 26.09.1986, № 3976053.

12.Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю.»Хабалов В.В. Автоматизация проектирования системы управления ИТ выращивания монокристаллов в условиях ГАП. // В кн. Автоматизация проектирования сложных систем.-Л., ЛИТМО, 1986, с.68-73.

13.Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю. Комплекс программ структурной идентификации технологического процессам/Тезисы докладов II Все-

союзной конференции молодых ученых и специалистов 'Теоретическая и прикладная оптика" .-Ленинград, 1986, с.491.

14.Гатчин Ю.А., Осипов МЮ, Смирнов СБ. "Система сбора и управления температуройм//Тезисы докладов П Всесоюзной конференция молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика" .-Л., 1986, с.429,

15 .Гатчин Ю.А., Беккер ЯМ. Технические средства автоматизации - запоминающие устройстваУ/Сборник трудов.-Л.,ЛДНТП, 80 с.

16. А.С. 1450426 МКИ ВОН 17/18 Система автоматического управления технологическим процессом выращивания кристаллов. //Гат-чин ЮЛ. Заявлено 30.03.1987, №4216917,1987.

17.Гатчин ЮЛ. Программно-алгоритмическая структура системы автоматизации процесса выращивания кристаллов на основе микроЭВМ. //В кн. ЭВМ в проектировании и производстве.-Л. Машиностроение, Лен.отделение, 1987, с.161-175.

18.Гатчин ЮЛ., Осипов М.Ю., Орлова ЕЛ!. Проектирование системы управления процессом выращивания кристаллов.//Тезисы докладов отраслевой научно-технической конференции "Интегральные оптические линии связи".-Л., МПСС, ЛНПО "Красная заря", 1989, т.2,с.150.

19. А.С. 1629361 МКИ СЗОВ 15/02. Устройство для выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов. //ЮЛ.Гатчин, ГЛКозлов, Л.Д.Початеов, М.Ю.Осипов. Заявлено 20.09.89, № 4491953,1990.

20-Гатчин ЮЛ., Осипов МЛО., Сандуленко В.А., Мамонтов ИЛ. Программная система моделирования и управления ростом кристаллов. //Тезисы докладов Ш Всесоюзной конференции "Моделирование роста кристаллов", АН СССР, Рига, 1990, ч. 3., с. 277-278.

21 .Гатчин ЮЛ., Осипов М.Ю. Автоматизированное рабочее место проектировщика - программистам/Известия ВУЗов СССР. Приборостроение, 1990, №3, с.39-43.

22.Гатчин ЮЛ., Коробейников А.Г., Маслюк ВЛ. Алгоритм оценки температуры и момента выхода термопара из строя во время технологического процессаУ/Известия ВУЗов СССР. Приборостроение, 1991, №7, с.101-104.

23 .Гатчин ЮЛ, Януш ЯЛ». Автоматизация исследования оптических характеристик кристалловУ/Тезисы докладов отраслевой научно -технической конференции "Цифровые сети с интеграцией служб". -Л.,1991, т.2, с.293-295

24.Гаттан Ю.А., Коробейников А.Г., Неженцев В.В., Скворцов Ю.А. Применение математического моделирования для создания системы автоматического управления индукционной варкой стекла в холодном тигле //Известия ВУЗов. Приборостроение, 1996, № 7-8,с.70-73.

25.Гатчин ЮЛ., Андреев А.К., Бондаренко И.Б. Интегрированная система автоматизированного производства оптических материа-ловУ/Тезисы докладов Международной конференции "Прикладная оптика - 9б".-СПб,1996, с. 109.

26.Гатчин Ю.А. Научные основы проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материа-ловУ/В кн. "Проектирование и технология элементов компьютерных систем", тезисы докладов XXIX научно-технической конференции СПб ГИТМО (ТУ),1997,с.5-6

27Татчин Ю.А., Бондаренко И.Б. Методы автоматизированного проектирования сложных технологических систем по производству оптических материаловУ/В кн. "Проектирование и технология элементов компьютерных систем", тезисы докладов XXIX научно-технической конференции СПб ГИТМО (ТУ),1997,с.6-7

28.Гатчин ЮЛ., Пеунов К.М. Модульные системы обработки данных в технологии автоматизированного проектированияУ/В кн. "Проектирование и технология элементов компьютерных систем", тезисы докладов XXIX научно-технической конференции СПб ГИТМО (ТУ)Д997,с.8

29. Гатчин ЮЛ. Теоретические основы формирования облика системы автоматизации на этапе предварительного проектирования. //Тезисы докладов Межвузовского научно-технического семинара с международным участием. "Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем", СПб, 1998, с. 2.

30. Гатчин ЮЛ., Коробейников А.Г. Методы представления знаний в гибкой производственной системе сбора и обработки данных. // Тезисы докладов Межвузовского научно-технического семинара с международным участием. "Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем", СПб, 1998, с. 3.

31. Гатчин ЮЛ., Бондаренко И.Б. Оптимизация выбора проектных решений. //Тезисы докладов Межвузовского научно-технического семинара с международным участием."Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем", СПб, 1998, с.7.

32. Гатчин ЮЛ., Коробейников А.Г. Применение СЛЬБ-техноло-гии при проектировании программно-алгоритмического обеспечения.

// Тезисы докладов Межвузовского научно-технического семинара с международным участием. "Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем", СПб, 1998, с. 11-12.

33. Гатчин ЮЛ., Коробейников AJT. Методы проектирования программно-алгоритмического обеспечения с использованием современных информационных технологий.// Тезисы докладов Межвузовского научно-технического семинара с международным участием, "Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем", СПб, 1998, с. 12-13.

34. ЮЛ. Гатчин, Бледнов ВЛ., Коробейников А.Г. Оценка влияния креновой девиации ферромагнитного судна на точность измерений компонентов геомагнитного поля. //Известия ВУЗов. Приборостроение, 1998, № 9, с. 52-54.

35. Гатчин ЮЛ., Коробейников AT. Продукционная модель представления знаний в гибкой производственной системе сбора и обработки информации. И Тезисы докладов XXX Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава. "Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем", СПб, 1999, с. 87-88.

36. Гатчин ЮЛ., Коробейников AT. Методы С^&технологаи при проектировании программно-алгоритмического обеспечения. // Тезисы докладов XXX Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава. "Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем", СПб, 1999, с. 88.

37. Гатчин ЮЛ., Коробейников AT. Применение новых информационных технологий при разработке методов проектирования программно-алгоритмического обеспечения. // Тезисы докладов XXX Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава. "Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем", СПб, 1999, с. 88.

38. Гатчин ЮЛ., Коробейников AT., Тараиенко МЛ. Особенности процесса проектирования математических моделей системы сбора и обработки информации. // Тезисы докладов XXX Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава. "Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем", СПб, 1999, с. 100.

39. Гатчин ЮЛ., Бондаренко И.Б. Оптимизация алгоритмов последовательного анализа вариантов. // Тезисы докладов XXX Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава.

Введение

Глава 1. Общие вопросы проектирования и разработки интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов

1.1 .Обзор состояния вопроса

1.2.Системный анализ технологических процессов производства оптических материалов как объектов автоматизации

1.2.1. Технологический процесс варки оптического стекла в электрической стекловаренной ванной печи непрерывного действия

1.2.2. Технологический процесс варки оптического стекла в индукционной печи с холодным тиглем.—

1.2.3. Технологический процесс выращивания оптических кристаллов методом вытягивания

1.2.4. Особенности технологии производства оптических материалов и методов математического моделирования

1.3. Основные принципы создания ИСАПОМ.—.—

1.4. Особенности создания программно-алгоритмического обеспечения систем автоматизации ТП--------------------------------------------.

1.5. Постановка задачи разработки интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов —

1.6. Выводы —.-.

Глава 2. Методы и алгоритмы исследования технологических процессов как объектов автоматизации

2.1. Особенности исследования ТП как объектов автоматизации

2.2.Методы исследования ТП производства оптических материалов

2.3. Оценка степени нелинейности ТП

2.4.Алгоритм оценки температуры и момента выхода термопары из строя

2.5.Формирование облика системы автоматизации ТП на этапе предварительного проектирования

2.6. Выводы —.-.

Глава 3. Разработкам исследование математических моделей ТП производства оптических материалов методом пространства состояний

3.1. Анализ и особенности процесса проектирования математических моделей методом пространства состояний

3.2. Теория и методы разработки математических моделей ТП производства оптических материалов —.-.-.-.

3.2.1. Разработка математических моделей ТП варки оптического стекла в электрической ванной печи

3.2.2. Разработка математических моделей ТП варки оптического стекла в индукционной печи с холодным тиглем

3.2.3. Разработка математических моделей ТП выращивания оптических кристаллов методом Чохральского.

3.3. Алгоритмы идентификации параметров математической модели и оценки вектора состояния

3.4. Выводы

Глава IV. Разработка и исследование ММ ТП производства оптических материалов экспериментальными методами

4.1. Методологические основы разработки ММ ТП производства оптических материалов на основе экспериментальных методов

4.2. Обоснование и выбор класса математических моделей ТП производства оптических материалов

4.3. Разработка и исследование методов идентификации ТП производства оптических материалов

4.4. Выводы.-.—.-.

Глава V. Методы и алгоритмы проектирования математического обеспечения системы автоматизации ТП производства оптических материалов -.-.—.—

5.1. Особенности проектирования математического обеспечения СА ТП производства оптических материалов —.-.

5.2. Разработка критериев качества математического моделирования ТП производства оптических материалов

5.3. Разработка алгоритма автоматизированного проектирования математического обеспечения СА ТП производства оптических материалов —

5.4. Проектирование алгоритмов управления систем автоматизации производства оптических материалов

5.4.1. Алгоритм оптимального стохастического управления

5.4.2. Синтез и исследование адаптивных регуляторов

5.5. Стыковка алгоритмов идентификации и регулирования

5.6. Выводы

Глава VI. Разработка программного и информационного обеспечения интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов

6.1. Организация и структура программной системы

6.2. Организация и структура программных подсистем

6.3. Реализация программной системы и экспериментальные исследования ее работы

6.4. Результаты использования ИСАПОМ при проектировании системы автоматизации ТП варки оптического стекла в электрической ванной печи

6.5. Результаты использования ИСАПОМ при проектировании системы автоматизации ТП варки оптического стекла в индукционной печи с холодным тиглем.—

6.6. Результаты использования ИСАПОМ при проектировании системы автоматизации ТП выращивания оптических кристаллов

6.7. Выводы

Оптическая промышленность и оптическое приборостроение в значительной степени определяют уровень развития многих отраслей народного хозяйства страны: космической, авиационной, электронной, медицинской, производства товаров народного потребления и т.д. При этом оптическая промышленность является крупным потребителем сырьевых, топливно-энергетических и трудовых ресурсов. Отсюда следует, что эффективность ее работы зависит от экономного и рационального использования этих ресурсов.

Анализ отечественного и зарубежного опыта [1-3] свидетельствует, что основными направлениями интенсификации оптического производства являются повышение качества сырья и материалов, технологической эффективности оборудования, механизация и автоматизация всех стадий технологического процесса (ТП), создание интегрированных систем автоматизированного проектирования (САПР).

Традиционные задачи автоматизации [4] - повышение производительности, исключение ручного и малоквалифицированного труда - сохраняют свою актуальность. Однако, в последнее время наблюдается изменение социальных условий производства и потребления оптических материалов [5-6].

Изменение социальных условий в сфере производства связано не только с улучшением условий труда, но и с решением экологических проблем [7]. Оборудование и приборы, обеспечивающие улавливание и нейтрализацию вредных выбросов, рассматриваются составной частью технологии приборостроения.

В сфере потребления продукции оптической промышленности происходят изменения, связанные с расширением ассортимента изделий, приборов, ужесточением требований к их качеству и т.д. [8-11]. Кроме того и экономические факторы, такие как удорожание трудовых, сырьевых, и топливно-энергетических ресурсов, все более выраженный рыночной характер экономики, играют значительную роль [12]. При этом наблюдается взаимное влияние социальных и экономических факторов на техническую политику в области автоматизации, так как тяжелые условия труда на не автоматизированных участках приводят к оттоку квалифицированных кадров, что отрицательно сказывается на производстве.

Указанные проблемы социально-экономического характера меняют традиционные организационно-технические основы производства оптических материалов и порождают новые задачи в области автоматизации:

- оперативная переналадка производства на выпуск широкого ассортимента продукции при минимальных затратах ресурсов;

- оптимальная загрузка оборудования;

- освобождение производственного персонала от рутинного труда, повышение доли творческого, интеллектуального труда;

- методически единый подход к разработке, внедрению и эксплуатации технологической линии, обеспечивающий их быструю разработку и тиражирование;

- включение в единую структуру технологии, средств управления и систем защиты окружающей среды;

- приоритет технологического контроля перед приемочным, что позволяет своевременно выявлять отклонение параметров ТП и предупреждать появление брака.

Решение указанных задач потребовало создания новой концепции автоматизированной технологии [2], которая включает в себя четыре основных положения:

- системный, многовариантный подход при разработке автоматизированных технологических комплексов (АТК);

- переход от автоматизации действующего оборудования к созданию автоматизированного оборудования со встроенной микропроцессорной системой управления, переход от поточно-механизированных участков к созданию АТК с многоуровневой системой управления, построенной по иерархическому принципу, получивших наименование 8САОА-систем;

- разработка гибкого автоматизированного производства, обеспечивающего адаптацию к изменяющимся условиям внешней среды без изменения структуры компоновки автоматизированных технологических комплексов;

- автоматизация интеллектуального труда в сфере производства, построение человеко-машинного интерфейса, ориентированного на пользователя.

В этой концепции на передний план выдвигается комплексная автоматизация процесса проектирования, невозможная без внедрения ЭВМ во все этапы и уровни этого процесса. С точки зрения системного анализа в процессе проектирования можно выделить следующие основные этапы:

1. Осознание потребности в проектировании системы с заданными свойствами. Формирование критериев эффективности функционирования системы.

2. Разрабока концептуальной модели системы и описание ее в терминах специальных языковых и логических средств.

3. Разработка математического обеспечения и его приложений к конкретной предметной области.

4. Анализ математической модели путем проведения на ЭВМ многократных расчетов.

5. Оптимизация модели, которая производится с помощью специального математического и программного аппарата. В процессе оптимизации обычно происходит многократное итерационное обращение к математической модели.

6. Анализ результатов и доработка модели или, в случае необходимости, изменение постановки задачи.

Системный, многовариантный подход при создании АТК реализуется на базе интегрированных САПР[2,13]. Подобные системы развиваются как у нас в стране так и за рубежом и зарекомендовали себя как мощное средство моделирования ТП с априорно неизвестной динамикой, анализа и синтеза математической модели ТП, синтеза закона регулирования, прогнозирования поведения ТП в реальных условиях. Применение ЭВМ позволяет использовать методы современной теории моделирования как для модельных задач, так и для реальных ТП. Выделим следующие уровни автоматизации:

1-ый уровень - уровень отдельных прикладных программ, характеризующийся автоматизацией отдельных операций стадий анализа и синтеза;

2-ой уровень - уровень пакетов прикладных программ (ППП), когда обьединение программных модулей элементарных проектных операций в пакет позволяет автоматизировать отдельную стадию или этап проектирования;

3-ий уровень - интегрированные САПР систем автоматизации.

В 60-х и 70-х годах было разработано большое количество программ, обеспечивающих первый [14,15] и второй [16,17] уровни автоматизации проектирования

ТП. Однако, большинство существующих систем автоматизированного проектирования обладают рядом недостатков: большинство из них расчитано на пользователя, являющего специалистом в области систем автоматического управления; пользователю необходимо владеть правилами специализированного языка проектирования; большинство систем позволяет решать какую-то одну из проблем, возникающих в ходе процесса проектирования и не охватывает весь процесс от сбора исходных данных до выдачи готового программного продукта; в большинстве систем не предусмотрено "подсказки" пользователю или количество этих подсказок незначительно; большинство систем не обеспечивают должного управления процессом проектирования;

- большинство систем не охватывает основные этапы жизненного цикла (ЖЦ) сложных технологических систем. Наряду с перечисленными проблемами, при построении САПР системы автоматизации (СА) технологических процессов, при разработке и внедрении математического обеспечения (МО) возникают новые теоретические научно-технические, экономические и экологические задачи, связанные с недостаточной эффективностью технологического оборудования, существующих систем управления, используемых математических моделей и алгоритмов.

Ввиду этого представляется перспективным следующий подход к созданию интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов (ИСАПОМ): ориентированной для создания СА ТП производства оптических материалов; создание системы охватывающей все этапы исследования, проектирования и разработки; открытой для пользователей как по расширению реализуемых функций так и по библиотекам исследуемых типовых алгоритмических и программных модулей; обладающей единым простым непроцедурным диалоговым языком общения с пользователем программно-алгоритмического обеспечения ТП производства оптических материалов.

Такой подход принят для разработки программно-алгоритмического обеспечения ТП производства оптических материалов в ряде отечественных и зарубежных организаций [2,18].

Рассмотрим более подробно один из типичных вариантов принципиальных положений подобного подхода [18,19]. Процесс автоматизированного проектирования алгоритмического обеспечения ТП производства оптических материалов должен охватывать следующие этапы [2,19]: анализ и идентификация объекта управления и действующих на него возмущений; построение возможных вариантов алгоритмической структуры системы контроля и управления; расчет настроечных параметров алгоритмов контроля и управления; аналитическая проверка работы отдельных алгоритмов и контуров управления ( наблюдаемость, устойчивость, качество фильтрации, прогнозирование, регулирование и.д.); разработка процедуры взаимосвязи оператора с объектом и системой управления; имитационное моделирование вариантов алгоритмов, отдельных алгоритмических цепей, всего алгоритмического обеспечения контроля и управления в целом; выбор рационального варианта алгоритмического обеспечения и его документирование; разработка технической структуры по заданным спецификациям аппаратуры КИП и автоматики; преобразование алгоритмического обеспечения в комплексе прикладных программ для выбранной системы микропроцессорных средств; распространение программного обеспечения (ПО) по отдельным станциям распределенной системы и отдельным контроллерам; имитационное моделирование созданной системы контроля и управления, анализ ее работы и определение необходимых характеристик точности, оперативности, надежности, комфортности работы оператора; необходимое документирование спецификации технических средств, их расположение на производстве, монтажных схем, прикладного ПО.

Следующие принципы автоматизации проектирования, упрощают разработку и внедрение конкретного программно-алгоритмического обеспечения ТП производства оптических материалов и повышают качество созданной системы: использования библиотек типовых алгоритмических и программных модулей по всем функциям, позволяющих проектировщику разрабатывать прикладное математическое обеспечение путем его конфигурирования из готовых модулей. Все виды информации, необходимой для оценки рациональности применения, поиска модуля по требованиям к выполняемым им функциям, для проведения конфигурирования с другими модулями, а также данные справочного характера заносятся после проведения соответствующих испытаний модуля в его паспорт; широкое использование имитационного моделирования отдельных алгоритмических цепей контроля и управления на моделях объекта и действующих на него возмущений, что позволяет оценивать качество работы проектируемых вариантов алгоритмов в реальных условиях и их робастность по отношению к неточному знанию модели объекта; использование для имитационного моделирования типовых программных модулей, реализующих модели объектов и возмущений (динамические звенья, нелинейности, логики, генераторы случайных последовательностей и т.д.); инвариантное проектирование прикладного математического обеспечения и сопоставление вариантов по различным характеристикам, непосредственно связанным с заданными технико-экономическими показателями работы объекта;

- разделение ПО инструментального комплекса на базовое и проблемно-ориентированные подсистемы, общесистемные функции создает достаточно простые возможности дальнейшего расширения состава проблемно-ориентированных подсистем и увеличение их числа с охватом других этапов и задач проектирования программно-алгоритмического обеспечения ТП производства оптических материалов; создание базовых подсистем, включающих в себя организационную, информационную, диалоговую подсистемы, подсистемы имитационного моделирования и документирования производится в виде универсального системного ПО, т.е. разработка системной оболочки инструментального комплекса, ориентированной на разработчика программно-алгоритмического обеспечения ТП производства оптических материалов.

Свойства базовых подсистем определяют качество и удобство работы с интегрированным программно-инструментальным комплексом.

Однако наличие отдельных СА, не связанных между собой, реализующих традиционные методы управления, не может обеспечить повышение производительности труда и качества по многим причинам, связанным с отсутствием системного подхода к проектированию АТК. В частности не было достаточно полного охвата всего процесса проектирования СА производства оптических материалов, не всегда эффективно использовался аппарат современной теории оптимального управления и теории принятия решений, не существовало научной основы проектирования СА оптических материалов, не создана теоретическая база разработки ИСАПОМ.

Таким образом, перед оптической промышленностью встала задача создания теоретических основ разработки ИСАПОМ, широкого внедрения методов проектирования и автоматизации исследования, основанных на системном подходе, комплексном охвате всех проблем проектирования и исследования, использовании современной теории моделирования и принятия решений, средств вычислительной техники. Содание ИСАПОМ потребовало решения принципиально новых задач, вытекающих из требований системного подхода к решению важной проблемы, комплексного подхода к автоматизации ТП производства оптических материалов.

Основные характерные отличия проектирования ИСАПОМ от ранее известных методов и способов разработки АТК на основе ЭВМ заключаются в следующем:

- теоретическом обосновании проблемы ИСАПОМ;

- методологическом единстве решаемых задач, т.е. единой научной теоретической основе разработки всей системы:

- системном анализе, как методологии исследования труднонаблюдаемых и труд-нопонимаемых свойств и отношений в ТП, заключающейся в представлении этого ТП в качестве целенаправленной системы и изучения его свойств и взаимоотношений между целями и средствами их реализации;

- реализации принципа максимума эффективности, т.е. реализации возможных вариантов разделенных по функциональному признаку частей общей системы, связей между ними и выбор структуры системы, отвечающей требованиям максиума математического ожидания эффективности;

- комплексном характере решаемых задач, охватывающих все процессы исследования ТП, проектирования и разработки интегрированной базы данных, позволяющей вести проектные работы, не поддающиеся формализации, и организовать архивы и рабочие массивы;

- компонентах методического, программного, технического и информационного обеспечения системы, составляющих единый автоматизированный технологический комплекс;

- создание новой информационной технологии на основе решения проблем формализации процесса проектирования и построение его математической модели.

Эффективность ИСАПОМ определяется составляющими компонентами системы, основными из которых являются теоретическое, математическое, алгоритмическое, программное, техническое и информационное обеспечение.

Как показывает практика [20-26], исключительное и решающее значение имеет создание теоретической базы, являющейся основой для создания ПО и комплекса технических средств (КТС).

Создание теоретической базы разработки ИСАПОМ, обеспечивающей системный подход, определяющей функциональные возможности, эффективность и перспективы развития САПР АТК оптического производства представляет собой крайне актуальную и в тоже время сложную задачу.

Решение этой задачи не может быть выполнено на основе традиционных методов, ориентированных только на анализирующие возможности ЭВМ как средства моделирования и творческие возможности разработчика с ограниченными возможностями.

Эффективность применения ЭВМ подразумевает использование анализирующих возможностей ЭВМ для выбора оптимального решения и реализацию варианта автоматизации проектирования как системного проектирования под наблюдением и контролем разработчика с применением новой информационной технологии проектирования на основе систем обработки данных.

Цель и задачи работы. В соответствии с изложенным, целью диссертации является развитие теории и обобщение методов проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов, создание методологической и теоретической базы, охватывающей все аспекты проектирования, удовлетворяющей требованиям системного подхода, обеспечивающей комплексный характер решаемых задач, автоматизацию технологических процессов, инвариантность ПО.

Достижение поставленной цели потребовало решение задач в следующих направлениях:

- развитие методологических и теоретических основ проектирования ИСАПОМ, включающих в себя средства и методы автоматизации проектных работ, алгоритмы генерации и выбора проектных решений, удовлетворяющих критерию эффективности;

- разработка методов математического моделирования и алгоритмов автоматизации ТП производства ОМ, основанных на научных принципах оптимальности и комплексе математических моделей, относящихся к определенному классу;

- разработка и исследование методов интеграции алгоритмов и программ на основе принципа самоорганизации, обеспечивающих функционирование АТК, как единой программно-аппаратной системы;

- разработка новой информационной технологии на основе решения проблем формализации процесса проектирования и построения его математической модели;

- исследование и системный анализ технологических процессов как объектов автоматизации, обеспечивающих реализацию и настройку программно-алгоритмического обеспечения на конкретный ТП;

- разработка концепции и основополагающих принципов построения ИСАПОМ, реализующей выдвинутые в работе научные положения и внедрение их в практику проектирования.

Решению этих задач и посвящена диссертация, являющаяся итогом работы автора в данном направлении с 1980 года.

Методы исследования. Основными методами решения поставленных задач служили теория систем, теория принятия решений, системный анализ, теория оптимального управления и моделирования, теория вероятности и математической статистики, экспериментальная проверка полученных результатов в процессе имитационного моделирования и промышленной эксплуатации разработанных методов, алгоритмов и программ.

Положения, выносимые на защиту. В соответствии с целями и задачами автор выносит на защиту следующие положения:

- научные основы проектирования и разработки интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов, включающей в себя системный подход к анализу ТП и построению иерархии математических моделей, позволяющие оптимизировать процесс проектирования, принципы построения ИСАПОМ и её составляющих частей, программное, алгоритмическое и информационное обеспечение;

- методологические основы проектирования ИСАПОМ как соответствующей системы принятия и реализации решений в процессе функционирования, где в качестве объекта проектирования выступают алгоритмы управления;

- методологию решения и корректной увязки проектных задач в рамках интегрированной САПР;

- совокупность математических моделей ТП, связанных общей методологической основой и принципами построения, удовлетворяющая требованиям наиболее полного представления об объекте, адекватности объекту моделирования, универсальности и простоты;

- методы оптимизации проектных решений и процесса проектирования в условиях неопределенности и многокритериального поля эффективности.

Научная новизна и значимость определяется тем, что впервые выполнено научное обобщение проблемы создания теоретических основ проектирования и разработки интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов. В процессе решения поставленных задач были получены основные научные результаты:

1.Созданы научные и методологические основы проектирования ИСАПОМ на базе разработанных принципов и иерархии математических моделей (ММ) и инвариантного программного обеспечения;

2.Разработаны методы формирования облика системы автоматизации на основе диалоговых процедур принятия проектных решений и схемы последовательного анализа и отсева вариантов по синтезируемым отношениям.

3.Разработана оригинальная автоматизированная методика построения и исследования математических моделей ТП производства ОМ. Она сочетает термодинамический подход к построению ММ ТП с принципами последовательного раскрытия неопределенностей и эволюционного развития топологии систем, структур и их операторов и конкретизации значений параметров на основе поэтапного использования информации о функциях системы, целей управления и требований к качеству процесса;

4.Разработаны новые принципы математического моделирования в САПР, основанные на решении задачи проектирования ММ методом формальных процедур с помощью самоорганизации моделей претендентов. Предложены методы и алгоритмы идентификации ММ и синтеза адаптивного регулятора, учитывающие особенности ТП;

5.Разработаны и исследованы методы параллельного структурного и параметрического синтеза математического обеспечения, позволяющие в рамках одной программной системы сочетать анализ ТП как объекта автоматизации, анализ и синтез ММ, синтез алгоритмов управления;

6.Разработаны программные средства автоматизации проектирования СА, направленные на оптимизацию ТП производства ОМ. Разработана и исследована процедура построения функционала качества системы управления, создано структура программное обеспечение, модули которого могут работать как автономно, так и в составе программной системы;

7.Разработаны оригинальные алгоритмы контроля хода ТП, позволяющие анализировать параметры в условиях реального производства; 8.Разработаны новые технологические решения и методы управления ТП производства ОМ, защищенные авторскими свидетельствами. Практическая ценность. Ценность работы определяется тем, что на основе разработанных в диссертации теоретических положений, методов и проведенных исследований созданы алгоритмы, программы, а также технологии, имеющие практическое значение.

Материал диссертации положен в основу разработки ИСАПОМ, обеспечивающей создание автоматизированного технологического комплекса производства ОМ.

Использование разработанных в диссертации теоретических положений и методов, а также созданных на их основе алгоритмов, программ и технологий, позволило повысить эффективность работы по производству оптических материалов, за счёт применения более совершенных математических моделей, методов автоматизированного проектирования и контроля.

Наличие базы данных, архивов, ПО, и АРМ технолога-проектировщика, позволило в короткие сроки разработать ряд новых АТК производства ОМ с заданными характеристиками, защищенными авторскими свидетельствами [23-26].

Полученные результаты составляют также теоретическую основу для дальнейшего развития САПР автоматизированных технологических систем с элементами искусственного интеллекта.

Реализация в промышленности. Разработанные в диссертации теоретические положения, методы проектирования, алгоритмы и программы использовались в ряде научно-исследовательских работ, выполняемых в рамках государственных программ, а также при создании программно-аппаратного комплекса автоматизированного управления ТП в НИТИОМ ВНЦ ГОИ, СПбФ ИЗМИР АН, ОКБ "Электроавтоматика", ООО Инженерный центр "Технокон", ГДП "СКБТ" (г.Лида, Беларусь), НИИПТ "РАСТР" (г. Новгород).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах и конференциях в СПб ГИТМО(ТУ), ЛОМО им. В.И.Ленина, ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова, НПО "Буревестник", ОКБ "Электроавтоматика", СО АН СССР и др.

Кроме того они доложены на 5 международных, 7 Всесоюзных и Российских конференциях и семинарах, в том числе:

- Республиканская конференция "Проблемы создания и внедрения АСУ ТП", Ки-шенев, 1981 г.

- Всесоюзная школа-семинар "Проектирование и производство микроэлектронных устройств",ОКБ ИКИ АН СССР, Фрунзе, 1982,1983 г.

- XI и XII Международные конференции конструкторов и проектировщиков, ЧССР, Братислава, 1984, 1988 г.

- Всесоюзная конференция молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, 1984, 1986 г.

- VII конференция по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок, Новосибирск, СО АН СССР, 1986 г.

- III Всесоюзная конференция "Моделирование роста кристаллов", Рига, 1990 г.

- Международная конференция "Прикладная оптика",Санкт-Петербург, 1996 г.

- Всероссийская научно-техническая конференция с участием зарубежных представителей "Интеллектуальные САПР-94", Геленджик, 1994.

- Международная конференция молодых специалистов "Оптика-99" (ноябрь 1999).

- Международном конгрессе "Искусственный интеллект в XXI веке" (Геленджик, 2001 г.).

- ряд конференций ППС СПб ГИТМО (ТУ) (1981-2000 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 работ, в том числе в издательстве "Машиностроение", в журнале "Приборостроение", статьи в научно-технических сборниках, тезисы докладов Международных, Всесоюзных, Российских и Республиканских и других конференций, научно-технические отчеты, авторские свидетельства.

Структура и основное содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 192 наименований и приложений. Изложена на 322 страницах машинописного текста, иллюстрированного 49 рисунками и 2 таблицами.

6.7. Выводы

Разработанные методы математического моделирования в ИСАПОМ реализованы в виде программной системы и апробированы как на модельных задачах, так и на реальных ТП выращивания оптических кристаллов типа КГВ и ГСГГ с химическим составом Gd3Sc1525Mg0.025Cr0.5Ga3.4012 и при варке оптического стекла.

1. Определены потоки данных в ИСАПОМ и в СА ТП производства оптических материалов и процессы, оперирующие с данными на каждом этапе работы системы.

2. Разработана и исследована программная система, состоящая из функциональных программных подсистем и позволяющая пользователю: исследовать ТП как объект автоматизации;

- формировать облик СА на предварительном этапе проектирования;

- определять структуру, порядок, величину запаздывания, характеризующую инертность объекта управления, и ряд других характеристик математической модели ТП;

- оценивать адекватность модели исследуемому процессу;

- модифицировать в диалоге модель ТП и повторять численный эксперимент; синтезировать алгоритм управления ТП и проводить его исследование; изготавливать текущую отчетную документацию.

3. Программные подсистемы ПС могут эксплуатироваться как в автоматическом, так и в диалоговом режимах.

295

4. При опытной эксплуатации ПС проведен анализ сходимости методов математического моделирования ТП, их численной устойчивости, точности оценок параметров и ряда других свойств.

В процессе эксплуатации ПС на установке «Кристалл-613» получены новые данные о математическом моделировании ТП выращивания оптических кристаллов КГБ и ГСГГ, при варке оптического стекла, проведен структурный и параметрический синтез математических моделей и законов регулирования.

ПС можно использовать для исследования не только ТП производства ОМ, но, при незначительной модификации, для исследования других сложных технологических объектов и процессов приборостроения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Суммируя результаты, полученные в отдельных разделах работы, можно сказать, что цель диссертации, сформулированная во введении, а именно, обобщение и развитие теории и методов проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов и создание на этой основе теоретического обеспечения, охватывающего все необходимые аспекты проектирования, исследования и технологии производства оптических материалов, удовлетворяющей требованиям системного подхода, комплексности решаемых задач и автоматизации ТП в основном достигнута.

Диссертация охватывает все основные аспекты проблемы разработки интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов: общую теорию и методы принятия проектных решений на этапе предварительного проектирования, системный подход к ТП как объектам автоматизации, методологические основы разработки ММ методами пространства состояний с учетом физико-химических процессов и экспериментальными методами формальных процедур математического анализа, алгоритмы оценки параметров ММ и проектирования регуляторов на основе методов самоорганизации моделей, организацию программного и информационного обеспечения, эффективные методы и алгоритмы анализа и оптимизации на всех этапах проектирования.

Развитый в диссертации методически единый подход к разработке ИСАПОМ на базе современной информационной технологии проектирования как последовательного процесса снятия неопределенностей позволил разработать принципы построения, методы и алгоритмы проектирования СА, содержащие минимальное количество типовых проектных процедур и обеспечивающие оптимальное разделение функций между ЭВМ и технологом-проектировщиком. Предложенные принципы, алгоритмы, ММ и проектные процедуры, обладающие универсальностью, компактностью, гибкостью и надежностью явились основой для создания соответствующих частей ИСАПОМ.

Разработанная на базе теории принятия решений и системного анализа методология формирования облика сложной автоматизированной технологической системы на этапе предварительного проектирования совместно с исследованием ТП как объектов автоматизации на основе физико-химических явлений обеспечили возможность универсального и адекватного описания ТП в условиях стохастической среды и реального производства.

Развитие аппарата теории оптимального управления ТП, предложенная и разработанная методология проектирования инвариантного программно-алгоритмического обеспечения автоматизированных технологических комплексов производства материалов оптического приборостроения, основанная на концепции самоорганизации моделей претендентов привела к построению оптимального алгоритма проектирования систем автоматизации.

Рассмотрение общей задачи построения математической модели ТП, алгоритмов оценки параметров, регуляторов привело к созданию эффективного аппарата, как при проектировании, так и при экспериментальном исследовании СА, позволяющего уменьшить влияние случайных возмущений на технологический процесс и открывающего новые пути для развития методов проектирования систем управления ТП как соответствующей системы принятия и реализации решений в процессе функционирования.

Все полученные в работе результаты нашли практическое применение и составили теоретическую и методологическую базу для создания интегрированных технологических комплексов в приборостроении в целом, и, в частности, в оптическом приборостроении. Промышленная эксплуатация разработанных алгоритмов, программ и систем подтвердила правильность теоретических принципов и методов, рассмотренных в диссертации и показала их высокую эффективность, обеспечивающую повышение производительности груда технологов-проектировщиков, технико-экономического уровня проектов СА ТП, сокращение трудоемкости и повышение производительности труда в производстве оптических материалов.

В диссертационной работе получены следующие результаты :

1. Проведен теоретический анализ проблемы создания автоматизированных технологических комплексов оптического производства на основе современных информационных технологий сквозного проектирования в условиях стохастической среды.

2. Разработаны методы формирования облика системы автоматизации на основе диалоговых процедур принятия проектных решений и схемы последовательного анализа и отсева вариантов по синтезируемым отношениям.

3. Сформулированы, созданы методологические и теоретические основы проектирования ИСАПОМ на базе разработанных принципов, иерархии математических моделей и инвариантного программного обеспечения.

4. Проведен анализ и исследование технологических процессов как объектов автоматизации на основе системного подхода, обеспечивающие реализацию и настройку программно-алгоритмического обеспечения на конкретный ТП.

5. Разработаны и исследованы методы построения математических моделей ТП оптического производства, сочетающие термодинамический подход к построению ММ с принципами последовательного раскрытия неопределенностей и эволюционного развития топологии систем, структур и их операторов, конкретизации значений параметров на основе поэтапного использования информации о функциях системы, целей управления и требований к качеству процесса.

6. Сформулированы и разработаны новые принципы математического моделирования, основанные на решении задачи проектирования ММ теоретическими методами и методами формальных процедур с помощью методики самоорганизации моделей - претендентов.

7. Разработаны и исследованы методы и эффективные алгоритмы параллельного структурного и параметрического синтеза математического обеспечения, позволяющие в рамках одной программной системы сочетать анализ ТП как объекта автоматизации, анализ и синтез ММ, синтез алгоритмов управления.

8. Разработан комплекс оригинальных алгоритмов исследования и контроля хода ТП, позволяющих анализировать параметры в условиях реального производства.

9. Разработаны и исследованы принципы построения ИСАПОМ. Предложена структура прикладного математического, программного и методического обеспечения в рамках интегрированной системы. Разработаны и исследованы основные пакеты прикладных программ проектирования СА ТП.

300

10. Предложены новые технологические решения и методы управления ТП оптического производства, защищенные авторскими свидетельствами.

11. Теоретические результаты работы доведены до практической реализации в виде методологического, программного и информационного обеспечения ИСАПОМ. Данные экспериментальных исследований и экономический эффект от внедрения разработанной системы подтвердили результаты теоретических исследований, основные научные положения и показали эффективность предложенных подходов к проектированию ИСАПОМ.

Таким образом, полученные в диссертации результаты представляют собой теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение - создание теоретической и методологической базы для построения в оптическом приборостроении систем автоматизации ТП на основе современных информационных технологий проектирования.

1. Калинин В.И. Научно-технический прогресс в стекольной промышленности. -Стекло и керамика. № 6, 1989, с. 4-6.

2. Гатчин Ю.А., Коробейников А.Г. Проектирование интегрированных автоматизированных технологических комплексов СПб: СПб ГИТМО(ТУ), 2000.-171 с.

3. Moore R.D., Davis R.E. Electric furnace application for container glass. Ceram. Eng. and Sei. Proc., 1987, v.8, № 3, p. 188 -199

4. Плотников B.H., Зверев В.Ю. Оптимизация оперативно организационного управления. -М.: Машиностроение, 1980, 253 с.

5. Маневич В.Е., Лисовская Г.П., Кафаров В.В. Синтез оптимальной иерархической структуры автоматизированного химико-технологического комплекса. -Докл. АН СССР, 1983, т. 269, № 3, с. 1441-1443.

6. Маневич В.Е. Эволюция систем управления в производстве стекла. Стекло и керамика. №6, 1989, с. 10-12.

7. Чехов О.С., Назаров В.И., Калыгин В.Г., Вопросы экологии в стекольном производстве. М.'.Легпромбытиздат, 1990, 144 с.

8. Довичи Н. Лазерный микрохимический анализ. Приборы для научных исследований, 1990, № 3, с. 8-19.

9. Егоров Ю.В., Наумов К.П., Ушаков В.Н. Акусто-оптические процессоры. М.: Радио и связь, 1991, 161 с.

10. Мирошников М.М., Любарский С.В., Химич Ю.П. Зеркала оптических телескопов. Оптико - механическая промышленность, 1990, № 9, с.З - 18.

11. И. Коронкевич В.П., Ленкова Г.А., Михальцова И.А. и др. Киноморфные оптические элементы, методы расчета, технология изготовления, практичесое применение. Автометрия, 1985, № I.e. 12-14.

12. Орлов А.Н. Резервы стекольной промышленности. Стекло и керамика. № 5, 1990, с. 2-4.

13. Ступаченко A.A. САПР технологических операций. Ленинград: Машиностроение, 1988, 240 с.

14. Белова Д.А., Кузин P.E. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматических систем управления. М.'Энергия, 1979.

15. Мелса Дж.Л., Джонс С. Программы в помощь изучающим теорию линейных систем управления. -М: Машиностроение, 1981.

16. Таблицы и математическое обеспечение спектрального метода теории автоматического управления. Под ред. В.В.Семенова. -М.:МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1974.

17. Справочник по теории автоматического управления. Под ред.Н.А.Красовского. -М.:Наука, 1987.

18. Ицкович Э.Л., Колпиков Ю.Г., Любимов Ю.В. Автоматизированный синтез алгоритмов и программ АСУ ТГ1 для распределенной управляющей системы "КУРС". X Всесоюзное совещание по проблемам управления. Институт проблем управления. М.: 1986, кн. 2.

19. Еатчин Ю.А. Современные тенденции построения систем автоматизированного управления ТП выращивания оптических монокристаллов. Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения, 10.03.82., № 1824, пр. -Д 82, 5 с.

20. Острем К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ. Мир, 1987, 480 с.

21. Диалоговая система проектирования систем автоматического управления ДИСПАС, версия 2.0.-М.:МАИ, 1981.

22. А.С. № 1111512. МКИ B.01J17/18. Система автоматического управления ТП выращивания кристаллов.//Гатчин Ю.А. Заявлено 27.12.1982, № 3527429, 1983

23. А.С. № 1380299. МКИ B.01J17/18. Система автоматического управления ТП выращивания кристаллов.//Гатчин Ю.А. Заявлено 26.09.1986, № 3976053, 1986.

24. А.С. № 1450426. МКИ B.01J17/18. Система автоматического управления ТП выращивания кристаллов.//Гатчин Ю.А. Заявлено 30.03.1987, № 4216917, 1987.

25. А.С. № 1629361. МКИ С30В 15/02. Устройство для выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов.//Гатчин Ю.А., Козлов Г.И., Початков Л.Д., Осипов М.Ю. Заявлено 20.09.1989, №4491953, 1990.

26. Спэнг Х.О. Интегрированная система автоматизированного проектирования систем управления. ТИИЭР, т. 72, № 12, 1984, с. 67 76.

27. Wieslader J. ГОРАС commands user's guide, report CODEN: LUTFD2/(TFRT-3157)/1-108/(1980), Dept., of Automatic Control, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden, 1980.

28. Wieslader J. SINPAC commands user's guide, report CODEN: LUTFD2/(TFRT-3159)/1-130/(1980), Dept., of Automatic Control, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden, 1980.

29. Walker R., Shan S., Gregory G. Z., Varvell D. "Matrix.*: A Model Building Nonlinear Simulation and Control Systems Engineering, Herget, G. J., Jamshidi M. (Editors), North-Holland, 1985.

30. Bartolini G., Gasalino G., Davoli F., Minciardi R. A package for multivariable adaptive control, Proc. 3rd IF AC symposium on software for computer control, Madrid, Spain, Pergamon Press, 1982, pp. 229-335.

31. Konstantinov M.V., Petrov P.Hr., Christov N.B. Ortogonal invariants and canonical forms for linear controllable systems. Proc. 8th IFAC word congress, Pergamon Press, 1982, vol. 1, pp. 49-54.

32. Morel R.S. FREDOM-TINDOM/45 a discriptive guide, Tech. Report LCAD-84-02 Laboratory for CAD System/Networks, Albuquerque, NM, Electrical & Computer Engineering Department, University of New Mexico, April 1984.

33. Selnnid C.,Unbehauen II. KEDDC, a general porpose CAD software system for application in control engineering. Peep. 2nd IFAC/IF1P symposium on software for computer control (SOCOCO), Prag, paper, C-V, 1979.

34. Frederick D.K., Kraft R.P. and Sadeghi T.Computer aided control system analysis and design using interactive graphics, IEEE Control System Magazine, december 1982, pp. 19-23.

35. Van den Bosch P.P.J. PSI an extended interactive block-oriented simulation program. Proceedings IFAC symposium on computer aided design of control systems. Zurich, 1979, pp. 223-228.

36. Tysso A. CYPROS -cybernetic program package, MIC, Vol. 1, № 4, October 1980.

37. Molel C.B. MATLAB User's Guide. Departmen Computer Science, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, August 1982.

38. Molel C.B. MATLAB User's Guide. Report departmen of computer science, University of New Mexico, 1981.

39. Комплект алгоритмов и программ идентификации систем с неизвестной структурой. Информационный листок Московского ЦНТИ № 15,1977, Зс.

40. Пузырев В.А., Данилевич А.Б., Кочетов Н.В. и др. Применение автоматизированного проектирования для управляющих систем в радиоэлектронике. Семинар IFAC. Тезисы докладов. Институт проблем управления, 1980, с.2.

41. Коробейников А.Г., Бельянинов Ю.Н., Початков Л.Д. Изучение закономерностей тепломассо-переноса в вязких расплавах при высоких температурах в условиях электро-термического нагрева при производстве оптического стекла; Отчет ГОИ, тема 1Ф41-05-81, 45 с .

42. Стонек Я. Электрическая варка стекла. М.:Легкая индустрия, 1974,247 с.

43. Коробейников А.Г., Макаренко В.Г. Банк данных для автоматизированной системы методических исследований в области рентгено-спектрального флуоресцентного анализа (РСФА). Информационный листок ЛЦНТИ, № 826, 1989, 3 с.

44. Петров Ю.Б., Ратников Д.Г. Холодные тигли. М.Металлургия, 1972.

45. Неженцев В.В., Петров Ю.Б., Шкульков A.B. Исследование математической модели плавки окислов в индукционной печи с холодным тиглем. Изв. ЛЭТИ им. Ульянова (Ленина), 1981, вып. 299, с. 14-20.

46. Гатчин Ю.А., Коробейников А.Г., Неженцев В.В., Скворцов Ю.А. Математическое моделирование для системы автоматического управления индукционнойваркой стекла в холодном тигле. Известия вузов, сер. Приборостроение, 1995, Т38, №7-8, с.70-73.

47. Неженцев В.В., Петров Ю.Б., Шашкин B.C. Исследование индукционного нагрева для варки стекла. Изв. ЛЭТИ им. Ульянова (Ленина), 1980, вып. 273, с. 15-19.

48. Руссо В.Л. Теплофизика металлургических гарнисажных печей. М.¡Металлургия, 1978.

49. Bardsley W., Hurle D.T., Joyce G.C. The weighting method of automatic Chohralski crystal grouth. J. Cristal Growth, v. 40, 1977, p. 13-20.

50. Власенко A.B., Виноградов C.A, Коробейников А.Г. Выбор и обоснование математической модели автоматизированного процесса выращивания оптических монокристаллов.// Оптико-механическая промышленность, № 6, 1988, с. 37-40.

51. Гатчин Ю.А., Петухов Г.А., Хабалов В.В. Исследование и разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом выращивания кристаллов методом Чохральского на базе мини-ЭВМ. Отчет по НИР № 80213, Гос. per. № У78156, Л., 1982, 38 с.

52. Гатчин Ю.А., Петухов Г.А., Лунев A.A. Система автоматизированного управления процессом роста монокристаллов. В кн. Проектирование и производство микроэлектронных устройств. Фрунзе, 1983 г., с. 74-75.

53. Гатчин Ю.А. Разработка системы автоматизированного управления процессом выращивания кристаллов. В кн. Пути создания ИЦСС. Л., 1983, 275 с.

54. Отчет ГИРИДМЕТа, инв. № 175, 1975 г.

55. Hvan Dijk et al "Crystal diameter control in Crohralski growth", Acta Electrónica, 1974, v. 17, №1.

56. Еатчин Ю.А. Микровычислительная система управления процессом выращивания кристаллов. Инф. листок ЛенЦНТИ, Л, 1983, № 961-83, 3 с.

57. Лейбович В.С., Семенов В.В. АСУ ТП в производстве кристаллов кремния. -Цветные металлы, 1978, № 1, с. 50-54.

58. Bardsley W., Cockayne В., Green G.W. Developments in the weighing method of automatic cristal pulling. J. Cristal Growth, 1974, № 24/25, p. 363 - 373.

59. Лейбович В.С. Автоматизированное управление диаметром кристаллов в методе Чохральского. В кн. Процессы роста полупроводниковых кристаллов и пленок. Новосибирск, Наука, 1981, с. 108-121.

60. Еатчин Ю.А., Белов Л.Б. Аппаратура КАМАК в системах автоматизации измерений и управления. В кн. Пути создания ИЦСС., Л, 1983, с. 207.

61. Александров В.И., Борик М.А., Елушкова И.Б. Получение и некоторые свойства тугоплавких стекол системы. Физика и химия стекла, 1977, с. 5 - 8.

62. Stefan J., Skrivan M.,Fojtikova М. Prispevex hodnoceni cerici schopnosli sklarskych tavicich peci. Sklar a keramik, 1979, №6, p. 166-177.

63. Славянский В.Т. Еазы и пузыри в стекле.-Физика и химия стекла, 1978, т.4, № 3, с. 249-255.

64. Гатчин Ю.А. Принципы проектирования микровычислительной системы автоматизированного выращивания кристаллов. VII конференция по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок. Новосибирск, АН СССР, СО АН СССР, 1986 г., с. 118- 119.

65. Гатчин Ю.А., Орлова Е.М., Осипов М.Ю. Проектирование системы управления выращивания кристаллов. В кн. Интегральные оптические линии связи, JI, МПСС, 1989, с. 150.

66. Гатчин Ю.А., Лунев A.A., Осипов М.Ю. Система сбора технологической информации. Инф. листок ЛенЦНТИ, Л, 1986, № 492-86, 3 с.

67. Гатчин Ю.А., Беккер Я.М. Технические средства автоматизации запоминающие устройства. Сборник трудов ЛДНТП, 1987, 80 с.

68. Гатчин Ю.А., Петухов Г.А. Разработка и внедрение автоматизированной системы экспериментальных исследований по выращиванию оптических кристаллов на базе микро-ЭВМ и аппаратуры КАМАК. Отчет по НИР № 85417.576, Гос. per. № У28455, Л., 1988, 43 с.

69. Гантер Р. Методы управления проектированием программного обеспечения. Пер. с англ. Под ред. Е.К. Масловского. М.:Мир, 1981, 392 с.

70. Йодан Э. Структурное проектирование и конструирование программ: Пер. с англ. Под ред. Л.Н. Королева. М.:Мир, 1979, 416 с.

71. Липаев В.В. Проектирование математического обеспечения АСУ. М.Советское радио, 1977, 400 с.

72. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев A.B. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. Учебное пособие для вузов. М.Машиностроение, 1985, 536 с.

73. Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю., Хабалов В.В. Автоматизация проектирования системы управления процессом выращивания монокристаллов в условиях ГАП. В кн. Автоматизация проектирования сложных систем. Л.,ЛИТМО, 1987 г., с. 6873.

74. Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю.,Рысаков A.B. Автоматизация технологического процесса выращивания кристаллов. -Инф. листок ЛенЦНТИ, Л, 1986, № 492-86, Зс.

75. Гатчин Ю.А. Программно-алгоритмическая структура системы автоматизации процесса выращивания кристаллов на основе микро-ЭВМ. В кн. ЭВМ в проектировании и производстве. Л., Машиностроение, Лен. отделение, 1987, вып. 3, с. 161 165.

76. Власенко A.B., Коробейников А.Г., Початков Л.Д. Разработка и внедрение АСУ ТП варки особо чистых стекол; Отчет ГОИ тема НСУ-477-77/1, 1Ф41-11 -81, 62с.

77. Козлов Г.И., Коробейников А.Г., Виноградов С.А. Разработка и внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами выращивания кристаллов. Отчет ГОИ. тема ld>41-02-82/HMP-YY НСУ-469-81. 113 с.

78. Власенко A.B., Коробейников А,Г., Початков Л.Д. Разработка базовых и проблемно-ориентированных средств АСУ и применение их для построения АСУ ТП производства оптических сред. Отчет ГОИ, тема 1ФД1-01-83/ ТТ12-113-83, 100 с.

79. Гатчин Ю.А., Коробейников А.Г., Козлов Г.И., Початков Л.Д. Разработка и внедрение автоматизированной системы по выращиванию оптических кристаллов на базе микро-ЭВМ и аппаратуры в стандарте КАМАК. Отчет ГОИ, тема 1Ф41-07-86/ТТ12-645-86, 101 с.

80. Власенко A.B., Коробейников А.Г., Початков Л.Д. Разработка макета автоматизированной системы контроля и управления технологическим процессом варки оптического стекла в электрической ванной печи. Отчет ГОИ, тема 1Ф41-10-86/ТТ12-635-86, 100 с.

81. Антонов Э.А., Коробейников А.Г., Неженцев В.В. Исследование и разработка технологии и экспериментального оборудования для создания гибких производственных систем стекловарения; Отчет ГОИ, тема 1Ф43-10-88/ТТ12-634-88, 120 с.

82. Гатчин Ю.А., Коробейников А.Г., Тараненко М.А., Гика Т.А., Андреев А.К. Научные основы автоматизированной технологии производства оптических материалов. Отчет по НИР 1-9624, № Гос. Регистрации 01.960.011170, 1998 г., СПб, 50 с.

83. Гатчин Ю.А., Хабалов В.В. Методы исследования технологического процесса выращивания монокристаллов. В кн. Проектирование и производство микроэлектронных устройств. Фрунзе, 1983 г., с. 21-22.

84. Гатчин Ю.А., Бондаренко И.Б. Методы автоматизированного проектирования сложных технологических систем по производству оптических материалов. В кн. Проектирование и технология элементов компьютерных систем. СПб, ГИТМО, 1997, с. 5-6.

85. Скурихин В.И., Дубровский В.В., Шифрин В.Б. АСУ ТП: Автоматизация проектирования комплекса устройств автоматики. Киев: Наукова думка, 1981, 284 с.

86. Гатчин Ю.А., Лунев A.A. Система сбора температурной информации. Инф. листок ЛенЦНТИ, Л, 1984, № 213-84, 4 с.

87. Гатчин Ю.А., Лунев A.A., Смирнов C.B., Осипов М.Ю. Система сбора и управления температурой. В кн. Теоретическая и прикладная оптика, Л, 1986, с. 491.

88. Гатчин Ю.А., Березин C.B. Имитатор сигналов модуля АЦП-14 в стандарте КАМАК. -Инф. листок ЛенЦНТИ, Л, 1987,№ 128-87, 3 с.

89. Диденко К.И. Проектирование агрегатных комплексов технических средств для АСУ ТП. М.:Энергоатомиздат, 1984, 168 с.

90. Гатчин Ю.А., Березин C.B. Автоматизация процесса отладочных операций для аппаратуры КАМАК. Инф. листок ЛенЦНТИ, Л, 1988, № 135-88, 4 с.

91. Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю., Початков Л.Д. Автоматизированное рабочее место технолога программиста. - Инф. листок ЛенЦНТИ, Л, 1988,№ 558-88, 3 с.

92. Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю. Автоматизированное рабочее место проектировщи-ка-программиста.//Известия ВУЗов СССР, Приборостроение, 1990, № 3, с.39-43.

93. Сухомлинов М.М., Прокофьев A.A., Малиновский Г.Н. и др. Комплексы технических средств для АСУ ТП. М.:Энергоатомиздат, 1984, 184 с.

94. Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю., Рысаков A.B. Автоматизация технологического процесса выращивания кристаллов. Инф. листок ЛенЦНТИ, Л, 1987, № 12887,3 с.

95. Антонов В.Н., Скоробогатый A.C., Терехов В.А. Комплексы технических средств АСУ ТП. Л.:ЛЭТИ, 1984, 76 с.

96. Прангишвили И.В. Микропроцессоры и локальные сети микроЭВМ в распределенных системах управления. М.:Энергоатомиздат, 1985, 272 с.

97. Шеффлер Д.Д. Распределенные компьютерные системы для управления производственными процессами.//Сотри1ег, 1984, vol. 17, № 2, р.11-1 8.

98. Зиглер К. Методы проектирования программных систем.-М.Мир, 1985, 328 с.

99. Bellman R. Stability Theory of Differential Equations. McGraw - Hill, New York, 1952.

100. Демидович Б.П. Лекции по математической теории устойчивости. М.:Наука, 1967, 472 с.

101. Далецкий Ю.Л., Крейн М.Г. Устойчивость решений дифференциальных уравнений в банаховом пространстве. М.:Наука, 1970.

102. Крутов В.И., Данилов Ф.М.,Кузьмик П.К. и др. Основы теории автоматического регулирования. -М.Машиностроение, 1984, 368 с.

103. Айзерман М.А. Лекции по теории автоматического регулирования. М.Государственное из-во физико-математической литературы, 1958, 520 с.

104. Вайсбаунд Н.Д., Проненко В.И. Техника выполнения метрологических работ. Киевг'Техшка", 1986, 168 с.

105. Калиткин H.H. Численные методы. Главная редакция физико-математической литературы издательства "Наука" - М.:1978, 512 с.

106. Воеводин В.В. Численные методы алгебры, теория и алгорифмы. -М.:Наука, 1966.

107. Коллатц Л. Задачи на собственные значения. М.:Наука, 1968.

108. Ю.Ту. Современная теория управления. -М.Машиностроение, 1971, 472 с.

109. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.:Наука, 1967.

110. Гатчин Ю.А. Некоторые вопросы исследования и разработки автоматизированной системы управления технологическим процессом выращивания монокристаллов. В кн. Проблемы создания и внедрения АСУ ТП, Кишинев, 1981 г., с. 49-50.

111. Гроп Д. Методы идентификации систем. -М.:Мир, 1979, 302 с.

112. Эйкхофф П. Основы идентификации систем. М.:Мир, 1975, 683 с.

113. Попков Ю.С. Достаточные характеристики нелинейных систем//Автоматика и телемеханика, 1970, № 3, с. 55 64.

114. Цыпкин ЯЗ. Основы теории обучающихся систем. М.:Наука, 1970, 251 с.

115. Мухин B.C., Саков И.А. Приборы контроля и средства автоматики тепловых процессов. М.:Высшая школа, 1988, 256 с.

116. Кучеров С.Ф., Маневич В.И., Клименко В.В. Автоматизированные системы управления в производстве стекла. Ленинград:Стройиздат, 1980, 178 с.

117. Калачев М.Г. Один метод многократного дифференцирования сигнала в системе автоматического регулирования.//Автоматика и телемеханика, 1970, № 6, с. 29-36.

118. Верштейн С.Т. Стохастические уравнения в конечных разностях и стохастические дифференциальные уравнения. Собр. соч. в 4-х томах.-М.:Наука, 1964, т.4.

119. Гатчин Ю.А., Коробейников А.Г.,Маслюк В.Н., Початков Л.Д. Алгоритм оценки температуры и момента выхода термопары из строя во время технологического процесса .//Известия высших учебных заведений "Приборостроение", т.34, 1991, №7,с. 101-104.

120. Тетерин A.B. Сравнительный анализ динамики процессов оценивания для обычного и стационарного фильтров Калмана. //Автоматика и телемеханика, 1983, №9, с. 87-94.

121. Соломонов Л. А., Филиппович Ю.Н., Шульгин B.JI. Персональные автоматизированные информационные системы и дисплейные комплесы.-М.:Высшая школа, 1990, 143 с.

122. Борисов А.Н., Вилюмс Э.Р., Сукур Л.Я. Диалоговые системы принятия решений на базе миниЭВМ. Информационное, математическое и программное обеспечение.-Рига:Зинатне, 1986, 92 с.

123. Вязгин В.А., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования.-М. :Высшая школа, 1989, 184 с.

124. Гатчин Ю.А., Бондаренко И.Б. Оптимизация выбора проектных решений. В кн. Автоматизация проектирования, технология элементов и узлов компьютерных систем, СПб, СПб ГИТМО (ТУ), 1998 г., с.5.

125. Гатчин Ю.А. Научные основы проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов. В кн. Автоматизация проектирования , технология элементов и узлов компьютерных систем, СПб, СПб ГИТМО (ТУ), 1998 г., с.5-6.

126. Михалевич B.C., Волкович B.JI. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М.:Наука, 1982, 121 с.

127. Гатчин Ю.А. Теоретические основы формирования облика системы автоматизации на этапе предварительного проектирования. В кн. Автоматизация проектирования , технология элементов и узлов компьютерных систем, СПб, СПб ГИТМО (ТУ), 1998 г, с.2.

128. Гатчин Ю.А., Бондаренко И.Б. Оптимизация алгоритмов последовательного анализа вариантов. Тезисы докладов XXX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПб ГИТМО(ТУ), СПб, 1998 г., с.87.

129. Тараканов К.В., Овчаров Л.А., Тарышкин А.Н. Аналитические методы исследования систем. М.:Сов. радио, 1974, 240 с.

130. Denham M.J., Benson C.J. and Williams T.W.C. A roust computational approach to control system analysis and design. Proceeding IFAC symposium on computer aided design of multivariable and technological systems, London, Pergamon Press, 1983, p.667-672.

131. Трудоношин B.A., Пивоварова H.B. Математические модели технических объектов. Минск, Высшая школа, 1988, 157 с.

132. Ганюченко В.М., Хайкина Е.И. Расчет индукционных устройств для наплавле-ния слитков окисных материалов.-Изв. ЛЭТИ. Научн.тр.Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина), 1979, вып. 255, с.21-25.

133. Петров Ю.Б., Шкульков A.B., Неженцев В.В. Математическая модель индукционной печи с холодным тиглем для плавки оксидов. Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия, 1983, вып 6 (244), с. 4 - 5.

134. Коробейников А.Г.,Скворцов Ю.А., Неженцев В.В. Математическое моделирование стекловаренных печей с холодным тиглем.-Тезисы докладов 2-го Всесоюзного совещания по электроварке стекла. Владимир, 1990, с.74-75.

135. Петров Ю.Б. Индукционная плавка окислов. Л.:Энергоатомиздат,1983.

136. Неженцев В.В. Определение формы ванны расплава при плавке окислов. -Тезисы докладов 2-го Всесоюзного совещания по электроварке стекла. Владимир, 1990, с.76-77.

137. Степанов М.Ф. Решатель задач системы автоматизированного синтеза и анализа систем автоматического управления//Аналитические методы синтеза регуляторов. Межвуз. научн. сб. Саратов:СПИ, 1984, с. 116-129.

138. Полежаев В.И. Особенности гидродинамики расплавов и растворов в процессе выращивания кристаллов. 4-ая международная школа специалистов по росту кристаллов. Суздаль, 17-25 сентября 1980 г., конспект лекций, ч. 1., с. 279-297.

139. Цивинский С.В. Применение теории капиллярных явлений к получению изделий заданной формы непосредственно из расплава по методуСтепанова//Инже-нерно-физический журнал, 1962, т.5,№ 9, с. 59 65.

140. Brice I.C. Controlling heat transport during crystul pulling. "Acta Electrónica", 1973, v. 16, №4,р. 291 -301.

141. Аведьян Э.Д. Модифицированный алгоритм Качмажа для оценки параметров линейных объектов. Автоматика и телемеханика, 1978, № 5, с. 64-72.

142. Аведьян Э.Д. Цыпкин Я.З. Обобщенный алгоритм Качмажа. Автоматика и телемеханика, 1979, № 1, с. 72-78.

143. Маркл Я. Ускорение сходимости алгоритма Качмажа в случае временной корреляции входного процесса Автоматика и телемеханика, 1980, № 8, с. 70-73.

144. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. -М.:Мир, 1971.

145. Брайсон А., Хо Ю-Ши. Прикладная теория оптимального управления. -М.:Мир, 1972, 544 с.

146. Брамер К., Зиффлинг Г. Фильтр Калмана- Бьюси. М.:Наука, 1982, 200 с.

147. Липцер Р.Ш., Ширяев А.Н. Статистика случайных процессов М.:Наука, 1983, 192 с.

148. Сейдж Э.П., Мелса Д.Л. Теория оценивания М.:Связь, 1976.

149. Смирнов Ю.М. Взаимосвязь тепловых условий и морфологии при росте монокристаллов германия. в кн. Физика кристаллизации, Калинин, 1978, с. 60-68.

150. Авдонин H.A. Математическое описание процессов кристаллизации. Рига, Зинатне, 1980,- 180 с.

151. Козлова О.Г. Рост кристаллов. -.М:Изд. МГУ, 1968, 238 с.

152. Пузырев В.А. Управление технологическими процессами производства микроэлектронных приборов. М.:Радио и связь, 1984.

153. Татарченко В.А., Бренер Е.А. Устойчивость процесса кристаллизации из расплава при капиллярном формообразовании. Изв. АН СССР. Сер. физическая, 1976, т.40, № 7, с. 1457-1463.

154. Гатчин Ю.А., Дукельский К.В., Путилин Э.С. Методы проектирования интегрированной системы автоматизированного производства оптических материалов. Оптические и лазерные технологии. Сборник статей, СПб., СПб ГИТМО(ТУ), 2001, с.220-226.

155. Райбман Н.С. Основы управления технологическими процессами. М.:Наука, 1978, 440с.

156. Комплект алгоритмов и программ идентификации систем с неизвестной структурой. Информационный листок Московского ЦНТИ № 15-79, 1979, 4 с.

157. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических систем. -М. :Наука, 1966.

158. Цыпкин Я.З. Адаптация и обучение в автоматических системах. М.:Наука, 1968.

159. Аоки М. Оптимизация стохастических систем. М.:Наука, 1971.

160. Беллман Р. Процессы регулирования с адаптацией. М.:Наука, 1964.

161. Ивахненко А.Г., Юрачковский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным,-М.:Радио и связь, 1987, 120 с.

162. Системы автоматизированного проектирования. Учебное пособие для втузов: в 9 книгах. И.П. Норенков. Кн. I. Принципы построения и структура. -М.:Высшая школа, 1986, 127 с.

163. Изерман Р. Цифровые системы управления. -М.:Мир, 1984, 541 с.

164. Филипов Л.Г., Фрейдзон И.Р., Давидовичу А., Дятку Э. Мини- и микро-ЭВМ в управлении промышленными объектами. Л.Машиностроение, 1984.

165. Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю. Комплекс программ структурной идентификации технологического процесса В кн. Теоретическая и прикладная оптика, Л., 1986, с. 491.

166. Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю., Хабалов В.В. Автоматизация проектирования алгоритмов системы управления ТП. Информационный листок ЛенЦНТИ, Л., 1986, № 622-86, 3 с.

167. Schumann R. Identification and adaptive control of multivariable stochastic linear systems, 5 th IFAC Symposium on Identification and System Parameter Estimation, Darmstadt (1979).

168. Эйкхофф П., Ванечек А., Саварачи E. и др. Современные методы идентификации систем. М.:Мир, 1983, 400 с.

169. Лейтман Г. Введение в теорию оптимального управления. -М.:Наука, 1970.

170. Медич Дж. Линейные оптимальные оценки и управление.-М.:Мир, 1972.

171. Кушнер Г. Стохастическая устойчивость и управляемость.-М.:Мир, 1969.

172. Wittenmark В. Stochastic adaptive control methods: Asuvey, Int. J.Control, 21, 705730 (1975).

173. Гатчин Ю.А., Януш Я.Б. Автоматизация исследования оптических характеристик кристаллов. В кн. Цифровые сети с интеграцией служб, Л., МПСС, 1991, т.2, с. 293-295.

174. Гатчин Ю.А., Осипов М.Ю., Сандуленко В.А., Мамонтов И.Я. Программная система моделирования и управления ростом кристаллов. Сб. тез. докл. III Всесоюзной конференции "Моделирование роста кристаллов", Рига, 1990, часть 3, с. 277 - 278.

175. Гатчин Ю.А., Андреев А.К., Бондаренко И.Б. Интегрированная система автоматизированного производства оптических материалов. В кн. "Прикладная оптика -96", СПб, 1996, с. 109.

176. Гатчин Ю.А., Коробейников А.Г. Методы представления знаний в гибкой производственной системе сбора и обработки информации.//Известия ВУЗов, Приборостроение, СПб, 1999,№ 1,т.42, с. 13-15.

177. Гатчин Ю.А., Бледнов В.А., Коробейников А.Г. Оценка влияния креповой девиации ферромагнитного судна на точность измерения компонентов геомагнитного поля.\\Известия ВУЗов, Приборостроение, СПб, 1998, № 1, т.42, с. 13 -15.

178. Гатчин Ю.А., Дукельский К.В. Создание программного обеспечения MCVD установки для получения волоконно-оптических заготовок. Тезисы докладов Юбилейной научно-технической конференции ППС СПб ГИТМО (ТУ), часть II, СПб, 2000, с. 12-13.

179. Гатчин Ю.А., Крылов Б.А. Адаптивная САПР процедур обработки и анализа изображений. Труды Международного конгресса "Искусственный интеллект в XXI веке", М.:Физматлит, 2001, с.716-718.

180. Меткин Н.П., Лапин М.С., Деньдобренко Б.Н., Домарацкий М.А. Автоматизация проектирования и производства микро-сборок и электронных модулей. -М.:Радио и связь, 1986, 280 с.

181. Гатчин Ю.А., Коробейников А.Г. Применение новых информационных технологий при разработке методов проектирования программно-алгоритмического обеспечения. Тезисы докладов XXX Научно-технической конференции ППС СПб ГИТМО (ТУ), СПб, 1999, с. 88.

182. Результаты работы ППС CGI, Таблица П.1.

183. Результаты расчета ПС для первого этапа ТП выращивания оптических кристаллов типа ГСГГ1.=0, IW=0

184. Метод м D N IE t раб. Метода с. t одной итерации , с. Сложность модели уел.ед Объем ОП, Кбайт Квадратичный критерий Усредненный квадратичный критерий Примеч.1. ПС +опе рат.1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

185. РМНК 1 0 2 0 5 0.1 2 40 0.45940е-10 0.91660е-12

186. МСА 1 0 2 0 3 0.06 2 0.11242е-03 0.22352е-05

187. АК 1 0 2 0 3 0.06 0 30 0.11242е-03 0.22352е-05

188. РМНК 2 0 4 0 13 0,26 8 40 0.25811е-08 0.51614е-10

189. МСА 2 0 4 0 5 0.1 8 36 0.10958е-03 0.21905е-056 ^шшГ 3 0 6 0 30 0.6 18 40 0.38451е-09 0.7 6739е-11

190. МСА 3 0 6 0 6 0.12 18 36 0.10673е-03 0.21309е-05

191. П?мнк~ 1 1 2 0 4 0. 08 2 40 0.36013е-10 0.71765е-12

192. МСА 1 1 2 0 3 0.06 J 2 36 0.10958е-03 0.21905е-05

193. РМНК 2 1 4 0 12 0.24 8 40 0.33712е-10 0.67146е-12

194. МСА 2 1 4 0 4 0. 08 8 36 0.10674е-03 0.21309е-05

195. ОРМНК 3 1 6 0 28 0.56 18 40 0.65691е-10 0.13074е-11