автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и исследование моделей и методов контроля систем с переменными параметрами

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ На правах рукописи

Горбунов Владимир Михайлович СУЖе

Разработка и исследование моделей и методов контроля систем с переменными

параметрами

»

05.13.01— управление в технических системах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор В. М. Разин

Томск—1999

Содержание

Введение 4

1 Модели систем контроля объектов с переменными параметрами 9

1.1 Определение параметров процесса на выходе сглаживающего фильтра для импульсной последовательности ........................9

1.2 Анализ системы управления с автоматической регулировкой усиления ......................................................................13

1.3 Модели систем контроля объектов с переменными параметрами . . 25

1.4 Математическая модель радиометрического сигнала при контроле сложнопрофильных изделий ......................30

Выводы................ . . ....................33

2 Исследование радиометрических систем в режиме обнаружения

и измерения при переменных параметрах 34

2.1 Структура радиометрического дефектоскопа при переменных параметрах изделия ............................ 34

2.2 Влияние размеров источника излучения на формирование сигнала

от дефекта при радиометрическом контроле.............37

2.3 Измерение характеристики изделия при переменных его параметрах 41

2.4 Изменение характеристики изделия с учётом её усреднения в поле зрения детектора излучения ......................47

2.4.1 Влияние усреднения характеристики изделия по длине коллимационного отверстия на выбор параметров радиометрической системы контроля....................49

2.4.2 Влияние усреднения Характеристики изделия по ширине коллимационного отверстия на выбор параметров радиометрической системы измерения ...............57

2.4.3 Измерение характеристики изделия с учётом её усреднения по по площади коллимационного отверстия детектора излучения............................. 59

Выводы.....................................62

3 Разработка метода контроля сложнопрофильных изделий 63

3.1 Анализ современных методов радиометрического контроля сложнопрофильных изделий.........................63

3.2 Определение моментов изменения среднего радиометрического сигнала при контроле изделий, имеющих экстремальные значения. 69

3.3 Определение момента изменения среднего радиометрического сигнала при контроле изделий со ступенчатым перепадом.......73

3.4 Разработка алгоритма обработки радиометрической информации

при контроле изделий с переменными параметрами.........80

3.5 Методика радиометрического контроля сложнопрофильных изделий с использованием ЭВМ.......................84

3.6 Проверка адекватности численной модели системы.........85

3.7 Производственные испытания автоматизированной системы радиометрического контроля.......................86

Выводы.....................................87

Заключение 88

Литература 89

Приложения 98

п.1. Вывод ошибки в замкнутой форме....................98

п.2. Акт внедрения...............................100

Введение

Современные технологические процессы и производства характеризуются многофакторностью, наличием сложных зависимостей между параметрами. При исследовании сложных технологических объектов и информационно-измерительных систем прежде всего приходится решать задачу математического описания систем. Построенные модели должны характеризовать количественные связи между входными и выходными параметрами как в статическом так и в динамическом режимах.

Широкое распространение информационно-измерительных систем с переменными параметрами, а также необходимость более глубокого количественного и качественного изучения процессов, протекающих в системах, привело к интенсивной разработке соответствующих методов анализа и математического описания.

Информационно-измерительные системы, использующие в качестве устройств устройства, основанные на взаимодействии ионизирующего излучения с объектом контроля (например, радиометрический метод контроля материалов и изделий), радиолокации, оптической связи нашли широкое применение во многих отраслях народного хозяйства.

Измерение различных физических величин, использующие ионизирующее излучение, основывается на взаимодействии этого излучения с объектом контроля. После прохождения через объект контроля поток излучения претерпевает изменения, причём измеряемая величина функционально связана с параметрами объекта контроля. Принципиальной особенностью работы таких систем является то, что процессы на выходе приёмных устройств, носят случайный характер в силу статистичности источника излучения, флуктуаций толщины (плотности) контролируемого изделия.

Поэтому возрастающие требования к качеству продукции промышленного производства предопределили дальнейшее развитие и совершенствование теории проектирования радиометрических систем, а также самих средств контроля, прежде всего, для контроля материалов и изделий с переменными параметрами. Помехи, возникающие в процессе контроля изделий с переменными параметрами, оказывают существенное влияние на результаты контроля, особенно при автоматизации принятия решений о состоянии объекта контроля. Следовательно, задача радиометрического контроля материалов и изделий с переменными параметрами является одной из актуальных в общей проблеме неразрушающего контроля материалов и изделий.

Изменение параметров (плотности, геометрических размеров и др.) в подавляющем большинстве задач (например, литых изделий, полимерных материалов, сложнопрофильных изделий, сварных швов) имеют случайный характер. Параметры изделия, изменения которых описываются случайными функциями, будем называть переменными параметрами. Случайные функции, описывающие изменения параметров изделия, могут быть как стационарными, так и

нестационарными. Нестационарность обусловлена переменной толщиной контролируемого изделия (например, клинообразные изделия, со ступенчатым изменением толщины). С позиций принятия решений о состоянии объекта контроля переменные параметры могут быть как мешающие, так и подлежащие измерению. Задачи анализа и синтеза являются основными в процессе проектирования различных систем, в том числе и радиометрических. Решение этих задач предполагает построение обобщенных моделей данных систем независимо от характера изменения параметров объекта контроля. Такие модели позволяют дорогостоящую длительную экспериментальную обработку проектируемой системы на макете заменить численным экспериментом, который помогает определить направления поисков, определять параметры и выдавать рекомендации по их выбору.

Существующие методы теории проектирования радиометрических систем в наиболее полной мере отражают лишь статистическую природу источника излучения (нуклида) из всего класса помех. Основополагающими в данном направлении являются работы [1], [2]. Методы анализа систем контроля, разработанные в этих работах, послужили базой для дальнейших исследований ([3-МО]). Общим признаком этих работ можно считать, по существу, детерминированное описание объекта контроля. Случайные изменения параметров контролируемого изделия не могли быть учтены при анализе и проектировании систем контроля, так как их учет требовал пересмотра принципов формирования сигналов в радиометрических системах. Попытки их учета на выше приведенной основе приводили, в лучшем случае, к модели с "достаточно медленными" изменениями измеряемого или мешающего параметра ([1], [3-=-7], [114-13]). Это ограничение не отражает физической сущности практических задач контроля изделий с переменными параметрами и является попыткой представления данных задач как задач контроля изделий с неслучайными параметрами. Следствием такого подхода явилась произвольность в выборе структуры и параметров радиометрической системы и оценке ее функционирования. Эти обстоятельства не позволили сделать оценку эффективности эвристическими способами радиометрического контроля с переменными параметрами ([14-ь16]) и разработать методики по выбору параметров найденных структур. Следовательно, при контроле изделий с переменными параметрами необходимо учитывать появление предварительных искажений и помех, обусловленных как усредняющим свойством размеров окна коллиматора, так и переменными параметрами изделия. В связи с этим возникает задача, заключающаяся в исследовании влияния предварительных искажений и помех на характеристики радиометрической системы при использовании в них устройств, разработанных для контроля изделий с постоянными параметрами и, если эти помехи ограничивают возможности данных систем, то определить структуры и параметры радиометрических систем оптимальных (или субоптимальных) в условиях контроля материалов и изделий с переменными параметрами. Попытка учета усредняющего действия окна коллиматора при расчете радиометрической системы впервые сделана авторами работы [17]

при измерении поперечных размеров внутренних полостей (дефектов) в изделии. Используемая в этой работе модель неслучайных параметров изделия не позволила разработать модель системы контроля и на ее основе методику выбора размеров коллимационного отверстия и оценить вклад рассматриваемого свойства детектора излучения в погрешность измерения. Те же недостатки присущи и работе [18], в которой рассмотрена задача выбора размеров считывающей апертуры в радиографии. Особенностью усреднения параметров изделия в поле зрения детектора излучения при радиометрическом контроле является то, что погрешности измерения, обусловленные как размерами апертуры детектора, так и источником излучения, взаимосвязаны, и эти взаимосвязи наиболее четко проявляются при случайном изменении параметров изделия. Целью диссертационной работы является разработка радиометрического метода контроля материалов и изделий с переменными параметрами, предполагающего установление взаимосвязей между закономерностями изменения данных параметров и информационными параметрами физических процессов в системе контроля, её структурой и качеством функционирования, а также разработке на этой основе методики контроля сложнопрофильных изделий данного типа. Характер физических процессов в системе контроля и флуктуаций параметров изделия, а именно, их дискретность и случайность, а также информационная сущность задач контроля измерения и обнаружения определяет и выбор соответствующих методов решения поставленной задачи: методов теории потоков ([19], [20]), линейных и нелинейных преобразований случайных процессов ([21-г23]), статистической теории решений ([24], [25]). Работа при этом базируется на известных результатах переноса излучения через вещество ([26], [27]) и его детектирования ([28],[29]).

Цель диссертационной работы состоир в разработке информационных моделей систем контроля объектов с переменными параметрами, путем установления взаимосвязей между закономерностями данных параметров и информационными особенностями процессов в системе контроля, ее структурой и качеством функционирования, а также разработке на этой основе методики контроля объектов данного типа.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав основного текста, заключения, литературы и приложения.

Первая глава диссертационной работы посвящена построению физико - математической модели радиометрической системы контроля изделий с переменными параметрами при учёте дискретного характера процессов на входе детектора излучения и его усредняющих свойств. Дано решение общей задачи определения параметров случайного процесса, порождённого произвольной импульсной последовательностью, и на этой основе определены условия возможного представления указанных дискретных процессов непрерывными. Определено решение интегрального уравнения, описывающего взаимосвязь между входными и выходными сигналами детектора излучения, охваченного схемой автоматической регулировки усиления. Что позволило оценить влияние обратной связи на

значения параметров процесса на выходе стабилизированного детектора. Разработанные модели позволили формализовать задачи радиометрического контроля изделий с переменными параметрами и определить круг методов их решения.

Во второй главе диссертационной работы лриведены результаты исследования указанных моделей систем в режимах измерения и обнаружения при линейной обработке радиометрической информации. Оценено влияние размеров источника излучения и флуктуаций параметров изделия на качество обнаружения дефектов в контролируемом изделии. Показано, что задача измерения флуктуирующего (случайного) параметра изделия по импульсной последовательности и минимуму среднеквадратичной ошибки является задачей виперовской фильтрации, а усреднение измеряемого параметра в поле зрения детектора излучения приводит к специфическим предварительным искажениям полезного сигнала в данной модели. Приведены результаты исследования ряда структур систем контроля, оценена эффективность их применения и разработаны методики выбора их основных параметров.

Следует отметить, что результаты первых двух глав справедливы для произвольных изотопных источников излучения, характеризующихся пуассонов-ским распределением числа регистрируемых за фиксированный интервал времени прошедших изделие частиц излучения. Предполагается, что незначительные изменения размеров коллимационного отверстия не приводит к существенному изменению геометрической схемы контроля при общей геометрии узкого пучка.

В третьей главе рассмотрены вопросы повышения точности оценки сопутствующего сигнала при контроле сложнопрофильных изделий за счёт определения моментов изменения данного сигнала. Разработаны структура блока оценки моментов изменения сигнала и методики по выбору параметров устройств радиометрической системы контроля с переменными параметрами. Результаты работы использованы при создании системы АСОРИ-2.

Заключение по диссертационной работе отражает её основные результаты: результаты по построению, исследованию моделей радиометрических систем контроля изделий и материалов с переменными параметрами, их научное и практическое значение и место в общем направлении радиометрического контроля.

Приложение содержит некоторые промежуточные аналитические выводы, раскрытие вклада автора в работы, опубликованные им в соавторстве.

Основной представляемый к защите тезис заключается в том, что флуктуации параметров контролируемого изделия (как мешающие, так и измеряемые) обладают определенными статистическими закономерностями, учёт которых при построении радиометрических систем позволяет разрабатывать направление и методы повышения качества контроля путём совершенствования структур данных систем, выбора оптимальных значений их основных параметров.

Научная новизна работы представлена решением задачи определения параметров случайного процесса на выходе детектора излучения, охваченного схемой автоматической регулировки усиления, решением задачи определения па-

раметров случайного процесса на выходе линейного сглаживающего фильтра, когда на вход поступает импульсный случайный процесс. Решение этих задач позволило раскрыть новые взаимосвязи между закономерностями переменных параметров изделий и материалов, с одной стороны, структурой и информативностью импульсной последовательности на выходе детектора излучения, с другой стороны. Разработке на этой основе моделей радиометрических систем контроля материалов и изделий с переменными параметрами в режимах измерения и обнаружения. Получены выражения, определяющие качество функционирования и структуры данных систем. Определены выражения для среднеквадратичной ошибки измерения в замкнутой форме в условиях "белого" шума и предварительных искажений.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в построении и анализе более эффективных структур радиометрических систем, выборе параметров и оценке качества их функционирования в режимах измерения и обнаружения, разработке алгоритмов фильтрации сопутствующих сигналов, которые использованы при создании системы АСОРИ-2.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчёта структуры, параметров и погрешности функционирования радиометрической системы. Разработанные алгоритмы и методики выбора параметров используются в системе АСОРИ-2 для контроля сложнопро-фильных изделий.

Основные результаты диссертационной работы апробированы на двух Всесоюзных конференциях, на научно - теоретических семинарах НИИИН при ТПУ, опубликованы в 15 печатных работах и защищены авторским свидетельством.

1 Модели систем контроля объектов с переменными параметрами

В данной главе диссертационной работы рас�