автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка методов и алгоритмов косвенного контроля параметров сложных технологических процессов

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УССР

ХАРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ имени академика М. К. ЯНГЕЛЯ

На правах рукописи

КОПЫЛОВ ГЕННАДИЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ КОСВЕННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (В ПРИЛОЖЕНИИ К ПРОЦЕССУ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ)

05.13.01 — Управление в технических системах 05.13.05 — Элементы вычислительной техники и автоматизированные системы управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени-кандидата технических наук

Харьков — 1932

Работа выполнена на, кафедре технической кибернетики Харьковского ордена Трудового Красного Знамени института "радиоэлектроники имени академика М. К. Янгеля.

" Научный руководитель:

— кандидат технических наук, доцент М. Д. Борячок.

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, профессор О. Г. Руденко;

— кандидат технических наук Л. А. Борисенко.

Ведущее предприятие — Научно-исследовательский технологический институт приборостроения (НИТИП), Харьков.

Защита состоится, . /V * 1992 г. в /& часов

на заседании специализированного совета К 068.37.01 в Харьковском ордена Трудового Красного Знамени институте радиоэлектроники имени академика М. К. Янгеля, (310726, Харьков, пр. Ленина, 14).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан * Ю " (\1 1992 г.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим выслать по адресу: 310726, Харьков, пр. Ленина, 14, кафедра технической кибернетики, секретарю специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

профессор Э. А. Дедиков

'■•• •■■ - f .

--------ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из особенностей развития промышлеп-ного производства в период научно-тахнглеской революции является увеличение доли затрат общественного труда на выполнение различных измерений на бсэх стадиях ооздания и эксплуатации изделий. Это объясняется ростом сложности изделий, увеличением требований к их качоотву, широким внедрением, автоматизированных-систем контроля и управления технолог ячоояими процессами.

. Б связи о усложнением технологических пропеооов число параметров, подлекащих контроля дает в пределах одной системы, постоянно растет, соответственно уЕвличиЕаетйя число первичных преобразователей. Полегание усложняется и тем, что не все параметры могут быть непооредствэЕЕО изг.вранн из-за отсутствия необходимых средств измерения или недоступности этих параметров для контроля. Это вызывает необходимость разработки как принципиально новых первичных преобразователей, так и 'совершенствование алгоритмических методов косвенного контроля параметров о ложных проиесоов.

При управлении динамачасними процессами в общем случав также . должно предусматриваться решение задач контроля параметров процесса и собственно управления. При этом получение опенок параметров процеоса п синтез упраздняя на базе полученных опенок могут представлять cljoa две сшоотоятолыизе и независимые задачи.

Следазт отметить, что алгоркдаичеокЕй путь повышения точности к информативно -т контроля базируется на обработке результатов первичных избраний, для получения которых необходимо совершенствовать аппаратнув честь измерительного комплекса. Потому какое-то одно из .указанных направлений (только аппоратуриая сторона г -л только алгоритмическая часть) не обеолечлвает необходимость aiile:;-та. Оптимальнее результаты при построения лнформавзонко-ир^опв-

тельной оистеми могут быть подучены только при удачном оочетании и развитии обоих указанных направлений.

Изложенный тенденции построения автоматизировг :ных оиотем контроля сложных технологических процессов отчетливо проявляются при построении оиотемы контроля и управления технологическим продеооом алектроооаждения, который представляет ообой один из наиболее прогрессивных способов формирования на поверхности изделий защитно-декоративной пленки о заданными свойствами.

Данный способ расширяет возможности автоматизации технологического процесоа за счет.использования средоав вычислительной техника. Однако оозданиэ автоматизированной системы контроля и управления технологическим процессом электроооаждеиия требует разработки необходимых научно обоснованных: рекомендаций, математического обеспечения и алгоритмизации технологического процесса, оборудования и оснастки для его таализации. Наиболыцуо трудность вызывает автоматизация методов контроля; технологических паршатров и качества окраоки, разработанных недостаточно.

Таким образом, задачи автоматизации контроля технологических параметров процесса и параметров качеотва наносимых аоврытчй методом электроооаждения является актуальными и представляют практический и научный интерес».

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение информативности и точности контроля, т.е. разработка как принципиально новых мэтодов и устройств контроля параметров качеотва элэк-троооавдаемых покрытий, таи и разработка алгоритмических методов косвенного контроля технологических параметров оложных процессов на примерз технологического процесса электроосаздвния.

' Методика исследований. 11ри выполнении диссертационной работы иопользоваяиоь ьвтоды линэйной алгебре, ыэтодн идентификации, теории матриц, теории дискретных оиотем управления, теории наблкдате-

лей, теории ечностных преобразователей, теории электричеоких измерений п погрешностей, методы вычислительной математики и программирования. • .

На защиту выносятся результаты, научная новизна которых состоит в следующем:

- предложен способ косвенного контроля толщинв и качества (плотнооть упаковки структурных э48ментов) наносимых лаковраооч-ных покрытий непосредственно в процеосе злектроо'саждения;

- на основе предложенного способа разработаны ус ройотва контрил толщины 'п качества электроооаждаемого покрытия непосредственно в процессе электрооояздэния;

- проведена оценка погрешности измерений толиданы и качеотва электроосаядавмого покрытия;

- получана математическая модель прицеооа электроосавдения в вида системы дифференциальных уравнений, проведен анализ ее точно-отнкх характеристик;

- о помощью алгоритмов калмановоной фильтрации, иопользуя. разработанные устройства контроля толщины а качеотва покрытий и математическую модель процесоа, получены косвенные опенки технологичео-ких параметров пррцесоа электроосаждзнвя, что не позволяй сделать прямые методы контроля;

- предложен алгоритмический метод компенсации влияния систематической погрешности измерителя выхода оаотемы па точность получаемых оценок технологичеоких параметров баз увеличения раз .•/арности оцениваемого вактс 1 переменных оостоячия;

г предложены катоды снижения размерности .задач фильтрации о » пользованием аппарата формируюищх фильтров и алгоритмы дакоглюэигг задач фильтрации о прямеяониэм аппарата формирующих фильтров и г-рии обратныл оиотем.

Практическая ценнооть работы звключвзтоя в следующем:

- разработаны устройства контроля толаигш а ялчостяз з.7актро-осаждаемых покрншй нзпосрецстванпо в процессе -^пягрооепт.чения;

- получена математическая модель процесса элэктроосакдеиш, на базе которой совмеотно о разработанными измерителями выхода спетому показана возможность косвенного контроля технологических параметров процесса о помощью алгоритмов калмановской фильтрации, контроль которых прямыми методами невоэлюлен;

- разработанные методы сникения размерности задачи фильтрации в применении к процессу электроосавденгя позволяют снизить размерность решаемой задачи ;

- алгоритмы косвенной оценки параметров технологичеокого процесса электроосаждения реализованы в виде программ на языке ФОРТРАН

и оовместно с устройствами контроля выхода системы при наличии соответствующей технологической оснаотки могут быть внедрены как в лабораторных, так и в промышленных условиях.

Реализация результатов работы. Разработанные устройства контро- " ля толщины и качества -электроосавдаеыых покрытий проходили проверку в НПО "Старт" (г. Новгород и показали высокие метрологические характеристики.' Проведенные экаперигантальнце исследования позволяют рекомендовать их как для атономного контроля параметров качества ла-к0^а"оЪ"чшВГ:покрытий, так и в ооставе управляющего комплекоа. Экономический эффект; полученный от внедрения устройств контроля параметров качества электроооаждаемых покрытий в НПО "Старт" для проведения работ о новым» лакокрасочными материалам к отработки ре s имев нанесения покрытий, составил 60 тыо.рублей. \

• Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научном семинаро "Технологичоское обеспечение качества изделий" (Харьков,1966), на Д Всесоюзной научно-технической ; соаренда к "Измерение параметров формы и спектра радиотехнических сигналов" (Харьков, 1989) и на республиканской' конференции "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей" (Харьког, 19Э0).

Публикации. По теме диссертации получала 5 авторских свидетельств на изобретения и опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, ваключенля и содержит 158 е.*. основного текста, I таблицу, 22 рисунка, НО библиографических наименований и 8 с. приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываэтоя актуальность теми диссертационной работы, рассматриваются основные направления повншеюш точпооти и информатявяоста контроля параметров слоеных тэхнологичзских процессов, определена цель диссортационной работы, проведен обзор оо-иовямс полученных результатов по главам.

В первой глава проводится ; .ализ оущеотвующих способов и методов контроля парамзтров тохпологпчесяого процесса электроооажде-нкя, аизлязвруатся оообэнностп применения теории фильтрации для косвенной оцзнки технологических параметров, проводится обзор децентрализованных штодов фильтрапаи и формулируется постановив задачи исследования.

В параграфе 1,1 на ооноеэние проваленного анализе суцэотвуо-щх штодов контроля параметров качэотва элактроо'оаадазмых покрытий оделав вывод, что современнее средства контроля позволяет взирать толщину и качеотво лакокрасочного пЬкрытия только пооле электроосаждения и термосутки изделия, а создание гибкого технологического проп.соа требует контролировать эти параметра непосредственно в процесса элентроосавдения. Таким образом, разработка способов и устройств контроля толщпнн в иачеотва осакдаемах покрытий непосрадственно в процессе элертроосаждзнил являэтая необходимой и актуальной задачей.

В параграфе 1.2 проведан анализ. ?«тодоз контроля технологичес ввх параметров процеооа здентроооазденяя (темпзратури, кколотноота и концентрации-раоичего раотвора лакoi.paoочного материала). Проведенный анализ позволяет оделять внвод о невозмо ч.ооти прямого контроля тёхнологичеоких параметров процеооа в дпнашпесном рзки-ме, что внзчвает г обходпмооть разработки косвенных методов копг-роля. .

Анализ особенностей пртгпзнил теории фильтрации, вал метода Еоовэшюго контроля параметров сложных тахналогических процессов, цроЕвдан в Параграфе 1.3. Показано, что при наличия динамичеокоц модели процэооа в $орш пространства состояний и наличия измеряемых выходов опстемн при условии полной наблюдаемости процесса о помощью алгоратмов фальтр&ции возможно ползчениа коовенных оианок параметров опотемн. Учгтывая отохаотичэский характер технологических процессов, предпочтительней использование стохастической филь-тра^.д, наиболее универсальным методом которой являетоя фильтр Сажана.

Современные технологические процессы описываются набором от нескольких десятков до нескольких сотен контролируемых параметров. Следствием этого является высокая размерность оцениваемого вектора ооотояния, что служит главнпм фактором, определяющим устойчивость методов оцепиванчя п определяющим требования к вычислительным сродотвам, осуществляющим обработку измерительной информации, особенно, в роальном рремзни. Поэтому значительное внш/ание удаляется разного рода способом оникения размерности вектора оцениваемых не рвменпых ооотояния и разработке штодов дэноотозиции, т.е. оводанию исходной задачи фильтрации высокой разморности к задачам меньшей разшрности. ¿падлзу.&оцептралиэовашшх методов филмрашт посвящен параграф Г.4.

На основании изложенного задачу исследовании ыоено сформулировать олодующим образом: поотроив динамическую модель процеооа электроооаждения в форма проотранотва ооотояний, выбрав в кйчеот-Ее переменных ооотояния подлежащие контролю технолйгичеокие параметра процесса.- и разработав устройства шптродя Еыхвда системы (толщина покрытия) с помощь» алгоритмов каллиловской фильтрации в. ее допентрализованннх вариантов получить косвенные оценки технологических параметров процесса элэктрооопкдепкя.

Во второй главе осуществляется разработка методов и уотройотв контроля толщины и качества электроосавдаемнх покрытий.

В параграфе 2.1 предлагается способ косвенного контроля тол-цшш покрытия на основе электроемкостыого метода иэшрения н разрабатывается устройство контроля толщины лаконраоочного покрытия непосредственно в процесса элоктроосакдеыя.

Информации о толщине диэлакт^пчеокого покрытия при элактроем-костном мэтодв контроля монно получить, воспользовавшись соотношением с с с г/ С-Со о

"-—р— ; (I)

где </ - толцг.на диэлектрпчэокого покрытия; С - измеряемая емкость; £ и ;£а- диэлектрическая проницаемооть покрытия и диэлектрическая постоянная; 5 - площадь электрода конденсатора.

Такг-М образом, предлагаемый споооб косвенного контроля толщина электроооаждаемого покрытия непосредствен :о в процессе электро-осзудеиия заклшается в измерзнии параметров емкости, образующейся при наносе шш покрытия. Причем, одним электродом кондепоатора, определяющим площадь электрода ^ г> выражении (I), является клрпуо скрашиваемого изделпя, вторим - корпус ванны элактроосазданпя, заполненной электропроводящим лакокрасочным материалом. Роль диэлектрической прокладки выполняет олой осааденной краски, электросопротивление которой на пять порядков выше элоитросопротям игл рабочего раствора,

Слэдоваюльло, зявпвалзитй$й ч- звмз-декия мз&'.е прздота-вить в виде параллельно внлючешшх ешк^ти и оопротивлангя потерь. Однако более детальный эпалнз эквивалентной схем: эамэвднкя, учитывающий наличие двойных электрических олоев, образующихся на гр:,-нипв ДЕЭлактЬик-рас Бор, металл-раствор и элвятричзспих парямгриг лакокрасочного материала,приводит к эвсдвялвпгной схегдз сямявднг.«

в виде сложного двухполюсника. Для прав и.: очн ост а определения ¿'ол--вдшы покрытия по величине полезной еыкооти о потерями была проведена оценка влияния паразитных параметров. В результате был получен рабочий вариант эквивалентной схемы замещения, который наряду о полезной емкость» включает цоследоватольнув емкость двойного электрического слоя на границе диэлектрил-раотвор.

Учитывая, что при определении толщины электроосажданного покрытия измеряется суммарная емкость, влияние ешооти двойного олоя ыокн- интерпретировать как наличие систематической погрешности, зависящей от параметров раствора лакокрасочного материала и влияние которой в процессе измерения необходимо исключать.

При разработке устройства контроля толщины элактроооажденного покрытия исследуются различные варианты включения конденсатора в измэритбльную цепь и обосновывается выбор потенциально-токовой охемы включения, которяя позволяет устранить влияние на результат измерения паразитных емкостей. Наиболее полно схема такого включения соответствуот трансформаторная мостовая цепь о теоной индуктивной овязью, на базе которой было построено уотройотво контроля толщины электроооакдаемого покрытия в виде неуравновешапногс моста перемэнного тока.

Однако толвдана покрытия не являотоя единственным критерием опенки качества электроооаадаемых лакокраоочных цленок, в качеотве которого могут быть яорро'заонно-эаицатные свойства покрытий. Проведенные исследования в параграфа 2.2 позволяют сделать вывод, что коррозиоано-заадтнпе и физико-мехвикчаокие овойствэ покрытий определяются внутренней структурой ооажденного покрытия (плотноотью упаковки структурных элементов), завися,чей о.т технологических параметров процеооа влектроооакдения.'Плотноотг упаковки отрунтур-ннх элементов характеризуется электросопротивлением анода (рассеивающей опоообностью ванны олвктроосавдения). Следовательно, для

определения физико-мехапических п коррозионнс-защитных свойств покрытия необходимо измерять электросопротивление ооазденной плепки, которое в полученной эквивалентной схеме замещения соответствует сопротивлений потерь образующейся в продаосе электроосакдения емкости.

Таким образом, измеряя толщину покрытия п ее качество, характеризуемые ош сстью и сопротивлением потерь образующейся в процэосе элактроосавдения емкости, можно получить более полную характеристику качества оспздаемого покрытия.

В параграфе 2.3 на оспоео предложенных способов разрабатывается устройство контрам тишины ?• качества электроосаждаеыого покрыты. Анализ методов измерения параметров кногоэлвиентннх двухполюсников позволил вобрать метод упог,н орозшваная, физическая рвэ-льзацкя которого осуществляется о помоцьв уравновешенной взмэри- • тельной цепи, особенности построения которой д испйльзуекне в ней элементы в 'первую очередь определяет функциональные возможности и метрологические овойства измерителя.

Особенностью нзг.ярения толщины и качеотва адактроооаждаемнх

1

покрытий является наличие паразитных емкоотей электродов измерительного конденсатора, которое могут значительно превышать пара-8ИТНН0 емкости ооедшнитвльпвх кабелей, а также наличие высокого постоянного напряжения на ванна электроосвещения, что вые 'ваь- необходимость взэкенгл специальных фультров в измерительную попь, которые приводят к дополнительной погрешности араобразовангл. Ре-пение данной зздзчп в обчзм случае неоднозначно, что позволяет осуществить выбор охошого решения по условию ю; •/мпзатш вносимых погрешностей.

После т"ооведе. я соотвотствукцих катоматических преобртова-лпй была получены следующие выражения для относительных погрзшнп-стзй изуз рения реактивной ¿?х ч активной соотпвлчййих кзг/а---

леконой проводимости для двух возможных вариантов построения измерительной пени:

/-

; игСр иг

А (1-ШСг Ог >

(2)

для первого варианта построения измерительной цепи и

^ иЫоь и*0а1

ОгСр

• ЩСаОог. извог ,

(3)

для второго зарианта.

Здеоь и Оз - уравновешивающие напряжения по реактивной в активной о оставляющим; (Уг- опорное синусоидальное напряжение о частотой м) ; Оо и образцовые емкость " проводимость; £ -внутреннее сопротивление источника Ог ; Ст- паразитная емкооть, вктвченная параллельно источнику С/г ; Ср~ разделительные емкооти.

Выражения (2)-(3) позволяют'оцепить влияние паразитной емкоо-тз 0п{ , внутреннего сопротивления источыка Ог. и разделительных фильтров Ср на т'очяозть измерения активной и реактивной ооставляющих.

Анализ этих выражений позволявт сделать вывод о необходимости уменьшения внутреннего сопротивления к источника U& , которое составляет £ < 0,1 Ом и наложения ограничений на внбор разделительной емкооти .1

СрЪ>0о,0, ; ) (4)

Ср»Ст. (5)

Однако ограничение (5) физически не всегда реализуемо. Учитывая,

4TL . _

Ору сР >

мокно сделать вывод о лучшай помехозащищенности второго варианта построения изшритэльной цепи, обладающей погрешностью преобразо-£^ния на порядок меньшей по сравнение о первым.

Таким образом, проведенный анализ погр'лносте'й преобразования позволил обосновать выбор схемной реализации измерительной пени в определить ограничения, накладываемые на Еыбор разделительных фильтров (4)-(5). ..а базе полученной измерительной схемы было разработано цифровое, кошеневционно-моотозое, фазочувотвительное уотрой-отво нонтроля толцпны и качеотва элэитрооселдаемых покрытий о временем иэмеряняя 0,2 о.

В параграфа. 2.4 проведана оценка погрешности измара- ля .олщл-ны и качества осаждаемого поирытоя о учетом погрешностей яак емкостного преобразователя, так и изглзритеяя, которая дала олэдувздае результаты: суммарная случайная погреилость измерения толашш электроооаждаемого покрытия 1,3 %, а яачвотва п: г.ытдя - 2,2 %..

В параграфе 2.5 приведены результаты экспэркмнтальной проверки разра^отяннь. измерителей толшинн и качества электроисажда-. мкх покрытий. Для проведения измерений использовздксь готэлличао-

нив пластины рьзшром 5x5 оы с точноотьс поддержания линейных размеров не хука 0,2 %. Контроль толщины электроосавдааыого покрытия проводился пятью методами: методом измерения масс, катодом прямого ивмарения ,с помощью микрометра, о помощью вихрвтэнового толщин омара ПИНТ-4, оптиметра путем исследования ере? ов окрашенных пластип и разработанных измерителей толщины и качества лакокрасочннх покрытий.

Дналйз полученных результатов позволяет оделать вывод, что пред: лгаемые устройство контроля толщины и устройство контроля толщины л качества элактроосандаемых покрытий непосредственно . в процоосе. электроосакденая позволяют измерять толщину покрытия о погрешностью, -не превышающей 10 % и 5 % соответственно п, крож того, контролировать качество осаждаемой пленки, что подтверждает . теоретические результаты и позволяет рекомендовать разработанные уотройотва для практического применения в лабораторных и промышленных уоловиях.

р третьей главе проводится построение модели технологического процеооа элвктроооандеши, которая, как было показано выше, необходима для получения косвенных оценок тахнологичаоких параметров процесса.

В параграфа 3.1 проводится анализ технологического процесоа электроосаждения кок объекта контроля и управления, определяются входные, выходные и контролируемые параметра..

Б параграфе 3-2 на основе изучения физико-химических процессов, протекающих в ходе технологического процесса злектроооавде-ния^получона структура.динамичеокой модели процеооа, состоящая из 12 передаточных звеньев и определены ограничения, накладываемые на основные технологические параметры и управ.-:ювшв воздействия.

Е параграф 3.3 на основании яксверинэнтальпых я теоретических исследований о помощью методов ипентификаоии получено далями-

ческая модель процесса в вида оистемы пелинайних дифференциальных уравнений. Учитывая, что для целей косвенного контроля технологических параметров процеооа о помощью методов оптимальной фильтрации необходима линейная модель, а также малый порядок налинайноо-тей, была проведена линеаризация модели с погрешностью, не превы-шавдей 1,5 %. В результате получена линеаризованная динамическая модель процесса электроооавдения. . .

В- параграфе 3.4 с учетом полученных экспериментальных данных с помощью разработанных язмеритзлей толщины и качеотва осаждаемых покрытий проводится анализ точностных характеристик полученной математической модели процесса, который показал, что ыатеыатичеокая модель' адекватно описывзо! реальный процесс и может слуаш'. основой для получения косвенных оценок технологических параметров.

В четвертой главе разрабатываются методы ояиаен. л разшрно-сти задач фильтрации.

В параграфе 4.1 предлагается метод сникения раэморнооти задач фильтрация сложных техпологичаоких процессов о покощью форшруацпх фильтров. Специфика .задача косвенного контроля технологических п"-ранотров олояншс процессов, т.е. метрологического аспекта задачи фильтрации в отличие от задач управления состоит в том, что в данном случао ставится задача оценки не всех переменных состалпия, а только специально оговоренных для данного технологического процеооа и имеющих определенный физичеокий смысл.

Предполагается, что исследуемый технологический процэоо опн-оивается в проотранстве состояний моделью вида •

Хшп *АХи7 +г1У(*) , <6)

и(«н)~СХт) т- гцкн), (7)

где Х(К) - вектор-столбец переменных состояния; у (к) - вектор-отолбец измеряемых координат ояотамы; и р - переходя а матрппч

соотсяыий и помах; В - матрица, отражающая влияние управляющих воздействий; ¿Лл7 - вектор-столбец управляющих переменных; 1У(к} и П(к) - независимые белыа гауосовсвиа шумы объекта и измерений.

Суть предлагаемого подхода к снижению размерности оценьвааыс-го вектора переменных ооотоянкя, оценку которого можно получить о помощью процедуры калмановокой фильтрат:.:, заключается в том, что на множестве-Л переменных ооотояния X исходной сиотемы (б). (7) выделяется подмножеотво Мр6--^- переменных Хр , динамика поведгния которых экстраполируется, на каждый последующий интервал квантования путем аппрокоииации переменных Хр заданным клаооом функций, выбираемых на основании априорных овэдений. В результате получим модифицированную модель процеоса

(¡1 шо - а XI т * п1 («*о, (10)

где Х^СХ ,

К полученной модифицированной модели процеоса (0)г(10), имеющей меньшую размерность по сравнению о исходной (6), (7), пргьзаищется процедура калмаяовской фильтрации.

Выбор перемзннш: Хр из множеотва всзх переменных оостояккя )( коптролЕруемоа системы должен быть ооноьш на кообходимоогк контроля этих пораненных состояния № нормального протекания процеоса и удовлетворять олздуидим требованиям:

- мсчфицированная модель процесса должна быть полностью наблюдаемой. В олучае нарушения полной наблюдаемости модифицированной системы можно попытаться ее восотзное. гь путем введения допол-нктельнях изшшошх выходов;

- годуД'Ипировгшная модель процесса долшк' обеспечивать сходи-

мооть прй оценке воах переменных оостоянш;

- погрешность оценки переменных оостаянкя модифицированной модели должнг находиться в допустимых пределах, определяемых технологическими допуокамп для данного технологического процесса.

Для синтеза аппроксимирующих полиномов переменных состоянияХр можно применить методы приближенного аналитического представления (аппроксимации) процоооа на заданном отрезка времени..

.. Наиболее проотой формой аппроксимации уравнений динамики переменных Хр является представление их рядом Тейлора III) на иг четном интервала квантования при условии непрерывности и дифференциру-емости функции

Х#Ь+лУ-Х1иШ*Хр1МА1+{-Хр1ША?*...,1*51р. (и).

Подставляя в уравнение (II) вместо производных ^разности, получим скалярное разностное уравнение

где У - погрешность аппроксимации, оостоящая из погрешности, обусловленной конечным числом членов разложения и неточностью вычиолэ-пия производных; - постоянные коэффициенты.

Представляя (12) в форме пространства состояний

Хрс (к* I) - 5Хр1 {К) + а У(Х), < И)

где ^ и К - матрицы размерностью - порядок I -го ура-,

внения (12), получим формирующий фяльтр -го порядка.

Рассмотрена процедура выбора оптимального порядка формирующего фильтра, причем эталоном служат оценки, получаемые о помощью фильтра Калмана, синтезированного по полной модели (6), (7).

Проведена оценка влияния погрешности аппроксимации V нг характеристики фильтра и показано, что учет априорной неопределенности фазовой траектории объекта увеличивает только говариапионную матрицу ошибок его состояния на величину К0 * УУ«) Ум / .

Тагам образом, предложенный метод сниконвя размерности задачи фильтрации о использованием аппарата формирующих фильтров позволяет снизить размерность опеняпаомого вектора церемонных состояния в применении к задачам метрологии.

В параграфо 4.2 обосновываются .".ютоды декомпозиции алгоритмов оценки применительно к задачам Управление, для которых необходимо получать оценки всех переменных состояния.

Рассматриваются сложные динамические объекты управления, представляющие собой множество взаимосвязанных подоиотем, описываемых в пространстве пэре из пн их ссстатння системами даффореншалышх уравнений в дискретной форме

Хг (к+1) -Ль АЧ М * Ё>1 +В1Х}1 (к) + РИЛ(К1, (14)

гттр - переменные взаимодействия, ^ - мпотаство подсистем, •1)1 - матрица, отражающая влияние J - й подсиотеыы но £ - о под-оистоыу.

Зля оценив переменных состояния отдельных подсистем может быть ••■•опользован фильтр Калмана. Однако наличие переменных взаимодействия в уравнении (14) приводит к изменению некоторых уравноннй калкановокой фильтрации. Бслв в качестве пораманных взаимодействия Xjl выступают измеряемые ецходн, то в рекуррентных уравнениях средп-цпоЕного фильтра Калмсна изменится лишь вырезание для опродаления апри орн ей оцо нки (к* О

Яг (к*0- Д(Хш) + 6с исо<!ф Х;цк)..

Если т в качаст а переменных взаимодействия высыпают переменные ооото;, ;кя, то изменится такка выражение для вычаохзнш даелвр-оионноЯ матрицы сшибки

Окю^М&мё^«)} - ¡мРцч-ОГа ^3¿фнí)1^f¿\/¿f(r,

Ресомотрва^ый выше подход суцеохмнно опкхае*' сбъвы мгоотанай при реализации наблюдателей, одн-яо троб;/ох з.явкск эначаькй ;32?~

модействий на каздом шага работы наблюдателя.

Предложен децентрализованный наблвдатал.'ь, инвариантный по отношении к тщании взаимодействий, структура которого ишет вад

1*4 (к*0" Я* Ы (к)+6ь («) Тс и с о<>, Хф) - 1\Л (к) + И1 ус (*),

где ХЦк)- опенка вектора,- XI (к), \>Л(к)~ переменные состояния обратной системы.

Параметры наблюдателя подучены на основе

теории обратных систем о помощью разностного уравнения относиталь-но сшибки

е ¿л (ко) - л егХ(К)+[(1-1 ш)М-6 ¿а -Fi.il-маЦ и + щ-ши) д1 х^м*(в1-т п) и1 м.

Очевидно, что сходимость процеоса фильтраши может быть обеспечена при ело.дующих соотношениях:

я = л/и Сь, &1"Р1М т, н^Жавр', п= а-тс^вс,

п о

где I(С^)'а ; - прог вольная матрица.

Показано, что при заданных параметрах наблюдателя гарантируется принцип инвариантности наблюдателя по отношению н внешним возмуще ниям, в качестве которых в данном случае выступают взаимодействия. Это обстоятельство иозвеляет получить соотношение для оценки переменных взаимодействия

Н&С "Л г Нфл («)*Н1 +(П-&1)ицк)].

'Второй метод децентрализации зедачи косвенного контроля основан на применении формирующих »фильтров. Суть подхода заключается в том, что на множестве Л переманных состояния X оистемы (6), (7) выделяется подмножество Лр^Л переменных Хр , динамика поведения которых экстраполируется на кввдый последующий интервал квантования

о помощью рассмотренного ранее аппарата формирующих филеров. Применяя п модифицированной подсистеме (8)-(10) процедуру калмяновской

фильтраши,. получим оценки па раня иных оостоянея. Причем, центраро-рованныэ значения оценок переменных Хр по мере поступления испояь-' зуются в качестве измеряемых выходов подоиотем дли оценки неучтенных в модифицированной подсистеме аореманных состояния. Таким образом, исходная подсистема (6), (7) распадается на подсистемы двух-видов: модифицированную подсистему (8)-(Ю) и подсистемы

X; (H +1) = Aj Xj (К) + JOj XijiKj * Bj Lfj m + Fj Vj M,

ijj = Хр(k*i) - Cj Xj(mt) + Hj (k+i), где Xf,Ç Xl >Xj€-X Хр - центрированные значонш оценок; Dj - матрица, отрахаицая кшяник L - Й подоиотемы на j, — о родсистему.

В целом речь идет о двухуровневой схеме фильтрации. На первом уровне реализуется фильтр, который-оценивает лишь часть полного вдк-торц соотояния. Результаты работы этого фильтра используются на втором уровне фильтром, оценивающим недостающие компоненты полного вектора оостояния. При этом снимается жеоткое ограничение наличия иэш-ряемых координат в каждой из подсистем.

В параграфе 4.3 проведен сравнительный анализ разработавши катодов снижения размерности задач фильтрации. Рассмотрены вопрооы точности п окорости сходимости получаемых опенок. Определен класо решаемых задач (при аппроксимации с помощью разложения в ряд Тейлб-ра), ограниченный инерционными процэсса:.щ; и проЕодэна оценка снижения вычислительных затрат при применения предлагаемых югодов.

В пятой глава проводится косвенная оценка технологических педиатров процесса электроосакдения.

В параграфе 5.1 проводится выбор структура наблюдателя перэман-иых состояния технологического процесса элоктроооакденш и перевод полученной в главе 3 непрерывной динамической модоля процесса вазн-троооавденид в дникрвх :уа форцу, так как практическая реализация фильтра Калг. зна осуществляется в вычислительных структурах цвфрого-го типа.

В параграфе 5.2 проводится анализ набл»; к-моати процзооа электроосаждения путем поотрсэнпя матриц:; р нзблвдаомсзта, что поьваддез сделать внвсд о возмсаности косвенной отдали воэх пзрэмэпикх ассто-яния продаоса.

В параграфа 5.3 прсшздвпа опенка переменных состояния про-цеоса электроооавденпя. В качества измеряемого выхода использо-валгоь полеченные в хода моделирования реализации о учетом шумов .модели и измерений. На полученные реализации накладывалась систематическая ошибка, свойственная предложенному методу измерения толщины покрытия.. Диализ полученных с помощью фильтра Калмана фазовых траекторий переменных состояния процесса элантроооакденш позволяет сделать вывод о хороших метрологических свойствах косвенного измерения технологических параметров процесса о помощп методов калманобской фильтрации и о допустимых для данного технологического процесса погрешностях оценки. Применение изложенного в параграфе 4.1 метода сниеонгд разшрности задачи фильтрации позволило снизить размернооть решаемой задачи до 12 баз ухудшения точностнпх показателей.

При анализе полученных фазовых траекторий исследуемых переменных соотояния хорошо просматривается смещение сценок относительно истинного их попадания, что связано о наличием систематической потребности измерителя выхода. Поэтому в параграфе 5.4 предлагается алгоритмический метод устранения елияния систематической пог- ■ решностн измерителя выхода на точнооть получаемых оценок.

Применение общего подхода для иоклтаняя всякого рода пеопределенных параметров систома связано с расширением оцениваемого вектора пероменных осггояшш и приводит не только к увеличению объема вычиолзкий, но и численной неустойчивости алгоритмов фильтрации, что особенно проявляется при сценке кислотности лапокра-оочного материала. Поэтому, учитывая, что систематическая погрешность является функцией Тихнологичаоких параметров процесоа элек-троосакданпя, на основании экспериментальных данных била получена линейная модифицированная модель канала измерений, учитывающая влияние систематической погрешности. В результате ...оз увеличения

размерности оцениваемого вектора переменных оостояеей о помощью алгоритмов калманоЕсяой фильтрации получены несмещенные оценки переменных состояния. Проведан такеа анализ помэхозагшэдкдосгз ь сходимости процесса фильтрации технологического процесса электроосаждения. •

Таким образом, предлагаемые мотодь> косвенного контроля технологических параметров процэоса элактроооаждения о помощью методов калмановевой фильтрации обеспечивают о требуемой точность» получение оценок всех технологических параметров процесса элак-троосатдония, что иа позволяют сделать прямиа шходы контроля.

В заключении даны основнкэ выводы по результатам исследований.

В приложении прадобавлена программа, реализующая алгоритмы фильтрации, и акт внедрения результатов диссертационной работа.

ЗАШШШ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

.1. Нэ основании проведенных исследований предложен способ косвенного контроля толщины в кечзства (плотность упаковки структурных элементов) наносимых лакокрасочных покрытий непосредственно в процессе элэатроосаздеаЕя, который ооновал ва эяектрса«костном методе измерения.

2. На основе предложенного споооов разработаны устройства контроля толщины г качества елакгроооаадавыего покрытия непосредственно в процессе элэкгроооэвдания в виде неуравновешенного моо-та поре на иного тока и автоматического цифрового фазочувотвитвль-ного моота переменного тока.

3. Про- чдена ошнка погрешности ьашренвя толщинн и качаот-

ва электроосавдаемого покрытия.

4. Получена математическая модель процесоа электроооаждания в фоке пространства'состояний, проведен анализ ее точностных характеристик. Полученная модель служит основой для получения косвенных оценок технологических параметров процесоа о помощью алгоритмов налмановской фильтрации о использованием в качестве измерителя выхода разработанных устройств нонтроля толщины и качеотва электроосаждаемых покрытий. Проведен.анализ помехозащищенности

и сходимооти процеоса фильтрации.

5. Предложен алгоритмический метод компенсации систематической погрешности измерителя выхода системы на базе фильтра Калма-на, позволяющий повысить точнооть оценки основных технологических параметров процесоа без увеличения размерности оцениваемое вектора оостояния.

6. Учитывая выоокую размернооть современных технологических процессов, предложены методы снижения размс ности задач фильтрации о использованием аппарата формирующих фильтров и ачгоритмы деког,позиции задач фильтрации о применением аппарата формирующих фильтров и теории обратных систем.

Рассмотрены вопросы сходимости, точности и вычислительных затрат при реализации предложенных алгоритмов, определен клэоо реша емкх задач.

7. Алгоритмы косвенной оценки параметров технологического процесоа электроосаждения реализованы в вида программа и совместно с устройствами контроля выхода системы при наличии соответствующей технологической оонаотки могут быть внедрены как в ла-оораторных, так и в промышленных условиях. Ззояомичвокпй эффект, полученный ст внедрения устройств контроля параметров качества электроооаждаемнх покрытий в НПО "Старт", составил 60 тно,рублей.

Список petíoi, опубликованных по теме диооертации:

1. A.c. Jí 1575582 (СССР). Способ контроля толщины покрытий в прсшсов ооекдэнияу&опылов Г.В., Навлвдов И.Ш. и др. Опубл. 15.07.90. Em. К 26.

2. A.c. Jr I2750S2 (СССР). Касоета для размещения ыалогабарит-ннх изделий в элевтрофорезном покрытии ^алышков Ю.И., Лвоовин Ю.А., Копылов Г.В. и др. Опубл. 07.12.1986. Бш. Л 45. .

3. А.о. № 1575582 (СССР). Линия злвкгрофорэзнсго покрытая малогабаритных изделий /Маслов C.B., Середа В.И., Копнлов Г.В.

и др.

4. Положительное решение ВШИГПЭ по заявке на изобретение

Jf 4703504/24-28 or 8.06.1989. Устройство контроля толщины X Кача-ств.а элвктроосажд зкого покрытия /Копылов Г.В., Борячок М.Д. и др.

5. Копылов Г.В., Борячок М.Д. Оценка погрешности измерения толщины влектроосаждаемого покрытия // Метрология. - 1991. -

№8, 0.1-5.

6. Копылов Г.В., Борячок М.Д. Устройство контроля толщины электроосаяданиого покрытия // ЛИГИ. - 1990. - * 90-061.

7. Копылов Г.В., Борячок М.Д. Формвру див фильтры в задачах косвенного в онколя переданных оостояния оложных прошооов

г. приборы автоматики. I99I- Вып.97, 0.32-38.

б. Копылов Г.В., Борячок М.Д. Декомпозиция н оценивание neps-мепных состояния олокнах процеооов о использованием формируацвх Фильтров. JkCJ в приборы автоматики 1991. Вып. 100, с.54-59.

9. Копылов Г.В., Рчрячок М.Д. Косвенный контроль технологических параметров процесса электр^осаядения о потлощыо фильтра Кал-i.j.ffla // Методы представления и обработки случайных сигналов и иоле» fi : Tos. докл. республиканской конфероппги. Харьков, 1990. -С.10-15.

10. Борячок Ы.Д., Копылов Г.В. Децентрализованные методы' оценка переменных состояния сложных пропаосов // Измерение пара-ьятров форкч и спектра радиотехнических сигналов: Таз. докл. Л Воеоовзпой научно-техничеокой конференции, Харьков, 198Э. -С. I8I-I82.

' II. Положительное решение на изобретение № 4643442/26/070832 от 19.07.91. Линия электрофоразяого покрытия малогабаритных изделий' /Середа П.Л., Маолов О.В., Копылбв Г.В. и др.

Соискатель