Основные методы управления технологическими процессами

ТП представляет собой сложно организованную, целенаправ­ленную структуру, элементами которой являются технологичес­кие операции.

Основную задачу управления ТП машиностроения можно сформулировать так (см. рис. 3.1): при известном векторе вход­ных переменных и частично известном векторе условий  найти такой вектор управления который гарантированно обеспечил бы выполнение условия

            (3.3)

где — эталонный вектор выходных переменных; — фик­сированный вектор ошибки выходных переменных.

Вектор считается известным, так как при необходимос­ти может быть проконтролирована или определена любая его составляющая. Вектор условий включает составляющие, ко­торые могут быть заданы, например режимы обработки, а также составляющие, которые характеризуют действие факторов, дес­табилизирующих процесс. Выявление и определение закономер­ностей изменения этих факторов представляет определенные трудности, а иногда и невозможны. Поэтому следует считать век­тор  частично определенным. Изменение составляющих век­тора  может отразиться на составляющих вектора . На­пример, увеличение припуска на поверхности заготовки неиз­бежно вызовет увеличение сил резания и, как следствие, рост значений ряда составляющих суммарной погрешности обработ­ки, которые можно рассматривать как составляющие вектора .

 При отсутствии управления векторы входных переменных и условий определяют вектор выходных переменных. Поэтому од­ним из методов обеспечения стабильных значений составляю­щих вектора выходных переменных является стабилизация век­тора входных переменных. Считается, что если

где — заданный вектор входных переменных; — фик­сированный вектор ошибки входных переменных, то гарантиру­ется выполнение условия (3.3). Тем самым утверждается, что ста­бильное качество заготовки гарантирует стабильное качество го­товой детали. Такой подход не учитывает случайный характер составляющих вектора  и самого ТП.

Дискретный характер ТП, его разбиение на отдельные тех­нологические операции приводят к тому, что вектор управления  процессом следует рассматривать как совокупность векто­ров управления отдельными технологическими операциями. Та­ким образом, управление ТП осуществляется только через уп­равление отдельными технологическими операциями.

Задача управления ТП формулируется так: при известном век- торе  входных переменных и частично известном векторе условий найти вектор управления для каждой технологи­ческой операции, чтобы обеспечить для выходных переменных ТП соблюдение условия (3.3).

Системный подход к управлению ТП заключается в том, что каждый вектор   не обязательно должен обеспечивать вы­полнение условия (3.3), но совокупность векторов должна гарантировать его выполнение для ТП в целом. Соблюдение ус­ловия (3.3) для каждой отдельной технологической операции яв­ляется идеальным условием его выполнения и для процесса в целом. Однако это сопряжено со значительными сложностями и затратами.

В основе существующих методов управления ТП и реализу­ющих это управление технических устройств лежат два основ­ных принципа: активного контроля и адаптации.

Активный контроль включает сбор информации о выходных переменных процесса, сравнение их значений с требуемыми и подачу команды на управляющее устройство для подналадки про­цесса (изменений уровня настройки, режимов работы оборудо­вания и т.д.). При реализации данного принципа вектор управ­ления следует определять по модели объекта управления в зависимости от отклонения фактического вектора выходных пе­ременных от заданного. Надежность управления зависит от на­дежности указанной математической модели или реализующих рассматриваемый принцип технических устройств. Разработка математических моделей, связывающих вектор с отклоне­ниями векторов выходных переменных, является весьма слож­ной задачей.

Управление, например, обработкой с помощью средств ак­тивного контроля в случае появления брака зачастую затрудни­тельно, так как сложно выявить причины, которые привели к потере качества. Затруднительно также определить, какое воз­действие должно быть оказано на процесс (подналадка, ремонт, замена инструмента и т. п.) для обеспечения его стабильности при достижении заданного уровня выходной переменной. Наи­более эффективно применение средств активного контроля при условии высокой надежности оборудования и оснастки на опе­рациях механической обработки.

Принцип адаптации используют для решения задач управле­ния как на уровне технологической операции, так и на уровне ТП в целом. Поэтому несколько различается и его трактовка.

На уровне технологической операции сущность адаптивного управления заключается в слежении и поддержании постоян­ства значения какого-либо параметра, влияющего на ход ТП и обеспечивающего заданный уровень выходного параметра, ко­торый определяет качество и производительность при минималь­ных затратах на выполнение рассматриваемой части ТП. Адап­тивное управление осуществляется либо путем ограничения управляемого параметра, т. е. сигнал управления вырабатывает­ся только тогда, когда управляемый параметр достиг предельно допустимого уровня, либо путем поиска оптимального для кон­кретных текущих условий значения управляемого параметра, т. е. сигнал управления вырабатывается непрерывно и его составля­ющие соответствуют оптимальным значениям управляемого па­раметра.

Для уровня технологической операции принцип адаптации применим в основном для операций изготовления деталей. В этом случае обрабатывающее оборудование оснащают автомати­ческой системой, обеспечивающей постоянный контроль управ­ляемого параметра и сравнение фактических результатов с за­данными. При возникновении отклонения определяется его чис­ленное значение и знак и корректируется фактор, регулирующий управляемый параметр. Например, при изменении силы реза­ния изменяется подача независимо от факторов, которые этому способствовали.

Практическое применение принципа адаптации для управ­ления технологическими операциями связано с разработкой на его основе и внедрением автоматизированных (автоматических) систем управления. Эти системы должны работать в режиме ре­ального времени, обеспечивая мгновенную реакцию на откло­нение контролируемого параметра, что предъявляет высокие тре­бования к их чувствительности и быстродействию. Современ­ные технические средства не позволяют обеспечивать мгновенную управляющую реакцию на возникшее отклонение контролируе­мого параметра. Реакция системы запаздывает — система выра­батывает сигнал управления спустя некоторое время после воз­никновения отклонений контролируемого параметра. Сложность разработки адекватных математических моделей, недостаточные чувствительность и быстродействие стали причинами ограничен­ного использования адаптивных систем.

Применение принципа адаптации для управления ТП за­ключается в поддержании стабильности вектора выходных пере­менных при изменении в некоторых пределах векторов входных переменных и условий вследствие целенаправленного измене­ния структуры и параметров ТП. В данном случае управление направлено на адаптацию ТП к возникшим изменениям вход­ных переменных и условий его протекания. Принцип адапта­ции применяют при управлении процессами изготовления изде­лий высокой эксплуатационной надежности в автоматизирован­ном производстве.

Выполнение функции контроля и управления ТП в совре­менном машиностроении неразрывно связано с решением про­блемы автоматизации производства. Технологическую систему можно представить (рис. 3.4) как систему, объединяющую объект управления (ОУ) и управляющее устройство (УУ). На вход пос­леднего подается задающее воздействие у_зад(τ), содержащее ин­формацию о цели управления. Сформированный управляющим устройством вектор U (τ) в виде управляющего воздействия пе­редается к объекту управления. В состав управляющего устрой­ства могут входить чувствительное, вычислительное и исполни­тельное устройства.

Чувствительные устройства (измерительные устройства, дат­чики) служат для измерения подаваемых к управляющему уст­ройству воздействий. Вычислительное устройство реализует алго­ритм его работы.

 

Рис. 3.4. Структуры систем управлениякачеством про-дукции при механичес­кой обработке: а — без обратной связи; б — с обратной связью по возмущающим воз-действиям; в — то же по выходным переменным; г — с контролем входных переменных

 

В простейшем слу­чае оно выполняет элементарные математические операции (сравне­ние, определение разности, интег­рирование и т. п.). В более слож­ных случаях для решения задач управления используют вычисли­тельную технику. Исполнительные устройства предназначены для не­посредственного управления объ­ектом, т. е. изменения его состоя­ния в соответствии с сигналом управления. В частном случае в ка­честве исполнительного устройства могут использоваться, например, приводы исполнительных переме­щений станка.

Рассмотрим структуры некоторых систем, применяющихся для управления качеством продукции при механической обработке

1. Системы без обратной связи по возмущающим воздействиям и выходным переменным (см. рис. 3.4, а), которые часто называют цикловыми.

2. Системы с обратной связью по возмущающим воздействиям (см. рис. 3.4, б). Их называют системами с контролем по пара­метрам обработки или самонастраивающимися системами. Раз­новидность систем, в которых контроль возмущающего воздей­ствия выполняется непосредственно в процессе формообразова­ния, а его результаты, преобразованные в сигнал управления, тут же обрабатываются, называют самоприспосабливающимися (адаптивными).

3. Системы с обратной связью по выходным переменным (см. рис. 3.4, в). Различают две разновидности таких систем: с пря­мым контролем — контроль выходных переменных и управле­ние, сформированное по его результатам, осуществляются не­посредственно при выполнении операций — и с контролем вы­ходных параметров обработки — контроль выходных переменных осуществляется не в процессе формообразования, а после его окончания, т. е. у обработанной заготовки. Системы с обратной связью по выходным переменным называют самоподнастраива- ющимися.

4. Системы с контролем входных переменных (см. рис. 3.4, г). В таких системах контроль выполняется до начала процесса фор­мообразования, а его результаты учитываются при выработке век­тора управления.

В настоящее время наибольшее распространение получили цикловые системы (обработка на станках-автоматах и полуавто­матах, гидрокопировальных станках, станках с ЧПУ, автомати­ческих линиях и т. д.); они просты и надежны в работе, что, собственно, и определило их широкое распространение. Обра­ботка при использовании таких систем происходит по жесткому циклу. Цикл не прерывается, если в процессе обработки возни­кает отклонение параметра качества. Это основной недостаток таких систем. Несмотря на высокую надежность самой системы, надежность протекания процесса обработки низка. В этих сис­темах практически полностью отсутствует управление точностью в сфере самого производства (реализации ТП), поэтому они не позволяют компенсировать влияние любых факторов на точность обработки. Управление точностью в цикловых системах огра­ничено сферой ТПП. Именно на стадии ТПП формируется со­держание задающего воздействия. Управление точностью сво­дится к расчетам ожидаемой точности, осуществляемым в про­цессе проектирования операции, и назначению таких условий ее выполнения, которые обеспечивали бы заданные параметры качества.

В самонастраивающихся системах предусмотрен контроль факторов, обусловливающих появление погрешностей обработ­ки, и последующая компенсация их влияния непосредственно при производстве. Контроль параметров (условий) обработки воз­можен как до начала цикла автоматизированной обработки, так и в самом цикле. Однако и в том, и в другом случае он предше­ствует процессу формообразования. В результате такого контро­ля случайные (для цикловой автоматики) факторы превращают­ся в систематические. Такие системы применяют для компенса­ции погрешностей установки заготовок, тепловых деформаций элементов оборудования, износа инструмента и т. д. Они позво­ляют существенно уменьшить влияние случайных, закономерно изменяющихся и постоянных факторов на точность обработки. Самонастраивающиеся системы наиболее удобны для примене­ния на станках с ЧПУ. Алгоритм управления в таких системах основан на тех же зависимостях, по которым выполняется рас­чет ожидаемой точности обработки для цикловых систем. Не­высокая точность расчета по этим зависимостям сказывается на качестве управления, что является недостатком самонастраива­ющихся систем.

Самоприспосабливающиеся (адаптивные) системы обеспечи­вают контроль и управление одним или несколькими фактора­ми (составляющими вектора условий), обусловливающими фор­мирование параметров качества. Процесс контроля и управле­ния происходит синхронно с процессом формообразования. Преимущества и недостатки этих систем рассмотрены ранее при анализе принципа адаптации.

Системы с обратной связью по выходным переменным по­зволяют практически полностью исключить влияние технологи­ческих факторов на точность выдерживаемого параметра. Недо­статок таких систем управления — ограниченная область при­менения, что обусловлено главным образом техническими трудностями их конструктивного оформления для многих конк­ретных случаев обработки. Системы с контролем выходных па­раметров обработки фиксируют результат завершенного процес­са и не имеют возможности управлять случайными составляю­щими погрешности обработки. Управлять можно только зако­номерно изменяющимися погрешностями (вызываемыми износом инструмента, тепловыми деформациями и т.д.), а также систе­матическими, если таковые возникают в процессе обработки. В основе информационного обеспечения этих систем лежат извес­тные методы статистического контроля.

Системы с контролем входных переменных позволяют учесть фактические размеры заготовки, а в отдельных случаях и физи­ко-механические свойства ее материала при настройке техноло­гической системы. Однако данный вариант управления имеет ограниченное применение ввиду сложности его реализации.

Обеспечение заданной точности при механической обработ­ке в большинстве случаев связано с регулированием настройки технологической системы. Различают регулирование статической и динамической настройки. Под статической настройкой пони­мают изменение настроечных размеров в технологической сис­теме, выполняемое при отсутствии процесса формообразования (резания). Статическая настройка встречается в цикловых сис­темах и в системах с контролем выходных параметров обработ­ки. В самонастраивающихся системах, а также в системах с пря­мым контролем изменение настройки осуществляется непосред­ственно в процессе формообразования, что позволяет отнести их к системам регулирования динамической настройки.