Синтез алгоритмов управления движущимися краскораспылителями с вынесенной подсистемой контроля параметров объекта покраски и моделью кодового канала ТРЗ

Актуальность темы

Системы управления (СУ) технологическими комплексами (ТК) с транспортными запаздываниями (ТРЗ) широко используются в различных отраслях промышленности (химической, автомобильной, кожевенной, швейной, пищевой и т. д.). К рассматриваемым СУ с ТРЗ относятся и системы управления движущимися краскораспылителями. Проблема экономии дорогостоящей краски и качественной покраски движущихся изделий, в частности кож, имеют давнюю историю. Покрасочные камеры с движущимся (движущимися) краскораспылителем, включающим краску в момент входа и выключающим краску в момент выхода из камеры, неэкономно использовали краску и потери определялись в зависимости от площади окрашиваемых изделий. Следом за покрасочными камерами указанного типа пришли экономичные камеры, в которых с помощью ультразвуковых датчиков, закрепленных перед распылителем, отслеживался контур окрашиваемого изделия и только тогда включался краскораспылитель в работу. Однако ультразвуковые датчики быстро засорялись, и это сказывалось как на качестве покраски, так и на надежности работы системы управления. Следующим шагом в развитии управления краскораспылителями является появление систем с выносной подсистемой контроля объекта покраски и блоками многоканального (регулируемого) ТРЗ. Исследованиями установлено, что такие СУ с наличием более 3х каналов ТРЗ являются неустойчивыми. Известные механические, электромеханические и электронно-контактные блоки многоканального ТРЗ (до 16 каналов при покраске кож) кроме громоздкости, низкой помехоустойчивости и малой надежности обладают избыточностью каналов, что приводит к избыточности информации в алгоритмах управления и влияет на устойчивость СУ, а в целом отражается на качестве окрашиваемого изделия. За последнее десятилетие выполнено много работ по анализу и синтезу алгоритмов управления с ТРЗ, среди которых можно выделить отечественные работы Филимонова А. Б., Карпова Г. А.,.

Мазурова В.М., Суздальцева А. И., Громова Ю. Ю., Светкина С. В., Мосиной Е. В., Лобановой В. А. В этих работах в основном рассматриваются алгоритмы управления, в которых ТРЗ выступает в качестве одноканального чистого запаздывания или одноканального мертвого запаздывания в сигналах управления. Частично алгоритмы управления с многоканальным ТРЗ рассмотрены в работах научного руководителя Суздальцева А. И., где показано соотношения скоростей объекта покраски и краскораспылителя, но многоканальность ТРЗ остается избыточной, приводящей к избыточности информации в алгоритмах управления. Таким образом, существующее СУ данного вида из-за многоканальности ТРЗ базируется на алгоритмах управления с избыточной информацией, приводящих к неустойчивой работе СУ и в конечном счете снижающих общую эффективность управления краскораспылителями [24,26,29,31 -37,39,58,59,86].

Цель работы — повышение эффективности СУ движущимися краскораспылителями за счет сокращения избыточности информации в алгоритмах управления, обеспечивающих повышение надежности и устойчивости СУ и долговечности работы исполнительных органов.

Поставленная цель предполагает решение следующих задач:

— провести анализ объектов управления с ТРЗ, структур СУ и алгоритмов управления исполнительными органами;

— провести анализ и выбор оптимальной траектории движения краскораспылителей;

— сформулировать новый подход к синтезу алгоритмов управления исполнительными органами краскораспылителей, сокращающий избыточную информацию в алгоритмах управления;

— осуществить синтез алгоритмов управления краскораспылителями на основе нового подхода к синтезу;

— сформулировать критерии оценки качества СУ;

— разработать систему управления краскораспылителями, используя синтезированные алгоритмы, и провести оценку качества по сформулированным критериям качества;

— провести экспериментальные исследования СУ на имитационной модели.

Научную новизну работы составляют:

— предложенный подход к синтезу алгоритмов управления двумя движущимися краскораспылителями, основанный на дифференциально-интегральном принципе создания полного алгоритма управления, включающего информационно связанные ММ определения координат контура движущегося объекта, ММ кодового канала ТРЗ и алгоритмы управления включением / отключением краскораспылителей в заданных точках контура;

— разработанная ММ определения координат контура движущегося объекта, основанная на последовательном логическом умножении состояний соседних датчиков измерительной линейки с выделением номера, а затем и кода датчика, зафиксировавшего первым контур объекта покраски, и формирования запрета на остальные последующие датчики в каждом шаге измерения, причем оценка состояний датчиков для первой координаты контура осуществляется с одной стороны, а для второй координаты — со второй стороны измерительной линейки;

— разработанная ММ кодового канала ТРЗ, представляющая собой память типа FIFO, входные данные которой есть коды первой и второй координат контура, изменяющиеся в каждом шаге перемещения объекта, а длина памяти есть расстояние от зоны измерения до зоны покраски, выраженное в количестве шагов перемещаемого объекта;

— разработанные алгоритм определения позиции нахождения краскораспылителей и алгоритм момента их включения / отключения, представляющие собой два взаимосвязанных графа состояний, построенные на основе теории конечных управляющих автоматов;

— разработанный способ управления движущимся краскораспылителем. Методы исследования. При решении диссертационных задач использовались методы системного анализа, теории квазиоптимального управления, теория импульсных систем с АИМ, алгебра Буля, теория конечных управляющих автоматов, методы математической статистики, теория принятия решений. Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью поставленных задач и согласованностью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными. Научные положения, выносимые на защиту:

— подход к синтезу алгоритмов управления двумя движущимися краскораспылителями, основанный на дифференциально-интегральном принципе создания полного алгоритма управления, обеспечивающего исключение избыточности управляющей информации;

— ММ определения координат контура движущегося объекта;

— ММ кодового канала ТРЗ;

— алгоритмы определения позиции нахождения краскораспылителей и момента их включения / отключения;

— способ управления краскораспылителем. Практическая значимость:

1. Разработаны ММ определения координат контура и кодового канала ТРЗ, позволяющие сократить избыточность информации в алгоритме управления.

2. Разработан способ управления краскораспылителем, позволяющий повысить устойчивость СУ, надежность и долговечность исполнительных органов краскораспылителей.

3. Разработана имитационная модель СУ, позволяющая проводить исследования параметров СУ, а также использовать ее в учебных целях.

Реализация работы. На основе синтезированных алгоритмов управления движущимися краскораспылителями разработан способ управления и принципиальная электрическая схема СУ, защищенные патентом РФ на изобретение.

На основе ММ определения координат контура разработано устройство измерения ширины и координат контура, защищенное патентом РФ на полезную модель. Имитационная модель СУ используется в учебном процессе. Разработанная СУ принята к реализации в проектах Орловского НИИЛегмаш при создании оборудования для покрывного крашения кож. Апробация работы. Результаты исследований доложены на:

1. Международной молодежной конференции «XXVI Гагаринские чтения» (г. Москва 2000 г.).

2. вш Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Н. Новгород 2002 г.).

3. Международной научной конференции «Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании» (Пенза 2003 г.).

4. II Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго и ресурсосбережениеXXI век» (январь-июнь 2004 г. г. Орел).

5. Научно-технических конференциях ОрелГТУ (г. Орел 2003, 2004 г. г.). Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 9 публикациях, в том числе в описаниях к 2~ патентам на изобретение и полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4- глав, заключения, списка использованных источников из 103 наименований, 7 приложений и включает 119 страниц основного машинописного текста, содержит 33 рисунка и 3 таблицы, общий объем 143 страниц.

Выводы.

Разработанная имитационная модель системы управления движущимися краскораспылителями, включающая измерение площади и координат контура движущихся плоских изделий различной конфигурации, транспортное запаздывание и включение/отключение исполнительных органов покраски с возможностью варьирования значений основных параметров (скоростей движения изделия и распылителей, расстояний между измерительными датчиками, размерами факела распылителей, контуров изделий и их углом поворота и т. д.) позволяет визуально наблюдать технологический рисунок траектории движения и покраски поверхности объектов с фиксированием расчетной и измеряемой площади объекта, количества элементов площади объекта, окрашиваемых с использованием СУ аналога, количества элементов площади объекта (количество включений/отключений исполнительного органа краскораспылителей) при использовании синтезированной системы управления и с фиксированием значений критерия оценки функциональной надежности синтезированной системы (Кн).

Предварительные исследования на имитационной модели позволили зафиксировать оптимальный технологический рисунок покраски при соотношении скоростей Vi=nV2, где п — количество измерительных датчиков, причем расстояние между датчиками при этом равно величине шага перемещаемого объекта и диаметру факела краскораспылителя (СС =Ь=Дф).

При выше фиксированных условиях (п=16, ОС =Ь=Дф=100 м.е.) были проведены экспериментальные исследования на разработанной имитационной модели («Орел 15») по определению параметров точности измерения площади и координат контура, по определению функциональной надежности работы исполнительного органа покраски с системой управления аналога и с синтезированной системой управления:

В результате экспериментальных исследований на 100 объектах — моделях.

3 2 с различной конфигурацией и общей площадью 992−10 м.е. были получены следующие результаты:

— количество срабатываний исполнительного органа с СУ аналога и синтезированной СУ составило 5562 и 1050;

— средняя относительная погрешность измерения площади (координат контура) не превышает 1%;

— количество срабатываний исполнительного органа краскораспылителей по синтезированной системе управления по сравнению с аналогом сокращается в 5 раз (Кн=5,31)и определяется соотношением размеров площади и контура объекта;

— частота переключения исполнительного органа краскораспылителя синтезированной СУ по сравнению с аналогом уменьшается в 16 раз (fa=32 Гц, fc=2 Гц), при этом длительность импульса переключения во много раз больше, чем в аналоге (ti=0,03 с, t2Max= 0,36 с).

Произведенная оценка общей эффективности системы управления с использованием аналитических расчетов и имитационного моделирования по предложенной целевой функции показала, что достижение целевой функции обеспечивается как с учетом системного критерия устойчивости, так и с учетом системного критерия надежности при заданных ограничениях на частные критерии качества.

Sn-10 м.с.

Рисунок 4.4 Обобщенные показатели количества переключений исполнительного органа при использовании СУ аналога и синтезированной СУ.

CgggJ.

Печать.

Продолжить.

IT Irftjgesl Р lmago<2 С tinage*3 Г" Iroages4.

Элгру эигь.

Загрузить.

Загрузить.

Загрузить.

Загрузить.

Загрузить ггпадеПВаГГьтр] *0.

1 I ?

2 |.

JJ О и сг.

Скорость д&ижетя ксжм Скорость движения распылителя.

5 | 10 I го: 25 I 20 320.

Pacrodfue межау 100 mm номер Шага.

Ширина транспортера 1600 mm | 14.

Размер фамла 100 mm.

Колличмтво легкое 16.

Реальная пллцааь Неи’денизя гикзшань Элементов кмчгцра Э лемемгов гикшалн.

17 Н зиб4705Э3235гэ| оо 0000 соаоооо 0 ооооооооо еооооооо.

ООООООО осюоо ооо о.

Тек!1Э.

Рисунок 4.5 Пример интерфейса основной программы для объекта «квадрат» .

P flut*iM jff Imopeil С* tmajts? С tma[>e&3 С 1гоа (Ю?< Степ ] Я|"И" Прсяолвцтъ |.

Загрузить 1 [magil Vx’al tm | +15.

Загрузить J [ma УгуаЗ Ьгл | +Э0.

Загрузить 1 ImaEwlVa.^-trfi | Загсу) кгь | |mag-14ova5 brn) Загу^лпъ | |mjyilWj6tfri | +90.

Осесть cmobbwi nomi Ск. орость дмивснцнрасдлштеля б < 10! 20 1 25 | ЙП 320 ].

JJ ?

2 | л.

JJ о.

5]|=.

— dJ сг.

PeCTOCWS MB"a'J Ulifwig трак попадал Размер факела Колшчост DP, А этносе Poo wan гтсшлщь Нгикмчя площадь ЭламаI"ав катера Элементов п/ютаи.

160Э.

16 нп номер Шага С.

Э07Й.

28гшшзззЩ.

ООО оооо ооооо со оооо.

ООО0009 ооооооо оооооо оооооо ооооо оо.

Рисунок 4.6 Пример интерфейса основной программы для объекта «эллипс» .

I Лшш.

II Стол «| Печать П дополнить |.

Затрцмсгь | Ьтр| *0.

Загра^п" [ |гаввИУд2Ьтр| +'9.

Э*грцаигь | ] ing"1 УГt"3 Ьтр | ->30.

Загрузить ] |nMyjjl'f и* Ьшр| *€ 0.

Здгря^яь | j I Ьтр).

З.У E>j3trfTb [ | roagol bmp] +30 u a з I <=> *J cr.

СКОРОСТЬ s io i до f as I го.

Скярост^адиияянд pacr.

Hjcrmt*.

UJiiptoiS Т (М||СПО (1Г"р" f л v iop.

Ко/кичвспю a ГГ'** oe Р<�Г*/"/И"в nfOUIMU-Н AI^UWH ПУХКХ.

Элементов плниапы.

16 позе.

20 В оо.

ООО О ООО ооооо оооооо оооооооо.

ОООСООООО оооооо оооооо.

ООО оо сю о о ООО о.

T**t18.

Рисунок 4,7 Пример интерфейса основной программы для объекта «произв.форма» .

Рисунок 4,8 Изменение относительной погрешности измерения площади различных объектов в зависимости от скорости их перемещения.

Кк.

13 12 11 10 9.

3 7 6 5.

4 3 2 1 0 t (цикл) квадратKsштреугольникKs —ь— эллипс.

ПрямоугольникKs -*-произв формаKs контур

Рисунок 4.9 Изменение количества элементов площади и элементов контура в каждом цикле (шаге) измерения для объектов с различными конфигурациями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена актуальная научно-техническая проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение и заключающаяся в повышении эффективности системы управления краскораспылителями с вынесенной подсистемой контроля координат контура окрашиваемых изделий за счет синтеза новых алгоритмов управления.

В процессе теоретического и экспериментального исследования на имитационной модели получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. На базе системного анализа объектов управления с ТРЗ выявлены недостатки алгоритмов управления и сформирован новый подход к синтезу алгоритмов управления исполнительными органами движущихся краскораспылителей, основанный на дифференциально-интегральном принципе создания полного алгоритма управления, включающего информационно связанные ММ определения координат контура движущегося объекта, ММ кодового канала ТРЗ и алгоритмы управления включением / отключением краскораспылителей в заданных точках контура.

2. Разработана ММ определения координат контура движущегося объекта, основанная на последовательном логическом умножении состояний соседних датчиков измерительной линейки с выделением номера, а затем и кода датчика, зафиксировавшего первым контур объекта покраски, и формирования запрета на остальные последующие датчики в каждом шаге измерения, причем оценка состояний датчиков для первой координаты контура осуществляется с одной стороны, а для второй координаты — со второй стороны измерительной линейки.

3. Разработана ММ канала кодового ТРЗ, представляющая собой память типа FIFO, входные данные которой есть коды первой и второй координат контура, изменяющиеся в каждом шаге перемещения объекта, а длина памяти есть расстояние от зоны измерения до зоны покраски, выраженное в количестве шагов перемещаемого объекта.

4. Разработаны алгоритм определения позиции нахождения краскораспылителей и алгоритм момента их включения / отключения, представляющие собой два взаимосвязанных графа состояний, построенные на основе теории конечных управляющих автоматов.

5. Предложена обобщенная модель оценки качества и принятия решений по эффективности СУ, учитывающая общие (системные) критерии оценки (устойчивость, функциональная надежность) и частные критерии оценки качества.

6. Аналитически определена устойчивость синтезированной СУ, а на разработанной имитационной модели получены значения функциональной надежности и ряд других параметров, позволяющих оценить эффективность СУ.

7. На имитационной модели на 100 объектах с различной конфигурацией получено 5562 и 1050 срабатываний ИО соответственно для аналога и синтезированной СУ, что говорит о значительном сокращении объёма управляющей информации.

8. Частота переключения ИО краскораспылителя сокращается в 16 раз, а длительность импульса переключения увеличивается в 12 раз, что говорит о более облегченном режиме работы ИО, приводящему к более равномерному нанесению краски в каждом цикле и повышению элементной надёжности электрической части ИО.

8. По синтезированным алгоритмам разработан способ управления краскораспылителем, защищенный патентом РФ на изобретение.

9. Произведена оценка общей эффективности системы управления краскораспылителями по предложенной модели и показано, что достижение целевой функции обеспечивается как с учетом системного критерия устойчивости, так и с учетом системного критерия функциональной надежности при заданных ограничениях на частные критерии качества.