Синтез систем управления гибкими производственными системами на основе имитационных экстраполирующих моделей

Основной тенденцией развития современного промышленного производства в машиностроении является высокая степень автоматизации и роботизации производственных систем, дублирование и мажорирование блоков и устройств, использование микропроцессорных систем.

С внедрением в производство автоматизированных технологических процессов все шире применяются станки с программным управлением, промышленные роботы, гибкие производственные системы (ГПС). Создание и использование ГПС в промышленности вызвано расширением номенклатуры выпускаемых изделий, сокращением циклов обновления продукции и ростом мелкосерийного и серийного производства (в машиностроении до 80% всей выпускаемой продукции).

Таким образом, ГПС призваны интенсифицировать производство мелкосерийной многономенклатурной продукции и придать ему характер массового по производительности и использованию оборудования. Работы, выполненные Схиртладзе, Полетаевым, Норенковым и другими авторами позволили создать достаточно четкую картину использования ГПС в современной промышленности.

Создание современных гибких производственных систем, а также систем их функциональной диагностики невозможно без чёткого обеспечения выполнения технологического процесса (ТП), то есть без создания современных систем управления ГПС. Проектирование и создание современных систем управления ГПС было, есть и будет всегда актуальной, жизненно важной задачей.

Структура ГПС имеет явно выраженную иерархию, поэтому при построении систем управления с такой структурой взаимодействие подсистем осуществляется через центральную управляющую ЭВМ. Сложность построения систем управления ГПС значительно возрастает, если учитывать параллелизм в работе подсистем. Используемые в настоящее время системы управления ГПС (СУ ГПС) не позволяют работать с параллельно-функционирующими компонентами, используя вместо этого псевдопараллелизм, основанный на скоростях современных ЭВМ.

В диссертационной работе рассматривается перспективное направление разработки систем управления гибких производственных систем (ГПС), которое позволяет путем использования имитационного моделирования и теории графов управлять как системой в целом, так и ее отдельными компонентами (как физическими, так и информационными). При этом с увеличением числа компонентов системы увеличивается и объем обрабатываемой информации, причем не столько количественно, сколько качественно.

Разработанная модель системы управления ГПС позволяет разработчику получать полное описание системы и осуществлять контроль над технологическими процессами. Контроль становится более полным как во времени, так и в пространстве.

Целью работы является разработка принципов построения СУ ГПС на основе имитационной модели, встраиваемой в контур СУ, методом экстраполяции путем представления компонентов ГПС в виде последовательно-параллельного взаимодействия.

При реализации поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработан математический аппарат для построения формального описания функционирования системы управления ГПС с параллельно функционирующими компонентами.

2. Разработаны метод и алгоритмы анализа ГПС как объекта с параллельно функционирующими компонентами.

3. Разработана имитационная экстраполирующая модель СУ ГПС, которая содержит информацию об имеющих место параллельно функционирующих компонентах системы.

4. Разработана блок-схема СУ ГПС на основе имитационной экстраполирующей модели.

Научная новизна работы определяется разработкой и реализацией новых подходов к решению проблем создания систем управления ГПС и заключается в следующем:

— дано математическое представление системы управления ГПС в виде параллельно функционирующих компонентов, каждый из которых может быть описан графом Бержа;

— предложен способ задания графа, описывающего функционирование компонентов ГПС, с помощью матрицы инцидентора, позволяющей исключить изоморфизм при проведении операций над графами, что исключает неоднозначность принимаемых решений в процессе управления ГПС;

— разработаны методы анализа и синтеза формального описания функционирования системы управления ГПС путем выделения компонентов объекта, осуществляющего ТП, выделения технологии их взаимодействия и на ее базе построения операции композиции;

— разработаны принципы построения системы управления ГПС на основе имитационной экстраполирующей модели, позволяющей проектировать системы управления ГПС различных уровней сложности, эффективно функционирующих при широком диапазоне изменения параметров ГПС.

Практическая ценность заключается в следующем:

— разработана методика для проектирования систем управления ГПС на основе экстраполирующих моделей, дающая возможность контроля и диагностирования всего объекта в целом, а не отдельных блоков (параметров) — *.

— разработаны алгоритмы для построения имитационной экстраполирующей модели системы управления ГПС и на их базе создана программа, позволяющая уменьшить время принятия решений в процессе управления;

— разработана блок-схема системы управления ГПС на основе имитационной экстраполирующей модели, которая может быть использована одновременно как для контроля, так и для диагностики объекта.

Реализация результатов работы. Результаты исследования используются в учебном процессе на кафедре «Металлорежущие станки и инструменты» ВолгГТУ по направлению 657 800 (151 000) — «Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств» и специальностям 151 002.65 — «Металлорежущие станки и комплексы» и 151 003.65 — «Инструментальные системы Машиностроительных производств. Материалы диссертационной работы были использованы при подготовке бакалавров по специальности 2 202 000 -«Автоматизация и управление» на кафедре «Автоматизация производственных процессов» ВолгГТУ. Разработанная в диссертационной работе методика проектирования системы управления ГПС была рассмотрена специалистами ОАО «ВНИИТМАШ» и признана целесообразной для применения при разработке системы управления ГПС по изготовлению пружин.

Достоверность результатов исследования обусловлена строгой аналитической аргументацией теории множеств, теории графов, логики предикатов, выполненной на ЭВМ программой в среде программирования «Delphi» на основе методов имитационного моделирования.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Метод формального описания функционирования системы управления ГПС, как объекта с параллельно функционирующими компонентами.

2. Разработка имитационной модели системы управления ГПС в виде композиции графов с использованием метода экстраполяции.

3. Метод и алгоритмы анализа системы управления ГПС как объекта с параллельно функционирующими компонентами.

4. Метод и алгоритм синтеза системы управления ГПС как объекта с параллельно функционирующими компонентами с использованием экстраполирующей модели.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры «Вычислительная техника» ВолгГТУ (2008;2009гг.), на 43-й научной конференции ВолгГТУ (2006г), на IV и V Международной технической конференции «Балттехмаш» (2004г. и 2006 г.), на Второй Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбере-жение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (2008г.).

Личный вклад автора заключается в проведении следующих этапов:

1. Разработана методика и алгоритмы построения модели СУГПСв виде композиции графов, описывающих компоненты системы.

2. Разработана методика и алгоритмы задания операции композиции в виде таблиц совместимости, как части технологического процесса ГПС.

3. Показана возможность получения на той же модели обратных причинно-следственных связей, позволяет определить процесс диагностирования причин возникновения сбоев и аварий.

4. Разработано программное обеспечение построения экстраполирующей модели СУ ГПС, в которую введен алгоритм коррекции, позволяющий вносить коррективы в работу модели.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ в виде научных статей, 3 из которых входят в список ВАК, и одно учебное пособие. Список работ приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложений, содержит 58 рисунков. Общий объем диссертации 147 стр. Список используемой литературы содержит 92 наименования.

выводы.

В результате проведенных исследований по разработке и построению СУ ГПС с использованием имитационной экстраполирующей модели в виде композиции графов компонентов ГПС получены следующие результаты:

1. Проведенный анализ существующих в настоящее время СУ ГПС показывает, что для повышения качества управления систем с большим числом параллельно функционирующих многокритериальных агрегатно-функциональных компонентов целесообразно использовать включенную в контур управления имитационную экстраполирующую модель.

2. Показана возможность построения формального описания — основы построения имитационной экстраполирующей модели СУ ГПС, для чего введено понятие матрицы инцидентора графа, показаны преимущества её использования, разработана операция композиции над описывающими компоненты ГПС графами, представляемыми матрицей инцидентора.

3. Разработаны алгоритмы пошаговой экстраполяции с использованием формального описания, позволяющие строить модель СУ ГПС, которая содержит информацию как о функционировании каждого компонента системы, так и системы в целом.

4. Структура разработанной имитационной модели СУ ГПС позволяет в процессе проектирования прогнозировать действия системы на несколько шагов вперед, что позволяет определять оптимальные пути достижения конечной цели. Кроме того, имеется возможность получения на той же модели обратных причинно-следственных связей, что позволяет проводить процесс диагностирования причин возникновения сбоев и аварий на ГТС.

5. Показана возможность дальнейшего совершенствования разработанной модели СУ ГПС путем внесения корректив в уже существующие компоненты, добавления новых компонентов, разрешения новых и удаления ненужных состояний и путей перехода между ними изменением таблиц совместимости, определяющих операцию композиции.

6. Разработана и реализована в среде «Delphi» программа, в которую введен алгоритм коррекции, позволяющий вносить коррективы в работу модели СУ ГПС, показаны состояния, в которых необходимо проводить измерения параметров ГПС.

7. Разработана модель системы управления ГПС, которая позволяет получить необходимые данные из любой узловой точки, причем количество узловых точек, с которых в настоящий момент снимается информация, ничем не ограничено, и этот процесс происходит в любой момент времени функционирования системы. Кроме того, данная система позволяет снизить временные и финансовые затраты на проектирование систем управления ГПСзначительно снизить вероятность отказов ГПС, тем самым повысив эффективность процессов производства в машиностроении.