Введение к работе
Актуальность темы. Современные гидравлические приводы – сложные мехатронные устройства на базе гидравлических исполнительных механизмов, пропорциональных электромагнитов (ПЭ) и электронных систем управления, причем, именно параметры ПЭ определяют точность и быстродействие привода в целом.
Возрастающие требования к точности, быстродействию, миниатюризации и энергоэффективности ПЭ требуют постоянного совершенствования технологического процесса производства. Перспективным направлением обеспечения высокого уровня выхода кондиционных изделий является создание систем управления процессом производства на базе устройств экспресс-контроля, позволяющих на ранних стадиях выявлять тенденции нарушений технологического процесса изготовления не только всего изделия, но и составляющих его деталей.
ГОСТ 19264-82 определяет анализируемые при приемо-сдаточных испытаниях характеристики электромагнитов управления, к которым относятся и ПЭ, однако данные характеристики не являются достаточно информативными для управления технологическим процессом, и их определение в процессе производства трудоемко.Нарушение режимов технологического процесса наиболее явно проявляется в изменении значений электротехнических параметров деталей ПЭ. Известные методы определения таких параметров требуют применения специальных сенсоров, поэтому не могут быть реализованы при испытаниях готовых изделий. Необходим новый подход к получению измерительной информации о нарушении технологического процесса производства ПЭ, позволяющий свести к минимуму объем натурных испытаний и использовать современные возможности моделирования и обработки информации.
Таким образом, актуальной проблемой является повышение эффективности систем управления производством ПЭ, решение которой достигается путем разработки метода и устройства экспресс-контроля электротехнических параметров, позволяющих оперативно получать измерительную информацию, необходимую и достаточную для своевременного принятия решения о корректировке технологических операций процесса производства ПЭ.
Работы по данной тематике ведутся российскими и зарубежными учеными. В работах таких авторов как Гордон А.В., Сливинская А.Г., Ковалев О.Ф. показана связь большинства характеристик электромагнитов с динамической характеристикой намагничивания (ДХН). В работах зарубежных авторов E. Kallenbach, M. Ruderman показано как влияют различные отклонения электротехнических параметров ПЭ на форму ДХН. В работах авторов Горбатенко Н.И., Гречихин В.В. разработан и исследован метод натурно-модельных испытаний
применительно к задаче определения магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Динамическая характеристика намагничивания может быть получена путем использования в качестве первичного измерительного преобразователя рабочей обмотки ПЭ. Предлагается проводить экспресс-контроль ПЭ по электротехническим параметрам, полученным в результате анализа ДХН.
Актуальность работы подтверждается ее соответствием приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика» и перечню критических технологий (утвержденным указом Президента РФ № 899 от 07.07.11 г.), а также стратегии научно-технологического развития Российской Федерации по направлению: «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта» (утвержденной указом Президента РФ № 642 от 01.12.16 г.). Работа выполнялась в рамках научного направления Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова «Теория и методы построения устройств и систем управления, контроля и диагностики» (утвержденного решением ученого совета университета от 28.09.2011 г . ) ; проекта № 2.7193.2017/8.9 «Разработка научных основ проектирования, идентификации и диагностики систем высокоточного позиционирования с применением методологии обратных задач электротехники» выполняемого в рамках базовой части государственного задания; проекта № 1.2690.2014/K «Методы решения обратных задач диагностики сложных систем (в технике и медицине) на основе натурно-модельного эксперимента», выполняемого в рамках проектной части государственного задания, а также с использованием оборудования центра коллективного пользования "Диагностика и энергоэффективное электрооборудование ЮРГПУ (НПИ)".
Следует отметить и многолетнее международное творческое сотрудничество двух научных школ Технического университета Ильменау (Ге рм а н и я ) и ЮРГПУ(НПИ), в рамках которого и выполнялась эта диссертационная работа.
Объектом исследования является система управления технологическим процессом (ТП) производства ПЭ.
Предметом исследования является принципиально новый элемент системы управления, представляющий собой устройство экспресс-контроля ПЭ в процессе их производства.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода и устройства экспресс-ко н т р ол я эл е к т р отех н и ч е с ки х п а р а м е т р о в
пропорциональных электромагнитов, позволяющих оперативно получать измерительную информацию, необходимую для эффективного управления их производством.
Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решены следующие основные задачи:
разработка научных основ экспресс-контроля электротехнических параметров для систем управления производством ПЭ;
разработка нового способа измерения ДХН ПЭ, позволяющего повысить точность определения электротехнических параметров;
разработка методики выявления изделий, ДХН которых содержит информацию, необходимую для выработки управляющих воздействий на технологическое оборудование;
построение математической модели, связывающей ДХН с электротехническими параметрами деталей ПЭ;
разработка устройства экспресс-контроля электротехнических параметров для систем управления производством ПЭ.
Научной новизной обладают следующие результаты работы: 1.Метод экспресс-контроля электротехнических параметров, который в отличие от известных, основан на измерении, проецировании и анализе динамических характеристик намагничивания ПЭ путем комплексного использования методов снижения размерности измерительной информации, классификации и построения регрессионной модели на латентных структурах, что позволяет с высоким быстродействием и малыми аппаратными затратами получать достоверную информацию о нарушениях технологического процесса.
-
Новый способ измерения динамической характеристики намагничивания электротехнических изделий, основанный на натурно-модельном эксперименте, позволяющий получить результат измерения в виде аппроксимирующего выражения, что повышает точность определения электротехнических параметров.
-
Методика снижения размерности динамической характеристики намагничивания ПЭ, основанная на проецировании исходных данных в пространство главных компонент меньшей размерности без потери значимой информации.
-
Методика выявления изделий, динамическая характеристика намагничивания которых содержит информацию, необходимую для выработки управляющих воздействий на технологическое оборудование.
-
Регрессионная модель на латентных структурах, связывающая ДХН в пространстве главных компонент и электротехнические параметры ПЭ.
Практическая значимость результатов диссертации. Разработано, исследовано и внедрено устройство экспресс-контроля электротехнических параметров ПЭ, реализующее разработанный метод и предназначенное для применения в составе системы управления производством пропорциональных электромагнитов. У с т р о й с т в о позволяет определить степень отклонений значений электротехнических параметров выпускаемых ПЭ от заданных, что дает возможность эффективного управления процессом производства, обеспечивающего повышение выхода качественных изделий.
Результаты диссертационной работы используются: на предприятии АО «Шахтинский завод Гидропривод» при управлении производством со-временных гидроприводов; в учебном процессе ЮРГПУ (НПИ) при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Приборостроение»; а так же при выполнении проекта по теме № 2.7193.2017/8.9 «Разработка научных основ проектирования, идентификации и диагностики систем высокоточного позиционирования с применением методологии обратных задач электротехники», выполняемого в рамках базовой части государственного задания.
Методы исследования и достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается применением: методов натурно-модельного эксперимента, гармонического баланса, главных компонент, классификации, оптимизации; теории измерений, математической статистики, математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ LabVIEW, MicroCap и Statistica; хорошим согласованием теоретических положений с результатами экспериментальных исследований; корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании и при разработке устройства; использованием метрологически аттестованного оборудования при проведении экспериментальных исследований разработанного устройства; критическим обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами в области магнитоизмерительной техники и систем управления.
Основные положения, выносимые на защиту:
метод экспресс-контроля электротехнических параметров для систем управления производством ПЭ, основанный на измерении, преобразовании и анализе ДХН путем комплексного использования методов проецирования, классификации и моделирования;
способ измерения ДХН электротехнических изделий на основе натурно-модельного эксперимента;
методика снижения размерности ДХН ПЭ, основанная на проецировании исходных данных в пространство главных компонент;
методика выявления изделий, ДХН которых содержит информацию, необходимую для выработки управляющих воздействий на технологическое оборудование ТП;
регрессионная модель на латентных структурах, связывающая ДХН в пространстве главных компонент и электротехнические параметры деталей ПЭ;
принцип действия, структура, электрические схемы и программное обеспечение устройства контроля электротехнических параметров для систем управления производством ПЭ.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Международной научной конференции по проблемам управления в технических системах CTS'2017 (г. Санкт-Петербург, 2017 г.), Международной научно-практической конференции The Second International Conference on Eurasian scientific development (Vienna, Austria 2014 г . ) , Международных научно-практических ко н ф е р е н ц и ях Пром-Инжиниринг (г. Челябинск, 2015 г . , 2016 г . ) , Международной научно-практической конференции «Инженерные и научные приложения на базе технологий NI (NIDays)» (г. Москва, 2015 г.), Международной научно-техниче ской конференции «Т е х н о л о г iя-2013» (г. Северодонецьк, 2013 г . ) , а также на научных семинарах кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии» ЮРГПУ (НПИ).
Реализация и внедрение результатов работы. Практические и теоретические результаты работы внедрены:
на предприятии АО «Шахтинский завод Гидропривод»;
в учебном процессе на кафедре «Информационные и измерительные системы и технологии» ЮРГПУ (НПИ).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, в том числе 3 публикации в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень рекомендуемых ВАК, 6 публикаций в изданиях, входящих в базу цитирований Scopus, 1 статья, опубликованная в издании, входящем в базу цитирований We b o f S c i e n c e , 2 патента РФ на изобретения и 2 свидетельства о регистрации программного продукта.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, библиографический список из 86 наименований и приложения. Общий объем, включая приложения, составляет 168 страниц машинописного текста и содержит 82 иллюстрации.