Автоматизоване керування технологічним процесом хімічного фрезерування з використанням матричних вихрострумових перетворювачів

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorКуц, Юрій Васильович
dc.contributor.authorЛевченко, Олександр Едуардович
dc.date.accessioned2024-09-02T12:49:11Z
dc.date.available2024-09-02T12:49:11Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractЛевченко О. Е. Автоматизоване керування технологічним процесом хімічного фрезерування з використанням матричних вихрострумових перетворювачів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертація присвячена розробленню та дослідженню системи автоматизованого керування технологічним процесом хімічного фрезерування з використанням матричних вихрострумових перетворювачів. Сучасний етап розвитку промислового виробництва характеризується зростанням його інтенсивності разом з підвищенням вимог щодо якості продукції, раціонального використання матеріальних ресурсів та енергоефективності, зниженням собівартості продукція, а також використанням нових конструкційних матеріалів та технологій їх виготовлення, розширенням динамічних діапазонів технологічних змінних. Все це актуалізує процеси прискорення розвитку та удосконалення методів та засобів автоматизації виробничих технологічних процесів, пошуку більш досконалих технічних рішень для підтримання та оптимізації певних технологічних режимів. Успішне розв’язання актуальних питань автоматизації керування виробничими технологічними процесами потребує інтеграції новітніх досягнень в різних галузях знань – теорії автоматичного керування, інформаційновимірювальних технологій, комп’ютерної інженерії, технологій неруйнівного контролю та ін. Однією з відповідальних складових автоматизованих систем керування технологічними процесами (АСКТП) є засоби, що включаються у зворотній ланцюг системи автоматичного керування (САК) і здійснюють оцінювання регульованої величини, визначення її відхилення від заданого значення і формують сигнали керування на регулюючий орган. В даній роботі розроблено двоконтурну САК яка інтегрується в АСКТП хімічного фрезерування (ХФ) виробів з алюмінієвих сплавів. Для підтримки в певних межах швидкості процесу травлення застосовано контур керування температурою травника. Для визначення часу травлення застосовано другий контур керування, який забезпечує зупинку процесу травлення за результатами вимірювання поточних значень товщини виробу. В цьому контурі безконтактне визначення товщини виробу в процесі хімічного травлення відбувається на основі використання засобів вихрострумового контролю (ВСК). В роботі набула подальшого розвитку концепція інтеграції засобів ВСК у САК процесом ХФ. Зокрема розглянуто використання технології ВСК, особливість якої полягає у використанні вихрострумових матриць (ВСМ), що дає змогу контролювати процес травлення на значних поверхнях виробів, підвищити ефективність обробки, оптимізувати використання хімічних реагентів та енергії і в сукупності забезпечити високий рівень якості готової продукції. Розглянуто переваги технології ВСК для використання у якості методологічної основи в АСКТП ХФ. До їх числа належать: - можливість перетворення низки неелектричних параметрів об’єктів керування в електричні сигнали, що необхідно для використання в САК; - відсутність механічного контакту з об’єктом керування, що важливо при обробці тонкостінних виробів для запобігання їх деформації; - забезпечення вільного доступу травника до всієї поверхні виробу; - можливість роботи чутливих елементів в широкому динамічному діапазоні зміни технологічних параметрів (температури, концентрації розчинів, швидкості їх руху при перемішуванні тощо); - можливість перейти до керування технологічним параметром за результатами контролю товщини виробу, що змінюється в процесі травлення. Зазначено, що потенціал ВСК для використання в АСКТП ХФ до кінця не розкритий і не достатньо висвітлений у наукових публікаціях. Одним з перспективних напрямів створення засобів ВСК для АСКТП ХФ ґрунтується на використанні вихрострумових перетворювачів матричного типу. Основною перевагою застосування ВСМ є підвищення продуктивності та надійності контролю. Це досягається завдяки: скороченню часу аналізу об’єктів; оптимізації опрацювання інформаційних сигналів, що забезпечує високу чутливість і роздільну здатність визначення технологічних параметрів; адаптивної зміни параметрів сигналів збудження вихрових струмів для завдання необхідних режимів збору первинної вимірювальної інформації; застосуванню сучасних алгоритмів опрацювання даних, що дає змогу реалізувати одночасний контроль на значних ділянках поверхні виробів. Інформаційними параметри сигналів ВСМ при гармонічному збудженні є їх амплітуда, фазовий зсув відносно сигналу збудження. У засобах ВСК ці параметри зазвичай представляються на комплексній площині у виді годографів. Орієнтація на побудову та аналіз годографів сигналів ВСК створює певні труднощі для автоматизації процесу ВСК і його використання в системах керування технологічними процесами. Крім того інформаційні параметри сигналів ВСК часто виявляються чутливими до різних зовнішніх впливів, зокрема до шумів. Це обмежує можливості їх безпосереднього використання для формування керувальних впливів в АСКТП ХФ і обумовлює необхідність застосування методів статистичного опрацювання параметрів сигналів ВСМ. Таким чином, існує актуальна задача розроблення нових автоматизованих методів та засобів ВСК з матричними перетворювачами і створення на їх основі САК які застосовуються в АСКТП ХФ. Проведений попередній аналіз сигналів, які формуються у ВСМ під час взаємодії змінного електромагнітного поля з електропровідними об’єктами керування, дав змогу виявити невикористаний ресурс ВСК для застосування в АСКТП ХФ. В роботі проаналізовано останні публікації з питань автоматизації ВСК у промисловості, розроблено багатовимірну математичну модель сигналів ВСМ, яка включає можливість застосування дискретного перетворення Гільберта для комплексного аналізу сигналів. В роботі розглянуто структурно-логічну схему формування та опрацювання сигналів ВСМ. З’ясовано, що використання дискретного перетворення Гільберта в засобах ВСК у складі САК процесом ХФ дає змогу отримувати значні обсяги інформації про об’єкти керування, синхронно обчислювати амплітудну та фазову характеристики сигналів ВСМ і на цій основі розширити можливості формування керувальних впливів. Розроблена методологія опрацювання сигналів ВСМ дає можливість отримувати вибірки обвідної і фази сигналів ВСМ значних обсягів, що створює передумови для більш широкого використання статистичних методів їх опрацювання. Для підвищення ефективності аналізу сигналі ВСМ було запропоновано додатково застосовувати в моделі сигналів індикаторну функцію. Це дозволяє досліджувати сигнальні поля, сформовані в процесі ХФ на значних ділянках поверхні виробу, з оцінюванням їх просторово-часових характеристик. Дискретне перетворення Гільберта покладене в основу розробленої методики моделювання, опрацювання і аналізу інформативних параметрів сигналів ВСМ. Розроблене програмно-алгоритмічне забезпечення, яке реалізує запропоновану методику опрацювання даних, дає змогу визначати і оцінювати взаємозв'язки між характеристиками сигналу та керованими параметрами, які складно чи неможливо апріорі визначити в аналітичній формі. Розглянуто особливості технології прототипування для створення і модернізації засобів ВСК у складі САК процесом ХФ. В цілому ця технологія передбачає створення функціонуючої фізичної моделі продукту, яка є достатньо детальною, щоб продемонструвати його роботу, але не надто складною, щоб вимагати багато часу та ресурсів для її створення та налаштування. В роботі на базі програмно-апаратної платформи Red Pitaya розроблено прототип системи ВСК для використання в контурі визначення часу травлення САК процесом ХФ. Запропоновано архітектуру програмного забезпечення системи, яка включає в себе ряд алгоритмів для опрацювання та аналізу даних. Для використання в прототипі САК процесом ХФ розроблено та досліджено вихрострумовий перетворювач матричного типу з чутливими елементами у формі плоскої спіральній котушки, виготовлений за технологією друкованих плат. Проведені експериментальні дослідження з вихрострумовими датчиками матричного типу підтвердили високу продуктивність та ефективність технології ВСК на основі ВСМ та доцільність їх використання в АСКТП ХФ. Ефективність ВСM порівняно з традиційними вихрострумовими перетворювачами запропоновано оцінювати за допомогою коефіцієнта ефективності, який враховує зменшення часу контролю, збільшення вірогідності та чутливості контролю. В роботі також запропонована методика та алгоритм опрацювання сигналів ВСМ, які включають нормалізацію комплексних коефіцієнтів передачі каналів ВСМ, що дає змогу збільшити чутливість до зміни товщини виробу. В рамках наукового дослідження було створено прототип системи ВСК з використанням ВСМ. Прототип реалізує запропоновану методику опрацювання та інтерпретації даних, отриманих з ВСМ. Експериментальні випробування технології ВСК з використанням ВСМ на зразках з різними типами дефектів підтвердили її ефективність у контексті вихрострумової дефектоскопії. Обґрунтовано перспективи використання нейромережевих технологій, зокрема згорткових нейронних мереж, для синтезу САК, процес керування в якій базуються на технології ВСК. Використання штучних нейромереж за відсутності прямих зв’язків між характеристиками об’єкта керування та параметрами сигналів ВСМ може значно підвищити ефективність АСКТП.
dc.description.abstractotherLevchenko O. E. Automated control of the technological process for chemical milling using eddy current array probes. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in speciality 151 "Automation and computer-integrated technologies." - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The dissertation is devoted to the development of a regulator based on eddy current testing methods with eddy current array probes, focused on the use in automated process control systems (APCS). The modern stage of industrial production development is described by an increase in its intensity combined with higher requirements for product quality, rational use of material resources and energy efficiency, lower production costs, as well as the use of new construction materials and technologies for their manufacture, and the expansion of dynamic ranges of technological parameters. These factors accelerate the development and enhancement of methods and tools for automating production processes, and the development of more advanced technical solutions to maintain and optimize certain technological conditions. To successfully resolve actual issues of automation of industrial technological processes requires the integration of the latest achievements in various fields of knowledge, such as automatic control theory, information and measurement technologies, computer engineering, non-destructive testing technologies, etc. One of the most important components of automated process control systems (APCS) is the tools that are included in the control system's feedback loop and evaluate the regulated value, determine its deviation from the set value and generate control signals to the regulatory unit. In this paper, a two-circuit automatic control system for chemical milling (CM) of aluminium alloy products was developed. To maintain the etching process speed within certain limits, a pickle temperature control loop is used. To determine the pickling time, a second control loop is used to stop the pickling process based on the results of measuring the current thickness of the product. In this loop, the non-contact determination of the product thickness in the chemical pickling process is based on the use of ECT. In this paper, the concept of integrating ECA tools into the APSC is further developed. In particular, we consider the use of ECA technology, the characteristic feature of which is the use of eddy current arrays, which makes it possible to control the etching process on large surfaces of products, increase processing efficiency, optimise the use of chemicals and energy, and, in general, ensure a high level of quality of finished products. Eddy current testing technology has a range of advantages for use as a methodological basis in chemical milling APCS. These include - the ability to convert a number of non-electrical parameters of control objects into electrical signals suitable for use in the control system; - absence of mechanical contact with the control object, which is important when processing thin-walled products to prevent deformation; - provide the pickler with free access to the entire surface of the product; - the ability to operate sensitive elements in a wide dynamic range of changes in technological parameters (temperature, concentration of solutions, speed of their movement during mixing, etc;) - the ability to control a technological parameter by measuring the output parameter of the control object, namely its thickness, which changes during the etching process. However, the potential of ECT for use in APCS has not been fully revealed and is not sufficiently described in scientific publications. One of the perspective directions of creating ECT devices is based on the use of eddy current array probes. The main advantage of using eddy current array (ECA) probes to create APCS regulators and, in general, for use in ECT is to increase testing performance and the ability to analyze control and testing objects in more detail. This is achieved due to: reducing the time for testing objects; optimization of information signals processing, which provides high sensitivity and high resolution of determination of technological parameters; adaptive change of parameters of eddy current excitation signals to set the required modes of primary measurement data collection; application of modern data processing algorithms, which makes it possible to implement simultaneous testing on large areas of the surface of the controlled object. The information parameters of the ECA signals under harmonic excitation are their amplitude, phase shift relative to the excitation signal, and frequency. In ECT tools, these parameters are usually represented on the complex plane in the form of hodographs. The focus on the construction and analysis of hodographs of ECT signals creates certain difficulties for the automation of the ECT process and its use in process control systems. In addition, the information parameters of ECT signals are often sensitive to various external influences, including noise. This limits the possibilities of their direct use for the formation of control influences in the APCS control system and necessitates the use of methods of statistical processing of the parameters of the ECA signals.Therefore, there is an actual task of developing new automated methods and tools of ECT with ECA probes to create APCS on their base. Thus, there is an important task of developing new automated techniques and tools for ECT with eddy current arrays and creating an automatic control systems. A preliminary analysis of the signals generated in ECA probes during the interaction between an alternating electromagnetic field and electrically conductive objects made it possible to identify an unused resource of ECT for use in automated process control systems. The work analyzes the latest publications on the automation of ETC in industry, considers the concept of including automated ECT subsystems in the automated process control system, and develops a multidimensional mathematical model of ECA signals, which includes the possibility of using the discrete Hilbert transform (DHT) for complex signal analysis in static and dynamic modes of operation. The paper considers the structural and logical diagram of the forming and processing of ECA signals. It has been found that the use of DHT in automated control systems based on ECT makes it possible to obtain larger quantities of information about control objects in digital form, to synchronously calculate the amplitude and phase characteristics of the ECT signal and, on this basis, to expand the possibilities of forming input signals for control devices. The features of the prototyping technology for the development and updating of ECT tools as part of process regulators are considered. In general, this technology implies the creation of a functioning physical model of the product that is detailed enough to demonstrate how the product works, but not too complex to require a lot of time and resources to create and set up. In this work, a prototype of an automated ECT system for use in the automatic control system of the chemical milling was developed on the basis of the Red Pitaya hardware and software platform. This system makes it possible to effectively respond to material heterogeneities and generate process control signals. The architecture of the system software is proposed, which includes a number of algorithms for data processing and analysis. An ECA probes with sensor element in the form of a flat spiral coil, manufactured using printed circuit board technology, was developed for use in the prototype automated ECT system. This design ensures high sensitivity and reliability of detecting material structure inhomogeneities. The paper also suggests a methodology and algorithm for processing ECA signals, which includes the normalization of the complex transfer coefficients of ECA channels, which makes it possible to increase the sensitivity to various technological parameters of controlled object in APCS. Experimental studies with ECA probes have confirmed the high performance and efficiency of the ECT technology based on ECA and the viability of their use in APCS. The effectiveness of ECA in comparison with traditional eddy current probes has been proposed to be evaluated using the efficiency coefficient, which takes into account the reduction of testing time, increase in testing reliability and sensitivity. As part of the research, a prototype of the ECT system using ECA was created. The prototype implements the proposed methodology for processing and interpreting the data obtained from the ECA probes. Experimental tests of the ECT technology using the ECA on samples with various types of defects confirmed its effectiveness in the context of eddy current flaw detection. The paper also proposes a methodology and algorithm for processing the ECA signals, which include the normalization of the complex transmission coefficients of the ECA channels, which makes it possible to increase the sensitivity to changes in the thickness of the product. Prospects for the use of neural network technologies, in particular convolutional neural networks, for the synthesis of automatic control systems, the control process in which is based on the ECT technology, are substantiated. The use of artificial neural networks in the absence of direct links between the characteristics of the control object and the parameters of the ECA signals can significantly increase the efficiency of the APCS.
dc.format.extent190 с.
dc.identifier.citationЛевченко, О. Е. Автоматизоване керування технологічним процесом хімічного фрезерування з використанням матричних вихрострумових перетворювачів : дис. … д-ра філософії : 151 Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / Левченко Олександр Едуардович. – Київ, 2024. – 190 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/68658
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectсистема керування
dc.subjectхімічне фрезерування
dc.subjectвихрострумові перетворювачі
dc.subjectвихрострумова матриця
dc.subjectнеруйнівний контроль
dc.subjectвихрострумовий контроль
dc.subjectвихрові струми
dc.subjectстатистичні характеристики
dc.subjectобробка сигналів
dc.subjectнейронні мережі
dc.subjectcontrol system
dc.subjectchemical milling
dc.subjecteddy current transducers
dc.subjecteddy current array probes
dc.subjectnon-destructive testing
dc.subjecteddy current testing
dc.subjecteddy currents
dc.subjectstatistical characteristics
dc.subjectsignal processing
dc.subjectneural networks
dc.subject.udc62-5:621.7:621.317.3
dc.titleАвтоматизоване керування технологічним процесом хімічного фрезерування з використанням матричних вихрострумових перетворювачів
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Levchenko_dys.pdf
Розмір:
11.58 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (АСНК)
Дисертації (вільний доступ)