Куц, Юрій ВасильовичЛевченко, Олександр Едуардович2024-09-022024-09-022024Левченко, 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.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/68658Левченко 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.190 с.ukсистема керуванняхімічне фрезеруваннявихрострумові перетворювачівихрострумова матрицянеруйнівний контрольвихрострумовий контрольвихрові струмистатистичні характеристикиобробка сигналівнейронні мережіcontrol systemchemical millingeddy current transducerseddy current array probesnon-destructive testingeddy current testingeddy currentsstatistical characteristicssignal processingneural networksThesis Doctoral62-5:621.7:621.317.3