Интегрированное интеллектуальное управление мехатронными станочными модулями

А.Г. Лютов,
канд. техн. наук, доцент,
г. Уфа

Успешное решение многоуровневых и многофункциональных задач управления такими сложными процессами, какими являются процессы механообработки, особенно в авиационной и аэрокосмической промышленности, зависит от тщательной проработки целого комплекса вопросов, связанных с созданием высокоэффективных систем управления  (СУ) мехатронными станочными модулями (МСМ), системами и комплексами, начиная с физических основ контроля и управления тем или иным технологическим процессом и кончая технической реализацией самих систем [1]. Современные станочные системы в своем развитии являются мехатронными. Управляемая механика (движение исполнительных органов машин, процессы механообработки) сочетается с  электронными устройствами управления, оптимальное управление технологическим процессом формируется компьютерными системами. Ориентация  машиностроения на безлюдные технологии, «умное производство», предполагает логичное развитие СУ МСМ в направлении повышения  степени их интеллектуальности, а расширенные возможности современной микропроцессорной техники являются той  базой, которая необходима для качественного изменения функциональных возможностей СУ МСМ. Мехатронная станочная система в условиях специфики процессов механообработки должна обладать высокими интеллектуальными свойствами при изменении внешних и внутренних условий функционирования. Взаимосвязанное решение указанных задач управления МСМ с использованием общего информационного пространства, алгоритмического, программного, технического и других видов обеспечения приводит к необходимости создания интегрированных интеллектуальных СУ МСМ.

Проблемы создания СУ МСМ в области механообработки обусловлены сложностью процесса резания как обьекта управления - его стохастичностью, нелинейностью, нестационарностью, многорежимностью, малым обьемом априорной информации о его внутренних и внешних связях. Известно, что основными физическими величинами, характеризующими протекание ПР являются силовые координаты и температура резания. Исследования, проводимые на кафедре «Автоматизированные технологические системы» УГАТУ в течении более 30 лет, позволили теоретически обосновать и практически подтвердить возможность формирования требуемых технико-эксплуатационных показателей качества обрабатываемых деталей за счет оптимального управления температурой и силой резания в зоне обработки. Разработанные на базе этих исследований СУ температурно-силовым режимом металлообработки прошли многолетний опыт эксплуатации в промышленности и создали основу для  анализа и дальнейшего развития этих систем.

Эффективное управление МСМ требует прежде всего полностью управляемого технологического процесса. Последний вместе со станком, его датчиками и приводами, образует нижний (основной) уровень в иерархической СУ МСМ. Важность автоматизации этого уровня обусловлена тем, что основной поток силовой энергии  и информации проходит через него. В этой связи, вопросы оптимизации и адаптации подсистем нижнего уровня - как основы иерархической интеллектуальной СУ и наиболее приближенных к управляемому процессу, играют решающую роль.

Применение адаптивных СУ позволяет оптимизировать процесс обработки в соответствии с требуемыми (в зависимости от режима) критериями эффективности в условиях существенного воздействия возмущений. Тесная взаимосвязь вопросов оптимизации и адаптации очевидна: имеет смысл адаптация лишь оптимально настроенной системы, а любая априорная оптимизация неэффективна, если объект меняет свои свойства в процессе функционирования. Необходимость комплексного решения этих вопросов лежит в русле современной концепции совмещенного синтеза - синтеза оптимальных управлений в реальном времени в процессе функционирования системы. В этих условиях весьма актуальной проблемой при управлении процессами механообработки является вычислительная эффективность используемых алгоритмов, поскольку обычной ситуацией является ограниченность вычислительных ресурсов как в автономном, так и в неавтономном (встраиваемом) варианте реализации СУ.

В тоже время вопросы оптимизации замкнутых СУ, содержащих в качестве структурного элемента процесс резания, не получили достаточно глубокого развития, что очевидно связано со спецификой развития теории автоматического управления и теории резания металлов, круг вопросов которых «не пересекался» до разработки СУ, предназначенных для эксплуатации в широком технологическом диапазоне.

При этом одной из наиболее существенных проблем при построении высококачественных СУ МСМ является неопределенность характеристик управляемого объекта внешних воздействий, т.е. неполнота априорной и текущей информации об этих характеристиках [2], обусловленная такими факторами, как нестабильность свойств инструмента и заготовки, изменение режимов работы и износ оборудования и т.д.. Существующие методы построения систем управления МСМ не позволяют добиться требуемого качества и надежности их работы или решают это лишь частично. Нерешенные вопросы синтеза в условиях неопределенности приводят к возрастанию затрат и сроков на проектирование СУ МСМ существенному снижению их эффективности на этапе эксплуатации. Проблемой при использовании методов оптимального синтеза для СУ МСМ являются трудности, связанные с выбором критерия качества и построением минимизируемого функционала с учетом фактора неопределенности, учетом ограничений, а также с относительной сложностью самих методик оптимизации. Существует необходимость разработки подходов к оптимизации СУ, которые бы упрощали задачу выбора функционала качества для конкретного класса объектов (например, процессов механообработки) в условиях неопределенности. Другим направлением является работа над методиками оптимизации с целью сделать их более формализуемыми, автоматизируемыми и пригодными для процедур совмещенного синтеза.

Специально для решения задач оптимизации в процессе функционирования МСМ разработан метод линеаризованной функциональной подстановки [2]. Согласно этому методу критерий качества формируется на основе функционалов, в которых ограничения свойств выходной координаты системы вводятся не как аддитивная, а как мультипликативная функция затрат. Получены аналитические выражения для приближенных вычислений данных функционалов применительно к линеаризованным системам. Разработаны методики структурной и параметрической оптимизации, которые позволяют существенно упростить процедуру синтеза СУ МСМ и одновременно улучшить характеристики проектируемой системы. Разработан также алгоритм решения задачи синтеза оптимальной СУ МСМ, учитывающий полноту и сложность моделей процесса резания, возможности предлагаемых методик оптимизации и особенности требований к конечным результатам.

В отношении требований к алгоритмам адаптации оптимальной СУ анализ выявил необходимость применения методов прямой адаптации, которые не включают в себя этап идентификации. Здесь перспективной является  адаптация в классе беспоисковых самонастраивающихся систем с использованием разработанных подходов к оптимизации динамических систем в реальном времени.

Успешное решение вопросов оптимизации и адаптации систем нижнего уровня  имеет как важное самостоятельное значение, так и создает благоприятные условия для решения задач управления технологическим процессом на более высоких уровнях иерархической системы: уровнях нечетких автоматов, лингвистических организаторов и т.д., которые осуществляют поэтапную конкретизацию команд управления.

Отличительной чертой развития СУ технологическими процессами и машинами на современном этапе является повышение степени их интеллектуальности. Накопление неразрешимых и трудноразрешимых  в рамках классической теории управления проблем стимулирует интенсивное внедрение и развитие идей, методов искусственного интеллекта для управления сложными техническими объектами и системами, какими являются технологические процессы механообработки. Здесь целесообразны методы ситуационного управления, экспертные системы, нечеткая логика, нейронные сети, наследственные (генетические) алгоритмы и т.д., позволяющие принимать решения в условиях существенной неопределенности. Особенно эффективно сочетание классических подходов к проектированию СУ технологическими процессами с подходами на основе методов и алгоритмов искусственного интеллекта [3].

В тоже время решение задач такими  сложными процессами, какими являются процессы механообработки, возможно лишь при применении многоуровневых иерархических систем. Один из вариантов интеллектуальной  СУ технологическим процессом механообработки подразумевает трехуровневую структуру. К задачам нижнего (I) уровня управления относятся задачи адаптивной стабилизации и  слежения основных выходных координат процесса резания - температурных и силовых. Данный уровень наиболее приближен к управляемому процессу, его датчикам и исполнительным механизмам. Точность (четкость) команд управления здесь наибольшая во всей системе. Основными методами управления при этом являются традиционные методы оптимального и адаптивного управления. На  среднем  (II) уровне управления  осуществляется определение и назначение задающих воздействий (уставок) и ограничений  для  I уровня (уставок силы, температуры,  интенсивности износа и т.д.). Алгоритмы управления здесь строятся на основе нечеткой логики с широким использованием экспертной информации. На этом уровне происходит координация управления подсистемами нижнего уровня, осуществляются процессы обучения и самообучения. На верхнем (III) уровне производится определение видов обработки, прогноз управления, алгоритмов выхода из аварийных ситуаций, и др. Данный  уровень является организующим в интеллектуальном управлении. Здесь происходит преобразование сложных качественных (но неточных) команд в последовательность более детальных и более конкретных распоряжений для второго уровня системы. Естественным аппаратом для обработки такой информации являются лингвистические методы.

Очевидно, что алгоритмы управления вторым и третьим уровнем должны разрабатываться с использованием средств и методов искусственного интеллекта. Однако не исключено их использование и при разработке подсистем первого уровня. По мере перехода от нижнего уровня к верхнему, растет степень интеллектуальности принимаемых решений и уменьшается точность задания команд управления.

Таким образом, предложена методология решения проблемы оптимизации и повышения эффективности интегрированных интеллектуальных СУ МСМ в условиях неопределенности, основанная на учете фактора неопределенности на стадии проектирования и синтезе оптимальных алгоритмов управления в процессе функционирования системы для каждого из уровней ее организации. Полученные с применением данного подхода результаты в совокупности дают решение с системных позиций проблемы оптимизации, адаптации и координации рассматриваемого класса СУ и позволяют существенно повысить эффективность процесса проектирования и управления МСМ, что, способствует повышению технико-экономических характеристик используемого оборудования,   эксплуатационных характеристик изделий механообрабатывающего производства и эффективность и конкурентоспособность машиностроительного производства в целом.

Литература

1.     Зориктуев В.Ц., Лютов А.Г. Системы управления технологическими процессами механообработки / С.Петербург, Инструмент, № 11, 1998, c 21-22.

2.     Зориктуев В.Ц., Лютов А.Г. Управление процессами механообработки деталей авиационных двигателей в условиях неопределенности. – М.: Изд–во МАИ, 2003. – 120 с.

3.     Лютов А.Г. Синтез нейросетевых алгоритмов параметрического управления в условиях интервальной неопределенности // Нейрокомпьютеры. - 2004, № 9. – 17-22.