Системный подход в проектировании ТП

Рассмотрение ТП как сложной системы приводит к необходимости введения формального понятия сложной схемы ТП.

Под сложной схемой ТП понимают совокупность блоков, каждый из которых описывается соответствующим соотношением (алгебраическим, дифференциальным, интегральным, рекурентным, логическим и т.д.) с указанием связи, существующих между блоками.

Уравнения связей между блоками задают топологическую связь сложной схемы (формальное описание способа соединения друг с другом блоков схемы) – формальный аналог ТП, представленного сложной схемой.

Блок сложной схемы ТП соответствует отдельному агрегату, операции, переходу и т.д. В отдельных случаях может состоять из нескольких агрегатов как дискретного, непрерывного, так и дискретно – непрерывного типа.

При рассмотрении ТП как сложной схемы удобно свести разделение переменных на фазовые и управляемые.

Под фазовыми понимают переменные, определяющие связи между блоками, а также возможные внешние связи схемы.

Под управляемыми (управлениями) понимают переменные, варьированием которых можно изменять зависимость выходных фазовых переменных от входных.

Каждый отдельный блок можно представить в виде “черного ящика”, на который воздействуют фазовые и управляемые переменные (рис. 6.1).

W b q

К- тый блок

X Y

Z U

Рис.6.1.

X = (x₁,…,x_m) – вектор входных переменных, характеризующих качество и количество исходного вида продукции (стоимость, химический состав, физико- механические свойства и т.д.).

W = (w₁,…,w_e) – вектор входных переменных, характеризующих случайные, неконтролируемые, возмущающие воздействия исходного вида продукции и процесса (внешние связи блока).

b = (b₁,…,b_t) – вектор конструктивных переменных, характеризующих параметры агрегата (оборудования).

- вектор входных переменных, характеризующих состояние оборудования.

Z = (z₁,…,z_p) – вектор управляемых переменных, то есть независимых блока, которые можно по желанию перевести в любое из различных в заданном интервале и поддерживать в этом состоянии с заданной точностью в заданное время (к переменным управления относят режимы ТП).

U = (u₁,…,u_r) - вектор входных процедурных переменных, которые описывают действия, являющиеся дискретными событиями и их можно использовать для управления и регулирующего воздействия на переменные управления.

Y = (y₁,…,y_n) - вектор выходных переменных. Существуют четыре класса таких переменных: фазовые переменные состояния процесса, качество получаемой продукции, переменные производительности, экономические переменные.

Входные (выходные) переменные рассматриваемых блоков, не являющиеся выходными (входными) переменными других блоков, называют выходными переменными схемы, остальные переменные – промежуточными.

Блок называют формирующим, если на его выходе появляются новые фазовые переменные или выходные переменные схемы.

Блок называют преобразующим, если его выходные фазовые переменные имеют ту же физическую природу, что и входные, но другое значение. Остальные блоки называют вспомогательными.

К формирующим относят те операции, на которых происходят изменение состояния выбранных конструктивных параметров (изменение профиля распределения примеси пи высокотемпературных операциях и др.).

Вспомогательные операции осуществляют подготовку к проведению формирующих операций.

На контрольных операциях проводится оценка качества продукции.

При выбранной двухуровневой структуре модели первый уровень соответствует формирующим операциям, второй – контрольным. Вспомогательные операции явным образом в модель не входят, определяя некоторые физические константы.

Сложная схема ТП задаётся в виде последовательностей частных блоков, характеризующих формирующие и контрольные операции.

По положению блоков в схеме различают входные, выходные и промежуточные блоки.

Входными (выходными) называют блоки, имеющие в числе своих переменных входные (выходные) переменные схемы, остальные блоки называют промежуточными.

В зависимости от характера изменения выходных переменных во времени различают непрерывные и дискретные блоки.

Непрерывным считают такой блок, выходные переменные которого изменяются непрерывно и одновременно с изменением управляемых переменных.

Если значения выходных переменных изменяются скачком через некоторое время после изменения управляемых переменных, то такой блок называют дискретным.

Если выходные переменные изменяются скачком одновременно с входными, то блок считается непрерывным.

К дискретным блокам относятся ТП, показатели качества которых имеют интегральный характер, то есть определяются на конечном промежутке времени работы.

Применение общих методов представления объектов в теории алгоритмизации приводит к представлению ТП в виде как одномерного, так и многомерного объекта, на входе которого действует переменная х(t), а на выходе имеем переменную y(t).

ТП

X(t) Y(t)

Рис.6.2.

Выходные и входные переменные могут рассматриваться как детерминированные или случайные функции.

Объекты также могут определяться как детерминированные или стохастические. ТП рассматривается как стохастичестический процесс.

Приведенное представление ТП как функционального преобразователя даёт возможность применить известные методы математического описания. В качестве общей характеристике ТП применяют оператор, ставящий в соответствие входные и выходные переменные. В этом случае ТП описывают в виде

Y(t) = A(x₁(t),…,x_p(t)).

Математический оператор А может быть представлен системой алгебраических уравнений, дифференциальных, интегральных, интегодифференциальных уравнений, уравнений в частных производных, условными плотностями или функциями распределения и т.д.

Как объект алгоритмизации реальное ТП в большинстве своём нестационарны, нелинейны, многомерны, имеют много внутренних обратных связей, у них невелика или отсутствует априорная информация о форме и степени взаимосвязи между переменными в реальных условиях функционирования. Это значительно усложняет получение адекватного (изоморфного) математического описания ТП.

Идентификация таких ТП предусматривает решение задачи выбора структуры схемы и информативных переменных, оценки параметров, стационарности, линейности, степени изоморфности математического описания и т.д.

Под идентификацией ТП понимают построение его моделей по полученным входным и выходным переменным в реальных условиях функционирования, то есть определения из заданного класса операторов {А} оптимальный в каком - то смысле оценки А* истинного оператора А. Таким образом, необходимо построить математическую модель, то есть составить уравнения и оценить параметры по данным “вход - выход”.

ЛЕКЦИЯ 6

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТП

Основой при построении модели ТП является максимально возможное по адекватности описание ТП. Описание - это совокупность сведений об исследуемом процессе. Описание представляется в виде формул, схем, текста, таблиц экспериментальных данных, характеризующих ТП, параметров внешних воздействий, режимов работы и т.д.

В зависимости от рассматриваемых характеристик ТП используют модели: статические, динамические, детерминированные, стохастические.

Статическая модель отражает функциональные зависимости между технико-экономическими показателями ТП и его параметрами, не зависящими от времени.

Динамическая модель является результатом формализации ТП, параметры которого функции времени или производные по времени.

Детерминированная модель отражает существование однозначной функциональной зависимости между исследуемыми показателями качества ТП и значениями его параметров.

Стохастическая модель. Модель, у которой соответствующий ей параметр стохастический. Выходная переменная стохастического ТП всегда случайна, даже при наличии детерминированных входных переменных.

Стохастическая модель - результат формализованного описания связей между вероятностными законами распределения технико-экономических показателей процесса и его параметров, которые могут быть рассмотрены в виде случайных величин или случайных функций. Такую модель можно описать с помощью вероятностных законов распределения, уравнений регрессии, автокорреляционных функций, математических ожиданий интересующих нас характеристик.

Структура модели. Каждая модель представляет собой некоторую комбинацию таких составляющих, как компоненты, переменные, параметры, функциональные зависимости, ограничения и целевые функции.

Компоненты - составляющие, которые при соответствующем объединении образуют ТП.

Переменные - величины, которые могут принимать только значения, определяемые видом данной функции. В модели ТП различают экзогенные (входные) переменные, являющиеся результатом внешних воздействий; эндогенные переменные, возникающие в ТП в результате внутренних воздействий (их называют переменные состояния, когда они характеризуют состояние ТП, и выходными переменными, когда они определяют качество выпускаемой продукции).

Параметры - величины, которые выбирают произвольно, после чего они являются постоянными величинами не подлежащие изменению.

Функциональные зависимости выражают связи между компонентами системы. Эти зависимости по своей природе являются детерминированными либо стохастическими. Детерминированные зависимости - это зависимости, которые устанавливают соотношения между определенными параметрами и параметрами в тех случаях, когда выходные переменные процесса однозначно определяются заданной информацией на его входе.

Ограничения представляют собой устанавливаемые пределы изменения пределы изменения переменных или ограничивающие условия проведения процесса. Ограничения могут быть искусственные и естественные. Примером искусственных ограничений является большинство требований к системам. Естественные ограничения обусловлены самой сущностью ТП.

Целевая функция (функция критерия или критерий оптимизации) - это отображение целей и задач ТП. Выделяют два вида критериев оптимизации:

качественные или количественные характеристики ТП, выработанные практикой;

критерии оптимизации, положенные в основу аналитических, графоаналитических, численных и машинных (ЭВМ) методов оптимизации.

Критериями оптимизации первого вида служат экономические, технико-экономические, технико-технологические показатели функционирования ТП (точность, надежность, стабильность, устойчивость).

Большинство технико-экономических показателей, которые применяют или рекомендуют в качестве критериев оптимизации, связаны с качеством выпускаемой продукции. Качество выпускаемой продукции влияет на выбор ТП, качество применяемых материалов, оборудования, приспособлений и инструментов, определяет режимы обработки, производительность, продолжительность технологического цикла и др. Следовательно, для многих процессов качество выпускаемой продукции является тем общим фактором, с которым связаны различные технико-экономические показатели.

При стохастических моделях выбор оптимальных характеристик процесса должен быть выполнен на основе теории вероятности и случайных процессов. При изучении стохастических характеристик критерия оптимизации вычисляют числовые значения, хотя для некоторых массовых процессов определяют общие характеристики, то есть вероятностные законы распределения.

Нахождение числовых значений сводится к определению оценок математических ожиданий, корреляционных и дисперсионных функций отдельных показателей входных и выходных переменных.

Требования к модели. Модель должна быть:

- простой;

- целенаправленной;

- надежной (гарантия от ошибочных решений);

- удобной в управлении и обращении;

- полной с точки зрения решения возможности решения главных задач;

- аддитивной, позволяющей легко переходить к другим модификациям или обновлять имеющиеся, допускающей усложнения;

- нетривиальной;

- мощной;

- изящной;

- релевантной;

- точной;

- результативной;

- экономичной;

- непрерывной;

- чувствительной.

Нетривиальная модель описывает физическую сущность, вскрывая явления, невидимые при непосредственном наблюдении.

Мощная модель позволяет решать различные технологические задачи.

Изящная модель имеет достаточно простую структуру и легко просчитывается на ЭВМ.

Релевантная модель позволяет решать сложные задачи.

Точная модель позволяет получать результаты с высокой достоверностью.

Результативная модель, если получаемые результаты успешно применяются на практике.

Экономичная модель, если эффект от внедрения результатов превышает расходы на ее создание и использование.

Наиболее широко используют модели, описывающие детерминированную основу процесса, регрессивные модели, в которых подлежащие определению коэффициенты линейны:

;

Виды функций j_i(x) определяют как путем физического анализа процесса, так и с помощью (при наличии достаточного количества статической информации) канонических представлений случайных процессов.

В некоторых случаях для описания сложных процессов применяют экспоненциальную, гиперболическую, сетевую, центральную и сепарабельную модели.

Построение модели

При построении модели необходимо определить:

1.назначение модели;

2.компоненты, которые должны быть включены в состав модели;

3. параметры и переменные, относящиеся к этим компонентам;

4.функциональные соотношения между компонентами, параметрами и переменными.

При решении вопроса о том, какие компоненты следует включить, необходимо определить число переменных, которое должно входить в модель, после чего необходимо уточнить функциональные связи между ними.

Цель создания модели:

1) оценка - определение, насколько хорошо ТП предлагаемой структуры соответствует некоторым конкретным критериям;

2) сравнение - сопоставление конкурирующих ТП, рассчитанных на выполнение определенной функции, а также некоторых технологических режимов;

3) прогноз - оценка качества ТП при некотором предполагаемом сочетании факторов;

4) анализ чувствительности - выявление из большого числа действующих факторов тех, которые в наибольшей степени влияют на качество ТП;

5) оптимизация - выявление такого сочетания действующих факторов, при котором обеспечивается наилучшее качество ТП;

6) выявление функциональных соотношений - выявление природы взаимозависимости двух или нескольких действующих факторов и качества ТП;

Модель должна удовлетворять двум условиям:

1) взаимно однозначное соответствие между элементами модели и элементами представляемого ТП;

2) сохранение точных соотношений или взаимодействий между элементами.

Соответствие модели реальному ТП называют изоморфизмом. Степень изоморфизма модели относительна и большинство моделей более гомоморфны, чем изоморфны. Под гомоморфизмом понимается сходство по форме при различных основных структурах, при этом имеет место лишь поверхностное подобие различных групп элементов и ТП. Гомоморфные модели получают в результате упрощения и абстракции.

Под упрощением подразумевают пренебрежение несущественными деталями (факторами) или принятие предложений более простых соотношениях. Упрощения бывают, необходимы и оправданы, если требуется построить модели, поддающиеся математическому описанию.

При упрощении модели выполняют следующие операции:

- переводят часть переменных в константы;

- исключают некоторые переменные или объединяют их, заменяя одной переменной;

- предполагают линейную зависимость между исследуемыми переменными;

- вводят более жесткие ограничения.

Модель должна отображать те стороны ТП, которые соответствуют задачам исследователя.

Построение модели на основе эксперимента

Построение модели на основе эксперимента состоит из двух этапов. На первом этапе получают и анализируют информацию о входных и выходных переменных изучаемого ТП, различных его компонентов, соотношениях между ними как количественного, так и качественного характера. На этом этапе производят:

1) формулирование цели и задачи эксперимента с выдвижением основных гипотез, подлежащих проверке;

2) выбор объекта исследования, его переменных которые будут изменяться, и переменных, которые будут зафиксированы во время эксперимента;

3) определение методики эксперимента, необходимого оборудования, приборов и инструментов, выбор метода фиксации выходных переменных и оценку точности и правильности результатов измерений;

4) определение пределов измерения переменных во время эксперимента, а также определяют количество экспериментов, комбинацию и количество уровней переменных, при которых необходимо провести исследования;

5) оценку необходимости и определение числа дублирующих экспериментов;

6) проверку и оценку расхода материальных и временных ресурсов на эксперимент и вносят коррективы в предыдущие этапы;

7) составление графика проведения экспериментов;

8) определение метода обработки результатов измерений и пути проверки выдвинутых гипотез; разрабатывают программу для обработки экспериментальных данных.

На втором этапе проводят эксперимент. Постановка эксперимента различается на пассивный и активный:

1) пассивный - расположение экспериментальных точек в факторном пространстве без предварительного учета математической обработки подготовки эксперимента.

2) активный - расположение точек эксперимента в факторном пространстве оптимизируется согласно критерию планирования эксперимента.

Для выбора плана эксперимента следует: определить критерии планирования; синтезировать экспериментальную модель; сравнить полученную модель с существующими моделями и выбрать оптимальный план.

При составлении плана необходимо построить структурную, функциональную и экспериментальную модели.

Структурная модель характеризуется числом факторов и уровней для каждого фактора. Структурную модель выбирают исходя из цели эксперимента.

Функциональная модель определяет число необходимых различных информационных точек, то есть число элементов структурной модели.

Экспериментальная модель определяется избранными критериями планирования, к которым относя число варьируемых факторов, уровней квантования каждого фактора и измерений выходных переменных.

ЛЕКЦИЯ 7

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА

Освоение в промышленности новых образцов изделий, повышение их технического уровня и качества, а также уменьшения сроков освоения новых изделий непосредственно связано с технологической подготовкой производства (ТПП).

Технологическая подготовка производства – это сложный комплекс организационно-технических мероприятий и инженерно-технических работ, связанный с подготовкой предприятия к выпуску новых видов изделий. В ТПП участвуют проектно-конструкторские, технологические службы предприятий, цехи и плановые отделы, предприятия смежники.

ТПП представляет собой совокупность мероприятий, обеспечивающих готовность предприятия к выпуску изделия.

Под полной технологической готовностью понимают наличие на предприятии всей конструкторской и технологической документации и средств технического оснащения, необходимых для осуществления заданного объёма выпуска продукции с установленными технико-экономическими показателями.

Единая система ТПП

Организация и управление ТПП осуществляется в соответствии с единой системой технологической подготовки производства (ЕСТПП), предусматривающей широкое применение прогрессивных типовых технологических процессов, стандартной технологической оснастки и оборудования, средств механизации и автоматизации производственных процессов, инженерно-технических и управленческих работ.

Основное назначение ЕСТПП заключается в решении задач:

- обеспечения технологичности конструкции изделия;

- разработки технологических процессов;

- проектирования и изготовления средств технологического оснащения;

- организации и управления процессами ТПП.

Обычное проектирование ТП ведётся по методу, определяемым разработчиком и зависит от его опыта и навыков, наличия справочных материалов и т.д. Даже при одинаковой квалификации исполнителей нет гарантии в получении равноценных результатов.

Исходными данными для проектирования технологических процессов являются:

- чертежи деталей и общие виды изделий;

- спецификация всех деталей;

- монтажные и полумонтажные схемы;

- технические условия на наиболее ответственные детали;

- сборочные единицы и изделия;

- размер производственного задания;

- руководящие технические материалы (данные об оборудовании, нормам на инструмент, типовые технологические процессы и др.).

Единая система технологической документации

Для обеспечения ЕСТПП важнейшее значение имеют состав и правила выполнения технологической документации, которые определяются единой системой технологической документации (ЕСТД) (Гост 3.1001-81). ЕСТД представляет собой комплекс государственных стандартов и руководящих нормативных документов, устанавливающих взаимосвязанные правила и положения по порядку разработки, комплектации, оформления и обращения технологической документации, применяемой при изготовлении или ремонте изделий (включая контроль, испытания и перемещения).

Основное назначение стандартов ЕСТД заключается в установлении во всех организациях и на всех предприятиях единых правил выполнения, оформления, комплектации и обращения технологической документации в зависимости от типа и характера производства. Эти правила обеспечивают взаимообмен технологическими документами между организациями и предприятиями без их переоформления, а также стабильность комплектации, исключающая повторную разработку и выпуск дополнительных документов.

Состав документов зависит от стадии разработки технологического процесса, типа и характера производства. В условиях серийного и массового производства использующие следующие документы (Гост 3.1102-81):

1) карта эскизов;

2) технологическая инструкция;

3) карты:

- маршрутная;

- технологического процесса;

- операционная;

- типового (группового) технологического процесса;

- типовой (групповой) операции;

- комплектовочная;

- технико-нормировочная;

- наладки;

4) ведомость технологических маршрутов;

5) ведомость деталей (сборочных единиц) к типовому (групповому) технологическому процессу (операции).

На стадиях проектирования (предварительного проекта и опытного образца) вид документов выбирается по усмотрению заказчика. Наиболее часто используется следующая документация.

Маршрутная карта является обязательным документом. Она предназначена для маршрутного и маршрутно-операционного описания технологического процесса или указания полного состава технологических операций при операционном описании изготовления или ремонта изделия (составных частей изделия), включая контроль и перемещения по всем операциям различных технологических методов в технологической последовательности с указанием данных об оборудовании, технологической оснастки, материальных нормативов и трудовых затратах. Допускается взамен маршрутной карты использовать соответствующую карту технологического процесса.

Карта технологического процесса предназначена для операционного описания технологического процесса изготовления или ремонта изделия (составных частей изделия) в технологической последовательности по всем операциям одного вида формообразования, обработки, сборки или ремонта, с указанием переходов, технологических режимов и данных о средствах технологического оснащения, материальных и трудовых затратах.

Операционная карта содержит описание технологической операции с указанием переходов, режимов обработки и данных о средствах технологического оснащения. Она используется непосредственно на рабочем месте.

Карта типового технологического процесса используется для описания типового технологического поцесса изготовления или ремонта деталей и сборочных единиц, а карта типовой операции – для описания типовой технологической операции.

Общие правила оформления технологических документов приведены в Гост 3.1104-81.

Формы маршрутной карты и правила её оформления установлены в Гост 3.1118-82.

Общие требования к оформлению комплектов документов на единичные процессы изложены в Гост 3.1119-83.

Требования к безопасности труда (в том числе и требования о применении средств защиты работающих) излагают перед описанием операции или делают ссылку на технологическую инструкцию.