Интеллектуальное управление мехатронной технологической системой

      ИИ  Лекция.

      ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ  УПРАВЛЕНИЕ МЕХАТРОННОЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ 

      Современные мехатронные системы, создаваемые  для сферы производства, при удовлетворении требований по таким категориям качества, как быстродействие, точность, надежность и пр., обеспечиваются новыми свойствами. К таким свойствам относятся способность перестраиваться  при изменяющихся технологических условиях, адаптироваться к ставящимся целям, учитывать состояние самих мехатронных объектов, т.е. выполнять неформализуемые или трудноформализуемые задачи. В этих случаях им требуется обладать функциями принятия решений и управления, близкими к интеллектуальным функциям человека. Эти функции реализуются с помощью современных средств вычислительной техники.

      Во  многих технологических процессах получения изделий целью является обеспечение качества готового продукта по совокупности предъявляемых требований и контроль, как правило, осуществляется по завершении процесса. Этим «определяются» суждения о требованиях к качеству управления рабочими органами, т.е. эти требования опосредованные. Так в металлорежущих станках  о качестве изготавливаемой детали судят на основе контроля ее параметров после выполнения процесса обработки или некоторой стадии, а о качестве управления движениями рабочих органов – во время процесса по ошибкам рассогласования между выходами задатчиков перемещений и выполняемыми движениями.

      Неопределенность  в формирование управлений рабочими органами станка вносят:

• стохастичность протекания самого технологического процесса,
• изменение внешних условий,
• погрешности исходных и текущих положений рабочих органов и инструмента,
• состояние заготовки и режущей части инструмента,
• отсутствие возможности получения достаточно точной информации о положении вершины инструмента относительно заготовки.

      Для складывающейся ситуации важно дать оценку самого процесса обработки и, главное, оценку достигаемых параметров качества изготавливаемой детали и сделать правильный выбор из альтернативных вариантов управлений. Выбор такой альтернативы в зависимости от совокупности изменяющихся условий трудноформализуем и сложен.

   Важно учитывать, что при разработке технологических  процессов в САПР ТП план и режимы обработки выбираются не  для  конкретного исполнения заготовки и не на конкретной станочной системе, а для группы заготовок и однотипных станочных систем.

   Постулат, определяемый спецификой рассматриваемой  предметной области, включает следующее (сл.1).

— Управление процессом ориентировано на планирование и управление движениями элементов конкретной станочной системы.

— Параметры  исходной информации об объекте обработки  — А ( группе заготовок), над которым осуществляется процесс  преобразования в целевое состояние (детали с заданными параметрами точности),  а также о ряде однотипных станочных систем — С, выполняющих этот процесс, составляют  множества  "нечетких"  многомерных  пространств векторов параметров группы.

— Параметры  информации, идентифицируемые в  ходе  конкретной реализации процесса      ( и/или между его стадиями) над индивидуумом (конкретной заготовкой) Аi, и выполняемого индивидуумами конкретной системы Сj, составляют множества многомерных пространств векторов ‘уточненных’ параметров — Wai и Wcj соответственно.

— Конкретный процесс имеет  нестационарный стохастический характер, что относится как к изменениям множества Ai, так и к множеству (или ряду подмножеств) Cj.

— Планирование движений в процессе производится на базе вероятностного оценивания векторов параметров множеств Wai и Wcj.

— Входная  информация содержит программу управления станком, построенную с учетом набора значений параметров групп А и С, а не индивидуумов Ai и Cj, то есть при сочетании, как правило, неблагоприятных условий процесса. 

      Часто технологические процессы имеют  свойство стадийности. Так при обработке  резанием стадии определяются не только множеством поверхностей детали, но и некоторым множеством «проходов» при обработке одной поверхности. Для достижения высокого качества обработки  важно, чтобы поведение системы управления технологическим объектом в течение всей обработки соответствовало назначаемой цели управления при выполнении каждого прохода, производилась оценка ее достижимости на основе прогноза, проверка соответствия запланированной и выполненной программы движений, ее соответствия качеству процесса и качеству детали.

      В качестве критериальной оценки такого соответствия может быть принят обобщенный функционал  в виде свертки отдельных критериев качества со своими коэффициентами относительной важности, определяющими требования к качеству движений рабочих органов, качеству процесса обработки и качеству детали. На каждом шаге процесса может назначаться текущая цель, под которой понимается совокупность назначаемых на определенном шаге критериев движения рабочих органов (критериальная база технологического объекта), текущих условий, определяющих качество процесса обработки (критериальная база процесса) и терминальных условий, назначаемых исходя из требуемых качеств обработанной поверхности (терминальная база результата процесса).

1. Структура ИСУ технологическим объектом. Разработанная интеллектуальная система управления (ИСУ) технологическими объектами базируется на принятии решений при изготовлении продукта с учетом складывающейся конкретной ситуации [2]. Система реализует следующую последовательность действий: оценка ситуации по поведению объекта управления, техпроцесса и результата процесса (возможно по стадиям); коррекция критериальных баз и терминальных условий; моделирование и перепланирование программы движений; коррекция способа регулирования движений рабочих органов. Эта последовательность реализуется многоуровневой иерархической структурой, представленной на рис.1 (сл.2).

         Цель

                      III

                                                                                  II 

                                                                                            I

Рис. 1. Структурно-функциональная схема системы управления. 

      Структура имеет характерный для мехатронных систем c интеллектуальным управлением состав уровней: тактический – I, координационный – II и организационный – III [3]. Уровень I реализует традиционную схему управления движениями рабочих органов технологического объекта  для реализации процесса и получения готового продукта. Изменения касаются лишь регулятора - возможности его перенастройки по решениям, принятым на более высоких уровнях.

      Уровень II включает блоки мониторинга, координатора и формирователя с соответствующими связями. В задачи блока мониторинга входит  комплектование информации векторных  пространств параметров, необходимых для принятия решений. Этот блок идентифицирует измеряемые параметры состояния внешней среды, объекта управления, технологического процесса и его результата, и дает возможность диагностировать эти состояния и оценить их. Оценка создает представление о качественных изменениях состояний, на основании чего координатором принимается решения о необходимости нового программирования движений рабочих органов объекта и формирования эталонных моделей движений. На этом уровне выполняется ситуативная оценка качественного состояния системы, необходимая для координационного управления[1]. Координационный блок осуществляет процесс моделирования ситуаций на основе моделей, описывающих функционирование объекта управления и техпроцесса с учетом результатов мониторинга, планирует программу движений рабочих органов и их эталонные модели, адекватные сложившейся ситуации, проводит прогнозную оценку результатов. На основе принятых решений формируются управляющие воздействия для тактического уровня. В соответствии с выбранными эталонными моделями осуществляется коррекция регулятора.

      На  уровне III, который называется организационным или стратегическим, производится выбор стратегии действий технологической системы: переформирование этапов действий (по сравнению, например, с исходной программой) для достижения основной цели, назначения текущих целей (например, цели прохода при точении детали), в соответствии формируемыми критериальными базами и терминальными условиями. Новая стратегия действий строится на основе получаемого экспертного обобщения ситуации и функций самоорганизации. Возможность достижения этапных целей и конечного результата обосновывается процедурами прогнозных оценок. Следует обратить внимание на традиционную характеристику функций, выполняемых на уровнях II и III. Это неразрешимость проблемы формализации этих функций обычным аналитическим путем, необходимость использования не количественных, а качественных оценок и понятий на базе процедур обработки, накопления и использования знаний и метазнаний.

      Интеллектуализация  касается не только обобщения ситуаций и принятия решений о ходе управляемого процесса, его стадиях, корректировке  критериальных баз, терминальных условий и прогнозных оценок на стратегическом уровне. На тактическом уровне к интеллектуальным относятся функции оценки состояния процесса, выполнения координационных задач и формирования управляющих воздействий. Уровни надстройки реализуются на базе открытых  экспертных систем (ЭС), способных с течением времени совершенствовать свое поведение благодаря заложенным в них алгоритмам обучения.

      При типовом режиме работы ИСУ в управлении станком процесс принятия решений экспертными системами, реализующими функции уровней II и III, включает следующие блоки:

      1 - выделение лимитирующих по точности  станка поверхностей детали и  оценка достаточности информации  по соответствующим исходным  поверхностям заготовки;

      2 - принятие решения о способе  получения недостающей информации в процессе обработки;

      3 - оценка данных и результатов  измерений, заключение о целесообразности  формирования новых кадров управляющей программы, ведения протокола решений и результатов;

      4 - выделение факторов, которые могут  оказать превалирующее влияние  на погрешность обработки поверхности;

      5 – стратегическое планирование  вариантов обработки;

      6 – тактическое планирование вариантов  обработки;

        7 -  оценка результатов прогноза;

        8 -  оценка результатов прохода,  принятие решения о продолжении  обработки поверхности;

       9 - решения о годности результата  чистовой обработки поверхности,  целесообразности хранения опыта и возможных путях сокращения времени обработки.

      Указанное в блоках 5 и 6 планирование соответствуют  разным уровням обобщения. Так в  блоке 5 поиск решений ведется укрупненно, в общем виде формируется  последовательность проходов до получения готовой поверхности без назначения всего перечня технологических параметров, а в блоке 6 формируется только следующий проход с проработкой вариантов компенсации погрешностей, то есть детально решается выделенная тактическая задача.

В целом структура  ИСУ отвечает принципам организации  интеллектуальных управляющих структур. Это относится и к сохраняемости  функционирования системы управления технологическим объектом при частичной (или полной) потере интеллектуальности, но с утратой качества результата процесса.

   СТРУКТУРА ПИТ-С. Основными компонентами структуры ПИТ-С (сл.3) являются экспертная система выбора альтернатив действий (ЭС1) при обработке конкретной детали-индивидуума,  экспертная  система  формирования алгоритмов и моделей движений (ЭС2) в  конкретной  обрабатывающей системе с прогнозом их результата, а также база данных (БД), служащая источником информации для базы знаний (БЗ) упомянутых ЭС.  Для  формирования БД используются модули интерпретатора  заданий,  формирователя  и информационно-измерительной системы. В задачи формирователя БД входит  комплектование информации векторных  пространств параметров W ai и Wcj, необходимых для принятия решений при выполнении конкретной операции или технологического переходе. Из исходной БД отбирается и переносится в рабочую базу та часть информации, которая необходима системе для реализации поступившего  задания,  в том  числе,  выполнения  конкретного  технологического  перехода. Здесь же формируются данные о процессе обработки по информации от измерительной системы.

   Управляемая часть станка представлена корректором  управления движениями, УЧПУ и исполнительной системой, реализующей процесс обработки.

      С помощью информационно-измерительной системы идентифицируются (постоянно или по запросу ЭС) состояние процесса обработки, его параметры и геометрические характеристики индивидуума обработки. Эта  информация используется как для выбора хранящихся в БЗ  альтернатив  исходных ситуаций, правил принятия решений и действий, так и для их коррекции с уточнением ассоциированных с этими  правилами  значений, хранимых в БЗ. Такая вариантность функционирования обеспечивает ПИТ-С  возможность генерации новых знаний, основанных на  фактах,  а  также выполнения прогноза результата следующих действий на базе  информации о действиях произведенных ранее. 

ПРАВИЛА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ  И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ 

РЕЗУЛЬТАТА  ДЕЙСТВИЙ. К моменту начала трансляции команд исполнительной системе станка для осуществления очередной последовательности перемещений рабочих органов, выполняющих технологический переход, или в процессе резания ЭС1принимает решения из имеющегося набора  альтернатив действий типа (сл. 4.):

    < изменить  подачу до значения... >

    < ввести  дополнительный проход с параметрами ... >

    < сформировать  фазовые траектории движений  рабочих органов ...

       с учетом влияния факторов ... >

       ..........................

    < действовать  по программе без изменений  >

< получение  требуемой точности невозможно, остановить станок, сигнал оператору>

   В ЭС1 используются группы правил, из базы знаний, одна из которых приводит к решению о необходимости изменения введенной  программы  для  ЧПУ программы действий и движений в связи с необходимостью ее коррекции из-за высоких требований  к точности обработки, получения дополнительной  информации о процессе и индивидууме обработки. При этом проводится  планирование движений исполнительных органов станка с возможной  вариацией глубины резания на проходах, подачи, скорости  резания  и пр.  Другая группа правил приводит к заключению о том, что  заданная точность обработки может быть достигнута без изменения исходной программы или с возможной коррекцией режимов резания для оптимизации по критерию производительности. Решения предусматриваемые следующей группой правил - невозможность или нецелесообразность дальнейшей обработки.

   Одним из вариантов такого решения является планирование новых фазовых траекторий движения инструмента (вершины режущей  части). К такому решению, например, приводят часто встречающиеся случаи, когда  значительные отклонения размеров и формы  обработанных  поверхностей детали являются следствием неравномерности припуска на обработку. Так при токарной обработке для устранения этого  влияния  предусмотрены следующие два варианта определения фазовых траекторий  на проходе k+1 в виде детерминированных функций G_y  (1), и G_s (2):

                       y_k+1(x) = G_y [y_k(x),y_g(x), S, HB, J ],                                     (1)

                     S_k+1(x) = _k+1(x) = G_s [ y_k (x), y_g (x), HB, J ],                      (2)

где x,y — оси координат, коллинеарные  соответствующим перемещениям продольного и поперечного суппортов;

  y_k(x)  — образующая обработанной поверхности на проходе k ;

  y_g(x)  — образующая поверхности которую необходимо получить на проходе k+1 ;

y_k+1 (x) — планируемая траектория движения инструмента ;

_k+1 (x) — планируемая скорость движения инструмента по Х (подача  S_k+1 (x) );

         S — постоянное значение подачи в варианте (1) ;

       HB — твердость материала обрабатываемой заготовки ;

          J — суммарная жесткость технологической системы.

   Прогнозирующая  процедура  описывается,  например,   следующим простейшим аргументом. Если объект  ( в нашем случае - индивидуум обработки)  находится в ситуации А’ и мы желаем получить результат B_j, то система находит в памяти такое событие

                                        D_i

                                    A_i Þ B_i,  что A’ Þ B_i,

   При обобщении  ситуаций и коррекции перечня действий,  алгоритмов и математических моделей движений в соответствии со  спецификой решаемой задачи, начальной ситуации и  желаемого  результата, имеем

                                               D,F,E

                                             A  Þ  B, 

   где A,B,D -множества исходных, конечных  ситуаций  и альтернатив действий с алгоритмами F и моделями E.

Применительно  к  конкретному процессу приходится использовать "нечеткие" суждения о входной  и др. вида информации. Это обусловлено как возможностью ее получения по всей совокупности параметров, что  лимитируется  точностью измерительно-диагностических средств и их ограниченностью в  конкретной станочной системе, так и индивидуальной  спецификой планируемого процесса.

При этом используются методы теории нечетких множеств,  позволяющие сформировать функции принадлежности m_q(P) значений множества параметров P к некоторому состоянию Q технологической системы.  Для получения желаемых решений с требуемой  вероятностью  (достижения заданной точности с минимальным риском)  приходится  прибегать  к "уточнению" оценок m_q(P), используя ограниченное количество имеющихся в системе измерительно-информационных средств. В общем случае эта дополнительная информация может быть получена  до  начала процесса обработки, в интервале времени  между  последовательными проходами или в процессе прохода