Синтез вiдмовостійких автоматизованих систем управління процесами вирощування високоякісних великогабаритних монокристалів

Запропоновано використовувати в сучасних ростових установках блоки контролю рівня розплаву, регулювання росту кристалів, у яких, як елемент, що управляє діаметром монокристала і температурою розплаву, використовуються дві модифікації контролера типу РПМ. В регулятор температури розплаву введено функцію самонастроювання ПІД-регулятора по кривій нагрівання ОУ, а для визначення коефіцієнтів настроювання регулятора запропоновано використовувати алгоритм Зіглера-Ніколса і Коена-Куна.

Розроблено алгоритм визначення моменту початку кристалізації за значенням температурного коефіцієнта зміни активної складової електроопору розплаву, що містить у собі операції виміру температури розплаву і його опору при фіксованих частотах, пошуку резонансної частоти в заданому діапазоні температур розплаву і визначення електроопору з розрахунком його індуктивної і ємнісної складових, шунтуючого опору приелектродного шару та активної складової опору розплаву.

Алгоритм управління ростом кристала із перемінним діаметром засновано на використанні блоків перемінного завдання діаметра кристала і відповідної зміни рівня розплаву. Застосування алгоритму гарантує рівномірну зміну теплових умов і масової швидкості кристалізації, що забезпечує плавну зміну поверхні монокристала протягом усього вирощування і є необхідною умовою одержання бездислокаційних монокристалів. З використанням запропонованих методів і алгоритмів адаптивного управління розроблено АСУ ТП процесом вирощування ЛГК, в основу функціонування якої покладено новий спосіб вирощування монокристала з квазібезперервним витягуванням зразка, безперервним підживленням розплаву і прогнозним управлінням, що самонастроюється за алгоритмом АУП (рис. 7).

Управління вирощуванням кристала починається з включення фонового підживлення розплаву з частотою F_v і здійснюється циклічно. На один робочий цикл t_o припадає N циклів управління ТП тривалістю t_v. Кожний цикл управління починається з виміру початкового рівня розплаву, після чого кристал переміщують вгору на величину h_s. Рівень розплаву в тиглі падає на величину h_n. За результатами порівняння h_n із заданим значенням h_o визначають помилку управління діаметром кристала h_e і змінюють температуру донного нагрівача по АУП алгоритму управління. Значення управляючого впливу на температуру донного нагрівача за період циклу t_v обмежене і не перевищує 0,4С при вирощуванні, наприклад, ЛГК діаметром 500 мм.

Після закінчення часу (N-1) t_v починається основне підживлення розплаву початковою сировиною з частотою F₀. Після досягнення початкового значення рівня розплаву h₀ у тиглі система управління включає фонове підживлення (блок 10 алгоритму). Таким чином, підживлення розплаву ведеться безупинно протягом усього вирощування. При вирощуванні ЛГК діаметром 500 мм тривалість основного підживлення складає 10-12 хв. при тривалості робочого циклу 20-22 хв. Під час основного підживлення продовжується прогнозне управління ТП із періодом t_v. Цикл управління t_v<<t_o вибирають з урахуванням динамічних властивостей ОУ.

Застосування цього способу дозволило забезпечити зріст монокристалів ЛГК із швидкістю 3.6-3,8 мм/годину (2.4-2.8 мм/годину до того), високу точність управління діаметром кристала і стабілізацію масової швидкості кристалізації.

Розроблені методи і засоби забезпечили вирощування високоякісних монокристалів з нестабільністю діаметра, який не перевищує 2%, і з рівномірним розподілом домішки по об'єму зразка при її концентрації в діапазоні 0,041-0,056, що гарантувало одержання на їх основі високоякісних детекторів.

У додатках приводяться додаткові математичні розрахунки, тексти програмних модулів, результати експериментів, документи про практичне впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

Підсумком дисертаційної роботи є вирішення важливої науково-практичної проблеми підвищення ефективності виробництва великогабаритних ФМК, конкурентоздатних на світовому ринку, шляхом створення та впровадження АСУ ТП, побудованої на основі нової концепції адаптивного управління, сигнатурного моніторингу і використання убудованих засобів діагностування працездатності БПСУ.

Основні результати і висновки дисертаційної роботи.

1. Аналіз існуючих підходів до побудови АСУ ТП вирощування великогабаритних ФМК показав, що такі особливості процесу кристалізації, як багатомірність і нестаціонарність об'єкту управління, високий рівень виробничих шумів, широкий діапазон якісних характеристик сировини і невизначеність початкових умов, не дозволяють добитися вирощування високоякісних кристалів з використанням традиційних систем управління, заснованих на детермінованих законах управління. Безперервність та тривалість ТП, помилки та збої систем управління ростовими установками призводять до великих матеріальних втрат, визначають необхідність створення високонадійних й відмовостійких АСУ ТП.

2. На основі нової концепції автоматизації ТП вирощування великогабаритніх монокристалів обгрунтовано необхідність розробки БПСУ ростовими установками та розробки методів синтезу адаптивних і відмовостійких систем управління. Створення нового класу БПСУ ростовими установками дозволило підвищити ефективність виробництва конкурентноздатних монокристалів.

3. На основі аналізу задач планування і управління виробництвом високоякісних монокристалів обгрунтовано необхідність дальшого розвитку тривимірних математичних моделей гідродинаміки бінарного розплаву, тепло- і масопереносу в рідкій та твердій фазах. Використання цих моделей дозволило проаналізувати фізичні процеси кристалізації при відсутності осьової симетрії, дослідити поведінку ліній струму розплаву в залежності від температурного поля, швидкості обертання тигля і кристала, розмірів вирощуваного кристала, співвідношення висоти тигля до його ширини, числа Рейнольдса, визначити умови кристалізації для одержання рівномірного розподілу активатора в об'ємі кристала.

4. Запропоновано і формалізовано стохастичну модель процесів кристалізації з зображенням рівнянь Навьє-Стокса, теплопровідності, дифузії у вигляді систем звичайних диференціальних рівнянь з випадковими коефіцієнтами і випадковою правою частиною. Показано, що використання в цій моделі підстановки Кармана, лінеаризації і розділення змінних дозволило здійснити перехід до системи лінійних рівнянь і моделювати процеси кристалізації на основі експериментальних даних по розподілу температур на стінках тигля, поверхні розплаву та у підкристальній області, визначити закони змінення параметрів ТП і діапазони, в яких можливе управління із зворотними зв'язками тепловими умовами вирощування та швидкістю витягування кристала, а також програмно-логічне управління рівнем розплаву, швидкостями обертання кристала та тигля і іншими змінними для вирощування високоякісних великогабаритних монокристалів.

5. Проведено аналіз, вибір і обґрунтування використання прогнозного методу для управління процесом вирощування великогабаритних ФМК. Цей метод, заснований на прогнозуванні збурень за результатами попередніх вимірів, дозволяє підвищити точність і якість управління ТП з неповною апріорною і повною поточною інформацією про основні збурення.

Розроблено метод синтезу аперіодичного прогнозуючого регулятора, для управління контуром стабілізації діаметра кристала, в якому матриці вхідних, вихідних впливів і збурень обчислюються рекурсивно з використанням інформації, отриманої на кожному кроці управління; при цьому рекурсивна формула розрахунків одночасно задовольняє вимогам ідентифікації системи і рівнянню аперіодичного управління з прогнозуванням. В результаті, при управлінні в реальному режимі часу не відбувається затримки між кроком ідентифікації і кроком обчислення управляючого впливу, що дозволяє підвищити якість управління ТП вирощування ФМК.

6. Розроблено новий метод управління процесом вирощування монокристалів, заснований на використанні додаткових контурів фонового підживлення розплаву для стабілізації теплових умов вирощування і квазібезперервного витягування кристала, показана його ефективність для управління ТП вирощування якісних великогабаритних ФМК.

7. Обґрунтовано і розроблено метод синтезу діагностичного забезпечення БПСУ ростовими установками на основі концепції сигнатурного моніторингу з використанням уніфікованих убудованих програмно - апаратних модулів, які забезпечують діагностування АСУ ТП на системному, функціональному та структурно - логічному рівнях.

8. Запропоновано на системному рівні організації тестового діагностування БПСУ використовувати графові діагностичні моделі Препарата - Метца - Чена. Визначено необхідні та достатні умови t/t_p-S-діагностуємості системи із n модулів з t несправними, серед яких t_р модулів мають перемежовані несправності та S несправних інтерфейсних зв'язків. На підставі цих умов визначено оптимальну t/t_p-S-діагностуєму структуру БПСУ, яка має мінімальне число міжмодульних зв'язків та мінімальний час тестування. Вперше запропоновано графоаналітичну ПМЧ-модель системи управління з модулями, які самотестуються, що дозволяє скоротити час технічного обслуговування БПСУ.

9. Розроблено функціональні моделі мікроконтролерних модулів управління з RISC архітектурою шляхом включення в його структуру зовнішньої пам'яті і портів зв'язку з ОУ, що дозволило відобразити взаємозв'язок програмно-апаратних функцій МК у вигляді механізмів обробки, передачі, зберігання і управління. На основі запропонованої функціональної моделі механізму зберігання і передачі даних у вигляді графа регістрових передач розроблено алгоритми синтезу тестів, перевіряючих справність механізмів управління передачею даних та вибірки регістрів, механізмів адресації з резидентної і зовнішньої пам'яті. З використанням Марковської моделі перемежованих несправностей у мікроконтролерних модулях управління розроблено метод розрахунку числа повторень тестових послідовностей на основі апріорних знань величин перехідних імовірностей станів моделі для виявлення найбільш імовірних помилок контролера - оверлейних, кодів операцій та адресації.

10. Розроблено метод функціонального діагностування мікроконтролерних засобів управління із застосуванням діагностичного процесора. Запропоновано структуру ДП, що функціонує паралельно з управляючими МК. В процесі управління ростовими установками діагностичний процесор перевіряє правильність виконання сегментів управляючої програми шляхом порівняння реальних та еталонних синдромів і сигнатур, здійснює відновлення працездатності МК при появі перемежованих несправностей шляхом повторного "прокручування" сегментів програми, що дозволяе підвищити відмовостійкість систем управління.

11. Розроблено методи синтезу уніфікованих модулів сигнатурного моніторингу лічильників-таймерів, генераторів псевдовипадкових і псевдовичерпних тестів та еталонних сигнатур, сигнатурних і синдромних аналізаторів, які спрощують схемну реалізацію убудованих програмно - технічних засобів тестового і функціонального діагностування БПСУ на сучасних логічних інтегральних схемах, що програмуються, типу FPGA і CPLD.

12. Розроблені методи синтезу відмовостійких АСУ ТП вирощування великогабаритних монокристалів на основі концепціі адаптивного і відмовостійкого управління дозволили створити високоефективні системи управління установками "РОСТ" у досвідному виробництві ІСМА НАН України (м. Харків), установками серії "СГВК" Інституту монокристалів НАН України (м. Харків), виробництвом монокристалів тетраборату літія в Інституті фізики НАН України (м. Ужгород). Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес кафедри автоматики і управління в технічних системах Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" (м. Харків).

Список публікацій за темою дисертації

1. Рост кристаллов / В.И. Горилецкий, Б.В. Гринев, В.С. Суздаль и др. Харьков: АКТА, 2002. 535 с.

Здобувачем запропоновано концепцію проектування і архітектура систем управління для виробництва великогабаритних лужногалоїдних кристалів з урахуванням особливостей процесів їхнього вирощування з розплаву.

2. Абрамова Л.С., Епифанов Ю.М., Корнилич П.И., Суздаль В.С. Автоматизированная установка для многоканального измерения проводимости расплавов // Приборы и техника эксперимента. М., 1989. №3. С. 246-247. Здобувач запропонував метод управління автоматизованою установкою для багатоканального вимірювання провідності розплаву.

3. Суздаль В.С., Епифанов Ю.М., Абрамова Л.С. Многоканальный измеритель электросопротивления жидких сред // Заводская лаборатория. М., 1990. №1. С. 44-46.Здобувач розробив метод і алгоритм визначення електроопору розплаву.

4. Рогачев А.И., Суздаль В.С., Абрамова Л.С. Исследование процесса возникновения дефектов при разрезании монокристаллов // Вестник Харьковского политехнического института. Харьков: ХГУ, 1990. Вып. 16. №278. С. 11-13. Здобувачеві належить аналіз причин виникнення дефектів при різанні кристалів. Ним запропоновано новий алгоритм управління при обробці вирощених кристалів і наявності збурень.

5. Попов Н.Р., Рогачев А.И., Суздаль В.С., Абрамова Л.С. Математическая модель САУ установки для порезки водорастворимых монокристаллов // Вестник Харьковского политехнического института. Харьков: ХГУ, 1991. Вып. 17. №282. С. 6-10. Здобувач здійснив моделювання процесу різання монокристалів.

6. Епифанов Ю.М., Суздаль В.С., Герасимчук Л.И., Комплекс технических средств для исследования свойств расплава // Заводская лаборатория. М., 1996. № 5, тем. вып. "Диагностика материалов". С. 28-31. Здобувачеві належить розробка структурних схем технічних засобів для дослідження властивостей розплаву при вирощуванні монокристалів.

7. Zaslavsky B.G., Grinev B.V., Suzdal V.S., Kudin A.M., Kisil I.I., Vasetsky S.I., Mitichkin A.I. Automated growing of large alkali halide single crystals // J. Crystal Growth. 1999. Vol. 198/199. P. 856-859. Здобувач розглянув основні проблеми автоматизації процесу вирощування великогабаритних монокристалів із розплаву.

8. Суздаль В.С., Горилецкий В.И., Заславский Б.Г., Герасимчук Л.И., Звягинцев В.Н. Характерные особенности автоматизированного роста больших монокристаллов из расплава // Известия ВУЗ'ов. Материалы электронной техники. М., 1999. №2. С. 46-49. На основі аналізу особливостей процесів вирощування великих монокристалів із розплаву здобувач сформулював вимоги до систем управління ТП вирощування високоякісних кристалів.

9. Bondarenko S.K., Goriletsky V.I., Suzdal V.S. Production of large CsI(Tl) single crystals grown by semicontinou automated method // Functional materials. Kharkov, 1999. Vol. 6, № 2. P. 380-382. Здобувач відзначив основні задачі автоматизації виробництва великогабаритних сцинтиляційних монокристалів CsI(Tl).

10. Zaslavsky B.G., Kolotiy O.D., Kisil I.I., Suzdal V.S., Lyakhov V.V. Comparative analysis of thermal conditions at growing of large CsI(Tl) scintillation single crystals by automated pulling from the melt using cylindrical and conical crucibles // Functional materials. Kharkov, 1999. Vol.6, № 4. P.760-766. Здобувач проаналізував проблеми забезпечення заданих теплових умов при вирощуванні великогабаритних монокристалів у циліндричному і конічному тиглях.

11. Тавровский И.И., Суздаль В.С., Епифанов Ю.М., Стрельников Н.И., Герасимчук Л.И. Цифровой программный регулятор // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Харьков: ХГПУ, 2000. Вып. 80. С. 7-8. Здобувачем запропоновано структуру і блок-схему відмовостійких регуляторів для розподілених систем управління процесами вирощування ФМК.

12. Суздаль В.С. Экономико-математические модели в системе обеспечения качества сцинтилляционных монокристаллов // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Харьков: ХГПУ, 2000. Вып. 83. С. 12-15.

13. Суздаль В.С. Архитектура АСУ ТП получения монокристаллов из расплава // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Харьков: ХГПУ, 2000. Вып. 119. С. 15-18.

14. Суздаль В.С. Автоматизированное управление ростовыми установками // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут ". Харків: НТУ "ХПІ", 2001. Вип. 10. С. 379-380.

15. Тевяшев А.Д., Суздаль В.С., Бородавко Ю.М., Пелипец А.А. Математические модели физических процессов при выращивании монокристаллов методом Чохральского // Радиоэлектроника и информатика. Харьков: ХНУРЕ, 2001. №4(17). С. 33-43.

Здобувачем запропоновано використання тривимірних моделей фізичних процесів при кристалізації під час синтезу систем управління технологічними процесами вирощування якісних функціональних монокристалів.

16. Заславский Б.Г., Кисиль И.И., Ляхов В.В., Суздаль В.С., Васецкий С.И. Состояние и перспективы развития автоматизированных методов вытягивания крупных сцинтилляционных щелочногалоидных монокристаллов с заданными свойствами // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2002. №5. С. 14-19.

Здобувачем обґрунтовано перспективність використання розвинутих алгоритмів управління для підвищення ефективності автоматизованих методів витягування великих монокристалів.

17. Бережная М.А., Дербунович Л.В., Суздаль В.С., Тавровский И.И., Темников И.Н. Отказоустойчивые системы управления на основе микроконтроллеров // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут ". Харків: НТУ "ХПІ", 2002. Вип. 12, т.1 С. 218-220. Здобувачем запропоновано принципи розробки стійких до відмов систем управління на основі мікроконтролерів в сучасних умовах виробництва.

18. Дербунович Л.В., Суздаль В.С., Тавровский И.И., Темников И.Н. Отказоустойчивые микроконтроллеры на основе сигнатурного мониторинга // Інформацiйно-керуючi системи на залізничному транспорті. Харків: ХарДАЗТ, 2002. №4,5 (37). С. 71-73. Здобувачем запропоновано застосування стійких до відмов мікроконтролерів на основі сигнатурного моніторингу в практиці вирощування функціональних монокристалів із розплаву.

19. Тевяшев А.Д., Суздаль В.С., Бородавко Ю.М., Пелипец А.А. Численное моделирование процессов теплои массообмена при выращивании монокристаллов методом Чохральского // Радиоэлектроника и информатика. Харьков: ХНУРЕ, 2002. №1(18). С. 12-16. Здобувач запропонував спосіб використання результатів моделювання процесів теплоі масообміну при вирощуванні монокристалів методом Чохральського для синтезу систем управління.

20. Тевяшев А.Д., Суздаль В.С., Бородавко Ю.М., Пелипец А.А. Математическое моделирование процессов выращивания монокристаллов с заданными свойствами из расплава // Вестник Херсонского государственного технического университета. Херсон, 2001. №3(12). С. 259-264. Здобувач вирішив проблему використання математичного моделювання процесу вирощування монокристалів із заданими властивостями із розплаву.

21. Раисов Ю.А., Суздаль В.С., Тавровский И.И. Алгоритм настройки коэффициентов ПИД-регулятора привода движения // Вісник Національного технічного університету " Харківський політехнічний інститут ". Харьків: НТУ "ХПІ", 2002. Вип. 12, т.2. C. 411-412. Здобувачем запропоновано алгоритм комбінованої настройки ПІД-регулятора при наявності збурень.

22. Тевяшев А.Д., Суздаль В.С., Бородавко Ю.М., Пелипец А.А. Математическая модель термоупругих напряжений при росте кристаллов // Радиоэлектроника и информатика. Харьков: ХНУРЕ, 2002. №2(19). С. 27-33. Здобувачем досліджено математичну модель термопружних напруг при рості кристалів.

23. Тевяшев А.Д., Суздаль В.С., Бородавко Ю.М., Пелипец А.А. Численное моделирование термоупругих напряжений при росте кристаллов // Радиоэлектроника и информатика. Харьков: ХНУРЕ, 2002. №3(20). С. 32-37. Здобувачем обгрунтовано використання запропонованого методу моделювання термопружних напруг для вирішення практичної задачі управління процесом кристалізації методом Чохральського.

24. Тевяшев А.Д., Суздаль В.С., Бородавко Ю.М., Пелипец А.А. Математичне моделювання i чисельний аналіз фізичних процесів при вирощуванні великогабаритних лужногалоїдних монокристалів // Науковий вісник Інституту економіки та нових технологій "Нові технологii". Кременчук, 2004. № 1-2 (4-5). C. 135-142. Здобувач визначив задачі чисельного аналізу фізичних процесів при вирощуванні великогабаритних якісних лужногалоїдних монокристалів.

25. Суздаль В.С., Дербунович Л.В., Герасимчук Л.И., Епифанов Ю.М. Моделирование процесса выращивания крупногабаритных щелочно-галоидных кристаллов методом Чохральского // Вісник Національного технічного університету " Харківський політехнічний інститут ". Харків: НТУ "ХПІ", 2005. №56. С. 111-120. Здобувач визначив задачі моделювання для синтезу контурів програмно-логічного управління технологічними параметрами ростових установок.

26. Дербунович Л.В., Суздаль В.С., Соболев А.В., Некрасов В.В. Диагностические модели реактивных многопроцессорных систем управления // Інформацiйно-керуючi системи на залізничному транспорті. Харків: ХарДАЗТ, 2004. №4,5 (48,49). С. 108 -109. Здобувач розробив діагностичні моделі реактивних багатопроцесорних систем управління при вирощуванні великогабаритних монокристалів.

27. Дербунович Л.В., Суздаль В.С., Бережная М.А., Соболев А.В., Татаренко Д.А. Диагностические модели многопроцессорных систем управления // Інформацiйно-керуючi системи на залізничному транспорті. Харків: ХарДАЗТ, 2004. №6 (50). С. 33-37. Здобувач розробив діагностичні моделі з самодіагностуванням для реактивних багатопроцесорних систем управління.

28. Дербунович Л.В., Суздаль В.С., Соболев А.В. Моделирование динамических систем на сетях клеточных автоматов // Вісник Національного технічного університету " Харківський політехнічний інститут ". Харків: НТУ " ХПІ", 2005. №7. С. 52-57. Здобувач здійснив моделювання динамічних систем на базі клітинних автоматів, які використовуються при вирощуванні великогабаритних монокристалів.

29. Дербунович Л.В., Герасимчук Л.И., Суздаль В.С., Соболев А.В. Прогнозное управление процессом выращивания сцинтилляционных монокристаллов // Вісник Національного технічного університету " Харківський політехнічний інститут ". Харків: НТУ "ХПІ", 2005. №17. С. 26-29. Здобувач реалізував синтез прогнозного управління процесом вирощування сцинтиляційних монокристалів.

30. Епифанов Ю.М., Суздаль В.С., Цуранов А.В. Устройство автоматизированной загрузки шихты к установкам для выращивания монокристаллов корунда методом Вернейля // Сб. науч. тр. "Выращивание, исследование и применение монокристаллов". Харьков: ВНИИ монокристаллов, 1985. № 15. С. 121-124. Здобувач запропонував метод автоматизованого завантаження шихти на установках для вирощування монокристалів корунду методом Вернейля.

31. Стадник П.Е., Суздаль В.С., Заславский Б.Г. Об автоматизации процессов получения кристаллов больших размеров // Сб. науч. тр. "Получение и свойства кристаллов". Харьков: ВНИИ монокристаллов, 1986. №17. С. 91-105. Здобувачем досліджено особливості процесів виробництва великогабаритних кристалів, що необхідно для обґрунтованого синтезу ефективної системи управління.

32. Suzdal V.S., Goriletsky V.I., Gerasimchuk L.I. Optimization of algorithmic support for controlling the process of obtaining large-size single crystals from the melt // 11-th IFAC International Workshop. Control applications of optimization. Saint-Petersburg (Russia). 2000 P. 257-258. Здобувачем обґрунтовано необхідність використання оптимальних алгоритмів управління для витягування великих монокристалів.

33. Суздаль В.С., Стадник П.Е. Системы управления процессами получения монокристаллов из расплава // Функциональные материалы для науки и техники. Харьков: "Институт монокристаллов", 2001. С. 514-526. Здобувачем здійснено наукове обґрунтування концепції побудови автоматизованих систем управління для важливої галузі народного господарства України вирощування великогабаритних високоякісних функціональних монокристалів із розплаву.

34. Тевяшев А.Д., Суздаль В.С., Бородавко Ю.М., Пелипец А.А. Математические модели физических процессов при выращивании монокристаллов методом Чохральского // Сб. науч. тр. 1-го международного радиоэлектронного Форума "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития" (МРФ-2002). Ч. II. Харьков: ХНУРЭ. 2002. С. 102-105. Здобувачем досліджено початкові і граничні умови для моделей фізичних процесів при вирощуванні монокристалів методом Чохральського.

35. Тевяшев А.Д., Суздаль В.С., Бородавко Ю.М., Пелипец А.А. Численное моделирование термоупругих напряжений при росте кристаллов // Сб. науч. тр. 8-ой международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" (ИИСТ-2002). Харьков: ХНУРЭ. 2002. С. 400-402.

Здобувачем досліджено початкові і граничні умови для математичної моделі термопружних напруг при вирощуванні монокристалів методом Чохральського.

36. Цифровое задающее устройство: А.с. № 983123 СССР, МКИ G 05 В 19/18 / Л.Б. Грищенко, В.С. Суздаль, Н.И. Стрельников, Ю.М. Епифанов (СССР). №3301029; Заявл. 15.06.81; Опубл. 23.12.82, Бюл. №47. 1 с. Здобувач запропонував метод відновлення пристрою при випадкових відключеннях напруги.

37. Уровнемер: А.с. 1093906 СССР, МКИ G 01 F 23/24 / В.С. Суздаль, Ю.М. Епифанов, В.А. Львович, А.В. Радкевич (СССР). № 2997529/18-10; Заявл. 23.10.80; Опубл. 23.05.84, Бюл. №19. 1 с. Здобувачем запропоновано адаптивний алгоритм роботи вимірювача рівня розплаву.

38. Уровнемер: А.с. 1415067 СССР, МКИ G 01 F 23/24 / А.П. Воронов, Ю.М. Епифанов, М.Б. Космына, В.В. Некрасов, В.С. Суздаль (СССР). № 4141404/24-10; Заявл. 31.10.86; Опубл. 07.08.88, Бюл. № 29. 1 с. Здобувач запропонував схему вимірювача рівня розплаву при вирощуванні плівок.

39. Пат. 1589173 РФ, МКИ G 01 N 25/04. Способ определения начала кристаллизации при выращивании кристаллов из раствора расплава / А.П. Воронов, Ю.М. Епифанов, М.Б. Космына, В.В. Некрасов, В.С. Суздаль (Украина). №4615320; Заявл. 02.11.88; Опубл. 30.12.93, Бюл. №32 1 с. Здобувач розробив метод вимірювання провідності розплаву.

40. Пат. 2039974 РФ, МКИ G 01 N 25/02. Способ определения начала кристаллизации при выращивании кристаллов из раствора расплава / Ю.М. Епифанов, В.С. Суздаль, В.Н. Гладкий, В.Д. Бяло (Украина). № 5044894/25; Заявл. 01.06.92; Опубл. 20.07.95, Бюл. № 20. 1 с. Здобувачем досліджено залежність електроопору розплаву від частоти коливань перетворювача при вірощуванні лужно-галоидних монокристалів.

41. Пат. 29080 А Україна, МПК С 30 В 15/20. Пристрій для регулювання росту монокристалів / В.І. Горілецький, Б.В. Гриньов, Ю.М. Єпіфанов, С.К. Бондаренко, В.А. Кузнєцов, В.С. Суздаль, Л.І. Герасимчук (Україна). № 97126470; Заявл. 30.12.97; Надрук. 16.10.2000, Бюл. № 5. Ч. ІІ. 1 с. Здобувач запропонував збільшення кількості управляючих сигналів в одному циклі для підвищення якості регулювання при вирощуванні кристалів.

42. Пат. 30878 А Україна, МПК С 30 В 15/20. Пристрій для регулювання росту монокристалів / Л.І. Герасимчук, В.І. Горілецький, Ю.М. Єпіфанов, В.М. Звягінцев, В.А. Кузнєцов, В.С. Суздаль, І.І. Тавровський (Україна). № 98063101; Заявл. 16.06.98; Надрук. 15.12.2000, Бюл. № 7. Ч. ІІ. 1 с. Здобувач обгрунтував залежність точності регулювання діаметра монокристала від рівня дискретності переміщення кристалотримача.

43. Пат. 43077 А Україна, МПК С 30 В 15/20. Пристрій для регулювання росту монокристалів / В.С.Суздаль, В.І. Горілецький, Л.І. Герасимчук, Ю.М. Єпіфанов, В.М. Звягінцев, І.І. Тавровський, М.І. Стрельніков (Україна). №2001020889; Заявл. 09.02.01; Надрук. 15.11.01, Бюл. № 10. Кн. 1. 1 с. Здобувач запропонував структуру двокаскадного регулятора температури нагрівача із допоміжними зв'язками.

44. Пат. 46475 А Україна, МПК С 30 В 15/20. Пристрій для регулювання росту монокристалів / Л.І. Герасимчук, В.І. Горілецький, Ю.М. Єпіфанов, В.М. Звягінцев, М.П. Артеменко, В.С.Суздаль, І.І. Тавровський (Україна). №2001075253; Заявл. 23.07.01; Надрук. 15.05.02, Бюл. № 5. Кн. 1. 1 с. Здобувач запропонував модель вимірювання рівня розплаву в процесі кристалізації великогабаритних монокристалів.

Анотація

Суздаль В.С. Синтез вiдмовостійких автоматизованих систем управління процесами вирощування високоякісних великогабаритних монокристалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів. - Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України, Харків, 2005.

Дисертація присвячена синтезу стійких до відмов адаптивних систем управління в галузі одержання великогабаритних функціональних монокристалів (ФМК) високої якості. Розроблено метод аперіодичного прогнозного регулювання при управлінні технологічним процесом вирощування ФМК на основі нового рекурсивного алгоритму. Розроблені графові моделі систем управління із процесорними модулями, які самотестуються, що дозволяє на поведінковому рівні організувати умовні діагностичні експерименти для виявлення в системах управління несправних процесорних модулів і інтерфейсних зв'язків між ними. Розроблені й обґрунтовані методи проектування діагностичного забезпечення систем управління на основі концепції сигнатурного моніторингу. Розроблено новий метод управління процесом вирощування монокристалів, заснований на використанні додаткових контурів фонового підживлення розплава і квазібезперервного витягування кристала, показана його ефективність для управління ТП вирощування якісних великогабаритних ФМК.

Практична реалізація розроблених алгоритмів і методів управління в промисловому виробництві великогабаритних сцинтиляційних монокристалів дозволила підвищити якість готової продукції та ефективність виробництва.

Ключові слова: технологічний процес, нестаціонарний режим роботи, моделювання, алгоритм, адаптивне управління, прогнозне регулювання, діагностичне забезпечення.

Аннотация

Суздаль В.С. Синтез отказоустойчивых автоматизированных систем управления процессами выращивания высококачественных крупногабаритных - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов. - Институт сцинтилляционных материалов НАН Украины, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена разработке и обоснованию новых методов автоматизированного управления технологическим процессом получения крупногабаритных функциональных монокристаллов (ФМК) с целью повышения эффективности производства и достижения высоких показателей качества выращиваемых кристаллов. Обоснована необходимость разработки новой концепции адаптивного и отказоустойчивого управления выращиванием ФМК, теоретических и инженерно-технических основ синтеза и проектирования многопроцессорными системами управления (МПСУ) ростовыми установками, устойчивых к фактическому уровню параметрической неопределенности объекта управления, разработки моделей и создание на их основе алгоритмов управления и отказоустойчивых программно-технических средств МПСУ для промышленного производства высококачественных крупногабаритных ФМК.

Проведено моделирования процессов кристаллизации в трехмерном пространстве. Формализация этих моделей и их использование позволяют определить необходимые условия обеспечения равномерности распределения активатора в объеме кристалла и решить ряд других важных задач для синтеза систем управления выращиванием. Получена стохастическая модель процесса кристаллизации, включающая в себя уравнения Навье-Стокса, теплопроводности и диффузии в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений со случайными коэффициентами и случайной правой частью, на основе которой получены оценки влияния технологических параметров ростовых установок на процесс выращивания ФМК.

Обоснован и реализован новый класс МПСУ ростовыми установками с использованием метода апериодического прогнозного регулирования диаметра кристалла на основе рекурсивного алгоритма, в котором формула рекурсии одновременно удовлетворяет требованиям идентификации параметров системы и уравнению апериодического управления с прогнозированием, что позволяет повысить качество выращиваемых ФМК в условиях промышленного производства. Предложен метод управления процессом выращивания крупногабаритных монокристаллов, который отличается от существующих введением дополнительных контуров фоновой подпитки расплава и квазинепрерывного вытягивания кристалла, обоснована его эффективность для управления ТП выращивания качественных ФМК.

На основе анализа современных методов и программно-аппаратных средств технической диагностики разработаны принципы построения диагностического обеспечения МПСУ ростовыми установками. Разработаны диагностические модели МПСУ поведенческого, функционального и структурно-логического уровней с учетом особенностей управления процессами выращивания ФМК и статистических данных об отказах систем управления. Разработаны графовые модели МПСУ с самотестируемыми процессорными модулями, позволяющие на поведенческом уровне организовать условные диагностические эксперименты для обнаружения в системе управления неисправных процессорных модулей и интерфейсных связей между ними. Разработаны и обоснованы методы синтеза и проектирования диагностического обеспечения МПСУ на основе концепции сигнатурного мониторинга, что позволило осуществить тестовое и функциональное диагностирование МПСУ унифицированными встроенными программно-аппаратными модулями и обеспечить высокий коэффициент готовности и требуемый уровень отказоустойчивости системы управления. Предложен и обоснован метод функционального диагностирования микроконтроллерных устройств управления с применением диагностического процессора, который проверяет правильность выполнения сегментов управляющей программы и осуществляет восстановление работоспособности МПСУ при появлении сбоев и перемежающихся неисправностей.

На основе предложенных моделей, методов, алгоритмов управления и методов синтеза микроконтроллерных систем управления с встроенными средствами тестового и функционального диагностирования модулями сигнатурного мониторинга разработан комплекс программно-технических средств МПСУ ростовыми установками, внедрение и эксплуатация которых обеспечивает получение ФМК высокого качества в промышленных условиях.

Ключевые слова: технологический процесс, нестационарный режим работы, моделирование, алгоритм, адаптивное управление, прогнозное регулирование, диагностическое обеспечение.

Abstract

Suzdal V.S. Synthesis fault-tolerant automated control system of process by growing high-quality large-size monocrystals. - Manuscript.

Thesis for a doctor degree of technical science on specialty 05.13.07 - automation of technological processes. - Institute for Scintillation Materials, National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2005.

The thesis is devoted to development and a substantiation of methodology of design of faulttolerant adaptive control systems in the field of growing large-sized functional single crystals. The method of adaptive predictive control is developed at control of a process of growing functional single crystals on the basis of new recursive algorithm in which the formula of a recursion simultaneously meets the requirements of identification of system and to the equation of the aperiodic control with prediction. Are developed graph models of control systems with the self-adjustable processor units, allowing at a behavioral level to organize the conditional and unconditional diagnostic experiments for detection in control systems faulty processor units and the interface connections between them.

Methods of a synthesis and design of diagnostic provision control systems on the basis of the concept of signature monitoring are developed and justified. The new method of single-crystal growth with application of the level detector of melt, background additional charging of melt, the quasicontinuous pulling of the chip is offered and efficiency of its application for control process growing large-sized functional single crystals is justified.

Practical implementation of the developed algorithms and methods of control in industrial production large-sized scintillation single crystals has allowed to boost fault tolerance and accuracy control systems that has ensured the boosted quality level of a finished product of the factory-manufacturer.

Keywords: technological process, non-stationary mode of operation, modeling, algorithm, adaptive control, prediction adjusting, diagnostic assurance.

Размещено на Allbest.ru