Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2012, № 2

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение 

высшего профессионального образования 
 
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ 
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2012 

ISSN 2071-6168 
 
 
УДК 621.86/87 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 511 с. 
 
Рассматриваются научно-технические проблемы в области автоматизации производственных процессов и технологических систем, машиностроения и машиноведения, технологии и оборудования обработки металлов давлением, транспорта. 
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике 
технических наук. 
 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, 
Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, В.С. КАРПОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), А.Н. Карпов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора), 
С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь), 
И.Е. Агуреев, А.Н. Иноземцев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, 
А.Э. Соловьев 
 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных 
журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, 
в которых должны быть опубликованы научные результаты 
диссертаций на соискание учёной степени доктора наук 
 
 
© Авторы научных статей, 2012 
© Издательство ТулГУ, 2012 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 2 
 

 
4

лей [10]. В результате возрастает размерность моделей до 500…1500 переменных, каждая из которых может иметь свой критерий оценки. Хотя и 
отмечается, что наибольший удельный вес приходится на параметры и связи производственной структуры и технической системы, но не предусматривается возможность их вариации в процессе изменения условий функционирования и управления. Это ограничивает область возможных оптимальных стратегий. Модель многопродуктового производства [3] построена в классе непрерывных функций и в экономических категориях «стоимость», «доход», «спрос», «предложение» и т. д. Она позволяет сформировать оптимальные стратегии управления ТС при регулировании цены и 
объёмов производства, однако не вскрывает внутренних резервов системы, 
не дает возможности определить основные источники потерь и наметить 
структурные и параметрические изменения в системе, приводящие к адаптации ее к вариациям внешних условий. 
Очевидно, для анализа функционирования ТС целесообразно представить её в виде взаимосвязанной многоконтурной системы, имеющей 
определённую иерархию [8]. Входами системы являются потоки основных 
и вспомогательных материалов, комплектующих и полуфабрикатов, потоки различных видов энергии. Выходы - это материальный поток готовой 
продукции, материальные отходы и потери энергии. Каждый поток имеет 
соответствующую интенсивность и качество. Под качеством будем понимать номенклатуру его составляющих и их параметры. ТС характеризуется 
некоторой структурой и параметрами. Структуру определяет совокупность 
взаимосвязанных контуров управления преобразованием потоков основных и вспомогательных материалов, инструмента, энергии и т. д. В качестве параметров такой системы выступают характеристики используемых 
технических средств и технологических процессов. Влияние элементов и 
контуров друг на друга задаётся функциями или операторами взаимных 
связей. Современные условия заставляют рассматривать ТС на различных 
иерархических уровнях как динамический объект. В течение длительных 
периодов времени она может функционировать в переходных режимах, 
сопровождаемых, например, колебаниями программы выпуска продукции. 
Для решения поставленной задачи и обеспечения единого подхода к 
различным по физической сущности, динамике, а в некоторых случаях и 
целям управления контурам целесообразно использовать энергетические 
категории. Они позволяют сохранить своеобразие и технические особенности всех уровней системы: воздействие, процесс, машина, система машин [9]. Кроме этого, они позволяют перейти от системы с неформализованными и слабыми связями между контурами к стройному единому описанию ТС операции, а в дальнейшем, например при решении задач анализа 
динамики - к представлению ее виде одноконтурной системы. 
Воспользуемся предложенным ранее методом представления со

Автоматизация производственных процессов и технологических систем 
 

 
5

стояния ТС в некотором энергетическом пространстве [9]. В этом случае 
предметы производства, заготовки, детали и др. (материальный поток) 
должны быть представлены соответствующими энергетическими категориями - энергетическим содержанием элементов материального потока. 
Важно обеспечить идентичность подхода в определении энергетического 
содержания любого элемента на любой стадии технологического процесса. 
Энергетическая модель, например, основного контура ТС операции, 
без учета перекрестных связей может быть представлена в виде системы, 
входом в которую является энергия заготовки
заг
Е
, а выходом - энергия 
детали 
д
Е : 

отх
д
заг
Е
Е
Е
+
=
. 
 
 
 
 
(1) 
Следует отметить, что пренебрежение перекрестными связями делает невозможным определение 
отх
Е
 на основании чисто кинематических 
и геометрических характеристик выполняемой операции и детали соответственно. В этом случае структурная схема ТС операции может быть представлена следующим образом (рис.1). 

 

 
 
Рис. 1. Структурная схема основного контура энергетической модели 
технологической системы операции 
 
В прямой цепи 

1
1
−
=
=
)
Е
/
Е
(
Е
Е

д
заг
отх

д
прз
W
, 
 
 
 
(2) 

где 
)
р
(
Ф
Е
/
Е
прз
заг
д
=
- передаточная функция замкнутой системы пре
образования заготовки в деталь. 
Передаточная функция 
)
р
(
Фпрз
отражает динамику изменения сни
маемого с заготовки припуска, а в установившемся режиме - коэффициент 
использования материала на конкретной операции. 
К числу статических характеристик основного контура следует отнести коэффициент использования материала, который определяет его 
добротность. Инерционность контура зависит от длительности технологических операций и времени ожидания поступления следующей детали. 
При наличии в технологической цепочке межоперационных заделов формально длительность обработки конкретной детали возрастает на время ее 
пролеживания в заделах. С точки зрения управления заделы должны рассматриваться как элементарные звенья с запаздыванием. Величина запаздывания пропорциональна их ёмкости и длительности технологической 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 2 
 

 
6

операции. 
Добротность энергетического контура можно определить как отношение энергии, диссипируемой в ТС, к вводимой в неё. Она характеризует 
качество используемого оборудования, реализуемых технологических 
процессов и режимов работы. При такой постановке важное значение приобретает понятие полезной энергии. Под ней будем понимать энергию, 
идущую на преобразование свойств и формы заготовок, а также изменение 
пространственного расположения элементов материальных потоков. 
Таким образом, полезной является вся вводимая в ТС энергия, за 
исключением энергии, выделяемой в виде тепла [9]. Инерционностью 
большинства элементов этого контура можно пренебречь по сравнению с 
основным контуром. 
Добротность контура инструмента характеризует эффективность 
его использования. Если предположить, что каждый инструмент, прежде 
чем попасть в отходы, произвёл некую заданную полезную работу, то 
можно принять добротность этого контура равной единице. В этом случае 
такие характеристики, как число перезаточек, отношение числа инструментов, находящихся в работе, к общему числу инструментов в ТС и т.д., 
являются внутренними параметрами контура. Его инерционность можно 
определить через время, необходимое для доставки требуемого типа инструмента в начало заданного рабочего участка траектории его движения 
применительно к конкретному оборудованию [9]. 
В этом случае такие известные характеристики, как количество инструмента и энергии, необходимых для производства единицы продукции, 
выступают в виде коэффициентов перекрёстных связей. 
На основании описания ТС в энергетическом пространстве [9] её 
декомпозиция на элементарные объекты становится достаточно очевидной. Это даёт возможность выделить главные и второстепенные входы и 
выходы и применить известное условное деление [8]. 
Энергетическая модель основного контура ТС операции с учетом 
перекрестных связей должна быть представлена в виде системы, входом в 
которую является полная вводимая энергия 
пол
E
, а выходом – энергия детали 
Д
E
: 

затМ
затЭ
пол
Е
Е
E
+
=
, 
 
 
 
 
(3) 

изн
заг
затМ
Е
Е
E
+
=
,  
 
 
 
 
(4) 
где 
заг
Е
 – энергия заготовки; 
затЭ
Е
 – все виды энергии, затрачиваемой 
системой на преобразование заготовки в деталь в конкретных регламентированных условиях производства [9]; 
затМ
Е
 –энергия всех видов материальных ресурсов, используемых при выполнении операции. 
При таком подходе энергетическая модель (ЭМ) технологической 
операции (ТО) может быть представлена следующей структурной схемой 
(рис. 2). 

Автоматизация производственных процессов и технологических систем 
 

 
7

 
 
Рис. 2. Структурная схема энергетической модели 
технологической системы операции 
 

Из схемы видно, что 

затЭ

д
Е

Е
р
Ф
=
)
(
1
 - передаточная функция пре
образования энергетических ресурсов в энергию заготовки, обратная ей 
функция отражает динамику изменения приведенных затрат энергии; 

д

затМ
Е

Е
р
Ф
=
)
(
2
 - обратная передаточная функция преобразования энер
гии входных материальных ресурсов в энергию детали. 
Очевидно, модель ТС операции должна быть преобразована таким 
образом, чтобы обеспечить сочленение моделей различных операций в 
общем ТП. Вероятно, объединение должно производиться в соответствии с 
принципами преобразования основного материального потока: т.е. входом 
должны быть 
заг
Е
, а выходом - 
д
Е . Очевидно, модель ТС операции должна быть преобразована таким образом, чтобы обеспечить сочленение моделей различных операций в общем ТП. Вероятно, объединение должно 
производиться в соответствии с принципами преобразования основного 
материального потока, т.е. входом должны быть 
заг
Е
, а выходом - 
д
Е  - 
(рис. 3). 

 

 
 
Рис. 3. Преобразованная структурная схема энергетической 
 модели технологической системы операции 
 
Для упрощения дальнейших выкладок пренебрежем затратами, связанными с износом инструмента. Они не соизмеримо меньше затрат энергии на формирование отходов основного материала. Тогда на основании 
закона сохранения энергии можно записать 

потЭ
отх
д
заг
затЭ
пол
Е
Е
Е
Е
Е
E
+
+
=
+
=
, 
 
 
(5) 
или 

)
р
(
Ф
)
р
(
Ф
Е
Е
Е
Е
Е
Е
Е
Е

заг

д

д

затЭ

заг

затЭ

заг

пол
1
2
1
1
1
1
1
−
−
⋅
+
=
+
=
+
=
.       (6) 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 2 
 

 
8

В то же время в соответствии с законом сохранения энергии, используя равенство (5), можно записать 

пр
заг
потЭ
затЭ
заг
отх
д
Е
Е
Е
Е
Е
Е
Е
+
=
−
+
=
+
, 
 
(7) 

где 
пр
Е
- энергия, которую необходимо затратить, чтобы диспергировать 

заготовку на деталь и отходы, характеризуемые так же, как и деталь, определенной геометрией и массой (
m
,
F
). 
Это равенство позволяет сохранить адекватность модели при 

1
≤

заг

д
Е
Е
. 

Очевидно, энергию преобразования условно можно представить в 
виде двух составляющих: 

прЗ
отх
пр
Е
Е
Е
+
=
, 
 
 
 
(8) 

где 
прЗ
Е
 - полезная составляющая энергии преобразования, характери
зующая затраты энергии на формирования поверхностей детали. Она является функцией параметров оборудования и технологического процесса. 
Вычисление 
потЭ
Е
 представляет собой определённую проблему, 
так как предполагается учет режимов обработки: 

ио
техн
стр
разр
потЭ
Е
Е
Е
Е
Е
∆
+
∆
+
∆
+
∆
=
, 
 
 
(9) 

где 
раз
Е
∆
- потери на нагрев и деформацию обрабатываемого материала; 

стр
Е
∆
- потери на образование поверхностей стружки; 
техн
Е
∆
- потери на 

образование лишних поверхностей, обусловленных необходимостью многопроходной обработки; 
ио
Е
∆
- потери в приводах технологической системы. 
В этом случае структурную схему энергетической модели ТС операции можно представить следующим образом. 
Из нее можно видеть, что 

)
р
(
Ф
)
р
(
Ф
)
р
(
WЭ

1

2

1

1

−
−
⋅
=
; 
)
р
(
Ф
)
р
(
WЭ
1
=
,  
 
(10) 

где 
)
p
(
WЭ
 - передаточная функция, определяющая необходимые энергетические ресурсы 
затЭ
Е
 для производства деталей с энергией 
д
Е  из заготовок с энергией 
заг
Е
; 
)
( p
Wд
 - передаточная функция, определяющая эффективность использования энергии в ТС операции. 
Очевидно, в реальных условиях всегда существует расхождение ∆  
между требуемым значением энергии детали 
0
д
Е
 и получаемым 
д
Е  в количественном и качественном выражениях. Задача системы управления ТС 
операции заключается в минимизации этих отклонений. Передаточная 
функция регулятора системы 
)
p
(
WP
 определяет материальные и энергетические ресурсы, необходимые для получения деталей с заданным значением 
0
д
Е
. Можно предположить, что эта система статическая, то есть 

Автоматизация производственных процессов и технологических систем 
 

 
9

функционирует всегда с некоторой ошибкой ∆ . В определенном смысле 
∆ - это ошибка в свойствах получаемых деталей. 
Очевидно, 
предложенный 
подход 
можно 
распространить 
на 
модель функционирования ТС при выполнении некоторой годовой программы N . 
В этом случае учет программы выпуска равносилен пропорциональному увеличению энергии детали 
0
д
Е
, то есть 
0
0
д
n
д
NЕ
Е
=
представляет собой спрос на конкретные детали-операции. Тогда ∆  - дефицит получаемых деталей в количественном и качественном выражениях. 
Интересно 
отметить, 
что 
в 
общем 
случае 
д
дn
NЕ
Е
≠
; 

пол
полn
NЕ
Е
≠
; 
заг
загn
NЕ
Е
≠
 и т. д. Это объясняется тем, что параметры 
соответствующих передаточных функций зависят от программы выпуска 
деталей. 
Очевидно, 
0
>
полn
Е
 всегда, она определяет необходимое количество ресурсов для получения заданного количества деталей заданного качества. Если предположить неограниченность материальных и энергетических ресурсов ТС, то можно считать регулятор 
)
p
(
WP
 безынерционным 
звеном, то есть 
Р
P
К
)
p
(
W
=
. Он определяет стратегию производства в 
смысле удовлетворения спроса и возможности ТС по покрытию этого 
спроса (вероятно, здесь следует говорить о части спроса, которую потенциально может удовлетворить конкретная ТС). 
Предложенная энергетическая модель позволяет оценить эффективность ТС не только в комплексе, то есть по готовой продукции конкретного вида, но и по конкретной детали, входящей в готовую продукцию, так как спрос на конкретную деталь определяется спросом на готовое 
изделие. 
Вероятно, ∆  в энергетической модели однозначно определяется 
экономико-социальным запросом, так как в основу любой ТС положена 
цель удовлетворения потребностей, уменьшения или даже «ликвидации» 
дефицита. 
Модель технологической системы операции может быть легко преобразована в модель, характеризующую динамику изменения энергетических потоков, поскольку 

∫
=
шт
t

д
д
dt
Р
Е

0

,  
 
 
 
 
(11) 

где 
д
Р - поток энергии элемента материального потока (детали), формирующий за штучное время шт
t
 заданное энергетическое содержание детали 
д
Е . 
Разработанная энергетическая модель ТС операции является основой методики оценки эффективности технологических операций, позво

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 2 
 

 
10

ляющей определять требуемое количество материальных и энергетических 
ресурсов, сравнить приведенные их значения для различных условий 
функционирования и наметить пути снижения их потерь. 
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ проект 
№ 10-08-97512-р_центр_а. 
 
Список литературы 
 
1. Автоматизация дискретного производства / под общей редакцией 
проф. Е. И. Семенова и проф. Л. И. Волчкевича. М.: Машиностроение; София: Техника, 1987. 520 с. 
2. Имитационное моделирование в оперативном управлении производством / Н. А. Саломатин [и др.]. М.: Машиностроение, 1984. 208 с. 
3. Левшин Л. В. Экономические связи между производством и потреблением. М.: Экономика, 1972. 256 с. 
4. Основы автоматизации управления производством / под редакцией чл.–корр. АН СССР И. М. Макарова. М.: Высш. школа, 1983. 504 с. 
5. Основы управления технологическими процессами / под редакцией Н. С. Райбмана. М.: Наука, 1978. 440 с. 
6. Петров В. А., Масленников А. Н., Осипов Л. А. Планирование 
гибких производственных систем. Л.: Машиностроение, 1985.182 с. 
7. Пуховский Е. С. Технологические основы гибкого автоматизированного производства. Киев: Выща шк. Головное изд–во, 1989. 240 с. 
8. Растригин Л. А. Современные принципы управления сложными 
объектами. М.: Сов. Радио, 1980. 232 с. 
9. Сальников В.С. Технологические основы эффективного энергопотребления производственных систем. Тула: Изд-во “Тульский полиграфист”, 2003. 187 с. 
10. Справочник проектировщика АСУ ТП / под редакцией 
Г. Л. Смилянского. М.: Машиностроение, 1983. 527 с. 
 
V.S. Salnikov, O.A. Yerzin 
MANAGEMENT 
AUTOMATION 
BY 
THE 
MATERIAL 
STREAM 
IN 
TECHNOLOGICAL SYSTEM OF OPERATION 
The power model of technological system which are a basis of a technique of an estimation of efficiency of production operations is presented, allowing to define 
demanded quantity material and power resources to compare their resulted values for various 
operating conditions and to plan ways of decrease in their losses. 
Key words: power model, a control loop, a transfer function, entrance and target 
streams. 
 
Получено 20.01.12