Математическое моделирование систем управления трубоукладочными робототехническими комплексами для строительства газопроводов

Открытие и освоение новых месторождений нефти и газа в восточных районах страны связано со строительством крупнейших в мире магистральных трубопроводов диаметром до 1420 мм, а также капитальным ремонтом ранее сооруженных трубопроводов. Монтажные работы при сооружении таких трубопроводов выполняются уже не одним трубоукладчиком, а колонной, состоящей в общем случае из 6−8 следующих друг за другом трубоукладчиков, управляемых машинистами, очистной и изоляционной машин. При этом процесс очистки, изоляции и укладки трубопровода на дно траншеи осуществляется безостановочно взаимосвязанными через трубопровод машинами.

Работа изоляционно-укладочной колонны характеризуется действием экстремальных возмущений, приводящих к аварийным ситуациям, при которых из-за полной потери поперечной устойчивости трубоукладчика происходит столкновение и опрокидывание машин, что приводит к травматизму машинистов, разрушению машин и трубопровода. Указанные трудности выполнения изоляционно-укладочных работ, несогласованность действий машинистов при управлении рабочим оборудованием и машинами колонны могут быть преодолены путём разработки и внедрения средств комплексной роботизации технологического процесса, что обеспечит синхронизацию работ по укладке трубопровода и выполнение всё возрастающих требований к качеству сооружаемых объектов.

Целью диссертационной работы являются разработка принципов роботизированной технологической системы (РТС) и исследование моделей систем управления робототехнических комплексов (РТК) трубоукладочной колонны.

В работе защищаются:

— структурная организация робототехнической системы укладки трубопровода в траншею;

— программное обеспечение управляющей ЭВМ с элементами прогнозирования на основе математических моделей системы;

— математическая модель напряжённо-деформируемого состояния трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

— принцип построения локальных систем регулирования дистанциями для группы машин с бесступенчатым регулированием скорости их движения с учетом блокировок и нештатных ситуаций;

— математическая модель и результаты исследования процесса регулирования дистанционного взаимодействия машин трубоукладочной колонны, в которой учтены различные аварийные состояния;

— принципы построения системы корректировки пространственного положения трубопровода за счёт манипулирования грузоподъёмным и стреловым приводами робота-трубоукладчика;

— математическая модель и результаты исследования процесса регулирования вектора нагрузки.

Научная новизна работы заключается в том, что предложены: — структура РТК на базе крана-трубоукладчика, работающего с упруго-деформированной нагрузкой;

— структура РТС и взаимодействующих на базе управляющей ЭВМ роботов-трубоукладчиков с элементами прогнозирования на основе математических моделей;

— модель упруго-деформированного трубопровода, позволяющая рассчитывать координаты подвеса и упруго-механические свойства трубопровода в двух его плоскостях, а также исследовать динамические процессы трубопровода;

— принципы построения системы регулирования расстояний группы подвижных машин на базе робота-трубоукладчика с устройством бесступенчатого регулирования скорости движения;

— математическая модель регулирования расстояний между механизмами группы РТК изоляционно-укладочной колонны, позволяющая исследовать динамику движения машин;

— принцип корректировки координаты подвеса трубопровода за счёт одновременной стабилизации величины усилия в грузовом канате и направления этого усилия и система для его реализации;

— математическая модель регулирования вектора нагрузки, учитывающая различные (в т.ч. и аварийные) ситуации.

Практическая ценность заключается в:

— разработке принципов построения робототехнических комплексов на основе кранов-трубоукладчиков, локальных систем автоматического управления каждым РТК в процессе укладки и системы взаимодействия всех технологических машин в колонне;

— модернизации робота-трубоукладчика, заключающаяся в установке на нём устройства бесступенчатого регулирования скорости движения на основе объёмного гидропривода и позволяющая повысить эффективность регулирования расстояний;

— разработанные математические модели могут использоваться как самостоятельно для исследования и определения различных параметров соответствующих устройств и систем, так и в качестве программных модулей, а также составных блоков прогнозирования с элементами искусственного интеллекта управляющей ЭВМ;

— повышении производительности изоляционно-укладочной колонны- -решении ряда социальных проблем, связанных с улучшением условий безопасности и жизнедеятельности рабочих, в т. ч. сокращении их числа, при выполнении одного из опаснейших технологических процессов.

Реализация работы. Работа выполнена в плане научных направлений «Теория и принципы построения машин-автоматов, роботов и ГАП» и «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» ЮРГТУ (НПИ), а также в соответствии с тематикой по единому заказ-наряду министерства образования РФ «Теория и принципы построения лазерных и мехатронных систем оптимального управления мобильным робототехническим комплексом» № 41.95 и «Научные основы компьютерной технологии проектирования электромеханических комплексов перспективных транспортах систем» № 31.94. Результаты работы используются при выполнении опытно-конструкторских работ СКБ «Газстроймашина». Ожидаемый годовой экономический эффект от применения средств и систем комплексной автоматизации связан с ростом годовой эксплуатационной производительности колонны и составит от 2 до 4% от внедрения одной системы.

Апробация работы: основные результаты работы докладывались и обсуждались на V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (Ростов-на-Дону, 1997), Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии управления робототехническими и автотранспортными объектами» (Ставрополь, 1997), Первой и Второй международных научно-технических конференциях «Новые технологии управления движением технических объектов». (Ставрополь, Новочеркасск, 1999) и ежегодных конференциях НГТУ с 1995 по 1998 годы. Полученные результаты опубликованы в 9 статьях и 6 докладах.

Новизна полученных результатов подтверждается отсутствием аналогичных разработок в отечественной и зарубежной литературе, статьями и одобренными докладами на конференциях, в которых отмечается их приоритет.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих печатных работах:

1.3агороднюк Е. В. Моделирование системы регулирования нагружения крана-трубоукладчика на ЭВМ // Изв. вузов. Сев.- Кавк. регион. Техн. науки. — 1997. — № 2. — С.118−119.

2. Загороднюк Е. В. Исследование математической модели автоматического управления расположением робототехнических комплексов трубоукладочной колонны // Изв. вузов. Электромеханика. — 1998. — № 4. -С.101−102.

3. Загороднюк Е. В. Моделирование процесса регулирования вектора нагрузки РТК в РТС изоляционно-укладочной колонны // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1999. № 2. С.32−35.

4. Загороднюк Е. В. Моделирование системы управления движением подвесного груза мобильного робота // Новые технологии управления движением технических объектов: Тр. 1-й Междунар. конф., г. Ставрополь, 13−15 янв. 1999 г. — Ставрополь, 1999. — С. 156−158.

5. Загороднюк Е. В. Математическое моделирование динамики робота-трубоукладчика для экстремальных условий // 5-я Междунар. науч.-техн. конф. по динамике технологических систем: Тез. докл. — Ростов н/Д, 1997. -Т.1. — С.61−62.

6. Загороднюк Е. В. Моделирование систем управления ремонтно-монтажной колонной трубоукладчиков // Новые технологии управления движением технических объектов: Материалы 2-й Междунар. науч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 22−25 нояб.1999 г. — Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 1999. -Т.1. — С.55−57.

7. Шошиашвили М. Э., Загороднюк Е. В. Система автоматического регулирования расстояния между трубоукладчиком и изоляционной машиной и её математическая модель // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. — 1996. — № 4. — С.14−18.

8. Шошиашвили М. Э., Слуцкий В. П., Загороднюк Е. В. Методологические аспекты построения управляющих устройств для мобильных РТК // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. — 1997. № 3. — С.21−23.

9. Шошиашвили М. Э., Загороднюк Е. В. Структура управляющей ЭВМ для трубоукладочной РТС // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. — 1998. -№ 2. — С. 110−111.

Ю.Воронцов Г. В., Шошиашвили М. Э., Загороднюк Е. В. Нелинейная теория напряжённо-деформируемого состояния трубопровода при укладке в траншею // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. — 1997. — № 4. — С.67−69.

П.Воронцов Г. В., Шошиашвили М. Э., Загороднюк Е. В. Математическая модель и оптимизация укладки трубопровода в траншею // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. — 1997. — № 3. — С.63−70.

12.Шошиашвили М. Э., Загороднюк Е. В., Потерухин А. Н. Моделирование изоляционно-укладочной колонны / Новочерк.гос.техн.ун-т. — Новочеркасск, 1995. — 14 с. — Деп. в ВИНИТИ 06.12.95, № 3250 — В 95.

13.Шошиашвили М. Э., Загороднюк Е. В. Система автоматизированного управления трубоукладочной колонной // Сб. статей и кратк. сообщ. по материалам науч.-техн. конф. студентов и аспирантов НГТУ, г. Новочеркасск, 10−25 апр. 1996 г. — Новочеркасск: НГТУ, 1996. — С.51−52. 14.3агороднюк Е. В. Моделирование процессов управления дистанциями между машинами и механизмами трубоукладочной колонны / Новочерк. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск, 1997. — 20 с. — Деп. в ВИНИТИ 29.08.97, № 2766 — В 97.

15.3агороднюк Е. В. Исследование и уточнение модели регулирования пространственного взаимодействия машин трубоукладочной колонны /.

— 10.

Новочерк. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск, 1998. — 30 с. — Деп. в ВИНИТИ 04.08.98, № 2499 — В 98.

Структура диссертации. Диссертация, объемом 177 страницы, состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 100 наименований и содержит 48 рисунков, 8 таблиц и 3 приложения.

— 1404.4 ВЫВОДЫ.

1. Предложен принцип корректирования координаты подвеса трубопровода за счёт стабилизации величины усилия в грузовом канате и направления этого усилия.

2. Разработаны принципы построения системы регулирования вектора нагрузки.

3. Разработано математическое описание процесса регулирования вектора нагрузки, включающее в себя такие элементы как блок определения допустимой нагрузки, двигатель внутреннего сгорания, всережимный регулятор скорости, трансмиссию подъёмного оборудования, канатные системы, грузовую и стреловую лебёдки, гидропривод управления муфтами реверса и тормоза, динамику машины на упругом грунтовом основании.

4. Проведены исследования на ЭВМ полученной математической модели, подтвердившие эффективность предложенных принципов построения системы регулирования вектора нагрузки, определены параметры настройки регуляторов, позволяющие получить устойчивый процесс при различных, в том числе и критических, возмущениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ работы изоляционно-укладочной колонны показал, что трудности выполнения изоляционно-укладочных работ, несогласованность действий машинистов при управлении рабочим оборудованием и машинами колонны могут быть преодолены путём разработки и внедрения средств комплексной роботизации технологического процесса. Предложенные принципы построения РТС трубоукладочной колонны позволили определить задачи исследований и разработать структурную организацию программного обеспечения управляющей ЭВМ.

2.Разработана математическая модель напряжённо-деформируемого состояния трубопровода, позволяющая определять геометрические и прочностные параметры колонны и оптимизировать расстановку механизмов, а также усилия подвеса.

3.Предложены принципы оптимизации расстановки роботов-трубоукладчиков, обеспечивающих минимизацию напряженного состояния трубы при заданной глубине траншеи и ограничениях на перемещениях трубы на участках технологических машин.

4.Предложены принципы построения системы регулирования расстояниями между всеми механизмами трубоукладочной колонны, основанные на измерении дистанций механическим устройством и позволяющие регулировать расстояния между машинами в автоматическом режиме с погрешностью не более 25 мм.

5.Предложена модернизация трубоукладчика, заключающаяся в установке на нём устройства бесступенчатого регулирования скорости движения на основе объёмного гидропривода. Это позволяет избежать значительных релейных эффектов, что повышает точность и качество процесса регулирования дистанций.

6.Разработана математическая модель системы регулирования дистанциями, адекватно описывающая динамику движения машин, и проведены исследования её на ЭВМ, которые подтвердили возможность эффективного регулирования расстояний в автоматическом режиме, в том числе в критических условиях.

7.Разработаны принципы построения системы регулирования вектора нагрузки, позволяющие стабилизировать подвес трубопровода путём регулирования величины нагрузки и угла наклона стрелы, а также ограничивать на допустимом уровне заданную нагрузку при превышении последней предельного по устойчивости на местности значения.

8.Получена математическая модель процесса регулирования вектора нагрузки и проведены исследования её на ЭВМ, позволившие установить параметры регуляторов для обеспечения максимальной степени устойчивости не только при нормальной работе системы, но и в критических ситуациях.

9.Разработанные модели позволяют сопоставить варианты режимов работы РТК, оценивать и выбирать оптимальные (рациональные) параметры САУ, отображать динамику взаимодействия машин на экране оператора, прогнозировать показатели процессов.

10.Математические модели доведены до уровня программных модулей, которые могут быть непосредственно использованы при разработке информационно-управляющей системы РТС как составные блоки ЭВМ, а также как самостоятельные модели для исследования и определения различных параметров соответствующих устройств и систем.