Разработка и исследование интеллектуальных алгоритмов управления мощным драглайном для расширения его технологических возможностей

Мощные шагающие экскаваторы — драглайны, предназначенные для вскрышных горных работ по бестранспортной схеме, являются сложными, потенциально высокопроизводительными, многофункциональными горными машинами, однако эффективность эксплуатации этих машин, как показывает практика, остается недостаточно высокой. Установленный коэффициент использования мощного драглайна в условиях реального технологического процесса не превышает 0,7. Основной причиной тому низкий уровень автоматизации процессов контроля состояния и управления этой машиной, существенная зависимость качества ручного управления от квалификации и субъективного состояния машиниста экскаватора.

Многочисленные исследования проблемы повышения эффективности эксплуатации мощных горных машин — драглайнов, направленные на снятие противоречия между потенциально высокой производительностью этой машины и ограничением эффективности в силу ручного управления этой машиной, позволили разработать принципы и средства автоматизации управления экскаваторами-драглайнами. Однако, решение задачи автоматизации стало возможно в промышленных масштабах только в последние годы. Это связано с появлением надежной общепромышленной цифровой техники бортового исполнения — бортовых микропроцессорных вычислителей и управляющих ЭВМ, способных обеспечить устойчивое выполнение алгоритмов управления. Вычислительная мощность современных бортовых вычислителей позволяет применять как ранее известные, в основном аналоговые, так и качественно новые классы алгоритмов управления. Современное решение проблемы автоматизации драглайна отчасти сдерживается отсутствием качественно новых алгоритмов управления этой машиной, обладающих интеллектуальными свойствами, высокой адаптивностью в условиях существенной неопределенности состояния машины и внешней технологической обстановки.

Актуальность проблемы повышения эффективности эксплуатации мощных драглайнов является стимулом научно-практического интереса инженеров технологов и конструкторов, результатом которого явилось создание драглайна с измененным рабочим оборудованием, позволяющим выполнять разгрузку внутри технологического пространства, так называемого кранлайна. Такие драглайны предназначены для использования в транспортной схеме ведения вскрышных горных работ.

Практическая реализация драглайновой транспортной схемы возможна лишь при условии трехмерной прицельной разгрузки, что достижимо, если управление драглайном позволяет эффективно гасить колебания и осуществлять качественное позиционирование тяжелого ковша драглайна, что возможно без существенной потери времени лишь автоматически. Решение задачи расширения технологических возможностей драглайна сдерживается отсутствием алгоритмов автоматического управления транспортными операциями ковша для трехмерной прицельной разгрузки, принадлежащих классу современных интеллектуальных логически нечетких и нейросетевых алгоритмов.

Целью диссертационной работы является разработка интеллектуальных алгоритмов автоматического управления движением рабочего органа экскаватора-драглайна, позволяющих обеспечить эффективное выполнение транспортных операций с гашением колебаний в цикле, что может быть использовано для эксплуатации мощных драглайнов в транспортной и бестранспортной технологиях ведения открытых горных работ.

Идея работы состоит в создании логически нечетких алгоритмов, позволяющих реализовать близкие к оптимальным по времени безопасные технологические траектории движения ковша драглайна, в течение всего транспортного цикла эффективно снижать его раскачивание и обеспечивать финальное позиционирование ковша драглайна.

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались методы математического анализа и моделирования, теоретической механики, теории управления, теории нечетких множеств и нечетких логических заключений, теории интеллектуальных систем и нейронных сетей, структурное и формальное программирование в среде МАТЬАВ.

Защищаемые научные положения и их новизна.

1. Разработанная комплексная математическая модель объекта управления: динамических процессов в электромеханических системах главных приводов, динамики движения рабочего органа, геометрической ограниченности рабочего пространства и внешней технологической обстановки позволяет имитировать управляемые движения рабочего органа в технологическом процессе транспортирования с разгрузкой в любой точке рабочего пространства.

2. Разработанный метод лингвистического анализа рабочих движений ковша драглайна позволяет создавать новые вычислительно простые алгоритмы нечеткого управления приводами подъема и тяги для реализации траекторного движения и прицельной разгрузкой ковша в рабочем пространстве.

3. Разработанный новый алгоритм нечеткого управления траекторного движения ковша обеспечивает гарантированную безопасность движения во всем рабочем пространстве.

4. Разработанный новый интеллектуальный алгоритм управления поворотным движением платформы драглайна позволяет эффективно снижать амплитуду отклонения ковша от плоскости стреловой конструкции на всем интервале движения и осуществить финальное позиционирование ковша.

5. Разработанный новый алгоритм управления поворотным движением со структурой нечеткой нейронной сети обладает в процессе реального управления свойством доучиваться, что обеспечивает заданное качество позиционирования ковша.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются малым, максимально не превосходящим 3%, расхождением результатов модельных управляемых движений с результатами реальных движений, взятых с осциллограмм натурных испытаний и движений в производственных условиях.

Практическая полезность работы состоит в следующем:

1 • Разработан метод геометрического синтеза траекторий движения коша в транспортном цикле, позволяющий формировать программные движения традиционного и нового технологического типа.

2. Разработан метод настройки нечеткого регулятора управления приводами подъема и тяги для реализации безопасного траекторного движения и финального позиционирования ковша.

3. Разработаны методы синтеза линейного регулятора системы управления поворотным движением, основанные на методах пространства состояния и на обобщении свойств траекторий полюсов системы.

4. Разработан метод настройки интеллектуального регулятора управления поворотным движением, для снижения величины параметров колебания ковша относительно плоскости стреловой конструкции в течение всего времени движения и при финальном позиционировании.

5. Разработанные интеллектуальные алгоритмы управления позволяют решать задачу трехмерной прицельной разгрузки ковша в рабочем пространстве с заданным качеством позиционирования.

Реализация результатов. Интеллектуальные алгоритмы управления движением ковша драглайна и методы настройки регуляторов приводов главных механизмов рекомендованы Инженерным центром Объединенных Машиностроительных Заводов для практического использования при создании автоматизированных систем управления мощными шагающими экскаваторами-драглайнами. Методы лингвистического анализа и синтеза нечетких алгоритмов управления движением приняты для использования в учебном процессе при подготовке дипломированных специалистов по направлению «Автоматизация и управление» Московского государственного горного университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывалась на научном симпозиуме «Неделя горняка в МГГУ» (Москва 2001, 2002, 2003 г.) — Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», 2002 г.;

ОГК «Электропривода и автоматики» НИИТяжмаш Уралмашзавода, Инженерного центра Объединенные Машиностроительные Заводы, семинарах кафедры «Автоматики и управления в технических системах» МГГУ.

Публикации. Основные результаты настоящей работы опубликованы в 5 статьях [30 — 34].

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматики и управления в технических системах» Московского государственного горного университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований дано новое решение актуальной научно-технической задачи разработки интеллектуальных алгоритмов автоматического управления движением рабочего органа экскаватора-драглайна, позволяющих обеспечить эффективное выполнение транспортных операций с гашением колебаний в цикле и финально, что существенно расширяет технологические возможности мощного драглайна, позволяя ему работать и по транспортной технологии ведения открытых горных работ.

Выполненные исследования позволили сделать следующие основные научные и практические выводы и рекомендации:

1. Эффективность эксплуатации мощных горных машин — драглайнов может быть поднята только при условии выполнения основных технологических операций автоматически. Для создания автоматической системы почти оптимального и безопасного управления движением ковша драглайна, позволяющей снижать динамические воздействия от раскачивания ковша, необходимы алгоритмы, использующие опыт квалифицированных машинистов. Такие алгоритмы возможно сформировать на основе методов нечеткой логики, нейронных сетей и интеллектуального управления.

2. Разработанный метод геометрического синтеза кусочно-предельных траекторий плоского движения коша позволяет формировать программные как традиционные транспортные движения, так и движения нового технологического типа. Алгоритм вычисления программного траекторного движения создан на основе анализа идеальных движений ковша и применен при лингвистическом анализе реального управляемого движения, что позволило получить простую и интуитивно понятную логически нечеткую форму алгоритма управления траекторным движением.

3. Алгоритмы нечеткого управления приводами подъема и тяги для реализации траекторного движения и прицельной разгрузки ковша в рабочем пространстве, созданные на основе разработанного метода лингвистического анализа рабочих движений ковша драглайна и модели нечеткой оценки безопасности текущего положения ковша, обеспечивают безопасность движения во всем рабочем пространстве.

4. Разработанный интеллектуальный алгоритм управления поворотным движением платформы драглайна позволяет эффективно снижать амплитуду отклонения ковша от плоскости стреловой конструкции на всем интервале движения и осуществить финальное позиционирование ковша.

5. Разработанный метод настройки нечеткого регулятора управления приводами подъема и тяги для траекторного движения обеспечивает достаточно точное позиционирование ковша и безопасность его движения. Разработаные методы частного линейного синтеза, основанные на методах пространства состояния и обобщении свойств траекторий полюсов системы, позволяют настроить нечеткий регулятор управления поворотным движением для снижения величины параметров колебания ковша относительно плоскости стреловой конструкции в течение всего времени движения и финально.

6. Разработанный регулятор управления поворотным движением со структурой нечеткой нейронной сети обладает свойством адаптировать свои параметры, «доучиваться» в процессе реального управления, что позволяет обеспечивать заданное качество позиционирования ковша, инвариантно по отношению к изменению параметров динамических процессов в электроприводах главных механизмов драглайна и внешней технологической обстановки в условиях существенной неопределенности.

7. Подтверждена работоспособность интеллектуальных алгоритмов управления для решения задачи автоматической трехмерной прицельной разгрузки ковша в рабочем пространстве с заданным качеством позиционирования и эффективным снижением колебаний ковша, что расширяет технологические возможности шагающих экскаваторов драглайнов для использования их как в традиционных бестранспортных схемах вскрытия, так и в транспортных схемах ведения открытых работ.