автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование системы автоматического управления технологическими операциями карьерного экскаватора-мехлопаты

На правах рукописи

005053924

БАБАКОВ Сергей Евгеньевич ^^^

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОПЕРАЦИЯМИ КАРЬЕРНОГО ЭКСКАВАТОРА-МЕХЛОПАТЫ

Специальность 05.13.06 — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (промышленность)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 ОКТ 2012

Москва 2012

005053924

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор ПЕВЗНЕР ЛЕОНИД ДАВИДОВИЧ

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор СЛЕПЦОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ, Московский государственный университет приборостроения и информатики (МГУПИ), декан факультета приборостроения; кандидат технических наук ТРАВКИН ЕВГЕНИЙ КУЗЬМИЧ, ЗАО «ПРОМТЕХ», главный инженер проекта

Ведущее предприятие

ФГУП «Национальный научный центр горного производства -

Институт горного дела имени А. А. Скочинского»

(Московская область, г. Люберцы).

Защита диссертации состоится ЬО октября 2012 г. вйчас. на заседай диссертационного совета Д 212.128.07 при Московском государственном гор» университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного соаета: \

доктор технических наук, профессор ./УТуФЙЧАРЕНКО С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Проблема эффективного использования мощного карьерного экскаватора вызвана тем, что при ручном управлении сложной и высокопроизводительной машиной в специфических условиях горных работ невозможно достаточно длительно вести процесс экскавации на предельных скоростях и мощностях, что существенно уменьшает производительность машины. Выполнение операций экскаваторного цикла на высоких скоростях, особенно в сложных условиях и к концу смены, ограничивается физическими возможностями человека, поэтому разница в производительности экскаватора, управляемого разными машинистами, может достигать порядка 40%. Длительность реального цикла экскавации часто значительно превышает паспортную в зависимости от квалификации машиниста, его психофизического состояния.

В современных условиях, когда предприятиям, эксплуатирующим карьерную технику, необходимо максимально эффективное её использование с целью повышения рентабельности, эта проблема становится особенно актуальной. Единственный путь решения проблемы — автоматизированное управление, помогающее машинисту или заменяющее его при выполнении операций технологического цикла экскаватора.

Проблема автоматизированного управления, известная еще с конца прошлого столетия, остается актуальной и сегодня. Причиной тому— слабая формализация выполняемых экскаватором операций, особенно операции черпания, и недостаточная развитость технических средств автоматизации и алгоритмического обеспечения систем управления экскаваторами.

Современный уровень развития техники с учетом успехов в смежных отраслях, таких как робототехника, позволяет дать новое решение проблемы автоматизированного управления.

Целью диссертационного исследования является разработка системы автоматического управления технологическими операциями черпания и транспортирования горной массы, позволяющей повысить эффективность использования карьерных экскаваторов-мехлопат. Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

• разработка комплексной математической модели движения рабочего органа экскаватора-мехлопаты, учитывающей взаимовлияние поворотного, подъемного и напорного движений, взаимодействие ковша с забоем, для автоматического выполнения операций черпания и транспортирования горной массы;

• разработка алгоритма управления транспортными движениями ковша экскаватора;

• разработка алгоритма управления сложной операцией черпания горной массы с применением методов искусственного интеллекта;

• выполнение модельных исследований разработанных алгоритмов и оценка качества процессов управления.

Основная идея работы заключается в представлении модели карьерного экскаватора-мехлопаты как робота-манипулятора для решения задачи синтеза комбинационного алгоритма управления транспортными движениями ковша экскаватора и алгоритма управления операцией черпания горной массы. Защищаемые научные положения:

1. Метод построения математической модели движения рабочего органа экскаватора-мехлопаты, основанной на представлении расчетной схемы экскаватора в виде эквивалентного робота-манипулятора, отличающейся от известных большей вычислительной эффективностью.

2. Комплексная математическая модель движения рабочего органа и главных механизмов экскаватора-мехлопаты как объекта управления, в которой учитываются взаимовлияния главных механизмов, упругость подъемных и напорных канатов и которая позволяет непрерывно описывать движение ковша в операциях черпания и транспортирования.

3. Комбинационный алгоритм для системы автоматического управления транспортированием ковша экскаватора-мехлопаты, базирующийся на совместном использовании классических алгоритмов управления координатами состояния экскаватора с решением обратной задачи определения координат состояния экскаватора в зависимости от координат кромки ковша в базовой системе.

4. Алгоритм управления операцией черпания, основанный на методах нечеткой логики, позволяющий формировать текущее задание в виде рациональной толщины стружки и, не допуская перегрузки приводов, осуществлять автоматическое выполнение этого задания с требуемой точностью.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• предложенный метод модельного представления экскаватора-мехлопаты в виде эквивалентного робота-манипулятора отличается от известных методов значительной вычислительной эффективностью;

• разработанная новая математическая модель движения ковша экскаватора позволяет учитывать взаимовлияние движений главных механизмов при выполнении операций экскаваторного цикла;

• предложенный комбинированный алгоритм управления координатами ковша экскаватора в базовой системе координат, в отличие от известных, позволяет автоматической системе управления выполнять перенос ковша из одной точки в другую как с учетом, так и без учета формы траектории переноса;

• разработанный алгоритм управления операцией черпания на основе методов нечеткой логики впервые позволяет в темпе реального времени определять рациональную текущую толщину стружки как задание системе управления и, не допуская перегрузки приводов, осуществлять автоматическое выполнение этого задания с требуемой точностью.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением известных методов описания динамики роботов-манипуляторов. Достоверность моделирования процессов управления подтверждается допустимым уровнем соответствия с процессами в электромеханических системах главных механизмов реального экскаватора-мехлопаты.

Практическое значение работы заключается в том, что:

• методика построения математических моделей движения рабочего органа карьерных экскаваторов-мехлопат, включающая программы расчета коэффициентов модели и генерации их представления в среде «БгтиИпк» программы «МАТЬАВ», применима для описания отечественных и импортных экскаваторов;

• математическая модель позволяет синтезировать и настраивать параметры алгоритмов управления операциями экскаваторного цикла при построении систем автоматизации различных моделей карьерных экскаваторов;

• разработанная структура системы автоматического управления технологическим процессом экскавации реализует с достаточным качеством полученные алгоритмы управления операциями полного экскаваторного цикла и применима в АСУТП мощных карьерных экскаваторов всех типов;

• предложенное аппаратное обеспечение системы управления на основе специализированного вычислителя отечественной разработки, удовлетворяющее горнотехнологическим условиям карьеров, позволяет реализовать не только разработанные алгоритмы управления операциями полного экскаваторного цикла, но и алгоритмы управления вспомогательными приводами и оборудованием экскаватора.

Реализация результатов работы. Модели и алгоритмы управления движениями ковша экскаватора при черпании и транспортировании горной породы запланированы к использованию ОАО «НИИВК им. М.А.Карцева» в опытно-

конструкторских работах. Предложенная структура системы управления и методика построения математических моделей карьерных экскаваторов-мехлопат используются при чтении спецкурсов в процессе подготовки специалистов по направлению 220400 - «Автоматизация и управление».

Апробация работы. По материалам диссертации были сделаны доклады на научных семинарах кафедры «Автоматика и управление в технических системах», научных симпозиумах «Неделя горняка» в 2010, 2011, 2012 годах, на конференции молодых специалистов ОАО «НИИВК им. М.А. Карцева» в 2010 году, международном семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 76 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 78 наименований и три приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе ставится задача разработки и исследования системы автоматического управления технологическими операциями карьерного экскаватора. Приводится обзор современного состояния проблемы автоматизации карьерных экскаваторов, в том числе карьерных мехлопат.

В обзоре показано, что интерес к проблеме создания систем автоматического управления мощными карьерными экскаваторами проистекает из 60-х годов прошлого столетия. Значительный вклад в решение этой проблемы для экскаваторов-драглайнов внесли такие ученые, как O.A. Залесов, М.С. Ломакин, Л.Д. Певзнер, Л.И.Толпежников, Г.Б. Петере, А.Д. Яризов, А.Е. Троп,

М.Б. Носырев, Ю.М. Иржак, А.Л. Карякин, В.М. Остриров, В.Я. Ткаченко.

Отдельные задачи автоматизации рабочего процесса карьерного экскаватора-мехлопаты изучались в Киевском институте автоматики. Была предложена система автоматического управления циклом экскавации карьерного экскаватора ЭКГ-4,6. Решались задачи автоматического управления процессом копания, полуавтоматического управления поворотом платформы, стабилизации характеристик электроприводов.

В Московском горном институте значительный вклад в решение задач автоматизации транспортных операций карьерного экскаватора внесен В.А. Кравцовым. Им был применен новый подход к математическому описанию

движения ковша мехлопаты, а именно представление расчетной схемы экскаватора в виде эквивалентного манипуляционного робота и применения к нему методов описания манипуляторов, используемых в робототехнике.

На современном этапе можно выделить две группы исследовательских работ. Первую группу составляют работы A.A. Годжиева, A.B. Кулыгина, И. Ю. Семыкиной и др. по автоматизации и совершенствованию электроприводов карьерных экскаваторов. Вторую - работы Л.Д. Певзнера, A.JI. Мейлахса, Т. Линна по интеллектуализации систем управления и мониторинга процесса экскавации.

A.A. Годжиев, исследовав подъемно-напорный механизм экскаватора ЭКГ-8И, предложил инженерную методику синтеза системы автоматического управления двухмассовой электромеханической системой с гибкой отрицательной обратной связью по нагрузке в упругом звене.

Новое направление в автоматизации мощных экскаваторов - применение методов искусственного интеллекта для построения систем мониторинга и идентификации рабочего процесса экскаватора и управления отдельными операциями этого процесса.

В работе А.Л. Мейлахса рассматриваются алгоритмы управления драглайном, использующие опыт квалифицированных машинистов, которые обеспечивают почти оптимальные и безопасные движения ковша и позволяют снижать динамические воздействия от его раскачивания. Эти алгоритмы основаны на применении методов нечеткой логики и нейронных сетей интеллектуального управления.

Автором предложен метод геометрического синтеза кусочно-предельных траекторий плоского движения ковша, позволяющий формировать программные как традиционные транспортные движения, так и движения нового технологического типа. Этот метод базируется на представлении траектории движения ковша в виде частей различных предельных траекторий, отвечающих максимальным управляющим заданиям приводам тяги и подъема. Выполнен синтез предельных траекторий для транспортных движений на черпания и на разгрузку. Эти траектории были использованы им при разработке алгоритмов управления приводами в качестве эталонных, по которым в идеале должен двигаться ковш. Предложены варианты нечетких алгоритмов управления приводами подъема и тяги для реализации траєкторного движения в рабочем пространстве.

В работе рассмотрен регулятор управления поворотным движением платформы со структурой нечеткой нейронной сети. Этот алгоритм обладает свойством адаптировать свои параметры, «доучиваться» в процессе реального управления, что позволяет обеспечить 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.

Выполненный на основе обзора анализ позволил сформулировать задачи диссертационных исследований:

• разработать комплексную матемашческую модель экскаватора-мехлопаты как объекта управления, учитывающую взаимовлияние поворотного, подъемного и напорного движений, взаимодействие ковша с забоем.

• разработать имитационную модель экскаватора-мехлопаты для операций черпания и транспортирования горной массы;

• разработать алгоритм управления транспортными движениями ковша;

• разработать алгоритм управления операцией черпания горной массы с применением элементов нечеткой логики;

• выполнить модельные исследования разработанных алгоритмов, оценить качество процессов управления

Вторая глава посвящена вопросам разработки математической модели движения рабочего органа карьерного экскаватор-мехлопаты методом эквивалентного манипуляционного робота. Идея построения модели заключается в сведении расчетной схемы экскаватора к схеме эквивалентного манипулятора с последующим применением к ней процедуры описания динамики и кинематики, базирующейся на структурном подходе в варианте, разработанном в ИПМ им. М.В.Келдыша.

Сведение расчетной схемы экскаватора к схеме эквивалентного манипулятора включает в себя выполнение трех операций:

• устранение голономной связи через подъемный канат, с заменой ее действия силой, равной реакции этой связи;

• представление кинематической пары в подъемно-напорном механизме в виде композиции вращательного и поступательного сочленений;

• приведение движущих моментов механизмов к осям сочленений. После выполнения этих преобразований расчетная схема механической

системы карьерного экскаватора принимает вид, показанный на рис.1. В этой схеме кинематическая цепь экскаватора является разомкнутой и включает элементарные звенья:

• подвижное основание — нижняя рама с ходовой тележкой;

• поворотную платформу с размещенным на ней оборудованием, соединенную с основанием через вращательное сочленение;

• стрелу, связанную с платформой шарнирным сочленением;

6

• седловой подшипник, соединенный со стрелой через шарнирное сочленение;

• рукоять с ковшом, совершающую поступательное движение относительно седлового подшипника.

При этом стрела считается «фиктивным» звеном, которое введено только для упрощения формирования уравнений движения системы. Звенья соединены между собой при помощи шарниров 0,,...,04. Шарниры Ои 02, 03 являются вращательными, а шарнир 04 — поступательным.

Рис 1. Эквивалентная расчетная манипуляционная схема экскаватора-мехлопаты Согласно процедуре метода ИПМ им. М.В.Келдыша звено — рукоять с ковшом разбиваем на два отдельных звена - рукоять и ковш и в месте перехода рукояти в ковш вводим дополнительный фиктивный вращательный шарнир 05 и дополнительный фиктивный угол qь = 0. Место крепления поворотной платформы на подвижную основу принято за основание манипулятора. При этом полагаем, что в ходе технологического цикла подвижное основание экскаватора не совершает движений, а при перемещении экскаватора положения всех звеньев фиксированы.

Введем неподвижную — базовую систему координат и несколько подвижных систем координат, связанных со звеньями эквивалентного манипулятора. В этих системах определены обобщенные координаты:

^ -угол поворота платформы вокруг свой оси; д2 — угол наклона стрелы экскаватора;

— угол наклона седлового подшипника; <74 — выдвижение рукояти;

<75 — фиктивный угол поворота ковша экскаватора.

Далее, следуя процедуре описания кинематики манипулятора, найдем векторы переноса центров систем координат и матрицы поворотов систем координат вокруг соответствующих осей. Они принимают вид:

Г°1 '0> ((Л ((Л

1.= 0 Г, ; Ь = Г2 ;13 = гг ;і4 = ;і5 =

А V» У 1°) 1<и

С1=Сг =

^соэд', -біпс/, О4* БІП^ СОБ^ О

о

О

С, =с_ =

і о о

О СОБ^з -эт^ О БІП^ СОБ«^ ,

(1)

= Е ; С, = С = Е,

'10 о

0 -соэд'з БІП^З

где - расстояние от центра поворотного редуктора до поворотной платформы;

гх - расстояние от оси вращения поворотной платформы до места крепления стрелы;

гг - длина секции стрелы от места крепления до оси седлового подшипника;

г3 — половина длины седлового подшипника;

- расстояние от центра фиктивного пятого шарнира до наружней кромки зубьев ковша экскаватора.

Находим аналитические зависимости координат зубьев ковша экскаватора как функции обобщенных координат, для чего используем соотношения для координат схвата эквивалентного манипулятора в неподвижной системе:

»О =ЁС„1, =С,І, +С,С2І2 +САС3І3 +С,СгС3С414 +С,С2С3С4С515. (2)

Определены поверхности, описываемые кромкой ковша экскаватора в функции угла поворота платформы и угла наклона рукояти при различных выдвижениях рукояти.

Из геометрических соображений находим решение обратной задачи определения обобщенных координат экскаватора в зависимости от координат

кромки зубьев ковша в базовой системе. Выражения координаты для физически существующих значений имеют вид:

- для случая, когда рукоять находится ниже своего горизонтального положения,

71 . Л-(г,+г2/У2).

4 Г2/42-

г + к

(3)

- для случая, когда рукоять находится выше своего горизонтального положения, Т.е. 2 > г0 + гг /л[2

З7Г Ь„ - (г. + к/л/2) , /—:-г

4 2-(/-2/л/2+Г0)

Для обобщенных коодинат и

?4 =л/С^о -(''і +г2 /л/2)2 +(г2 /л/2 -2 + г0)2 -г3 -г4..

(4)

(5)

9і =

О, л: = 0; >> > О

2л - &тсвт(х / у!х1 + у2), х > 0; у > 0; - гіс5іп(х /-у]Xі + у1), х < 0\у > 0; (6)

л, * = 0;_у < 0;_

7і + агсзіп(л: / т]х2 + у1), у < 0.

Выполнено построение системы уравнений динамики экскаватора в виде системы уравнений Лагранжа II рода, записанной для эквивалентного манипулятора:

п п _

Xс1Л + XКАЛ,+ Рк =тк> к = 1>5 (7)

5=1 5,1=1

и в матричной форме: О(ч) (\ + Ь(д, ц) + р(д) = т,

где симметричная, положительно определенная матрица инерции

манипулятора с элементами йь;

п

Ь(Ч>Ч) - вектор кориолисовых и центробежных сил К = Х^м'Мг;

1,1=1

р — вектор гравитационных сил с компонентами;

т - вектор моментов обобщенных сил в шарнирах, обусловленный работой приводов и воздействием внешних нагрузок.

Выражения для вычисления коэффициентов уравнений Лагранжа:

|=тах(/1г,*)

К, = Е

¡=тйх(к ,1)

т.

р=к ы, )

р=к /=тах(.г,/) у

Рк = £~Щ

¿=к р=к J

где

т— масса /-того звена; g - вектор ускорений свободного падения.

В этих уравнениях используются компоненты скоростей ковша экскаватора, вычисляемые при помощи соотношений:

V _ Кр С1 - ШР )+ С>РЫР !<1Р*=Р У^\Урр{\-тс1р)

в которых 2/ - вспомогательные матрицы, используемые для вычисления

-Р--1Р- Г У =с,С,...С ,0 С ...С , Г9)

$ < рх 12 л а Р9 ^ '

производных от матриц поворотов =

ООО 0 0-1 О 1 О

О 0 1

000

1 О О

(О 1 О4 1 О О ООО

Л

при

V

рИ

С, = [Сх,Су,Сг] соответственно.

Параметр ша1, характеризует тип шарнира: т^ =1 для вращательного шарнира, 1пс1ц=0 для поступательного.

_[\р ,р<г

= 1 (10)

где гС,1 - вектор координат центра масс /-того звена в /-той системе координат, = - т1гсг[.1, У,-матрица инерции /-того звена манипулятора.

Матрица инерции звена манипулятора вычисляется через компоненты тензора инерции манипулятора. Для вычисления тензоров инерции звеньев эквивалентного манипулятора звенья представлялись телами правильной геометрической формы.

Найденные координаты центров масс звеньев позволили определить в символьном виде коэффициенты уравнений динамики модели экскаватора ЭКГ-15:

¿ъЬ +¿3494 +КАА = ь> (И)

Расчет производился с применением Symbolic Math Toolbox программы MATLAB.

Для получения выражений обобщенных моментов и сил, прикладываемых к звеньям, использовалась расчетная схема, представленная на рис. 2.

Мсхашпм напора

Механизм поворота

Рис. 2. К выводу уравнений обобщенных моментов и сил

(12)

Для получения момента, развиваемого механизмом поворота, были использованы соотношения, приведенные в работе А.Л. Мейлахса:

« = фд -р?,;

Мг = Кс1ег (а;0.5Д); ФД=1//ДМД; т, =3рМ -Рсп{с1,\Мсп)\ Рл{Мг\цл\Ь) = Мг (1 +

где

Фд,фд - угол поворота вала двигателя и круговая частота его вращения;

Мд - момент, развиваемый одним двигателем; М, — электромагнитный момент двигателя привода; My — упругий момент валопровода, приведенный к валу двигателя; А/сд, МСп — абсолютные значения моментов статического сопротивления движению двигателя и поворотной платформы;

Fr(...)- динамический момент сил сопротивления движению; Ъ — коэффициент, связанный с КПД механизма поворота; р, а — передаточное число редуктора механизма поворота и приведенный к валу двигателя угол закручивания валопровода;

К, А - приведенные к валу двигателя жесткость валопровода и величина кинематического зазора;

Уд — момент инерции двигателя.

Для вывода уравнений обобщенных моментов третьего и четвертого звеньев использовалась схема, представленная на рис. 3, где видно, что на рукоять действует вращающей момент, создаваемый проекцией силы натяжения подъемного каната на ось, перпендикулярную рукояти:

=2еяа(?4 +гг +0,5/-4)sincp, (13)

где Quод -упругая сила в подъемном канате.

Выражение для упругой силы, возникающей в подъемном канате, имеет вид:

= с ,ФД Уи л

dt " i2 R '

ПОД под

м

е упр. мех

ПОД = -. (14)

под

^под ^ред^пол *

где Myj,р.мех - упругий момент в механизме подъема, приведенный к вторичному валу редуктора;

/?под - радиус подъемного барабана;

/ред - передаточное отношение редуктора;

'пол - передаточное отношение полиспаста;

Сподмех - жесткость подъемного каната, приведенная к вторичному валу редуктора;

Vn — скорость движения подъемного каната, вычисляемая из соотношения

dL. L(qA+r,+0,5r4)sinq3q, . Isimy,

-—---——iljLi- smp = — 3

V =■

под dt

— i , smi|) =- «'-i

V(<?4 +r,+ r,Y + 2L(qA + r,+ 0,5rjcostf, /шд ^

в котором

С, = +гг + 0,5г4)2 +12 +21(д4 +7"3 +0,5г4)соед3.

-длина участка подъемного каната от головного блока стрелы до блока к рукояти в данный момент.

Выражение обобщенной силы, действующей на четвертое звено-рукоять, имеет вид

Т4 =б„пл-2подС05ф. (16)

В этом выражении Q¡¡!Ш - усилие в напорном канате, £)под - усилие в подъемном канате, которое определяется соотношением

гФд д4 .

н.мех »2 г» '

нал

dt /1 R,

W

_yi

R

M

0 упр. мех .

»»=—--. (17)

где Мущ,.т - упругий момент, создаваемый механизмом напора, приведенный к вторичному валу редуктора;

ЛПод - радиус напорного барабана;

/ред — передаточное отношение редуктора;

'пол — передаточное отношение полиспаста;

Снап.мех — жесткость напорного каната, приведенная к вторичному валу редуктора.

В третьей главе представлены динамические модели экскаватора- мехлопаты, выполняющего операции транспортирования и черпания горной массы. Для их построения к системе уравнений динамики (11) и выражениям для обобщенных моментов (12, 13, 16) были добавлены математические модели главных электроприводов экскаватора, выполненные на основе оптимальной структуры экскаваторного электропривода по системе ТП-Г-Д с двухконтурной системой управления током якорной цепи и ЭДС генератора.

Настройка контуров системы регулирования выполнялась по критерию модульного оптимума. Кривые переходных процессов разгона и торможения механизмов поворота, напора и подъема достаточно близки, как видно из рис. 3, к реальным.

Модель экскаватора, выполняющего операции транспортирования, представленная на рис. 4, состоит из трех основных подмоделей: модель «Motors» представляет динамику электроприводов и канатной системы экскаватора, модель «Excavator» представляет динамику механической части экскаватора и

модель «Кіпеш», где выполняются вычисления координат ковша в базовой системе. Команды машиниста имитируются блоком «Signal Builder». Модель учитывает рост массы ковша в процессе черпания. Подсистема «Motors» состоит из трех блоков моделей приводов и блоков вычисления обобщенных моментов в канатной системе. Подсистема «Excavator» содержит три блока моделей уравнений динамики движения звеньев. Модель позволяет получать переходные процессы по скоростям, токам и ускорениям в приводах, скоростям и ускорения обобщенных координат, длине и скорости ее изменения для подъемного каната, обобщенным координатам, координатам ковша в базовой системе.

Рис 3. Скорости главных приводов экскаватора, полученные в процессе моделирования

Динамическая модель экскаватора, выполняющего операцию черпания содержит модельное представление добычного забоя как кусочно-степенной функции, основным элементом которой является полином «-того порядка. При этом кривая забоя проходит через две характерные точки

Рис 4. Динамическая модель экскаватора-мехлопаты для транспортных операций Уравнение кривой имеет вид:

гёос

где Ъ — высота забоя; а — угол естественного откоса; Уо - координата точки излома.

К модели динамики добавлены выражения для моментов сил сопротивления породы копанию, имеющие вид:

+г,+гА)аЬ-,

т^=0,1 КгаЪ, ^

где а — толщина снимаемой стружки; Ъ - ширина ковша;

— обобщенный коэффициент сопротивления породы копанию. В главе приводится выражение для толщины снимаемой стружки и оценка степени наполнения ковша. Также приводятся результаты моделирования процесса черпания экскаватора-мехлопаты.

В четвертой главе решаются задачи разработки алгоритмов управления операциями экскаваторного цикла. Рассматривается система автоматического управления обобщенными координатами экскаватора.

15

Система управления обобщенными координатами является системой подчиненного регулирования, в которой к каждому из главных приводов добавлен контур управления соответствующей координатой. Каждый контур содержит П-регулятор, настроенный при помощи программы «Simulink Response Optimization». Критериями настройки являлось наличие апериодического переходного процесса при максимальном быстродействии.

Показано, что настроенная система управления обобщенными координатами совместно с решением обратной задачи определения обобщенных координат в зависимости от координат ковша экскаватора может быть использована для управления транспортными движениями ковша. Причем как без отслеживания траектории, так и с отработкой. Выделены следующие этапы управления транспортными движениями ковша по заданной траектории:

1. Расчет начальной и конечной точек траектории;

2. Определение промежуточных точек траектории, если этого требует текущая обстановка;

3. Пространственное представление траектории путем интерполяции выбранного множества точек сплайнами или кусками других кривых;

4. Пространственно-временное представление траектории, при котором для опорных точек добавляется четвертая координата - время от момента начала отработки траектории, в которое ковш должен быть в данной точке;

5. Отработка пространственно-временной траектории при помощи решения обратной задачи определения обобщенных координат экскаватора и системы управления ими.

1 /

/ / /

Yj*

а

б

Рис. 5. Траектория задания а и отработанная системой траектория б

В главе приводится алгоритм управления операцией черпания с применением нечеткой логики. Идея алгоритма заключается в том, что первоначально выполняется проверка на возможность стопорения главных приводов при выполнении задания на черпание. Если может иметь место ситуация стопорения, то управление приводами осуществляется по заранее заложенной программе, если нет, то управление осуществляется при помощи алгоритма, построенного на основе нечеткой логики.

Алгоритм управления черпанием на основе нечеткой логики состоит из трех алгоритмических блоков. Первый блок представляет собой алгоритм определения задания толщины стружки, которую должен снять ковш. Алгоритм использует три лингвистические переменные: «нагрузка привода подъема», (.(.заглубление зубьев ковша», «толщина стружки» и базу из 12-правил. Суть правил заключается в формировании задания максимально возможной толщины стружки при условии отсутствия перегрузки приводов.

Второй алгоритмический блок - алгоритм управления приводом напора, отрабатывающий заданную первым блоком или оператором толщину стружки. Алгоритм использует четыре лингвистические переменные: (.(ошибка отработки задания», «степень заглубления ковша», ((высота зубьев ковша», ((скорость привода напора» и базу из 14 правил. При этом под степенью заглубления ковша здесь

понимается толщина снимаемой стружки, взятая со знаком «плюс», если ковш введен в забой, и «минус» - если ковш вне забоя, иначе говоря, «отрицательная» толщина модельной стружки характеризует степень отдаления ковша от забоя.

Перечень продукционных правил, на которых основывается данный алгоритм управления, приведен ниже.

П1: Если «степень заглубления» ковша большая положительная и «высота зубьев ковша» ниже рабочей, то «скорость привода напора» должна быть большой отрицательной;

П2: Если «степень заглубления» маленькая положительная и «высота зубьев ковша» ниже рабочей, то «скорость привода напора» должна быть большой отрицательной;

ПЗ: Если «степень заглубления» маленькая отрицательная и «высота зубьев ковша» ниже рабочей, то (.(скорость привода напора» должна быть большой положительной;

П4: Если ((степень заглубления» большая отрицательная и ((высота зубьев ковша» ниже рабочей, то ((скорость привода напора» должна быть большой положительной;

П5: Если ((ошибка отработки задания» большая отрицательная и ((высота зубьев ковша» рабочая, то ((скорость привода напора» должна быть большой отрицательной;

Пб: Если ((ошибка отработки задания» малая отрицательная и ((высота зубьев ковша» рабочая, то ((скорость привода напора» должна быть большой отрицательной;

П7: Если ((ошибка отработки задания» нулевая и ((высота зубьев ковша» рабочая, то ((скорость привода напора» — нуль;

П8: Если ((ошибка отработки задания» малая положительная и ((высота зубьев ковша» рабочая, то ((скорость привода напора» должна быть большой положительной;

П9: Если ((ошибка отработки задания» большая положительная и «высота зубьев ковша» рабочая, то ((скорость привода напора» должна быть большой положительной;

П10: Если ((ошибка отработки задания» большая положительная и ((высота зубьев ковша» выше рабочей, то ((скорость привода напора» должна быть большой положительной;

П11: Если ((ошибка отработки задания» маленькая положительная и ((высота зубьев ковша» выше рабочей, то ((скорость привода напора» должна быть большой положительной;

П12: Если «ошибка отработки задания» маленькая отрицательная и «высота зубьев ковша» выше рабочей, то «скорость привода напора» должна быть маленькой положительной;

П13: Если «ошибка отработки задания» купчая и «высота зубьев ковша» выше рабочей, то «скорость привода напора» - нуль;

П14: Если «ошибка отработки задания» большая отрицательная и «высота зубьев ковша» выше рабочей, то «скорость привода напора» должна быть маленькой отрицательной.

Алгоритм реализует три стратегии управления в зависимости от принадлежности значения текущего положения ковша относительно забоя трем промежуткам значений, названным: «рабочий интервал», «меньше рабочего», «больше рабочего». В «рабочем» интервале значений реализуется стратегия строгой отработки задания, являющаяся управлением по рассогласованию. В интервале «меньше рабочего» реализуется плавный ввод ковша в забой, при этом избегается чрезмерное заглубление ковша. В интервале «больше рабочего» реализуется та же стратегия отработки задания толщины стружки, однако качество отработки оказывается ниже, чем в рабочей области, поскольку управление более грубое, что вызвано необходимостью борьбы с вырыванием ковша из забоя в силу его естественных движений.

Наконец, третий алгоритмический блок - алгоритм управления приводом подъема. Это вспомогательный нечеткий алгоритм, призванный улучшить качество отработки заданной толщины стружки. Он использует четыре лингвистические переменные: «частота вращения привода подъема», «ошибка отработки задания», «высота зубьев ковию», «изменение выходного задания приводу подъема» и базу из 20 правил. Его задача увеличивать или уменьшать частоту вращения привода подъема, облегчая отработку задания приводу напора, при этом избегая остановки привода подъема.

Результаты моделирования процесса черпания довольно крепкой породы П-й категории с сопротивлением копанию 0.075* 106 Па и уступа, имеющего угол 60°, приведены рис. 6.

Из рисунка видно, что время заполнения ковша составляет примерно 7 с, что является вполне приемлемым для экскаватора ЭКГ-15, что говорит в пользу работоспособности предложенного алгоритма.

а

б

Рис.6. Оценка объема породы в ковше - а и траектория движения ковша в забое - б В пятой главе приведены результаты решения задач практической реализации системы автоматизированного управления. В главе приводится структурная схема, реализующая концепцию трехрежимного управления, которая заключается в том, чтобы предоставить три способа управления эксикатором:

• ручное управление;

• дистанционно-автоматическое управление;

• автоматическое управление.

В ручном режиме управление ведется из кабины машиниста, при этом к полному сохранению работоспособности используемых на сегодняшний день органов управления добавляются средства отображения состояния главных и вспомогательных приводов и механизмов, а также параметров машины в целом.

Дистанционно-автоматический режим предполагает удаленное наблюдение и управление из отдельно стоящего диспетчерского пункта. На диспетчерском пункте продублированы все органы управления экскаватором. При помощи видеокамер и средств виртуальной реальности оператор видит происходящее в забое, и для него создается «эффект присутствия». В этом режиме доступно как полное ручное дистанционное управление, так и управление отдельными операциями технологического цикла, основная часть которого выполняется в автоматическом режиме. Такой способ управления достаточно широко используется на шахтах и рудниках в Канаде, Швеции, ЮАР. Основное достоинство такого способа -возможность управления с участием одного машиниста несколькими экскаваторами.

Третий способ управления - полностью автоматическое управление. В этом режиме все элементы цикла экскавации выполняется без участия оператора, но под его дистанционным наблюдением. Подобный режим применим для работы в типовых условиях. Оператор необходим для разрешения ситуаций, когда, автоматический алгоритм выполнит переход в ручной режим, например при неудачном выводе ковша из стопорения.

В главе также приводится описание ядра бортовой части системы -специализированного вычислителя отечественной разработки ОАО «НИИВК им. М.А. Карцева» под названием «Жесткость» с характеристиками:

• Процессор Intel Pineview-D 1.66 GHz. (Dual Core (D510);

ОЗУ DDR2 SDRAM 1024 Мбайт;

• Поддержка интерфейсов: PCI-Express xl, xl6; SATAII; Audio AC'97;

Gigabit Ethernet; VGA, LVDS 18/36-бит;

• Сторожевой таймер Watchdog;

• Порты ввода/вывода RS485/RS422, CAN;

• Навигационные модули ГЛОНАСС/GPS; Модуль Wi-Fi;

• Совместимость с Microsoft DOS, ХР, ХРе, QNX 4.20, 6.0, Linux;

• Наработка на отказ: 57000 часов.

Вычислитель имеет подпружиненный корпус, что позволяет располагать его на борту машины в горнотехнологических условиях карьера для реализации алгоритмов управления технологическими операциями экскаваторного цикла и вспомогательных программ.

При рассмотрении возможности использования результатов диссертационной работы ОАО «НИИВК им. М.А. Карцева» было установлено, что предложенные алгоритмы автоматического управления позволяют повысить эффективность использования карьерного экскаватора-мехлопаты на 10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи автоматизации управления мощными карьерными экскаваторами, применяющимися в горнодобывающей промышленности, за счет разработки структуры и алгоритмов управления системы автоматического управления технологическими операциями экскаватора-мехлопаты, включающей алгоритмы управления операциями черпания и транспортирования горной массы.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработан метод построения математической модели движения рабочего органа карьерного экскаватора-мехлопаты, базирующейся на сведении расчетной схемы экскаватора к схеме эквивалентного робота-манипулятора и применении к ней структурного подхода для описания роботов-манипуляторов.

2. Построена комплексная математическая модель движения рабочего органа и главных механизмов экскаватора ЭКГ-15 как объекта управления, пригодная для описания процессов, протекающих при выполнении экскаватором транспортных операций и операции черпания.

3. Предложен алгоритм управления транспортными движениями ковша экскаватора, базирующийся на применении комбинации системы управления обобщенными координатами экскаватора и решения обратной задачи определения координат экскаватора в зависимости от координат его ковша в базовой системе. Показана применимость данного алгоритма для отработки спланированной пространственно-временной траектории.

4. Разработан алгоритм управления операцией черпания с элементами нечеткой логики, включающий нечеткие алгоритмы определения толщины снимаемой с забоя стружки и алгоритмы управления приводами напора и подъема для отработки заданной толщины стружки, а также алгоритм выхода из ситуации стопорения ковша. Выполнено моделирование работы предложенных алгоритмов, показавшее их работоспособность.

5. Разработана структура системы автоматического управления операциями полного экскаваторного цикла, выполнены модельные исследования разработанных алгоритмов, которые обнаружили приемлемое качество управления при транспортировании и черпании.

Предложена структура аппаратного обеспечения системы автоматического управления технологическими операциями экскаватора-мехлопаты на основе бортового специализированного вычислителя.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ:

в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России:

1. Бабаков С.Е. Математическое моделирование динамики карьерного экскаватора на основе метода Белоусова. //«Вопросы радиоэлектроники». - 2012. -вып. 2.-С. 112-118.

2. Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Математическое модель динамики карьерного экскаватора как объекта управления. //«Мехатроника. Автоматизация. Управление.». - 2012. -№8. -С. 40-48.

3. Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Управление операцией черпания карьерного экскаватора-мехлопаты с применением нечеткой логики. //«Уголь». -2012. - №8. -С.64-65.

4.Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Алгоритмизация управления движением ковша экскаватора в режиме черпания с применением нечеткой логики. //«Горное оборудование и электромеханика». -2012. - №9. -С.8-17.

в других изданиях:

5. Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Моделирование динамики карьерного экскаватора как манипуляционного робота. //Сборник докладов XX международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». (г.Алушта, 2011.) С. 30-31.

Депонированные статьи:

1.Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Моделирование и управление операцией транспортирования экскаватора-мехлопаты. //Депонированная рукопись объемом 21 стр. издательства «Горная книга», справка № 917/08-12 от 22 мая 2012.

2.Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Алгоритм управления операцией черпания карьерного экскаватора-мехлопаты с применением нечеткой логики. //Депонированная рукопись объемом 11 стр. издательства «Горная книга», справка № 920/09-12 от 01 июня 2012.

Подписано в печать 25.09.2012. Формат 60x90/16

Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1403

Отдел печати МГГУ, Москва, Ленинский пр., 6

Введение.

Глава 1. Проблема повышения эффективности эксплуатации мощных экскаваторов для открытых горных работ. Постановка задач исследования.

1.1 .Обзор работ и обоснование актуальности темы диссертации.

1.2.Постановка задач диссертационного исследования.

Глава 2. Математическая модель движения рабочего органа экскаватора-мехлопаты методом эквивалентного манипулятора.

2.1. Кинематика системы «поворотная платформа-ковш экскаватора».

2.1.1. Выбор метода математического описания кинематики и динамики эквивалентного манипулятора.

2.1.2. Составление расчетной схемы экскаватора как эквивалентного манипулятора.

2.1.3. Прямая задача определения координат ковша экскаватора в зависимости от обобщенных координат.

2.1.4.Обратная задача определения обобщенных координат эквивалентного манипулятора в зависимости от координат ковша.

2.2.Динамика движения экскаватора как эквивалентного манипулятора.

2.2.1. Обобщенная модель эквивалентного манипулятора на основе уравнений Лагранжа.

2.2.2. Расчет тензоров инерции звеньев эквивалентного манипулятора

2.2.3. Расчет коэффициентов уравнений динамики экскаватора.

2.2.4. Вывод уравнений обобщенных моментов.

Глава 3. Имитационная модель экскаватора - мехлопаты.

3.1. Математическая модель главных приводов экскаватора.

3.2. Имитационная модель экскаватора-мехлопаты для транспортных операций.

3.3. Имитационная модель экскаватора - мехлопаты для операции черпаниябЗ

3.3.1. Математическое представление добычного забоя в базовой системе координат эквивалентного манипулятора.

3.3.2. Обобщенные моменты сил сопротивления копанию и расчет степени заполнения ковша.

3.3.3. Компьютерная модель экскаватора-мехлопаты для операции черпания в среде «Simulink».

Глава 4. Разработка алгоритмов управления экскаватором-мехлопатой.

4.1. Управление обобщенными координатами экскаватора.

4.1.1. Система управления обобщенными координатами экскаватора на основе классических алгоритмов.

4.1.2. Алгоритм транспортного движения ковша по спланированной пространственно-временной траектории.

4.2.Система управления процессом копания экскаватора-мехлопаты с применением элементов нечеткой логики.

4.2.1. Алгоритм управления процессом копания.

4.2.2. Алгоритм определения толщины стружки.

4.2.3. Алгоритмы управления приводами при копании.

Глава 5. Синтез системы автоматизированного управления технологическим процессом экскаватора-мехлопаты.

5.1 .Концепция трехрежимного управления.

5.2.Стуктурная схема системы управления технологическими операциями

5.3. Бортовой специальный вычислитель для системы управления экскаватора.

5.4. Алгоритм построения модели добычного забоя в базовой системе координат на основе дальнометрической информации.

Проблема эффективного использования мощного карьерного экскаватора [44] вызвана тем, что при ручном управлении сложной и высокопроизводительной машиной в специфических условиях горных работ невозможно достаточно длительно вести процесс экскавации на предельных скоростях и мощностях, что существенно уменьшает производительность машины. Выполнение операций экскаваторного цикла на высоких скоростях, особенно в сложных условиях и к концу смены, ограничивается физическими возможностями человека, поэтому разница в производительности экскаватора, управляемого разными машинистами, может достигать 40%. Длительность реального цикла экскавации часто значительно превышает паспортный в зависимости от квалификации машиниста, его психофизического состояния.

В современных условиях, когда предприятиям, эксплуатирующим карьерную технику, необходимо максимально эффективное использование с целью повышения рентабельности, эта проблема становится особенно актуальной. Единственный путь решения проблемы - автоматизированное управление, помогающее машинисту или заменяющее его при выполнении операций технологического цикла экскаватора.

Проблема автоматизированного управления, известная еще с конца прошлого столетия, остается актуальной и сегодня. Причиной тому - слабая формализация выполняемых экскаватором операций, особенно операции черпания, и недостаточная развитость технических средств автоматизации и алгоритмического обеспечения систем управления экскаваторами.

Современный уровень развития техники с учетом успехов в смежных отраслях, таких как робототехника, позволяет дать новое решение проблемы автоматизированного управления.

В диссертационной работе исследуются вопросы построения системы автоматизации процессов полного экскаваторного цикла - черпания и транспортирования для карьерного экскаватора-мехлопаты средней 4 мощности ЭКГ-15. Выбор подобного экскаватора в качестве объекта исследования продиктован тем, что он является достаточно современным, серийно выпускающимся и эксплуатируемым на перспективу экскаватором производства ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова» [67-69]. При этом применяемые в нем технические решения, касающиеся приводов, механики и канатной системы, являются типовыми для подобного класса экскаваторов, что дает возможность распространять результаты диссертационной работы на достаточно большое число машин отечественного и зарубежного производства.

Диссертация состоит из трех частей. В первой части решаются вопросы разработки модели движения рабочего органа экскаватора-мехлопаты методом эквивалентного робота-манипулятора. Наличие адекватных моделей объектов управления является необходимым условием создания систем управления ими, однако на данный момент не существует комплексных моделей движения рабочего органа экскаватора, одновременно учитывающих работу подъемного, напорного и поворотного механизмов. А именно такие модели нужны для автоматизации всего технологического цикла.

При разработке модели расчетная схема экскаватора сводится к схеме эквивалентного робота-манипулятора, для которого решается задача описания движения в базовой системе координат. Построение подобного описания выполняется путем применения метода описания манипуляторов, предложенного И.Р. Белоусовым, сотрудником Института прикладной математики РАН им. М.В. Келдыша. Выбор данного метода обусловлен его новизной, наглядностью и высокой вычислительной эффективностью.

Уравнения динамики движения эквивалентного манипулятора решаются совместно с уравнениями моделей главных приводов экскаватора путем вычисления моментов, передаваемых канатной системой и механизмом поворота, на сочленения эквивалентного манипулятора. Модель динамики движения рабочего органа реализована в приложении «БшиПпк.» программы 5

МАТЬАВ» и может быть использована для исследования как транспортных операций, так и операции черпания.

Во второй части работы решаются вопросы алгоритмического обеспечения системы автоматизации. В ней показано, что автоматизация выполнения транспортных и установочных операций может быть осуществлена путем применения классических алгоритмов управления обобщенными координатами экскаватора. Показана отработка системой управления заранее спланированной пространственно-временной траектории с применением решения обратной задачи нахождения координат рабочего органа - зубьев ковша экскаватора в базовой системе координат.

Для автоматизации операции черпания используется другой подход. Предлагается алгоритм управления приводами подъема и напора в зависимости от развиваемых усилий и степени заглубления ковша в забой с применением нечеткой логики. Алгоритм предполагает первоначально проверку приводов по условию стопорения, по результатам которой управление формируется либо при помощи нечеткого алгоритма управления толщиной снимаемой с уступа стружки, либо по программе выхода из стопорения. На выход из стопорения при этом отводится три попытки, по завершении которых управление переводится в ручной режим.

Алгоритм управления толщиной снимаемой стружки является композицией трех алгоритмов с применением элементов нечеткой логики.

Первый - алгоритм определения рекомендуемой толщины стружки на основе данных о степени заглубления ковша в массив породы и развиваемом при этом усилии в приводе подъема. Такой подход используется для идентификации свойств черпаемой породы. Второй алгоритм - алгоритм управления приводом напора в зависимости от высоты положения зубьев ковша, степени его заглубления в массив и ошибки отработки толщины снимаемой стружки, рекомендованной первым алгоритмом. При этом диапазон высот положения зубьев ковша делится на три области: начальную, рабочую и находящуюся выше рабочей. Для каждой области реализуется 6 своя стратегия управления. Для рабочей, наиболее благоприятной области алгоритм стабилизирует толщину снимаемой стружки на рекомендованном уровне, на участке ниже рабочего алгоритм осуществляет плавное заглубление ковша в уступ, избегая его перезаглубления, приводящего к стопопорению ковша и снижению эффективности работы алгоритма на рабочем участке. На участке выше рабочего тоже решается задача стабилизации толщины стружки, но ее решение может быть недостаточно эффективным в силу естественного увода ковша от груди уступа. Третий алгоритм - алгоритм четкого управления скоростью привода подъема. Он является вспомогательным по отношению к алгоритму управления приводом напора и реализует корректировку задания скорости привода подъема для улучшения качества работы второго алгоритма.

В третьей части работы обсуждаются вопросы идеологии практической реализации разрабатываемой системы автоматизации. Приводится концепция трехрежимного управления, позволяющего управлять экскаватором классическим способом из кабины, дистанционно, дистанционно с автоматическим выполнением отдельных технологических операций и автоматически с дистанционным контролем. Приводится укрупненная структурная схема автоматизированной системы.

Отдельный пункт этой части работы - вопросы, касающиеся бортового спецвычислителя, реализующего разработанные алгоритмы управления. Рассматриваются требования к вычислителю и прототип отечественной разработки на основе шины РС/104, обладающий современным процессором, большим объемом оперативной памяти и модулями ГЛОНАССЛлР8, а также модулями промышленных интерфейсов.

В этой части работы рассматривается алгоритм получения модели забоя экскаватора в его базовой системе координат на основе множества дальнометрических измерений закрепленного на стреле дальномера. Его идея лежит в пересчете множества измерений методом, используемым для нахождения координат зубьев ковша экскаватора в базовой системе координат.

Целью диссертационного исследования является разработка системы автоматического управления технологическими операциями черпания и транспортирования горной массы, позволяющей повысить эффективность использования карьерных экскаваторов-мехлопат.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

• разработка комплексной математической модели движения рабочего органа экскаватора-мехлопаты, учитывающей взаимовлияние поворотного, подъемного и напорного движений, взаимодействие ковша с забоем, для автоматического выполнения операций черпания и транспортирования горной массы;

• разработка алгоритма управления транспортными движениями ковша экскаватора;

• разработка алгоритма управления сложной операцией черпания горной массы с применением методов искусственного интеллекта;

• выполнение модельных исследований разработанных алгоритмов и оценка качества процессов управления.

Основная идея работы заключается в представлении модели карьерного экскаватора-мехлопаты как робота-манипулятора для решения задачи синтеза комбинационного алгоритма управления транспортными движениями ковша экскаватора и алгоритма управления операцией черпания горной массы.

Защищаемые научные положения:

1. Метод построения математической модели движения рабочего органа экскаватора-мехлопаты, основанной на представлении расчетной схемы экскаватора в виде эквивалентного робота-манипулятора, отличающейся от известных большей вычислительной эффективностью.

2. Комплексная математическая модель движения рабочего органа и главных механизмов экскаватора-мехлопаты как объекта управления, в которой 8 учитывается взаимовлияние главных механизмов, упругость подъемных и напорных канатов и которая позволяет непрерывно описывать движение ковша в операциях черпания и транспортирования.

3. Комбинационный алгоритм для системы автоматического управления транспортированием ковша экскаватора-мехлопаты, базирующийся на совместном использовании классических алгоритмов управления координатами состояния экскаватора с решением обратной задачи определения координат состояния экскаватора в зависимости от координат кромки ковша в базовой системе.

4. Алгоритм управления операцией черпания, основанный на методах нечеткой логики, позволяющий формировать текущее задание в виде рациональной толщины стружки и, не допуская перегрузки приводов, осуществлять автоматическое выполнение этого задания с требуемой точностью.

Научная новизна работы состоит в следующем: ® предложенный метод модельного представления экскаватора-мехлопаты в виде эквивалентного робота-манипулятора отличается от известных методов значительной вычислительной эффективностью; © разработанная новая математическая модель движения ковша экскаватора позволяет учитывать взаимовлияние движений главных механизмов при выполнении операций экскаваторного цикла; ® предложенный комбинированный алгоритм управления координатами ковша экскаватора в базовой системе координат, в отличие от известных, позволяет автоматической системе управления выполнять перенос ковша из одной точки в другую как с учетом, так и без учета формы траектории переноса; ® разработанный алгоритм управления операцией черпания на основе методов нечеткой логики впервые позволяет в темпе реального времени определять рациональную текущую толщину стружки как задание системе управления и, не допуская перегрузки приводов, осуществлять автоматическое выполнение этого задания с требуемой точностью.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждаются корректным применением известных методов описания динамики роботов-манипуляторов. Достоверность моделирования процессов управления подтверждается допустимым уровнем соответствия с процессами в электромеханических системах главных механизмов реального экскаватора-мехлопаты.

Практическое значение работы заключается в том, что: в методика построения математических моделей движения рабочего органа карьерных экскаваторов-мехлопат, включающая программы расчета коэффициентов модели и генерации их представления в среде «БтиНпк» программы «МАТЬАВ», применима для описания отечественных и импортных экскаваторов; ® математическая модель позволяет синтезировать и настраивать параметры алгоритмов управления операциями экскаваторного цикла при построении систем автоматизации различных моделей карьерных экскаваторов;

• разработанная структура системы автоматического управления технологическим процессом экскавации реализует с достаточным качеством полученные алгоритмы управления операциями полного экскаваторного цикла и применима в АСУТП мощных карьерных экскаваторов всех типов; « предложенное аппаратное обеспечение системы управления на основе специализированного вычислителя отечественной разработки, удовлетворяющее горнотехнологическим условиям карьеров, позволяет реализовать не только разработанные алгоритмы управления операциями полного экскаваторного цикла, но и алгоритмы управления вспомогательными приводами и оборудованием экскаватора.

Реализация результатов работы. Модели и алгоритмы управления движениями ковша экскаватора при черпании и транспортировании горной породы запланированы к использованию ОАО «НИИВК им. М.А.Карцева» в опытно-конструкторских работах. Предложенная структура системы управления и методика построения математических моделей карьерных экскаваторов-мехлопат используются при чтении спецкурсов в процессе подготовки специалистов по направлению 220400 - «Автоматизация и управление».

Апробация работы. По материалам диссертации были сделаны доклады на научных семинарах кафедры «Автоматика и управление в технических системах», научных симпозиумах «Неделя горняка» в 2010, 2011, 2012 годах, на конференции молодых специалистов ОАО «НИИВК им. М.А. Карцева» в 2010 году, международном семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России [7278].

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 76 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 78 наименований и три приложения.

Выводы:

1.Для построения системы управления технологическими операциями экскаватора-мехлопаты необходимо воплощение в жизнь концепции трехрежимного управления, заключающейся в реализации возможности управления операциями технологического цикла в ручном, дистанционно-автоматическом и автоматическом режимах.

2.Структура подобной системы имеет в своем составе бортовую экскаваторную часть и диспетчерский центр. Ядром бортовой экскаваторной части является бортовой экскаваторный специализированный вычислитель. Диспетчерская часть содержит автоматизированное рабочее место диспетчера с пультом управления, инженерную станцию и сервер документирования. Для связи между диспетчерским центром и экскаватором используется промышленный радиоканал.

3. Алгоритмы управления технологическими операциями реализуются программой, имеющей модульную структуру. В зависимости от выполняемой операции те или иные модули подключаются диспетчерским. Выходы этих модулей программно мультиплексируются.

4.Приведены предъявляемые к специализированному вычислителю требования и предложен прототип - спецвычислитель «Жесткость», разработка ОАО «НИИВК им. М.А.Карцева», который после определенной доработки может быть использован в качестве бортовой управляющей ЭВМ.

Заключение

В диссертационной работе в рамках важной научной и народнохозяйственной проблемы повышения эффективности эксплуатации мощных карьерных экскаваторов решены основные задачи создания АСУТП полного экскаваторного цикла.

Создан метод модельного представления кинематики и динамики экскаватора-мехлопаты как робота-манипулятора, разработаны имитационные модели экскаватора как для транспортных операций, так и для операции черпания. Показано, каким образом можно описать забой в базовой системе координат и вычислять силы сопротивления, возникающие вследствие взаимодействия ковша с забоем.

Разработаны алгоритмы автоматического управления основными операциями технологического процесса экскаватора-мехлопаты. Предложен алгоритм на основе классических методов управления обобщенными координатами системы для решения задачи автоматического выполнения транспортных операций. Разработан алгоритм программно-интеллектуального управления операцией черпания, базирующийся на применении нечеткой логики, который вычисляет рекомендуемую толщину стружки, формирует управляющее воздействие на привод напора для отработки заданной толщины стружки, управляет скоростью подъема с целью повышения качества отработки задания толщины стружки.

Для реализации разработанных алгоритмов разработана структура автоматизированной системы, обеспечивающей трехрежимное управление технологическим процессом экскавации - в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. Предложено программное и бортовое аппаратное обеспечение автоматизированной системы с использованием специального вычислителя отечественной разработки как ядра бортовой части системы.

Задача создания АСУТП мощного карьерного экскаватора является настолько разносторонней, что не может быть решена в рамках одной диссертационной работы. И как говорил римский философ Сенека, «на долю наших потомков остается большая часть истин, еще не открытых.». Список использованной литературы

1. Гулько Ф.Б., Морозов В.П., Новосельцева Ж.А., Певзнер Л.Д., Фазылов А. Синтез системы квазиоптимального управления механизмом вращения шагающего экскаватора-драглайна методом прогнозирования //Изв. АН СССР, Техническая кибернетика. - 1984. - №1. - С.59-66.

2. Залесов O.A., Ломакин М.С., Петере Г.Б. Управление электроприводами при автоматической защите от аварийных режимов// Изв. Вузов. Горный журнал. - 1975. - №7. - С. 126-129.

3. Залесов O.A., Певзнер Л.Д., Толпежников Л.И. Система программного автоматического управления мощными шагающими экскаваторами //В кн.: «Научные основы создания высокопроизводительных комплексов механизированных карьеров»: Сб. научных трудов МГИ - М.: МГИ. - 1980. -С.79-82.

4. Залесов O.A., Певзнер Л.Д., Толпежников Л.И., Яризов А.Д. Система программного управления драглайнами //Обзор ЦНИИЭИуголь. - М., 1983. -33с.

5. Певзнер Л.Д. Алгоритмический и структурный синтез автоматизированно го управления шагающим экскаватором драглайном //Докт. дисс . /МГИ, 1987.

6. Певзнер Л.Д., Яризов А.Д., Троеглазов А.И. Устройства для измерения координат движения ковша экскаватора драглайна//Уголь. - 1982. - №8. - С.35-38

7. Розенцвайг М.А. Локальная система автоматизированного управления процессом транспортирования ковша мощного экскаватора драглайна// Канд. дисс/МГИ, 1988. - 115с.

8. Троеглазов А.И. Автоматизация управления механизмом поворота экскаватора - драглайна. //Канд. дисс./МГИ, 1989. - 165с.

9. Конаков Б.С. Математическая модель процесса подъема и опускания ковша драглайна //Изв. вузов. Горный журнал. -1974. - №8. - С. 101-108.

10. Демин A.A. Научные основы рабочего процесса экскаватора драглайна //Докт. дисс./ - МИСИ, 1990. -350с.

11. Носырев М.Б. Моделирование и оптимизация параметров и режимов работы главных электроприводов мощных экскаваторов драглайнов // Канд. дисс. /Днепропетровск: ДГИ им. Артема, 1989. - 300с.

12. Носырев М.Б., Карякин А.Л., Кошкарев A.B., Холкин В.А. Выбор оптимальной схемы работы экскаватора-драглайна //Изв. Вузов. Горный журнал. - 1983.- №2. - С.13-16.

13. Остриров В.Н. Разработка и исследование системы оптимального управления процессом подъема ковша экскаватора- драглайна на выгрузку // Канд. дисс. /М., 1980. - 180с.

14. Валакшев Н.И., Березовский А.Н. и др. Система полуавтоматического управления циклом экскавации // В сб. «Автоматизация на карьерах». - К., Техника, - 1975.-С.7-10.

15. К. Фу, Р. Гонсалес, К. Ли. Робототехника. - М.: Мир. - 1989. -624с.

16. Шахинпур М. Курс робототехники. -М.: Мир. - 1990. - 572с.

17. Белоусов И.Р. Формирование уравнений динамики роботов-манипуляторов //М.: Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. - 2002. - № 45.- 31с

18. Белоусов И.Р. Методы моделирования и дистанционного управления движением роботов //Докт. дисс. /. ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2003. -257 с.

19. Кравцов В.А. Разработка автоматизированной системы управления транспортными операциями экскаватора-мехлопаты //Канд. дисс. /МГИ, 1991. - 126 С.

20. Годжиев A.A. Исследование и разработка систем управления электроприводами подъемно-напорного механизма экскаваторов //Автореф. канд. дисс. / СКГМИ (ГТУ), 1995.- 20с.

21. Мейлахс A.JI. Дисс. Разработка и исследование интеллектуальных алгоритмов управления мощным драглайном для расширения его технологических возможностей //Канд. дисс. /МГГУ, 2004. - 204с.

22. Семыкина И.Ю. Снижение динамических нагрузок в электроприводах карьерных экскаваторов //Канд. дисс. /Кузбас. гос. техн. ун-т, 2007. - 125 с.

23. Беляков Ю. И. Экскаваторные работы: Справочник рабочего. - М: Недра, 1992. - 288с.

24. Вуль Ю.Я., Ключев В.И., Седаков Л.В. Наладка экскаваторных электроприводов. -М: Недра, 1975.- 312с.

25. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных установок: Уч. для вузов. - М: Энергия, 1980. -360 с.

26. Кулыгин A.B. Синтез и реализация эффективных алгоритмов управления комплексом бесконтактных электроприводов основных механизмов карьерного экскаватора //Канд. дисс. /НМСУ «Горный», 2003. -159с.

27. Вологин H.A. Совершенствование систем управления электроприводами постоянного тока главных механизмов карьерных экскаваторов // Канд. дисс. /НМСУ «Горный», 2003. - 181с.

28. Шкода Р.В. Моделирование и анализ двухзонной системы управления электроприводами копающих механизмов экскаваторов, выполненными по системе тиристорный возбудитель-генератор-двигатель//Канд. дисс. /Воронежский гос. технический университет, 2008. - 187с.

29. Певзнер Л. Д. Теория систем управления.- М. .'Издательство Московского государственного горного университета, 2002. - 472с.

30. Квагинидзе B.C., Антонов Ю.А., Корецкий В.Б., Чупейкина H.H. Экскаваторы на карьерах. Конструкция, эксплуатация, расчет: Учебное пособие.— М.: Издательство МГТУ, 2009. - 409с.

31. Штовба С. Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB. - М: Горячая Линия - Телеком, 2007. - 288с.

32. Леоненков Александр. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и füzzyTECH - СПб: БХВ-Петербург, 2005. - 736с .

33. Гостев В.И. Проектирование нечетких регуляторов для систем автоматического управления. -СПб: BHV, 2011. - 416с.

34. Ярушкина Н. Г. Основы теории нечетких и гибридных систем. -М.: Финансы и статистика, 2009. - 320с.

35. Черных И.В. Simulink. Среда создания инженерных приложений. - М.: Диалог-МИФИ, 2003. - 496с.

36. Антропов JI.A. Исследования связной системы автоматического управления приводами подъема и напора карьерного экскаватора // В сб. «Оптимизация режимов работы систем электроприводов». - Красноярск: КрПИ, 1982. - С. 44-49.

37. Дьяконов В.П.: Simulink 5/6/7: самоучитель. - М: ДМК-Пресс, 2008. -784с.

38. Валакшев Н.И., Березовский А.Н. и др. Система полуавтоматического управления циклом экскавации. //В сб. «Автоматизация на карьерах». - К.: Техника, 1975. - С. 7-10.

39. Верхотуров А.Н. К разработке математической модели транспортных пермещений ковша карьерного экскаватора. //Вестн. КПИ. Горная электромеханика и автоматика. - К.: КПИ, 1983. - Вып. 14.- С. 9-13.

40. Динамика управления роботами, /под ред. Е.И. Юревича. - М.:«Наука, 1984. -336с.

41. Попов Е.П. Манилуляционные роботы. Динамика и управление. - М.: Наука, 1979. - 400с.

42. Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора. - М.: Наука, 1976. - 80с.

43. Романцов В.А., Гревцов В.М. Автоматизация строительных и дорожных машин. //Строительные и дорожные машины. - 1988, Л 5. - С. 25-27.

44. Русихин В.И., Попандопуло K.B. и др. Влияние квалификации машиниста на эффективность использования экскаватора. //В сб. «Разработка и внедрение новых технологий освоения ресурсов твердых полезных ископаемых открытым способом». - М., МГМД986. - С. 147-155.

45. Кравцов В.А. Адаптивное управление транспортными перемещениями экскаватора-мехлопаты. //В сб. «Робототехнические системы в горной промышленности». - М., МГИ, 1988. - С. 57-60.

46. Вукобратович М., Стокич Д., Кирчански Н. Неадаптивное и адаптивное управление манипуляционными роботами. - М.: Мир, 1989.-376с.

47. Вукобратович М., Стокич Д. Управление манипуляционными роботами. Теория и приложения. - М.: Наука, 1985. - 384с.

48. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров: Учебник для вузов. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МГТУ, 2007. - 680с.

49. Н.С. Заплатин, Ю.А. Гуревич. Экскаваторы для открытых горных работ: Каталог-справочник. -М.: Изд. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1972. -158с.

50. Горцакалян JI.O, Мурашов М.В., Нажесткин Б.П., Самсонов JI.H. Сборник задач по теории и расчету торфяных машин. /Под ред. д-ра тех наук, проф. С.Г. Солопова. -М.: Недра, 1966.-198с.

51. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. - М.:Недра, 1982.- 405с.

52. Чулков H.H., Чулков А.Н. Расчет приводов карьерных машин. - М.: Машиностроение, 1979. -104с.

53. Домбровский Н.Г., Картвелишвили Ю.Л., Гальперин М.И. Строительные машины: Учеб. для вузов. Ч. 1-я. -М.: Машиностоение, 1976.-392с.

54. Квагинидзе B.C., Петров В.Ф., Корецкий В.Б. Эксплуатация карьерного оборудования.-М.: Изд-во МГГУ Горная книга, 2007. - 587с.

55. Докукин A.B., Красников Ю.Д., Хургин З.Я. и др. Динамические процессы горных машин. - М.: Наука, 1972. - 212с.

56. Замышляев В.Ф., Русихин В.И., Шешко Е.Е. Эксплуатация и ремонт карьерного оборудования: Учеб. пособие. -М.: Недра, 1991.- 285с.

57. Беляков Ю.И. Совершенствование технологии выемочно-погрузочных работ на карьерах. - М.: Недра, 1977.- 295с.

58. Ветров Ю.А., Кархов А.А., Кондра А.С., Станевский В.П. Машины для земляных работ. - Издательское объединение Вища школа, 1976. - 368с.

59. Волков Д.П., Крикун В.Я., Тотолин П.Е. и др. Машины для земляных работ: Учеб. вузов. - М.Машиностроение, 1992. - 448с.

60. Матвеев. А. Н. Механика и теория относительности. -М.: Высшая школа, 1986. (3-е изд. М.: ОНИКС 21 век: Мир и Образование, 2003. - 432с.)

61. http://matlab.exponenta.ru/optimiz/bookl/index.php А.Г.Трифонов. "Optimization Toolbox 2.2 Руководство пользователя "

62. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -СПб.: Профессия, 2004. - 749с.

63. Блюмин C.JL, Шуйкова И. А., Сараев П.В. Нечеткая логика: алгебраические основы и приложения. - Липецк: ЛЭГИ, 2002. - 113с.

64. ЬЦр://ги^1к1реё1а.ога^Ла/Заглавная страницаИнтернет энциклопедия Википедия.

65. Певзнер Л. Д., Чураков Е. П. Математические основы теории систем-М.: Высшая школа, 2009. - 504с

66. Певзнер Л.Д. Практикум по теории автоматического управления: Учебник для вузов. -М.: Высшая школа, 2006. - 590с

67. Самолазов А.В., Паладеева Н.И. Техническое перевооружение экскаваторно-автомобильных комплексов добывающих предприятий //М: Горное оборудование и электромеханика.- 2010. -№2. - С 2-11.

68. Справочник по электрическим машинам. Под общ. ред. И. П. Копылова и Б.К. Клокова. В 2 т. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456с.

69. Ганин А.Р., Донченко Т.В. Новый модельный ряд современных карьерных экскаваторов производства ООО «ИЗ-КАРТЕКС им.

П.Г.Коробова» для горной промышленности. //М: Уголь. - 2011. - №10. - С 18-21.

70. Т.Линн. Автоматизированный мониторинг технологического процесса шагающего экскаватора драглайна // Канд. дисс. /МГГУ, 2010. - 104с.

71. Частухин В.П. Опыт передового коллектива с разреза «Черемховский» объединения «Востсибуголь». //М: Уголь. - 1989. - №5. - С 14-17.

72. Бабаков С.Е. Математическое моделирование динамики карьерного экскаватора на основе метода Белоусова. //Вопросы радиоэлектроники. -2012.-вып. 2.-С. 112-118.

73. Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Математическое модель динамики карьерного экскаватора как объекта управления. //Мехатроника. Автоматизация. Управление. - 2012. -№8. -С. 40-48.

74. Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Управление операцией черпания карьерного экскаватора-мехлопаты с применением нечеткой логики. //Уголь. -2012. -№8. -С.64-65.

75. Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Алгоритмизация управления движением ковша экскаватора в режиме черпания с применением нечеткой логики. //Горное оборудование и электромеханика. -2012. - №9. -С.8-17.

76. Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Моделирование динамики карьерного экскаватора как манипуляционного робота. //Сборник докладов XX международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». (г.Алушта, 2011.) С. 30-31.

77. Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Моделирование и управление операцией транспортирования экскаватора-мехлопаты. //Депонированная рукопись объемом 21 стр. издательства «Горная книга», справка № 917/08-12 от 22 мая 2012.

78. Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Алгоритм управления операцией черпания карьерного экскаватора-мехлопаты с применением нечеткой логики.

Депонированная рукопись объемом 11 стр. издательства «Горная книга», справка № 920/09-12 от 01 июня 2012.