авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Адаптивное управление рабочими процессами землеройно-транспортных машин

-- [ Страница 1 ] --

СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНАЯ АКАДЕМИЯ (СибАДИ)

На правах рукописи

Мещеряков Виталий Александрович

АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

РАБОЧИМИ ПРОЦЕССАМИ

ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Специальность 05.05.04 – Дорожные, строительные

и подъемно-транспортные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Омск – 2007

Работа выполнена в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (г. Омск).

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: доктор технических наук, профессор ЗАВЬЯЛОВ Александр Михайлович
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор СМОЛЯНИЦКИЙ Борис Николаевич, доктор технических наук, профессор НИКУЛИН Павел Иванович, доктор технических наук, профессор ЩЕРБАКОВ Виталий Сергеевич,
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: ОАО «ЧТЗ-УралТрак», г. Челябинск

Защита состоится 25 декабря 2007 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ВАК РФ Д 212.250.02 в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5. Тел. (3812) 65-07-55, факс (3812) 650323.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии по адресу г. Омск, проспект Мира, 5.

Автореферат разослан «_____» ________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Захаренко А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение качества, снижение сроков и себестоимости дорожного строительства неразрывно связаны с проблемами эффективного использования землеройно-транспортных машин (ЗТМ). Поскольку на земляные работы при строительстве дорог приходится более половины материальных затрат, к ЗТМ предъявляются все более высокие требования по производительности и точности выполняемых технологических операций. Превращение ЗТМ в эффективный, точный и удобный инструмент для операторов различной квалификации невозможно без автоматизации рабочих процессов.

В настоящее время системы автоматического управления (САУ) ЗТМ еще не получили повсеместного распространения. Сложная автоматика не всегда способна заменить человека. Это обусловлено рядом причин. Одна из них – это различия в методах управления машиной, используемых человеком-оператором и автоматическими регуляторами. Традиционные подходы к автоматическому управлению предусматривают предварительную настройку параметров регулятора и алгоритма управления, которые не изменяются в течение рабочих проходов. Человек-оператор, даже не имея численных данных о показателях рабочего процесса, подстраивает алгоритм ручного управления ЗТМ под изменяющиеся условия, обучаясь методом проб и ошибок. Повышение эффективности автоматического управления рабочими процессами возможно за счет создания адаптивных систем управления, параметры которых автоматически подстраиваются под изменяющиеся условия рабочих процессов и динамику машины.



Разработка систем автоматического управления должна быть основана на информации о динамике рабочих процессов ЗТМ. Исследование динамики рабочих процессов является сложной задачей. Параметры рабочих процессов связаны нелинейными зависимостями, и, кроме того, не все параметры машины и среды можно измерить, учесть и точно предсказать. Для исследования процессов управления необходимо развивать два подхода к моделированию рабочих процессов ЗТМ. Первый направлен на разработку аналитических моделей элементов рабочих процессов и их объединение в общую имитационную модель. Этот подход, основанный на априорной информации о конструкции ЗТМ, позволяет проводить вычислительные эксперименты при синтезе новых систем управления. Второй подход к моделированию рабочих процессов ЗТМ основан на идентификации рабочих процессов, что позволяет создавать адаптивные динамические модели на основе экспериментально измеренных параметров рабочих процессов ЗТМ. Такой подход дает возможность находить и моделировать скрытые зависимости между параметрами рабочих процессов, не имея полной информации об устройстве ЗТМ и характеристиках среды.

Важнейшей задачей управления тяговыми режимами ЗТМ является наиболее полное использование тяговых возможностей машины за счет управления рабочим органом. Автоматическое поддержание максимальной тяговой мощности или заданного значения сопротивления на рабочем органе затруднено большим количеством случайных факторов, действующих на ЗТМ. В связи с этим система автоматического управления должна обладать возможностью самонастройки, например, чувствительность системы к отклонениям управляемой величины от заданного значения, а также скорость подъема-опускания рабочего органа должны автоматически настраиваться для различных грунтовых условий. Для решения этой проблемы необходима разработка теории, направленной на синтез адаптивных систем управления и учитывающей специфику рабочих процессов ЗТМ.

С учетом современных тенденций применения интеллектуальных систем при автоматизации сложных технических объектов, одним из перспективных направлений является синтез систем управления, основанный на математическом аппарате искусственных нейронных сетей. Нейросетевые регуляторы в ряде случаев позволяют реализовать более эффективные адаптивные алгоритмы управления нелинейными динамическими объектами по сравнению с традиционными подходами.

Синтез систем управления рабочими процессами ЗТМ с более высокими качественными характеристиками позволит наиболее полно использовать тяговые возможности ЗТМ, повысить производительность и уменьшить удельную энергоемкость единицы продукции. Новые подходы к моделированию рабочих процессов и управлению направлены на создание теоретической базы для повышения эффективности автоматизированных ЗТМ. Таким образом, создание адаптивных систем автоматического управления рабочими процессами ЗТМ представляет собой актуальную научно-техническую проблему, решение которой имеет важное хозяйственное значение для строительной отрасли.

Цель работы: повышение эффективности ЗТМ за счет создания адаптивных систем автоматического управления рабочими процессами.

Объект исследований: процессы управления тяговыми режимами ЗТМ и отделочными работами.

Предмет исследований: закономерности, связывающие показатели рабочих процессов ЗТМ, структуру и параметры систем управления.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработка методики аналитико-имитационного моделирования рабочих процессов ЗТМ;

- совершенствование и программная реализация математических моделей случайных возмущений, действующих на ЗТМ;

- разработка динамических моделей положения рабочего органа, формирования призмы волочения, работы привода ЗТМ и движения машины;

- создание имитационных моделей рабочих процессов автоматизированных ЗТМ, исследование моделей тяговых режимов и процесса профилирования земляного полотна;

- сбор и анализ экспериментальной информации о рабочих процессах ЗТМ, необходимой для идентификации ЗТМ как объектов управления, а также оценки адекватности теоретических моделей;

- разработка методики идентификации и моделирования рабочих процессов ЗТМ на основе математического аппарата искусственных нейронных сетей;

- обоснование применимости нейросетевых технологий, подтверждение адекватности нейросетевой модели тягового режима бульдозера на основе экспериментальных данных;

- разработка нейросетевых структур адаптивных систем автоматического управления рабочими процессами ЗТМ, алгоритмов функционирования систем, моделирование процессов адаптивного управления рабочим органом автогрейдера;

- разработка рекомендаций по использованию методики аналитико-имитационного моделирования, методики нейросетевой идентификации рабочих процессов ЗТМ и методики синтеза адаптивных регуляторов систем управления рабочими процессами.

Научная новизна работы заключается:

- в модели формирования случайных возмущений, действующих на ЗТМ, позволяющей учесть переменную скорость машины;

- в модели зависимостей между геометрическими параметрами автогрейдера, высотными координатами микропрофиля необработанной поверхности грунта, пространственными координатами отвала, глубиной резания грунта и переменной скоростью машины;

- в динамической модели формирования призмы волочения поворотного отвала ЗТМ;

- в динамических моделях привода ЗТМ с механической и гидромеханической трансмиссиями;

- в методике нейросетевой идентификации и моделирования рабочих процессов ЗТМ, в адаптивных нейросетевых моделях процесса резания грунта, рабочего процесса бульдозера, тягового режима автогрейдера;

- в методике разработки адаптивных нейросетевых систем автоматического управления рабочими процессами ЗТМ, структуре и алгоритмах функционирования систем управления.

Практическая ценность диссертационной работы состоит:

- в программной реализации имитационных моделей рабочих процессов ЗТМ, которая позволяет проводить вычислительные эксперименты для оценки динамических характеристик ЗТМ, а также использовать имитационные модели в качестве объекта управления на первых этапах проектирования систем автоматического управления рабочими процессами и сократить затраты на проведение дорогостоящих натурных экспериментов.

- в разработке измерительного комплекса, включающего комплект датчиков и регистрирующую аппаратуру на основе крейтовой системы и ЭВМ, предназначенного для автоматизированного сбора экспериментальных данных о рабочих процессах ЗТМ;

- в оснащении бульдозера на базе трактора Т-130М бортовым измерительным комплексом, что создает базу для экспериментальных исследований рабочего процесса бульдозера;

- в программной реализации алгоритмов функционирования адаптивных нейросетевых регуляторов, которая рекомендуется к использованию при разработке систем управления рабочими процессами ЗТМ.

Внедрение результатов. В Мостовом эксплуатационном управлении «Омскавтодор» внедрены запатентованные технические решения по оснащению автогрейдера ДЗ1431 отвалом переменой длины для повышения производительности при перемещении грунта; рабочее оборудование для планировочных работ (инвариантный в поперечной плоскости рабочий орган автогрейдера); в ЗАО «УМСР5» внедрено техническое решение по оснащению бульдозера модифицированным рабочим оборудованием, снижающим пиковые нагрузки на базовый трактор и позволяющим повысить в среднем тяговую мощность и производительность бульдозера.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на II Международной научно-технической конференции «Автомобильные дороги Сибири» (г. Омск, 1998 г.), 59 научно-технической конференции СибАДИ (1999 г.), Международной научной конференции, посвященной 70летию СибАДИ (2000 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы автомобильных дорог России и Казахстана» (г. Омск, 2001 г.), 43й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (г. Омск, 2003 г.), Международной научно-технической конференции, посв. 100-летию проф. К. А. Артемьева (г. Омск, 2004 г.), II Всероссийской научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB» (г. Москва, ИПУ РАН, 2004 г.), IV Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO’05 (г. Москва, ИПУ РАН, 2005 г.), Международной конференции «Качество. Инновации. Наука. Образование» (г. Омск, 2005 г.), I Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений», Всероссийской конференция «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» (г. Омск, 2006 г.), научном семинаре факультета «Транспортные и технологические машины» СибАДИ (2007 г.) и кафедре «Дорожные машины».





Публикации. По результатам исследований опубликована 51 печатная работа, в том числе 4 патента на изобретения.

На защиту выносятся:

- методика аналитико-имитационного моделирования рабочих процессов ЗТМ;

- результаты вычислительных экспериментов, полученные с помощью имитационных моделей тяговых режимов и процесса профилирования земляного полотна автоматизированным автогрейдером;

- методика автоматизированного сбора и цифровой обработки экспериментальных данных о параметрах рабочего процесса ЗТМ;

- результаты экспериментальных исследований рабочих процессов тензометрической тележки, автогрейдера и бульдозера;

- методика идентификации и моделирования рабочих процессов ЗТМ на основе математического аппарата искусственных нейронных сетей;

- методика разработки адаптивных систем автоматического управления.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа имеет 275 страниц основного текста, 3 таблицы, 131 рисунок, список литературы на 207 наименований, 14 страниц приложений 1–4, содержащих листинги программ, и 7 страниц приложений 5–8 с актами внедрения результатов диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, дана краткая характеристика исследуемых вопросов и предлагаемых подходов к их решению, сформулированы основные положения, выносимые на защиту; показаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе выполнен аналитический обзор предшествующих работ, посвященных исследованию рабочих процессов ЗТМ. Целью обзора является выявление важнейших зависимостей между параметрами рабочих процессов, выбор методов их моделирования, а также учет основных тенденций автоматизации ЗТМ.

На основании анализа работ по моделированию динамики рабочих процессов ЗТМ выявлены тенденции, согласно которым модели, описывающие кинематику и динамику рабочего оборудования, гидропривода и трансмиссии, чаще всего представляют собой аналитические выражения, полученные на основе известных физических законов и информации об устройстве ЗТМ. Модели процессов, параметры которых заранее неизвестны или изменяются в широких пределах, чаще всего представляют собой статические табличные или эмпирические зависимости, обобщающие экспериментальные данные. Это модели взаимодействия рабочих органов и движителей со средой, а также статические характеристики сложных агрегатов (гидротрансформатора трансмиссии, двигателя с регулятором подачи топлива).

С точки зрения учета случайности действующих на ЗТМ нагрузок работы по исследованию динамики ЗТМ разделены на две группы: в первой рабочие сопротивления считаются детерминированными, во второй учитывается их вероятностный характер. В первой группе выделены работы видных ученых К. А. Артемьева, В. И. Баловнева, Ю. А. Ветрова, В. Г. Волобоева, А. М. Завьялова, А. Н. Зеленина, И. А. Недорезова, В. Н. Тарасова, Н. А. Ульянова, А. М. Холодова и др. По результатам обзора этих работ сделан вывод, что для исследования процессов перемещения ЗТМ и рабочего органа, функционирования привода ЗТМ, необходимо разрабатывать аналитические модели, в явном виде описывающие зависимости между параметрами рабочих процессов. Во второй группе следует отметить работы Л. Е. Агеева, Б. А. Бондаровича, В. П. Денисова, Ю. В. Гинзбурга, И. П. Ксеневича, Д. И. Федорова, Л. А. Хмары и др. Согласно этим работам, моделирование возмущений, действующих на ЗТМ со стороны неровностей грунтовой поверхности и от неоднородностей грунта, следует осуществлять на основе известных статистических характеристик возмущений. За критерий эффективности ЗТМ принята удельная энергоемкость единицы продукции ЗТМ (отношение математического ожидания используемой мощности двигателя к технической производительности) .

Вопросы автоматизации рабочего процесса ЗТМ исследованы в работах Т. В. Алексеевой, В. Ф. Амельченко, А. М. Васьковского, В. С. Дегтярева, Б. Д. Кононыхина, Э. Н. Кузина, Л. Я. Цикермана, В. С. Щербакова и др. На основе анализа этих работ определены основные задачи автоматизации ЗТМ и методы синтеза САУ, базирующиеся на классической теории автоматического управления. Настройка регуляторов осуществляется на основе статистической информации о характеристиках возмущений. Это затрудняет применение регуляторов в быстро изменяющихся условиях рабочего процесса. Сделан вывод о необходимости разработки адаптивных систем управления, лишенных этого недостатка. По периодике определены тенденции совершенствования современных систем управления рабочими органами ЗТМ.

Сформулирована проблема исследований: необходимость создания методов моделирования динамики ЗТМ и методов разработки систем автоматического управления рабочими процессами, позволяющих учесть сложные нелинейные зависимости между параметрами рабочих процессов и неполноту информации об изменяющихся условиях, в которых проходят рабочие процессы ЗТМ.

На основании обзора методов адаптивного и интеллектуального управления (работы Р. Изермана, Л. Льюнга, К.Острема) выдвинута гипотеза, согласно которой разработка адаптивной системы управления рабочим процессом ЗТМ позволит повысить эффективность управления по сравнению с традиционными подходами. Сделан вывод о целесообразности выбора структуры системы управления, содержащей нейросетевую модель рабочего процесса ЗТМ и нейросетевого регулятора (работы M. Hagan, O. de Jesus, M. Norgaard). В связи с этим необходимо обоснование применимости математического аппарата нейронных сетей к исследованию рабочих процессов ЗТМ, выбор методов идентификации и моделирования рабочих процессов, разработка структур адаптивных систем управления и алгоритмов их функционирования.

В рамках этих направлений определены цель, задачи, объект и предмет исследования.

Во второй главе предложена методика аналитико-имитационного моделирования рабочих процессов ЗТМ. Выполнена декомпозиция модели рабочего процесса ЗТМ; для тех подпроцессов, где возможно аналитическое моделирование на основе априорных знаний о связях между параметрами ЗТМ, получены аналитические зависимости. Модели этих подпроцессов включены в общую структуру имитационной модели рабочего процесса ЗТМ.

Основные цели аналитико-имитационного моделирования рабочих процессов ЗТМ:

- имитация ЗТМ как объекта управления, получение реализаций параметров рабочего процесса ЗТМ для использования при нейросетевой идентификации рабочих процессов;

- определение параметров рациональных тяговых режимов, которые должны поддерживаться САУ;

- сравнение различных вариантов САУ между собой с помощью вычислительного эксперимента.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.