Delist.ru

Адаптивное управление рабочими процессами землеройно-транспортных машин (15.09.2007)

Автор: Мещеряков Виталий Александрович

- 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 ДЗ-143-1 отвалом переменой длины для повышения производительности при перемещении грунта; рабочее оборудование для планировочных работ (инвариантный в поперечной плоскости рабочий орган автогрейдера); в ЗАО «УМСР-5» 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 70-летию СибАДИ (2000 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы автомобильных дорог России и Казахстана» (г. Омск, 2001 г.), 43-й 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).

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.

загрузка...