Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ и постановка задач исследования
1.1. Анализ работ по автоматизации и интеллектуализации рабочих процессов шагающего экскаватора-драглайна 10
1.2. Задачи исследования 20
2. Разработка математической модели мониторинга технологического процесса экскавации
2.1. Шагающий экскаватор и технологический процесс как объект автоматического мониторинга 23
2.2. Разработка математической модели технологического процесса экскавации 38
2.2.1. Модель системы "главные механизмы экскаватора" 38
2.2.2. Модель технологического движения ковша драглайна 47
2.2.3. Модель контроля движения ковша в рабочем пространстве 55
3. Разработка алгоритмов автоматического мониторинга технологического процесса экскавации
3.1. Разработка алгоритмов идентификации состояния технологического процесса экскавации 56
3.2. Разработка алгоритмов оценки геометрических параметров технологического процесса экскавации 59
3.2.1. Определение координат движения ковша драглайна 60
3.2.2. Определение параметров вскрышного уступа 62
3.3. Разработка алгоритмов оценки эффективности технологического процесса экскавации 69
3.3.1. Алгоритм определения производительности экскаватора 69
3.3.2. Алгоритм определения массы ковша 72
3.3.3. Алгоритм определения энергоемкости процесса экскавации.. 74
3.3.4. Алгоритм определения временных параметров 75
3.4. Алгоритм контроля выполнения технологического задания 77
4. Экспериментальные вычислительные исследования алгоритмов автоматического мониторинга технологического процесса экскавации тяжелых - драглайнов
4.1. Разработка структуры имитационной модели системы технологического мониторинга 81
4.2. Разработка в среде MATLAB/Simulink модели транспортного движения ковша драглайна. 84
4.2.1. Выбор программных средств для моделирования системы 84
4.2.2. Описание пакета прикладных программ 88
4.2.3. Модель "электропривод механизма подъема и тяги" 92
4.2.4. Модель "электропривод механизма поворота" 96
4.2.5. Модель "поворотная платформа—ковша" 98
4.2.6. Модель программного управления движения ковша 99
4.3. Разработка модели идентификации состояния технологического процесса экскавации драглайна 103
4.4. Разработка модели вычисления основных показателей технологического процесса экскавации драглайна 109
4.5. Вычислительный эксперимент и анализ результатов исследования системы технологического мониторинга процесса экскавации драглайна 113
5. Предложения по технической реализации системы технологического мониторинга 116
Заключение 118
Список литературы 120
- Анализ работ по автоматизации и интеллектуализации рабочих процессов шагающего экскаватора-драглайна
- Модель системы "главные механизмы экскаватора"
- Разработка алгоритмов оценки геометрических параметров технологического процесса экскавации
- Выбор программных средств для моделирования системы
Введение к работе
Основным видом горно-транспортной техники современных карьеров являются крупные карьерные одноковшовые экскаваторы, эффективность эксплуатации которых во многом определяет основные технико—экономические показатели горного предприятия.
Как показывает опыт эксплуатации горной техники на разрезах Российской Федерации и Китайской Народной Республики имеет место значительное недоиспользование производственных мощностей разрезов. Недостаточно высокая эффективность эксплуатации мощных экскаваторов, снижение срока их службы приводит к большим потерям объёма вскрышной горной массы и недоподготовке к выемке полезного ископаемого - вот одна из основных причин недостаточно высокой эффективности разрезов.
Снижение эксплуатационной производительности экскаваторов объясняются недоиспользованием мощности приводов главных механизмов, их скоростных и силовых параметров, нерациональным управлением механизмами при выполнении экскаваторного цикла, недоиспользованием концевой нагрузки экскаватора, нарушениями технологической дисциплины.
Кроме того, уровень квалификации машиниста, его индивидуальное психофизическое состояние в течение рабочей смены существенно влияют на показатели работы экскаваторов, что приводит к недоиспользованию технических возможностей этих машин. Одновременно из-за отсутствия достаточного объёма информации о ходе рабочего процесса и дефицита времени зачастую возникают дополнительные динамические нагрузки на оборудование, теряется производительность, повышается вероятность ошибочных действий, ведущих к аварийным ситуациям.
Таким образом, имеет место противоречие между техническими возможностями высокопроизводительной машины и способностями машиниста, управляющего этой машиной. Это противоречие - характерная особенность нашего времени - рубежа XX века и его возможно разрешить лишь используя методологию и средства автоматизированного управления и контроля. Автоматизированная система управления и контроля содержит своей неотемлемой частью подсистему информационного обеспечения машиниста и технологического мониторинга. Эта система позволит выявить значительные резервы производительности шагающих драглайнов. Система не выводит машиниста из контура управления технологическим процессом, существенно поможет ему уже как оператору рационально в автоматическом режиме управлять процессом экскавации, фиксировать результаты этого процесса, контролировать состояние электромеханических систем экскаватора.
Использование автоматизированной системы управления шагающим драглайном позволит интенсифицировать технологический процесс бестранспортной вскрыши, поднять эффективность эксплуатации экскаваторов, создать условия надежной, безаварийной работы, облегчить труд машиниста, освободить его от напряжения, возникающего при ручном управлении машиной. Очень важно, чтобы машинист экскаватора без потери рабочего времени в требуемый момент мог выдать информацию о технологическом процессе экскавации и сообщить характеристики эксплуатации.
Во время работы машинист экскаватора контролирует технологические параметры забоя визуально, следовательно, погрешность выполнения задания будет значительной, в особенности, если машинист малоквалифицированный и не имеет достаточно опыта работы. Поэтому использование на борту экскаватора системы автоматизированного
контроля с использованием ЭВМ позволит предупредить машиниста о возможных ошибках и тем самым избежать дополнительных затрат времени и средств.
Актуальность проблемы создания автоматизированной системы управления и в том числе информационного обеспечения машиниста для контроля за ходом технологического процесса экскавации с одной стороны и системы оценки эффективности эксплуатации с другой стороны была обнаружена наукой и поддержана промышленностью в конце 70 годов. Решение этой проблемы сдерживалось во многом не только отсутствием необходимых развитых бортовых технических средств, но и недостаточно эффективным программным обеспечением управления и контроля. Интерес к проблеме создания и в некоторых случаях опыте эксплуатации подсистем автоматизированного управления технологическим процессом экскавации тяжелых горных машин угольных разрезов и карьеров остается актуальным в настоящее время, что поддтверждают публикации статей и докладов на международных конференциях и симпозиумах по автоматизации в горном деле.
Таким образом,
разработка системы технологического мониторинга тяжелых горных машин, алгоритмического, программного и технического обеспечения этой системы, позволяющей расширить технологические возможности экскаватора, поднять его эксплутационную производительность, облегчить труд машиниста, составляет актуальную научную задачу, имеющую важное практическое значение.
Вводить комплексную автоматизацию процесса экскавации необходимо не только на уровне машиниста, но и для других уровней управления. Бригадир, ^отвечающий за эксплуатацию экскаватора и за его производительность, обязан контролировать работу машиниста.
Располагая оперативными данными о текущей и проделанной работе со всех экскаваторов участка, диспетчер и руководитель имеет полную возможность так управлять работой участка или карьером в целом, чтобы поддерживать высокую эффективность его работы.
Целью работы являются разработка математической модели и алгоритмов оценки эффективности и производительности работы тяжелых экскаваторов-драглайнов как основы для создания автоматизированной системы технологического мониторинга тяжелых горных машин.
Основная идея работы состоит в том, что для получения в темпе реального времени исходных данных технологического мониторинга с целью вычисления показателей эффективности эксплуатации тяжелых горных машин, использовать математическую модель технологического процесса экскавации, бортовые измерители, а также само рабочее оборудование машин как инструментальное средство.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна.
Созданная математическая модель технологического процесса экскавации шагающего экскаватора-драглайна как объекта мониторинга позволяет имитировать основные технологические движения машины как в режиме черпания, так и в режиме транспортирования.
Разработан новый алгоритм автоматической идентификации технологического состояния процесса экскавации, который позволяет с погрешностью до 3% определять временные интервалы, соответствующие каждому технологическому состоянию процесса.
Разработанные алгоритмы технологического мониторинга временных, геометрических и энергетических параметров процесса позволяют предупреждать нарушения технологического задания, оценивать
эффективность технологического процесса экскавации. Разработан новый алгоритм определения текущей производительности экскаватора на основе более эффективного алгоритма оценивания транспортируемой массы горной породы в ковше.
Значение работы.
Научное значение работы состоит в том, что разработанные алгоритмы автоматизированного технологического мониторинга экскаватора-драглайна развивают методы автоматизации технологических процессов и, в частности, методы оценки качества технологических процессов тяжелых горных машин.
Практическое значение работы заключается в том, что созданные алгоритмы вычисления параметров технологического процесса экскавации являются основой для разработки прикладного программного обеспечения подсистемы мониторинга в АСУ ТП мощных одноковшовых экскаваторов и автономных автоматизированных систем контроля технологического процесса экскавации.
Достоверность положений и выводов. Положения и выводы поручены в результате вычислительного эксперимента разработанных алгоритмов технологического мониторинга с математической моделью объекта управления, адекватность которой реальным процессам подтверждена результатами экспериментальных исследований.
Апробация работы и публикации. Результаты работы и её основные этапы докладывались на: международной конференции "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-99", МГГУ, ( Москва, 1999 ) "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2000", МГГУ, ( Москва, 2000 ) и на научном семинаре кафедры AT МГГУ. По материалам диссертационных исследований опубликовано 2 статьи.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Автоматики и управления в технических системах" Московского государственного горного университета
Анализ работ по автоматизации и интеллектуализации рабочих процессов шагающего экскаватора-драглайна
Изучая опыт работы экскаваторных бригад шагающих драглайнов, исследуя приёмы управления экскаватором, ставя статистические эксперименты на рабочих местах, многими исследователями установлено, что даже опытные, высококвалифицированные машинисты драглайнов не в состоянии длительное время согласованно выполнять в предельном темпе операции экскаваторного цикла, а машинисты средней квалификации допускают недоиспользование экскаватора по производительности в среднем на 30-40% .[4]
Выявлены основные причины такого факта и составляющие потери производительности. Машинисты часто снижают верхний уровень предельных скоростей при транспортировании ковша в отвал и на черпание, что удлиняет цикл. При выполнении операции черпания неправильный выбор толщины стружки и многократные перечерпывания приводят к затягиванию этой операции. Частичное, а иногда и полное отсутствие совмещения во времени операций цикла, многочисленные переключения командоаппаратом при выполнении операции возврата ковша в забой и заводки его на черпание не только удлиняют цикл, но и создают дополнительные динамические нагрузки на рабочее оборудование. Неправильная установка драглайна в забое и нерациональная по времени последовательности черпания, наконец, некачественное выполнение паспорта экскавации, приводит к дополнительным непроизводительным потерям времени.
Опыт передовых экскаваторных бригад подсказывает основной путь решения проблемы увеличения производительности за счёт сокращения продолжительности цикла путём автоматического совмещения отдельных операций, например, движение в сторону отвала начинать на 2-Зс раньше отрыва, поворот осуществлять на предельной скорости, разгрузку выполнять за время торможения, реверса и разгона механизмов, при движении в забой ковш обычно опережает стрелу на 12—15, что позволяет начать черпание за 1—Зс до полного останова стрелы. Автоматизация элементов рабочего цикла экскавации, в частности, автоматическое транспортирование грунта в отвал и возврат ковша в забой, автоматическое выполнение операции черпания - вот первый класс задач автоматизации - автоматизации управления. В этот класс входят также задачи автоматического контроля безопасного положения ковша в рабочем пространстве.
Второй класс задач автоматизации содержит задачи автоматизации информационного обеспечения машиниста, которые позволят измерять, вычислять и контролировать основные показатели, характеризующие протекание технологического процесса экскавации.
Третий класс задач автоматизации включает задачи диагностического контроля состояния электромеханических систем главных механизмов драграйна.
Первый наиболее обширный класс задач автоматизации представляется работами по созданию как локальных систем управления и регулирования отдельных элементов экскаваторного цикла, так и комплексных систем программного управления. Эти исследования и разработки выполнялись в различных научных и исследовательских институтах и предприятиях России, США, Канады и Австралии.
Проблеме автоматизированного контроля работы экскаватора, разработке устройств и локальных систем автоматики было посвящено много научных работ О. А. Залесова, Л. Д. Певзнера, Ю. Я. Буля, А. И. Филипенко, М. Б. Носырева, А. Л. Карякина.
Не трудно представить, насколько непрактично и опасно было бы управлять летчику самолетом без приборной панели. Однако мощные драглайны стоимостью в несколько миллионов долларов до настоящего времени работают без использования специальных приборов для регистрации производительности, что приводит к значительным потерям при производстве вскрышных работ. В настоящее время имеется возможность создать компьютеризированную бортовую систему мониторинга для драглайнов, которая даст оператору непосредственную информацию об основных показателей технологического процесса эксплуатации и оценку производительности экскаватора.
В СССР в 70 годах, а рубежом в начале 80 годов появились работы, в которых представлялись результаты исследований систем автоматизации и интеллектуализации технологических процессов тяжелых горных машин для открытых работ.
Из зарубежных работ отметим статьи ученых и исследователей Канады , Австралии и США. В журнале «Canadian Mining Journal» 1981, 102, № 10 опубликована статья [65], в которой речь идет о том, что фирмой "General Electric" разработана специальная система "Digmate", предназначенная для непрерывного контроля текущей производительности драглайна и анализа этого показателя. В процессе работы драглайна машинист на основе показаний прибора может вносить соответствующие коррективы в эксплуатационный режим. Кроме того, предусмотрено поступление предупредительных сигналов оператору об аварийном состоянии отдельных механизмов. Информация поступает как на экран дисплея размером 23 см, установленного в кабине оператора, так и в виде цифровых массивов. Информационная счетно-рещающая система в 1980 г. проходила апробацию на карьере нефтеносных песков в провинции Альберта в Канаде.
С помощью датчиков в системе измеряется степень наполнения ковша драглайна, масса груженого ковша, составляющие времени цикла, угол поворота. Сигналы обрабатываются с помощью микропроцессора. Дополнительно измеряются расход электроэнергии, усилия в канатах. Испытания показали, что в числе важнейших преимуществ системы -возможность регулирования скорости черпания, исключение возможности касания ковшом конструкций стрелы, приводящего к авариям и соответствующим значительным простоям машины, текущая корректировка параметров стружки. С помощью системы Digmate обеспечивается получение необходимой информации для ремонтных целей. Она является хорошим инструментом для обучения машинистов. Благоприятные результаты использования полученной информации о фактической выработке драглайна для планирования горных работ на карьере с учетом возможностей выбора оптимальных параметров разработки забоев. Счетно—решающая система может быть включена в систему ЭВМ карьера. Устройство исключает необходимость подготовки каких-либо дополнительных отчетов об эффективности использования драглайна за рассматриваемые периоды времени. Применение подобных систем рекомендуется на всех крупных одноковшовых экскаваторах.
Модель системы "главные механизмы экскаватора"
Движение рабочего органа экскаватора драглайна формируется главными механизмами - подъема, тяги и поворота. Электроприводы главных механизмов современных мощных шагающих экскаваторов -драглайнов среднего класса, например ЭШ20.90 (Россия, Уралмаш), построены по схеме генератор-двигатель с тиристорным возбуждением генераторов, независимым возбуждением двигателей, управляемых по якорной цепи.
Для электроприводов механизма подъема и механизма тяги устанавливаются два электродвигателя Ml, М2 (рис.2.2.1), питающихся от одного генератора Г. Электрическое соединение якорей электродвигателей и генератора последовательное. Электропривод механизма поворота мощного шагающего экскаватора-драглайна использует четыре электродвигателя М1...М4, питающихся от одного генератора. Соединение якорей электродвигателей и генератора электропривода поворота последовательно-параллельное. Все силовые модули приводов - работают параллельно на один рабочий вал. Возбуждение генератора электропривода осуществляется от тиристорного преобразователя ТВ, включенного по трехфазной мостовой реверсивной вентильной схеме с уравнительными дросселями. Постоянное возбуждение двигателей приводов осуществляется от нереверсивных тиристорных преобразователей.
Система управления тиристорным возбуждением генератора каждого электропривода построена по структуре двухконтурного подчиненного регулирования. Внутренний контур регулирования тока якорной цепи включает генератор, тиристорный преобразователь с собственной системой управления и регулятор тока РТ; внешний контур системы управления - контур регулирования ЭДС генератора включает внутренний контур и регулятор РЭ. Сигналы обратных связей, пропорциональных току якорной цепи и ЭДС генератора формируется датчиками ДТ и ДЭ. Рінтегральная составляющая сигнала датчика тока формируется аналоговыми средствами интегральной схемотехники. Сигнал задания скорости электропривода \]заз формируется от сельсинного командоаппарата по команде машиниста-оператора.
При составлении математической модели движения ковша драглайна целесообразно рассматривать линейное представление модели. Линейная модель процессов в электроприводе главных механизмов выстраивается при известных допущениях о линейности характеристики тиристорного возбудителя, кривой намагничивания генератора и двигателей, кроме того в предположении идентичности характеристик, параметров и нагруженности двигателей.
Альтернативным вариантом структуры системы двухконтурного подчиненного регулирования является структура, содержащая регуляторы РЭ, РТ в виде звеньев ограничений. Статические и динамические характеристики электропривода формируются величинами жестких и гибких обратных связей по току и напряжению якорной цепи двигателей. Альтернативная структура аналогична структуре электропривода механизма поворота, представленной на рис.2.2.3 Настроечными параметрами системы подчиненного регулирования в этом случае являются коэффициенты обратных связей /и.,/= 1,6. Настроечные параметры обратных связей (кдэ, кдт) и регуляторов ЭДС и тока (крэ, кп, kji), или rrii расчитываются для обеспечения качества переходных процессов и окончательно корректируются при моделировании опытов короткого замыкания и холостого хода.
Система управления тиристорным возбуждением генератора электропривода поворота построена по структуре двухконтурного подчиненного регулирования. Внутренний контур регулирования тока включает генератор, тиристорный преобразователь с собственной схемой управления и регулятор тока РТ; внешний контур содержит внутренний контур и регулятор РЭ величины ЭДС генератора.
Прямой канал системы управления возбуждением генератора содержит два звена ограничения с симметричными характеристиками и согласующий усилитель СУ, выходной сигнал которого является управляющим для тиристорного возбуждения.
Для получения экскаваторной характеристики электропривода, требуемых показателей качества переходных процессов регулирования, используется система жестких и гибких обратных связей то току якорной цепи 1, 2 и напряжению двигателей 3, 4. Помимо традиционных отрицательных обратных связей на регулятор тока заводится положительная обратная связь по напряжению двигателя для стабилизации максимального тока в переходном режиме.
Особенностью нагрузки механизма поворота экскаватора-драглайна является повторно-кратковременный режим с большой частотой переключения, наличие систематических перегрузок, динамическая нагрузка создается большими маховыми массами платформы и стреловой конструкции. Статическая нагрузка, составляющая 10-20% стопорного момента, является реактивной, что приводит к перекосу динамического момента при разгоне и торможении. Для выражения динамического момента, создания равных по модулю ускорений при разгоне и торможении, используется дополнительная обратная связь по знаку напряжения двигателя.
Для ограничения динамических нагрузок при выборе кинематических зазоров в системе управления предусмотрен блок 6, формирующий сигнал подается на согласующий усилитель, с целью снижения ускорения двигателей, когда кинематический зазор не выбран. Блок плавного, безударного выбора зазора формирует нелинейную обратную связь с использованием сигналов, пропорциональных току якорной цепи генератора и напряжениям на якорях двигателей.
Сигналы обратных связей, пропорциональных току якорной цепи и ЭДС двигателей, формируются датчиками ДТ и ДЭ, дифференциальные составляющие этих сигналов создаются аналоговыми средствами интегральной схемотехники.
При составлении математической модели системы "электропривод механизма поворота" помимо описанных выше ограничений полагаем, что кинематические зазоры механизма поворота приведены к валу двигателя и жесткость валоприводов механизма ограничена.
Разработка алгоритмов оценки геометрических параметров технологического процесса экскавации
Среди множества параметров оценки эффективности, характеризующих процесс экскавации, осуществляемого драглайном, выделим отдельный класс геометрических параметров. В основном технологическом задании - паспорте экскавации указывается совокупность параметров, характеризующих геометрию отвала, вскрышного уступа и трассы шагания. Информация об отклонениях реальных значений параметров геометрии отвала, забоя и трассы от паспортных создает объективное суждение о ходе технологического процесса экскавации.
Математическая модель определения геометрии отвала, забоя и трассы представляется совокупностью соотношений, связывающих отмеченные выше параметры с текущими значениями координат ковша драглайна. Для удобства отыскания этих соотношений выберем систему координат Х ОУ(рис.3.2.1), которая проходит через точку О и повернута на угол & 5 относительно старой системы координат, то есть вдоль стрелы экскаватора.
Технология, механизация и организация отвальных работ составляют сущность и содержание процесса отвалообразования. Отвалообразование является завершающим этапом в технологической цепи производства вскрышных работ. От четкого и безаварийного выполнения отвальных работ в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы горного и транспортного оборудования и всего карьера в целом.
В карьере часть толщи горных пород, имеющую рабочую поверхность в форме ступени и разрабатываемую самостоятельными средствами выемки, погрузки и транспорта, называют уступом. Уступ имеет нижнюю и верхнюю площадки, откос и бровку. Откос уступа -наклонная поверхность, ограничивающая уступ со стороны выработанного пространства задается углом р.
Геометрические параметры отвала обычно определяются маркшейдерскими замерами. В данной работе, отслеживать основные параметры отвала, используя рабочее оборудование экскаватора как инструмент для измерения, предлагается найти соотношения для высоты отвала, угла откоса отвала, ширина заходки или расстояние между отвалами, объем добычи.
Для определения перечисленных геометрических показателей рассмотрим расчетную схему рис. 3.2.2, где изображены экскаватор с осью вращения О и два вскрышных уступа. Уступ верхнего черпания А с точками 2,3 у основания и 1,4 на верхнем части и уступ нижнего черпания В так же с точками 1,4 у основания (но теперь они на верху) и точками 2,3 в нижней части забоя. Кроме того имеется отвал с центром в точке 1С и основанием в точке 2С. Вскрышной забой расположен в плоскости координат (X,Z) (Здесь Z=Y указанному раньше в формулах).
Оператору, работающему на экскаваторе, указываются в рабочем задании паспортные параметры отвала. В действительности, из-за особенностей местности, или по вине оператора, или из-за ряда других причин параметры, указанные в рабочем задании, неизбежно искажаются, что приводит к необходимости дополнительной переэкскавации. Снизить экономические потери от этих нарушений возможно только путем мониторинга процесса отработки забойной поверхности и отвалообразования.
В основном технологическом задании - паспорте экскавации, указывается совокупность параметров, характеризующих геометрию отвала, вскрышного уступа и трассы шагания: /? - угол откоса отвала; S -угол откоса вскрышного уступа; Я л - высота верхнего вскрышного уступа; Н в - высота нижнего вскрышного уступа; Н о - высота отвала; А - ширина заходки; 6 ш - полярный угол і-го звена трассы шагания; Б ШІ -длина / -го звена трассы шагания; Ы ш - число шагов /-го звена трассы шагания; V - полный объем отвала.
Информация об отклонениях реальных значений параметров {%} геометрии отвала, забоя и трассы от паспортных {% } создает объективное суждение о ходе технологического процесса экскавации.
В этих выражениях аргументы X=X(t ), Y=Y(t ), Z=Z(t ) являются декартовыми координатами, a x/t ), p/t ) - полярными координатами контрольных точек, измеряемыми в отдельные моменты технологического процесса. Измерения производятся с использованием рабочего оборудования экскаватора-драглайна как инструментального средства.
Эталонные значения перечисленных величин дается в паспорте забоя. Если экскаватор будет сваливать вскрышные породы в произвольные места, это приведет к дополнительным действиям и, следовательно, к большим затратам. Вот пример такой ситуации. Необходимо увеличить забой, а передвижению экскаватора мешает образованный ранее в ненужном месте отвал, продолжать работу на том же месте исключено из-за возможного обвала. Очевидно, что для продолжения работы потребуется или дополнительное время для перемещения отвала, либо дополнительные средства для привлечения других машин. И то и другое с экономической точки зрения не выгодно.
Этого можно избежать путем правильного образования отвала, а для этого необходимо осуществить особый контроль за выполнением процесса отвалообразования, чтобы его параметры были наиболее приближены к указанному в рабочем задании.
В условиях централизованно управляемой экономики большинство предприятий работало неэффективно, то есть выпускали продукции меньше своих потенциальных возможностей, а затраты допускали больше необходимых. Это объясняется сложившимся механизмом, который стимулировал только выполнение с перевыполнением даже заниженных плановых заданий и был индифферентен к неиспользуемым резервам производства продукции, следовательно, и к эффективности самого производства.
По оценкам руководителей некоторых отраслей промышленности, неиспользуемые резервы достигли на предприятиях 30% фактической производственной мощности. В условиях рынка наличие неконтролируемых резервов нетерпимо. Поэтому в настоящее время важна задача экономики - развитие формирующейся теории резервов для выявления имеющихся резервов производства продукции, создания методики их количественной оценки и хозяйственного механизма для их постоянного использования.
Выбор программных средств для моделирования системы
Для реализации модели электромеханической системы "главные электропривода - ковш" мощного экскаватора-драглайна был выбран пакет прикладных программ Simulink, входящий в состав среды инженерных и научных расчетов MATLAB 5.2 (The Math Works, Inc., USA). Выбор среды для компьютерной реализации модели основывался на следующих соображениях.
Система MATLAB [50 51] предназначена для выполнения математических вычислений; разработки вычислительных алгоритмов; выполнять вычислительный эксперимент и имитационное моделирование; анализировать данные, исследовать и представлять результаты, разрабатывать приложения, включая графический интерфейс. Система MATLAB поддерживает выполнение операций с векторами, матрицами и массивами данных, реализует сингулярное и спектральное разложения, вычисление ранга и чисел обусловленности матриц, поддерживает работу с алгебраическими полиномами, решение нелинейных уравнений и оптимизационных задач, интегрирование в квадратурах, численное решение дифференциальных и разностных уравнений, построение различных видов графиков, трехмерных поверхностей и линий уровня. В системе MATLAB реализована удобная операционная среда, которая позволяет формулировать проблемы и получать решения в привычной математической форме, не прибегая к рутинному программированию.
MATLAB - это интерактивная система, основным объектом которой является массив, для которого не требуется указывать размерность явно. Это позволяет решать многие вычислительные задачи, связанные с векторно-матричными формулировками, существенно сокращая время, необходимое для программирования на скалярных языках типа С или Fortran.
В промышленных приложениях система MATLAB применяется для численных расчетов, макетирования алгоритмов, имитационного моделирования и построения точных компьютерных моделей реальных объектов, исследований в области автоматического управления, статистической обработки сигналов и процессов.
Система MATLAB - это одновременно и операционная среда и язык программирования. Одна из наиболее сильных сторон системы состоит в том, что на языке MATLAB могут быть написаны программы для многократного использования.
Для решения задачи имитационного моделирования динамических объектов и систем управления среда MATLAB предлагает использование специального пакета прикладных программ Simulink [63]. Программные средства. Simulink предполагает создание имитационной модели в виде структурных схем, составляемых из блоков базовой библиотеки или блоков, определяемых пользователем. Блоки соединяются между собой проводниками сигналов. Сигналы могут быть как скалярными, так и векторными.
На рис.4.2.1 представлен вид рабочего окна среды Simulink, окна библиотеки базовых блоков и окна отображения графического индикатора сигналов. Формирование графической структуры модели производится при помощи манипулятора "мышь". Функциональные блоки схемы размещаются в рабочем окне, их входные и выходные порты связываются проводниками сигналов. После задания числовых параметров функциональных блоков, размещения блоков констант, задающих генераторов и индикаторов выходных сигналов исследуемой модели можно приступать к имитационному эксперименту. Simulink предоставляет возможность отладки структуры модели: поиск явных ошибок, замкнутых контуров структуры не содержащих динамических блоков, рассогласования векторной размерности входных-выходных портов блоков и нескоммутированных портов. В ходе моделирования Simulink выдает диагностические и предупреждающие сообщения об особенностях вычислений, ошибках и возможных их причинах.
Типовые функциональные блоки Simulink хранятся в различных разделах базовой библиотеки: SOURCES-блоки констант и генераторов ступенчатых, линейно-растущих, периодических сигналов, случайных шумов, блоки ввода произвольных данных; SINKS-графические, цифровые индикаторы, блоки вывода произвольных данных, элементы управления моделированием; LINEAR-блоки для задания внешней или внутренней модели непрерывных стационарных линейных звеньев; DISCRETE-блоки для задания моделей дискретных стационарных линейных звеньев; NONLINEAR-блоки типовых, табличных нелинейностей, произвольных математических функций, нелинейных и логических операций; CONNECTIONS-блоки коммутационного расширения, и иерархического структурирования модели.
Важным достоинством среды пакета прикладных программ Simulink является возможность создания пользовательских библиотек и программирования собственных функциональных блоков на языке MATLAB или внешних языках.
Для создания сложных многоуровневых иерархических моделей в пакета прикладных программ Simulink предусмотрены блоки подсистем (SUBSYSTEM). Каждая подсистема представляется в виде функционального блока в основном окне модели, в то же время внутренняя структура подсистемы формируется в собственном дополнительном окне. При этом переменные и сигналы подсистемы являются локальными и недоступны в структуре более высокого иерархического уровня. Внутренняя структура каждой подсистемы должна содержать блоки входных и выходных сигналов, отображаемые в модели более высокого уровня как входные и выходные порты. Для подсистемы можно задать маску (MASK), что позволяет изменять числовые параметры внутренней структуры посредством диалогового окна, не прибегая к редактированию структуры вручную. Внутренняя структура подсистемы может содержать блоки подчиненных подсистем, таким образом достигается гибкость многоуровневой организации модели и компактность функциональных схем.
Моделирование проводится указанным численным методом с постоянным или переменным шагом и заданными параметрами: начальное и конечное время моделирования, величина шага, абсолютная и относительная погрешности численного метода и др. Существует возможность наблюдать за изменением диаграмм процессов непосредственно во время моделирования.
Результаты моделирования представляются в окнах графических, цифровых или специализированных индикаторов, могут быть выведены на печать или экспортированы в рабочую область среды MATLAB для дальнейшей обработки аналитическими средствами.
Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что среда Simulink ориентирована на построение гибких и высокоточных компьютерных моделей сложных систем и применима для практической реализации цифровой квазианалоговой модели электромеханической системы "главные электропривода - ковш" мощного экскаватора-драглайна.
