Содержание к диссертации
Введение 9
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗАДАЧ КОМЛЕКНОИ АВТОМАТИЗАЦИИ ЗЕМЛЯНЫХ
РАБОТ 10
1.1. Состав технологий производства земляных работ 10
1.2. Производство скреперных работ 12
1.2.1. Технологии работ, выполняемых скреперами 14
1.2.20собенности технологического цикла и организации скреперных работ 17
1.3. Автоматизация скреперных работ 21
1.4. Бульдозеры 25
1.4.1. Технология бульдозерных работ 27
1.5. Экскаваторы одноковшовые 29
1.5.1. Технологии разработки грунта одноковшовыми экскаваторами...31
1.6. Некоторые решения автоматизации землеройных машин 35
1.7. Технологические системы автоматического управления ЗТМ
1.7.1. Система автоматизации бульдозером 37
1.7.2. Автоматизация скрепера 39
1.7.3. Автоматизация экскаватора 39
1.8. Задачи оптимального использования машин на земляных работах 40
Выводы по главе 1 44
ГЛАВА. 2 ЛИНЕЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССЫ КАК ОБЪЕКТЫ
АВТОМАТИЗАЦИИ 46
2.1. Состав этапов земляных работ 46
2.2. Общие признаки автоматизации 47
2.3. Детализация состава признаков автоматизации 53
2.4. Технологии и операции, машины 55
2.5. Состав операций управления 58
2.6. Энергетические составляющие структуры управления 60
2.7. Задача обеспечения тяговых свойств з
2.7. Задача обеспечения тяговых свойств 62
2.8. Управление рабочими механизмами 67
2.9. Функциональные уровни структуры управления 69
2.10. Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОДСИСТЕМЫ 75
3.1. Функции исполнительных подсистем 75
3.2. Управление цикловыми операциями 77
3.3. Структура следящих подсистем и основные задачи 80
3.4. Исполнительные механизмы 81
3.5. Проблема устойчивости 84
3.6. Организация управления на базе нечёткой логики 88
3.6.1. Анализ САУ с fuzzy регулятором 91
3.7. Контроль и корректировка управления ЗТМ, как дистанционного манипулятора 98
3.8. Методика проектирования систем управления. Диагностика
3.8.1. Человеко-машинные системы управления 101
3.8.2. Методы разработки и проектирования человеко-машинных систем управления 106
3.8.3. Этапы проектирования регулятора 107
Выводы по главе 3 113
ГЛАВА 4. МОДЕЛИ АЛГОРИТМОВ ОПЕРАТИВНОГО УРОВНЯ ПОДСИСТЕМ 114
4.1. Алгоритмы технологических операций в строительстве 114
4.2. Автоматные модели 117
4.3. Технологии и модели 124
4.4. Уточнение и анализ алгоритмов 136
4.5. Расширенное представление автоматных моделей 143
4.6. Выводы по главе 4 145
ГЛАВА 5 УРОВЕНЬ ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМ.
146
5.1. Подсистема «сцепление с грунтом» 146
5.2. Обоснование определяющего параметра 148
5.3. Принцип формирования управляющего сигнала 152
5.4. Методы поиска оптимума 1
5.4.1. Метод градиентного спуска 159
5.4.2. Анализ средств методов обеспечения 1
5.5. Организация структуры управления 167
5.6. Метод нечеткого управления с прогнозированием 172
5.7. Синтез нечёткой системы управления 1
5.7.1. Модели систем управления 175
5.7.2. Обоснование параметров управления 179
5.8. Моделирование управления 182
5.8.1. Синтез и настройка-обучение нечёткого контроллера 188
5.8.2. Построение нечётких правил на основе оценок действий оператора 189
5.8.3. Фаззификация входных переменных 190
5.9. Дальнейшие перспективы 191
5.10. Выводы по главе 5 192
ГЛАВА 6. ВЕРХНИЙ УРОВЕНЬ ПОДСИСТЕМ. ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ПОДХОД 193
6.1. Методика использования экспертной системы 195
6.2. Принятие решений в нечетких условиях 197
6.2.1. Нечеткий многокритериальный анализ вариантов 197
6.2.2. Нечеткий многокритериальный анализ проектов 199
6.3. Метод косвенной оценки объёмов выполненных работ 202
6.3.1. Определение состояния объекта 206
6.3.2. Обнаружение размытых границ 211
6.4. Синтез виртуальной среды контроля земляных работ 215
6.4.1. Общие положения представления цифровых моделей 215
6.4.2. Синтез цифровой модели объекта земляных работ 220
6.5. Выводы по главе 6 222
ГЛАВА 7. ПОДСИСТЕМЫ ОРГАНИЗАЦИОННОГО УРОВНЯ. АЛГОРИТМЫ И СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ 227
7.1. Модели нечеткого математического программирования 224
7.1.1. Нечеткие цели, ограничения и решения 227
7.2. Нечёткие алгоритмы 230
7.2.1. Алгоритмы управления в условиях неопределённости 230
7.3. Адаптивный регулятор 232
7.3.1. Нечёткий логический регулятор 233
7.3.2. Алгоритм формирования нечёткого отношения предпочтения...235
7.4. Методы контроля выполнения земляных работ 239
7.4.1. Оптимизация технологических параметров 240
Выводы к главе 7 246
ГЛАВА 8. КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 246
8.1. Предпосылки организации системы управления земляными работами 247
8.2. Автоматизированная система управления земляными работами 248
8.3. Обоснование связанного управления 249
8.3.1. Обеспечение связного управления земляными работами 252
8.4. Комплексная информационная система земляных работ 255
8.4.1. Структура информационной системы ЗТМ 258
8.5. Задачи организации структур автоматизированного управления 259
8.5.1. Базовая структура уровней подсистем управления 261
8.5.2. Обеспечение надёжности системы управления 263
8.6. Реализация прототипа АСУ земляными работами 269
8.6.1. Оперативное планирование землеройных работ 269
8.6.2. Тестирование системы управления 272
8.7. Выводы по главе 8 277
8.8. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 279
Литература 279
Приложение 3
Введение к работе
Актуальность проблемы
Эффективность любого промышленного производства в настоящее время в значительной степени определяется уровнем его автоматизации. Это в равной мере характерно и для комплексов земляных «линейных» технологий, автоматизация которых тем актуальней, чем масштабней объект и чем выше требования к темпам и качеству работ. Для рациональной организации такого рода работ в первую очередь требуется формирование удовлетворительного представления об общей технологической ситуации. А это неизбежно связано с необходимостью оперативного приборного определения параметров достаточно сложной технологической среды, текущего состояния создаваемого объекта, характера протекания составляющих процессов, взаимодействия разнообразных машин и механизмов, что невозможно без объединения локальных технологий в единый комплекс управляемых подсистем. Необходимость автоматизации определяется также и тем, что в большинстве своем эти работы производятся в сложных и нестабильных геологических и климатических условиях.
Предметом исследований в данном случае является обширный комплекс разнообразнейших технологий, начиная с этапов проектирования и организационных мероприятий, разметки, разбивки трассы с учетом рельефа и прочих строительных и эксплуатационных особенностей местности, — вплоть до завершающих работ — реконструкции временных сооружений, засыпки, планировки поверхности и т. п.
Анализ предшествующих исследований свидетельствует, что задачи автоматизации земляных работ на основе математических моделей, построения алгоритмов комплексной автоматизации, до сего времени решались фрагментарно и эпизодически. Рассматривались частные задачи контроля отдельных технологических параметров, оптимизации режимов машин и агрегатов. Многие работы представляют научный и практический интерес, однако они не объединены общей концепцией автоматизации земляных работ на объектах любого масштаба. В то же время, очевидно, что решение такого рода задач способно вывести рассматриваемые технологии на принципиально новый уровень, вплоть до комплексной автоматизации, с учётом всех важнейших характеристик объекта и методов его оценки. Данная диссертационная работа как раз и состоит в научном обобщении и дальнейшем развитии теоретических положений и инженерных решений в области автоматизации технологических процессов, связанных с использованием комплексов землеройно-транспортных машин.
Поэтому исследования данной диссертации, ориентированные на создание концепции комплексной автоматизированной системы управления земляными работами на основе современных методов и средств, представляются актуальными и перспективными.
2. Задачи исследований
Общая цель диссертационной работы — решение проблемы обоснования, разработки научных рекомендаций, математических моделей и технических предложений по системной организации и комплексной автоматизации технологических процессов линейных промышленных объектов с использованием скреперов, бульдозеров и других землеройно-транспортных машин на основе современных информационных технологий.
Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач:
1. Целенаправленный анализ технологий исследуемых работ по этапам и звеньям производственной цепи. Определение особенностей составляющих процессов в связи с задачами комплексной автоматизации.
2. Системный подход к критериям и оптимизации управления. Формирование структуры автоматизированной системы, обоснование математических моделей объектов управления как составляющих подсистем.
3. Обоснование принципов контроля и управления, оптимизации алгоритмов для подсистем различных уровней.
4. Реализация технических и программных средств автоматизации. Моделирование, испытания, промышленное внедрение результатов работы.
5. Определение перспективных направлений дальнейших разработок.
В приложении приводятся акты внедрения результатов диссертационной работы. Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определена корректным использованием современного математического аппарата, проверкой согласования результатов аналитических моделей с эквивалентными по формализации компонентами моделей систем управления и анализа. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения.
Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Они представляют непосредственный интерес в области комплексной автоматизации земляных работ. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения на предприятиях учебном процессе кафедр «Автоматизированные системы управления » и «Автоматизация производственных процессов» МАДИ (ГТУ).
Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и получило одобрение: на ежегодных научно-практических конференциях МАДИ (ГТУ) (Москва, 1998 - 2005 гг.), на ежегодных научно-практических конференциях Самарского филиала РИА (Самара, 2002 - 2005 гг.), на семинаре по современным информационным технологиям (Омск, 2002 г.), на 15-й международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002 г.), на научно-техническом совете Госстроя РФ (Москва, 2001 г.), на четвертом ежегодном научно-техническом семинаре-совещании «аналитика, диагностика и средства автоматизации для нефтегазового комплекса» (Москва, 2002 г.).
Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований в области автоматизации системы подготовки и переподготовки составляет актуальное направление в области теоретических и практических методов формирования индивидуальных учебных планов и программ.
По результатам выполненных исследований опубликовано более 50 печатных работ. 3. Практические и научные результаты
К практическим результатам исследований следует отнести создание унифицированных масштабируемых программно-аппаратных комплексов автоматизированного управления с элементами экспертных систем. Разработана методология формирования структуры управляющих подсистем на основе современных информационных технологий в соответствии с конкретными производственными задачами и составами машинного парка.
Предложенные принципы проектирования универсальны и пригодны для автоматизации управления группами мобильных механизмов различного класса и назначения в промышленности, строительстве и других отраслях.
Научная новизна диссертационной работы состоит в первую очередь в том, что комплексная автоматизация линейных промышленных технологий изменяет самую концепцию использования землеройно-транспортных машин в направлении их рационального использования, согласованности действий, возможности применения и унификации методов и средств современных информационных технологий.
Разработаны принципы взаимосвязанного управления машинами в реальном времени в составе автоматизированных систем, с возможным участием операторов, осуществляющих супервизорное управление. Применение методов нечёткой логики способствует обеспечению возможности многокритериального управления в условиях неопределенных стохастических сред.
К научным результатам работы следует также отнести целенаправленную разработку математических моделей исследуемых технологических процессов на основе аналитических и экспертных методов, обоснование принципов проектирования программно-аппаратных комплексов управления работами на линейных промышленных объектах.
Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав и заключения, опубликованных на 300 страницах машинописного текста, содержит 145 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 170 наименований и приложения.
