Введение к работе
Актуальность работы обусловлена тесной связью проблемы идентификации технологических операций одноковшовых экскаваторов с задачей повышения производительности горнодобывающего предприятия. В первую очередь это позволяет вести учёт продолжительности основных и вспомогательных технологических операций и по этим данным вьиислять показатели эффективности использования технологического оборудования. Оперативное получение такой информации обеспечивает своевременную оптимизацию технологического процесса с целью максимально эффективного и полного использования производственных ресурсов. Во-вторых, это необходимо для учёта производительности экскаватора по горной массе, что повышает эффективность эксплуатации транспортных средств горнодобывающего предприятия в результате оптимизации их загрузки и способствует увеличению производительности экскаватора за счёт предоставления машинисту экскаватора оперативной информации об эффективности его действий.
Информация о текущем состоянии экскаватора даёт возможность полной или частичной автоматизации операций рабочего цикла. Интерес к этой теме проявляется как со стороны отечественных, так и зарубежных учёных, поскольку это обеспечивает повышение коэффициента использования одноковшового экскаватора.
Таким образом, идентификация технологических операций одноковшовых экскаваторов, позволяющая расширить их технологические возможности и повысить эффективность эксплуатации технологического комплекса горнодобывающего предприятия в целом, является актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение. Её решение можно получить путём использования информации о текущем состоянии электротехнического комплекса (ЭТК) взаимосвязанных систем главных приводов.
Степень разработанности темы исследования. Вопросы идентификации технологических операций одноковшового экскаватора по вектору состояния ЭТК главных приводов отражены в работах Л. Д. Певзнера, А. Л. Карякина, А. Г. Бабенко, И. С. Бобина, Тайзар Линн, Дуань Хунмэй и других учёных. Их работы показали возможность решения рассматриваемой задачи с помощью
статистических (вероятностных) методов, теории информации, нечетких множеств, искусственного интеллекта и других инструментов. Вероятность правильного распознавания различными методами составляет от 95 до 97%. В рамках этих исследований определён алфавит состояний, представляющих наибольший практический интерес, набор исходных данных, обеспечивающий высокое качество распознавания, а также требования, предъявляемые к современной системе такого
класса.
Целью диссертационной работы является повышение показателей эффективности эксплуатации ЭТК одноковшового экскаватора на основе новых методик идентификации выполняемых экскаватором технологических операций по вектору переменных электромеханических систем (ЭМС) главных электроприводов, обладающих гибкостью и повышенной точностью.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи.
-
Математическое описание взаимосвязанных ЭМС главных электроприводов карьерного экскаватора при выполнении им рабочего цикла, учитывающее изменение угла наклона поворотной платформы и нелинейности геометрии рабочего оборудования.
-
Разработка комплексной динамической модели ЭТК карьерного экскаватора, системы управления ЭМС, горно-геологических и горнотехнологических условий его эксплуатации, ориентированной на использование векторно-матричных операций.
-
Выбор признаков для идентификации технологических операций одноковшового экскаватора.
-
Выбор и обоснование методики распознавания технологических операций одноковшового экскаватора по вектору состояния его ЭТК, учитывающей последовательность выполняемых технологических операций.
-
Разработка программ бортовой ЭВМ для распознавания технологических операций одноковшового экскаватора по вектору наблюдаемых координат взаимосвязанных ЭМС главных приводов.
-
Оценка показателей качества. идентификации предлагаемой системы распознавания.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Новая методика идентификации технологических операций
одноковшового экскаватора по вектору состояния электротехнического главных приводов основана на объединении вероятностных методов теории принятия решений и математического аппарата цепей Маркова с непрерывным временем.
-
Математическое описание геометрии рабочего оборудования карьерного экскаватора, используемое для вычисления нагрузок на электропривод, не имеет точек разрыва второго рода в области допустимых значений аргументов и основано на представлении характерных точек геометрическими векторами во взаимосвязанных системах координат.
-
Комплексная векторно-матричная динамическая модель электротехнического комплекса, горно-геологических и горно-технологических условий его эксплуатации, управления электромеханическими системами учитывает пространственный наклон ходовой тележки, изменение параметров электропривода и нелинейности геометрии рабочего оборудования.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем.
-
Новая методика идентификации состояний сложных технологических и электротехнических комплексов, учитывающая автокорреляцию состояний согласно теории цепей Маркова, позволяет повысить точность вероятностных методов распознавания образов. Вероятность правильной идентификации технологических операций одноковшового экскаватора по вектору состояния его ЭТК на тестовом множестве, состоящем из 100 циклов экскавации (34747 наблюдений), составила 98,6 %.
-
Математическое описание геометрии рабочего оборудования карьерного экскаватора позволяет решить задачи определения массы породы в ковше и расчета статических нагрузок на электроприводы подъёма и напора в векторно-матричной форме.
-
Комплексная динамическая модель взаимосвязанных ЭМС главных электроприводов карьерного экскаватора учитывает характерные нелинейности геометрии рабочего оборудования, пространственный наклон ходовой тележки и изменение параметров электропривода.
-
Определены функциональные зависимости длины подъёмного каната, вылета рукояти и желаемого положения рабочего органа карьерного экскаватора в абсолютной цилиндрической системе координат, учитывающие изменение точки схода подъёмного каната с головных блоков и вращение седлового подшипника, и
используемые для вычисления задающих воздействий в системе управления главными электроприводами.
5. Определена степень влияния температуры обмоток приводного двигателя и изменения суммарного момента инерции электропривода на вероятностное описание технологических операций карьерного экскаватора.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
-
Применение разработанных алгоритмов в бортовых информационных системах контроля показателей работы экскаватора позволяет получать оперативную информацию, необходимую для эффективного управления предприятием.
-
Математическое описание геометрии рабочего оборудования карьерного экскаватора вследствие учета существенных нелинейностей и пространственного наклона ходовой тележки обеспечивает повышение точности систем зашиты рабочего оборудования от механических повреждений и точности определения массы породы в ковше в бортовых информационных системах экскаватора.
-
Параллельное выполнение вычислений при векторно-матричных операциях и применение искусственной нейронной сети в сочетании с методами оптимизации при решении нелинейной системы уравнений обеспечивают повышение быстродействия вычислительных алгоритмов.
-
Совместное использование алгоритмов позиционирования ковша в абсолютной цилиндрической системе координат и распознавания технологических операций экскаватора позволяет автоматизировать выполняемые им транспортные операции, что, согласно проведённым исследованиям, обеспечивает увеличение его производительности по горной массе от 3 до 7 %.
Методология. В работе, кроме общих научных методов теоретического исследования, таких как абстрагирование, анализ, синтез, дедукция и моделирование, используются методы специальных областей знания: статистики, теории вероятностей, теоретической механики, электротехники, теории электропривода, а также имитационное моделирование.
Защищаемые научные положения.
1. Методика расчёта усилий в приводах подъёма и напора карьерного экскаватора, основанная на векторном описании геометрии рабочего оборудования . во взаимосвязанных системах координат.:
Є
-
Комплексная векторно-матричная динамическая модель ЭТО взаимосвязанных ЭМС главных электроприводов карьерного экскаватора, позволяющая рассчитывать переходные процессы с учётом нелинейностей геометрии рабочего оборудования, угла стояния экскаватора, и изменения параметров электропривода.
-
Методика идентификации технологических операций одноковшового экскаватора по вектору состояния ЭТК главных приводов, учитывающая последовательность выполнения экскаватором технологических операций.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением строго выверенных и прошедших апробацию научных методов, а также данными оценки расхождения результатов имитационного моделирования с экспериментальными данными. Относительное отклонение выборочных моментов тока и напряжения не превышает 9,8%. Относительная погрешность предлагаемой методики идентификации на имитационной модели карьерного экскаватора при полном наборе переменных из априорного словаря признаков составила 1,4 %.
Апробация и внедрение результатов исследования. По материалам диссертации сделаны доклады на научно-промышленных симпозиумах «Уральская горная школа- регионам» в 2010, 2011, 2013 годах, VII Международной (УІП Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу в Иваново в 2012 году, научном симпозиуме «Неделя горняка-2013». По теме диссертации опубликовано десять научных работ, в том числе три статьи в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и издании для опубликования основных научных результатов диссертаций.
При выполнении работы создан программный комплекс «Моделирование работы экскаватора (Shovel Toolbox)», предназначенный для имитационного моделирования переходных процессов, происходящих в ЭМС главных приводов электрического карьерного экскаватора. Теоретические результаты работы используются в курсе «Анализ и синтез систем управления электроприводов» при подготовке магистров по направлению 10400.65 «Электроэнергетика и электротехника». Методы и алгоритмы определения положения ковша и распознавания технологических операций одноковшового экскаватора использованы при проектировании информационных систем карьерных
экскаваторов ЭКГ-12А и ЭКГ-18 производства ОАО «Уралмашзавод».
Структура диссертации. Диссертация изложена" на 191 странице, состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 38 рисунков, пять таблиц, список литературы из 96 наименований и четыре приложения.
