Введение к работе
Актуальность темы. Жесткая конкуренция на рынке горного оборудования предопределяет создание и освоение в промышленности новых высокопроизводительных машин и комплексов. Существует два пути повышения производительности: экстенсивный, предполагающий прямое увеличение мощности техники, и интенсивный, обеспечивающий более рациональное использование имеющихся ресурсов. Интенсификация эксплуатации оборудования предполагает ведение в его структуру информационно-измерительной системы, позволяющей определять состояние исполнительных органов, выбирать и реали-зовывать оптимальный режим их функционирования. Поэтому определяющим фактором технического развития горного оборудования необходимо признать переход на качественно новый уровень его эксплуатации с упором на современные информационно-измерительные системы.
Любая горная машина, как объект инженерной разработки и последующего промышленного производства, представляет собой достаточно сложный комплекс. В процессе проходки тоннелей различных диаметров параметры этого комплекса меняются в весьма широких пределах, начиная от значений, обеспечивающих абсолютную устойчивость, и заканчивая значениями, при которых устойчивость функционирования нарушается. Несмотря на широкий диапазон изменения параметров, информационно-измерительная система должна обеспечивать получение первичной информации, обработку и оценку состояния объекта измерения, и, на основании анализа результатов, выбор законов управления, оптимальным образом обеспечивающих требуемые параметры проходки. Проблемы проектирования подобных систем решены далеко не полностью. В частности не решена задача оптимального размещения сенсоров на объекте, определения потребной точности и быстродействия датчиков, а также задача обработки измерительной информации при выборе и поддержании режимов проходки. Указанное обстоятельство определяет актуальность темы диссертации.
Объектом исследования диссертационной работы являются измерительно-информационная система тоннельного укладчика, обеспечивающая, на основании анализа измерительной информации о состоянии рабочего органа, в совокупности с управляющей системой рациональные режимы его эксплуатации.
Предметом исследования диссертации работы являются технические характеристики информационно-измерительной системы, включаедюй в состав средств автоматизации тоннельного укладчика.
Общими вопросами проектирования информационно-измерительных систем занимались Краус М., Вошни Э., Аш Ж., Новоселов О.Н.. Вопросы выбора датчиков информационно-измерительной системы исследовали Колгин А.В., Котюк А.Ф., Свиридов В.Г., Ульшин В.А., Фомин А.Ф., Фрайден Дж. Различные проблемы проектирования объекта измерения (горные машины и гидропривод) исследовали Башта Т.М., Бартон Н., Берман В.М., Богданович Л.Б., Бреннер В.А., Гейер В.Г., Докукин А.В., Зубков Л.А., Пономаренко Ю.Ф., Солод В.И., Сырицын Т.А.
Из всех существующих подходов к разработке информационно-измерительной системы тоннельного укладчика наиболее продуктивным представляется подход, основанный на аналитических методах математического моделирования, позволяющий целенаправленно планировать будущие свойства разрабатываемой динамической системы. Для этого в диссертации использованы: теория измерений, теория управления, теоретическая механика, теория гидропривода.
Цель диссертационной работы состоит в повышении производительности тоннельного укладчика путём построения информационно-измерительной и управляющей системы, позволяющей на основе анализа измерительной информации о состоянии рабочего органа обеспечить рациональные режимы его эксплуатации.
Задачи исследований.
Разработка функциональной схемы тоннельного укладчика (включая функциональную схему стержневой конструкции и приводов рабочего органа) и построение на её основе общей аналитической математической модели рабочего органа - как объекта измерения и управления.
Разработка комплексного математического описания узлов и блоков рабочего органа, образующих объект измерения, включая модели стержневого узла в полярной системе координат, линейного гидропривода, приводов с объёмным регулированием и гидронасоса с электроприводом.
Получение из общего описания стержневого узла, гидроприводов и гидронасоса силовых зависимостей для расчетов нагрузок в конструкции и систем линейных уравнений в приращениях для расчета динамики объекта измерения и управления. Вывод зависимостей для расчетов коэффициентов систем линейных уравнений.
Построение и анализ структурных схем: стержневого узла, линейного гидропривода, объемного гидропривода и гидронасоса с электроприводом, датчиков сенсорной подсистемы; определение передаточных функций элементов структурных схем.
Формирование схемы распространения воздействий в рабочем органе тоннельного укладчика и разработка на её основе общей структурной схемы системы; выделение из общей структуры элементов, параметры которых существенно меняются при изменении положения рабочего органа, а также параметров состояния, которые оказывают влияние на указанные изменения, и потому подлежат оценке и учету в процессе функционирования рабочего органа.
Построение и анализ диаграммы параметров состояния и разработка на её основе методики оптимальной коррекции параметров цифрового ПИД-регулятора в зависимости от поступающей информации о состоянии объекта измерения.
Построение моделей наиболее часто применяемых датчиков сенсорной подсистемы для учета их характеристик и погрешностей при проектировании информационно-измерительной и управляющей систем рабочего органа тоннельного укладчика.
8. Апробация предложенного метода на задачах практического проектирования информационно-измерительной системы рабочего органа. Научная новизна диссертации заключается в следующем.
На основании принципа раздельных движений с учетом малости на малости изменения общего момента инерции узла при работе линейного гидропривода разработана аналитическая математическая модель рабочего органа тоннельного укладчика как объекта измерения и управления.
Получены математические зависимости, описывающие силовые характеристики элементов функциональной схемы, линеаризованные уравнения, описывающие динамику элементов рабочего органа тоннельного укладчика, а также коэффициенты линейных уравнений, использованные для формирования информационно-измерительной системы.
Сформирована общая структурная схема рабочего органа тоннельного укладчика, с указанием измеряемых параметров, оказывающих существенное влияние на динамику функционирования рабочего органа, использованная для синтеза структуры управляющей подсистемы тоннельного укладчика.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные в диссертации методы ориентированы на использование при проектировании измерительно-информационных и управляющих систем как вновь разрабатываемого, так и модернизируемого оборудования, что позволяет повысить эффективность его использования при проходке тоннелей, и сократить сроки разработки его информационно-измерительных и управляющих систем.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается результатами апробации разработанных методов при решении практических задач создания информационно-измерительной системы тоннельного укладчика.
Положения, выносимые на защиту.
Аналитическая математическая модель рабочего органа тоннельного укладчика, как объекта измерения и управления, построенная с использованием принципа раздельных движений, согласно которому изменение момента инерции стержневой конструкции, обусловленное ходом штока линейного гидропривода, считается малым.
Система математических зависимостей, описывающих силовые характеристики элементов функциональной схемы, а также динамику рабочего органа.
Структурная схема рабочего органа со входами, обусловливающими вариации параметров ряда передаточных функций, и структура управляющей подсистемы рабочего органа тоннельного укладчика.
Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы реализованы автором в процессе выполнения НИОКР Скуратовского опытно-экспериментального завода (г. Тула).
Ряд теоретический положений внедрен в учебный процесс Тульского государственного университета на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» в лекционных курсах по дисциплинам: «Теория автоматического
управления», «Основы информационных устройств роботов», «Математические основы теории систем».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
24-я научная сессия НТО РЭС им. Попова. — Тула, Тульский государственный университет, 2008.
Научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2005—2008 гг.
По теме диссертации опубликовано 12 работ, включенных в список литературы, в том числе: 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК РФ, 3 статьи, представляющих материалы конференции и 7 статей в сборниках трудов.
