Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 42
1.1. Актуальность разработки методик и алгоритмов формирования траектории перемещения объемных грузов грузоподъемными кранами в трехмерном пространстве с препятствиями. Тенденции развития грузоподъемных кранов, их приборов безопасности и систем управления 42
1.2. Обзор существующих САПР с функциями синтеза и оптимизации траектории объектов 54
1.3. Современное состояние исследований в области синтеза оптимальных траекторий движения объектов в неоднородном организованном пространстве 65
1.4. Выводы по обзору. Цель и задачи исследований 93
2. Общая методика исследований. структура работы 96
2.1. Общая методика исследований 96
2.2. Структура работы 109
3. Разработка методик синтеза траектории перемещения объемного груза с учетом его угловой ориентации и препятствий в дискретном пространстве его координат. сравнительный анализ методик 112
3.1. Постановка задачи синтеза траектории перемещения груза с учетом его угловой ориентации и препятствий в пространстве его координат 112
3.2. Обоснование критериев эффективности для сравнительной оценки алгоритмов методик синтеза траекторий 122
3.3. Методика построения полидистантных поверхностей вокруг реальных поверхностей препятствий, заданных дискретно 138
3.4. Методика построения гиперповерхности минимальных значений вертикальных координат условного центра груза с учетом его угловых координат 144
3.5. Методика дискретной локальной оптимизации заданной траектории в неоднородном организованном трехмерном пространстве 149
3.6. Методика синтеза траектории на основе генетического подхода 154
3.7. Методика синтеза траектории на основе модифицированного алгоритма роевого интеллекта 163
3.8. Методика синтеза траектории на основе модифицированного алгоритма вероятностной дорожной карты 174
3.9. Методика синтеза траектории на основе алгоритма декомпозиции линейных и угловых координат 185
3.10. Методика синтеза траектории на основе модифицированного направленного волнового алгоритма 201
3.11. Сравнительный анализ алгоритмических и программных реализаций методик синтеза траектории 214
3.12. Выводы по главе 228
4. Разработка методик синтеза траектории перемещения объемного груза в пространстве конфигураций грузоподъемного крана с учетом угловой ориентации груза и препятствий 231
4.1. Постановка задачи синтеза траектории перемещения грузоподъемным краном груза в пространстве конфигураций грузоподъемного крана с учетом угловой ориентации и препятствий 231
4.2. Обоснование критериев эффективности перемещения груза в пространстве конфигураций грузоподъемного крана 236
4.3. Методика определения управляемых координат грузоподъемного крана по известным координатам груза 242
4.4. Методика проверки положения грузоподъемного крана в пространстве конфигураций по ограничению на устойчивость 274
4.5. Методика дискретной локальной оптимизации заданной траектории в среде с препятствиями по критериям эффективности в пространстве конфигураций 279
4.6. Методика определения временной функции стоимости изменения управляемых обобщенных координат грузоподъемного крана 283
4.7. Методика определения энергетической функции стоимости изменения управляемых обобщенных координат грузоподъемного крана 294
4.8. Методика синтеза траектории в пространстве конфигураций грузоподъемного крана на основе алгоритма вероятностной дорожной карты с ограничениями по устойчивости 308
4.9. Методика оптимизации технологических параметров рабочего процесса грузоподъемного крана по принятым критериям эффективности перемещения груза 324
4.10. Результаты исследования комплекса методик оптимизации технологических параметров рабочего процесса грузоподъемного крана по критериям эффективности, определяемым в пространстве конфигураций 327
4.11. Выводы по главе 368
ТОМ 2
5. Разработка методик оптимизации параметров совмещенного рабочего процесса двух грузоподъемных кранов, перемещающих общий груз 2
5.1. Постановка задачи оптимизации технологических параметров совмещенного рабочего процесса двух грузоподъемных кранов, перемещающих общий груз
2 5.2. Обоснование критериев эффективности совмещенного рабочего процесса двух грузоподъемных кранов, перемещающих общий груз ... 4
5.3. Методика определения значений комплексных относительных кри териев эффективности совмещенного рабочего процесса двух грузоподъемных кранов, перемещающих общий груз 7
5.4. Методика проверки пересечения виртуальных объемных тел шасси двух грузоподъемных кранов 10
5.5. Методика оптимизации технологических параметров совмещенного рабочего процесса двух грузоподъемных кранов, перемещающих общий груз 14
5.6. Результаты исследования комплекса методик оптимизации технологических параметров совмещенного рабочего процесса двух грузоподъемных кранов, перемещающих общий груз, по предложенным критериям эффективности 17
5.7. Выводы по главе 33
6. Инженерные разработки. результаты экспериментальных исследований грузоподъемного крана. оценка экономического эффекта 35
6.1. Обоснование информационных параметров процесса управления положением платформы грузоподъемного крана 36
6.2. Разработка методики горизонтирования опорной платформы грузоподъемного крана с выносными опорами 37
6.3. Экспериментальные исследования рабочего процесса стрелового гидравлического автокрана 60
6.4. Инженерные разработки и рекомендации по заземлению и повышению устойчивости отдельно стоящего мобильного грузоподъемного крана, а также созданию самоходного двухстрелового крана 68
6.5. Результаты верификации и внедрения методик, алгоритмов, инженерных разработок, защита интеллектуальной собственности 88 6.6. Структура разработанной теории, иерархия, взаимосвязь и после
довательность использования методик 90
6.7. Оценка экономического эффекта от использования на автомобильном грузоподъемном кране устройства управления с функциями синтеза оптимальной траектории 92
6.8. Выводы по главе 99
Общие выводы по работе 101
Литература
- Обзор существующих САПР с функциями синтеза и оптимизации траектории объектов
- Методика построения полидистантных поверхностей вокруг реальных поверхностей препятствий, заданных дискретно
- Обоснование критериев эффективности перемещения груза в пространстве конфигураций грузоподъемного крана
- Обоснование критериев эффективности совмещенного рабочего процесса двух грузоподъемных кранов, перемещающих общий груз
Введение к работе
Актуальность работы. Совершенствование грузоподъемных кранов (ГПК) с целью повышения их эффективности, исключения аварийности, обеспечения качества выполнения строительно-монтажных и подъемно-транспортных работ, снижения затрат на их производство, расширения технологических возможностей невозможно без глубокого научного исследования их узлов, механизмов, устройств управления.
Изучение связей и закономерностей процессов взаимодействия ГПК с рабочими средами и объектами обосновывают расчет, проектирование, режимы технической эксплуатации машин и их устройств управления. От эффективности работы ГПК во многом зависят безопасность, производительность и качество выполненных работ в строительстве.
Совершенствование ГПК связано с необходимостью синтеза траектории перемещаемого груза. Поэтому весьма актуальным является совершенствование технологических процессов ГПК с целью повышения производительности, безопасности эксплуатации, снижения энергозатрат. Это возможно при совершенствовании методов управления и контроля качества технологических процессов, выполняемых ГПК, при использовании аналитических методов исследований и проектирования устройств управления ГПК, исходя из условий их применения.
Решение задач повышения эффективности работы ГПК в современных условиях невозможно без автоматизации их технологических процессов, без применения методов оптимизационного синтеза траекторий перемещения грузов, позволяющих снизить энергозатраты и временные затраты, влияющие на производительность ГПК. При этом ключевым направлением является использование интеллектуальных технологий синтеза траекторий перемещения грузов.
В настоящее время функции устройств управления ГПК ограничены координатной защитой, контролем грузоподъемности и сбором информации. Функции оптимизационного синтеза и реализации траекторий устройствами управления не выполняются из-за отсутствия фундаментальных теоретических разработок. Одним из необходимых условий для решения данной проблемы является разработка эффективных методик для устройств управления, позволяющих оптимизировать рабочий процесс ГПК, в том числе в режиме реального времени.
Одной из самых важных и в то же время сложных задач является задача оптимального управления перемещением груза в заданное положение при наличии препятствий в неоднородном организованном рабочем пространстве. Оптимизация траектории перемещения груза, а также значений технологических параметров управляемых координат ГПК в процессе перемещения, позволяет исключить аварийность, минимизировать не только временные, но и энергетические затраты, улучшить условия труда. Таким образом, возникает проблема оптимизации траектории перемещения груза и значений технологических параметров управляемых координат ГПК.
Более сложной является задача оптимизации траектории перемещения общего груза в процессе совместной работы группы ГПК. Перемещение грузов двумя ГПК и более, является работой повышенной опасности. Методы повышения безопасности эксплуатации подобных комплексов машин имеют первостепенное значение. Процесс согласованного управления двумя ГПК, перемещающими общий груз, достаточно сложен и до настоящего времени недостаточно изучен, т.к. машинисты не располагают достоверной информацией о координатах груза, о предполагаемых действиях машиниста другой машины. В связи с этим, для обеспечения безопасности подобных работ необходимо автоматизировать процесс, исключив, полностью или частично, машинистов ГПК из контуров управления, возложив на них функции общего контроля.
Оптимизация значений таких технологических параметров ГПК, как координаты базовых шасси (место установки ГПК на строительной площадке с учетом препятствий, запрещенных областей и ограничений), позволит также повысить эффективность и безопасность строительно-монтажных и подъемно-транспортных работ, снизить затраты на их производство.
Все перечисленное показывает, что на сегодняшний день проблема управления рабочим процессом ГПК (группы ГПК) в неоднородном организованном пространстве является актуальной.
Возникло противоречие между беспрецедентным совершенством технических средств устройств управления и отсутствием теоретических основ методов управления ГПК, перемещающих груз в пространстве с препятствиями.
Новые подходы к управлению рабочими процессами ГПК направлены в первую очередь на создание теоретической базы оптимизации траекторий перемещения грузов и значений технологических параметров ГПК: управляемых координат подвижных звеньев и координат базового шасси.
Цель работы: повышение эффективности использования ГПК за счет разработки общей методологии оптимизации траекторий перемещаемых грузов в неоднородном организованном пространстве, технологических параметров управляемых координат подвижных звеньев и координат установки ГПК.
Объект исследований: процессы синтеза оптимальных траекторий для управления перемещением груза в неоднородном организованном пространстве и координат установки ГПК.
Предмет исследований: закономерности процессов синтеза оптимальных траекторий при управлении перемещением груза в неоднородном организованном пространстве и координат установки ГПК.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи, необходимые для создания общей методологии оптимизации технологических параметров ГПК на основе оптимального управления перемещением груза в трехмерном неоднородном организованном пространстве:
обоснование методик предварительной обработки дискретных пространственных данных с целью решения задач синтеза оптимальной траектории для управления перемещением груза в неоднородном организованном трехмерном пространстве;
разработка методик синтеза оптимальной траектории для управления перемещением ГПК (группой ГПК) груза произвольной формы в неоднородном организованном трехмерном пространстве;
обоснование системы критериев оценки эффективности методик и алгоритмов синтеза оптимальных траектории в неоднородном организованном трехмерном пространстве и проведение сравнительного анализа методик по принятым критериям эффективности;
разработка методик реализации синтезированных траекторий для управления перемещением груза в пространстве конфигураций кинематически избыточного ГПК с учетом углов наклона опорной платформы и без учета последних (решение обратной задачи кинематики ГПК);
обоснование критериев оценки траекторий и методик синтеза оптимальных траекторий для управления перемещением груза в пространстве конфигураций кинематически избыточного ГПК;
оптимизация технологических параметров одиночного ГПК и группы из двух ГПК при перемещении груза произвольной формы в неоднородном организованном трехмерном пространстве;
разработка инженерных решений и рекомендаций по горизонтированию базового шасси ГПК, заземлению и повышению устойчивости ГПК, а также созданию двух- стреловых ГПК.
Методы исследования. В качестве общего методологического подхода работы принята методология системного анализа. В работе использовались методы математического и имитационного моделирования, дискретной математики, теории графов, теории множеств, теории алгоритмов, теории булевых функций, вычислительной геометрии, искусственного интеллекта, эволюционного моделирования, мехатроники, теории управления, теории планирования движений, теории оптимизации, алгоритмов поиска и комбинаторики.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые предложена общая методология оптимизации технологических параметров ГПК на основе оптимального управления перемещением груза в трехмерном неоднородном организованном пространстве, в том числе разработаны:
методика предварительной обработки дискретных пространственных данных для постановки и решения задач синтеза оптимальной траектории перемещения груза при помощи устройства управления;
комплекс методик синтеза оптимальных траектории и алгоритмы управления перемещением груза в неоднородном организованном трехмерном пространстве на основе: генетического подхода, роевого интеллекта, вероятностной дорожной карты, декомпозиции линейных и угловых координат, направленного распространения волнового фронта, а также их программные реализации. Разработанные методики позволяют учесть угловые координаты и произвольную форму груза, а также ограничения, накладываемые на все координаты груза;
методика горизонтирования базового шасси ГПК;
методика определения управляемых координат ГПК по известным координатам груза с учетом углов наклона опорной платформы (решение обратной кинематической задачи с учетом кинематической избыточности механической системы ГПК);
методика проверки положений элементов рабочего оборудования ГПК в пространстве конфигураций по ограничению на устойчивость;
методика синтеза оптимальной траектории для управления перемещением груза в пространстве конфигураций кинематически избыточной системы ГПК;
методика оптимизации технологических параметров одиночного ГПК и группы из двух ГПК за счет оптимального управления перемещением груза произвольной формы в неоднородном организованном трехмерном пространстве.
Практическая ценность работы заключается:
в предложенных критериях оценках эффективности алгоритмов синтеза траекторий для управления перемещением груза в неоднородном организованном трехмерном пространстве, которые позволяют обоснованно производить выбор лучшего варианта методики;
в разработке комплекса методик синтеза оптимальных траекторий для управления перемещением груза во внешнем неоднородном организованном трехмерном пространстве и в пространстве конфигураций ГПК с препятствиями;
в разработке комплекса методик оптимизации технологических параметров одиночного ГПК и группы ГПК при перемещении груза произвольной формы в неоднородном организованном трехмерном пространстве, которые необходимы для функционирования устройств управления технологическими процессами одиночного ГПК и группы 1 ПК, и позволяют повысить эффективность технологических процессов;
в полученных регрессионных моделях максимальных значений рациональных скоростей управляемых координат 1 ПК и удельных расходов топлива;
в предложенных и запатентованных конструкциях двухстреловых 1 ПК, а также винтовых и гидравлических устройств заземления и повышения устойчивости ГПК; внедрении методик планирования траектории перемещения груза в трехмерном пространстве с препятствиями с учетом координат угловой ориентации, одновременного управления двумя грузоподъемными кранами при монтаже крупногабаритных многотоннажных конструкций; внедрении системы автоматизации проектирования устройств автоматического выравнивания опорной платформы в горизонтальной плоскости и контроля отрыва выносных опор от грунта; зарегистрированных в Объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование» алгоритмах синтеза оптимальных траекторий перемещения груза грузоподъемным краном.
Достоверность результатов исследования обеспечена корректностью принятых допущений, использованием апробированных программных продуктов, достаточным объемом экспериментальных данных, подтвердивших адекватность математических моделей и правомерность результатов теоретических исследований, не вступающих в противоречие с результатами предшественников.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Межрегиональной научно- технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование (Броня - 2002)» (г. Омск, 2002 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» (г. Омск, 2006 г.); II, Ш и VII Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, 2007, 2008, 2012 гг.); 59-й, 69-й Международных научно-технических конференциях Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) (г. Омск, 2007, 2010 гг); 62-й, 63-й, 64-й научно-технических конференциях ГОУ ВПО «СибАДИ» (г. Омск, 2008, 2009, 2010 гг.); Международной научно- технической конференции «Транспортные и транспортно-технологические системы» (г. Тюмень, 2011 г., ТюмГНГУ); XII, ХШ Международных научно-инновационных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых с элементами научной школы «Теоретические знания - в практические дела» (г. Омск, 2011, 2012 гг., РосЗИТЛП); Межрегиональной научно-практической конференции «Производство, модернизация, эксплуатация многоцелевых гусеничных и колесных машин. Подготовка специалистов» (г. Омск, 2011 г., филиал ВУНЦ СВ «ОА ВС РФ»); 65-й Всероссийской научно-практической конференции ФГБОУ ВПО «СибАДИ» «Модернизация и инновационное развитие архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России: фундаментальные и прикладные исследования» (г. Омск, 2011 г.); 1-й Всероссийской научно-технической конференции «Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы» (г. Рубцовск, 2011 г., Рубцовский индустриальный институт).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 60 печатных работ, в том числе 5 монографий, 25 научных статей - в изданиях из перечня ВАК, получено 3 патента на полезные модели, 7 свидетельств об отраслевой регистрации электронных ресурсов ОФЭРНиО (алгоритмов).
Внедрение результатов. В ФГУП КБТМ, г. Омск, внедрены: методика планирования траектории перемещения груза в трехмерном пространстве с препятствиями с учетом координат угловой ориентации; система автоматизации проектирования устройств автомагического выравнивания опорной платформы строительной машины в горизонтальной плоскости и контроля отрыва выносных опор от грунта. В ОГУП «Мостовое ремонтно- строительное управление», г. Омск, внедрена инженерная методика одновременного управления двумя грузоподъемными кранами при монтаже крупногабаритных многотоннажных конструкций.
На защиту выносятся: общая методология оптимизации технологических параметров ГПК на основе оптимального управления перемещением груза в трехмерном неоднородном организованном пространстве, включающая:
методику построения полидистантных поверхностей вокруг реальных поверхностей препятствий;
комплекс методик синтеза оптимальных траекторий для управления перемещением груза произвольной формы с учетом его угловых координат в неоднородном организованном трехмерном пространстве на базе направленного волнового алгоритма, алгоритма роевого интеллекта, алгоритма на базе генетического подхода, алгоритма декомпозиции линейных и угловых координат, алгоритма вероятностной дорожной карты;
результаты сравнительных вычислительных экспериментов, полученных при реализации предложенных методов и алгоритмов синтеза оптимальной траектории для управления перемещением груза произвольной формы с учетом его угловых координат в неоднородном организованном трехмерном пространстве;
методику горизонтирования базового шасси ГПК;
методики определения управляемых координат ГПК по известным координатам груза с учетом углов наклона опорной платформы и без учета последних;
методику синтеза оптимальной траектории для управления перемещением груза в пространстве конфигураций кинематически избыточного ГПК;
методики оптимизации технологических параметров одиночного ГПК и группы ГПК за счет оптимального управления перемещением груза произвольной формы в неоднородном организованном трехмерном пространстве.
Структура и объем работы. Диссертационная работа оформлена в двух томах, состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа имеет 505 страниц основного текста, 19 таблиц, 278 рисунков, список литературы из 272 наименований, 133 страницы приложений, содержащих сопутствующие методики и акты внедрения результатов исследования.
Обзор существующих САПР с функциями синтеза и оптимизации траектории объектов
Актуальность разработки методик и алгоритмов формирования траектории перемещения объемных грузов грузоподъемными кранами в трехмерном пространстве с препятствиями. Тенденции развития грузоподъемных кранов, их приборов безопасности и систем управления
Синтез оптимальной траектории перемещения объекта в неоднородном организованном пространстве по принятым критериям оптимальности является фундаментальной научной проблемой.
Данная проблема, фундаментальная по природе, имеет широкую прикладную направленность в технических системах. В качестве подобных объектов выступают различные летательные аппараты, такие как вертолеты и конвертопланы, глубоководные аппараты и подводные лодки и, наконец, грузы, перемещаемые грузоподъемными и строительными машинами, различными манипуляторами и т.д. В качестве такого объекта выступают, в частности, крупногабаритные грузы, перемещаемые грузоподъемными кранами (ГПК). Все перечисленные технические системы, в том числе ГПК, являются системами реального времени.
Самоходные стреловые ГПК являются одним из наиболее распространенных средств механизации в промышленности и строительстве, в складском хозяйстве, цехах машиностроительных предприятий, в портовых терминалах и т.д. Можно выделить следующие тенденции развития самоходных ГПК и их систем управления [43, 76, 166, 194]: 1) усложнение технологических операций, выполняемых отдельными ГПК и группами ГПК при перемещении общего груза; совмещение нескольких рабочих движений (до 4-х) при перемещении грузов; 2) расширение технологических возможностей и показателей ГПК: повышение грузоподъемности, увеличение размеров зоны, обслуживаемой отдельным ГПК; 3) оптимизация движений разгона, торможения и скорости перемещения груза; 4) автоматизация рабочих процессов ГПК: исключение человека-оператора за счет установки и использования для автоматического перемещения грузов бортового устройства управления на базе микропроцессоров или ПЭВМ.
На производительность и эффективность работ по перемещению грузов ГПК оказывает влияние большое количество факторов. Одним из основных влияющих факторов является вид траектории перемещения груза [43].
При перемещении груза ГПК могут иметь место ситуации, когда на пути между начальным и конечным целевым положениями груза присутствуют препятствия различной формы и размеров (сложноорганизованное трехмерное пространство). В этом случае возможен обход препятствий поднятием груза над ними либо сбоку в горизонтальном направлении без поднятия, если высота препятствий достаточно велика, или они непреодолимы по высоте для данной конструкции ГПК, или данная зона является запрещенной для движения грузов над ней. Возможны также комбинированные варианты перемещения. Из этого вытекает актуальность управления грузом, перемещаемым ГПК, в трех координатах пространства [80, 82, 194].
Для выполнения при помощи ГПК некоторых видов монтажных, строительных и реконструкционных работ в условиях стесненной городской застройки и производственных сооружений необходима жесткая отработка определенной траектории [80, 82, 194].
Синтез оптимальной траектории перемещения груза наиболее эффективно может быть осуществлен при использовании на ГПК устройств управления. Все перечисленное обуславливает целесообразность синтеза, оптимизации и контроля траектории перемещаемого груза путем совершенствования систем управления ГПК, расширения их функциональных возможностей. Задача оптимизации траектории перемещаемого груза сводится к синтезу оптимальной траектории грузозахватного устройства ГПК. Траектория движения груза может быть синтезирована с учетом различных критериев оптимальности, таких как минимум геометрических перемещений и связанный с ним минимум временных затрат, минимум затраченной работы, сохранение устойчивости ГПК и др. Однако в любом случае наличие препятствий определенной геометрической формы и размеров обуславливает геометрический характер решаемых задач.
В настоящее время управление такой довольно сложной и громоздкой комплексной системой, как ГПК, состоящей из механической, гидравлической, электрической подсистем, осуществляется вручную на всех известных марках ГПК различных производителей. Устанавливаемые в обязательном порядке на все самоходные стреловые ГПК, эксплуатирующиеся в Российской Федерации, приборы безопасности и регистраторы параметров работы способны в лучшем случае лишь автоматически отключать механизмы подъема груза и изменения вылета в случае подъема груза, масса которого превышает грузоподъемность ГПК для данного вылета, либо обеспечивать т.н. координатную защиту, также блокировкой приводов, при приближении звеньев крана к недопустимым областям пространства или ЛЭП [51, 52, 165, 192, 193].
Развитие и совершенствование автоматизированных систем управления ГПК позволит перемещать груз по оптимальной траектории, обеспечивая минимизацию расстояния (а следовательно, повышение производительности, снижение энергетических и стоимостных затрат) и одновременно плавность перемещения (ограничение первых двух производных по времени: скорости и ускорения) [76, 80, 82, 166, 194].
Методика построения полидистантных поверхностей вокруг реальных поверхностей препятствий, заданных дискретно
Исследование любой сложной системы требует постановки проблемы, т.е. выявления проблемной ситуации. Рациональное решение проблем предполагает использование методов и моделей теории систем и системного анализа [7, 25, 151, 189]. В главе 1 работы применительно к грузам, перемещаемым ГПК, была сформулирована проблема оптимизации траектории перемещения объемного груза произвольной заданной формы с учетом его угловых координат в неоднородном организованном трехмерном пространстве с произвольными формами и расположением препятствий по принятым критериям оптимальности.
Из сформулированной проблемы оптимизации траектории груза, перемещаемого ГПК (группой ГПК), вытекает другая проблема – оптимизации технологических параметров рабочего процесса ГПК (группы ГПК): целенаправленного управления во время рабочего процесса обобщенными координатами ГПК с учетом его кинематической избыточности, а также координат базового шасси (места установки ГПК до начала работы).
Методика проведения системного анализа не является универсальной, т.к. каждая проблема имеет свои особенности и требует от исследователя инициативы, воображения и интуиции, чтобы правильно определить цели проекта и успешно их реализовать [7, 25, 151, 189]. Укрупненно основные этапы поиска рационального решения проблемы приведены на рис. 2.1. Данная общая схема действий может быть модифицирована в деталях.
Методологической основой принятия какого-либо решения, как правило, выступает функциональная зависимость, связывающая цель решения и средства ее достижения. Подобные зависимости выявляются на основе законов научных знаний. Опираясь на данные законы, можно выявить определенные системные закономерности, характерные для исследуемой проблемы. Выявление закономерностей поведения системы при определенных условиях позволяет создать концепцию, т.е. выдвинуть основную идею для построения новой теории при решении сформулированной проблемы. Если теории не существует, то выдвигается научная гипотеза, на основе которой разрабатываются концептуально-имитационные модели, с использованием которых могут быть достигнуты поставленные цели, т.е. решены задачи исследования. Одним из основных критериев достижения цели является эффективность методов решения сформулированных задач [7, 25, 151, 189].
При решении поставленной проблемы необходимо сформулировать задачи ее решения и далее найти методы их решения. Проблема отличается от задач тем, что метод ее решения зачастую не имеет четкого решения. Задачи же решаются определенными научными методами. Рациональное решение поставленной проблемы в рамках системного подхода предусматривает использование комплексного метода решения, включающего как теоретические, так и экспериментальные методы исследований. При этом основным научным средством реализации цели настоящего исследования с использованием теории систем для практического решения задач выступил метод формализации, который понимается как построение теории знаний в виде, позволяющем использовать количественные (математические) средства исследования. Под формализацией понимается способ оценивания системы качественными и/или количественными характеристиками с использованием математических методов. В то же время применение математических средств возможно лишь тогда, когда определены средства оценки, измерения всех существенных параметров системы [7, 25, 151, 189].
На основании изложенного достижение цели настоящей работы с применением методологии системного анализа было представлено следующими этапами [7, 25, 151, 189]: 1. Формулирование научной проблемы, цели и задач работы как решения поставленной проблемы. 2. Определение объекта и предмета исследования. 3. Постановка задачи синтеза оптимальных траекторий перемещения груза в неоднородном организованном пространстве по геометрическому критерию, решение которой необходимо для достижения поставленной в работе цели, включающая подэтапы: - математическая формулировка задачи синтеза оптимальных траекторий перемещения груза в неоднородном организованном пространстве по геометрическому критерию и ее ограничений; - выбор геометрических критериев оценки оптимальности траекторий перемещения груза в неоднородном организованном пространстве на основе линейных и угловых координат груза. 4. Решение задачи синтеза оптимальных траекторий перемещения гру за в неоднородном организованном пространстве по геометрическому крите рию, включающее подэтапы: - разработка методик предварительной обработки дискретных пространственных данных с целью адаптации к решению задачи синтеза оптимальной траектории перемещения груза; - предложение альтернативных вариантов решения задачи синтеза на основе: генетического подхода, модифицированного алгоритма роевого интеллекта, модифицированного алгоритма вероятностной дорожной карты, алгоритма декомпозиции линейных и угловых координат, модифицированного направленного волнового алгоритма; - разработка методик и алгоритмов решения задачи на основе перечисленных подходов; - разработка автоматизированных средств реализации методик и алгоритмов решения задачи на основе перечисленных подходов.
5. Решение задачи выбора наиболее эффективной для заданных усло вий методики синтеза оптимальных траекторий перемещения объекта-груза в неоднородном организованном пространстве по геометрическому критерию (синтез), включающее подэтапы: - разработка системы критериев оценки эффективности различных методик и алгоритмов синтеза оптимальной траектории в неоднородном организованном трехмерном пространстве по геометрическому критерию; - проведение сравнительных вычислительных экспериментов для альтернативных методик решения задачи синтеза оптимальных траекторий на основе: генетического подхода, модифицированного алгоритма роевого интеллекта, модифицированного алгоритма вероятностной дорожной карты, алгоритма декомпозиции линейных и угловых координат, модифицированного направленного волнового алгоритма; - анализ влияния факторов и параметров, характеризующих альтернативные методики, на принятые критерии оценки эффективности альтернативных методик; - разработка алгоритма интеллектуальной поддержки выбора наиболее эффективной для заданных условий методики оптимизации траектории на основе полученных функциональных зависимостей частных критериев оценки эффективности альтернативных методик.
6. Постановка задачи синтеза оптимальных траекторий перемещения груза в пространстве конфигураций ГПК, включающая подэтапы: - математическая формулировка задачи синтеза оптимальных траекто рий перемещения груза в пространстве конфигураций ГПК по критериям на основе обобщенных координат ГПК и ее ограничений;
Обоснование критериев эффективности перемещения груза в пространстве конфигураций грузоподъемного крана
В соответствии с поставленной целью работы необходимо решить задачу синтеза оптимальных технологических параметров рабочего процесса ГПК на примере стрелового автомобильного гидравлического крана в соответствии с заданными критериями эффективности. Для этого необходимо в качестве предварительного этапа решить задачу синтеза траектории перемещения ГПК груза в пространстве конфигураций ГПК с учетом угловой ориентации и препятствий.
В частности, использование временных и энергетических критериев оценки эффективности рабочего процесса ГПК обуславливает необходимость синтеза траектории в пространстве конфигураций ГПК, т.е. в пространстве управляемых обобщенных координат машины. Временные и энергетические критерии оценки эффективности рабочего процесса «привязаны» к обобщенным координатам машины и их перенос во внешнее пространство декартовых координат рабочей области и препятствий затруднен и связан с дополнительными вычислительными издержками в виде решения прямой задачи кинематики или неоднозначен, в частности, при кинематической избыточности механической системы ГПК.
Это обуславливает постановку задачи в пространстве конфигураций ГПК. При постановке задачи и при ее дальнейшем решении приняты те же допущения, которые были приняты в разделе 3.1 для геометрической задачи, сформулированной в декартовых координатах рабочей области и препятствий.
Кроме того, при синтеза траектории в пространстве конфигураций на траекторию дополнительно накладываются естественные ограничения в виде предельно допустимых минимальных и максимальных конструктивных значений управляемых обобщенных координат q8min; q8max; q9min; q9max; q10min; q10max.
Задано положение базового шасси в неподвижной системе координат O0Х0Y0Z0, связанной с рабочей областью перемещений, в виде декартовых координат точки sш начала локальной системы координат шасси O1Х1Y1Z1: sш=(xш0,yш0,zш0)=(q1,q2,q3), (4.1) где q1, q2, q3 – первые три линейные обобщенные координаты механической системы ГПК (декартовы координаты точки O1 в системе координат O0Х0Y0Z0, рис. 4.1).
Начальное и конечное положения перемещаемого груза, начальное положение ГПК (пример) Заданы линейные координаты груза в начальной sнач и конечной sкон точках траектории груза в пространстве (УЛЕ) (см. рис. 4.1): sнач = [xн0;yн0;zн0]; sкон = [xк0;yк0;zк0], (4.2) где хн0, ун0, Zн0 - линейные координаты точки начала локальной системы координат груза OgХgYgZg в неподвижной системе координат OQХQYQZO, связанной с рабочей областью перемещений, соответствующие начальному положению груза; хк0, ук0, Zк0 - линейные координаты, соответствующие конечному положению груза.
В собственной локальной системе координат груза OgХgYgZg заданы координаты множества точек {Rig}, ge[l; сг] на поверхности объемного тела груза, определяющие его форму. Координаты точек заданы векторами вида Rig = ixig yig zig Ч где Xi& УФ Zis координаты точки ig в локальной системе координат груза.
В собственной локальной системе координат базового шасси OxХxY{Zx заданы координаты множества точек {Ris}, ise[\; cs] на поверхности объемного тела шасси, определяющие его форму, в том числе координаты характерных точек 4-х гидравлических опор (is=l..A). Координаты точек заданы векторами вида Дх = [xis yis zis \J, где xis, yis, zis - координаты точки is базового шасси в собственной локальной декартовой системе координат шасси.
Также в локальных системах координат стрелы OХY и телескопического звена O4Х4Y4Z4 заданы координаты множеств точек {Rio3}, іоЗє[\; со3] и {Rio4}, іо4є [1; со4] на поверхности объемных тел стрелы и телескопического звена соответственно, определяющие их форму. Координаты точек заданы векторами вида До3 = [xio3 yio3 zio3 lj и До4 = [xio4 yio4 zio4 \\ соответственно.
В качестве исходных данных задачи выступают 1зап г - запас расстояния в горизонтальном направлении и 1зап в - запас расстояния в вертикальном направлении, необходимые для построения полидистантной поверхности 7Э вокруг реальной поверхности ийпрепятствий YПР по методике, изложенной в разделе 3.3.
Также исходными данными задачи являются следующие параметры и коэффициенты: Sq7 - значение угла поворота поворотной платформы ГПК, достаточное, чтобы обеспечить обход возможных препятствий при перемещении груза из sHa4 в sKOH (dq7=n/2); Аиш - шаг дискретизации угла поворота базового шасси вокруг вертикальной оси Yx (обобщенной координаты q6) при проверке пересечений шасси и препятствий; Ащ - шаг дискретизации угла подъема стрелы (обобщенной координаты д8) при синтезе оптимального значения д8 в начальной и конечной точках траектории; пл - количество отрезков разбиения траектории при ее дискретной локальной оптимизации; А1Л -шаг дискретизации линейных управляемых обобщенных координат при дискретной локальной оптимизации траектории; Аил - шаг дискретизации угловых управляемых обобщенных координат при дискретной локальной оптимизации траектории; дор, - пороговое значение относительного убывания целевой функции на текущей итерации при дискретной локальной оптимизации; vnuH пред - максимально допустимая мгновенная линейная скорость перемещения груза, создаваемая изменением отдельной угловой координаты; VIK пред максимальная конструктивно возможная угловая скорость изменения обобщенной координаты q7; v81, v82 - максимальные рабочие скорости движения штока гидроцилиндра подъема стрелы д8 при выдвижении и втягивании соответственно; У9Д, v9y2 - максимальные рабочие скорости движения штока гидроцилиндра нижней секции телескопического звена стрелы при выдвижении и втягивании соответственно; v9,3, 9,4 - максимальные рабочие скорости движения штока гидроцилиндра верхней секции телескопического звена стрелы при выдвижении и втягивании соответственно; q9zpaH - длина трехсекционной телескопической стрелы, соответствующая полному выдвижению нижней секции телескопического звена при нулевом выдвижении верхней секции телескопического звена; у10д, vio,2 - максимальные рабочие скорости подъема и опускания груза соответственно; Ш\, т2, т3, т4, т5=тГр -массы звеньев механической системы ГПК: базового шасси, поворотной колонки, стрелы, телескопического звена стрелы и груза соответственно; Xi2, 2,2? Уі,2? - -3,ЗЬ ./3,32? Л-3,33? -М,4Ь ./3,42? ./4,43? "2,54? ЧГЪ W2 постоянные констрктив ные размеры ГПК; а0 - постоянный конструктивный угол для определения управляемой обобщенной координаты g8; Aq7, Aq%, Aq% Aqw - максимально допустимые шаги дискретизации по управляемым обобщенным координатам q7, g8, q9 и qw соответственно при определении значения целевой функции путем численного интегрирования; &7Д, &7,2, 8,1, 8,2, 8,3? 8,4, kg,l, 9,2, &10Д, 10,2 - эмпирические коэффициенты для определения целевой функции по временному критерию и регрессионным выражениям.
В качестве целевой функции L могут использоваться любые интегральные критерии оптимальности на основе управляемых обобщенных координат ГПК в пространстве его конфигураций.
Практическую ценность представляют критерии, оценивающие временные и энергетические затраты при перемещении грузов. Необходимо переместить груз из начальной точки sHa4 в конечную sKom минуя препятствия, форма и расположение которых известны и заданы во внешнем пространстве декартовых координат (в неподвижной системе координат OoX0Y0Zo). Дополнительно необходимо минимизировать целевую функцию траектории перемещения, вычисляемую на основе управляемых обобщенных координат ГПК.
Обоснование критериев эффективности совмещенного рабочего процесса двух грузоподъемных кранов, перемещающих общий груз
Значения коэффициентов bt (і є [1;12]) уравнения регрессии координаты Zi=q3 базового шасси приведены в табл. 4.6, абсолютного расхода топлива Ае (іє [1;8]) - в табл. 4.7 [82].
Анализ показателей качества уравнений множественной нелинейной регрессии величин q3 и Ае (табл. 4.8), определенных по (2.1)—(2.9), показал, что регрессия по уравнениям данного вида дает наилучшие результаты. Регрессионные модели в целом значимы. Все коэффициенты уравнений регрессии величин q3 иАе, согласно /-статистике Стьюдента, значимы. Максимальная приведенная относительная погрешность аппроксимации дтах прив величин q3 и Ае во всем рассматриваемом диапазоне изменения предикторов не превышает 11,6 % [82].
Разработанный комплекс методик позволяет оптимизировать в заданных пределах с учетом возможных ограничений технологические параметры рабочего процесса ГПК, в частности положение базового шасси в пространстве, угол подъема стрелы, величину выдвижения телескопического звена и длину грузового каната от оголовка стрелы в заданных начальной и конечной точках положения груза, при любой форме препятствий в рабочей области. При этом решается задача синтеза оптимальных значений указанных технологических параметров q1, q3, qn8, qn9, qn10, qk8, qk9, qk10, а также задача синтеза оптимальной по заданному критерию эффективности траектории перемещения груза в пространстве конфигураций машины [82].
Разработанный комплекс методик также может быть в перспективе использован как составная часть методики более высокого иерархического уровня для решения задач синтеза оптимальных конструктивных параметров ГПК. Для этого необходимо при помощи многократного решения задачи оптимизации технологических параметров для различных значений варьируемых конструктивных параметров и при различной конфигурации препятствий в рабочей области осуществить подбор оптимальных значений требуемых конструктивных параметров [82].
1. Сформулирована рациональная постановка задачи синтеза оптимальной траектории перемещения ГПК груза в пространстве конфигураций ГПК на примере ГПК с учетом угловой ориентации и препятствий.
2. Предложены временной и энергетический/стоимостный критерии оценки эффективности траектории в пространстве конфигураций ГПК.
3. Получены выражения в дискретном виде для вычисления значений целевой функции, необходимых для нахождения оптимальной траектории перемещения груза в пространстве конфигураций ГПК на основе предложенных критериев эффективности.
4. Разработаны полная методика определения управляемых координат ГПК по известным координатам груза с учетом углов наклона базового шасси ГПК относительно горизонтальной плоскости, и упрощенная методика без учета последних. Указанные методики позволяют в автоматизированном режиме решать обратную задачу кинематики ГПК, многократно используемую в комплексе разработанных методик.
5. Разработана методика проверки положения ГПК в пространстве конфигураций по ограничению на устойчивость, используемая в комплексе разработанных методик.
6. Разработана методика дискретной локальной оптимизации заданной траектории в среде с препятствиями по предложенным критериям эффективности в пространстве конфигураций ГПК, которая может быть применена в составе различных алгоритмов синтеза траектории в пространстве конфигураций и используемая в комплексе разработанных методик.
7. Разработаны методики определения временной и энергетической (экономической) функций стоимости изменения управляемых обобщенных координат ГПК, используемые в комплексе разработанных методик.
8. Разработана методика синтеза оптимальной траектории в пространстве конфигураций ГПК на основе алгоритма вероятностной дорожной карты с ограничениями по устойчивости. Методика позволяет учесть угловые координаты и произвольную форму груза, произвольную форму препятствий в рабочей области, а также ограничения, накладываемые на все управляемые координаты ГПК.
9. Разработана комплексная методика синтеза оптимальных значений технологических параметров рабочего процесса ГПК по принятым критериям эффективности перемещения груза. В качестве структурных составляющих она включает методики: синтеза оптимальной траектории в пространстве конфигураций ГПК, определения временной и энергетической (экономической) функций стоимости изменения управляемых обобщенных координат, проверки положения ГПК в пространстве конфигураций по ограничению на устойчивость, определения управляемых координат ГПК по известным координатам груза, дискретной локальной оптимизации заданной траектории в среде с препятствиями по предложенным критериям эффективности. Для всех перечисленных методик разработаны и реализованы алгоритмы и их программные реализации.
10.Разработанные методики и алгоритмы базируются на использовании метода однородных координат для описания геометрии груза и пространства с препятствиями, а также методов и подходов из области исскуственного интеллекта и теории графов.
11.Разработанный комплекс методик позволяет оптимизировать в заданных пределах с учетом возможных ограничений технологические параметры рабочего процесса ГПК, в частности, положение базового шасси в пространстве, угол подъема стрелы, величину выдвижения телескопического звена и длину грузового каната от оголовка стрелы в заданных начальной и конечной точках положения груза, при любой форме препятствий в рабочей области. При этом решается задача синтеза оптимальных значений указанных технологических параметров (q1, q3, qn8, qn9, qn10, qk8, qk9, qk10), а также задача синтеза оптимальной по заданному критерию эффективности траектории перемещения груза в пространстве конфигураций машины.
12.Разработанный комплекс методик также может быть в перспективе использован как составная часть методики более высокого иерархического уровня, для решения задач синтеза оптимальных конструктивных параметров ГПК. Для этого необходимо при помощи многократного решения задачи оптимизации технологических параметров для различных значений варьируемых конструктивных параметров и при различной конфигурации препятствий в рабочей области, осуществить подбор оптимальных значений требуемых конструктивных параметров.
