Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из основных направлений совершенствования геологоразведочной техники является создание автоматизированных полностью гидрофииированных буровых установок (АБ-2, АБ-5, РБК-4 -разработки Всероссийского НИИ методики и техники разведки (ВИГР), Санкт-Петербург, КГК - СКВ "Геотехника", Москва). Достижение новыми образцами планируемых технико-экономических показателей на основе потенциальных возможностей гидрофииированных исполнительных механизмов с микропроцессорными системами управления в определяющей степени зависит от качества программного управления основными и вспомогательными операциями технологического процесса бурения.
Управлению процессами геологоразведочного бурения посвящены исследования И.С.Афанасьева, Д.Н.Башкатова, Г.А.Блинова, В.И.Васильева, Г.Л.Власова, Б.И.Воздвиженского, Р.Х.Гафиятуллина, И.М.Гинзбурга, Э.К.Егорова, В.Н.Есауленко, А.Г.Калинина, В.Г.Кар-дыша, Е.А.Козловского, А.М.Комарова, Б.Б.Кудряшова, Ю.Т.Морозова, Б.В.Мурзакова, А.С.Окмянского, В.М.Питерского, П.П.Пономарева, С.С.Сулакшина, Н.С.Тимофеева, В.А.Флянтикова, В.Т.Шароватова и др. Создан ряд систем автоматического управления (САУ) процессом бурения БАРС-1, САОПБ-1, АРП-2, АЛМАЗ, ПАРУС, МИКРОВУР, АСУТП-Б.
Однако в известных работах недостаточно учитываются характеристики и особенности функционирования (многорежимность, переменность инерционных и статических нагрузок, нелинейность и нестационарность процессов взаимодействия породоразрушающего инструмента с забоем, упругость механических передач) собственно приводов буровых установок, обеспечивающих воспроизведение программных воздействий, формируемых системами управления верхнего уровня.
Отмеченные особенности в сочетании с повышенными требованиями к показателям качества приводов современных буровых установок (быстродействию, статической и динамической точности, ограниченной колебательности или апериодичности переходных процессов), существенно большей по сравнению с электроприводами зависимостью технического состояния гидроприводов от условий эксплуатации, а также незначительным опытом применения электрогидравлических следящих приводов (ЭГСП) в механизмах отечественной буровой техники определяют важность и актуальность проблемы обеспечения и поддержания заданного качества процессов регулирования в гидрофииированных буровых установках. -
Целью диссертации является создание научно-технических основ управления автоматическими приводами гидрофицированных буровых установок.
Метода исследований включают аналитические, базирующиеся на использовании методов теории автоматического управления, теории вероятностей и математической статистики и др., и экспериментальные, основанные на проведении натурных и полунатурных испытаний, моделировании с помощью ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработан метод синтеза линейных систем управления с максимальной степенью устойчивости (МСУ), заданной точностью и колебательностью при ограниченной информации о состояниях систем.
-
Предложен нелинейный закон программного управления следящими приводами, обеспечивающий квазиоптимальные по быстродействию апериодические процессы регулирования при спуско-подъемных операциях.
-
Разработаны и уточнены математические модели типовых гидроприводов основных исполнительных механизмов буровых установок.
-
Предложены способы диагностирования и метод прогнозирования технического состояния и ресурса гидроприводов.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Создано алгоритмическое и методическое обеспечение для расчета ЭГСП буровых установок: разработаны методики идентификации гидроприводов, проведена классификация типовых режимов работы приводов буровых установок, сформулированы рекомендации по выбору законов стабилизирующего управления следящими приводами буровых установок, разработана инженерная методика синтеза линейных регуляторов САУ с МСУ при наличии ограничений, разработана методика анализа робастной и относительной устойчивости САУ с переменными параметрами.
-
Создано методическое, алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение для диагностирования и прогнозирования технического состояния гидроприводов буровых установок.
-
Проведены экспериментальные исследования гидроприводов роботизированного бурового комплекса РБК-4, позволившие уточнить теоретические положения, подтвердить корректность используемых моделей и работоспособность предложенных алгоритмов управления.
Реализация работы. Результаты исследований внедрены: - в разработки ВИТР при создании микропроцессорной системы управ-
ления и отработке опытного образца РБК-4, подготовке технического задания на промышленное изготовление комплекса;
в разработки ЦНИИ автоматики и гидравлики, Москва при проведении стендовых ресурсных испытаний гидропередач и подготовке методики ускоренных испытаний, оценки и прогнозирования технического состояния гидроприводов;
в учебный процесс при чтении курсов "Основы проектирования следящих систем и комплексов", "Теоретические основы автоматического управления" в Балтийском государственном техническом университете "ВОЕНМЕХ" им.Д.Ф.Устинова.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
- метод и методика синтеза линейных САУ с максимальной степенью
устойчивости, заданными точностью и колебательностью при наличии
ограничений на наблюдаемую информацию о состояниях систем;
- математические модели типовых гидроприводов дроссельного и
объемного регулирования исполнительных механизмов буровых устано
вок, позволяющие корректно учитывать особенности функционирования
приводов в составе буровых комплексов;
нелинейные законы управления следящими приводами механизмов буровых установок, обеспечивающие квазиоптимальные по быстродействию апериодические процессы регулирования;
результаты теоретических и экспериментальных исследований ЭГСП исполнительных механизмов манипулятора, подъемника и вращателя комплекса РБК-4;
методы диагностики и прогнозирования технического состояния и ресурса гидроприводов .
Апробация работы. По теме диссертации сделано 16 докладов на всесоюзных и международных конференциях и семинарах: "Проблемы оптимизации в машиностроении" (Харьков, 1982), "XYI Всесоюзном научно-техническом совещании по гидроавтоматике" (Киев, 1983), "Новое в проектировании и эксплуатации автоматических приводов и систем гидроавтоматики" (Ленинград, 1984, 1985, 1987), "Элементы и системы управления робототехнических комплексов для экстремальных сред" (Ленинград, 1990), II Всесоюзном межотраслевом научно-техническом совещании "Приводы 90" (Ленинград, 1990), "Диагностика, информатика и метрология-94" (Санкт-Петербург, 1994),"Системы управления - конверсия - проблемы" (Ковров, 1996), "Многокритериальные и игровые задачи при неопределенности" (Орехово-Зуево,
1996), "Проблемы надежности и безопасности технических систем (Минск, 1997) и др. В полном объеме диссертация доложена и рекомендована к защите на кафедре "Мехатроники и робототехники" БГТУ "ВОЕНМЕХ" им.Д.Ф.Устинова, Санкт-Петербург, кафедре "Автоматики и телемеханики" ИТМО (технический университет), Санкт-Петербург.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 40 печатных работ, включая одну монографию и 5 авторских свидетельств на изобретения, материалы диссертации отражены в 11 отчетах по хоздоговорным и госбюджетным научно-исследовательским работам.
Структура и объеы диссертации. Работа состоит из основной части и приложений. Основная часть, включающая введение, семь глав, заключение и список литературы, изложена на 286 страницах и содержит 33 иллюстрации, 22 таблицы, список литературы из 206 наименований. Приложения состоят из восьми разделов и изложены на 50 страницах.