Автоматизація процесів керування видобувними машинами на основі алгоритмів нечіткого виводу

Abstract

Дисертацію присвячено вирішенню важливої наукової проблеми розробки наукових основ автоматизації процесів керування видобувними машинами шляхом одночасного, узгодженого та нечіткого керування декількома конструктивними компонентами машини через синхронізацію дискретної зміни у часі станів підсистем керування та компенсацію їх впливів на режими роботи, якими вони не керують, за допомогою встановлених залежностей між їх вихідними чіткими величинами. У дисертації обґрунтовані режими роботи видобувних машин, від яких залежать рішення оператора щодо керування окремими компонентами, та запропоновані характеристики режимів, що їх уточнюють. За умови створення експертних правил нечітких продукцій для кожного режиму роботи видобувної машини визначені умови зміни характеристик та дії, при яких забезпечуються траєкторії зміни характеристик у часі, які відповідають роботі машини з раціональними технологічними та економічними показниками. З метою ідентифікації характеристик режимів роботи видобувної машини встановлені нові закономірності зміни у часі струмів статорів та активних потужностей двигунів приводів різання, що є унікальними для певних характеристик режимів роботи машини та їх зміни. Розроблений алгоритм координованого керування експертними підсистемами нечіткого керування режимами роботи видобувної машини, заснований на розподіленні у часі процедур формування керуючих впливів підсистемами.

Диссертация посвящена решению важной научной проблемы разработки научных основ автоматизации процессов управления добычными машинами путем одновременного, согласованного и нечеткого управления несколькими конструктивными компонентами машины через синхронизацию дискретного изменения во времени состояний подсистем управления и компенсацию их влияния на режимы работы, которыми они не управляют, с помощью установленных зависимостей между их выходными четкими величинами. В результате анализа существующих способов автоматизации горных машин установлено, что в настоящее время отсутствует методика создания систем автоматического управления современными горными машинами как мехатронными агрегатами, в которых на основе синергетического подхода объединены несколько компонент с разной физической природой и принципом функционирования. С целью исследования процессов управления добычной машиной как мехатронным агрегатом на основе мехатронного подхода создана обобщенная математическая модель добычной машины, в которой, с учетом синергетического объединения составляющих машины, имеющих различную физическую природу, выделено пять компонент: информационно-электронную, электротехническую, механическую, гидравлическую, а также геотехническую систему «горный массив - забойный конвейер». В качестве шестой предложено использовать управляющую компоненту, на основе которой решается проблема автоматизации процессов управления добычной машиной как мехатронным агрегатом за счет обеспечения принципиально новых режимов работы машины, которые невозможно достичь при независимом и локальном управлении отдельными компонентами. В диссертации обоснованы режимы работы добычных машин, от которых зависят решения оператора при управлении отдельными компонентами, и предложены характеристики режимов, которые их уточняют. При этом установлены новые закономерности изменения во времени токов статора и мощностей двигателей приводов резания, которые являются уникальными для определенных характеристик режимов работы машины и позволяют их идентифицировать. Предложены информативные критерии для выявления этих закономерностей в информационном сигнале при его дискретном вейвлет- преобразовании. На основе алгоритмов нечеткого вывода разработаны экспертные подсистемы для управления отдельными конструктивными компонентами добычной машины с обеспечением их одновременной и согласованной работы. При создании экспертных правил нечетких продукций для каждого режима работы добычной машины определены условия изменения характеристик режимов работы и действия, обеспечивающие траектории изменения характеристик во времени, соответствующих рациональной работе машины. Разработан алгоритм координированного управления экспертными подсистемами нечеткого автоматического управления режимами работы добычной машины, который делает возможной совместную и согласованную работу подсистем при достижении каждой из них траектории изменения характеристик режимов, соответствующей рациональной работе машины. В основе алгоритма лежат правила взаимодействия между подсистемами с их разделением по приоритетности и созданием связей между ними, компенсирующих влияние подсистем на режимы работы, которыми они не управляют. Эти связи созданы путем установления функциональных зависимостей между четкими выходными переменными подсистем. В диссертации исследована эффективность формирования управляющих воздействий предложенными подсистемами нечеткого автоматического управления режимами работы добычной машины. На основе базовых критериев эффективности работы машины (производительность, удельные энергозатраты на добычу угля, его зольность и количество штыба) установлено, что внедрение предложенных подсистем управления режимами работы машины приводит к увеличению производительности машины в среднем на 9,9% за счет постоянной корректировки устойчивого значения мощности двигателя привода резания, уменьшению удельных энергозатрат на транспортировку и погрузку угля исполнительными органами в среднем на 50,7%, и удельного количества штыба на 34% за счет предотвращения заштыбовки органа, уменьшению зольности угля в среднем на 13,4%, и удельных энергозатрат на разрушение угля на 42,4% за счет предотвращения присечки породы у кровли пласта, уменьшению удельных энергозатрат на разрушение угля на 20 - 40%, и удельного количества штыба на 11,3% за счет предотвращения щелевого вида резания угля резцами органа. На основе проверки статистических гипотез при сравнительном анализе статистических характеристик формирования управляющих воздействий подсистемами нечеткого автоматического управления режимами работы добычной машины, которые получены при вычислительном и физическом (на лабораторном стенде) экспериментах, доказана адекватность созданной комплексной имитационной модели добычной машины.

The dissertation deals with the solution of a topical scientific problem concerning the development of scientific grounds of the automation of mining machinery control by simultaneous, agreed, and fuzzy control of several structural subsystems of a machine by means of the synchronization of a discrete time change in the conditions of control subsystems and compensation of their effect on the operating modes, which they do not control, with the help of the specified dependences between their original clear variables. The dissertation substantiates the operating mode of mining machines, influencing the operator’s solutions as for the control of certain subsystems, and proposes the characteristics of the modes specifying them. In terms of the identification of expert rules of fuzzy productions for each operating mode of a mining machine, conditions of the changes in characteristics and the actions providing the trajectory of characteristics changes in time have been identified; in this context, the trajectory corresponds to the machine operation with rational technological and economic indices. New regularities of time changes in the stator current and active power of a cutting drive motors have been defined to identify the characteristics of the operating mode of a mining machine. That is unique for certain characteristics of the operating modes of the machine and their changes. The algorithm of the coordinated control by the expert subsystems of fuzzy control of the mining machinery operation has been developed based on the time distribution of the procedures of the formation of the subsystems’ controlling effects.