Методологiчнi основи пiдвищення ефективностi автоматичного керування гiдроманiпуляторами будiвельних машин - Гурко, Олександр Геннадійович (My University, 2018)
Дисертацію присвячено вирішенню актуальної науково-прикладної проблеми підвищення ефективності керування гідроманіпулятором будівельної машини на прикладі одноківшевого гідравлічного екскаватора (ОГЕ) за рахунок покращення точності робочих процесів розробки ґрунту та зменшення енергетичних витрат на виконання робочих процесів шляхом створення нових та розвитку відомих методологічних основ синтезу системи автоматичного керування гідроманіпулятором в умовах невизначеності апріорної інформації щодо зовнішніх збурень та поточного стану системи керування гідроманіпулятором. У роботі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано об’єкт, предмет, мету і завдання дослідження, описано методи дослідження, а також визначено зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами; надано інформацію про апробацію та публікації результатів дисертаційного дослідження. Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному. Вперше: – розроблена функціональна модель автоматизованої системи керування робочим процесом ОГЕ як комплексної просторово-розподіленої ієрархічної системи керування, що дозволило визначити основні етапи синтезу автоматизованої системи керування робочим процесом ОГЕ та виділити з них найменш розроблені; – запропоновано метод розв’язання задачі кінематичного керування гідроманіпулятором ОГЕ, в тому числі і надлишкового, який, на відміну від традиційних, враховує способи виконання операцій копання, що дозволяє визначити раціональні закони зміни приєднаних координат гідроманіпулятора з точки зору мінімізації енергетичних витрат на його рух та забезпечує переміщення робочого органа за довільною траєкторією в операційному просторі з високою точністю; – запропоновано закон керування рухом гідроманіпулятора ОГЕ під час виконання робочого процесу в умовах невизначеності, який, на відміну від відомих, враховує інформацію про обмежені множини значень невизначених факторів, до яких належать неточно відомі сили взаємодії робочого органа з ґрунтом, щільність самого ґрунту, а також шуми вимірювань значень приєднаних координат, що забезпечує високу якість виконання робочого процесу для довільних значень компонентів векторів невизначених факторів, що належать відомим множинам; – розроблено процедуру визначення керуючих впливів на виконавчі механізми гідроманіпулятора ОГЕ, яка, на відміну від відомих, ґрунтується на аналізі розташування у просторі станів точки, що зображує поточний стан системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ відносно дна функції Ляпунова, що дозволяє здійснювати розрахунок керуючого впливу за одну ітерацію. Удосконалено методологію синтезу системи автоматизованого керування робочим процесом ОГЕ, що заснована на обґрунтованій системній концепції автоматизованого керування робочим процесом ОГЕ, яка, на відміну від наявних, базується на інтегрованій взаємодії завдань організації та планування заходів з проведення земляних робіт парком машин, автоматичного керування гідроманіпулятором та переміщеннями окремої машини, що дозволило створити єдине комплексне уявлення про ієрархічну структуру автоматизованої системи керування робочим процесом ОГЕ для покращення ефективності використання кожного ОГЕ, підвищення точності та енергоефективності виконання земляних робіт. Удосконалено математичну модель синтезу системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ в просторі станів, що на відміну від наявних, ураховує вплив компонентів векторів невизначених факторів та гарантує стійкість та високу якість процесу керування рухом гідроманіпулятора ОГЕ в умовах невизначеності щодо сил взаємодії робочого органа з ґрунтом та шумів вимірювань приєднаних координат гідроманіпулятора. Удосконалено метод множинної ідентифікації координат стану системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ, який відрізняється від відомих використанням для побудови множин можливих станів системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ математичного апарату R-функцій, а також визначенням компонентів вектора стану, що використовується під час обчислення керуючих впливів на виконавчі приводи гідроманіпулятора побудовою множини найбільш вірогідних значень координат стану системи керування як сукупності точок, які геометрично рівновіддалені від границі вихідної інформаційної множини можливих станів системи керування, що підвищує точність та обчислювальну ефективність процесу ідентифікації стану системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ та дозволяє наблизити режими руху гідроманіпулятора до раціональних. Дістав подальшого розвитку метод керування маніпуляторами шляхом обчислення моменту на основі пропорційно-диференціюючого закона керування з динамічними фільтрами високочастотних коливань за рахунок розповсюдження його на новий клас об'єктів – гідроманіпулятор ОГЕ, що дозволяє зменшити помилки керування, викликані неточним знанням параметрів моделі гідроманіпулятора ОГЕ та шумів вимірювань його приєднаних координат та підвищує запаси стійкості системи керування гідроманіпулятором. Результати наукових досліджень дисертаційної роботи знайшли застосування у науковій та виробничій діяльності на Державному підприємстві Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування, ПАТ Харківський машинобудівельний завод «Світло шахтаря», ТОВ «Науково-виробниче підприємство «Газтехніка», ТОВ «Виробничо-комерційне підприємство «Харківський насосний завод», ТОВ «Харківський завод «Машгідропривід», а також у навчальному процесі для підготовки бакалаврів і магістрів за спеціальностями 133 «Галузеве машинобудування», 151 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології» у Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті та аспірантів у Автономному університеті Нижньої Каліфорнії, Мексика. Впровадження одержаних результатів виконаних досліджень на будівельних машинах з робочим обладнанням у вигляді маніпуляторів, зокрема, ОГЕ, дозволить підвищити ефективність виконання робочих процесів машин, а саме: – підвищити точність створення земляних споруд до 1,5 см (у порівнянні з 10–12 см під час ручного керування гідроманіпуляторами), і, як наслідок, зменшити обсяг ручної праці під час доробки земляних споруд та підвищити продуктивність від 10,1 до 25,7% у залежності від кваліфікації оператора; – зберегти до 25% енергоресурсів під час виконання робочого процесу за рахунок забезпечення раціональних законів зміни узагальнених координат гідроманіпулятора; – скоротити час виконання робіт за рахунок зменшення кількості проходів під час розробки забою та забезпечення спільного руху усіх ланок гідроманіпулятора ОГЕ, що позитивно позначиться на фінансових і трудових витратах; – забезпечити можливість безперервного виконання робіт, що підвищить продуктивність будівельних машин; – спростити умови роботи операторів машин, зменшити їх фізичні навантаження, вимоги до їх кваліфікації, а також скоротити час на підготовку. Результати роботи можуть також бути корисними у робототехніці для створення нових та модернізації наявних промислових маніпуляторів. На основі проведеного аналізу наявних підходів щодо підвищення ефективності виконання робочого процесу ОГЕ встановлено, що сучасна тенденція вирішення зазначеної проблеми пов’язана зі створенням та впровадженням мехатронних систем для автоматизації керування гідроманіпулятором ОГЕ. При цьому доцільне розглядання робочого обладнання ОГЕ як маніпулятора промислового робота з гідравлічним приводом. Виявлено відсутність єдиного підходу до створення вказаних мехатронних систем, практично не розглядаються питання раціоналізації рухів гідроманіпулятора ОГЕ під час його автоматичному керуванні, мінімізації енергетичних витрат на їх здійснення. Встановлено, що системи автоматичного керування гідроманіпуляторами ОГЕ розробляються і функціонують в умовах невизначеності як щодо параметрів самого гідроманіпулятора і параметрів робочого процесу, що ним виконується, так і щодо діючих на гідроманіпулятор збурень. Визначено передумови для розробки методологічних основ автоматизації керування гідроманіпулятором ОГЕ для забезпечення високої точності виконання процесу копання та енергоефективності виконання всього робочого процесу в умовах невизначеності. В рамках розвитку методологічних основ автоматизації виконання земляних робіт обґрунтовано концепцію автоматизованого керування робочим процесом ОГЕ, на основі якої розроблено ієрархічну структуру автоматизованої системи керування робочим процесом ОГЕ, що дозволила одержати єдине комплексне уявлення про систему та є основою для декомпозиції задачі синтезу цієї системи; побудовано функціональну модель автоматизованої системи керування робочим процесом ОГЕ, визначено функціональні структури підсистем та місця розташування їх пристроїв, виділено найменш розроблені її структурні елементи. Для рівня керування екскаватором ними є підсистеми планування рухів гідроманіпулятора ОГЕ та реалізації цих рухів в умовах невизначеності. Вказані завдання вирішуються системою автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ. Уточнені та досліджені математичні моделі руху гідроманіпулятора ОГЕ як нелінійної нестаціонарної системи з метою вирішення завдань аналізу та синтезу системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ як однієї з ключових підсистем автоматизованої системи керування робочим процесом ОГЕ, в результаті чого: встановлено, що гідроманіпулятор ОГЕ з класичною конфігурацією у вигляді системи «стріла - рукоять - ківш» з обертовими рухами при куті повороту рукояті, рівному нулю, втрачає один степінь вільності, що означає неможливість отримання однозначного зв'язку між лінійними і кутовими швидкостями робочого органа ОГЕ зі швидкостями зчленувань його гідроманіпулятора, який необхідний для синтезу найбільш раціональних траєкторій гідроманіпулятора ОГЕ. Розроблено новий універсальний метод розв’язання задачі кінематичного керування гідроманіпулятором ОГЕ, в тому числі і надлишкового, що дозволяє визначити найбільш раціональні закони зміни приєднаних координат гідроманіпулятора з точки зору мінімуму енергетичних витрат на його рух та забезпечує переміщення робочого органа за довільною траєкторією в операційному просторі з відносною похибкою в 0,3% та економію енергії під час виконання робочого процесу ОГЕ до 25% у порівнянні з наявними рішеннями. Застосування методу для планування траєкторій робочого органа в робочому просторі на транспортних операціях робочого процесу дозволяє знизити витрати енергії на виконання транспортних операцій до 58,8% у порівнянні з ручним керуванням, зменшити час виконання операцій до 33% та забезпечує встановлення раціонального кута різання під час позиціонування ковша. Удосконалено математичну модель синтезу робастної системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ, що гарантує зберігання значень похибок керування у заданих допустимих межах, незважаючи на наявність у системі факторів невизначеності. Обґрунтовано доцільність паралельного використання для керування рухом гідроманіпулятора ОГЕ двох регуляторів, один з яких виробляє керуючий вплив у припущенні про детерміновані умови виконання робочого процесу, а інший, робастний, призначений для компенсації впливу невизначених факторів. Як первинний використано регулятор з обчисленням моменту на основі пропорційно-диференціюючого закона керування з динамічними фільтрами високочастотних коливань. Застосування робастного регулятора забезпечує відхилення дійсної траєкторії різальної кромки ковша від заданої не більше ніж на 3,5%. Обґрунтовано доцільність використання методу множинної ідентифікації координат стану системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ, при цьому доведено, що орієнтація граней граничної множини можливих станів системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ співпадає з власним вектором матриці об’єкта в рівнянні стану системи. Цей факт дозволяє обмежити кількість вершин множини можливих станів системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ, яка збільшується у часі, що значно зменшує вимоги до обчислювальної потужності та пам’яті бортової ЕОМ. Обґрунтовано обчислювальну ефективність використання математичного апарату теорії R-функцій для побудови множин можливих станів системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ, що еволюціонують у часі. Розроблено метод розрахунку керуючого впливу для системи автоматичного керування гідроманіпулятором ОГЕ, який дозволяє бортовій ЕОМ визначити керування за 1 програмний цикл у порівнянні з 4 – 16 циклами наявними методами. Розроблено стенд екскаватора з системою автоматичного керування гідроманіпулятором, що дозволило експериментально довести доцільність та ефективність практичної реалізації результатів дослідження щодо автоматичного керування робочим процесом ОГЕ в умовах невизначеності, що забезпечують високу точність виготовлення земляних споруд (до 1,5 см), підвищують продуктивність ОГЕ від 10,1 до 25,7% у залежності від кваліфікації оператора та знижують енергетичні витрати на здійснення робочого процесу до 25 %. Проведені дослідження виявили ряд нових задач, зокрема розробки методів планування траєкторій РО в операційному просторі з урахуваннями конфігурації забою, параметрів машини та наявності перешкод, розробки підсистеми контролю навантаження на гідроманіпулятор ОГЕ, удосконалення гідравлічного привода маніпулятора машини тощо.
Keywords: одноківшевий гідравлічний екскаватор; робочий процес; гідроманіпулятор; точність; енергоефективність; невизначеність; автоматичне керування; 621.87:681.5