CC BY
17
SCIENCE TIME
■
УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РЕЖИМНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ С ПОМОЩЬЮ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Шигина Анна Александровна, Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнева, г. Красноярск
E-mail: shigina_a@mail.ru
Аннотация. Предложена схема функциональных связей входных и выходных параметров системы «буровой станок - шарошечное долото - горная порода». Обоснована необходимость использования в буровых станках автоматизированной интеллектуальной системы с адаптивным элементом, обеспечивающей быстрое своевременное реагирование исследуемой системы на изменение физико-механических свойств породы и поддержание скорректированных режимных параметров технической системы в оптимальном соотношении. Разработана принципиальная схема предлагаемой системы и описан алгоритм ее функционирования.
Ключевые слова: автоматизированная интеллектуальная система, техническая система, адаптивный элемент, режимные параметры.
Введение
Важную роль в автоматизации и управлении технологическими процессами в объектах горнодобывающей промышленности играют системы управления. Проблема построения таких систем в настоящее время достаточно актуальна, так как повышение эффективности управления невозможно без использования автоматизированных систем управления (АСУ), основанных на применении информационных технологий и прогрессивных математических моделей управления [1-2]. Но современные АСУ процесса бурения не позволяют своевременно реагировать на изменение свойств объекта воздействия (горной породы), подстраивать режимы работы и компенсировать возмущения при функционировании сложной технической системы «буровой станок -шарошечное долото - горная порода» (далее - объект управления или С-Д-П), что приводит к снижению ее эффективности [3]. Обеспечение требований по оперативности (своевременности) и точности передачи информации является
| SCIENCE TIME Щ
основополагающим условием повышения качества управления объектом и процессом.
Актуальность исследований в области интеллектуальных АСУ состоит в том, что в условиях возрастания требований к характеристикам информационного обмена в АСУ резко возрастают требования к качеству функционирования систем передачи информации [1, 4-5]. Для обобщенной интеллектуальной системы обычно используют структуру, которая взаимодействует с внешней средой и в процессе получения от нее необходимой информации формирует цель действия и анализирует воздействия на систему (физические и информационные). Определяющими элементами системы управления в этом случае являются интеллектуальный преобразователь и базовая система управления [6].
В случае использования в системе управления искусственного интеллекта в качестве интеллектуального преобразователя реализуются [6] экспертные системы, ситуационное управление, управление структурной динамикой сложных технологических [7] и других интеллектуальных систем и их элементов. Математическая модель интеллектуальной системы управления состоит из трех частей: интеллектуального преобразователя, объекта управления и управляющего устройства системы (вычислительных и преобразующих и исполнительных устройств). Интеллектуальный преобразователь изменяет информацию о внешней среде и объекте управления и трансформирует в сигналы воздействия на управляющие устройства системы [6]. Для формирования воздействий на систему управления объектом в этом преобразователе используется блок принятия решения.
Важнейшим качеством элементов и среды в целом является способность к адаптивным изменениям своего состояния. В достижении адаптивного состояния необходимо иметь ввиду, что в случае движения системы под прямым воздействием движущих внешних сил (сигнального воздействия) направление адаптивного движения системы предопределено, а при движении системы под опосредованным влиянием внешних сил требуется периодическое прерывание адаптивного движения для определения направления корректирующего действия. Для осуществления на базе бурового станка интеллектуального автоматизированного управления в аппаратном комплексе системы должен содержаться адаптивный элемент как устройство электромагнитного типа (адаптивный вращательно-подающий механизм), предназначенный для одновременного сглаживания случайных ударных нагрузок в процессе бурения и получения быстрого обратного сигнала о времени и величине удара [8-9].
Управление параметрами режима бурения характеризуется большим количеством входных и выходных величин. Систему С-Д-П, как объект управления, можно представить в виде связей (рисунок 1). Задающими
параметрами для адаптивного элемента системы С-Д-П является информация об изменениях физико-механических характеристик горной породы, выраженных значениями скорости бурения ¥б, осевого усилия Рос, частоты вращения пвр в текущий момент и изменением скорости бурения А¥б за дискретный период времени. Выходными параметрами адаптивного элемента являются ток I и его изменение А/ в данный дискретный период времени, косвенно отражающие показатель буримости и его изменение. Входными параметрами автоматизированной интеллектуальной системы управления (АИС) являются выходные параметры адаптивного элемента, скорость бурения и ее изменение, осевое усилие и частота вращения в данный момент времени. На выходе АИС с помощью расчетных алгоритмов получаются корректировки осевого усилия и частоты вращения, а также информация о прочностных и структурных свойствах породного массива. Выходными параметрами регулятора являются корректирующие значения осевого усилия АРос, частоты вращения Апвр, расчетные значения показателя буримости Пб и его изменения АПб в данный дискретный период времени.
Входными управляющими воздействиями для системы С-Д-П являются скорректированные режимные параметры: осевое усилие Рос+АРос, частота вращения пвр + Апвр. Для формирования управляющего воздействия на объект управления, соответствующего алгоритму его работы, необходимо управляющее устройство (регулятор), выполняющее функции без непосредственного участия человека. Регулятором в системе С-Д-П является интеллектуальная система с адаптивным элементом.
Входные параметры, характеризующие технические возможности бурового станка и условия бурения, разделяются на:
- управляющие, которые являются оперативно регулируемыми (Рос, пвр);
- контролируемые, не зависящие от процесса бурения (конструктивные параметры Кст бурового станка: масса, габариты, типы приводов основных механизмов) и зависящие от режимов бурения (диаметр и глубина скважины Рб, параметры вибрации станка: амплитуда, частота В ст);
- неконтролируемые случайные: параметры разрушаемой среды Рср.
К параметрам разрушаемой среды Рср относится комплекс показателей, характеризующих физико-механические свойства горной породы как объекта разрушения при бурении, имеющих вид случайных функций (предел прочности породы при одноосном сжатии, трещиноватость, абразивность, обводненность и др.).
Выходные параметры характеризуют физические результаты процесса разрушения породы и разделяются на:
- наблюдаемые (Уб, пвр, Рос, ресурс долота Т);
- ненаблюдаемые: оперативно вычисляемые (производительность станка в
смену Псм/ энергоемкость процесса бурения Eб, мощность вращательно-подающего механизма N и оперативно невычисляемые (затраты на бурение одного погонного метра скважины Сб).
ПАРАМЕТРЫ СРЕДЫ
Ул
Я„
Ев
КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Рис. 1 Предлагаемая схема функциональных связей входных и выходных параметров системы С-Д-П
Следует отметить, что энергоемкость бурения Е6 может являться как функцией входных параметров (Р0с, ивр), так и неконтролируемых случайных возмущений (Рср) и иметь свои реальные значения для механизма подачи и для механизма вращения бурового станка.
Для получения оптимальных выходных параметров системы С-Д-П необходимо применить адаптивный вращательно-подающий механизм, в котором без существенных задержек во времени происходит корректировка кратковременных случайных возмущений. При этом система С-Д-П постоянно получает входные управляющие воздействия в виде скорректированных осевого усилия и частоты вращения, в результате чего соответственно меняются выходные параметры. За выходные параметры могут быть приняты управляемые параметры (Кб, Рос, «вр, Т, Еб, N Псм, Сб).
Принципиальная схема функционирования предлагаемой автоматизированной интеллектуальной системы представлена на рис.2.
Эта система функционирует по следующему алгоритму. Внешняя среда воздействует на процесс функционирования объекта. Данная система предполагает включение вспомогательного адаптивного элемента [10], блока датчиков, компьютера и блока контроллеров. На объект также воздействуют возмущения, не зависящие от системы управления: случайная нагрузка, помехи (вибрации, уровень запыленности, температура, ошибки приборов, сбой в
системе управления). Данный адаптивный элемент позволяет сглаживать эти непрогнозируемые возмущения.
—М
ВНЕШНЯЯ СРЕДА (массив горной породы)
-Ц- .................-
ОБЪЕКТ (буровой инструмент (БИ))
И
ВОЗМУЩЕНИЯ
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ (¡1дяптивный вращательно-подаюший механизм (АВПМ) бурового станка)
ж:
Рис. 2 Принципиальная схема функционирования АИС с адаптивным элементом
Для анализа входной информации об изменении свойств объекта воздействия датчики (задающее устройство) посылают в компьютер информационные сигналы об изменениях скорости технологического процесса и тока в статоре адаптивного механизма (задающее воздействие). В компьютере эти информационные сигналы преобразуются в управляющие (информацию о действительных характеристиках объекта) при помощи блока контроллеров (регуляторов, управляющих устройств), предназначенных для сглаживания кратковременных отклонений и реализации процесса управления и программного блока, который содержит разработанные расчетные методики (реализация алгоритма управления). Затем управляющие сигналы направляются к исполнительному устройству, реализующему принятое решение и способствующему изменению соответствующих режимных параметров
I SCIENCE TIME Щ
(автоматическое регулирование). По этим методикам определяется прогнозируемый ресурс инструмента и удельные затраты на технологический процесс, соответствующие действительным значениям режимных параметров и свойств объекта. Из этой же информации определяются оптимальная скорость технологического процесса и режимные параметры (выходные данные). Для улучшения качественных характеристик системы действительные значения сравниваются с оптимальными и автоматически изменяются с помощью корректирующих устройств. По обратной связи осуществляется быстрая передача информации (сотая доля секунды) о текущих режимных параметрах объекта управления от объекта управления к управляющей части. После корректирующих воздействий адаптивный элемент работает во вновь заданных режимах. Расчетные значения выводятся на приборную панель с помощью модуля визуализации, предназначенного для демонстрации результатов моделирования и последующего контроля оператора.
Заключение
Подводя итог, можно отметить необходимость использования в буровых станках АИС с адаптивным элементом для быстрого своевременного реагирования системы на изменение свойств объекта воздействия и последующей корректировки и поддержания параметров функционирования объекта управления в оптимальном соотношении. Предложенный алгоритм оптимального управления системой «буровой станок - шарошечное долото -горная порода», основанный на использовании корректирущих величин осевого усилия, частоты вращения, получаемых в регуляторе при помощи расчетных методик, оценивающих ресурс, производительность и экономическую эффективность процесса, позволяет контролировать текущие значения режимных параметров, свойств породного массива, а также изменения его прочностных, структурных характеристик и оптимизировать процесс функционирования системы, используя оптимальное значение входа, характеризующегося допустимым значением усилия подачи и оптимальным значением частоты вращения рабочего органа. В дальнейшем, применение такой АИС позволит снизить эксплуатационные затраты на процесс бурения в условиях неопределенности и, как следствие, повысить эффективность функционирования технической системы.
Литература:
1. Сащенко Н.Н. Интеллектуальная адаптивная система передачи информации в распределенных автоматизированных системах управления; дис... канд. техн. наук. - Владимир, 2006. - 166 с.
| SCIENCE TIME Щ
2. Zaitsev K.S. Using group technology to plan data processing in computer-aided control system // Automatic and Remote Control. - 2003. Vol. 9, № 64. - Р. 15071512.
3. Ступина А.А., Шигина А.А., Шигин А.О. Анализ эффективности функционирования многопараметрической системы // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. - 2013. - № 2 (48). - С. 94-100.
4. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько С.В., Романов М.П. Искусственный интеллект и интеллектуальные системы управления. Москва: Наука, 2006. - 336 с.
5. Chu D., Strand R., Fjelland R. Theories of Complexity: Common Denominators of Complex Systems. Complexity, 2003. - Vol. 8, № 3. - Р. 19-30.
6. Пупков К.А., Коньков В.Г. Интеллектуальные системы. - М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - 348 с.
7. Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. - М.: Наука, 2006. - 410 с.
8. Stupina, A.A., Shigina, A.A., Shigin, A.O., Karaseva, M.V., Ezhemanskaja, S.N. Automated intellectual system with the short-duration nature of feedback // Life Science Journal. - 2014. - Vol. 11, № 8s. - P. 302-306.
9. Shigin, A.O., Shigina, A.A., Gilev, A.V., Vokhmin, S.A., Kurchin, G.S. Development of automated closed-loop drive upon designing of roller bit drilling rig for open pits // Journal of Theoretical and Applied Information Technology. - 2015. -Vol. 80, No.1. - Р. 95-104.
10. Шигин А.О. Адаптивный вращательно-подающий механизм бурового станка для снижения непрогнозируемых нагрузок при бурении сложноструктурных пород // Горный журнал. - 2013.- № 7. - С. 79 - 83.
