А.О. ВЫБОРНОВ

Научный руководитель – Ю.А. ПОПОВ, д.т.н., профессор

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

ПРОЕКТ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ

САМОХОДНЫХ АГРЕГАТОВ (АСА)

В проекте рассмотрены принципы организации управления автоматизированного самоходного агрегата (АСА) с использованием итеративно-табличных автоматов. Система управления АСА предназначена для автоматического управления агрегатом в усложненных режимах функционирования, предусмотрена работа АСА при заходе в воду в прибрежной зоне, на слабых грунтах, в холмистой местности, в лесу.

Предлагается техническое решение создания транспортных средств для Севера и Сибири, отличное от используемых в традиционной вездеходной технике. В основе лежит использование микропроцессорных средств и систем, встраиваемых в объект управления. Это позволяет создать автоматизированные самоходные агрегаты (АСА) высокой грузоподъемности и проходимости для широкого применения и эксплуатации в условиях Приполярья, Сибири и других труднодоступных районов России, обеспечивающих комфортные условия для обслуживающего персонала экологическую защиту местности. Данная техника может быть использована для перевозки людей, транспортировки грузов в труднодоступные районы, а так же для строительства дорог, портов и причалов, газопроводов и нефтепроводов, перемещения малых ядерных установок, комплексов для очистки воды, установок ля резки и утилизация субмарин, в лесном и добывающем хозяйстве: заготовка, транспортировка, переработка древесины, добыча переработка и транспортировка полезных ископаемых. Данная техника должна обеспечивать работу в таких регионах преимущественно вахтовым методом, реализуя полный технологический цикл и в то же время бригады должны обладать всем необходимым для продуктивного труда, отдыха и проживания в суровых условиях.

АСА должны максимально использовать имеющиеся конструкции и механизмы, а так же современные технические средства, в том числе компьютерную технику. Для реализации и решения данных задач авторы предлагают проект нового вида техники: “Автоматизированные самоходные агрегаты (АСА)” (рис.1,2).

Рис.1 АСА для строительства трубопровода

Рис.2 Общий вид транспортного АСА

За основу представляемых принципов были взяты работы посвященные созданию функциональной модели АСА изложенные в [1, 2, 3, 4]. Построение систему управления с использованием аппарата итеративно-табличных автоматов предполагается проводить на базе отлаженных сценариев работы агрегата в различных режимах. Отладка данных сценариев проводилась с использованием компьютерной функциональной модели работы агрегата на виртуальном полигоне, позволяющем моделировать различные аспекты работы агрегата при перемещении по пересеченной местности.

Характеристика процесса управления

Технологический процесс управления автоматизированным самоходным агрегатом может быть отнесен к категории сложных, непрерывных технологических процессов, которые характеризуется следующими особенностями:

– наличием множества взаимосвязанных факторов, оказывающих влияние на ход процесса (реализуемый сценарий движения, положение агрегата относительно поверхности, наличие преодолимых преград при движении и.т.д.);

– наличием неконтролируемых факторов, влияющих в той или иной мере на ход процесса (потеря агрегатом горизонтального положения вследствие провала одной или нескольких опор, проседание грунта под опорами, скольжение агрегата по поверхности и.т.д.).

Цель автоматизации перемещения агрегата – повышение эффективности управления за счет максимального приближения режимов к оптимальным.

Рис.3

Следует считать, что весь процесс управления определяется конечным числом переменных. Эти переменные следует разбить на ряд групп в зависимости от их характера и доли участия в процессе. На рис.3 проведено разбиение переменных на три группы. Отбор переменных и выделение групп осуществляется по следующим признакам :

1.Контролируемые воздействия, совокупность которых образуют L-мерный вектор. H=(h1,h2,…hl). К ним относятся измеряемые переменные, которые зависят от внешней среды и не могут быть изменены преднамеренно. В данную категорию переменных следует включить значения характеризующие усилия давления опор на поверхность при их выдвижении, усилия перемещения главной и центральной направляющих платформ (ГНП и ЦНП) АСА, усилия поворота ГНП и ЦНП, а так же сигналы окончания перемещения ГНП и ЦНП и сигналы окончания подъема опор. Для получения соответствующих сигналов предполагается использовать ряд датчиков усилий в узлах агрегата и концевых датчиков. На значения контролируемых воздействий, накладываются некоторые физические ограничения типа таким образом вектор Н принадлежит непрерывному множеству возможных значений.

2. Управляющие воздействия, совокупность которых образует N-мерный вектор X=(x1,x2…xn). С помощью управляющих воздействий осуществляется целенаправленное перемещение отдельных частей агрегата в соответствии с реализуемым сценарием движения. Данные воздействия реализуют работу АСА. В качестве управляющих воздействий следует использовать управляющие сигналы приводов двигателей перемещения и поворота ГНП и ЦНП, а так же выпуска и подъема опор агрегата. Возможные значения вектора Х принадлежит некоторому ограниченному множеству значений.

3. Выходные переменные, совокупность которых образует вектор F=(f1,f1,..fm) – M-мерный вектор состояния. Выходные переменные характеризуют состояние агрегата. Имеется некоторая область F0 принадлежащая ограниченному множеству возможных значений, где значение вектора удовлетворяет заданным требованиям, предъявляемым к состоянию агрегата. Основными выходными переменными процесса работы агрегата следует считать переменные характеризующие отклонения ГНП от горизонтального положения и переменные характеризующие усилия возникающие в узлах и конструкциях АСА.

Переменные процесса квантуются по времени и уровню, как характерно для систем дискретного типа. Квантование по времени обусловлено, в первую очередь, действием системы обегающего контроля, осуществляющей последовательный циклический опрос переменных процесса. Квантование по уровню связанно с наличием аналого-цифровых преобразователей в системах управления. Если исходить из того, что существует некоторые ограниченные области возможных значений векторов H,X,F, то в связи с квантованием по уровню векторы H,X и F могут принимать конечное число различных значений внутри соответствующей области. При этом возможные пределы изменения каждой из составляющих указанных векторов делятся на некоторое количество дискетных уровней.

Формально процесс перемещения АСА может быть описан схемой, представленной на рис.1. На входе объекта происходит изменение векторов H и X. В агрегате осуществляются определенные преобразования контролируемых и управляющих воздействий. Результаты этих преобразований сказываются на выходных переменных (векторе F) по истечению некоторого времени tv. Связь между выходными и входными переменными, отражающая эти преобразования, описывается уравнением

F=f(H,X) (1)

Здесь f-оператор объекта, который в данном случае представляет собой некоторую нелинейную векторную функцию, имеющую довольно сложный вид. Следует принять, что значения выходных переменных не зависят от значений воздействий, которые имели место в моменты времени, предшествующие данному моменту съема информации. В соответствии с принятым допущением параметр времени из уравнения 1 исключен.

Постановка задачи управления

Необходимым условием успешного решения задачи управления АСА является оснащение агрегата датчиками, обеспечивающими получение с достаточно высокой частотой объективной информации о наиболее существенных факторах, которые оказывают влияние на процесс (датчики усилия давления опор на поверхность, датчики усилия перемещения и поворота ГНП и ЦНП, концевые датчики перемещения ГНП и ЦНП и подъема опор, датчики горизонтального положения ГНП, датчики напряжения в критических узлах). Кроме того, следует разработать сценарии работы и алгоритмы управления АСА, которые позволили бы поддерживать в различных условиях оптимальные режимы ведения процесса.

Формально постановка задачи управления процессом сводится к следующему: при существующим Н найти вектор Х, обеспечивающий выполнение требования: F принадлежит F0 (2), с учетом того, что вектора Н и Х принадлежат дискретным множествам значений.

Технологический режим, при котором обеспечивается выполнение требования 2, считается с точки зрения задачи управления оптимальным режимом. Таким образом, в задачу системы управления агрегатом входит выработка управляющих воздействий (Х) в соответствии с текущим положением АСА относительно поверхности и его состоянием (Н), а так же реализуемым сценарием движения агрегата, при этом необходимым является сохранение горизонтального положения ГНП (F принадлежит F0).

Принципы управления АСА

В соответствии с теорией управления принцип управления агрегатом соответствует комбинированному принципу управления (по возмущению и отклонению). Система с комбинированным принципом управления удачно сочетает в себе преимущества разомкнутых и замкнутых систем. Предлагаемая система состоит из двух блоков (рис. 4).

Рис.4

Блок 1 строится по типу автомата, реализующего принцип управления по воздействиям Н. Система подобного типа целесообразно строить в тех случаях, когда постоянное измерение выходных переменных затруднительно и в то же время появляется возможность достаточно частого и точного измерения контролируемых воздействий, которые оказывают существенное влияние на процесс. Данный подход позволяет осуществить управление с упреждением, не дожидаясь отклонения выходных переменных от заданных значений. Алгоритм управления по контролируемым возмущающим воздействиям определяется выражением

Х=f1(F0,H) (3)

которое получается решением уравнения (1) относительно вектора Х, если положить F=F0. Здесь f1 нелинейная векторная функция, зависящая от f. Данный блок позволит реализовать сценарии перемещения агрегата, по созданным алгоритмам, которые были описаны в предыдущих публикациях.

Блок 2 строится по типу автомата, с реализацией принципа управления по отклонению выходных переменных от заданных значений. При данном подходе производится коррекция режима работы согласно зависимости

X1=f2(F0)-f2(F) (4)

где Х1-вектор изменений управляющих воздействий, приводящих к установлению оптимального режима, f2 – нелинейная векторная функция. При этом оператор f2 следует выбирать обратным по отношению к оператору f. При этом коррекция технологического режима осуществляется циклически в дискретные моменты времени по итерационной схеме

Xi=Xi-1+X1 (5)

где i-номер итерационного цикла. Алгоритм управления, реализуемый автоматом согласно (5) примет вид

Xi=Xi-1+f2(F0)-f2(Fi) (6)

Данный блок отслеживает горизонтальное положение ГНП агрегата, и задает необходимые управляющие воздействия в случаи крена АСА в одну из сторон.

Оптимальный режим ведения процесса отыскивается с помощью блока 1 до съема информации о выходных переменных (реализация сценария движения АСА). Если появление неконтролируемых воздействий вызывает нарушение хода работы агрегата, т.е. при режиме, найденном автоматом при помощи блока 1, вектор F выходит из области F0 (крен агрегата), то управляющие воздействия, заданные блоком 1, должны быть соответствующим образом скорректированы.

Алгоритм управления в комбинированной системе можно записать в виде

Xi’=Xi+X1i (7)

где Xi’-скорректированный вектор управляющих воздействий, Xi-вектор управляющих воздействий, формируемый блоком 1, X1i-вектор изменений управляющих воздействий, формируемый блоком 2.

Табличный способ хранения информации

Зависимости (3)-(4) могут быть реализованы в автоматах в виде таблиц. В соответствии с этим реализуются автоматы табличного типа. В табличном автомате вектора H,X и F представляются в виде двоичных чисел (скаляров) H,X,F, образующихся в результате дискретизации соответствующих пространств и последующего кодирования.

Для автомата реализующего алгоритм управления (3) таблица строится путем записи реакций объекта на различные комбинации входных переменных (векторов Н и Х). Имея в распоряжении табличную модель, можно сравнительно просто решить обратную задачу: при данном Н найти такое значение вектора Х, при котором F=F0. При этом решение в готовом виде содержится в самой таблице. При появлении на входе табличного автомата ситуации, определяемой некоторым вектором Н=Нi, достаточно извлечь содержимое ячейки памяти с адресом Нi, которое и будет представлять собой код вектора управляющих воздействий Xi, обеспечивающих оптимальный с точки зрения задачи управления режим ведения процесса.

Аналогично может быть составлена таблица, позволяющая реализовать зависимость (4). При вводе таблицы в память автомата по адресам Fi, определяемым кодами векторов выходных переменных объекта Fi, записываются числа Xi, являющиеся кодами соответствующих им векторов управляющих воздействий Xi. При этом, при появлении на выходе автомата ситуации, характеризуемой некоторым вектором Fi, код вектора требуемых изменений управляющих воздействий Х1 определяется в соответствии с разностью содержимого ячеек памяти автомата с адресами F0 и Fi.

Во всех рассмотренных выше случаях конечному набору двоичных чисел на выходе автомата ставится в соответствие некоторый конечный набор двоичный набор на его входе.

Методика обучения АСА

Под обучением табличного автомата понимается процесс заполнения таблицы автомата на этапе, предшествующему управлению объектом, а так же процесс изменения ее содержания на этапе управления объектом. При этом существенную помощь в обучении автомата АСА, оказывает созданная функциональная модель описанная в [1,2,3]. Модель должна была ответить на вопросы, касающиеся:

– разработки сценариев функционирования агрегата (законы управления) и проверки их правильности

– оценка эффективности работы системы управления АСА

– адекватности действий АСА при различных событиях, возникающих при движении АСА по пересеченной местности

– действия и их эффективность при автоматическом движении АСА

– оптимизация поведения и пути перемещения агрегата

Критерием оценки сценариев и способов движения АСА является движение по наиболее сложной местности с наименьшими потерями времени и энергии.

Для решения проблемы полного тестирования алгоритмов движения АСА был создан виртуальный полигон (ВП) моделирования. ВП дает возможность моделировать ровные горизонтальные участки, подъемы, спуски, горы, расщелины, бугры. Критерии используемые при создании модели виртуального полигона отражают среднестатистический рельеф местности областей и регионов использования АСА.

Использования моделирования в процессе заполнения таблиц автомата заключается в том, что данные для доработки и отладки готового транспортного механизма почти невозможно получить с помощью натурных испытаний и исследований. Сбор информации о поведении АСА в различных нестандартных условиях как правило весьма затруднен, а анализ полученной неполной информации требует больших затрат времени и труда. Наличие быстродействующих вычислительных устройств дает новые средства для проверки правильности и оценки эффективности функционирования АСА при работе на пересеченной местности.

Таким образом, данная модель позволяет в наиболее полной форме представить работу АСА на программном уровне, при этом описанные в [1,2] алгоритмы работы и сценарии перемещения берутся в качестве основы для построения управляющих таблиц автоматов реализующих движение агрегата.

Список литературы

1. Автоматизированные самоходные агрегаты. Научная сессия МИФИ-98. Сборник научных трудов. Часть 7, М.:МИФИ,1998

2. Создание и испытание компьютерной функциональной модели АСА. Научная сессия МИФИ-98. Сборник научных трудов. Часть 9, М.:МИФИ,1998

3. Инструментальные средства точного функционального моделирования автоматизированных агрегатов. Научная сессия МИФИ-99. Сборник научных трудов. Т. 9, М.:МИФИ,1999

4. Реализация системы управления автоматизированного самоходного агрегата (АСА). Научная сессия МИФИ-2001. Сборник научных трудов. Т. 11, М.:МИФИ,2001