絞吸式挖泥船疏浚作業(yè)優(yōu)化與控制研究.pdf

1、挖泥船是水利疏浚中的重要裝備。絞吸式挖泥船將挖掘和輸送泥漿的工序一次完成，具有非常廣泛的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，在航道疏浚、港口建設(shè)、海洋開發(fā)等工程中有非常重要的作用。以絞吸式挖泥船為基礎(chǔ)的疏浚作業(yè)過程具有設(shè)備投資大、作業(yè)時(shí)間長、單位成本高的特點(diǎn)。疏浚作業(yè)過程優(yōu)化和自動(dòng)控制是疏浚工程研究領(lǐng)域一個(gè)非常重要的課題，自動(dòng)優(yōu)化的疏浚作業(yè)可以達(dá)到降低作業(yè)成本和提高作業(yè)效率目的。 實(shí)際疏浚作業(yè)過程的動(dòng)態(tài)特性非常復(fù)雜，疏浚作業(yè)設(shè)備的特性也隨作業(yè)狀態(tài)和

2、作業(yè)位置的不同而明顯變化。本文提出了完整的自動(dòng)疏浚作業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的核心包括兩個(gè)方面，即：以專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)的疏浚作業(yè)在線優(yōu)化、故障預(yù)防和控制決策；根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的多個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)疏浚作業(yè)動(dòng)作和過程參數(shù)的穩(wěn)定控制，尤其是泥漿濃度和流動(dòng)速度的穩(wěn)定控制。 專家系統(tǒng)以現(xiàn)有疏浚作業(yè)人員的操作經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)，通過知識(shí)處理的方式實(shí)現(xiàn)疏浚作業(yè)過程的作業(yè)優(yōu)化和故障預(yù)防等目標(biāo)。文中對(duì)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、知識(shí)表達(dá)與維護(hù)方法、推理機(jī)制等各方面都

3、進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。利用C++語言開發(fā)了專家系統(tǒng)的原型，在疏浚作業(yè)現(xiàn)場對(duì)專家系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。以900型挖泥船為基礎(chǔ)開展的現(xiàn)場測(cè)試表明，作業(yè)優(yōu)化專家系統(tǒng)能適應(yīng)實(shí)際疏浚作業(yè)環(huán)境，可以較穩(wěn)定地提高疏浚作業(yè)系統(tǒng)安全性和作業(yè)效率，作業(yè)過程更加平穩(wěn)。 疏浚作業(yè)過程的控制包括了斗橋控制、臺(tái)車位置控制、泥漿濃度控制、橫移控制、泥漿流動(dòng)速度控制等多個(gè)方面。其中泥漿濃度和流動(dòng)速度的控制問題最為復(fù)雜也最為重要。本文在對(duì)其它控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)

4、行必要介紹的基礎(chǔ)上著重研究了泥漿濃度和流動(dòng)速度的控制問題。采用自校正前饋補(bǔ)償控制方案分別實(shí)現(xiàn)了泥漿濃度和流動(dòng)速度這兩個(gè)相互耦合的系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。文中通過理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)等多種方式驗(yàn)證了控制方案的性能，并與以PID為代表的常規(guī)控制方案進(jìn)行了比較。 論文各章內(nèi)容分述如下： 第一章論述了疏浚作業(yè)優(yōu)化與控制研究的背景、目標(biāo)和意義。分析了疏浚作業(yè)優(yōu)化的主要研究內(nèi)容、意義和難點(diǎn)，介紹了疏浚作業(yè)優(yōu)化方面的主要研究成果和研

5、究現(xiàn)狀。此外還對(duì)疏浚作業(yè)過程自動(dòng)化控制的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。最后對(duì)人工智能與專家系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行了簡要的回顧。 第二章分析和介紹了疏浚作業(yè)系統(tǒng)的構(gòu)成、施工作業(yè)原理。詳細(xì)地分析了絞吸式挖泥船疏浚作業(yè)泥漿輸送系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)泥泵的工作特性、管道系統(tǒng)的阻力損失方程和柴油機(jī)的負(fù)載特性等重要方面都進(jìn)行了分析。為疏浚作業(yè)系統(tǒng)的深入研究提供了必要的基礎(chǔ)。 第三章對(duì)疏浚作業(yè)優(yōu)化的目標(biāo)和影響因素進(jìn)行了全面的分析。首先明確了

6、疏浚作業(yè)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)達(dá)到的基本目標(biāo)，然后比較詳細(xì)地分析了疏浚作業(yè)優(yōu)化的主要影響因素及其相互關(guān)系，最后介紹了現(xiàn)有的基于經(jīng)驗(yàn)的作業(yè)優(yōu)化和故障判斷方法。第四章對(duì)疏浚作業(yè)優(yōu)化專家系統(tǒng)進(jìn)行了全面的分析和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)并分析了專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用了兩個(gè)推理引擎協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)作業(yè)優(yōu)化和故障預(yù)防；專家系統(tǒng)以作業(yè)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備信息、實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)和工程作業(yè)要求等為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的檢測(cè)與處理、作業(yè)狀態(tài)的評(píng)價(jià)與優(yōu)化。本章從知識(shí)表示和更新方法、推理機(jī)制等方面對(duì)專

7、家系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 第五章研究了疏浚作業(yè)過程控制問題。首先對(duì)疏浚作業(yè)過程控制進(jìn)行了簡要介紹；然后重點(diǎn)對(duì)泥漿濃度和流動(dòng)速度的控制問題進(jìn)行了深入的研究。提出了以自校正前饋控制為核心的泥漿濃度和流動(dòng)速度控制方案。泥漿濃度的控制方案采用了雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)橫移速度的穩(wěn)定控制，系統(tǒng)外環(huán)實(shí)現(xiàn)了泥漿濃度的控制。泥漿流動(dòng)速度控制采用了零極點(diǎn)配置的自校正控制方案。本章還通過計(jì)算機(jī)仿真的方法測(cè)試和比較了控制方案的性能。 第六