Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

УДОСКОНАЛЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

АВТОМАТИЗАЦІЇ ПРОЦЕСІВ КЕРУВАННЯ ГІРНИЧИМИ

ТЕХНОЛОГІЧНИМИ КОМПЛЕКСАМИ

Спеціальність 05.13.07 - автоматизація процесів керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

МЕЩЕРЯКОВ Леонід Іванович

УДК 681.5.015:622.012.7

Дніпропетровськ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі програмного забезпечення комп'ютеризованих систем Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор, Заслужений працівник народної освіти України

Кузнецов Георгій Віталійович,

завідувач кафедри електроніки та обчислювальної техніки

Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ),

Міністерство освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Горбійчук Михайло Іванович,

завідувач кафедри комп'ютерних систем і мереж

Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу, Міністерство освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор

Садовой Олександр Валентинович,

завідувач кафедри електрообладнання Дніпродзержинського

державного технічного університету, Міністерство освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки,

Кошовий Микола Дмитрович

завідувач кафедри авіаційних приладів та вимірів Національного

аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “ХАІ” (м. Харків),

Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться “__4__” _грудня__ 2009 р. о __13__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.07 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19, тел. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, пр. К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий “__16__” _жовтня_ 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент

О.О. Азюковський

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. В гірничий промисловості однією з проблем сучасної теорії і практики автоматизації процесів керування гірничими електромеханічними комплексами (ГЕМК), як структурно складними об'єктами, є критична недостатність достовірної інформації з оперативного стану останніх. Існує протиріччя між сучасними вимогами автоматизації керування до точності та достовірності контролю технологічних і технічних параметрів ГЕМК та неможливістю їх реалізації у зв'язку з обмеженістю існуючого інформаційного забезпечення автоматизованих систем керування (АСК) гірничих технологічних процесів (ТП). При цьому підвищення продуктивності, та пов'язані з цим модернізація і ускладнення гірничих комплексів, обумовлюють необхідність отримання нових наукових знань стосовно формування та існування інформаційного забезпечення АСК ТП ГЕМК, що вимагає удосконалення методів синтезу діагностичних моделей з метою підвищення точності та надійності відображення ГЕМК в моделях. Особливо гострою стає проблема отримання якісних моделей для гірничих об'єктів керування, коли розробляються АСК ТП при недостатній або відсутній апріорній інформації. Тому, сучасна обмеженість семантики інформаційного забезпечення процесів керування при автоматизації ГЕМК гальмує використання результатів нових теоретичних досліджень, засобів інтелектуальної підтримки прийняття рішень, апаратних засобів. Значною мірою ліквідувати ці обмеження може інтелектуальна ідентифікація інформаційних характеристик, що виділяються в режимних технічних і технологічних параметрах гірничих комплексів.

Дослідження як вітчизняних, так і зарубіжних вчених В.Г.Авакумова, В.Н.Бондарева, О.С.Бешти, В.А.Бреннера, М.Д.Генкина, В.А.Воронова, О.Н.Марюти, Ю.Г.Качана, М.Кендала, Е.В.Кочури, В.І.Костюка, Г.В.Кузнецова, А.В.Докунина, М.І.Горбійчука, Г.Н.Семенцова, О.В.Садового, Н.С.Райбмана, Р.А.Коллакота, А.П.Ротштейна та багатьох інших стали основою подальшого розвитку методів аналітичної ідентифікації для задач розширення інформаційного забезпечення АСК з метою підвищення точності та достовірності моделювання.

Таким чином, актуальною є наукова проблема, що полягає в удосконаленні інформаційного забезпечення автоматизації процесів керування на основі нових наукових знань стосовно протікання технологічних процесів та змін технічних станів ГЕМК на підставі нових інформаційних характеристик відображення параметрів, та обґрунтування на цій основі принципів розширення інформаційного забезпечення процесів керування, що дозволяє підвищити точність та надійність АСК ТП при зменшенні ресурсних та енергетичних витрат.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана згідно з напрямом державної програми: “Розробка концепції створення інтелектуальних систем прийняття рішень”, що враховує структуру гірничого виробництва і цілі Національної програми інформатизації, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 31.08.1998 р. № 1352, та постановою Кабінету Міністрів України від 18.12.2001 р. № 1702 “Про затвердження порядку формування і виконання галузевої програми і проекту інформатизації”; приоритетним напрямам Національного гірничого університету в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи “Розробка наукових основ створення інтелектуальних систем прийняття рішень на гірничих підприємствах України” (тема ГП-308, № ДР 0103U001279, 2003 - 2004 р.) згідно з Наказом Міністерства освіти і науки України від 05.11.2003 р. № 633, науково-дослідної держбюджетної теми “Розробка наукових основ високоефективної експлуатації гірничотранспортного обладнання кар'єру методами оперативного керування” (тема ГП-352, № ДР 0105U000505, 2005 - 2006 р.) згідно з Наказом Міністерства освіти і науки України від 22.11.2004 р. № 960 і науково-дослідної держбюджетної теми “Дослідження та розробка методів діагностування і управління технологічними процесами у гірничій промисловості ” (тема Е-296, № ДР 0105U005085, 2007 - 2008 р.).

Метою роботи є розв'язання актуальної наукової проблеми удосконалення інформаційного забезпечення автоматизації процесів керування гірничими технологічними комплексами для підвищення продуктивності, надійності, зменшення ресурсних та енергетичних витрат.

Досягнення поставленої мети передбачає розв'язання таких задач:

- встановити нові закономірності формування інформаційного забезпечення автоматизації процесів керування та діагностування ГЕМК за енергоінформаційними сигналами з метою підвищення точності ідентифікації цих процесів;

- отримати нові наукові знання з інформаційного забезпечення ідентифікації технологічних і технічних параметрів ГЕМК та сформувати вимоги визначення імовірнісне достовірних миттєвих станів останніх для забезпечення процесів автоматизованого керування;

- розробити статистично достовірні умовно-імовірнісні моделі ГЕМК, що відповідають сучасним вимогам до точності ідентифікації динамічних процесів зміни параметрів функціональних режимів об'єктів керування;

- розробити методи ідентифікації та візуалізації комплексних станів ГЕМК з інтелектуальною підтримкою прийняття рішень при керуванні в умовах геологічної, технічної та технологічної невизначеності для підвищення достовірності оцінок спостережливості технологічних процесів.

Об'єктом дослідження є технологічні, електромеханічні, інформаційні процеси в гірничих електромеханічних комплексах.

Предметом дослідження є залежності між інформаційним забезпеченням автоматизованих систем керування і параметрами технологічних процесів та технічних станів гірничих електромеханічних комплексів, що забезпечують формування якісних функціональних режимів.

Методи дослідження. В дисертації використано комплекс теоретичних та експериментальних методів: теорії множин, загальна математична теорія систем та системного аналізу - для постановки і розв'язання задач моделювання, визначення структур об'єктів і систем автоматизованої ідентифікації та керування; теорії планування експерименту, обробки результатів експериментальних досліджень, математичного моделювання, кореляційного, спектрального, дисперсійного аналізів - для планування, проведення і обробки результатів експериментів, дослідження інформаційних характеристик та синтезу аналітичних моделей; оптимального керування - для синтезу АСК ТП бурових комплексів; розпізнавання образів і штучного інтелекту - для розробки систем інтелектуальної підтримки прийняття рішень в умовах невизначеності стану при керуванні ГЕМК.

Основні наукові положення і результати, їх новизна.

Положення:

1. Для процесів зміни в часі станів гірничих електромеханічних комплексів реально існуючі статистичні нелінійні зв'язки технологічних і технічних параметрів відображаються через відношення умовних моментів третього і четвертого порядків числових характеристик емпіричних розподілів випадкових функцій сигналів до аналогічних оцінок генеральних вибірок, що на відміну від дисперсійних характеристик забезпечує декомпозицію ступеня нелінійності об'єктів автоматизації, обумовлює підвищення точності та надійності інформаційного і програмного забезпечення процесів керування.

2. Ідентифікація параметрів гірничих електромеханічних комплексів забезпечується нелінійним зв'язком невипадкових функцій, які для кожної пари значень аргументів дорівнюють асиметріям і ексцесам умовних математичних очікувань відповідних перерізів випадкових функцій сигналів.

Результати:

1. Сформований узагальнений комплекс множинних умовних статистичних числових енергоінформаційних оцінок АСК ТП ГЕМК забезпечує підвищення точності визначення оперативних показників параметрів технологічних процесів і технічних станів гірничих комплексів.

2. Встановлені нелінійні залежності умовно-ймовірнісних числових характеристик відображають параметри технологічного процесу буріння свердловин та технічного стану породоруйнівних інструментів від різних штатних та позаштатних робочих режимів.

3. Запропоновані технолого-енергетичні та техніко-енергетичні показники визначають ієрархічні інформаційні оцінки залежності кореляційної функції від кореляційної, дисперсійної від дисперсійної, які забезпечують підвищення точності ідентифікації комплексних станів ГЕМК

4. Доведено, що моделювання конструктивних структур гірничих електромеханічних комплексів як об'єктів керування у штатних та аварійних режимах на основі множинної умовно-ймовірнісної форми ланцюгових дробів дозволяє підвищити точність визначення комплексних оперативних станів.

5. Для мінімізації вартості одного метра проходки вперше запропоновано формування інформаційного і програмного забезпечення АСК бурового комплексу здійснювати на підставі умовно-ймовірнісних характеристик миттєвих значень навантаження на породоруйнівний інструмент і його частоти обертання, витрат і тиску промивальної рідини, механічної швидкості буріння, пружного і обертових моментів колони і параметрів потужності, що споживається.

6. Доведено, що застосування інтелектуальних технологій ідентифікації ГЕМК з відображенням зв'язку змінних через експертні висловлювання, що представляють нечіткі бази знань, дозволило сформувати структуру нечіткої моделі диференціальної діагностики залишкового ресурсу ПРІ БК через дерево логічного висновку.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертації підтверджується: сучасною методологією досліджень ГЕМК як об'єктів автоматизованого керування; перевіркою адекватності розроблених моделей; збіжністю теоретичних розрахунків і результатів моделювання процесів керування за енергоінформаційними характеристиками ГЕМК з відхиленням, що не перевищує 10 %; використанням результатів роботи при розробці проектів на створення АСК ТП ГЕМК та апробацією наукових положень і рекомендацій.

Практичне значення та впровадження отриманих результатів. Удосконалення методу моментної ідентифікації для розширення інформаційного забезпечення процесів автоматизованого керування гірничими комплексами дозволило підвищити достовірність визначення оперативних значень технологічних і технічних параметрів для формування якісних функціональних режимів в ГЕМК. Рекомендації щодо застосування моментних функцій для ідентифікації гірничих комплексів в системах управління ГЕМК з інтелектуальною підтримкою прийняття рішень впроваджені на Вільногірському ГМК, ЗАТ “Кримський ТІТАН”, а моментних методів ідентифікації інформаційних сигналів в автоматизованих інтелектуальних системах діагностування та керування на ВАТ “Укргіпроруда”, в проект ВАТ Проектний і проектно-конструкторський інститут “Металургавтоматика”, при формуванні експрес-методів з визначення технологічного і технічного стану нагрівальних комплексів на ВАТ Дніпровський металургійний комбінат, на ВАТ “Полтавський ГЗК” для підвищення точності визначення технологічного і технічного стану подрібнювальних та бурових комплексів й використовуються в навчальному процесі при виконанні курсових і лабораторних робіт з дисциплін “Системи штучного інтелекту”, “Методи і засоби комп'ютерних інформаційних технологій” та ін.

Особистий внесок здобувача полягає у формуванні мети та задач дослідження, обґрунтуванні наукових положень, проведенні теоретичних та експериментальних досліджень, науковому обґрунтуванні та розробці відповідних рекомендацій. Усі положення дисертації, які виносяться на захист, результати теоретичних та експериментальних досліджень отримані автором особисто. В усіх роботах, які написані у співавторстві, здобувачеві належить ініціатива ідей, постановки задач дослідження, вибір і обґрунтування їх рішень.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на: 3-й Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль та управління в технічних системах” (м. Вінниця, 1995 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні технології економічного і безпечного використання електроенергії” (м. Дніпропетровськ, 1997 р.), Міжнародній конференції “Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання і технологій переробки мінеральної сировини” (м. Дніпропетровськ, 1997 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми транспорту в гірничому виробництві” (м. Дніпропетровськ, 1997 р.), 4-й Української конференції по автоматичному керуванню “Автоматика-97” (м. Черкаси, 1997 р.), International Committee on Automation in Mining Conference ICAMC 98 and International Conference on Process Control and Simulation ASRTP 98 (High Tatras, Slovak Republic), Міжнародній науково-технічній конференції “Комп'ютерні технології в навчанні, наукових дослідженнях і промисловості” (м. Дніпропетровськ, 1998 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “XXI - сторіччя проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (м. Дніпропетровськ, 1998 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми і перспективи освоєння підземного простору великих міст” (м. Дніпропетровськ, 1998 р.), Міжнародній конференції “Проблеми комплексного освоєння надр” (м. Дніпропетровськ, 1998 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Форум гірників” (м. Дніпропетровськ, 2003 р.), ІІІ-ому Міжнародному науково-практичному семінарі “Сучасні інформаційні технології у гірничо-металургійній промисловості” (Крим, м. Алушта, 2006 р.), ІV, V, VІ, VІІ Міжнародних науково-технічних конференціях “Інформаційні технології у сфері дистанційної освіти, міжнародного співробітництва та інтеграції освіти, науки і виробництва” (м. Дніпропетровськ, 2006, 2007, 2008, 2009 р.), Науково-методичній конференції “Впровадження нових інформаційних технологій навчання” (м. Харків, 2007 р.), 14 Міжнародній виставці CeBIT-2007 Digital Solutions for Work and Life (м. Гановер, Німеччина, 2007 р.).

Публікації. Основні наукові положення та результати дисертації опубліковано в 64 наукових працях, з яких 2 монографії, 53 статті у фахових виданнях (з них 40 одноосібних), авторське свідоцтво СРСР, 7 - матеріали міжнародних конференцій, 1 навчальний посібник.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів і висновків на 461 сторінках, включаючи 26 таблиць, 175 рисунків, список використаних літературних джерел із 263 найменувань і 5 додатків на 166 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність наукової проблеми, зв'язок роботи з науковими програмами і планами, сформульована мета і задачі досліджень, викладена наукова новизна, практична значимість результатів.

В першому розділі здійснено аналітичний огляд принципів і підходів до формування інформаційного забезпечення процесів керування при автоматизації ГЕМК, розглянуто основні характеристики та особливості їх життєвих циклів і визначені причини виникнення інформаційних коливальних процесів та параметри сигналів і діагностичні ознаки. Виконано аналіз існуючих методів контролю параметрів в АСК ТП і сучасних підходів до ідентифікації нелінійних систем керування, основних критеріїв оптимізації процесів керування буровими комплексами, як типовими ГЕМК. Сформована мета і задачі дослідження.

Автоматизація гірничого виробництва повністю зумовлена функціональною специфікою гірничих технологій та технічних комплексів. При цьому якісні характеристики ТП і параметри вихідних промпродуктів залежать від вхідних потоків, технічного стану відповідних ГЕМК та робочих режимів їх ТП, а до основних характеристик гірничих ТП і комплексів треба віднести передусім їх енергетичні, технологічні та технічні характеристики коливальних процесів.

На основі виконаного аналізу методів контролю параметрів ГЕМК виявлено, що основою формування діагностичних інформаційних характеристик в АСК ТП є коливання. Причому спектр частот для різних типів ГЕМК заданої структури визначається: для вібраційних сигналів в діапазоні 0,2 400 Гц, для акустичних сигналів в межах 18.0 24.0 кГц і для енергетичних сигналів в інтервалі 0,001-130 Гц. Закономірності формування цих частот і внутрішні зв'язки діагностичних сигналів досліджені ще не в повній мірі. При ідентифікації станів ГЕМК ще використовується вкрай обмежена множина параметрів.

В даний час в гірничий промисловості для автоматизованого контролю комплексних станів ГЕМК найбільше застосування отримали характеристики потужності, яка споживається електроприводами, та термометричні характеристики, що мають значну інерцію відображення. Контроль же оперативних станів багатьох структурних складових елементів ГЕМК, як породоруйнівних інструментів (ПРІ) та інших, що є найбільш критичними складовими цих конструкцій через специфічні умови функціонального використання комплексів, не може бути здійснений термометричними методами і обмежений через статичні характеристики потужності, що і зумовлює пошук нових інформаційних джерел контролю, включаючи і засоби використання цих елементів як інтелектуальних датчиків.

При автоматизації керування ГЕМК для випадкових сигналів входу U, стану X і виходу Y, розглянутих одночасно, з утворенням системи трьох випадкових величин як їх спільні, повні характеристики приймаються функції розподілу безумовних і умовних щільності ймовірностей, визначення яких виконується експериментальними дослідженнями в робочих режимах з побудовою двомірних і тримірних кореляційних таблиць, що через складність отримання обмежує їх практичне застосування. Проведений аналіз існуючих підходів до моделювання стохастичних гірничих об'єктів автоматизації показав складність формування цих моделей, що обумовлює пошук нових інформаційних оцінок.

Аналіз сучасних критеріїв оптимального автоматизованого керування процесами буріння свердловин буровими комплексами (БК), як типовими ГЕМК, виявив поширеність економічних критеріїв, ефективність практичного використання яких вимагає розширення і поглиблення інформаційного забезпечення процесів керування, особливо для реалізації якісного інтегрального критерію оптимального керування за мінімальною вартістю метра буріння протягом рейсу.

Поставлена проблема практично вирішується шляхом удосконалення засобів підвищення точності та достовірності інформаційного забезпечення процесів керування за допомогою автоматизованих алгоритмів діагностування та ідентифікації технологічних і технічних параметрів ГЕМК, для формування в останніх раціональних робочих режимів зі зменшенням енергетичних витрат.

Другий розділ присвячується основам і специфіці енергетичної діагностики та ідентифікації ГЕМК, базовій структурі підсистеми діагностування, інформаційним параметрам енергетичних сигналів та їх ідентифікації в АСК ТП ГЕМК.

В гірничий промисловості специфіка енергетичної діагностики та ідентифікації полягає в тому, що незважаючи на значну різницю практичних методів і технічних засобів технологій енергоінформаційного діагностування, які можна застосувати на кожному етапі життєвого циклу ГЕМК, що зумовлено різним характером виникаючих дефектів, різним відображенням їх в сигналах, розмаїтістю умов роботи гірничих комплексів та вимогами цільових функцій діагностування, практично можливо визначити їх загальні закономірності. Тому, першочергове значення тут приділяється саме визначенню моделей формування енергоінформаційного сигналу. Найбільше розроблені детерміновані моделі, в яких комплексні коливальні процеси ГЕМК описуються періодичними функціями, що збуджені обертанням або циклічним зіткненням структурних елементів. Основними інформативними діагностичними ознаками тут визначаються амплітуди, тривалості та моменти появи збурених імпульсів, а також частоти, амплітуди і фази гармонійних сигналів, які своїми інформаційними властивостями не можуть повністю задовольнити сучасні вимоги підвищення точності та достовірності визначення оперативних технологічних та технічних станів ГЕМК. На основі здійсненого аналізу сформовано базову структуру підсистеми енергоінформаційного діагностування, яка забезпечує основні сучасні вимоги технології енергетичної діагностики.

Проведені в роботі дослідження доводять, що інформативними складовими енергетичних сигналів при виникненні та розвитку технологічних і технічних несправностей на основі сформованого дефекту в кожному конкретному випадку, який зумовлений нескінченною безліччю причин, можуть бути амплітуди і фази основних частот збудження, глибини амплітудної і фазової модуляції, співвідношення між амплітудами різних гармонік, фазові співвідношення та інші ймовірні характеристики параметрів енергетичного сигналу. В цілому, енергетичні процеси в електричних машинах, редукторах, муфтах та інших складових конструктивних елементах ГЕМК, що піддаються впливу дефектів на ранніх стадіях їхнього розвитку, в основному описуються за допомогою рівнянь динаміки, особливо в зоні низьких частот. Визначено, що діагностування для забезпечення надійності АСК ГЕМК в процесі експлуатації зумовлюється розв'язанням задач з раннього виявлення дефектів на передаварійних технологічних і технічних станах, коли подальше використання ГЕМК призводить до неприпустимих аварій. Для розпізнавання цих станів за діагностичні ознаки для грубої оцінки можуть бути використані математичні очікування та дисперсії енергоінформаційних сигналів за всім спектром. Більш чутливі характеристики спостерігаються при звуженні інформативних смуг аналізу спектральної щільності сигналів з відповідною прив'язкою складових спектра до визначеного типу несправності. Встановлено основні інформаційні характеристики кінематичних частот енергоінформаційних сигналів типових ГЕМК за допомогою методів: кореляційних функцій, кліпування спектра, використання стиску діагностичної інформації на основі кепстра, біспектрального аналізу, технологій обробки сигналів вейвлетами. Всі застосовані методи перетворень і модифікацій сигналів, що супроводять робочі режими ГЕМК об'єднуються в ієрархічний потік обробки та візуалізації інформаційних складових, які містять в собі ці сигнали.

Для підвищення достовірності розпізнавання станів ГЕМК запропоновано використання, як діагностичних оцінок, інформативних складових структур функціональної вкладеності у вигляді: кореляційна функція від кореляційної функції або взаємокореляційна функція від взаємокореляційної, а також багатомірні автокореляційні та взаємокореляційні функції, що визначає приховані ієрархічні внутрішні зв'язки діагностичних сигналів.

Визначені діагностичні оцінки як літери включаються в посилки формул обчислення предикатів систем інтелектуальної підтримки прийняття рішень. А можливі технологічні та технічні стани ГЕМК включаються в ці формули як висновки. Для розрахунку істинних значень формул задається область визначення всіх предметних змінних, значення констант, істинних значень предикатів і функцій, що входять в формули. Таким чином, діагностичні оцінки формуються у множини термів, атомів та диз'юнктів. Подальше застосування еквівалентних перетворень формул обчислення предикатів з представленням їх в приведеній канонічній нормальній формі через здійснення без порушення відношення логічного наслідування переходів від одних теорем до інших, дозволяє через операції підстановки та уніфікації ефективно розпізнати достовірність висновку щодо оперативного технологічного і технічного стану ГЕМК.

Третій розділ присвячений розробці моментних оцінок інформаційного забезпечення АСК ГЕМК. Виконано аналітичне обґрунтування використання умовно-імовірнісних моментних зв'язків сигналів датчиків і визначені їх основні нелінійні інформаційні характеристики технологічних і технічних параметрів на базі ТП буріння при різних штатних робочих режимах.

Поряд з класичними оцінками для вирішення наукової проблеми розширення та поглиблення інформаційного забезпечення процесів керування в стратегічних і оперативних ідентифікаторах АСК ТП ГЕМК в роботі запропоновано використовувати вищі інформаційні статистичні оцінки вимірюваних діагностичних сигналів - такі як умовна асиметрія та умовний ексцес . Застосування методу аналогії з безумовними числовими характеристиками випадкових сигналів дозволило сформувати комплекс умовних статистичних числових оцінок безперервних та дискретних вибіркових вимірів сигналів.

Розширення інформаційного забезпечення автоматизації процесів керування ГЕМК здійснено за рахунок вводу нових структур дисперсійних відношень вибірок випадкових миттєвих значень сигналів систем “вхід-вихід” і систем “вхід-стан-вихід” об'єктів керування гірничого виробництва, де виділяються нові наукові знання через оцінки відношень: дисперсій умовних дисперсій, умовних асиметрій і умовних ексцесів до дисперсії генеральної вибірки величини миттєвих значень виходу Y, що дозволяє підвищити точність кількісної оцінки нелінійних зв'язків технічних і технологічних параметрів гірничих об'єктів, які в комплексі визначаються за формулами:

інформаційний гірничий буровий автоматизований

,

, (1)

,

,

де , , , - дисперсія умовного математичного очікування, дисперсія умовної дисперсії, дисперсія умовної асиметрії, дисперсія умовного ексцесу вибірки сигналу виходу відносно вибірки сигналу входу ; , , , - дисперсія умовного математичного очікування, дисперсія умовної дисперсії, дисперсія умовної асиметрії, дисперсія умовного ексцесу вибірки сигналу виходу відносно сигналів стану і входу ; - дисперсія генеральної вибірки сигналу виходу.

За аналогією структур дисперсійних відношень (1) для підвищення точності та достовірності інформаційного забезпечення АСК ТП ГЕМК сформовані нові діагностичні оцінки нелінійного зв'язку між вибірками сигналів виходу і входу гірничих об'єктів у вигляді числових характеристик асиметрійних відношень , , , випадкової вихідної величини відносно вхідної змінної для систем структури “вхід-вихід” (2) та характеристик асиметрійних відношень , , , вихідної величини відносно змінної стану і вхідної змінної для структур “вхід-стан-вихід”, які визначаються через відношення асиметрій умовного математичного очікування, умовної дисперсії, умовної асиметрії і умовного ексцесу до асиметрії генеральної вибірки величини виходу:

,

, (2)

,

,

де , , , - асиметрія умовного математичного очікування, асиметрія умовної дисперсії, асиметрія умовної асиметрії, асиметрія умовного ексцесу випадкової функції вибірки сигналу виходу відносно вибірки сигналу входу ; , , , - асиметрія умовного математичного очікування, асиметрія умовної дисперсії, асиметрія умовної асиметрії, асиметрія умовного ексцесу випадкової функції вибірки сигналу виходу відносно вибірок сигналів стану і входу ; - асиметрія генеральної вибірки випадкового сигналу виходу.

Для підвищення точності та надійності інформаційного забезпечення АСК ГЕМК вперше сформовано в роботі нові числові оцінки нелінійного зв'язку між вибірками сигналів виходу Y і входу U гірничих об'єктів керування, які здійснюються через характеристики ексцесійних відношень , , , (3) або між випадковими величинами сигналів виходу Y, стану і входу U об'єктів керування через числові оцінки ексцесійних відношень , , , , що аналітично визначаються як відношення локальних ексцесів умовного математичного очікування, умовної дисперсії, умовної асиметрії та умовного ексцесу до ексцесу генеральної вибірки випадкової величини виходу Y:

(3)



де , , , - ексцес умовного математичного очікування, ексцес умовної дисперсії, ексцес умовної асиметрії, ексцес умовного ексцесу сигналу виходу відносно функції вибірки сигналу входу ; , , , - ексцес умовного математичного очікування, ексцес умовної дисперсії, ексцес умовної асиметрії, ексцес умовного ексцесу сигналу виходу відносно випадкових функцій сигналів стану і входу ; - ексцес генеральної вибірки сигналу виходу .

Системність сформованих числових інформаційних оцінок представлено першою таблицею (табл. 1) періодичної системи, що включає тільки характеристики на базі умовного математичного очікування .

Оскільки в гірничому виробництві реальні ТП і ГЕМК є нелінійними та гетероскедастичними у зв'язку з складною структурою конструкцій та дією множини змінних, серед яких є домінуючі, їх необхідно визначати нелінійними моделями. Це ускладнює процеси ідентифікації та керування і тому в деяких практичних випадках при використанні моделей в системах керування при обмежені режимних умов або вузького діапазону значень змінних, можливе обмеження ідентифікованої моделі ГЕМК лінійним описом. Доцільність та достовірність опису реального ГЕМК лінійною або нелінійною моделлю в АСК у роботі пропонується визначати відповідністю не тільки лінійних оцінок коефіцієнта кореляції та нелінійних оцінок дисперсійного відношення заданому інтервалу довіри відповідної надійності для дозволу на використання при ідентифікації лінійної моделі, а також враховувати відповідність інтервалу довіри і значень асиметрійного відношення та ексцесійного відношення .

Таблиця 1

Числові оцінки тісноти нелінійних зв'язків випадкових значень енергоінформаційних сигналів за структурою “вхід - вихід”

	Параметр знаменника кореляційного відношення
	Математичне очікування вихідної величини	Дисперсія вихідної величини	Cередньоквадратичне відхилення вихідної величини	Асиметрія нормального розподілу вихідної величини	Ексцес нормального розподілу вихідної величини
Параметр чисельника кореляційного відношення	Математичне очікування умовного математичного очікування
	Дисперсія умовного математичного очікування
	Cередньоквадратичне умовного математичного очікування
	Асиметрія розподілу умовного математичного очікування
	Ексцес нормального розподілу умовного математичного очікування

Для структури “вхід-стан-вихід” множинне дисперсійне відношення відображає нелінійну залежність сигналу виходу від вектора входів через вектор технологічних і технічних станів гірничих комплексів як

. (4)

Додаткові множинні моментні оцінки нелінійної залежності сигналу виходу від множини сигналів входів через вектор станів можна одержати з множинного асиметрійного відношення

. (5)

Множинні моментні оцінки нелінійної залежності сигналу виходу визначається також через множинне ексцесійне відношення

(6)

Вирішення проблеми з розширення інформаційного забезпечення базується на розробці нових оцінок множинних статистичних моментних зв'язків випадкових значень пакетних реалізацій сигналів щодо характеристик можливих стохастичних значень випадкового вихідного сигналу. Це дозволило сформувати комплекс нових інформативних оцінок (табл. 1), що використовуються як сутності в предметних галузях систем інтелектуальної підтримки прийняття рішень. Величина розбіжності множинного дисперсійного відношення за структурою “вхід-стан-вихід” , множинного асиметрійного відношення , множинного ексцесійного відношення та квадрата множинного коефіцієнта кореляції для цієї ж структури є мірою нелінійності кривої поверхні регресії:

;

; (7)

.

Дослідження експериментальних умовно-моментних характеристик технологічних і технічних параметрів процесу буріння алмазними коронками виявило нові закономірності, що відкрили глибинні нелінійні зв'язки між основними параметрами навантаження H на ПРІ, окружній швидкості обертання ПРІ , витрат промивальної рідини Q і механічній швидкості буріння в різних робочих режимах БК, і визначили гомоскедастичні та гетероскедастичні зони цих залежностей для обґрунтування можливості представлення БК в різних робочих технологічних і технічних режимах через лінійні або нелінійні моделі (рис. 1).

Гетероскедастичні нелінійні регресії залежності механічної швидкості буріння (м/год) і проходки на коронку (м/кор) від параметрів навантаження (кГс) та витрат промивальної рідини (л/хв) апроксимовані поліномами (8)

,

(8)

Аналіз множини отриманих експериментальних залежностей технологічних і технічних параметрів процесу буріння алмазними коронками виявив, що на фоні загального зниження значень умовної дисперсії , середньоквадратичного і коефіцієнта варіації залежність ресурсу X алмазних коронок від режимів буріння свердловин з навантаження H формує типові екстремальні характеристики умовної асиметрій і умовного ексцесу . Причому їх максимуми відповідають зоні предекстремального значення характеристики умовного математичного очікування . Отже, їх доцільно використати як ефективні інформаційні екстремум-детектори для визначення раціональних технологічних режимів процесів буріння. Необхідно відмітити, що при для сигналів основних режимних параметрів БК ЗІФ-1200 визначається закономірність числового відношення автомоментних оцінок у вигляді

.

Так, для швидкості проходки від навантаження () - , для швидкості проходки від швидкості обертання ПРІ () - і для швидкості проходки від витрат промивальної рідини () - .

Четвертий розділ присвячений формуванню і дослідженню інформаційних характеристик моментних функцій діагностичних сигналів гірничих технологічних об'єктів та імовірностно-моментним моделям ГЕМК.

Для розширення інформаційного забезпечення АСК ТП ГЕМК використані за структурами дисперсійних функцій вищі статистичні характеристики. Можливі варіації одномірних автодисперсійних функцій випадкового сигналу входу при заміні складової умовного математичного очікування на вищі умовні оцінки визначає їх теж невипадковими функціями двох аргументів і для кожної пари значень t, v вони дорівнюють дисперсіям умовних дисперсій, умовних асиметрій та умовних ексцесів відповідних перетинів сигналу за виразами

,

, (9)

,

де , , - умовна дисперсія, умовна асиметрія, умовний ексцес значення випадкової вибірки входу при довільному значенні аргументу відносно значення цієї ж функції сигналу при іншому довільному значенні аргументу ; , , - дисперсія, асиметрія, ексцес генеральної вибірки входу . Використання моментних функцій збільшує простір діагностичних ознак і забезпечує підвищення достовірності ідентифікації ГЕМК.

Проблема поглиблення інформаційного забезпечення АСК ГЕМК забезпечується також через застосування моментних функцій більш високих порядків. Так одномірна асиметрійна функція випадкового сигналу входу , що визначається як невипадкова функція двох аргументів, яка для кожної пари значень t і v сигналу дорівнює асиметрії умовного математичного очікування відповідних перетинів для сигналів гірничих об'єктів буде мати вигляд

, (10)

де - умовне математичне очікування значення функції вибірки сигналу входу при довільному значенні аргумента відносно значення цієї ж функції при іншому довільному значенні аргумента ; - математичне очікування генеральної вибірки сигналу входу ; - середнє квадратичнє відхилення вибірки входу . Нормоване значення функції визначається як

, (11)

де - одномірна автоасиметрійна функція випадкового сигналу входу ; - асиметрія генеральної вибірки випадкового сигналу входу.

На основі проведених досліджень взаємозв'язку асиметрійних функцій енергоінформаційних сигналів з різними технологічними і технічними режимами процесів буріння запропоновано використання їх в АСК ТП ГЕМК для ідентифікаії цих режимів. Типова автоасиметрійна функція сигналу потужності, що споживається приводом БК типу ЗИФ-1200МР в режимі бурінні з підвищеною вібрацією породоруйнівного інструменту представлена на рис. 2.

Подальше розширення простору інформаційних ознак АСК ГЕМК призводить до використання в структурі асиметрійних функцій інших статистичних характеристик. Можливі варіації одномірних автоасиметрійних функцій випадкового сигналу входу з заміною складової умовного математичного очікування на вищі умовні оцінки, що визначає їх теж невипадковими функціями двох аргументів, які для кожної пари значень t, v дорівнюють асиметріям умовних дисперсій, умовних асиметрій та умовних ексцесів відповідних перетинів сигналу входу як:

,

, (12)

,

де , , - відповідно середні квадратичні сигналу входу з дисперсії, асиметрії та ексцесу. Застосування цих моментних функцій збільшує інформаційний простір ознак і підвищує достовірність ідентифікації ГЕМК.

Більш цінною інформативною оцінкою є одномірна взаємоасиметрійна функція, що визначається як невипадкова функція декількох аргументів і яка для кожної пари значень s і t дорівнює асиметрії умовного математичного очікування перетину одного випадкового сигналу щодо перетинів іншого. Для сигналів виходу і входу гірничих об'єктів функція відобразиться як

, (13)

а для векторів сигналів виходу , стану і входу як

.(14)

Теоретичні та експериментальні дослідження інформаційних характеристик моментних функцій третього порядку - асиметрійних функцій, довели їх високу чутливість нелінійного зв'язку щільності розподілу ймовірних значень сигналів з датчиків контролю параметрів технологічного і технічного станів ГЕМК, що зумовлює підвищення достовірності ідентифікації останніх.

Ідентифікацію станів ГЕМК можна забезпечити моментною невипадковою функцією двох аргументів , яка для кожної пари значень t і v дорівнює ексцесу умовного математичного очікування відповідних перетинів сигналу. Вона визначається як одномірна ексцесійна функція (рис. 3) за формулами

,

. (15)

Систематизація моментних характеристик взаємодії випадкових величин і процесів при вирішенні задач ідентифікації та керування в АСК ТП ГЕМК наведена в табл. 2. При формалізованому представленні множинних моментних функцій у виразах під знаком математичних очікувань використовуються вимірювані з датчиків вектори інформативних сигналів технологічних і технічних параметрів в різні моменти часу.

Таблиця 2

Статистичні числові та функціональні характеристики взаємодії випадкових величин і процесів ГЕМК

	Характеристики енергоінформаційних величин	Характеристики енергоінформаційних процесів
	Найменування	Ідентифікація	Найменування	Ідентифікація
Відомі	Кореляційний момент		Кореляційна функція
	Коефіцієнт кореляції		Нормована кореляційна функція
	Множинний коефіцієнт кореляції		Множинна кореляційна функція
	Дисперсійне відношення		Нормовані дисперсійні функції	,
	Множинне дисперсійне відношення		Множинні нормовані авто- і взаємна дисперсійні функції
	Узагальнене дисперсійне відношення		Нормована узагальнена взаємна дисперсійна функція
Сформовані	Асиметрійне відношення		Нормовані асиметрійні функції	,
	Множинне асиметрійне відношення		Множинні нормовані авто- і взаємна асиметрійні функції
	Узагальнене асиметрійне відношення		Нормована узагальнена взаємна асиметрійна функція
	Ексцесійне відношення		Нормовані ексцесійні функції	,
	Множинне ексцесійне відношення		Множинні нормовані авто- і взаємна ексцесійні функції
	Узагальнене ексцесійне відношення		Нормована узагальнена взаємна ексцесійна функція

Отже, такі сигнали несуть множинність за моментами вимірювання, а не за факторами, інакше - множинність за часом. Також визначаються узагальнені множинні моментні функції, які враховують множинність у просторі, що відображаються через типові вібраційні та акустичні інформаційні сигнали гірничих об'єктів в АСК ТП ГЕМК.

Спектральні щільності моментних функцій сигналів параметрів ГЕМК розкривають лінійні та нелінійні зв'язки через частотні інтенсивності (рис. 4).

Одномірні і багатомірні моментні функції забезпечили синтез рівнянь ідентифікації та визначили відповідні діагностичні моделі ймовірностно-моментної ідентифікації нелінійних динамічних ТП і ГЕМК. Використання апарату моментних рівнянь для автоматизованої ідентифікації і керування ГЕМК в оперативному або пакетному режимах на базі сучасних обчислювальних засобів зумовило представлення рівнянь в дискретному часі. Дискретні аналоги моментних моделей ідентифікації, які формують оптимальні вагові функції дискретних моделей ГЕМК в реальному часі у матричному вигляді за моментними функціями для сигналів входу і виходу та стану і виходу гірничих об'єктів записуються як

, ,(16)

де , - матриці комплексних станів, , , , ; , - вектор-стовпці, i-ті елементи яких дорівнюють , ; - вектор-стовпець значень моментної вагової функції .

У п'ятому розділі виконано моделювання конструкцій ГЕМК на основі операторної форми ланцюгових дробів з ідентифікацією в умовних математичних очікуваннях зображень елементів. Синтезовано багатомасові динамічні моделі ГЕМК і досліджено амплітудні та частотні характеристики різних ГЕМК.

В розроблених діагностичних моделях ГЕМК загальна дисперсійна умовно-ймовірна передавальна функція в разі, коли вихідна змінна знімається з ланцюга енергоспоживання привідного двигуна, тобто з (0,1)-го з'єднання має вигляд

(17)

де передавальні функції ланок зосереджених мас і ланок існуючих з'єднань визначаються як узагальнені вирази операторної форми ланцюгових дробів. Умовні вибіркові середні, що ідентифікують операторні стійкості і піддатливості мають вигляд

(18)

де - умовні середні коефіцієнта інерції К маси; - умовні середні коефіцієнта зовнішнього тертя К маси; - умовні середні коефіцієнта внутрішнього тертя безінертного пружного з'єднання (k-1,k); - умовні середні коефіцієнта жорсткості (k-1,k) з'єднання.

Числові значення параметрів привідних електродвигунів, механічних і гідромеханічних елементів ГЕМК визначались за робочими кресленнями, паспортними даними і безпосередніми множинними вимірами. Реально існуючі похибки зумовлюють стохастичний характер цих значень і необхідність представлення в діагностичних моделях параметричних характеристик через умовні вибіркові середні, вважаючи їх розподіленими за нормальним законом.

Виконання процедури згортання ланцюгових дробів у раціональний вигляд призводить до умовних дрібно-раціональних виразів послідовностей частотних характеристик передавальних функцій ланок

(19)

Останні вирази використано як діагностичні динамічні моделі ГЕМК. Моделювання динамічних властивостей діагностичних моделей типових ГЕМК, синтезованих за допомогою дисперсійного опису операторної форми методу ланцюгових дробів виконано в інтегрованих середовищах MCAD та MATLAB. Сформована сукупність передавальних функцій, що комплексно описує динаміку досліджуваних ГЕМК в зоні зображень, прийнята як ідентифіковані математичні моделі, які зумовлюють функціональне відображення низькочастотної і високочастотної складових інформаційних частотних портретів ГЕМК.

Шостий розділ присвячений розробці АСК ГЕМК. Виконано синтез АСК бурових комплексів (БК) на основах принципу симетрії. Підтверджено раціональність використання систем інтелектуальної підтримки прийняття рішень в умовах невизначеності геологічного, технічного та технологічного станів БК.

При розгляді БК як однозв'язних об'єктів, з одним керуванням, наприклад за осьовим навантаженням , яке можна розглядати скалярною функцією у вигляді ковзної вибіркової середньої реальних флуктуацій випадкової функції часу керуючого впливу можна записати

, .(20)

При цьому збіг реальної зміни моментів інерції та бажаної зміни моментів інерції тих, що мають однакові розмірності з збуреною зміною моментів інерції відповідно до концепції збурено-незбуреного руху забезпечується стабілізуючим керуванням, тобто реальне керування синтезується з бажаного і стабілізуючого. На підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень доведена доцільність представлення більшості БК, при розв'язанні задач їх керування, у вигляді аналітичного опису системами четвертого порядку, коли збурений рух описується рівняннями

(21)

В ГЕМК для систем четвертого порядку мінімізації функціонала

(22)

з виконанням зворотного перетворення можна отримати кінцеве відображення керуючого впливу , що формується як

.(23)

Дробово-раціональний вираз передавальної функції БК має вигляд

(24)

Розроблена методика об'єднання методу моделювання ГЕМК як гірничих об'єктів керування за допомогою ланцюгових дробів з застосуванням в подальшому ефективних методів структурно-алгоритмічного синтезу систем керування в модифікації принципу симетрії до розв'язання задач аналітичного конструювання регуляторів дозволила сформувати замкнуту систему керування з оптимальними параметрами. Розроблена структура та програмне забезпечення АСК процесом буріння САКОПБ-4 завдяки введенню додаткових режимно-технологічних та інформаційних параметрів дозволила підвищити ефективність керування організації процесу глибокого буріння на БК різних класів. Система забезпечує режими оптимальної стабілізації екстремальних рівнів чотирьох режимно-технологічних параметрів, спостереження за якими здійснюється за допомогою багаторівневих програмних екстремум-детекторів з видачею завдань на стабілізацію заданого тертя в підсистемі “ПРІ- порода”, що забезпечує режими об'ємного руйнування породи, і передаварійну зупинку БК у випадку неможливості виводу його з передаварійного стану керуючими впливами.

Застосування інтелектуальних технологій ідентифікації ГЕМК з формуванням зв'язку змінних через експертні висловлювання, що представляють нечіткі бази знань, дозволило сформувати структуру нечіткої моделі диференціальної діагностики залишкового ресурсу ПРІ БК через дерево логічного висновку як

,

,

. (25)

Для оцінки лінгвістичних змінних , , застосовано стандартну шкалу якісних термів інтелектуальної ідентифікації. На основі формалізованих знань про співвідношення лінгвістичних змінних і якісних термів до діагнозів ПРІ алмазні коронки (01А3Д20К30 - 14А4Д50К50, D=76 мм), знань бурового експерта, співвідношень (25) у вигляді таблиць якісної відповідності дерева логічного висновку діагностики ПРІ та операцій “” (И - min) і “” (ИЛИ - max) сформовані системи нечітких логічних рівнянь, що позв'язують функції належності діагнозів ПРІ, вхідних лінгвістичних змінних та якісних термів, і які для диференційного діагнозу ресурсного стану ПРІ мають вигляд

(26)

Порівняльний аналіз модельного ресурсного діагнозу за інтелектуальною технологією ідентифікації та експериментального промислового ресурсного стану ПРІ за контрольною вибіркою параметрів роботи БК показав (рис. 5) середню похибку на рівні (2.66%).

Розроблено інформаційне і програмне забезпечення на базі мови інтелектуального програмування Visual Prolog та інших для трьох підсистем забезпечує інтелектуальну підтримку ідентифікації і керування БК на основі використання предикатів інтелектуального аналізу. Введення даних в підсистемах для аналізу і формування знань виконується як з датчиків, так і оперативним персоналом в пакетних режимах. Процедура автоматизованого керування бурінням виконується через коригування параметрів максимального, мінімального і оперативного значень параметрів осьового навантаження, обертів ПРІ, витрат та тиску промивальної рідини і потужності, що споживається. З урахуванням значимих діапазонів кожного рівня відносно виділених параметрів чисельно і графічно візуалізуються поточні значення параметрів і виводяться результати аналізу базової системи, що можуть бути використані обслуговуючим персоналом в режимі порадника або автоматизованою системою ідентифікації і керування БК для формування відповідних керуючих впливів.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій наведено теоретичне узагальнення і нове розв'язання актуальної наукової проблеми удосконалення інформаційного забезпечення автоматизації процесів керування гірничими технологічними комплексами. Встановлено, що:

а) декомпозиція нелінійності гірничих об'єктів автоматизації, системність і підвищення надійності інформаційного і програмного забезпечення процесів керування при зміні в часі станів гірничих електромеханічних комплексів для існуючих статистичних нелінійних інформаційних зв'язків технологічних і технічних параметрів, на відміну від дисперсійних характеристик, забезпечуються через відношення моментів третього і четвертого порядків умовних числових характеристик емпіричного розподілу випадкових функцій сигналів до аналогічних оцінок генеральної вибірки;

б) ідентифікація параметрів гірничих електромеханічних комплексів забезпечується нелінійним зв'язком невипадкових функцій, які для кожної пари значень аргументів дорівнюють асиметріям і ексцесам умовних математичних очікувань відповідних перерізів випадкових функцій сигналів;

Отримані наступні теоретичні і наукові результати:

1. Нові закономірності внутрішніх зв'язків і залежностей технологічних та технічних параметрів процесу буріння свердловин забезпечують через апроксимуючі функції регресії умовних математичних очікувань , умовних дисперсій , умовних середньоквадратичних , умовних асиметрій , умовних ексцесів та умовних варіацій визначення гомоскедастичних та гетероскедастичних зон цих залежностей відносно технологічних та технічних параметрів функціональних робочих режимів і обґрунтування можливості представлення бурових комплексів в різних робочих режимах через лінійні або нелінійні моделі.

...