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性和經(jīng)濟性，在航道疏浚、港口建設、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的疏浚作業(yè)過程具有設備投資大、作業(yè)時間長、單位成本高的特點。疏浚作業(yè)過程優(yōu)化和自動控制是疏浚工程研究領域一個非常重要的課題，自動優(yōu)化的疏浚作業(yè)可以達到降低作業(yè)成本和提高作業(yè)效率目的。 實際疏浚作業(yè)過程的動態(tài)特性非常復雜，疏浚作業(yè)設備的特性也隨作業(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)的核心包括兩個方面，即：以專家系統(tǒng)為基礎的疏浚作業(yè)在線優(yōu)化、故障預防和控制決策；根據(jù)系統(tǒng)特點設計的多個控制器實現(xiàn)疏浚作業(yè)動作和過程參數(shù)的穩(wěn)定控制，尤其是泥漿濃度和流動速度的穩(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)驗和設計資料為基礎，通過知識處理的方式實現(xiàn)疏浚作業(yè)過程的作業(yè)優(yōu)化和故障預防等目標。文中對專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、知識表達與維護方法、推理機制等各方面都

3、進行了比較詳細的研究。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)場對專家系統(tǒng)的性能進行了測試。以900型挖泥船為基礎開展的現(xiàn)場測試表明，作業(yè)優(yōu)化專家系統(tǒng)能適應實際疏浚作業(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、臺車位置控制、泥漿濃度控制、橫移控制、泥漿流動速度控制等多個方面。其中泥漿濃度和流動速度的控制問題最為復雜也最為重要。本文在對其它控制器的設計和實現(xiàn)進

4、行必要介紹的基礎上著重研究了泥漿濃度和流動速度的控制問題。采用自校正前饋補償控制方案分別實現(xiàn)了泥漿濃度和流動速度這兩個相互耦合的系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。文中通過理論分析、計算機仿真和現(xiàn)場實驗等多種方式驗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，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。此外還對疏浚作業(yè)過程自動化控制的發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析。最后對人工智能與專家系統(tǒng)技術的發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況進行了簡要的回顧。 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)學模型，對泥泵的工作特性、管道系統(tǒng)的阻力損失方程和柴油機的負載特性等重要方面都進行了分析。為疏浚作業(yè)系統(tǒng)的深入研究提供了必要的基礎。 第三章對疏浚作業(yè)優(yōu)化的目標和影響因素進行了全面的分析。首先明確了

6、疏浚作業(yè)優(yōu)化應當達到的基本目標，然后比較詳細地分析了疏浚作業(yè)優(yōu)化的主要影響因素及其相互關系，最后介紹了現(xiàn)有的基于經(jīng)驗的作業(yè)優(yōu)化和故障判斷方法。第四章對疏浚作業(yè)優(yōu)化專家系統(tǒng)進行了全面的分析和設計。設計并分析了專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用了兩個推理引擎協(xié)同工作實現(xiàn)作業(yè)優(yōu)化和故障預防；專家系統(tǒng)以作業(yè)經(jīng)驗、設備信息、實時過程數(shù)據(jù)和工程作業(yè)要求等為基礎，實現(xiàn)系統(tǒng)故障的檢測與處理、作業(yè)狀態(tài)的評價與優(yōu)化。本章從知識表示和更新方法、推理機制等方面對專

7、家系統(tǒng)進行了詳細的分析。 第五章研究了疏浚作業(yè)過程控制問題。首先對疏浚作業(yè)過程控制進行了簡要介紹；然后重點對泥漿濃度和流動速度的控制問題進行了深入的研究。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)實現(xiàn)橫移速度的穩(wěn)定控制，系統(tǒng)外環(huán)實現(xiàn)了泥漿濃度的控制。泥漿流動速度控制采用了零極點配置的自校正控制方案。本章還通過計算機仿真的方法測試和比較了控制方案的性能。 第六