绞吸式挖泥船疏浚作业优化与控制研究

【摘要】： 挖泥船是水利疏浚中的重要装备。绞吸式挖泥船将挖掘和输送泥浆的工序一次完成，具有非常广泛的适应性和经济性，在航道疏浚、港口建设、海洋开发等工程中有非常重要的作用。以绞吸式挖泥船为基础的疏浚作业过程具有设备投资大、作业时间长、单位成本高的特点。疏浚作业过程优化和自动控制是疏浚工程研究领域一个非常重要的课题，自动优化的疏浚作业可以达到降低作业成本和提高作业效率目的。 实际疏浚作业过程的动态特性非常复杂，疏浚作业设备的特性也随作业状态和作业位置的不同而明显变化。本文提出了完整的自动疏浚作业系统的结构。该结构的核心包括两个方面，即：以专家系统为基础的疏浚作业在线优化、故障预防和控制决策；根据系统特点设计的多个控制器实现疏浚作业动作和过程参数的稳定控制，尤其是泥浆浓度和流动速度的稳定控制。 专家系统以现有疏浚作业人员的操作经验和设计资料为基础，通过知识处理的方式实现疏浚作业过程的作业优化和故障预防等目标。文中对专家系统的结构、知识表达与维护方法、推理机制等各方面都进行了比较详细的研究。利用C++语言开发了专家系统的原型，在疏浚作业现场对专家系统的性能进行了测试。以900型挖泥船为基础开展的现场测试表明，作业优化专家系统能适应实际疏浚作业环境，可以较稳定地提高疏浚作业系统安全性和作业效率，作业过程更加平稳。 疏浚作业过程的控制包括了斗桥控制、台车位置控制、泥浆浓度控制、横移控制、泥浆流动速度控制等多个方面。其中泥浆浓度和流动速度的控制问题最为复杂也最为重要。本文在对其它控制器的设计和实现进行必要介绍的基础上着重研究了泥浆浓度和流动速度的控制问题。采用自校正前馈补偿控制方案分别实现了泥浆浓度和流动速度这两个相互耦合的系统的稳定控制。文中通过理论分析、计算机仿真和现场实验等多种方式验证了控制方案的性能，并与以PID为代表的常规控制方案进行了比较。 论文各章内容分述如下： 第一章论述了疏浚作业优化与控制研究的背景、目标和意义。分析了疏浚作业优化的主要研究内容、意义和难点，介绍了疏浚作业优化方面的主要研究成果和研究现状。此外还对疏浚作业过程自动化控制的发展现状进行了分析。最后对人工智能与专家系统技术的发展现状和应用情况进行了简要的回顾。 第二章分析和介绍了疏浚作业系统的构成、施工作业原理。详细地分析了绞吸式挖泥船疏浚作业泥浆输送系统数学模型，对泥泵的工作特性、管道系统的阻力损失方程和柴油机的负载特性等重要方面都进行了分析。为疏浚作业系统的深入研究提供了必要的基础。 第三章对疏浚作业优化的目标和影响因素进行了全面的分析。首先明确了疏浚作业优化应当达到的基本目标，然后比较详细地分析了疏浚作业优化的主要影响因素及其相互关系，最后介绍了现有的基于经验的作业优化和故障判断方法。 第四章对疏浚作业优化专家系统进行了全面的分析和设计。设计并分析了专家系统的总体结构，该结构采用了两个推理引擎协同工作实现作业优化和故障预防；专家系统以作业经验、设备信息、实时过程数据和工程作业要求等为基础，实现系统故障的检测与处理、作业状态的评价与优化。本章从知识表示和更新方法、推理机制等方面对专家系统进行了详细的分析。 第五章研究了疏浚作业过程控制问题。首先对疏浚作业过程控制进行了简要介绍；然后重点对泥浆浓度和流动速度的控制问题进行了深入的研究。提出了以自校正前馈控制为核心的泥浆浓度和流动速度控制方案。泥浆浓度的控制方案采用了双闭环控制结构，系统内环实现横移速度的稳定控制，系统外环实现了泥浆浓度的控制。泥浆流动速度控制采用了零极点配置的自校正控制方案。本章还通过计算机仿真的方法测试和比较了控制方案的性能。 第六章对系统进行了实验研究。首先介绍了以900型挖泥船为基础建立的试验平台。对专家系统的故障处理能力和作业优化性能进行了现场测试，试验结果表明：专家系统能够比较稳定地把作业效率控制在较高的水平上，能够正确识别疏浚作业过程中出现的故障状态并进行适当的处理。同时对泥浆浓度和泥浆流动速度等重要过程参数的控制进行了实验研究，对实验结果进行了分析。 第七章概括了论文的主要研究工作和研究成果，并展望了今后的研究工作和方向。