Разработка нечеткой системы управления функциональным комфортом на рабочем месте оператора горной машины

- © А.А. Шабанов, B.C. Великанов, 2012

А.А. Шабанов, B.C. Великанов

РАЗРАБОТКА НЕЧЕТКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ КОМФОРТОМ НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ ОПЕРАТОРА ГОРНОЙ МАШИНЫ

Рассмотрены возможности практического использования возможностей нечеткого моделирования в среде MATLAB для оценки микроклимата на рабочем месте оператора. Разработана нечеткая система для обеспечения нормативных параметров микроклимата в рабочей зоне машинистов горных машин. Ключевые слова: микроклимат, температура воздуха, относительная влажность, скорость движения воздуха, нечеткий вывод, эргономический показатель.

Использование на горных работах высокопроизводительной техники, транспортных средств и взрывных работ сопровождается интенсивным пылеобразованием и выбросами значительного количества вредных газов в атмосферу карьера. Основные вредные вещества, загрязняющие атмосферу карьеров — это пыль и ядовитые вещества (окись углерода, окислы азота, альдегиды, формальдегиды и т.п.). Концентрация пыли в кабине зависит от характеристики карьера, погодных условий, герметичности кабины, физико-химических свойств пыли, наличия грязи в кабине и средств борьбы с пылью. Наиболее опасными из газообразных выбросов дизельных двигателей являются окислы азота (до 50 % общей токсичности выброса), окись углерода (до 25 %) и альдегиды (до 20 %).

Практика показывает, что применение различных способов и средств искусственного улучшения атмосферы карьеров не обеспечивает создания требуемых микроклиматических и санитарно-гигиенических норм, как в атмосфере карьеров, так и в кабинах горно-транспортных машин, что приводит к заболеваниям машинистов.

В понятие метеорологические условия, или микроклимат, в производственных помещениях, а также в кабинах операторов автомобилей, тракторов, экскаваторов, кранов и других машин

входят физические факторы производственной среды, которые являются раздражителями, обусловливающими уравновешивание организма и среды, а именно: температура, скорость движения и влажность воздуха.

В связи с этим ощущение комфорта в кабине машиниста экскаватора будет формироваться из таких параметров, определяющих микроклимат в кабине машиниста экскаватора: температура воздуха, относительная влажности и скорость движения воздуха.

В работе [1] приводятся граничные значения оптимальных и допустимых параметров температуры наружного воздуха, влажности воздуха и скорости изменения воздуха для кабины машиниста экскаватора. Зона комфорта, оптимальное для организма сочетание температуры влажности и скорости движения воздуха, будет обеспечена для кабины машиниста экскаватора при следующих параметрах: температура воздуха 20 — 24 °С, относительная влажность 30 — 60 % (колебания относительной влажности в зоне теплового комфорта в пределах 10 % не оказывают заметного влияния на организм), скорость движения воздуха не более 0,5 м/с.

В кабине экскаватора установлен кондиционер, который позволяет охлаждать или нагревать воздух в кабине. Опыт использования бытовых кондиционеров показывает, что процесс охлаждения или нагревания воздуха в помещении обладает некоторой инерционностью. А именно, после включения режима «холод» происходит нагнетание холодного воздуха в связи, с чем температура воздуха в помещении постепенно падает. При этом в момент отключения этого режима температура продолжает падать в течение небольшого, но конечного промежутка времени. Аналогичная картина наблюдается при включении и отключении режима «тепло». Чтобы учесть эту особенность процесса управления кондиционером и исключить дополнительные затраты, связанные с частым включением и выключением указанных режимов, необходимо рассматривать в качестве основного параметра не только температуру воздуха и влажность, но и скорость ее изменения [2].

Поскольку температура окружающей среды вне кабины изменяется в течение суток и в большой степени зависит от внешних погодных условий, все это дестабилизирует температуру воздуха в кабине и приводит к необходимости ручной регулировки режима работы кондиционера.

Задача состоит в том, чтобы сделать управление, кондиционером автоматически, обеспечивая постоянную температуру воздуха в кабине экскаватора. Разработка системы для обеспечения нормативных параметров микроклимата в рабочей зоне машинистов горных машин, работающих в режиме автоматического регулирования параметров работы средств кондиционирования воздуха, подаваемого в кабины, является актуальной задачей с социальной и экономической точек зрения.

Развитие интеллектуальных систем управления технических объектов является очень важной задачей настоящего времени, времени компьютеризации и интеллектуализации обширных областей жизни времени, когда классическая теория автоматического управления уже не в состоянии решить современные проблемы управления. На стыке современной теории управления и искусственного интеллекта активно формируется и совершенствуется область исследований и разработок, называемая интеллектуальным управлением. В настоящее время в управлении эффективно применяются нечеткие системы вывода и нейронные сети. Экспериментально показано, что нечеткое управление дает лучшие результаты, но сравнению с результатами, полученными при общепринятых алгоритмах управления [2, 3, 4].

Информация о граничных значениях оптимальных и допустимых параметров температуры наружного воздуха, влажности воздуха и скорости будет использоваться при построении базы правил системы нечеткого вывода, которая позволяет реализовать данную модель нечеткого управления. При разработке алгоритмов управления такими системами необходимо учитывать нечетких характер требований человека к комфортным параметрам микроклимата, а также взаимосвязи этих параметров между собой. Поэтому оптимальными будут системы автоматического регулирования, не с жесткими установками, а системы фази-управления, учитывающие нечеткий характер требований человека к параметрам микроклимата.

Разработка программы производилась в математической системе МДТЬДБ с использованием РиггуЬодюТооЬох (пакет нечеткой логики) [2].

Параметры микроклимата характеризуют эргономический показатель обитаемости в кабине машиниста экскаватора. В соответствии с этим, температура, скорость и влажность явля-

ются — входными параметрами, а коэффициент обитаемости — ходом системы [5]. Создаем базу логических правил соответствующей системы нечеткого вывода, которая содержит 45 правил нечетких продукций следующего вида:

ПРАВИЛО 1:ЕСЛИ «Температура есть Холодная «И» скорость есть Малая «И» влажность есть Малая «ТО» коэффициент обитаемости есть Средний «

ПРАВИЛО 45: ЕСЛИ «Температура есть Очень жаркая «И» скорость есть Высокая «И» влажность есть Высокая «ТО» коэффициент обитаемости есть Малый «

Визуализация графиков зависимости выходной переменной от отдельных входных переменных была осуществлена с помощью программы просмотра поверхности системы нечеткого

Рис. 1. Вид графического редактора Р1Б системы

Рис. 2. Графический интерфейс программы просмотра правил после выполнения процедуры нечеткого вывода для значений входных переменных [22 0.2 60]

вывода, в пакете Ри22уЬодюТоо1Ьох. В результате анализа адекватности нечеткой модели управления с использованием средств визуализация Ри22уЬодюТоо1Ьох могут быть внесены корректировки в базу лингвистических правил.

Далее выполняем оценку построенной системы нечеткого вывода для задачи автоматического управления кондиционером в кабине машиниста экскаватора. Для этого в окне просмотра правил системы введем значения входных переменных для частного случая, когда текущая температура воздуха в кабине будет составлять 22 °С, скорость движения воздуха положительная и равна 0,2 м/с и влажность воздуха 60 %. В результате процедуры нечеткого вывода значение выходной пе-

ременной «коэффициент обитаемости» составит 3.05 (рис. 2.). Полученное значение коэффициента обитаемости говорит о комфортности работы машиниста в кабине экскаватора, для его повышения в данном случае, необходимо увеличить скорость нагнетания воздуха кондиционером.

Таким образом, использование возможностей интеллектуальной системы управления кондиционером на базе нечетких алгоритмов дает возможность поддержания функционального комфорта на рабочем месте, улучшения условий труда и в конечном итоге приводит к повышению производительности труда машиниста.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Головин B.C. Эргономика горнорудного оборудования. — М.: Недра, 1990. — 183 с.

2. Леоненков A.B. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 736 с.: ил.

3. Асаи К., Тэрано Т., Сугэно М. Прикладные нечеткие системы. — М.: Мир, 1993. — 368 с.

4. Ерофеев A.A., Поляков А.О. Интеллектуальные системы управления. — Санкт-Петербург: СПбГТУ, 1999. — 264 с.

5. Шабанов A.A., Великанов B.C. Оценка одиночных и групповых эргономических показателей горно — транспортного оборудования на основе нечетких моделей // Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 2011. — OB №5. — С. 326—332. ШШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Шабанов A.A. — аспирант, goldberg1@pochta.ru,

Великанов B.C. — кандидат технических наук, доцент, rizhik_00@mail.ru, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.