Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 12
1.1. Анализ особенностей выполнения асфальтоукладочных работ 12
1.2. Технические требования к средствам строительства покрытия 21
1.3. Анализ существующих средств строительства дорожного покрытия 22
1.4. Обзор существующих средств автоматизации строительства дорожного покрытия .30
1.5. Постановка задачи исследования 40
Выводы 41
2. Разработка принципов построения мехатронного асфальтоукладочного комплекса 43
2.1. Принцип построения информационно-управляющей системы асфальтоукладчика... 43
2.2. Принцип автоматизации процесса уплотнения 49
2.2.1. Теория информациоїшого обеспечения процессом уплотнения .. 49
2.2.2. Управление статическим уплотнением 60
2.2.3. Управление вибрационным уплотнением... 62
2.3. Система автоматического управления геометрическими параметрами процесса асфальтоукладки 72
Выводы 75
3. Разработка математических моделей САУ асфальтоукладкой 76
3.1. Математическая модель САУ геометрическими параметрами процесса асфальтоукладки 77
3.2. Синтез регуляторов САУ геометрическими параметрами процесса асфальтоукладки 92
3.3. Математическая модель САУ технологическими параметрами процесса асфальтоукладки 104
3.4. Синтез регуляторов САУ технологическими параметрами асфальтоукладки 112
3.4.1. Синтез регулятора статического давления 112
3.4.2. Синтез регулятора контура угловой скорости 115
3.4.3. Синтез компенсирующего элемента и регулятора плотности асфальтовой смеси 119
3.5. Алгоритм определения технологических параметров процесса асфальтоукладки 124
Выводы 128
4. Исследование физических и математических моделей и практическая реализация ИУС 130
4.1. Цель и задачи экспериментов 130
4.2.Установка для проведения физических экспериментов 131
4.3. Программное обеспечение математического эксперимента 143
4.4. Реализация регуляторов в дискретной форме 143
4.4.1. Дискретный регулятор САУ геометрическими параметрами процесса асфальтоукладки 145
4.4.2. Дискретный регулятор САУ технологическими параметрами процесса асфальтоукладки 148
4.5. Установление адекватности физических и машинных экспериментов 149
4.6. Экспериментальное изучение процесса асфальтоукладки... 154
Выводы 156
Выводы по работе 158
Список использованной литературы 162
Приложение 1. Программы моделирования работы локальных САУ 172
Приложение 2. Результаты физического и математического моделирования 176
Приложение 3. Акты внедрения 193
- Технические требования к средствам строительства покрытия
- Теория информациоїшого обеспечения процессом уплотнения
- Синтез регуляторов САУ геометрическими параметрами процесса асфальтоукладки
- Программное обеспечение математического эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. Строительство новых и реконструкция старых автомагистралей по современным нормам и правилам, учитывающим возросшие нагрузки на покрытия от постоянно возрастающих грузопотоков, представляет собой сложный технологический процесс, реализуемый с применением высокопроизводительных машин и оборудования. Каждый из этапов строительства дорог определяет в конечном итоге качество и долговечность покрытия, при этом требуя значительных затрат материальных и трудовых ресурсов. Одним из наиболее ответственных и трудоемких этапов строительства дорожного покрытия является процесс укладки асфальтовой смеси, придание ей необходимых геометрических и механических характеристик.
Выполнить возрастающие требования к качеству, объемам и темпам строительства автомагистралей, преодолев при этом сложности асфальто-укладочных работ, возможно только с применением комплексной автоматизации технологического процесса асфальтоукладки.
Вместе с тем, отсутствие эффективных способов и средств контроля параметров технологического процесса строительства асфальтового покрытия дорог, не позволяет в полной мере использовать все преимущества данного способа строительства, при одновременном повышении безопасности работ. Решение проблемы создания мехатронного асфальтоукла-дочного комплекса делают тему диссертационной работы актуальной как в техническом, так и научном плане.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности строительства дорожного покрытия путем разработки и исследования информационно-управляющих систем меха-
6 тронного асфальтоукладочного комплекса. Для чего необходимо решить следующие основные задачи:
Провести критический анализ состояния вопроса, сформулировать проблему и технические требования на разработку современных средств автоматизации асфальтоукладочных работ;
Разработать принципы построения информационно-управляющих систем мехатронного асфальтоукладочного комплекса;
Разработать и исследовать математические модели систем управления с целью синтеза регуляторов, проверки их работоспособности и выбора оптимальных параметров;
4. Сформулировать рекомендации промышленным предприятиям и ор
ганизациям, как выпускающим строительно-дорожную технику, так и
производящим асфальтоукладку, по использованию полученных ре
зультатов.
В работе защищаются: принципы построения информационно-управляющей системы мехатронного асфальтоукладочного комплекса; алгоритм определения необходимых режимов уплотнения асфальтовой смеси; математические модели локальных САУ технологическими и геометрическими параметрами асфальтоукладки; результаты структурно-параметрического синтеза регуляторов локальных САУ асфальтоукладкой и их практическая реализация.
Достоверность результатов обеспечивается:
-корректным использованием фундаментальных законов физики, математики, теоретической механики, сопротивления материалов, гидравлики, реологической теории и математической статистики; -корректными допущениями при составлении математической модели системы «рабочий орган-смесь»;
-проведением экспериментов на физической модели мехатронного ас-фальтоукладочного комплекса.
Научная новизна работы состоит в том, что разработаны и сформулированы основные требования к устройствам автоматизации, предложены принципы их построения, заключающиеся в:
управлении координатами рабочего органа (РО) по двум каналам с перекрестными связями;
комбинированном управлении статическим и вибрационным уплотнением асфальтовой смеси;
учете экстремальной характеристики рабочего органа с целью выбора оптимального по энергозатратам режима работы;
комбинированном принципе управления плотностью смеси с дополнительным контуром по температуре.
Определена структура мехатронного комплекса с управляющей ЭВМ. Впервые разработаны и исследованы динамические модели процесса регулирования положения РО асфальтоукладчика в пространстве. Разработаны и исследованы динамические модели процесса управления режимом уплотнения асфальтовой смеси РО асфальтоукладчика; синтезирована структура и параметры регуляторов, обеспечивающие квазиоптимальный переходной процесс.
Практическая ценность работы. На основе оптимизации компонентного состава смеси и технологии ее уплотнения, с учетом рекомендаций ВНИИСТРОЙДОРМАШ, созданы оригинальные устройства управления, позволяющие успешно решать вопросы автоматизации асфальтоук-ладочных работ.
Основываясь на теоретических положениях, на базе серийно выпускаемого асфальтоукладчика, создан экспериментальный образец мехатронно-го асфальтоукладочного комплекса, в котором используется:
- комбинация статического и вибрационного уплотнения с учетом экс
тремальной характеристики РО, что позволяет увеличить степень
предварительного уплотнения и однородность смеси при снижении
энергозатрат;
- принцип построения САУ геометрическими параметрами укладки до
рожного покрытия в сочетании с лазерным датчиком опорной коорди
наты, что позволило достичь необходимой точности укладки покры
тия;
- регуляторы, обеспечивающие комбинированный закон управления по
сигналу задания регулируемой величины, что позволило снизить
влияние воздействующих на систему возмущений и повысить точность
при отработке задающих воздействий.
Математическая модель системы «рабочий орган - смесь», позволяет провести расчет динамики привода РО и параметров его системы управления на ЭВМ.
Разработанные прикладные программы для моделирования процесса строительства дорожного покрытия и работы асфальтоукладчика позволят автоматизировать процесс проектирования рабочего оборудования машин, а также прогнозировать работу мехатронного асфальтоукладочного комплекса в различных условиях.
Исследование, выполненное на математической модели и на базе серийно выпускаемого асфальтоукладчика СД 404Б, подтвердило справедливость сделанных в работе теоретических разработок и принятых решений. Создан теоретический и практический задел для проектирования перспективных строительно-дорожных машин. Предложен принцип совершенствования асфальтоукладчика, как объекта мехатронной системы.
Реализация работы. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Теория и принципы построения машин-автоматов, роботов и ГАП» ЮРГТУ. Отдельные части работы выполнены в соответствии с тематикой по единому заказ-наряду министерства образования РФ «Теория и принципы построения лазерных и мехатронных систем оптимального управления мобильными робототехническими комплексами» №41.95, а так же региональной темы «Комплекс автоматических устройств для повышения качества покрытия шоссейных дорог» №272.97. Разработанные опытные образцы аппаратуры по регулированию положения рабочего органа приняты к использованию в ООО «Коллак». Рекомендации по проектированию уплотняющих элементов рабочих органов дорожно-строительных машин и выбору режима работы внедрены в ООО «Климат-сервис» Практические результаты работы позволяют решить ряд социальных проблем, связанных с жизнедеятельностью обслуживающего персонала, что позволяет повысить надежность и эффективность работы мехатронного асфальтоукладочного комплекса, снизить затраты на строительство дорожного покрытия.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы опубликованы в тринадцати печатных работах, доложены, обсуждены и получили положительную оценку на Первой и Второй международных конференциях «Новые технологии управления движением технических объектов» (Ставрополь: СГТУ, 1999г., Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999г.); Международной научно-технической конференции «Строительство-98» (Ростов-на-Дону: РГСУЭ 1998г.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии управления робототехническими и автотранспортными объектами» (Ставрополь 1997г.); ежегодных научных конференциях НГТУ с 1995 по 1999 годы; Результаты диссертационного
исследования использованы при выполнении конкурсной работы по проблеме «Экология-безопасность-жизнь» среди ВУЗов Ростовской области. Основное содержание диссертации изложено в следующих печатных работах:
Грошев А.Е. Рабочий орган асфальтоукладчика как объект управле-ния//Изв. вузов. Электромеханика. -1999-№4.- С.90-92.
Грошев А.Е. Автоматизация строительства дорожного покрытия// Изв. Вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-1997 -№2.-С.П9.
Грошев А.Е., Булгаков А.Г. Информационно-измерительная система контроля плотности дорожного грунта//Изв. Вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-1998 -№2.-С.П5.
Грошев А.Е., Загороднюк В.Т., Булгаков А.Г., Гудиков Г.Г. Автоматизация устройства дорожных покрытий. Строительство и архитектура. Сер. Технология и механизация строительства: Обзорн. информация.- М: ВНИИНТПИ, 1998.-37с.
Загороднюк В.Т., Грошев А.Е. Мехатронная система строительства асфальтового покрытия дорог//Изв. Вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-1998-№3.-С.18-23.
Грошев А.Е., Елсуков В. С. Синтез регуляторов систем автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчи-ка//Изв.Вузов.Сев.-Кавк.регион.Техн.науки.-1999-№1.-С.25-28.
Грошев А.Е. Система управления движением рабочего органа асфальтоукладчика. Труды 1-ой международной конференции «Новые технологии управления движением технических объектов». 13-15 января 1999 г. Ставрополь, 1999.- С. 173-176.
Грошев А.Е. Мехатронная система рабочего органа асфальтоукладчика. Труды 2-ой международной науч.-технич. конф. «Новые технологии управления движением технических объектов». 22-25
11 ноября 1999г./Юж.-Рос. гос. техн. ун-т.-Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999.-С.99-102.
9. Грошев А.Е., Булгаков А.Г. Измерительная система контроля
плотности несущего дорожного покрытия. Строительство-98: Тез. докл. Межд. науч.-практ.конф.- Ростов-на-Дону: РГСУ, 1998.-С.35-36.
Загороднюк В.Т., Шошиашвили М.Э., Грошев А.Е. Проблемы усовершенствования асфальтоукладочных работ. Новочерк. гос.техн.ун-т.-Новочеркасск, 1996.-7с.-Деп. в ВИНИТИ 23.12.96, №3752-В96.- Аннотир. в БУ ВИНИТИ «Деп. науч. работы».-1997.-№2.-б/о 358.
Грошев А.Е. Принцип построения системы автоматического управления асфальтоукладчиком. Новочерк. гос. техн. ун-т.-Новочеркасск, 1998.-12с.-Деп. в ВИНИТИ 04.08.98, №2517-В98
Загороднюк В.Т., Грошев А.Е. Технологические тенденции автоматизации строительства дорожного покрытия. Сборник статей и кратких сообщений по материалам науч.-техн. конф. студентов и аспирантов НГТУ, г.Новочеркасск, 10-25 апр.1996 г./Новочерк. гос.техн.ун-т.-Новочеркасск, 1996.-С.50-51.
13. Загороднюк В.Т., Грошев А.Е. Автоматизация строительства дорож
ного покрытия. Сборник статей и кратких сообщений по
материалам науч.-техн. конф. студентов и аспирантов НГТУ,
г.Новочеркасск, 5-15 апр.1997 г./Новочерк. гос.техн.ун-т. -
Новочеркасск, 1997.-С. 152-153.
Технические требования к средствам строительства покрытия
Существует несколько способов укладки асфальтобетонных покрытий. Основные их особенности и отличия зависят от места укладки и категории дороги. В населенных пунктах при строительстве нешироких участков дорог асфальбетонную смесь транспортируют к месту строительства, разгружают на проезжую часть дороги, планируют и разравнивают лопатами или деревянными рейками и укатывают легкими катками. При таком способе укладки покрытия ровность слоя смеси контролируется субъективно "на глаз" оператором-укладчиком. Плотность и другие технологические свойства смеси не контролируются. Такой способ строительства покрытия допускается в тех местах, где нет возможности осуществить ее с помощью механизированных средств. При строительстве магистральных и городских дорог значительное место по объему и ответственности технологических операций занимают работы по распределению и уплотнению асфальтовой смеси. Согласно п. 1.1 для дорог 1 и 2-ой категории предъявляются повышенные требования к плотности и плоскостности, плавности переходов мест сопряжения поверхности покрытия, что невозможно обеспечить при укладке асфальта вручную. На основании сказанного это возможно при использовании комплексных механизированных средств, которые должны обеспечить доставку смеси к месту укладки, распределение ее по проезжей части слоем заданной толщины, формирование необходимого профиля дороги и уплотнение смеси согласно требованиям технических условий. Эти операции наиболее качественно выполняются под управлением САУ.
Основными машинами, осуществляющими дорожное строительство, являются автогрейдеры, скреперы, бульдозеры, катки и асфальтоукладчики. Для распределения и разравнивания асфальтовой смеси невозможно использовать бульдозеры и автогрейдеры, так как, по своему конструктивному исполнению их колесный или гусеничный ход располагается сзади рабочих органов, и при движении машины покрытие деформируется. Применение катков в дорожном строительстве позволяет получить высокую степень уплотнения как основания так и покрытия, что обеспечивает их высокие эксплуатационные свойства. Однако, катки не предназначены для разравнивания и профилирования асфальтобетонного исходного материала покрытия. Основной машиной, выполняющей эти работы, является асфальтоукладчик, конструктивно отличающийся от катков и автогрейдеров [17]. Эти отличия, а именно способность передвигаться своим ходом, распределять асфальтобетонную смесь на необходимую ширину и высоту по ходу движения выгодно отличают их от других машин. Технологические операции, выполняемые асфальтоукладчиками, условно можно разделить на основные и вспомогательные. К основным операциям относятся: профилировка асфальтобетонной смеси слоем проектной толщины, предварительное уплотнение смеси и отделка покрытия; к вспомогательным - прием смеси без остановки асфальтоукладчика, укладка ее на дорожное основание и распределение по ширине укладываемой полосы. Из сказанного следует, что асфальтоукладчик - машина, многоцелевого назначения, наиболее полно обеспечивает технологические требования процесса укладки дорожного покрытия. Асфальтоукладчики классифицируют по типу ходовой части, производительности и технологии укладки смеси. По типу ходовой части различают асфальтоукладчики на гусеничном и на пневматическом ходу. Асфальтоукладчики на гусеничном ходу имеют большее тяговое усилие при малой чувствительности к неровностям основания, создают возможность транспортировки больших объемов асфальтовой смеси, что очень важно при устройстве покрытия повышенной ширины.
Колесные асфальтоукладчики отличаются от гусеничных высокой ско ростной транспортабельностью (до 20 км/ч), повышенной мане вренностью. Преимущества колесных асфальтоукладчиков в наибольшей мере проявляются в стесненных условиях работы на узких улицах и городских условиях строительства дорог. По технологической схеме ук ладки смеси асфальтоукладчики подразделяют: по способу приема аасфальтобетонной смеси на бункерные и безбункерные; по способу по перечного распределения смеси - со шнеками и с распределителями плунжерного типа; по характеру воздействия на смесь - с трамбующим брусом и выглаживающей плитой, с вибрирующим брусом и выглаживающей плитой и с комбинированными средствами уплотнения.
Асфальтоукладчики используются для выполнения операций: приема смеси от транспортирующих средств, распределения ее на заданную ширину укладки, профилирование, уплотнение и ее выглаживание. На рисунке 1.2 представлена схема асфальтоукладчика.
Для выполнения основных операций асфальтоукладчик имеет: бункер (1) для приема смеси; питатель (2),транспортирующий смесь в продольном направлении относительно движения машины; шнек (3), распределяющий смесь в обе стороны поперечного направления движению укладчика, вибрационный уплотняющий и выглаживающий рабочий орган (4). Все механизмы, включая ход машины, имеют привод от одного дизельного двигателя (5) и управляются одним оператором-водителем асфальтоукладчика. Дно бункера выполнено из стального листа, по которому смесь перемещается пластинчатым питателем к раздаточному узлу машины. Производительность питателя регулируется шиберными заслонками. Бункер имеет две поворотные боковины (7) и (9). Для поворота каждой боковины установлен гидроцилиндр (8). Установка поворотных боковин позволяет увеличить вместимость бункера без увеличения ширины питателя. При этом асфальтобетонная смесь, находящаяся у краев бункера, перемещается к питателю под действием собственного веса при наклоне боковин. У задней стенки рамы прикреплен шнек, позволяющий подавать асфальтобетонную смесь требуемого объема на всю ширину укладки. Гусеничный ход, питатель и шнек имеют привод от одного двигателя.
Теория информациоїшого обеспечения процессом уплотнения
Согласно техническим условиям на укладку асфальтобетонного покрытия необходимо выдерживать требования на плотность, влаго-проницаемость, остаточную пористость, прочность сцепления слоев при многослойном покрытии и т.д. В настоящее время все эти показатели определяются в лабораторных условиях по кернам, взятым из покрытия, через несколько суток после строительства. Такой контроль качества покрытия исключает возможность оперативного вмешательства в процесс укладки с целью его коррекции и предупреждения брака покрытия. Таким образом, качество строительства асфальтобетонного покрытия полностью зависит от опыта строительных специалистов, ведущих укладку, не поддается критериальной оценке и не гарантирует качество работ. В настоящее время существует способ непрерывного контроля плотности покрытия с помощью прибора радиоизотопного излучения. Устройство помещают непосредственно на покрытие полотна. Радиоактивный элемент, находящийся в нижней части прибора, излучает поток частиц, которые проникая через покрытие достигают основания и отражаясь от него попадают в чувствительный элемент. Плотность покрытия определяется по величине ослабления излученного сигнала.
Основываясь на современных исследованиях СОЮЗДорНИИ можно определить все необходимые механические свойства асфальтобетонного покрытия, опираясь на косвенные показатели. Качество асфальтобетонного покрытия во многом зависит от свойств и состава битумно - минеральных материалов. Битумно-минеральные материалы в зависимости от содержания и качества битума резко отличаются своей ползучестью, т.е. способностью деформироваться во времени при постоянных температурах и напряжениях. Если напряжение достаточно мало, то скорость деформации постепенно уменьшается, и, в конечном счете, ползучесть может прекратиться, а общая деформация при этом достигает своего предельного значения. При более высоких напряжениях скорость деформации вначале убывает, а затем вновь возрастает. В этом случае процесс ползучести обычно заканчивается нарушением сплошности (разрушением) материала, которое наступает тем раньше, чем больше действующие напряжение. Таким образом, разрушающее (критическое) значение напряжения (предел прочности) зависит от длительности действия нагрузки, температуры и является убывающей функцией времени. Указанная способность в большей или меньшей степени свойственна любому упруго-вязкому материалу, способному к ползучести.
Теория вязкости битумов на современном уровне экспериментальной техники при условии измерения вязкости в абсолютных единицах (в пуазах) стала возможной на основе результатов обширных исследований температурной зависимости коэффициента вязкости у разнообразных образцов отечественных битумов. Технические битумы по величине коэффициента вязкости подразделяют по реологической структуре. В результате исследований было установлено, что коэффициент вязкости битумов является однозначной функцией температуры и состава. Химический состав битумов обуславливает начало и конец их структурирования в определенном интервале температур и достаточно узком интервале вязкости.
Начало структурирования внешне связано с переходом от равномерного (ньютоновского) течения при постоянном напряжении к ползучести, т.е. к течению с неравномерной, затухающей во времени скоростью деформации. Как показывают опытные данные, существуют битумы, остающиеся вязкими бесструктурными жидкостями при увеличении их вязкости до высоких значений. У различных марок битумов показатели их вязкостных свойств сближаются и их условно объединяют в реологический ряд. Характер зависимости t]=f{t C,NPP) коэффициента вязкости от температуры и реологического ряда (Npp) имеет сложную графическую зависимость и приведен на рисунке 2.4. Кривая 1 на этом рисунке объединяет битумы первого реологического ряда, структурирующиеся при наиболее высоких значениях вязкости (порядка 106 - Ю7 пз), кривая 3 - битумы третьего реологического ряда, порог структурирования которых приурочен к вязкости порядка 103 пз.
Основной температурный диапазон битума при котором производится формирование необходимых физико-механических свойств смеси ограничен точками А и В. С увеличением вязкости свыше 103пз (участок левее точки А) начинается процесс структуризации битума при этом невозможно влиять на процесс формирования технологических параметров ас 53 фальтового покрытия. С увеличением температуры выше границы температурного диапазона (правее точки В) вязкость битума уменьшается настолько, что становится невозможно придать битумной массе какую-либо форму. Исходя из существования однозначной зависимости коэффициента вязкости битума от температуры естественно предположить, что данному значению вязкости отвечает определенный характер ползучести битума (а следовательно, одно и то же значение показателя ползучести). На рисунке 2.5 показана зависимость показателя ползучести битума тБ = f(7]s,NPP) под нагрузкой в зависимости от его вязкости и типовой
Синтез регуляторов САУ геометрическими параметрами процесса асфальтоукладки
Одним из важных факторов при работе асфальтоукладчика является соблюдение соответствующего положения его рабочего органа [59]. САУ положением РО представляет собой двухканальную систему с перекрестными связями, в которой каждый канал является связанной системой. Для проектирования САУ с нестабильными параметрами [61], в том числе многорежимных параметрически малочувствительных систем [62], известно в настоящее время достаточно большое количество методов их синтеза, основанных на применении как активной, так и пассивной коррекции. В частности, применение активной коррекции рассмотрено в работах, посвященных разработке адаптивных САУ [72,73], систем с переменой структурой [71,74], бинарных систем с координатно-операторными обратными связями [75]. В свою очередь применение пассивной коррекции нашло в работах, посвященных разработке оптимальных грубых и модально нечувствительных систем [64,67], систем с обратными связями по функциям чувствительности [76,64], систем с глубокой отрицательной обратной связью [66], в том числе параметрически инвариантных компенсационных САУ [69] и систем с производной вектора состояния в управлении [77,68], систем с параметрическими обратными связями [63,99] и систем с дополнительной коррекцией [61], в том числе с дополнительными обратными связями, обеспечивающими нулевую чувствительность [76,78] или параметрическую инвариантность [65]. Для упрощения процедуры синтеза регулятора контура высотного положения РО проведены структурные преобразования.
Для обеспечения высокой точности системы программного движения при отработке как возмущающих, так и задающих воздействий применяется комбинированный закон управления по старшей производной выходной величины, состоящий из суммы двух составляющих [82]. Одна из них пропорциональна п-й производной задающего воздействия, а другая - интегралу по отклонению текущего значения старшей производной выходной величины от ее предписанного заданным дифференциальным уравнением закона изменения. Т2 изменяется в пределах 0,1+3 с в зависимости от скорости движения укладчика. С целью компенсации постоянной времени Т2 на вход контура с передаточной функцией Щ(р) включается ПИ-регулятор с передаточной функцией, определяемой выражением (3.48), обеспечивающий компенсацию постоянной времени Т2 и требуемую точность поддержания высотной координаты рабочего органа. Реализация регулятора Щр(р) в цифровой форме дает возможность изменять постоянную времени Т2 в зависимости от скорости движения укладчика Vac.
В результате структурных преобразований получена структурная схема, показанная на рисунок 3.5(B). Как видно из рисунка, двухканальная система с перекрестными связями преобразована в цепочную структуру с двумя автономными каналами. Выходная координата канала управления высотным положением РО (Y1) является возмущающим воздействием для канала управления угловым положением РО. Передаточная функция контура регулирования высотного положения левого тягового бруса W4(p) имеет вид аналогичный (3.47).
С целью повышения точности при отработке задающего воздействия и уменьшения влияния возмущений в контуре регулирования углового положения РО применен регулятор аналогичный синтезированному ранее в разделе 3.3. Так как характеристики объекта управления, такие как вязкость, модуль деформации (D), предел упругости смеси (СГуп), приведенная масса рабочего органа (піпр) в процессе укладки изменяют свои значения, то с целью уменьшения влияния нестационарности, регуляторы выполнены в цифровом виде на бортовой ЭВМ.
Программное обеспечение математического эксперимента
Так как реализация регуляторов информационно-управляющей системы мехатронного асфальтоукладочного комплекса проводилась на бортовой ЭВМ5 то система приобретает нелинейные и импульсные свойства. При этом возникает необходимость оценить влияние оказываемое ЭВМ на качество регулирования технологических параметров процесса асфальтоукладки. С этой целью проведены исследования работы системы с использованием решетчатых функций. Как известно, сокращенная запись решетчатой функции осуществляется в дискретных преобразованиях Лапласа (Z-преобразованиях) [97].
Моделирование проводилось в среде MATLAB, что позволило имитировать работу формирователя импульсов не прибегая к экстраполятору нулевого порядка. Учет времени квантования происходит программно и определяется как сумма времен на перевод аналогового сигнала в цифровую форму (АЦП), время работы ЭВМ по расчету параметров управляющих сигналов и время перевода сигнала из цифрового вида в аналоговый (ЦАП) [95]. В качестве устройства сопряжения ЭВМ с аналоговой частью информационно-управляющей системы применяется плата L154. В состав платы входят АЦП, ЦАП, порты ввода-вывода и коммутатор на 32 канала. Управление работой происходит по командам, поступающим из бортовой ЭВМ. К портам ввода подключаются датчики ИУС, к портам вывода - усилители, для преобразования сигнала управления и подачу их на исполнительные органы мехатронного комплекса. Коммутатор переключает каналы платы сопряжения, при этом поочередно подключая к бортовой ЭВМ датчики и исполнительные механизмы. ИУС содержит 8 каналов типа: ЭВМ ЦАП= исполнительный орган = дат-чик АЦП= ЭВМ. Таким образом, во время обслуживания ЭВМ одного канала остальные семь ожидают своей очереди [96]. В результате, время дискретизации увеличивается в 8 раз и определяется выражением (4.7). Структурная схема контура регулирования высотного положения штока гидроцилиндра с цифровым регулятором приведена на рисунке 4.8. Дискретная передаточная функция корректирующего звена, установленного в канале регулирования углового положения РО асфальтоукладчика, определяется аналогично вышеизложенной и имеет вид (4.11).
Результаты математического моделирования приведены в приложении 2 рисунок П 2.1 ь Сравнивая переходные процессы полученные при реализации регуляторов в непрерывном и дискретном виде, можно заключить, что введение ЭВМ с параметрами определенными в п.п. 4.4 не оказывает существенного влияния на устойчивость систем управления. Различие переходных процессов обусловлено задержкой вносимой ЭВМ, при обработке информации, численно равной времени дискретизации.
С целью проверки степени соответствия результатов математического моделирования реальным процессам происходящим при асфальто-укладке, производится оценка адекватности экспериментов статистическими методами.
Оценку адекватности результатов машинного и физического экспериментов проведем с помощью критерия Фишера. Для этого определим дисперсии каждого из экспериментальных и расчетных параметров. Критерий Фишера представляет собой отношение большей из полученной дисперсии к меньшей. Если рассчитанное значение критерия Фишера «F» меньше табличного при выбранном уровне значимости «q» и числе степеней свободы /- = N. -1, /2 = N2 -1, где iVj и Л 2 -количество значений в сравниваемых выборках, то различие между двумя выборками отсутствуют.
По результатам проведенных экспериментов можно заключить, что процесс регулирования углового и высотного положения РО носят апериодический характер, что является необходимым технологическим условием при укладке покрытия. Изменение температуры покрытия при постоянных параметрах регуляторов САУ геометрическими параметрами процесса асфальтоукладки вызывает увеличение времени переходных процессов. Это явление обусловлено увеличением модуля деформации смеси и повышения усилия реакции смеси при ее деформации. Этот факт подтверждает необходимость корректировки параметров регуляторов с целью преодоления возрастающих усилий сопротивления.
Анализируя зависимости изменения плотности смеси при воздействии на нее уплотняющими агрегатами РО можно заключить, что комбинированное уплотнение увеличивает плотность смеси, что позволяет сократить число последующих проходов легких катков и укладывать асфальт слоем повышенной толщины.
Ступенчатое снижение температуры смеси со+140 до80 градусов вызывает уменьшение плотности смеси на 10 %. На рисунке П2. приложения 2 изображен переходной процесс изменения плотности смеси при ступенчатом снижении температуры в САУ с компенсирующей связью по температуре. Анализируя обе зависимости можно заключить, что компенсирующая связь значительно уменьшает влияние температуры смеси на ее плотность. При этом снижение плотности не превышает 3 %.
На рисунках 11245 и П2.-( приведены зависимости высотного положения РО при движении асфальтоукладчика по неровному основанию. Из приведенных зависимостей можно заключить, что при размерах неровностей основания до 50 мм качество геометрических размеров асфальтового покрытия удовлетворяет требованиям СНиПа.
В результате исследований физических и математических моделей получены следующие результаты: 1. Создан экспериментальный образец мехатронного асфальтоукладочного комплекса, на базе асфальтоукладчика СД-404Б, позволивший получить достоверную информацию о процессах происходящих в комплексе при одновременном профилировании и комбинированном уплотнении асфальтобетонной смеси. 2. Исследованные закономерности регулирования высотного и углового положения РО продемонстрировали апериодический характер переходных процессов при времени регулирования в пределах 3-4 секунд, что соответствует требуемым показателям. 3. Исследованные закономерности изменения плотности асфальтобетонной смеси в процессе воздействия на нее уплотняющими агрегатами РО, показали, что при комбинированном воздействии РО на смесь плотность покрытия увеличилась на 20% по сравнению с показателями того же укладчика, работающего без уплотняющих агрегатов. При этом время на уплотнения сократилось на 12%. 4. Получены закономерности изменения плотности смеси от изменений ее температуры при введении компенсирующей цепи и без нее. При этом установлено, что при ступенчатом снижении температуры смеси на 30 градусов плотность смеси снижается на 20-25%. При введении компенсирующей цепи по температуре смеси ее плотность снижается на 7-10%. 5. Проведено исследование влияния задержки, вызываемой временем квантования цифровой части ИУС, на качество управления процессом асфальтоукладки. Исследование показало, что характер переходных процессов не изменился. При этом время переходного процесса увели 157 чилось в среднем на 0,8 секунд, что допустимо технологией строительства. 6. Выполнена оценка адекватности результатов математического и физического экспериментов по критерию Фишера. Оценка показала адекватность результатов по всем исследуемым параметрам. 7. Исследование влияния изменения свойств смеси на процесс профилирования показало, что снижение температуры смеси на 50 градусов и соответствующее увеличение модуля деформации смеси, при постоянных параметрах регуляторов геометрических параметров, увеличивает время переходных процессов в среднем на 20-25%. Изменение параметров регуляторов в функции температуры смеси позволяет избежать увеличения времени переходного процесса. 8. Увеличение степени предварительного уплотнения асфальтоукладчиком на 20% позволяет сократить число проходов легких катков в 2 раза. 9. Результатом исследования установлено, что разработанная система позволяет управлять параметрами технологического процесса с точностью определяемой СНиПом на строительство дорожного покрытия.
