Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и задачи автоматизации гидропривода строительного экскаватора 16
1.1. Современное состояние средств и методов автоматического управления экскаваторов с гидроприводом 16
1.2. Современные требования, предъявляемые к управлению исполнительными системами экскаватора 25
1.3. Задачи автоматизации исполнительных механизмов экскаватора 29
Выводы по 1-ой главе 31
2. Математическое описание строительного гидравлического экскаватора как объекта управления 33
2.1. Определение объекта управления 33
2.2. Системы координат манипулятора 38
2.3. Расчетные схемы исполнительных систем 42
2.3.1. Расчетная схема и уравнения движения механизма поворота платформы 42
2.3.2. Расчетные схемы приводов стрелы, рукояти и ковша 44
2.3.3. Алгоритмы расчета приведенных масс, момента инерции и передаточных чисел и статических нагрузок исполнительных механизмов 45
2.4 Исполнительные системы экскаватора как объекты управления 53
2.4.1. Динамика гидродвигателей и гидронасоса 53
2.4.2. Гидропривод поворотной платформы 58
2.4.3. Гидропривод стрелы, рукояти и ковша 63
2.4.4. Модель объекта управления по отношению к возмущению... 66
2.4.5. Структура многомерного объекта управления 70
2.4.6. Оценка вариации параметров объекта управления 73
2.5. Динамика совместной работы исполнительных механизмов экскавато ра 76
2.5.1. Поворотная платформа - стрела 78
2.5.2. Стрела - рукоять 83
2.6. Оценка адекватности разработанных математических моделей 85
Выводы по 2-ой главе 89
3. Система автоматического управления гидроприводом строительного экскава тора 92
3.1. Требования к системе автоматического управления 92
3.2. Структурный синтез системы управления 94
3.2.1. Функциональная схема системы автоматического управления гидравлическим экскаватором 94
3.2.2. Синтез структуры системы 96
3.3. Параметрическая оптимизация регуляторов автономных систем 102
3.3.1. Система программного управления 102
3.3.2. Система автоматической стабилизации скорости исполнительных механизмов экскаватора ПО
3.4. Робастнаяустойчивость Ill
3.5. Исследование динамики цифровой системы управления экскавато ром 118
3.6. Исследование динамики системы управления по отношению к возмуще нию 120
3.7. Динамика совместной работы исполнительных систем экскавато ра 123
3.8. Показатели качества САУ ГЭ 128
3.9. Алгоритмы программной реализации цифровой системы управле ния 134
Выводы по 3-ей главе 145
4. Экспериментальные исследования объекта и системы автоматического управ ления 147
4.1. Вычислительные модели объекта управления 147
4.1.1. Структура вычислительной модели 147
4.1.2. Вычислительные модели электромагнитного золотника и гидронасоса 149
4.1.3. Вычислительные модели механических частей приводов экскаватора 154
4.1.4. Вычислительная модель блока формирования межканальных связей (БМС) 156
4.2. Методика экспериментального определения динамических характеристик сепаратных каналов объекта управления 161
4.3. Моделирование системы автоматического управления 165
4.4. Экспериментальная установка 170
4.4.1. Описание установки 170
4.4.2. Методика проведения исследований 176
4.5. Инженерная методика расчета САУ 177
4.6. Вариант технической реализации системы автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора 179
4.6.1. Электромагнитный распределитель для автоматического управле ния 179
4.6.2. Выбор датчиков угла поворота и предложения по их установке 182
4.6.3. Выбор конструкции задающего устройства 187
4.6.4. Устройство управления электромагнитным гидрораспределите лем 188
4.6.5. Цифровой широтно-импульсный модулятор 189
4.6.6. Программируемый логический контроллер и сопутствующие устройства 191
4.7. Технико-экономический расчет 197
Выводы по 4-ой главе 203
Заключение 204
Библиографический список 206
- Современные требования, предъявляемые к управлению исполнительными системами экскаватора
- Алгоритмы расчета приведенных масс, момента инерции и передаточных чисел и статических нагрузок исполнительных механизмов
- Функциональная схема системы автоматического управления гидравлическим экскаватором
- Методика экспериментального определения динамических характеристик сепаратных каналов объекта управления
Введение к работе
Работа посвящена автоматизации одноковшового универсального экскаватора как одной из основных машин технологического процесса строительного производства.
Актуальность проблемы. Строительное производство в настоящее время предъявляет высокие требования к эффективности работы строительных машин, в частности - экскаваторов. Они должны обеспечивать максимально достижимую производительность, возможность работы в стесненных условиях, иметь программное автоматическое управление рабочими органами при выполнении монотонных операций (например, погрузочно-разгрузочных) при отсутствии оператора в кабине, а также обладать современными эргономическими характеристиками.
Одноковшовый экскаватор представляет собой манипулятор с ручным управлением. Анализ основных технологических процессов экскаватора при разработке грунта, выполнении погрузочно-разгрузочных и транспортных операций показьшает, что их реализация требует от оператора управления движением рабочего органа в широком диапазоне скоростей при изменяющихся возмущениях и в условиях ограничений, как со стороны рабочего пространства, так и со стороны энергетических и динамических характеристик системы «гидронасос-гидродвигатель». В результате при работе машины в ее исполнительных системах возникают динамические удары и перегрузки, значительно превышающие допустимые значения, что приводит к преждевременным отказам механического и гидравлического оборудования.
Поэтому актуальным является автоматизация и совершенствование управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора с целью придания этой машине новых технологических показателей качества.
Тема данной работы сформировалась при разработке направления «Автоматизированные системы в строительстве» (МН970005686 Госрегистрации) на основании тематического плана госбюджетных НИР Самарской государственной архитектурно-строительной академии на 2002-2007г.г.
Целью работы является повышение технологической надежности гидравлического одноковшового экскаватора путем совершенствования системы управления его исполнительными механизмами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
математическое моделирование гидравлического одноковшового экскаватора как многомерного объекта управления;
структурный синтез цифровой системы автоматического управления гидравлическими испатнительными механизмами экскаватора и параметрическая оптимизация регуляторов;
разработка вычислительных моделей объекта, системы управления и методики проведения вычислительных экспериментов;
создание испытательного стенда и разработка методики проведения натурных экспериментов;
разработка инженерной методики проектирования системы автоматического управления гидроприводом экскаватора и создание варианта технической реализации системы.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории систем автоматического управления, методы исследования строительных машин, методы идентификации и аппроксимации объектов управления. В работе широко используется имитационное моделирование на ЭВМ в программной среде Mat-
Lab и MathCAD. Натурные исследования проводились на гидроприводе экспериментальной установки.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:
- разработаны математические модели сепаратных каналов, межканальных связей и
обобщенная модель исполнительных механизмов одноковшового гидравлического
экскаватора, позволяющие в отличие от существующих рассматривать экскаватор
как многомерный объект управления;
-» впервые предложен структурный синтез системы автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора в виде многоконтурной системы с одной измеряемой координатой;
разработана методика параметрической оптимизации регуляторов, обеспечивающая робастность системы;
разработана инженерная методика расчета систем стабилизации скорости и программного управления исполнительными механизмами одноковшового гидравлического экскаватора.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается:
- в предложенном варианте технической реализации микропроцессорной системы
управления скоростью исполнительных механизмов гидравлического экскаватора,
в основу которой положено положительное решение № 71-42-38п от 28.03.2008г. о
выдаче патента на изобретение № 2006123954/03(025989) «Способ управления
движением исполнительного механизма строительной машины с гидроприводом и
устройство для его осуществления» (авторы СЯ. Галицков, И.В. Дуданов);
- в реализации экспериментального стенда по исследованию гидропривода грузо
подъемной стрелы;
в разработанной методике и полученных результатах проведения вычислительных и натурных экспериментов по исследованию объекта и системы управления, используемых при выполнении стендовых исследований гидрооборудования строительной техники на ОАО «СУМР-4»;
- в разработанной методике инженерного проектирования системы автоматического
управления гидравлическими исполнительными механизмами экскаватора. Мето
дика используется в учебном процессе при подготовке инженеров по специально
сти 270113 «Механизация и автоматизация строительства».
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобреігае на международньк, российских конференциях и форумах: на Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, СамГТУ, 2003г., 2005г.); на десятой международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», (Москва, МЭИ, 2004г.); на международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ» (Тюмень, ТГНУ 2005г.; Самара, СГАСУ 2007г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ, 2005г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» ( Самара, СГАСУ, 2004-2007гг.); на XII научно-технической конференции «Надежность строительных объектов» (Самара, СГАСУ, 2007г.).
Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в 17 научных изданиях, в том числе статья [17] опубликована в журнале «Механизация строительства», включенном в утвержденный ВАК РФ Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 78 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 212 страницах, диссертация содержит: 102 рисунка, 22 таблицы, приложение на 4 страницах, библиографический список на 7 страницах.
Положения, выносимые на защиту:
Математические модели сепаратных каналов, блоков межканальных связей и обобщенная модель исполнительных механизмов гидравлического экскаватора как объекта управления.
Методика структурного синтез системы автоматического управления и параметрической оптимизации ее регуляторов.
Вычислительные и натурные эксперименты по исследованию динамики объекта и цифровой системы автоматического управления.
Современные требования, предъявляемые к управлению исполнительными системами экскаватора
Экскаватор является машиной, работающей в весьма тяжелых условиях с резкопеременной нагрузкой, вибрацией оборудования, при значительных изменениях температуры и влажности, большой запыленности. Поэтому к управлению исполнительными системами экскаватора предъявляются весьма жесткие требования. При выполнении операций технологического цикла экскавации грунта основными требованиями являются: - плавность разгона и торможения исполнительных механизмов. Для обеспечения данного требования оператор должен формировать траекторию движения рабочего органа таким образом, что бы первую треть траектории осуществлялся разгон, центральный участок - движение с постоянной скоростью и третья часть - торможение механизма [59], причем вид скоростных характеристик с наполненным (рис. 1.3) и пустым ковшом (рис. 1.4) разный. При малых углах перемещений центральный участок может отсутствовать, тогда сразу после разгона начинается торможение. В то же время оператор должен избегать крайних положений штоков гидроцилиндров и срабатываний предохранительных клапанов; - оператор должен осуществлять постоянный контроль положения рабочего органа для обеспечения точности разработки дна выемок под проектную отметку. По требованию СНиПа 4.02-91 «Земляные работы» максимальные отклонения вертикальной координаты земляного сооружения не должны превышать 0,05 м. Анализ допускаемых отклонений вертикальной отметки земляного сооружения, возводимого одноковшовыми экскаваторами, показал, что на последующую зачистку и планировку выработки остается до 0,2м [60]. Разработка грунта ниже проектных отметок не допускается, так как место переборов необходимо заполнить специальными материалами (песком, щебнем, бетоном) и уплотнить, а это ведет к дополнительным материальным затратам; 70 180 q, град
Рисунок - График изменения скорости исполнительного механизма при повороте на выгрузку 70 90 135 180 q, град Рисунок 1.4 - График изменения скорости исполнительного механизма при повороте в забой - при разработке выемки для предотвращения аварийной ситуации - обвала грунта и завала экскаватора в выемку - оператор должен исключать разработку грунта ближе оси передней звездочки гусеничного хода экскаватора. Это не всегда выполнимо, так как, работая при максимально опущенной стреле, оператор не обладает необходимой информацией о положении рабочего органа. - рабочее оборудование при выходе из забоя на разгрузку в режиме совместного движения с поворотом платформы не должно задевать за края забоя и борта автосамосвала (если отгрузка идет в транспортное средство); - оператор должен исключать резкие удары ковша о грунт. Поэтому при соприкосновении поверхности грунта с режущей кромкой ковша, скорость последнего должна быть минимальной. Выполнение данного требования позволяет исключить появление перегрузок и гидравлических ударов в гидроприводе; - оператору необходимо производить коррекцию траектории копания с целью предотвращения столкновения рабочего органа с непреодолимым препятствием. Это выполняется путем подъема стрелы или отвода рукояти в зависимости от способа копания; - при производстве работ вблизи стоящих зданий, разветвленных коммуникаций (при ремонтно-восстановительных работах) или работе на ограниченных рабочих площадках и в стесненных условиях система управления экскаватора должна обеспечивать получение устойчивых малых «ползучих» скоростей рабочего органа для соблюдений строгих норм по технике безопасности.
Оператор экскаватора работает в весьма напряженных условиях. Подвергаясь воздействию ускорений и вибраций, он должен мгновенно оценивать изменения условий работы. Для достижения высокой производительности труда ему необходимо обеспечивать заданную точность и безопасность выполнения земляных работ, выбирая оптимальные режимы работы исполнительных механизмов.
Управление рабочими органами подавляющего большинства автоматизированных строительно-дорожных машин осуществляется посредством релейных электрогидравлических систем [57], что обусловлено их известными преимуществами. В них в качестве электромеханического преобразователя используется электромагнит, перемещающий золотник гидрораспределителя. Эти системы обычно решают задачу позиционирования рабочего органа, например, отвала бульдозера, и не позволяет обеспечить требования по стабилизации скорости движения исполнительных систем экскаватора и автоматического отслеживания программной траектории движения ковша в рабочем пространстве экскаватора. При совмещении нескольких операций, получение устойчивых малых «ползучих» скоростей рабочего органа часто невозможно. Это обусловлено изменением величины нагрузки на гидроприводы, питанием гидродвигателей от общей насосной установки, ограниченными возможностями «ручного» управления золотниками.
Условия проведения работ часто осложняются под воздействиями природных факторов, необходимостью работы в темное время суток [61]. Поэтому качество выполненной работы во многом зависит от уровня квалификации и психофизиологического состояния оператора.
В результате при работе машины в ее исполнительных системах возникают динамические удары и перегрузки, значительно превышающие допустимые значения, что приводит к преждевременным отказам механического и гидравлического оборудования
Алгоритмы расчета приведенных масс, момента инерции и передаточных чисел и статических нагрузок исполнительных механизмов
Процесс резания грунта начинается после погружения рабочего органа в забой, в то время как процесс работы с вырезанным грунтом может иметь динамику чистого запаздывания, что обусловлено конструктивными особенностями рабочего органа и способами копания. В начальный момент резания, после соприкосновения ковша с грунтом сила сопротивления грунта резанию линейно нарастает, достигая наибольшего значения. Затем (при внедрении ковша в грунт и резании стружки определенной толщины) она спадает до постоянного значения (рис.2.13.а) [73].
Динамическое состояние, в котором находится конкретная землеройная машина, никогда не повторяется [73]. Поэтому при системном проектировании целесообразно ориентироваться на типовые динамические состояния машины, т.е. на типовые динамические режимы нагружения. Так при типовом расчетном режиме нагружения, график изменения сил сопротивления, вызванных работой с грунтом, имеет вид (рис.2.13.6).
Так как статическая составляющая усилия / резания грунта уже входит в определение статической нагрузки (2.3.3), то для определения динамической составляющей нагрузки на гидродвигатели при копании грунта разработана структурная схема, представленная на рис.2.14. Здесь Т - период наг ,FP
Рисунок 2.14 — Структурная схема динамической модели нагружения ружения (для землеройных машин период нагружения носит кратковременный характер и обычно Т=1 ...3 с[36]); к\, кг- масштабные коэффициенты. Установлено [73], что абсолютно точное значение толщины срезаемой стружки мало влияет на динамические процессы нагружения. Поэтому в данной модели приближенно моделируется характер и диапазон изменения стружки с помощью масштабных коэффициентов. Для создания выброса, моделирующего процесс врезания ковша в грунт, используется блок чистого
На рис.2.15 представлена обобщенная матричная структура исполнительных механизмов экскаватора как многомерного объекта управления. Управляющим воздействием объекта является вектор-столбец напряжений U = \UX U2 U3 U4] на обмотках электромагнитного преобразователя, выходная координата — вектор-столбец углового положения звеньев манипулятора q=\qx q , q3q4] в рабочем пространстве. Матричными операторами обозначены: НА - насосный агрегат (описывается системой уравнений 2.4.16); Б01,Б02 - логические блоки ограничений расходов рабочей жидкости в гидродвигатели, учитывающие режимы совместной работы исполнительных гидродвигателей (табл.2.1) и их гидрораспределителей (рис.2.11); 1эмп — передаточная матрица электромеханического преобразователя; К — логический блок определяющий раздельную или согласованную работу исполнительных механизмов; ГЗ — нелинейный оператор блока гидравлических золотников; блоки А], А2 и Bj, В2 — моделируют моменты и усилия статической нагрузки гидроприводов (уравнения (2.29)-(2.32)) и момента инерции и инерционных масс звеньев манипулятора (по уравнениям (2.14)-(2.20), (2.24) и (2.27)- (2.28)), С - матрица коэффициентов передач рычажных механизмов (уравнения (2.21)-(2.23) и (2.26)); блоки fr, /32 - матрицы конструктивных ко Для оценки динамических характеристик объекта управления предлагается использовать вычислительные модели созданные в программной среде MatLab(4.1)
По результатам проведения вычислительных экспериментов с объектом управления применительно к экскаватору ЭО-4121, построены графические зависимости приведенных масс от перемещения соответствующих штоков гидроцилиндров (рис.2.16). Здесь кривые 1 и 3 отражают зависимость массы тпр2 от положения штока гидроцилиндра стрелы при наполненном и пустом ковше, соответственно. При этом принято, что 2з = 5, Й4 = 0. Это соответствует копанию при максимальном радиусе. Кривые 2 и 4 подобны кривым 1 и 3, но соответствуют минимальному радиусу копания ( ?3 = 180, q4 = 120). Кривые 5 и 6 - зависимость тпр3 от положения штока гидроцилиндра рукояти при наполненном и пустом ковше, соответственно. Полученные графики соответствуют аналогичным зависимостям представленным в работе [39], что подтверждает адекватность разработанного блока межканальных связей обобщенного объекта управления. (w4 = 850кг), будет: cmin = 114500 кг-лг. Таким образом, приведенный к оси поворота платформы момент инерции стрелы изменяется в 2.5 раз. - параметры передаточной функции объекта управления существенно зависят от угловых координат исполнительных систем и массы грунта в ковше; - динамику сепаратных каналов объекта управления «в малом» можно описать линейным астатическим звеном 4-го порядка с передаточной функцией w , ч_ ЩІ.Р) кдм , нестационарность которой заключа ОУ Р) AUynP(p) (тэмп.р + 1)(А(р)).р ется в том, что динамическое звено 2-го порядка , входящее в переда ли) точную функцию изменяет свой вид от колебательного к — -z — до апериодического звена второго порядка
Функциональная схема системы автоматического управления гидравлическим экскаватором
В соответствии с выше сформулированными требованиями разработаем систему автоматического управления гидравлическим экскаватором (САУ ГЭ) (рис.3.1) в виде четырехканальной системы управления исполнительными органами. Каждый канал управляет работой отдельного исполнительного механизма. Канал включает в себя: сепаратный объект управления; датчик положения исполнительного звена (считаем, что в качестве датчика можно использовать цифровой датчик угла, устойчивый к действиям вибрации и ударов; цифровой выход датчика позволяет определить и угловое положение, и угловую .скорость звена); задающее устройство (оно должно обеспечить как задание скорости, так и формирование программной траектории движения звена); считаем, что для решения второй задачи следует использовать цифровое устройство, реализуемое на программируемом контроллере, а для первой - джойстик, выходной сигнал которого поступает на один из входов контроллера); регулятор (он реализуется программно на контроллере); исполнительное устройство (это гидрораспределитель с электромагнитным управлением, в качестве источника питания обмотки золотника целесообразно использовать широтно-импульсный преобразователь).
Блок-схема системы автоматического управления (рис.3.1) включает в себя: две рукоятки-манипулятора (джойстик) Джі, Дж2 и пульт П, посредством которых оператор задает режимы работы; программируемый микроконтроллер МК\ датчики давлений ДД рабочей жидкости в гидродвигателях; датчики положения ДП исполнительных механизмов; информативный дисплей Дисп, отражающий основные режимы работы машины и параметры технологических операций; блок силовых широтно-импульсных преобразователей ШИМ; гидрораспределители с электромагнитным управлением ЭМГР; гидравлические исполнительные механизмы ГИМ экскаватора.
Управление гидродвигателями осуществляется через электромагнитные золотниковые распределители, встраиваемые (на первом этапе внедрения разработанной системы) в штатную гидравлическую систему параллельно распределителям / и // (рис. 1.3).
Для осуществления контроля за работой гидропривода экскаватора в штатную систему питания ГИМ дополнительно встраиваются датчики давлений ДД рабочей жидкости, по сигналам которых осуществляется контроль давлений рабочей жидкости. Сигналы с датчиков по каналу связи поступают в микроконтроллер, где осуществляется анализ, обработка и хранение параметров работы гидросистемы.
При разработке грунта экскаватором в автоматическом режиме целесообразно использовать алгоритмы [53, 54, 60], в которых для совмещения рабочих операций по времени необходима одновременная работа нескольких исполнительных систем. Отсюда следуют требования к вычислительной мощности программируемого микроконтроллера, который должен обеспечить обсчет, по крайней мере, двух программных траекторий ри выборе структуры сепаратных каналов учтем следующие обстоятельства. Обычно электрогидравлические системы автоматического управления строят одноконтурными (с главной обратной связью по положению исполнительного механизма) [10, 20, 40-43, 49, 57]. Известно [54, 57], что такие системы имеют невысокую динамическую точность при управлении объектами с изменяющимися параметрами и структурой, какими и являются, как было показано во второй главе, исполнительные системы экскаватора.
В качестве основных критериев оптимизации САУ сепаратных каналов, обеспечивающих выполнение современных требований автоматизации гидравлических экскаваторов, принимаем: 1. Предельно достижимое быстродействие САУ в условиях ограничений по мощности насосного агрегата; 2. Минимизация динамических ударов в кинематических цепях исполнительных механизмов; 3. Минимизация количества датчиков.
Для сепаратных систем управления рассматриваемого экскаватора, на наш взгляд, в наибольшей степени сформулированным требованиям соответствует двухконтурная структурно-минимальная система [5], разработанная и защищенная авторскими свидетельствами на изобретения специалистами кафедры МАЭС Самарского государственного архитектурно-строительного университета. Она представляет собой частный случай многоконтурной системы с одной измеряемой координатой (МСОИК). Предлагаемая структура функциональной схемы одного канала (рис.3.2) включает в себя: объект управления (ОУ), состоящий из подвижного исполнительного механизма, гидродвигателя с электромеханическим гидрораспределителем и соединяющей их кинематической цепи; управляемый силовой преобразователь (УС/7); датчик положения (ДП) исполнительного механизма; два цифровых регулятора (Rj,R2); два устройства сравнения и задатчик программной траектории; блоки сопряжения с силовым преобразователем (УС1) и датчиком положения (УС2). Задатчик, регуляторы и устройства сравнения реализуются программно в программируемом контроллере.
Задатчик Цифровой регулятор Цифровойрегулятор 5 УС1 1 - УСП ОУ 1 - Хдп У J Хдп л-J I УС2 ДП J , Рисунок 3.2 - Функциональная схема МСОИК Синтезируемая система автоматического управления относится к классу цифровых, в которых квантование непрерывных сигналов по времени и по уровню осуществляется как в МК, так и в управляемом силовом преобразователе (УСП). Допускаем, что в создаваемой цифровой системе управления соблюдаются условия теоремы Котельникова-Шеннона. Поэтому с целью упрощения математических выкладок при синтезе регуляторов R] и R2 на первом этапе решения задачи, квантованием сигналов пренебрегаем [3, 5] и систему рассматриваем как квазинепрерывную. На втором этапе синтеза регуляторов выполним оценку влияния дискретности цифровой части и ШИМа на динамические показатели качества системы управления.
Методика экспериментального определения динамических характеристик сепаратных каналов объекта управления
При выполнении экспериментальных исследований объекта управления на вычислительной модели будем учитывать следующие факторы: 1 .Экспериментальные исследования динамики гидроприводов объекта управления по отношению к управляющему воздействию на вычислительной модели и на опытной установке будем проводить путем анализа временных характеристик выходных сигналов при условии подачи управляющего сигнала Uynp на электромагнитный золотник (ЭМЗ). Поэтому при выполнении вычислительных экспериментов в объект управления введем ЭМЗ. 2. Оценку нестационарности объекта в рабочем объеме экскаватора будем выполнять путем исследования динамики объекта «в малом» в разных координатах его рабочего пространства. Для этого разобьем рабочий объем манипулятора на ряд дискретных областей. Управляющий сигнал (скорость нарастания напряжения иупр) представим суммой постоянного значения (определяет базовую скорость движения исполнительного механизма) и серии прямоугольных импульсов, сдвинутых во времени. Величина временного сдвига импульса определяет координату qt рабочего пространства. Амплитуда импульса составляет «малое» отклонение скорости от постоянного сигнала (-10%), а длительность должна быть Достаточной для оценки переходной характеристики объекта при «набросе» и «сбросе» сигнала управления. Число импульсов равно количеству дискретных областей, на которые разбивается рабочее пространство исследуемой исполнительной системы.
Для определения динамических характеристик объекта используем метод сравнения временных характеристик, полученных на обобщенной модели, с характеристиками дополнительной аппроксимирующей модели, состоящей из совокупности типовых динамических звеньев, параметры которых подбираются по условию сходимости их переходных характеристик. На рис.4.11 изображена структурная схема, где сигнал Uynp подается одновременно на математическую модель объекта и аппроксимирующую ее дополнительную модель.
Такой подход формирования комбинированного управляющего сигнала и оценки динамики объекта по переходным характеристикам имеет ряд преимуществ: во-первых, исследование выполняется с использованием обобщенной вычислительной модели объекта, где учтены основные нелинейные эффекты, обусловленные изменением параметров в рабочем пространстве, и межканальные связи; во-вторых, предлагаемая методика позволяет резко сократить время исследования объекта, поскольку серия переходных процессов, построенная в нескольких точках области рабочего пространства позволяет наглядно оценить изменение динамических характеристик.
Выполненная оценка изменения этих параметров, а также вариация структуры объекта управления приведены в табл.2.2. ( 2.4.5).
Вычислительная модель системы программного управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора представлена на рис.4 Л zzLKH Рисунок 4.14 - Вычислительная модель системы программного управления В состав вычислительной модели системы входит: модель обобщенного объекта управления, включающая в себя вычислительные модели силового преобразователя, золотника с электромагнитным управлением и объекта управления (поворотная платформа); регуляторы - в первом контуре П-, во втором - ПИ-, в третьем - ПД- и И-регулятор в четвертом замкнутом контуре. Для формирования траектории используется программируемый задатчик, в котором задаются параметры максимальных значений рывка, ускорения, скорости и величина углового На кафедре МАЭС Самарского государственного архитектурно-строительного университета разработана конструкция и создана экспериментальная установка (рис.4.16 - 4.17), которая включает в себя стрелу 1 (выполнена из стальной трубы 0 50 мм, длина 1500 мм), соединенную с основанием 3 посредством шарнира 4. Вращательное движение стрелы относительно основания обеспечивается гидроцилиндром 2 (тип 85-75-130), корпус которого шар-нирно соединен с основанием 3, а шток - со стрелой 1.
Основание выполнено в виде сварной конструкции, на которой смонтированы шестеренный гидронасос 8 типа НШ-10 с приводным асинхронным электродвигателем 9 (тип AHP100S4Y3), бак 10 для рабочей жидкости, перепускной клапан 6, электрогидравлический преобразователь 5 (выполненный в виде гидрораспределителя BE-10 с электромагнитным управлением). Рабочая жидкость от электрогидравлического преобразователя подается в гидроцилиндр посредством шлангов высокого давления 13. Значения давлений в полостях цилиндра контролируются по показаниям манометров 12 типа ДМ250 (класс точности 1, пределы измерений 0-25 МПа). Включение и отключение гидростанции осуществляется релейно посредством кнопочной станции 11. Давление гидростанции контролируется по манометру 7 типа ДМ250.
Статическая нагрузка стрелы выполняется с помощью груза переменной массы, прикрепленного к концу стрелы 1. Измерение углового положения стрелы осуществляется датчиком положения 14 типа СП5-21А-1 (угол поворота 360 град., номинальное полное сопротивление 1.5 кОм, погрешность 1%).
