Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ разработок и исследований по автоматизации процесса копания грунта дорожно-строительными машинами 7
1.1, Особенности работы бульдозера и недостатки ручного управления 7
1.2, Обзор и анализ разработок и исследований по автоматизации процесса копания грунта дорожно-строительными машинами ... 11
1.3, Цели и задачи исследований 33
Выводы по главе 35
Глава 2. Математическая модель процесса копания грунта бульдозером 36
2.1. Разработка математической модели процесса копания грунта бульдозером. 36
2.2. Разработка алгоритма управления процессом копания грунта бульдозером 43
2.3. Разработка структурной схемы системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером 49
2.4. Расчет теоретической эпюры выемки грунта при копании бульдозером 51
Выводы по главе 56
Глава 3. Математическая модель автоматического управляющего устройства и рабочего органа бульдозера 57
3.1. Разработка математической модели автоматического управляющего устройства 57
3.2. Разработка математической модели рабочего органа бульдозера 64
3.3. Автоматическое управляющее устройство с ПИ-законом управления 67
Выводы по главе 74
Глава 4. Теоретические исследования замкнутой системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером 75
4.1. Разработка S-модели системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером 75
4.2. Разработка подмодели автоматического управляющего устройства и исполнительного органа 78
4.3. Анализ результатов теоретических исследований замкнутой системы автоматического управления процессом копания грунта 82
Выводы по главе 89
Глава 5. Разработка автоматического управляющего устройства 91
5.1. Разработка структурной схемы алгоритма функционирования автоматического управляющего устройства. 91
5.2. Разработка функциональной схемы алгоритма автоматического управляющего устройства 98
5.3. Разработка машинно-ориентированной схемы алгоритма автоматического управляющего устройства. 105
5.4. Автоматическое управляющее устройство на однокристальном микроконтроллере 112
Выводы по главе 117
Глава 6. Экспериментальные исследования системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером 118
6.1. Объект, методика и план проведения эксперимента 118
6.2. Методика измерения величин и оценка погрешностей при эксперименте... 120
6.3. Анализ результатов экспериментальных исследований и их сопоставление с результатами теоретических исследований... 123
Выводы по главе 127
Итоговые выводы и результаты работы 128
Литература 133
- Обзор и анализ разработок и исследований по автоматизации процесса копания грунта дорожно-строительными машинами
- Разработка структурной схемы системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером
- Автоматическое управляющее устройство с ПИ-законом управления
- Анализ результатов теоретических исследований замкнутой системы автоматического управления процессом копания грунта
Введение к работе
Постоянно возрастающее дорожное, промышленное и мелиоративное строительство в нашей стране увеличивает объем земляных работ, при выполнении которых в современных условиях существенное влияние уделяется как увеличению производительности, так и снижению стоимости, сохранению сроков и повышению их качества.
Одним из видов машин, используемых при выполнении этих работ являются бульдозеры, которые обеспечивают полный комплекс земляных работ, включая копание, перемещение, планировку и уплотнение грунта.
Производительность этих машин определяется, главным образом, скоростью протекания каждого элемента цикла работы; конструкцией рабочего органа; технологией работ; мощностью силовых установок; квалификацией оператора.
Рост рабочих скоростей бульдозеров может быть обеспечен за счет энергонасыщения агрегатов. Однако в условиях строительных объектов эти скорости оказываются ниже технических возможностей машины, определяемые мощностью двигателя, прочностью конструкции и т.д. Повышение скорости копания ограничено скоростью привода рабочего органа, квалификацией оператора и ростом динамических нагрузок, действующих на узлы и элементы системы. Поэтому повышение эффективности процесса копания осуществляется путем усовершенствования конструкции рабочего органа, применения новых методов воздействия на: грунт, рационализацией процесса копания в различных грунтовых условиях и увеличения единичной мощности машин.
Однако заложенные в машину мощности не могут быть полностью реализованы оператором из-за ряда факторов отрицательно влияющих на его работу.
Всесторонние испытания бульдозеров показали, что эффективность их работы зависит от квалификации оператора, его психико-физиологического состояния и продолжительности работы. Совокупность этих факторов
оказывает существенное влияние при выполнении наиболее энергоемкой операции технологического процесса копания грунта. При выполнении этой операции даже высококвалифицированный оператор, как правило, не обеспечивает непрерывно оптимального течения процесса копания. Поэтому производительность даже самой совершенной машины обычно ниже потенциальной и изменяется в течение смены.
Наиболее эффективный путь устранения этого недостатка состоит в автоматизации процесса копания грунта, что позволит:
увеличить производительность за счет лучшего использования мощности силовых установок и сокращения времени набора грунта;
стабилизировать производительность за счет устранения влияния субъективных факторов оператора;
использовать оператора более низкой квалификации и уменьшить его утомляемость;
внедрить прогрессивные формы организации труда.
Вопросами автоматизации процесса копания грунта бульдозерами в
России и за рубежом занимались многие фирмы и исследователи.
Проведенный обзор и анализ выполненных разработок и исследований в этой области позволил уточнить возможные пути автоматизации, выбрать управляемые и управляющие величины и показал, что эти разработки носят экспериментальный характерна их теоретическое исследование с помощью математических моделей с использованием возможностей современных программных средств, позволяющих теоретически обосновать структуру системы и оценит степень влияния ее параметров на устойчивость и качество управления отсутствуют.
Поэтому целью данной работы является разработка и исследование системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером.
Комплекс теоретических и экспериментальных исследований по созданию более совершенной системы автоматизации процессом копания грунта бульдозером выполнен автором на кафедре автоматизации производственных процессов и производств Московского автомобильно-дорожного института ( Государственного технического университета) в течении пяти лет.
Основные результаты исследований докладывались на научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) в 1999-2003 г.г., опубликованы в 6 статьях.
Обзор и анализ разработок и исследований по автоматизации процесса копания грунта дорожно-строительными машинами
Автоматизацией процесса копания в нашей стране и за рубежом занимаются многие организации. Для автоматизации процесса копания используются полноприводньте и неполноприводные дорожно-строительные машины с механической, гидромеханической с прозрачным и непрозрачным гидродинамическим трансформатором и электрической трансмиссией.
Показателями процесса при автоматизации процесса копания дорожно-строительными машинами могут быть выбраны (рис 1.1) свободная мощность дизеля и сила тяги, а в более совершенных системах свободная мощность дизеля с ограничением по максимально допустимой устойчивой силе тяги.
Эти показатели процесса копания характеризуются информационными параметрами, которые в [63,65] предлагаются для бульдозеров с гусеничными движителями с механической и гидромеханической трансмиссией, расположить в следующей последовательности: тяговое усилие Рт, действительная скорость движения бульдозера ъд, коэффициент буксования движителей 5 и угловая скорость вращения вала двигателя сое.
Однако [2], несовершенство датчиков тягового усилия не позволяет определить тяговую мощность с достаточной точностью, что ограничивает непосредственное использование этого параметра.
В зависимости от способа управления один или два информационных параметра, которые являются управляемыми величинами, подаются на вход управляющего устройства. Управляющее устройство через сервопривод так изменяет положение рабочего органа, что значение показателя процесса А (управляемой величины) поддерживается на заданном уровне. По конструкции автоматическое управляющее устройство может быть механическим, гидравлическим, электромеханическим, электрогидравлическим, электронным с жестким алгоритмом управления и электронным с гибким алгоритмом управления (микропроцессорное). Для машин с механической трансмиссией управляемыми величинами могут быть: угловая скорость вращения вала двигателя для машин с высокими сцепными качествами движителей при стабилизации ф свободной мощности дизеля; буксование движителей для машин с ограниченными сцепными качествами движителей при стабилизации максимально допустимой устойчивой силы тяги. Это обеспечивается тем, что в процессе копания в первом случае при увеличении момента более номинального используется безрегуляторная ветвь, его характеристики. При увеличении силы сопротивления машине угловая скорость вала снижается, движение машины замедляется и наступает неустойчивый режим движения. Во втором случае превышение тягово ь сцепных возможностей движителей вызывает интенсивное буксование, что также приводит к снижению скорости движения машины. Во избежании этого в обоих случаях необходимо уменьшать силу сопротивления движению, что достигается изменением положения рабочего органа. Известны системы, в которых стабилизируется действительная скорость движения дорожно - строительных машин путем изменения положения рабочего органа. У машин с механическими трансмиссиями в этом случае стабилизируется в конечном счете режим работы дизелей в зоне безрегуляторной ветви. " Структурно большинство известных систем автоматического управления рабочим органом дорожио-строительных машин выполнены по схеме приведенной на рис. 1.2. Здесь пунктиром выделено автоматическое управляющее устройство, включающее измерительный (ИБ), сравнивающий (СБ), задающий (ЗБ) и управляющий (УБ) блоки. Управляемая величина обозначена через X, а управляющая величина - глубина копания через h. Величина у - выходной сигнал управляющего устройства, под действием, которого исполнительный орган изменяет значение глубины копания.
Исполнительные органы автоматизированных дорожно-строительных машин имеют обычно электрогидравлические сервоприводы с насосами постоянной производительности. Это определяет релейную характеристику управляющего блока и всего устройства в целом. Автоматическое управляющее устройство поддерживает значение регулируемой величины Хр на заданном уровне Хо путем изменения положения рабочего органа дорожно-строительных машин (h). Это осуществляется следующим образом. При отклонении величины XI, пропорциональной Хр, от ее заданного значения Хо возникает сигнал рассогласования Д.
В зависимости от величины и знака сигнала рассогласования управляющий блок через сервопривод исполнительного органа перемещает рабочий орган дорожно-строительных машин и изменяет глубину копания в сторону уменьшения рассогласования.
Рассмотрим наиболее интересные системы автоматического управления рабочим органом дорожно-строительных машин.
Системам, за показатели процесса которых принята максимальная свободная мощность дизеля, а за управляющую величину - угловая скорость его вала.
Разработка структурной схемы системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером
Математическая модель процесса копания фунта бульдозером, полученная в п.2.1, представленная системой уравнений (2.4-2.6), (2.8),(2.10),(2.14-2.16) позволяет построить структурную схему этого процесса (рис 2.4). Разработанный алгоритм в п.2.2 управления процессом копания позволил выделить на рис 2.4 управляемые (Si и СОе) и управляющие (h) $ величины и замкнуть систему через автоматическое управляющее устройство (АУУ) и исполнительный орган (ИО) бульдозера. Коэффициент буксования движителя вычисляет АУУ по известному выражению (2.5) по действительной Ш и теоретической Т ті скоростям. В данной структурной схеме можно условно выделить три блока. Блок 1 соответствует математической модели полного сопротивления движению бульдозера при копании грунта и построен согласно уравнению Блок 3 соответствует математической модели двигателя и # механической трансмиссии и построен согласно уравнениям (2.8), (2.10) и (2.16). Включение в данную схему автоматического управляющего устройства (АУУ) и исполнительного органа (ИО) позволяют нагляднее показать принцип автоматического управления процессом копания. Так при наличии сигнала рассогласования по контуру буксования или по контуру стабилизации угловой скорости двигателя, автоматическое управляющее устройство через исполнительный орган так изменяет глубину резания h, что сила сопротивления Рс, становится равной Рт. Математическая модель исполнительного органа и автоматического управляющего устройства, а также наиболее рациональный закон управления, реализуемый автоматическим управляющим устройством будут рассмотрены в следующих разделах настоящей работы. Разработанная структурная схема процесса копания грунта бульдозером послужила основой при построении его S-модели и дальнейших исследованиях с помощью современных программных средств. 2.4 Расчет теоретической эпюры выемки при копании грунта бульдозером. Полученная выше математическая модель процесса копания грунта бульдозером позволяет получить аналитически теоретическую оптимальную эпюру выемки грунта при его копании, которую можно представить как зависимость глубины резания от времени h = /(t) или пути h = /(L) копания. После подстановки выражения (2.13) в уравнение (2.1) получим основное уравнение движения бульдозера при копании грунта в следующем виде: tK Pr-KBh-G/-ABjhl)fldt = mdWdt (2.17) Решение уравнения (2.17) относительно времени или пути копания и будет представлять собой теоретическую эпюру выемки грунта бульдозером. Согласно предложенному выше алгоритму процесс копания для обеспечения W максимальной производительности бульдозера необходимо в начале копания путем непрерывного заглубления рабочего органа достичь максимальное значение движущей силы Рттах, развиваемой движителями при этом глубина резания достигает своей максимальной величины, при данных условиях сцепления движителей с грунтом. Начиная с этого момента для стабилизации Рттах и №тах необходимо производить постепенное выглубление рабочего органа. Уравнение (2.17) необходимо решать раздельно для участка заглубления и выглубления рабочего органа бульдозера. Решение уравнения на участке заглубления, где переменными являются суммарная движущая сила движителей Рттах и глубины резания, получено при допущении, что действительная скорость при заглублении постоянна. Вертикальная скорость заглубления и выглубления рабочего органа Dh постоянна и глубина резания определяется выражением: После достижения ho для поддержания постоянных значений суммарной движущей силы и тяговой мощности на максимально возможном уровне следует по мере накопления грунта в призме волочения постепенно уменьшать глубину резания. При этом следует отметить, что если на участке выглубления движущая сила и действительная скорость бульдозера постоянны, то выражение (2.17) существенно упрощается и принимает вид: Рттах - KBh - G/ - АВХ)д1п dt = 0. (2.22) После дифференцирования (2.22) по времени получаем: dh/dt + Ahlb/KX) Решение этого уравнения позволяет получить аналитическое выражение эпюры выемки грунта в следующем виде: t3 h = hoe zX , (2.23) где ті = К / (А\)д) - постоянная времени участка выглубления. Время выглубления определяется путем решения уравнения (2.23) относительно времени: te = ті n ho/hmin, (2.24) где hmin - минимальная глубина резания в конце выглубления. Величина hmin согласно [3] может быть определена исходя из следующих соображений: процесс набора грунта идет до тех пор, пока объем призмы волочения не примет установившегося значения, которое зависит от геометрических размеров рабочего органа и свойств грунта и определяется выражением[3]; Vnp = ВН2/2Кпр, (2.25) где Кпр - коэффициент, зависящий от характера грунта и от отношений Н/В; при перемещении призмы волочения часть ее теряется в боковые валики, поэтому рабочий орган бульдозера для компенсации этих потерь должен быть заглублен- на какую-то минимальную глубину hmin, которая оценивается выражением[3]: hmin = KnVnp/B, (2.26) где Кп - коэффициент, зависящий от свойств грунта. Полное время набора грунта на участке заглубления и выглубления определяется выражением: tK = t3 + ті n ho/hmin. (2.27)
Автоматическое управляющее устройство с ПИ-законом управления
Для реализации ГТИ-закона управления [21,45] обычно вводят гибкие отрицательные обратные связи охватывающие либо только автоматическое управляющее устройство, либо АУУ и сервопривод, включенный последовательно. В данной работе был выбран для исследований первый способ (рис 3.4) реализованный путем включения обратных связей охватывающих управляющие блоки УБ5 и УБю АУУ в виде инерционного звена с передаточной характеристикой:
Woc(S) = Кос/( 1+TocS), (3.15) где Кос,Тос- коэффиценты пропорциональности и постоянная времени звена. Для такого АУУ с релейными характеристиками при линейных обратных связях и пульсирующем режиме работы можно использовать методы анализа линейных систем [11]. Тогда передаточная функция управляющего блока АУУ определяется выражением: Wy(S) l/Woc(S) = (1+Тос)/Кос. Использование такой обратной связи обеспечивает опережающий эффект при уменьшении рассогласования и отпускании релейного управляющего блока, который без обратных связей отпускает при сигнале є = А,Іо, а при их введении при сигнале є = АЛєо + Uoc. Это позволило получить пульсирующий режим работы на этом интервале изменения сигнала рассогласования с линейно уменьшающейся длительностью импульса управляющего сигнала при уменьшении рассогласования, что существенно увеличило устойчивость и качество системы управления процессом. Рабочий орган бульдозера в данном случае имеет характеристику интегрирующего звена (3.14) и его передающая характеристика имеет вид: Wpo(S) = Kr/S, ф. Где Кг — коэффициент передачи рабочего органа. Передаточная функция АУУ с обратной связью и рабочим органом имеет вид: W(S) = Ky(l+l/TocS), (3.16) где Ку - коэффициент передачи. Рассмотрим принцип действия АУУ с ПИ-законом управления и определим основные зависимости характера изменения управляющего сигнала и положения рабочего органа от параметров настройки ПИ-АУУ при наличии рассогласования, например, только в контуре стабилизации угловой щ скорости двигателя. При скачкообразном изменении сигнала рассогласования є на входе УБсо от нуля до 81 о включается релейный управляющий блок и на его выходе формируется сигнал Uy = Uyo sgn єі, который подается на звено ООС и рабочий орган. На выходе ООС формируется сигнал: /тос Uoc = U oc(I-e ), (3.17) где U ос — установившееся (максимальное) значение сигнала обратной связи. Управляющий блок отпускает при: If ei-Uoc = Xlo. (3.18) Совместное решение (3.17) и (3.18) относительно времени позволило определить длительность интервала первого включенного состояния управляющего блока: tl=Toc n l-(U oc/(ei-Xleo)). (3.19) Сигнал на выходе звена ООС в момент времени tl равен: l/Toc Uoc = U oc(l-e ). (3.19а) Начиная с этого момента выходной сигнал звена ООС уменьшается, а входной сигнал релейного звена увеличивается по экспоненте: -(tl)/Toc Uoc = U oc(t-e ). (3.196) В момент времени, когда єі — Uoc = єо управляющий блок снова срабатывает, на его выходе и входе ООС формируется управляющий сигнал. Вследствие этого выходной сигнал ООС снова увеличивается, но не с нуля, а со значения: Uoc= БІ-ЄО. (3.20) Поэтому длительность второго и последующих импульсов при постоянном єі будет меньше первого. Совместное решение (3.17) и (3.20) относительно времени позволило получить длительность этих импульсов tH и длительность паузы между ними: tH = Toe ЄП (U OC - (єі - ео)У( U oc - (єі- Шо)), (3.21) tn = Toe Єп (єі- Шо)/( єі - єо). (3.22) В процессе копания сигнал рассогласования є изменяется практически непрерывно и часто случайно. Вначале копания, после включения САУ в работу, через интервал времени тз, начинается заглубление рабочего органа в следствии наличия на входе АУУ сигнала рассогласования є = Uei — Ueo. Одновременно возрастает выходной сигнал звена ООС согласно (3.17). Характер его изменения однозначно определяется постоянной времени ООС Тос и ее скоростью, пропорциональной тангенсу угла у (tg/ = U oc/Toc). Через время равное 5Тос на выходе звена ООС устанавливается напряжение:
В момент времени, когда будет иметь место условие є + Uoc = - Мго выходной сигнал управляющего блока становится равным нулю. Через интервал времени Т4 прекращается непрерывное заглубление рабочего органа и начинается пульсирующий режим работы АУУ, который возможен при условии: tgy tgp\ (3.24)
где р - угол, тангенс которого пропорционален скорости изменения сигнала рассогласования є при копании.
Увеличение скорости изменения сигнала обратной связи (tgy) увеличивает частоту пульсаций, что отрицательно отражается на качестве управления из-за инерционности электрогидравлики.
Изменение свойств грунта вызывает колебания сил сопротивления движения бульдозера и следовательно увеличение или уменьшения угла 3. Вследствие этого изменяется суммарная скорость перемещения рабочего органа.
Анализ результатов теоретических исследований замкнутой системы автоматического управления процессом копания грунта
Теоретические исследования замкнутой системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером проводились с целью окончательного выбора закона управления, определение его основных параметров, обеспечивающих необходимое качество управления и построение теоретических характеристик поведения системы в динамических режимах. Полученные при этом параметры закона управления позволили разработать наиболее рациональное автоматическое управляющее устройство и отладить его до установки на объект управления.
При моделировании замкнутой системы процессом копания грунта исследовались два закона управления: релейный и пропорционально-интегральный . Качество работы системы автоматического управления оценивалось по колебательности, перерегулированию, времени установления и степени совпадения теоретической эпюры выемки грунта при копании бульдозером, рассмотренной в п. 2.4 настоящей работы, с эпюрой выемки, полученной при моделировании.
На первом этапе исследовалась система автоматического управлениях релейным автоматическим управляющим устройством, структурная схема которого приведена на рис. 3.3. При моделировании подмодель такого автоматического устройства была получена из подмодели ПИ-автоматического управляющего устройства (рис. 4.3), путем отключения отрицательных обратных связей в обоих контурах управления (блоки Transfer Fen).
Результаты моделирования такой системы приведены на рис. 4.4,а в виде диаграмм Uy = /(t); h = f(t) и we = /(t). Из диаграммы видно, что в системе автоматического управления процесса копания грунта с релейным управляющим устройствам возникают незатухающие гармонические автоколебания.
Анализ зависимостей выходного управляющего напряжения автоматического управляющего устройства и скорости вертикального перемещения рабочего органа от управляемой величины, например, угловой скорости дизеля соответственно Uy = /(toe) и vh — /(we) (рис. 4.4, б и 4.4, в); показал, что релейная, обладающая зоной нечувствительности too = j сое - соср и гистерезисом, характеристика ( см. рис. 4.4, б) из-за существенного времени запаздывания электрогидравлики при включении тЗ и отключении т4 исполняющего органа превращается в почти петлевую характеристику на рабочем органе (см. рис. 4,4, в). При этом значение величин Д col и Д со2 определяются не только временами запаздывания Р электрогидравлики тЗ и т4, но и скоростью изменения сигнала рассогласования, т.е. динамикой процесса копания, который состоит, как видно из рис. 4 Да, из переходных процессов. Следовательно значение величин Д col, Д о2, Д соЗ и Д со4 переменны в процессе копания даже при постоянных значениях времен запаздывания электрогидравлики тЗ и т4. Таким образом, момент включения и отключения исполнительного органа определяется значением управляемой величины, скоростью ее изменения и временами запаздывания при срабатывании и отпускании электрогидравлики. $? Устранить эти колебания в исследуемой системе автоматического управления процессом копания грунта можно путем: увеличения зоны нечувствительности автоматического управляющего устройства; уменьшения времени запаздывания электрогидравлики исполнительного органа; использования в данной системе пропорционально-интегрального (ПИ) автоматического управляющего устройства. Эффективность этих путей устранения колебаний были исследованы % при моделировании. Увеличения зоны нечувствительности позволило при достаточно значительном ее значении ликвидировать эти колебания. Однако при этом существенно возросла ошибка системы, что недопустимо. Поэтому этот путь устранения колебаний в системе признан нецелесообразным. Уменьшение времени запаздывания электрогидравлики исполнительного органа при моделировании достаточно просто осуществляется с помощью блока Transport Delay. Исследование процесса копания грунта бульдозером при различном времени запаздывания электрогидравлики показало, что колебания в системе исчезают при времени запаздывания на порядок меньше реальных ее значений. Однако при автоматизации готовой машины этот параметр принадлежит к неизменяемой части системы автоматического управления и Ъ варьировать им не представляется возможным, а в случае проектирования новой машины следует стремиться минимизировать, но при этом приходиться учитывать, что время электрогидравлики имеет конечное относительно большое значение. Следовательно, этот путь так же оказался невозможным. Для исследования эффективности использования ПИ-закона управления, была восстановлена схема подмодели (рис.4.3), путем введения в используемую выше подмодель релейного управляющего устройства отрицательных обратных связей (блоки Transfer Fsn). 0 На этом этапе моделирования исследовались процессы копания системой с ПИ-управляющим устройством при различных значениях зоны нечувствительности, установившегося значения обратной связи, которое определяет начало пульсирующего режима в управлении процессом копания, и других параметров инерционных звеньев. Сравнительный анализ результатов этих многочисленных исследований позволил выбрать наиболее рациональные параметры. Так соотношение установившегося значения сигнала обратной связи и зоны нечувствительности равно Uoc = 7єо. При этом система с ПИ-управляющим устройством имела необходимое качество управления при достаточно высоком быстродействии; Результаты исследования процесса копания грунта такой системой представлены в виде диаграмм Uy = /(t), h = /(t), сое = fit) (рис, 4.5). Уставка угловой скорости вала двигателя too, при этом соответствует режиму работы дизеля, при котором реализуется свободнаят мощность двигателя, которая позволяет реализовать максимальную тяговую мощность, для заложенных в модель конкретных грунтовых условий и параметров двигателей.
