Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ современного состояния создания и работы существующих тренажёров на транспорте 8
1. Существующие тренажёры водителей транспортных средств 8
2. Анализ действующих тренажёров для обучения крановщиков 15
3. Принципы создания электронных тренажёров. Цели и задачи исследования 17
Глава II. Математическая модель плавучего крана 25
4. Расчётная схема плавучего крана и технология его работы 25
5. Выбор обобщённых координат и скоростей. Допущения 29
6. Определения суммарной кинетической энергии плавучего крана 32
7. Определения обобщённых сил 55
8. Составление уравнения Лагранжа второго рода 59
Глава III. Подготовка математической модели для целей создания компьютерного тренажёра 60
9. Дополнительные допущения и преобразование уравнений для решения на ЭВМ 60
10. Алгоритм решения системы дифференциальных уравнений 63
11. Заданные функции системы плавучего крана 65
Глава IV. Создание электронного тренажёра 74
12. Электронно-механическое устройство тренажёра 74
13. Программный пакет для персональной ЭВМ 76
14. Использование тренажёра в учебных и производственных организациях. Эффективность применения тренажёра 89
Заключение 90
Список использованной литературы 95
Приложение
- Анализ действующих тренажёров для обучения крановщиков
- Выбор обобщённых координат и скоростей. Допущения
- Алгоритм решения системы дифференциальных уравнений
- Использование тренажёра в учебных и производственных организациях. Эффективность применения тренажёра
Введение к работе
В морских и речных портах, в специальных учебных заведениях ежегодно осуществляется подготовка более 1000 машинистов кранов [ 4 ] по программе: теоретическое обучение, а затем производственное обучение непосредственно на кране.
Такая система приводит к тому, что длительность производственного обучения, то есть приобретение навыков управления довольно большая, потому, что за рычаги управления будущий крановщик садится впервые. На начальном этапе обучения будущий машинист крана работает с рывками механизмов, то есть с резкими пусками - остановками механизмов, что из-за больших инерционных нагрузок приводит к частым поломкам [9, 10].
Кроме того, кран длительное время выведен из нормальной эксплуатации и используется только для обучения крановщиков. То есть происходит непроизводительное использование грузоподъёмной машины. Важно так — же, чтобы приобретаемые навыки управления краном обеспечивали наибольшую производительность машины при минимальных нагрузках на металлоконструкцию и механизмы крана. Достигнуть такого состояния быстро при отсутствии тренажёра для крановщиков достаточно трудно.
Развитие компьютерной техники в мире, в частности высокопроизводительных персональных ЭВМ позволяет сравнительно быстро и недорого решать задачи трудноосуществимые 10 лет назад.
Всё это позволяет сделать вывод о необходимости и возможности широкого применения компьютерных тренажёров нового поколения для обучения крановщиков.
В СССР и России разработкой подобных тренажёров занимался Пермский политехнический институт. Было создано более двух десятков образцов тренажёров различных кранов. Однако созданные тренажёры не нашли широкого применения в основном по трём причинам:
тренажёр предусмотрен изготовляться как индивидуальная конструкция;
недостаточная визуализация перегрузочного процесса. На дисплее, как правило, нужно совместить две светящиеся фигуры - груз и точка адресации груза. Отсутствует изображение реальных объектов (судна, складов, причала и др.);
не предусмотрена возможность оперативно менять компьютерную программу для изменения задания обучаемым крановщикам.
Кроме того созданные тренажёры устарели морально.
В современных учебных заведениях, готовящих крановщиков, очень мало тренажёрных средств. Тому есть ряд причин. Учебные комбинаты ведут учебный процесс по старой и проверенной методике, не предусматривающей применение ЭВМ и тренажёров, т. к. когда создавалась эта методика, такие технические средства ещё не были широко распространены. Современные тренажёры достаточно дороги и их закупка считается не оправданным экономически. В настоящее время руководители предприятий не достаточно отчётливо понимают эффективность применение тренажёров. Подъёмный кран неоправданно считается менее опасной машиной для оператора, окружающих людей и среды, чем самолёт, поезд или корабль. Поэтому принято обучать будущих крановщиков навыкам управления непосредственно на кране. В речных и морских портах осталось много подъёмных кранов со времён СССР, когда грузооборот был значительно выше, чем в настоящее время, поэтому пока новая техника покупается редко и для обучения крановщиков используется свободная старая техника. Кроме того, на производстве и транспорте работает много крановщиков, получивших опыт во времена Советского Союза, и этих рабочих кадров пока хватает для обслуживания современного уменьшившегося грузооборота. Однако через несколько лет большинство из опытных крановщиков достигнут пенсионного возраста и остро встанет вопрос о подготовке новых кадров.
Директора и владельцы предприятий будут вынуждены тратить больше средств на подготовку новых кадров.
Вместе с тем, в настоящее время в России практически отсутствуют предложения на рынке тренажёров для обучения операторов подъёмных средств. Задача настоящего исследования - показать возможность создания недорогого тренажёра, который будет использоваться для формирования у будущих крановщиков первоначальных навыков управления подъёмным краном.
«В сегодняшних экономических условиях, когда, с одной стороны возрастает спрос на тренажёрную технику, а с другой, обостряются вопросы согласования сроков и стоимости создания тренажёров, вопросы определения эффективности их дальнейшего использования, задача выбора тренажёров становится весьма актуальной как с педагогических, так и с экономических позиций. Поэтому выбор тренажёра (комплекса тренажёрных средств), требующегося для профессиональной подготовки того или иного субъекта обучения, должен быть строго научно увязан с процедурой установления пространства выбора на основе некоторой классификации, с правилами (алгоритмами) выбора конкретного средства профессиональной подготовки (СПП) из данного пространства и, следовательно, с показателями эффективности этого выбора.» [ 2 ]
Проблеме выбора тренажёра посвящена первая глава. Основные черты и признаки современного тренажёра для обучения операторов подъёмной техники показаны в первой главе на основе примеров тренажёров нового уровня для обучения операторов различных транспортных средств.
Вторая глава посвящена созданию математической модели плавучего крана для целей написания программы для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса.
В третьей главе проводится адаптация математической модели для конкретного тренажёра. Далее описываются заданные функции работы механизмов крана.
7 В четвёртой главе рассказывается непосредственно о создании опытного образца тренажёра для обучения крановщиков плавучего крана. Здесь же описывается интерфейс (способ общения с оператором) тренажёра, настройка и возможности изменения параметров моделируемой ситуации работы крана. Так же приводятся результаты внедрения опытного образца тренажёра в учебный процесс Московской Государственной академии водного транспорта.
Анализ действующих тренажёров для обучения крановщиков
При этом в существующих тренажерах на экране указаны координаты (в плоскости) точек захвата и отдачи груза и положение груза с учетом отклонения грузового каната от вертикали. Перемещение груза показано на экране тренажера с помощью светящейся точки. Имитацию включения и выключения механизмов крана осуществляется натурными командоконтроллерами. Недостатки; 1. Нет наглядности и объемного обозрения окружающей обстановки (расположения судна, причальной стенки, вагонов, складов и т.д.) 2. Нет возможности менять параметры (геометрические, инерционные и др.) при обучении оператора на одном тренажере. 3. Отсутствует возможность указывать на дисплее оптимальную траекторию движения груза, к которой должен стремиться обучаемый. 4. Тренажеры предусмотрены изготовляться как индивидуальные (не серийные) конструкции. Устранение указанных недостатков возможно только при изменении принципа создания тренажера. Примеры создания в России других вариантов тренажёров для обучения машинистов кранов не найдены, что говорит об их отсутствии, либо о недостаточности информирования. Тренажёр - сложная техническая система, число структурных компонентов которой не является величиной постоянной. Наиболее полная структура тренажёра включает в себя (рис. 1) следующие компоненты [2]: - рабочие места обучаемого (РМО) и руководителя обучения (РМРО); - моделирующее устройство (МУ), обеспечивающее моделирование имитируемых на тренажёре процессов и управление системами тренажёра; - устройство сопряжения (УСО) основных элементов тренажёра с МУ; - систему связи (СС) между участниками тренировки; - систему регистрации (СР) хода тренировки или отдельных фрагментов процесса функционирования объекта; - систему визуализации, воспроизводящую внешнюю оперативную обстановку (СИВО); - телевизионную систему (ТВС) для визуализации наблюдения за действиями обучаемых и контроля психофизиологического состояния обучаемого, а также показаний средств информации и положения органов управления РМО; - систему имитации динамических эффектов движения (СИДЭД) - для подвижных объектов. Далеко не всегда тренажёр содержит все приведённые компоненты.
Чаще всего тренажёр включает в себя первые шесть компонентов. По своей ориентированности на тип пользователя тренажёры классифицируются [ 2 ] как рассчитанные: 1) на разработчика технических систем. Это так называемые исследовательские тренажёры, позволяющие разработчику всесторонне исследовать физику процессов функционирования проектируемой системы, либо оптимизировать пульты управления этой системой; 2) на ремонтника технических систем. Такие тренажёры должны обеспечивать моделирование возможных отказов и неисправностей системы. Обучаемый на таком тренажёре специалист учится локализовать эти отказы и неисправности с имитацией (или без) их устранения; 3) на оператора системы «человек-машина». Такой тренажёр предназначен для отработки эксплуатационных процедур, связанных с управлением системой «человек-машина» как при её исправном состоянии, так и при возникновении отказов и неисправностей компонентов этой системы.
Выбор обобщённых координат и скоростей. Допущения
Варьируя типами субъекта обучения и количеством различных компонентов требуемой системы производственного обучения, можно добиться высокой эффективности функционирования системы обучения. Это всегда достигается путём компромисса между качеством обучения (здесь желательно индивидуальное обучение), количеством обученных (здесь наибольший эффект достигается при параллельном обучении операторов на одном или нескольких средствах профессиональной подготовки) и факторами экономического характера.
Методика обучения будущих крановщиков в значительной степени содержится в работе Н. П. Гаранина [ 3 ]. В частности предложен вариант оценки действий обучаемого по времени, затраченному на перегрузочный цикл крана, по количеству включений механизмов крана за время перегрузочного цикла, а также по степени приближенности траектории движения груза к оптимальной траектории, рассчитанной компьютером для данных условий перегрузки.
Исходя из выше написанного, признаками современного тренажёра для обучения крановщиков портовых кранов можно считать: 1 Тренажёр должен быть на базе серийной ПЭВМ. 2 В тренажёре целесообразно применение натурных средств управления. То есть максимальное приближение обстановки тренажёра к обстановке реального рабочего места. 3 Визуализация в тренажёре среды, окружающей имитируемую машину (кран). 4 Наличие в тренажёре нескольких возможных схем тренировки для увеличения заинтересованности обучаемого и увеличения эффективности тренировки. 5 Выведение на экран параметров рабочего процесса. 6 Возможность гибко менять задание для обучаемого и условия имитируемой работы подъёмного крана. 7 Автоматическая оценка действий обучаемого на основе специально разработанных критериев. Целями настоящего исследования являются: - показать возможность создания недорогого тренажёра, который будет использоваться для формирования у будущих крановщиков первоначальных навыков управления подъёмным краном; - создание и практическое опробование недорогого тренажёрного комплекса нового уровня для обучения машинистов кранов с применением персональной ЭВМ. Задачи исследования: - провести обзор существующих образцов тренажёров для обучения операторов транспортных и перегрузочных средств, а также тенденций в тренажёростроении с целью выявления признаков и параметров современных тренажёрных средств; - создать математическую модель плавучего крана; - на основе математической модели написать и отладить программу для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса; - создать собственно тренажёрный комплекс; - внедрить созданный тренажёр в учебный процесс и получить отзывы и замечания по использованию - определить дальнейшие пути создания и совершенствования тренажёров для обучения машинистов кранов.
Массу всего крана распределяем между понтоном, машинным отделением, стрелой, хоботом, противовесом и грузом. Массы обозначим следующим образом: тп - масса понтона, шч - масса машинного отделения, тс - масса стрелы, тх - масса хобота, тпр - масса противовеса, Vnr - масса груза. Вводим системы координат: X0YoZo - неподвижная, связанная с берегом; XYZ - подвижная, связанная с понтоном. Для составления физической модели плавучего крана принимаем стрелу, хобот в виде стержней не имеющих толщину, так как она незначительна (4-6%) по сравнению с длиной указанных объектов. Во время работы плавучий кран закрепляется к причалу, судну или крепится с помощью свайного закола [7, 8, 11 ]. Поэтому во время работы исключаются поступательные движения понтона и вращательные вокруг вертикальной оси. При максимальном волнении поверхности воды рабочего состояния крен достигает не более 4 градусов. Во время работы крен возникает в основном за счёт изменения вылета стрелы с грузозахватным органом и грузом, а также при ветре. Основными вариантами работы нашей крана являются судно-склад и склад - судно. При работе по первому варианту (рис. 3) груз захватывается на судне [24, 25, 27, ]. Затем груз поднимается на достаточную для переноса высоту. После этого совмещением работы механизмов поворота и вылета груз переносится в точку разгрузки на берегу. Для разработки математической модели [ 6, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 ] плавучего крана принимаем расчётную схему ( рис. 2) и при решении задач создания тренажёра для обучения машинистов крана вводим следующие допущения: 1. Упругостью понтона, элементов поворотной части (стрелы, машинного отделения, хобота и др.) пренебрегаем, принимая их абсолютно жёсткими, ввиду незначительности внутренних перемещений (деформаций) точек системы, в сравнении с внешними. 2. Массу грузового каната, на котором подвешен груз, не учитываем. 3. Смещение центра тяжести понтона с краном и грузом на крюке по вертикали принимаем равным нулю. 4. Работу крана рассматриваем на тихой воде с учётом ветра рабочего состояния. 5. Перемещения понтона в горизонтальной плоскости отсутствуют, что соответствует жёсткому закреплению понтона к причалу (неподвижному судну). Рассматриваемая система понтон-кран-груз имеет независимые друг от друга параметры (обобщённые координаты), при помощи которых можно в любой момент времени однозначно определить положение системы и, следовательно, выразить декартовы координаты всех её точек через эти параметры. Число этих независимых параметров определяется числом степеней свободы рассматриваемой системы. У свободного, абсолютно твёрдого тела (у которого отсутствуют внутренние деформации) имеется шесть степеней свободы. Применительно к рассматриваему крану наличие связей исключает некоторые степени. Причал к берегу, или свайный закол исключают перемещение понтона крана в горизонтальной плоскости и вращение понтона вокруг вертикальной оси. Перемещение понтона в вертикальной плоскости крайне незначительно из-за незначительности волнения водной поверхности рабочего состояния. Поэтому принимается отсутствие перемещения понтона крана в вертикальной плоскости. В то же время возможность раскачивания груза на канатной подвеске добавляет две степени свободы. Перемещение частей системы понтон-кран-груз относительно друг друга задаются работой механизмов и известны в любой момент времени, т. е. не являются степенями свободы.
Алгоритм решения системы дифференциальных уравнений
При использовании различных форм заданных функций П = П(Ч), % = ( t), L = L( t) при решении на ЭВМ получаются неодинаковые формы значений 0 = 0( t ), F = Ч ( t ), ар = ар( t ), оц = 0 ( t ). В то же время при некоторых формах заданных функций получается наибольшая производительность крана. Вид заданных функций определён из опыта работы более 1000 крановщиков в различных портах на территории бывшего СССР [ 04 ]. За основу затрат времени в цикле принята функция Q = П( t), поскольку чаще всего наибольшее время при переносе груза и возврате обратно занимает суммарное время поворота крана. Это позволяет составить "типовой цикл" работы крана, при котором после решения уравнений движения крана получаются определённые значения 0 = 0(t), = (0, op = ap(t),aI = at(t). Для обеспечения наивысшей производительности перегрузки из опыта лучших крановщиков проф. д. т. н. В. Ф. Сиротский получил формулу для функции угла поворота от времени: - угол, необходимый, для перемещения груза из одной точки в другую; со - паспортная скорость вращения поворотной части крана; График изменения угла наклона стрелы в зависимости от времени можно представить исходя из следующих условий [ 04 ]: - движение механизмов поворота и изменения вылета стрелы полностью совпадают по времени; - максимальные углы наклона стрелы от вертикали наблюдаются в начале и конце движения; - минимальный угол отклонения стрелы от вертикали соответствует моменту времени, когда скорость поворота крана достигает максимального значения. В этом случае обеспечивается работа с совмещением движений и наибольшей производительностью перегрузки.
Общий вид формулы Н. П. Гаранина для угла наклона стрелы будет иметь вид: Коэффициенты Bi , Ai определяются исходя из скоростных и геометрических параметров моделируемых кранов. В среднем принимаем [04]: Заданная функция длины подвеса груза может быть представлена для учебных целей на тренажёре в виде: L0 - начальная длина подвеса груза; Vn - паспортная скорость подъёма (спуска); t - текущее время. Для решения задач о точности адресации груза при перегрузочном процессе, а также для обучения крановщиков навыкам управления краном на базе передовых методов работы лучших операторов кранов можно использовать следующий подход [ 04 ]. На дисплее персонального компьютера получить графическое изображение "оптимальной" кривой перемещения грузозахватного органа на основе задаваемых функций О. = П( t ), Ъ, = ( t), L = L( t) для заранее заданных значений угла поворота, высот точек захвата и отдачи груза, паспортной скорости вращения поворотной части крана и др. Для обучения операторов передовым навыкам работы можно будущему крановщику предложить работать механизмами подъёма, поворота и изменения вылета стрелы по выбираемым им самим С1 Q( t), Ъ, = ,( t), L = L( t), добиваясь приближения к "оптимальному" циклу. Решается система дифференциальных уравнений движения крана с шагом (интервалом) во времени At и для каждого значения t + At определяется функции времени 0 = (t), = 4?(t), (Xp = (Хр( t), Or = 0 ( t). Задача составления машинной программы состоит в расчёте на компьютере координат груза в пространстве и во времени. Вначале координаты груза определяются для каждого момента времени (с принятием временного интервала At) по заданным значениям угла поворота крана и угла качания стрелы из условия оптимального цикла крана, а также для заданных высот подъёма груза (для переноса груза из судна на склад, вагон и обратно), то есть для задаваемых (варьируемых для обучения) значений высоты подвеса L = Lo + L( t). Таким образом, после определения координат точки подвеса груза и координат груза с учётом длины подвеса, необходимо определить углы отклонения грузового каната от вертикали ар и о , чтобы графически показать для тех же моментов времени (t + At) отклонение (наклон) вертикали груза с графическим изображением этой наклонной линии в тот же момент времени, для которого подсчитывались координаты точки подвеса груза. ( Общий угол отклонения подвески груза в пространстве do = V а2р + х2т ). Для этого требуется решать систему двух дифференциальных уравнений (106). Дифференциальные уравнения движения системы понтон - кран - груз составлены в общем виде с учётом работы трёх механизмов: поворота, подъёма и изменения вылета стрелы. Из практики известно, что наиболее характерным режимом интенсивной эксплуатации крана является совмещение работы двух механизмов [04]: 1. Поворот крана и изменения вылета стрелы. 2. Поворот крана и подъём-спуск груза. 3. Подъём-спуск груза и изхменение вылета стрелы. На практике опытные крановщики совмещают работу трёх механизмов, но по правилам работы на кране такие действия запрещены. Раскачивание груза происходит в основном в результате работы механизмов поворота крана и изменения вылета стрелы. Гасятся колебания груза работой этих же механизмов за счёт изменения координаты и скорости точки подвеса груза. Комбинации заданных функций целесообразно составлять на основе различных вариантов работы крана. Для этого составляется примерная циклограмма работы крана, по которой с учётом совмещения движений механизмов принимают заданные функции. В реальных производственных условиях имеет место большое разнообразие структур цикла работы крана из — за различных численных значений высоты подъёма - спуска груза, угла поворота крана, изменения радиуса вылета стрелы, умения совмещать два движения, выбора мест захвата и отдачи груза и умения успокаивать раскачивание груза на гибкой подвеске за счёт минимально возможных включений - выключений механизмов поворота и изменения вылета (в редких случаях включением механизмов подъёма груза) [26, 28, 29, 30, 31].
Использование тренажёра в учебных и производственных организациях. Эффективность применения тренажёра
Компьютерный тренажёр включён в учебный процесс с начала 2003/2004 учебного года. Используется при изучении дисциплин 1-го уровня: «Устройство и оборудование портов», «Портовые подъёмно-транспортные машины» и дисциплины 3-го уровня «Портовые подъёмно-транспортные машины» (лабораторные работы). Разработана инструкция по применению тренажёра. Тренажёр позволяет познакомить учащихся со способом управления подъёмным краном, особенностями перегрузки грузов с помощью подъёмных кранов с канатной подвеской грузозахватного органа. С помощью программы тренажёра строиться циклограмма работы крана и сравнивается с расчётной циклограммой, полученной на лабораторных работах. После усовершенствований, проведённых по результатам эксплуатации, возможно массовое применение в учебных центрах предприятий и учебных заведениях. При проведении анализа методов и технических средств для обучения машинистов кранов в портах выявлена необходимость и возможность разработки принципиально нового тренажёрно - обучающего комплекса. Проведён обзор существующих тренажёров для обучения водителей и операторов транспортных и перегрузочных средств.
Обзор показал широкое распространение и совершенство тренажёров для судоводителей, автоводителей, машинистов поездов, но малую распространённость тренажёров для операторов подъёмно-перегрузочных машин. Отмечены недостатки и сильные стороны существующих тренажёров для обучения машинистов кранов. На основе проведённого анализа выделены основные признаки современного тренажёра нового уровня для обучения машиниста крана: 1 Тренажёр на базе серийной ПЭВМ. 2 Применение натурных средств управления, максимальное приближение обстановки тренажёра к обстановке реального рабочего места. 3 Визуализация в тренажёре среды, окружающей имитируемую машину ( кран ). 4 Наличие в тренажёре нескольких возможных схем тренировки для увеличения заинтересованности обучаемого и увеличения эффективности тренировки. 5 Выведение на экран параметров рабочего процесса. 6 Возможность гибко менять задание для обучаемого и условия имитируемой работы подъёмного крана. 7 Автоматическая оценка действий обучаемого на основе специально разработанных критериев.
Описаны принципы выбора тренажёра и методика составления технического задания на тренажёр. Составлена расчётная схема плавучего крана для целей создания тренажёра, обучающего первоначальным навыкам управления плавучим краном. Выполненное теоретическое исследование обеспечило получение математической модели плавучего крана для условий работы с гибкой подвеской груза в виде системы дифференциальных уравнений второго порядка на основе уравнения Лагранжа 2-го рода, с коэффициентами, зависящими от заданных функций времени. В качестве обобщённых координат взяты: - угол крена понтона 0; - угол дифферента понтона Р; - угол отклонения грузового каната в плоскости стрелы ар; - угол отклонения грузового каната в плоскости, перпендикулярной плоскости стрелы OtJ Общий вид системы уравнений: Ai - Ац , Bi - By , Ci — C8 , Dr D8 - величины, зависящие от заданных функций, геометрических и инерционных параметров Теоретическое обобщение решения системы дифференциальных уравнений представлено в виде, пригодном для составления алгоритма и компьютерной программы. Разработан путь решения математической модели, который применён в программе электронного тренажёра. Даны рекомендации для принятия численных значений величин, используемых при решении уравнений движения груза. Исследованы параметры функций времени (работы механизмов подъёма, поворота и вылета), используемых в уравнениях движения плавучего крана. Математическая модель подвергнута оправданным упрощениям с целью использования её в программе для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса. Поисковые исследования комбинаций и форм заданных функций времени механизмов подъёма, поворота и изменения вылета стрелы крана позволили разработать расчётную циклограмму его работы при обучении на тренажёрно — обучающем комплексе. Во время научно-исследовательской работы созданы программа для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса, сам тренажёр с натурными органами управления - коммандоконтроллерами, а так же переходное электронное устройство, связывающее органы управления с ПЭВМ. Программа позволяет рассчитать положение грузозахватного органа в любой момент времени в зависимости от действий оператора, получить изображения грузозахватного органа с грузом или без, района перегрузки с окружающими объектами как вид из кабины крановщика. Экран монитора является элементом системы визуализации тренировки. Программа тренажёра выводит на экран текущие параметры тренировочного процесса: текущие координаты грузозахватного органа, координаты точки адресации грузозахватного органа, текущие скорости механизмов крана, время, прошедшее с начала грузового цикла. Программа автоматически регистрирует и записывает в память циклограммы работы механизмов крана и сравнивает с оптимальной циклограммой для данной схемой механизации и параметров перегрузки. Программа автоматически оценивает работу оператора.
