Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследований 10
1.1 Актуальность поставленной задачи 10
1.2 Средства и системы автоматизации грузоподъемных кранов 13
1.3 Принципы автоматизации с использованием стабилизационной платформы 25
1.5 Постановка задачи исследования 28
1.6 Выводы 29
2. Разработка методов и средств автоматизации управления траекторией транспортируемого груза 31
2.1 Принципы построения системы управления траекторией схвата грузоподъемного крана 31
2.2 Особенности мехатронных систем на базе грузоподъемных кранов 37
2.3 Методы контроля траектории при помощи нечёткой логики 43
2.4 Выводы 53
3. Разработка математической модели управляющего устройства мехатронной системы на базе грузоподъемного крана 55
3.1 Математическое моделирование грузоподъемного крана как объекта 55
3.1.1 Общие положения 55
3.1.2 Математическая модель МС на базе кранов с поступательными движениями (тип I) 67
3.1.3 Математическая модель МС на базе стреловых поворотных кранов (тип II и III) 77
3.1.4 Математическая модель МС на базе кранов комбинированного типа (тип IV) 84
3.2 Математическая модель нечёткой системы управления 91
3.3 Синтез системы управления 96
3.3.1 Подсистема стабилизации траектории МС грузоподъемного крана 96
3.3.2 Синтез сепаратных регуляторов многоканального подвеса груза подъёмного крана 99
3.3.3. Синтез подсистемы регулирования длины канатов 105
3.4 Выводы 127
4. Экспериментальные исследования и разработка рекомендаций 133
4.1 Компоновка управляющего устройства мехатронной системы 133
4.2 Метрологическое обеспечение МС 136
4.3 Экспериментальные исследования и рекомендации по использованию системы 139
4.3.1 Исследование упругих свойств стабилизационной платформы при движении 140
4.3.2 Экспериментальные исследования подсистемы регулирования длины канатов 141
4.3.3 Экспериментальные исследования процесса обхода препятствий краном с поступательным движением 148
4.4 Выводы 153
Заключение 155
Список использованной литературы 157
Приложение 1 Программа расчета оптимальной траектории по заданным критериям оптимальности 164
Приложение 2 Программа моделирования обхода препятствий 198
Приложение 3 Акты внедрения 210
- Средства и системы автоматизации грузоподъемных кранов
- Особенности мехатронных систем на базе грузоподъемных кранов
- Математическая модель МС на базе кранов с поступательными движениями (тип I)
- Экспериментальные исследования и рекомендации по использованию системы
Введение к работе
Бурный, практически экспоненциальный рост экономики ведущих стран мира, характерный для второй половины ХХ-го века, достижения науки и техники в этот период убедительно показали, что автоматизация технологических процессов, робототехника, а с начала 80-х и мехатроника являются одной из движущих сил производства, важнейшим фактором его развития. Лавинообразный прогресс вычислительной техники и повсеместное внедрение информационных технологий (техническое зрение и распознавание образов, компьютерный перевод и голосовое общение, поиск и генерация знаний в базах данных, нейросетевые автоматы с возможностью самообучения) создали предпосылки для скачкообразного, качественного развитии техники.
Подъёмно-транспортные машины, широко применяющиеся практически во всех областях промышленности, транспорта и строительства, как правило, являются не только средством значительного облегчения технологического процесса, но и неотъемлемой его частью. При всём многообразии задач, решаемых при помощи различных типов подъёмно-транспортных машин, их можно условно разделить по степени используемой автоматизации. Уровень автоматизации конкретного технологического процесса обуславливается как типом применяемого подъёмно-транспортного оборудования, так и множеством внешних условий - номенклатурой переносимого груза, постоянством траектории, погодными условиями, периодичностью работ и т.д.
Актуальность темы. Использование грузоподъемных кранов связано с необходимостью контроля траектории перемещаемого груза. Особенно важным это является при проведении строительных и реконструкционных работ в крупных городах, характеризующихся стеснёнными условиями уже существующей застройки; обслуживании портовых терминалов и накопительных площадок; внутрицеховых перевозках мостовыми кранами. В этих и во многих других случаях существует необходимость выбора оптимальной траекторий грузозахватного устройства и, опосредованно, самого груза. При этом должна обеспечиваться стабилизация его положения, отсутствие раскачивания и случайных отклонений. Оптимальность траектории может быть достигнута по различным критериям, таким как минимизация перемещений, экономичность, скорость транспортировки и так далее, в зависимости от конкретных рабочих условий. Кроме того, в условиях динамически изменяющейся обстановки необходимо «предвидеть» ситуацию на планируемой траектории перемещения груза, предотвращая возникновение опасных или аварийных ситуаций и возможные столкновения. Таким образом возникает проблема управления траекторией транспортируемого груза, сводящаяся, в конечном счете, к проблеме управления траекторией захватного устройства грузоподъемного крана.
В настоящее время разработаны многочисленные методы, позволяющие сохранять неизменным положение транспортируемого груза относительно заданной траектории при помощи специальных схем подвеса. Однако, они не рассчитаны на резкие непредвиденные изменения ситуации, связанные со сторонними возмущающими воздействиями (изменение ветровой нагрузки, возникновение непредвиденных помех на траектории следования, возникновение аварийной ситуации, требующей немедленного изменения траектории или прекращения операции и т.д.). В свою очередь существующие системы предотвращения столкновений (антиколлизийные системы) отличаются высокой степенью адаптивности и качеством прогнозирования траектории, но автоматическая стабилизация положения груза не входит в круг решаемых ими задач.
Наиболее целесообразным представляется объединение достоинств существующих решений путем создания мехатронной системы (МС) на базе грузоподъемного крана, способной работать в динамически изменяющемся рабочем пространстве переменной конфигурации, позволяющей автоматически стабилизировать положение груза и управлять его движением.
Настоящая работа посвящена разработке принципов построения и структуры такой мехатронной системы.
Соответствие диссертации научному плану работ ГОУВПО ЮРГТУ(НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехниче ского института) «Теория и принципы создания робототехнических и меха-тронных систем и комплексов», утвержденного ученым советом в 2001 году. Отдельные части работы выполнены в соответствии с тематикой по единому заказ-наряду Министерства образования РФ «Теория интеллектуальных информационно-управляющих систем и принципов построения мобильных робототехнических комплексов и мехатронных устройств с лазерными каналами связи» № 19.99 Ф.
Цель работы. Создание мехатронной системы на базе грузоподъемного крана, обеспечивающей возможность автоматической стабилизации положения груза относительно заданной траектории и управления его движением в условиях недетерменированного рабочего пространства.
В связи с этим необходимо решить следующие задачи:
- исследовать технологические особенности перемещения элементов различной массы и габаритов в условиях динамически изменяющегося рабочего пространства;
- разработать принципы построения мехатронной системы (МС) с использованием специализированной стабилизационной платформы, минимизирующей отклонения от заданной траектории;
- разработать математические модели МС на базе различных типов грузоподъемных кранов;
- разработать алгоритмы прогнозирования и оптимизации траектории перемещения захватного устройства грузоподъемного крана;
- синтезировать управляющее устройство мехатронной системы с синхронизацией движений исполнительных механизмов;
- сформулировать рекомендации по практической реализации модулей МС, в том числе информационно-измерительной и управляющей подсистем.
Идея работы. Использование МС грузоподъемного крана, обеспечивающей автоматическую стабилизацию оптимальной траектории, расчитываемой на основе методов нечеткой логики и алгоритмов нелинейной оптимизации. При этом управляющий модуль МС используется для расчета оптимальной траектории и предотвращения столкновений, а для компенсации отклонений от предписанной траектории используется специализированная стаб
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач были использованы основные законы классической физики, методы теоретической и строительной механики, математического анализа, классической и современной теории управления, робототехники и мехатроники, теории планирования эксперимента. Основные расчеты и моделирование систем управления проводились с помощью компьютерного моделирования, исследования и проектирования. Полученные результаты проверялись экспериментально в лабораторных и производственных условиях.
Научные положения, выносимые на защиту:
- структура управляющего устройства (УУ) МС, позволяющего автоматизировать транспортировку груза по одному или нескольким оптимизационным критериям, обеспечивать стабильность траектории и предотвращать возможность столкновения, состоящего из двух подсистем, первая из которых соответствует локальной системе управления стабилизационной платформой, а вторая обеспечивает управление перемещением захватного устройства крана и взаимодействие с локальной системой;
- математические модели мехатронной системы на базе различных типов грузоподъемных кранов, результаты исследования динамики мехатронной системы и ее регулирующих механизмов;
- методы прогнозирования и алгоритмы автоматического выбора траектории перемещения захватного устройства кранов с учётом имеющихся препятствий, запретных зон и оптимизационных критериев.
Новизна научных положений, выносимых на защиту, заключается в следующем:
- научно обоснованы принцип построения и структура мехатронной системы для автоматической стабилизации положения груза и управления его движением, отличающаяся наличием специализированной стабилизационной платформы и модуля управления, построенного на основе нечётких математических моделей;
- разработана математическая модель мехатронной системы с использованием специализированной стабилизационной платформы и установлена степень влияния особенностей типа грузоподъемного крана, выбранного в качестве базового, на эффективное управление траекторией захватного устройства;
- впервые предложен алгоритм выбора оптимальной траектории по введённому критерию оптимизации с использованием метода векторизации скалярных матриц, а также на базе методов нечеткой логики разработана система предотвращения столкновений.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлены корректностью допущений, принимаемых при разработке математических моделей и расчетных схем, аппробированностью использованных методов решения дифференциальных уравнений, рекомендованным метрологическим и экспериментальным обеспечением исследований, приемлемой сходимостью теоретических результатов и экспериментальных данных (расхождение не превышает 10%).
Научное значение работы заключается в развитии теоретических положений управления движением захватного устройства для грузоподъемных кранов, принципов построения и управления мехатронными системами.
Практическое значение полученных в работе результатов заключается в следующем:
- предложено техническое решение по созданию мехатронной системы грузоподъемного крана для автоматической стабилизации положения захватного устройства и управления его движением с использованием стабилизационной платформы;
разработаны рекомендации по промышленному использованию предлагаемой мехатронной системы при проведении строительных работ, обработке контейнерных терминалов, автоматизированных складов и открытых площадок хранения, а также в других областях применения;
- разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать подъёмно-транспортные работы в условиях недетерминированного пространства с помощью МС, что дает возможность повысить производительность труда, сократить расход электроэнергии и повысить степень безопасности труда;
- написана программа-эмулятор, позволяющая имитировать в лабораторных условиях работу управляющего модуля мехатронной системы, для использования в учебном процессе кафедры "Автоматизация производства, робототехника и мехатроника" (АПРиМ), а также кафедры "Машины и аппараты химических и пищевых производств" (МАХПП) Южно
Российского Государственного Технического Университета (Новочеркасского Политехнического Института) ЮРГТУ(НПИ)
Реализация результатов работы.
Элементы разработанной системы управления испытаны и приняты к внедрению на ОАО «Индустрия-сервис» (г. Ставрополь), ООО «Фишт» (г. Апшеронск), ЗАО «Терминал» (г. Новороссийск), ЗАО «Энергополис» (г. Волгодонск), 000 «Донские технологии» (г. Новочеркасск) и Туапсин-ской нефтебазе (г. Туапсе). Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре АПРиМ для студентов специальности 22040165 (071800) «Мехатроника» и на кафедре МАХПП для студентов специальности 34005218 (064921) «Машины и аппараты химических производств» при проведении лабораторных занятий, в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на П-й международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (г. Новочеркасск, 1999 г.), Международной научно-практической конференции «Строительство 2000» (г. Ростов-на-Дону, 2000 г.), Научно-методической конференции вузов Северного Кавказа «Проблемы интеграции гуманитарных, фундаментальных и профессиональных знаний в техническом образовании» (г. Новочеркасск, 2001 г.), Общероссийской научно-практической конференции "Мехатроника 2004" (г. Белгород, 2004 г.), ежегодных научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 1998-2005 гг.).
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 15 работ и получено положительное решение по заявке на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Её содержание изложено на 163 страницах, содержит 57 рисунков и 4 таблиц. Библиографический список цитируемых литературных источников включает 89 наименований. Приложения включают материалы вспомогательного характера, прикладные программы моделирования и акты внедрения.
Средства и системы автоматизации грузоподъемных кранов
Будучи комплексной по своей сути, проблема автоматизации процессов с участием грузоподъёмных кранов может рассматриваться как ряд задач, каждая из которых требует отдельных технологических решений. Одной из них является необходимость жёстко следовать определённой траектории перемещаемого груза, особенно при строительстве, ведущимся в крайне стеснённых условиях уже существующей застройки. Особый интерес при этом вызывает проблема стабилизации траектории транспортируемого груза, ко торую можно свести, в конечном счете, к проблеме стабилизации схвата грузоподъемного крана [4,5].
Использование мехатронных систем на базе грузоподъемных кранов в настоящее время является одним из наиболее перспективных средств автоматизации подъемно-транспортных работ вообще и строительно-монтажных в частности. В этом случае операции по захвату и переносу груза к предназначенному месту монтажа, выверке и фиксации с высокой точностью выполняются при помощи специализированных мехатронных систем. При этом исполнению узла между несущим элементом (крюком крана, несущим канатом) и средством крепления (схватом) придается особое значение [4,6].
В московской строительной академии, например, разработаны различные кинематические схемы, которые в зависимости от рода соединения между краном и манипулятором выполнены с жесткой связью или канатным подвесом (рис. 1.1) [7]. На рис. 1.1а приведена схема, представляющая собой комбинацию из самоходного шасси и поворотного вертикального звена-башни. Перемещаемое вдоль стрелы подвижное звено состоит из трех телескопических секций с закрепленным на последней выдвижной секции ориентирующим органом.
В отличие от этого вариант, представленный на рис. Lib, характеризуется наличием поворотной телескопической опоры, предназначенной для дополнительной опоры стрелы грузоподъемного крана на перекрытие монтажного горизонта с целью подавления случайных отклонений монтируемого элемента от воздействия ветровой нагрузки.
На рис. 1.1с показана схема с перемещаемым несущим основанием, поворотным вертикальны звеном-башней, подвижной относительно стрелы и башни горизонтальной траверсой, связанной с перемещаемым контргрузом канатами, и с двумя пространственными полиспастами. Ориентирующий орган имеет возможность смещаться вдоль траверсы.
Схема на рис. l.ld включает в себя подвижное шасси с глобальной степенью подвижности; поворотную башню; два подвижных вдоль башни горизонтальных звена-стрелы, имеющих привод поворота в плане, уравновешивающих друг друга посредством соединения канатами. На каждой стреле ус тановлен подвижный ориентирующий орган. В результате процесс монтажа из цикличного превращается в непрерывный.
Схема на рис. Lie характеризуется тем, что на одном вертикальном поворотном звене-башне установлены две стрелы с возможностью индивидуального раздельного привода и две противовесных консоли. По каждому горизонтальному звену перемещается ориентирующий орган. Его движение осуществляется посредством индивидуального привода с противовесной консоли, в зоне которой происходит захват груза.
Кинематические схема, показанная на рис. 1.1 f имеет самоходное основание, поворотную башню, подвижные относительно башни стрелы и рукояти.
Отличием схемы на рис. l.lg по сравнению с предыдущей является то, что она предназначена для стрелового грузоподъемного крана, а ориентирующий орган снабжен телескопическим устройством для временной опоры.
Особенность кинематики ориентирующего органа, представленного на рис. l.lh, заключается в том, что жестко захваченный объект за счет одновременного сдвига и вращения в трех взаимно перпендикулярных осях может быть перемещен в любое положение.
Особый интерес в последнее время вызывает схема, представленная на рис. 1.1с. Принцип действия подобного грузоподъемного крана можно пояснить с помощью рис. 1.2 [7]. Он содержит башню 2, смонтированную на ходовой части 1, грузовую стрелу 5 с полиспастом 6 и противовесной консолью 4, траверсу 7, подвешенную на канатах грузового полиспаста пирамидальной формы 10, опорно-поворотный круг 3, грузовую тележку 9. К последней жестко присоединена верхняя часть 8 поворотного механизма 11. К нижней опорной части 12 поворотного механизма 11 закреплены радиально расположенные в горизонтальной плоскости сдвоенные гидроцилиндры двойного действия 13. Подвижные концы сдвоенных гидроцилиндров сведены в одну точку - центр перемещения их продольных осей, к которому посредством шарового шарнира присоединен вертикальный гидроцилиндр 14.
Особенности мехатронных систем на базе грузоподъемных кранов
МС на базе грузоподъемных кранов можно рассматривать как совокупность трёх подсистем - двигательной, приводной и управления, а также информационной системы, обеспечивающей взаимодействие между ними и объектом управления. В качестве двигательной подсистемы выступают исполнительные механизмы крана, такие как механизмы передвижения, поворота, изменения вылета стрелы, подъёма груза и другие. Подсистема приводов включает устройства, усиливающие управляющие сигналы и преобразующие их в движения исполнительных устройств. Третья подсистема - подсистема управления генерирует управляющие сигналы в соответствии с заданной программой. Что касается информационной системы, то она объединяет устройства очувствления (датчики обратной связи, сенсоры и устройства сбора оперативной информации о среде и объектах управления) и ЭВМ, обрабатывающую оперативную информацию в режиме реального времени.
С этой точки зрения МС на базе грузоподъемного крана можно представить как манипуляционную систему, которая описывается набором механических и алгоритмических свойств, к которым относятся геометрические, точностные, кинематические, статические, динамические, частотно-диссипативные и управленческие. С одной стороны они являются собственными свойствами манипуляционной системы, а с другой позволяют решить все практические и теоретические вопросы МС. Таким образом, появляется возможность последовательного «наращивания» степени автоматизации крана по каждому из свойств, оставаясь в едином русле создания адаптивной мехатронной системы. По сравнению с «обычными» промышленными роботами разница только в масштабе стоящей задачи [15], причём разница количественная, но не качественная.
Несмотря на многообразие собственных свойств манипуляционной системы, анализ их проводится по общей методике. Именно общность цели и метода исследования и идентичность решаемых в каждом случае задач позволяют объединить все эти различные свойства в рамках проектирования единой системы. Основным при этом является метод элементарных операций, на которые разбивается управление объектом в целом. Элементарные операции могут представлять собой простейшие задания по управлению типовыми элементами разнообразных функций исполнительных механизмов, которые отражают в совокупности все стороны функционирования манипуляционной системы, но по отдельности не зависят от конкретной конструкции базового крана. Последнее замечание особенно актуально в связи с широкой номенклатурой применяемых типов грузподъемных кранов.
В силу нелинейности манипуляционной системы её свойства различны в различных точках рабочего пространства. Поэтому результат каждой из элементарных операций по управлению такой системой зависит от того, применительно к какой точке пространства эта операция задаётся. Анализ возможности выполнения или результатов выполнения конкретной элементарной операции по управлению в определённой точке позволяет получить глобальную оценку собственного свойства через совокупность результатов анализа по всему множеству конфигураций манипуляционной системы. Он является необходимым предварительным этапом построения любого МС. Основой такого анализа является знание геометрической структуры манипуляционной системы и выбор координатных систем.
Таким образом, при автоматизации подъёмно-транспортных работ любой грузоподъёмный кран можно рассматривать как манипуляционную систему, а конечную цель автоматизации - мехатронную систему - можно представить как роботизированный манипулятор. С этой точки зрения, в настоящей работе применяется термин «кран-манипулятор» в расширительном смысле для описания МС на базе грузоподъемных кранов, а не имея в виду узкий класс по терминологии теории подъёмно-транспортных машин.
В структурном отношении геометрия манипуляционной системы упрощённо представляет собой цепочку звеньев, последовательно соединённых кинематическими парами. Однако пространственное расположение звеньев и изменение конфигурации системы в процессе её функционирования сильно зависят от типа базового крана. Ввод координатных систем, локальных относительно звеньев, позволяет описывать пространственные параметры единообразно, вне зависимости от выбранного крана. Будут меняться лишь матрицы межкоординатного перехода и вид базовой системы координат. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Прежде всего, условимся считать базовой систему координат X0Y0Z0, связанную с самим краном. Эта система является локальной по отношению к абсолютной системе XYZ, определяющей рабочее пространство крана, т.к. сам кран обладает подвижностью. Однако, абсолютная система полностью зависит от конкретных условий конкретного рабочего пространства и мало влияет на собственную геометрию манипуляционной системы.
Математическая модель МС на базе кранов с поступательными движениями (тип I)
Система (3.17) - система дифференциальных уравнений второго порядка, где переменные являются функциями времени, вообще говоря - нелинейными. Ненулевые правые части уравнений, входящих в неё являются функциями управления - движущими усилиями или моментами, развиваемыми двигателями механизмов передвижения моста, тележки, стабилизации и подъёма груза, а также величинами, определяющими сопротивления дви жению тележки и моста. Здесь также необходимо отметить, что сопротивление, возникающее в механизме стабилизации и подъёма груза, учитывается при необходимости введением К.П.Д.
В реальных условиях систему (3.17) необходимо перестроить с учётом упругости звеньев МС. При независимых деформациях упругих элементов вводятся дополнительные координаты. Упругая деформация присутствует в следующих элементах: мост, понижающие передачи электродвигатель - барабан подъёма, грузовые канаты, рама тележки, на которой установлена верхняя рама стабилизационной платформы (рисунок 3.5). Однако, деформации передач и рамы тележки существенно меньше в сравнении с другими деформациями звеньев, и их можно не учитывать.
При работе механизма подъёма МС на базе крана мостового типа с тремя поступательными движениями эквивалентен трёхмассной системе (рисунок 3.5.6.1), в которой тм - масса моста, с - коэффициент линейной жёсткости каната н см - коэффициент жёсткости моста по вертикали.
При работе механизма передвижения тележки возникают упругие деформации в грузовых канатах стабилизационной платформы. Кроме того, в случае козловых кранов или перегружателей испытывает колебания сама тележка вместе с мостом из-за изгиба его опор. Расчётная схема здесь также трёхмассная (рисунок 3.5.6.II). Здесь тж - масса жёсткой опоры (другая опора крепится к мосту шарнирно); скп - коэффициент поперечной жёсткости канатов; соп - коэффициент жёсткости опоры.
Учитывая вышеизложенное, введём девять обобщённых координат, характеризующих положения звеньев: для точки подвеса груза а (геометрический центр верхней рамы стабилизационной платформы) - x,y,z; для моста, с учётом упругой деформации (в точке его соединения с жёсткой опорой) -хм Ум» для грУза ха а 2а приведённая деформация канатов zn.
Горизонтальная деформация моста рассматривается как изгиб балки на двух опорах под действием инерционных сил масс груза, тележки со стабилизационной платформой и самого крана (рисунок З.б.а). Отношение скоростей точек деформируемого моста будем считать прямо пропорциональным отношению отклонений этих точек от равновесного состояния. Суммарная сила инерции, вызывающая деформацию, состоит из сил инерции масс тележки, моста и натяжения канатов.
Если в качестве базового для создания МС принят кран-перегружатель с короткими подвесом, пролётом и консолями, а разгон и торможение тележки плавные, то система (3.27) превращается в систему (3.26). Для условий эксплуатации мостовых, козловых кранов и кранов-перегружателей характерны небольшие длины подъёмных канатов, обычно в диапазоне 15-ь20 м. Так, при средней длине 18,3 м для одного перегружателя СКМЗ при диаметре 28 мм, числе ветвей 4, весе груза 15 тс и модуле упругости каната 1,3 10 кгс/см2 удлинение каната А/ составит « 0,9 см. В таких случаях вертикальное колебание моста обусловлено исключительно подвижностью тележки с установленной на ней стабилизационной платформой. Классификация стреловых крановых систем Сначала построим модель режима работы крана с рабочим (маневровым) изменением вылета стрелы шарнирно-сочлененной конструкции (группа 3 на рисунке 3.7), схема которой рассмотрена на рисунке 3.8. Затем введём уравнения, характеризующие движение стрел с уравнительным устройством (группы 5 и 6 на рисунке 3.7).
Расчётные схемы стрел переменного вылета Системы (3.30) и (3.31) отличаются лишь вторыми уравнениями. Первое, третье, четвёртое и пятое уравнения являются общими для всех стреловых кранов с гибким подвесом груза и переменным вылетом. В случае отсутствия грузового полиспаста необходимо в пятом уравнении принять п = 1. На основе систем (3.30) и (3.31) можно получить две группы уравнений для различных типов кранов с режимами работы, являющимися частными случаями общей системы (3.30) или (3.31). Учитывая стабилизирующее воздействие платформы, их можно упростить или снизить порядок систем.
В устройствах 1-й и 2-й групп стрелы, как правило, не уравновешены и поэтому маневрирование ими с подвешенным грузом - операция сложная и опасная. В связи с этим не рекомендуется использовать краны этих групп в качестве базовых для МС. Наиболее перспективным представляется использование в качестве базовых башенных кранов (тип II) и стреловых кранов 3-й - 7-й групп.
Экспериментальные исследования и рекомендации по использованию системы
Эксперименты по изучению работы элементов УУ МС на базе грузоподъемного крана и применению адаптирующих алгоритмов проводились в три этапа в следующем порядке: 1. Компьютерное моделирование в интерактивной среде SIMULINK, входящей в состав системы научно-технических расчётов MATLAB; 2. Лабораторные испытания с использованием макетных образцов на кафедре АПРиМ ЮРГТУ(НПИ); 3. Физические эксперименты на мостовых и стреловых кранах фирмы «Индустрия-сервис» (г. Ставрополь) на полигоне фирмы. Целью проводимых экспериментов являлось всестороннее изучение процессов, происходящих в системе «Грузоподъемный кран - стабилизационная платформа - груз» при движении, а также проверка практической реализуемости предложенного алгоритма управления траекторией транспортируемого груза. При этом ставились следующие задачи: установление на физической модели закономерностей переходного процесса регулирования стабилизации траектории транспортируемого груза; определение на физической модели характера влияния упругих свойств стабилизационной платформы на изменение обобщённых координат положения груза; выявление на физической модели характера влияния инерционных нагрузок, действующих на груз и стабилизационную платформу, на эффективность управления их траекторией; определение на физической модели характера влияния работы подсистемы планирования траектории на стабильность траектории транспортируемого груза; получение графиков переходных процессов при помощи компьютерного моделирования; исследование УУ при различных значениях параметров регулятора интерактивной системой SIMULINK; формулирование требований, предъявляемых к эксплуатации МС на базе грузоподъемного крана с учётом проведённых имитационно-компьютерных и физических натурных экспериментов.
Во время производственных испытаний на полигоне использованы элементы системы управления и вспомогательные устройства, применяемые фирмой «Индустрия-сервис» для тестирования серийно выпускаемых грузозахватных устройств и крановой оснастки. Эти устройства использовались для исследования упругих свойств стабилизационной платформы, а также возмущений, вносимых инерционной нагрузкой при движении крана.
Указанные вспомогательные устройства представляют собой закреплённые на верхней и нижней рамах стабилизационной платформы полые трубы, внутри которых на противоположных концах установлены источник и приёмник светового сигнала. По отклонению луча от его центрального положения на стороне приёмника можно судить об отклонении нижней рамы стабилизационной платформы от заданного положения.
Проведённые эксперименты убедительно показывают, что стабилизационная платформа является псевдожёсткой конструкцией. Влияние упругих свойств стабилизационной платформы невелико и находится в пределах 0,5 -1 мм на метр высоты подъёма груза. Этот факт подтверждает оправданность представления МС в математической модели, как системы твёрдых тел.
Для проверки изложенных в третьей главе принципов построения подсистемы регулирования длины канатов, оценки адекватности представленной выше математической модели процесса регулирования длины канатов, а также с целью проведения дальнейших исследований по разработке подсистемы управления стабилизационной платформой (а именно, подсистемы стабилизации траектории схвата грузоподъемного крана) были проведены экспериментальные исследования опытного образца одноканальной системы регулирования подвеса платформы. В качестве приводного двигателя был использован асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 0,3 кВт. Механическая часть системы (грузоподъемная трансмиссия с муфтами реверса и тормоза) была заимствована из экспериментального привода грузоподъемного крана КМ-503 грузоподъемностью до 50 т и соответствовала схемам, приведенным на рис. 3.19 и 3.22. Высота подвеса груза в процессе эксперимента (от оголовка стрелы до самого подвеса груза) находилась в пределах 8V9M.
Из проведенных теоретических исследований и моделирования было установлено, что для регулирования положения платформы может быть использован трехпозиционный релейный регулятор с регулируемой зоной нечувствительности. В качестве датчика длины подвеса был использован измерительный преобразователь потенциометрического типа ДПТ412АЭ-Ш с погрешностью 0,5, установленный на оси барабана лебедки с радиусом RQ = 0,255 м. Учитывая, что относительное изменение длины подвеса в ходе проведения экспериментов было невелико (в пределах 0,2 4- 0,4 м) и при таком изменении длины подвеса барабан совершал неполный оборот, то рабочий радиус барабана оставался постоянным, а потенциометрический датчик угла поворота, имеющий диапазон изменения угла аб от 0 до 360, совершал неполный оборот.
