Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования 7
1.1. Назначение траншей и требования к их геометрической точности 7
1.2. Классификация многоковшовых экскаваторов 9
1.3. Объект и предмет исследования 15
1.4. Анализ существующих систем управления вертикальной координатой рабочего органа цепного траншейного экскаватора
1.5. Анализ предшествующих исследований траншейных экскаваторов 21
1.6. Анализ и обоснование критериев эффективности рабочего процесса цепных траншейных экскаваторов
1.7. Анализ математических моделей воздействия микрорельефа на элементы ходового оборудования цепного траншейного экскаватора
1.8. Анализ моделей процесса копания грунта 33
1.9. Цель и задачи исследования 44
2. Общая методика исследований 45
2.1. Методика теоретических исследований 45
2.2. Методика экспериментальных исследований 50
2.3. Структура работы 52
3. Математическая модель процесса формирования траншеи
3.1. Обоснование расчетной схемы ЦТЭ 54
3.2. Уравнения геометрических связей звеньев ЦТЭ 58
3.3. Математическая модель неровностей микрорельефа 63
3.4. Уравнение геометрической связи перемещения штока гидроцилиндра и вертикальной координаты нижней точки РО
3.5. Математическая модель гидропривода РО 69
3.6. Математическая модель реакции грунта на РО ЦТЭ 82
3.7. Математическая модель системы управления РО ЦТЭ
3.7.1. Математическая модель датчиков вертикальной координаты и ал- 86 горитм обработки их показаний
3.7.2. Выбор и обоснование системы контроля глубины формируемой 8 траншеи
3.7.3. Математическая модель порогового элемента 98
3.8. Обобщенная математическая модель ЦТЭ 101
3.9. Выводы по третьей главе 101
4. Результаты теоретических исследований 103
4.1. Анализ математической модели ЦТЭ в статическом режиме 103
4.2. Анализ математических моделей отдельных подсистем ЦТЭ
4.2.1. Анализ математической модели базовой машины 106
4.2.2. Анализ математической модели РО 110
4.2.3. Анализ математической модели гидропривода
4.3. Исследование математической модели ЦТЭ в динамическом режиме 115
4.4. Исследование системы управления по критерию устойчивости 119
4.5. Оптимизационный синтез СУ РО ЦТЭ
4.5.1. Постановка задачи оптимизации 129
4.5.2. Аппроксимация зависимостей 132
4.5.3. Решение задачи оптимизации 134
4.5.4. Нахождение оптимальных значений параметров СУ РО ЦТЭ
4.6. Инженерная методика выбора основных параметров СУ РО ЦТЭ 143
4.7. Разработка программного продукта для расчета основных параметров СУ РО ЦТЭ
4.8. Выводы по четвертой главе 147
5. Результаты экспериментальых исследований 149
5.1. Экспериментальное определение жесткости упругих элементов ходово- 149 го оборудования
5.2. Экспериментальное подтверждение правомерности уравнений геометрической связи рабочего оборудования
5.3. Подтверждение адекватности математической модели ЦТЭ 153
5.4. Описание инженерных разработок 157
5.5. Внедрение результатов исследований 160
5.6. Выводы по пятой главе 160
Основные результаты и выводы 161
Список литературы
- Анализ существующих систем управления вертикальной координатой рабочего органа цепного траншейного экскаватора
- Методика экспериментальных исследований
- Уравнение геометрической связи перемещения штока гидроцилиндра и вертикальной координаты нижней точки РО
- Анализ математической модели РО
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в России интенсивно набирает темпы строительство трубопроводов. Это связано, прежде всего, с возрастающими объемами добычи природного газа, нефти и, следовательно, с увеличением потребности в трубопроводном транспорте для поставок на территории нашей страны и за ее пределами. В промышленном и гражданском строительстве необходимо копать траншеи для прокладки коммуникаций (телефонных и электрических сетей, водопровода и канализации).
Трубопроводы являются основным элементом трубопроводного транспорта. Для их сооружения необходимы траншеи. Отклонение вертикальной координаты дна траншеи от проектной документации не должно превышать пределов, заданных СНиП. Человеку-оператору без специальных приборов этот процесс обеспечить невозможно, следовательно необходимо его автоматизировать.
Наиболее эффективными машинами по рытью траншей являются траншейные экскаваторы непрерывного действия. Такие машины позволяют производить работы в короткие сроки и с большой производительностью, так как практически исключают доделочные работы.
Цель работы: повышение точности разработки траншей цепным траншейным экскаватором.
Объект исследования: процесс управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора.
Предмет исследования: закономерности, устанавливающие связь между параметрами системы управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора и критерием эффективности.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Обоснование критерия эффективности процесса управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора.
Разработка математической модели сложной динамической системы процесса управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора.
Выявление основных закономерностей, устанавливающих связь параметров системы управления с критерием эффективности процесса управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора.
4) Разработка инженерной методики выбора основных параметров системы
управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора.
Методика исследований носит комплексный характер, содержит как теоретические, так и экспериментальные исследования.
Задачами теоретических исследований являлось выявление основных закономерностей, связывающих принятый критерий эффективности и параметры системы управления положением рабочим органом цепного траншейного экскаватора.
Задачами экспериментальных исследований являлось подтверждение адекватности математической модели системы управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора; определение численных значений параметров, необходимых для расчета коэффициентов математических моделей; проверка работоспособности инженерных разработок. При экспериментальных исследованиях использовался метод как активного, так и пассивного эксперимента.
Научная новизна заключается:
в математической модели процесса управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора, представленной в виде сложной динамической системы, включающей подсистемы: микрорельеф, базовая машина, рабочий орган -разрабатываемый грунт, гидропривод рабочего органа и система управления;
в выявленных функциональных зависимостях, отражающих связь параметров системы управления с выходными характеристиками, а также с показателями векторного критерия эффективности;
- в разработке алгоритма управления положением рабочего органа.
Практическая ценность работы состоит:
в предложенной системе управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора;
в обоснованных информационных и управляемых параметрах системы управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора;
в инженерной методике выбора основных параметров системы управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора;
в разработанном программном продукте для выбора параметров системы управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора.
Реализация работы. В Конструкторском бюро транспортного машиностроения (КБТМ) г. Омска приняты к внедрению инженерная методика и программный продукт для выбора параметров системы управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора.
На защиту выносятся:
математические модели подсистем: микрорельеф, базовая машина, рабочий орган — разрабатываемый грунт, гидропривод рабочего органа и система управления;
функциональные зависимости выходных характеристик, показателей качества и устойчивости системы от конструктивных параметров системы управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора;
функциональные зависимости целевых функций от величины подачи гидронасоса;
алгоритм работы системы управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора.
Достоверность научных положений обеспечивается адекватностью математических моделей, корректностью принятых допущений, корректным использованием методов имитационного моделирования и достаточным объемом экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на: Всероссийской научно-технической конференции "Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века" (г. Омск, Си-6АДИ, 2006г.), Межвузовской научно-практической конференции "Теоретические знания в практические дела" (г.Омск, РосЗИТЛТТ, 2007г.), Третьей международной научно-технической конференции "Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт" (г. Омск, НГАВТ, 2007 г.), Международном технологическом конгрессе "Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения" (г.Омск, 2007 г.), Второй Всероссийской научно-практической конференции "Управление качеством образования, продукции и окру-
жающей среды" (г. Бийск, АлтГТУ, 2007 г.), Международном конгрессе "Машины, технологии и процессы в строительстве" (г. Омск, СибАДИ, 2007 г.), Международной научно-практической конференции "Теоретические знания в практические дела" (г. Омск, РосЗИТЛП, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет в целом 170 страниц основного текста, в том числе 16 таблиц, 93 рисунка, список литературы из 106 наименований и приложений на 12 страницах.
Анализ существующих систем управления вертикальной координатой рабочего органа цепного траншейного экскаватора
Для ЦТЭ характерно наличие двух основных движений РО: главного рабочего движения - поступательно-вращательного для цепного РО и вспомогательного-поступательного движения за счет базовой машины. Основная часть мощности силовой установки машины реализуется приводом РО, одна 18 ко степень загрузки двигателя и производительность машины определяются в первую очередь поступательным движением машины. Для ЦТЭ качество работ определяется вертикальной координатой дна траншеи /24, 42/.
1. Автоматическое регулирование рабочей скорости передвижения базовой машины с целью обеспечения наибольшей производительности ЦТЭ при оптимальном использовании мощности силовой установки.
2. Автоматическое управление положением РО ЦТЭ с целью обеспечения высокого качества работ, т.е. требований к геометрической точности дна траншеи.
Автоматизация операций по второму направлению связана с обеспечением требуемой точности выполнения операций, контроль за которыми со стороны человека-оператора становиться невозможным из-за отсутствия измерительных приборов по контролируемым величинам /48, 58, 101/.
Наибольшее распространение в России и за рубежом получили СУ высотной и угловой стабилизации положения РО машины, к которым относятся системы типа "Профиль", СМІ(США), КАНСО(Германия), LASERPLANE (США) и др.
В основу отечественной аппаратуры первого поколения были положены потенциометрические преобразователи и схемы, собранные на электромагнитных реле. Аппаратура второго поколения типа Профиль-30 построена на универсальных элементах аналоговых и дискретных бесконтактных преобразователях перемещений в электрический сигнал, унифицированных модулях, что увеличивало серийность производства, позволяло повысить уровень технологического оснащения и качество изготовления аппаратуры. Значительный эффект в области автоматизации машин достигнут благодаря применению лазерных направляющих (УКЛ-1) /53, 101/.
Применение в качестве копирных СУ лазерных направляющих обеспечивало возможность круглосуточного эффективного использования ЦТЭ, повышение их эффективности и качества производимых работ. К таким системам относятся системы СКП-1, САУЛ-1, УКЛ-1, УКЛ-2. Одной из типовых СУ по оптическому лучу является система УКЛ-1. В состав лазерной аппаратуры УКЛ-1 входят светоизлучатель, фотоприемник и блок выработки команд, расположенный в кабине. Светоизлучатель формирует в пространстве световую плоскость, который устанавливается под определенным углом, относительно горизонтальной плоскости. При попадании лазерного луча на фотоприемник, последний преобразует световые сигналы в электрические, которые поступают на блок выработки команд. Сигналы с блока выработки команд поступают на электромагниты гидрораспределителя, управляющего положением РО /53/.
Техническая характеристика системы УКЛ-1 приведена в приложении Ш. Отдельного рассмотрения заслуживает также система «СУСТАВ», которую производит корпорация TOPCON. Основная идея использования системы «СУСТАВ» - определение положения и управление РО машины непосредственно в процессе выполнения земляных работ с целью переноса проекта на местность с максимально возможной точностью. Системы управления по принципу задания и использования проектной информации подразделяются на 2D и 3D. Системы 2D требуют закрепления на местности проектных направлений и плоскостей /106/.
При работе с системой 2D РО машины копирует проектную поверхность с определенным постоянным смещением по высоте относительно струны, плоскости лазерного луча или уже подготовленной поверхности /106/.
Недостаток систем 2D заключается в том, что выполнение работ возможно только на ограниченном участке и с необходимостью привязки к струнам или лазерному копиру. Кроме того, затрачивается определенное время на установку и закрепление держателей и струн, а значит, требуется их вынос на местность /106/.
Наиболее эффективными при производстве земляных работ в настоящее время являются 3D системы, которые лишены ограничений, присущих системам 2D. Машина, оснащенная такой системой, может свободно перемещаться по всей рабочей площадке, формируя поверхность с погрешностью 0,02 м в плане и по высоте, обеспечивая необходимые уклоны. При этом ра 20 бота может выполняться в любое время суток и в любую погоду. В настоящий момент корпорация TOPCON предлагает два типа ЗБ-систем: 3D LPS и 3D GPS, использующих в качестве основных измерительных средств соответственно роботизированные электронные тахеометры и приемники сигналов спутников GPS+ГЛОНАСС /106/.
Системы 3D LPS обеспечивают наилучший контроль положения РО машины с погрешностью до нескольких миллиметров, но имеют ряд недостатков. Установленный на рабочем объекте тахеометр может одновременно следить за работой только одной машины в прямой видимости между ними. Ограничивается и общее количество машин на одной площадке, оснащенных системами 3D LPS, поскольку каждой машине необходим дорогостоящий персональный тахеометр. Тем не менее, сейчас это самый точный способ выполнения земляных работ. Для начала в бортовой компьютер загружаются данные рабочего проекта. Тахеометр устанавливается на объекте на известную реперную точку и ориентируется в пространстве. На РО закрепляется мачта со специальным отражателем кругового обзора. В процессе работы тахеометр непрерывно отслеживает перемещения машины и измеряет координаты отражателя. Эти данные сравниваются с проектом и при необходимости вносятся корректировки в положение РО. Управление полностью берет на себя автоматика. Оператору лишь необходимо выбирать направление движения/106/.
Системы 3D GPS лишены недостатков тахеометрических систем. Один базовый приемник обеспечивает одновременную работу на строительной площадке в диапазоне нескольких километров всего возможного парка машин и не требует прямой видимости, так как для передачи основной координатной информации используется радиоканал. Для обеспечения работы нескольких землеройных машин используется один общий базовый приемник GPS, устанавливаемый в точке с известными координатами, и бортовые приемники, размещаемые в кабинах. Приемные антенны закрепляются на РО и соединяются с приемниками. Традиционный комплект системы 3D GPS, устанавливаемый на каждой машине, помимо приемника и бортового компьютера, включает датчик перемещения РО, датчики поперечного и продольного уклона, а также комплект гидравлических клапанов для конкретной модели машины. После установки компонентов системы на землеройную машину выполняется замер геометрических параметров и калибровка датчиков. Для функционирования системы 3D необходимо загрузить проект в цифровом виде в бортовой компьютер. Такой проект может быть подготовлен любой программой, формирующей трехмерную модель рельефа /106/.
Анализ СУ современных ЦТЭ показал, что они отвечают современным требованиям точности и успешно применяются при строительстве инженерных сооружений. Данные СУ могут быть успешно применены на новых видах ЦТЭ.
Однако следует отметить, что СУ положением РО оснащаются в основном экскаваторы, предназначенные для строительства дренажных систем и ирригационных каналов. Также можно сказать, что большинство известных СУ положением РО относятся к копирным системам. Автономные системы применяются крайне редко. В городских условиях на ЦТЭ общестроительного назначения СУ положением РО не используются, что ограничивает их применение при строительстве водоводов, канализации и т.п.
Методика экспериментальных исследований
С учетом принятого в работе допущения о нормальном законе распределения результатов наблюдений, истинное значение математического ожидания с вероятностью лежит в пределах /50, 101/: где tp - величина, характеризующая для нормального закона распределения число средних квадратических отклонений, откладываемых от центра рассеивания в обе стороны для того, чтобы вероятность попадания в полученный участок была равна рд. Для среднеквадратического отклонения можно записать /50, 101/: Количество необходимых измерений определяется исходя из заданной относительной погрешности измерений математического ожидания и среднеквадратического отклонения, по формулам/50, 101/: ». = ; (2.6) где 8m и o- - относительные погрешности для математического ожидания и среднеквадратического отклонения соответственно; щ - коэффициент вариации измеряемой величины.
Для описания математической модели сложной динамической системы рабочего процесса ЦТЭ были приняты следующие основные допущения: 1. Цепной траншейный экскаватор представляет собой шарнирно-сочлененный многозвенник с наложенными на него упруго-вязкими связями. 2. Параметры системы считаются сосредоточенными в конечном числе материальных точек. 3. Звенья машины представлены как абсолютно жесткие стержни. 4. Задняя ось закреплена на раме жестко, передняя ось имеет балансирную подвеску. 5. Люфты в шарнирных сочленениях отсутствуют. 6. Силы сухого трения в шарнирах отсутствуют. 7. Элементы ходового оборудования не отрываются от опорной поверхности и имеют с ней постоянный точечный контакт. 8. Система голономна и стационарна. 9. Упруго-вязкие свойства грунта, гидропривода, элементов ходового оборудования представлены телами Фохта. 10. Внешние силы, действующие на систему, являются сосредоточенными. 11. Машина движется с постоянной скоростью. В качестве инерциальной системы координат в данной работе используется правая система декартовых координат. Каждому звену системы присвоена собственная правая локальная система координат. Привязка локальных систем координат к звеньям описана в табл. 3.1. Обобщенная расчетная схема динамической системы ЦТЭ (рис.3.1) представляет собой систему из трех звеньев с сосредоточенными массами: - базовый трактор массой т\, включающий в себя массы остова, двигателя, редуктора привода РО с механизмом подъема, ходоуменьшителя, установки гидросистемы, бульдозерного агрегата. Центр масс первого звена находится в точке 0\; - РО массой т2, включающий в себя массы рамы РО с натяжным устройством, отвальных шнеков, рабочей цепи, зачистного башмака; - передний мост массой w3 Таблица 3.1. Системы координат OQXQZQYQ Начало инерциальной системы координат OQ находится на плоскости отсчета. Ось OQXQ совпадает с направлением движения экскаватора. Ось OQZO направлена вертикально вверх. Ось OOYQ дополняет правую прямоугольную систему координат. 0,X,ZxYx (связана с базовой машиной) Начало первой локальной системы координат 0\ находится в центре масс базовой машины. Ось 0\ХХ является продольной осью, совпадающей с направлением движения машины. Ось 0{Y\ параллельна оси заднего моста. Ось 0{Z\ является вертикальной осью правой прямоугольной системы координат. O2X2Z2Y2 (связана с рабочим органом) Начало второй локальной системы координат находится в центре оси шарнира подвеса рабочего органа. Ось 02Х2 проходит через нижнюю ось цепной передачи рабочего органа. Ось 02Y2 совпадает с осью шарнира подвеса рабочего органа. Ось O2Z2 образует правую систему прямоугольных координат. O3X3Z3I3 (связана с передним мостом) Начало третьей локальной системы координат находится в центре оси шарнира балансирной подвески переднего моста. Ось О3Х3 совпадает с осью шарнира балансирной подвески. Ось 0{Уъ параллельна осям передних колес. Ось 03Z3 образует правую систему прямоугольных координат.
Для пространственной динамической системы ЦТЭ (рис. 3.1) приняты пять степеней свободы qj (/ = 1 ...5), представленных в табл. 3.2. Упруговязкие свойства динамических связей, представленные на схеме (рис. 3.1) в виде тел Фохта, характеризуются в динамических моделях гидроцилиндра рабочего оборудования коэффициентом жесткости С5 и коэффициентом вязкости Ъз, в динамических моделях ходового оборудования и грунта коэффициентами С\-С4 и b\-bA соответственно.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что предложенная расчетная схема отражает наиболее общие признаки динамической системы ЦТЭ и может быть использована для вывода уравнений геометрической связи между звеньями расчетной схемы, уравнений статики и динамики ЦТЭ.
Уравнение геометрической связи перемещения штока гидроцилиндра и вертикальной координаты нижней точки РО
Полученные значения статических отклонений сложной динамической системы ЦТЭ представлены на рис. 4.1—4.3.
Как показали экспериментальные исследования, полученные теоретические зависимости отражают реальный процесс и носят линейный характер. Расхождение теоретических и экспериментальных зависимостей составляет не более 9 %, что подтверждает адекватность разработанной математической модели в статическом режиме и позволяет использовать ее в дальнейшем для получения начальных условий при решении задач динамики.
Анализ математических моделей отдельных подсистем цепного траншейного экскаватора Вторым этапом теоретических исследований является анализ отдельных подсистем сложной динамической системы ЦТЭ. В ходе данного этапа были решены следующие задачи: 1. Подтверждение адекватности математических моделей отдельных подсистем. 2. Обоснование варьируемых параметров и их граничных значений для проведения анализа модели в динамическом режиме.
Для исследования переходных характеристик математической модели базовой машины в качестве выходной координаты была принята вертикальная координата центровочного отверстия оси крепления натяжного ролика рабочего органа.
Данные входные воздействия в разработанной математической модели моделировались путем прикладывания к элементам ходового оборудования ступенчатых воздействий разной величины (рис. 4.4).
При исследовании переходных характеристик изменялся коэффициент жесткости того элемента ходового оборудования, к которому прикладывалось воздействие. Значения коэффициентов жесткости элементов ходового оборудования также, как и при снятии статических характеристик составляли для передних колес: С] = 350 Н/мм; С2 = 400 Н/мм; С3 = 300 Н/мм; для задних колес: Сі = 650 Н/мм; С2 = 750 Н/мм; С3 = 550 Н/мм.
Изменение положения точки крепления натяжного ролика цепи при подаче ступенчатого воздействия 0,1 м на переднее левое колесо (при Сх = 350. Изменение положения точки крепления натяжного ролика цепи при подаче ступенчатого воздействия 0,2 м на переднее левое колесо (при С, = 350 Н/мм; С2 = 400 Н/мм; С3 = 300 Н/мм) Zpo,U-1,8 -1,85 -1,9 C2 - -1,95 C - 0 -2 " Ci- 0 1 2 3 t,c
Изменение положения точки крепления натяжного ролика цепи при подаче ступенчатого воздействия 0,2 м на заднее левое колесо (при С, = 650 Н/мм; С2 = 750 Н/мм; С3 = 550 Н/мм) Zpo, м л " i -1 Т \ . -1,2 -1,4 — Г7І і — -1,6 -1,8 , _. 0 1 2 3 /, с Рис. 4.10. Изменение положения точки крепления натяжного ролика цепи при подаче ступенчатого воздействия 0,3 м на заднее левое колесо (при Сі = 650 Н/мм; С2 = 750 Н/мм; С3 = 550 Н/мм) Полученные графики переходных характеристик математической модели ЦТЭ представлены на рис. 4.5 - 4.10.
Из полученных графических зависимостей можно сделать вывод о том, что амплитуда колебаний характерных точек ЦТЭ при подаче ступенчатого воздействия на элементы ходового оборудования обратно пропорциональна их жесткости, а время переходного процесса находится в пределах от 1,5 до 2,5 с. Анализ математической модели механизма подъема-опускания рабочего органа Для исследования математической модели механизма подъема-опускания РО были выбраны входные и выходные параметры, представляющие наибольший интерес в данной работе.
Полученные зависимости представлены на рис. 4.11 - 4.13. Вид графических зависимостей определяется кинематической схемой и конструктивными параметрами механизма подъема-опускания РО.
Практический интерес представляют рабочие зоны графических зависимостей, ограниченные значениями S= 0,6...0,8 м. Это соответствует изменению глубины копания ZPo от 0 до -1,8 м и углу поворота РО v2 от 110 до 165.
Из рис. 4.11 видно, что в зоне действия РО функция Zpo = f(S) практически линейна. Это позволяет использовать S — ход штока гидроцилиндра в качестве информационного параметра без дополнительных функциональных преобразований, однако до сих пор в серийных землеройных, строительных и дорожных машинах линейные датчики хода штока гидроцилиндра применяются крайне редко из-за низкой надежности.
Из рис. 4.13 видно, что функциональная зависимость ZPO = f(vz) существенно отличается от линейной зависимости. В связи с этим при использовании v2 в качестве информационного параметра необходимо будет использовать нелинейный функциональный преобразователь.
Тем не менее, этот информационный параметр обладает тем преимуществом, что датчики углового положения элементов рабочего оборудования землеройных, дорожных и строительных машин серийно выпускаются и показали достаточную надежность в условиях эксплуатации.
Для исследования характеристик математической модели гидропривода были выбраны входной (перемещение золотника гидрораспределителя) и выходные (скорость перемещения штока гидроцилиндра, перемещение штока гидроцилиндра) параметры, представляющие наибольший интерес в данной работе.
Анализ математической модели РО
Таким образом, путем сравнения численных значений целевых функций систем управления с упреждающим контуром и без него была подтверждена эффективность разработанной системы управления. Расхождение показателей систем управления с контуром упреждения и без него по различным параметрам составило от 6% до 50%.
Инженерная методика выбора основных параметров системы управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора
Проведенные в работе теоретические исследования легли в основу разработанной инженерной методики выбора основных параметров СУ положением РО ЦТЭ. Алгоритм методики представлен на рис. 4.42. Методика заключается в следующем: 1. Задать базовую машину, на которую устанавливается СУ положением РО. 2. Задать линейные размеры элементов базовой машины. 3. Для математической модели гидропривода задать подачу гидронасоса и параметры гидроцилиндра. 4. Для модели микрорельефа задать среднеквадратическое отклонение, коэффициент периодичности и коэффициент затухания. 5. Определить тип устанавливаемой СУ положением РО (с контуром упреждения или без него). 6. Определить параметры, подлежащие оптимизации и задать их граничные значения. 7. Провести исследования математической модели на ЭВМ. 8. Провести анализ влияния исследуемых параметров на выходные характеристики. 9. Линеаризовать систему методом гармонической линеаризации и провести анализ влияния исследуемых параметров на показатели качества и запасы устойчивости системы. 10. Сформулировать задачу оптимизации: установить целевую функцию, задать ограничения и граничные условия. 11. Методом наименьших квадратов аппроксимировать зависимости выходных характеристик, показателей качества и запасов устойчивости от исследуемых параметров, полученные при выполнении пунктов 8 и 9.
Разработка программного продукта для расчета основных параметров системы управления положением рабочего органа цепного траншейного экскаватора
Для внедрения и широкого использования предложенной инженерной методики выбора основных параметров СУ положением РО ЦТЭ было решено создать программный продукт для расчета на ЭВМ (рис. 4.43). Данный продукт разрабатывался на основе предложенного алгоритма инженерной методики (рис. 4.42). В программный продукт вошли базы данных с массивами результатов решений математической модели, зависимостей выходных характеристик, показателей качества и запасов устойчивости от основных параметров СУ положением РО ЦТЭ.
Программа расчета была написана с помощью языка программирования Visual Basic. Программа расчета работает следующим образом: - выбирается тип базовой машины, при этом из базы данных берутся необходимые линейные размеры; - задаются подача гидронасоса, установленного на машине, и параметры гидроцилиндра (диаметры штока и поршня) для решения модели гидропривода; - выбирается тип СУ положением РО (с контуром упреждения или без); - вводятся граничные значения искомых параметров; - вводятся минимально допустимые запасы устойчивости системы AL, Аср\ - при нажатии кнопки «ПУСК» происходит решение задачи оптимизации и на экран выводятся рациональные значения искомых параметров (рис. 4.44); - при нажатии кнопки «СБРОС» все данные стираются с поля и из памяти, и программа может быть использована для следующего расчета; - при нажатии кнопки «ВЫХОД» программа закрывается.
Таким образом, разработанная программа позволяет рассчитать основные параметры СУ положением РО ЦТЭ на этапе проектирования.
1. Проведенные исследования ЦТЭ в статическом режиме подтвердили адекватность математической модели ЦТЭ в статическом режиме, позволили выявить основные статические характеристики и определить численные значения параметров, необходимых для проведения анализа в динамическом режиме.
2. Проведенные исследования систем управления без контура упреждения и с контуром упреждения в динамическом режиме подтвердили адекватность математических моделей систем управления, позволили получить основные зависимости, связывающие исследуемые параметры и показатели точности дна формируемой траншеи.
3. Методом гармонической линеаризации проведена линеаризация нелинейной системы управления, установлены функциональные зависимости качества переходных процессов и показателей устойчивости от исследуемых параметров для систем без контура упреждения и с ним.
4. Сформулированы задачи оптимизации для систем управления с контуром упреждения и без него: заданы целевые функции на основании соответствия точностных характеристик, показателей качества и устойчивости систем управления критериям эффективности и путям рационализации.
5. Методом наименьших квадратов для систем управления с контуром упреждения и без него аппроксимированы функциональные зависимости, полученные при решении задачи анализа, выходных характеристик, показателей качества и устойчивости от исследуемых параметров.
6. Решена задача перехода от задачи условной оптимизации к задаче безусловной оптимизации методом множителей Лагранжа для систем управления с контуром упреждения и без него.
Похожие диссертации на Совершенствование системы управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора
