Введение к работе
Актуальность темы исследования. Управление отдельными элементами систем, в частности систем виброизоляции, находит все большее применение в связи с развитием микропроцессорных устройств.
Виброзащитные подвесы имеют широкое распространение в технике, например, в конструкциях автомобилей, и существенно влияют на такие характеристики, как плавность хода, скорость, устойчивость, управляемость.
Благодаря внедрению быстродействующих исполнительных устройств, способных реализовать предусмотренные программно законы управления виброзащитными устройствами, процесс реализации оптимальных законов управления параметрами виброзащитных систем вышел на качественно новый уровень. Современная микропроцессорная программно-аппаратная база позволяет реализовать законы управления параметрами виброзащитных систем достаточно высокой сложности, что в свою очередь существенно повышает их функциональные свойства, поэтому разработка таких устройств, реализующих оптимальные законы управления, является актуальной. На данный момент испытывается потребность в управляемых виброзащитных устройствах, обладающих достаточно невысокой стоимостью и достаточно высокими функциональными характеристиками.
Существующие адаптивные виброзащитные системы реализуют эвристические законы управления (например, непосредственное управление оператором), которые не эффективны при случайном возмущении. Активные системы же, реализующие оптимальные в некотором смысле законы управления, имеют более сложную конструктивную реализацию и эффективны в узком диапазоне частот возмущения.
Таким образом, разработка эффективных законов управления виброзащитными системами, допускающих относительно простую реализацию, является актуальной.
Степень изученности проблемы. Динамике управляемых систем и проблемам оптимального управления виброзащитными системами посвящены труды ученых: Аверьянова Г. С, Бабакова И. М., Бишопа Э., Болотина В. В., Галашина В. А., Галиева И. И., Генкина М. Д., Грачевой Л. О., Ден-Гартога Дж. П., Драгуна Д. К., Елисеева С. В., Калашникова Б. А., Камаева В. А., Когана А. Я., Крэнделла С. С, Круглова Ю. А., Лазаряна В. А., Ларина В. Б., Мажей А. А., Меделя В. М., Новикова В. В., Пахомова М. П., Первозванского А. А., Перминова М. Д., Перфильева Ю. П., Ракицкий А. А., Ротенберга Р. В., Светлицкого В. А., Силаева И. И., Синева А. В., Турецкого В. В., Ф., Фролова К. В., Фурунжиева Р. И., Хамитова Р. Н., Хоменко А. П. и многих других.
На сегодняшний день известно большое количество различных активных виброзащитных систем. В такие виброзащитные системы вводятся элементы автоматического управления, которые позволяют изменить как жесткость, так и демпфирование. В этой связи является важной задача разработки функций
управления виброзащитными системами, ориентированных на реализацию с помощью микропроцессорных устройств и содержащих небольшое число конструктивных элементов.
Цель работы. Увеличение эффективности виброзащитных систем за счет управления жесткостью подвеса.
Задачи исследования.
-
Провести исследование существующих подходов к оптимальному управлению виброзащитными системами, на базе известных теоретических законов управления жесткостью и демпфированием разработать квазиоптимальную функцию ступенчатого управления жесткостью, которая позволит использовать меньшее число входных сигналов (измеряемых параметров);
-
Разработать алгоритм, реализующий квазиоптимальную функцию управления;
-
Разработать структуру и макет системы дискретного управления жесткостью виброподвеса на основе микропроцессорных устройств;
4) Определить эффективность разработанной квазиоптимальной функции
управления жесткостью на численных математических моделях;
5) Экспериментально проверить эффективность квазиоптимальной
функции управления на макете устройства с использованием одноопорного
стенда для исследования систем подрессоривания.
Объект исследования. Управляемые виброзащитные системы.
Предмет исследования. Методы оптимального управления виброзащитными системами за счет дискретного изменения жесткости.
Методы исследования. Поставленная цель достигается использованием методов оптимального управления, системного анализа, теоретической механики, в частности теории колебаний, вычислительной математики и программирования, а также проведением стендовых испытаний с помощью современной контрольно-измерительной аппаратуры.
Научная новизна.
1) Разработана квазиоптимальная функция управления жесткостью,
имеющая, как и оптимальный закон, два состояния управляющего сигнала,
однако использующая только один входной сигнал (измеряемый параметр) в
отличие от двух в случае оптимального закона;
-
Определены рациональные значения параметров функции управления, связанные с моментом переключения жесткости и длительностью переключения;
-
На основании предложенной функции управления разработан алгоритм системы управления жесткостью виброподвеса с пневматическим упругим элементом.
Практическая значимость результата. Разработанное устройство может быть использовано в виброзащитных системах с пневматическим упругим элементом, например, в подвесках автомобилей. Использование в системах виброзащиты предложенной функции управления позволит значительно увеличить демпфирующие свойства виброподвесов, до 30 % снизив уровень колебаний в резонансном режиме.
Положения, выносимые на защиту.
1) Квазиоптимальная функция управления жесткостью виброзащитной
системы, основанная на измерении силы (давления) в виброзащитном подвесе;
2) Алгоритм, реализующий квазиоптимальную функцию;
-
Модифицированные функции управления с фиксированной продолжительностью этапа увеличенной жесткости и переключением жесткости на основе изменения' статического значения силы (давления) в подвесе;
-
Численные математические модели одноопорной управляемой виброзащитной системы для компьютера;
5) Результаты экспериментального исследования демпфирующих свойств
пневмоподвесов с разработанной системой управления на одноопорном стенде.
Достоверность результатов. Эффективность разработанной
квазиоптимальной функции управления параметрами пневматической виброзащитной системой подтверждена численным моделированием и анализом результатов стендовых испытаний.
Апробация работы. Диссертация выполнена в рамках госбюджетных научно-исследовательских работ Волгоградского государственного технического университета. Основные положения работы докладывались на XXV - международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25» (Волгоград, 2012), 50-ой внутривузовской научной конференции (Волгоград, 2013), ежегодном Всероссийском молодежном инновационном форуме «Молодежный инновационный центр -МИЦ-2013» (Нижний Новгород, 2013), международной научной конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, 2013).
Полученные результаты нашли применение в научно-исследовательских работах кафедры «Теоретическая механика» по теме «Разработка методов управления движением многозвенных шагающих аппаратов».
Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ, в том числе 4 статьи в журнале, включенном в перечень изданий, рекомендованных ВАК и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 133 наименования, приложений. Работа содержит 113 страниц машинописного текста, включающего 9 таблиц, 33 рисунка, а также четыре приложения.
