Щербаков В.С. Асфальтоукладчики. Щербаков асфальтоукладчики. В. С. Щербаков, С. А. Милюшенко совершенствование системы управления выглаживающей плитой асфальтоукладчика омск 2010
 Скачать 1.8 Mb.
|
|
1.4. Обоснование и выбор критерия эффективности При условии соблюдения точности укладки дорожного полотна /70/ повышение скорости будет вызывать ухудшение точностных показателей, поэтому одной из задач исследования должна являться разработка методики определения максимально возможной скорости движения асфальтоукладчика при соблюдении им заданных точностных показателей /68/. Таким образом, одной из составляющих комплексного критерия эффективности должен являться показатель критерия по скорости движения асфальтоукладчика асф V V K (1.4) Поскольку наиболее важным требованием поточности при осуществлении укладки дорожного полотна являются величины отклонений толщины полотна и угла поперечного уклона ( см. табл. 1.4), в качестве показателя эффективности поточности исполнения дорожного полотна предлагается использовать векторный показатель в, (1.5) где K в и K α – показатели точности по высотным отметками углу поперечного наклона полотна. 29 , вн в в K (1.6) где в – среднеквадратическое отклонение высотных отметок полученного дорожного полотна (его толщины) по средней точке рабочей плиты σ вн – предельное значение среднеквадратического отклонения высотных отметок укладываемого дорожного полотна, задается СНиП 3.06.03-85 (см. табл. 1.3) и для оценки отл, при условии нормального закона распределения данной случайной величины σ вн = 3,33 мм. н, (1.7) где σ α – среднеквадратическое отклонение угла поперечного наклона полученного дорожного полотна н – предельное значение средне- квадратического отклонения угла поперечного наклона укладываемого дорожного полотна, задается СНиП 3.06.03-85 (см. табл. 1.3) и для оценки отл, при условии нормального закона распределения данной случайной величины н 0,1. Приточном соблюдении требований СНиП 3.06.03-85 показатель T K [1 1] T (1.8) Улучшение работы системы автоматического управления будет вызывать дальнейшее уменьшение указанного показателя K Т Немаловажным является и обеспечение надежной работы асфальтоукладчика, оснащенного системой автоматического управления. Это обусловлено тем, что достаточно частые включения электрогидравлического привода могут привести к ускорению процесса его износа и даже к учащению его поломок. Поэтому предлагается использовать векторный показатель эффективности по частоте включения электрогидравлического привода Т п л N n n K ] [ , (1.9) 30 где лип частота включения левого и правого электрогидравлического привода соответственно. Таким образом, при исследовании системы автоматического управления асфальтоукладчиком используется следующий показатель эффективности Т) При работе асфальтоукладчика наиболее важным является выполнение критерия поточности Т, поскольку в противном случае уложенное полотно можно считать забракованным. Критерием эффективности с учетом вышеприведенного является следующая совокупность условий max min; ; 0 , 1 V N T K K K (1.11) Данный критерий позволит достичь максимальной производительности при условии выполнения требований поточности и надежности. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. Общая методика исследований В настоящее время при изучении сложных взаимосвязанных друг с другом проблем широко используется системный анализ. В основе системного анализа лежит понятие системы, под которой подразумевается множество компонентов, обладающих определенными свойствами с фиксированными между ними взаимосвязями /55/. Системный анализ применяется при исследовании рабочего процесса объекта исследования. Любая машина рассматривается как сложная система, состоящая из отдельных взаимосвязанных друг с другом подсистем. Каждая выделенная подсистема имеет свои определенные свойства и законы функционирования, которые описываются математическими моделями. Математические модели подсистем в 31 совокупности образуют сложную математическую модель рабочего процесса объекта исследования. Базовые положения методологии системного анализа состоят в следующем /55/: - целостность системы при ее взаимодействии с внешней средой- структурность системы в виде совокупности связей и их причинности- иерархичность системы, те. асфальтоукладчик, представленный как система, делится на подсистемы, которые, в свою очередь, делятся на другие подсистемы, и т.д. дополучения неделимых элементов системы. Решение задач с применением системного анализа проводится в соответствии со следующими этапами /55/: 1) постановка задачи – определяют объект, цели и задачи исследования, а также критерии для изучения и управления объектом 2) анализ решаемой задачи – очерчиваются границы изучаемой системы и определяется ее структура объекты и процессы, имеющие отношение к поставленной цели, разбиваются на изучаемую систему и внешнюю среду. Затем выделяют отдельные составляющие части системы, устанавливают взаимодействие между ними и внешней средой. Составляются математические модели подсистем и системы в целом 3) решение поставленной задачи – исследование полученных математических моделей подсистем и системы в целом с целью определения количественной оценки связей между структурными составляющими системы. Затем формулируются выводы и принимаются решения, подлежащие реализации. Задачей рабочего процесса асфальтоукладчика является укладка дорожного полотна с заданными характеристиками. 2.2. Методы математического моделирования рабочего процесса асфальтоукладчика Проведение теоретических исследований вновь создаваемой техники невозможно без математического описания исследуемого объекта, те. без математического моделирования. В настоящее время широко распространено представление математических моделей в виде системы каких-либо уравнений (общих дифференциальных, частных 32 дифференциальных и др, которые с достаточной степенью точности отражают исследуемые свойства объекта /55/. При математическом моделировании для рассматриваемого рабочего процесса асфальтоукладчик представляет собой сложную динамическую систему, на которую действуют управляющие и возмущающие внешние воздействия, имеющие стохастическую природу. Параметры подсистем асфальтоукладчика (электрогидравлический привод, система управления, рама асфальтоукладчика и т.д.) также изменяются во времени и имеют случайный характер. Но колебания этих параметров несоизмеримы с колебаниями внешних воздействий и растянуты во времени. Поэтому при составлении математической модели рабочего процесса асфальтоукладчика принимается допущение о том, что параметры подсистем объекта исследования за время переходного процесса не изменяются и вовремя исследования берутся как фиксированные величины. Математическая модель исследуемого объекта будет неполной без описания динамических свойств базовой машины, которые могут быть представлены в различной форме дифференциальными уравнениями, переходными процессами, амплитудно-фазовыми и амплитуд- но-частотными характеристиками, передаточными функциями отдельных звеньев и др. /47, 55/. Выбор того или иного типа представления динамики объекта в основном определяется задачами исследования, требованиями обеспечения наглядности проходящих процессов и т.д. В настоящей монографии целесообразно динамические свойства объекта исследования представить с помощью аппарата передаточных функций, который при компактности записи дает в достаточной степени полное представление о процессах, проходящих в звеньях системы. Для упрощения математического моделирования на начальном этапе используется аппарат моделирования механических систем в обобщенных координатах, реализованный в виде объектно-ориентированного языка SimMechaniks. Планы эксперимента могут быть классические и факторные. Классический план заключается в изменении одного фактора во всем интервале значений при постоянстве других независимых факторов. Полный факторный эксперимент заключается в том, что в нем реализуются всевозможные сочетания уровней факторов. В данной работе целесообразно использовать классические планы эксперимента, причем интервал варьируемых значений определяется свойствами объекта, к которому относится варьируемый параметр /1/. Адекватность математических моделей необходимо подтвердить результатами экспериментальных исследований. При этом сравнительная оценка в соответствии с принятыми стохастическими входными воздействиями должна производиться по сравнительной оценке основных статистики законов распределения для теоретического и экспериментального исследований. 2.3. Методика экспериментальных исследований Принятый комплексный метод исследований предполагает такой этап работы, как проведение экспериментальных исследований, основной задачей которых является подтверждение адекватности математической модели объекта исследования. Общепринято различать два метода проведения эксперимента активный и пассивный /40, 42, 55/. Пассивный эксперимент предусматривает измерение только выбранных показателей в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в функционирование. Пассивный эксперимент, по существу, является наблюдением, которое сопровождается инструментальным измерением выбранных переменных состояния объекта исследования. Активный эксперимент связан с выбором специальных воздействий и контролирует входи выход исследуемой системы. Входными могут быть единичные ступенчатые воздействия на элементы ходового оборудования асфальтоукладчика для определения динамических характеристик ходового оборудования. Выходными характеристиками могут служить переходные процессы, снимаемые аппаратурой с характерных точек (например, выглаживающей плиты) асфальтоукладчика. Принимая во внимание принятые в качестве входных возмущающие воздействия, имеющие случайную природу, целесообразно использовать пассивный способ проведения эксперимента. Важным условием проведения экспериментальных исследований является обеспечение достоверности экспериментальной информации с требуемой доверительной вероятностью р д . Достаточная доверительная вероятность р д = 0,95 /6, 83/. 34 Для исключения грубых ошибок из полученных экспериментальных данных по упорядоченной выборке х х … х вычислялось среднее арифметическое выборки /19, 83/: n i i x x n m 1 1 (2.1) и дисперсия n i x i x m x n D 1 2 ) ( 1 1 , (2.2) где х – значение го наблюдения n – число наблюдений. Грубой считается ошибка, при которой выполняется неравенство , k x x i t m x , (2.3) где t k, – табличное значение параметра распределения Стьюдента при степени свободы k = n – 1 и доверительной вероятности р д = 1 – у, здесь у – уровень значимости, у = 1 – р д ; n – количество измерений в выборке. Принято допущение, что полученные данные замеров подчиняются нормальному закону распределения случайных величин. С учетом этого истинное значение математического ожидания с вероятностью д лежит в пределах /6, 44, 83/ n t m m n t m x x x x x , (2.4) где t – 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 p д Для среднеквадратического отклонения можно записать /6, 44, 83/: 35 n t n t x x x x x 2 2 (2.5) Объем необходимых испытаний определяется исходя из заданной относительной погрешности измерений математического ожидания и среднеквадратического отклонения 2 2 2 m m t n ; (2.6) 2 2 2 t n , (2.7) где m и – относительные погрешности для математического ожидания и среднеквадратического отклонения соответственно σ – коэффициент вариации измеряемой величины. 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА АСФАЛЬТОУКЛАДЧИКА 3.1. Разработка концептуальной модели 3.1.1. Постановка цели и задач моделирования Объектом исследования является процесс управления выглажи- вающей плитой асфальтоукладчика. Таким образом, объектом моделирования является процесс управления выглаживающей плитой асфальтоукладчика, включающий в себя - неуправляемые перемещения рамы асфальтоукладчика с рабочим оборудованием под действием неровностей микрорельефа - управляемые перемещения рабочего оборудования асфальтоукладчика посредством электрогидравлического привода - перемещения штока гидроцилиндра электрогидравлического привода при подаче на него управляющего воздействия со стороны СУВП; 36 - выработку управляющих воздействий на электрогидравлический привод на основании данных измерительных устройств - измерение параметров рабочего процесса асфальтоукладчика, необходимых для выработки управляющих воздействий СУВП. Для достижения поставленной цели моделирования необходимо решить следующие задачи 1. Принять необходимые допущения и установить ограничения. 2. Определить систему и сформулировать концептуальную модель. Подготовить исходные данные. 4. Выбрать средства моделирования. 5. Разработать программную реализацию модели. 6. Проверить адекватность модели. 7. Оптимизировать модель по быстродействию. 8. Спланировать теоретические исследования. 9. Произвести моделирование. 3.1.2. Принятие допущений и установка ограничений При составлении модели приняты следующие допущения 1. Скорость движения асфальтоукладчика постоянна (энергетические процессы в силовой установке не рассматриваются. 2. Поверхность основания дорожного полотна не деформируема. 3. Все звенья расчетной схемы асфальтоукладчика рассматриваются как абсолютно жесткие. 4. Асфальтобетонная смесь подается равномерно, масса ее в бункере не изменяется. 5. Люфты в шарнирах отсутствуют. 6. Ошибка измерения датчиков мала и не учитывается при моделировании. Инерционность датчиков много меньше инерционности машины и не учитывается при моделировании. В качестве ограничений были установлены следующие 1. Не допускается изменение исполнительного механизма системы управления (электрогидравлического привода) с целью сохранения привычных функций ручного управления. 2. Поскольку исполнительный механизм системы управления электрогидравлический привод) представлен в виде релейного звена, имеющего состояния 37 выдвижение штока (+1); втягивание штока (-1); бездействие (0), управляющее устройство должно содержать в своем составе пороговый элемент, уменьшающий частоту включения электрогидропривода и, следовательно, исключающий его чрезмерный износ. 3. Варианты корректирующих звеньев устройства управления должны быть реализуемы на существующей элементной базе. 3.1.3. Определение системы и формулировка концептуальной модели В качестве системы при моделировании понимается объект исследования процесс управления выглаживающей плитой асфальтоукладчика. Для определения взаимодействия системы с внешней средой представим взаимодействие асфальтоукладчика с внешней средой при осуществлении его рабочего процесса в виде блок-схемы верхнего уровня (рис 3.1). Рис. 3.1. Блок-схема верхнего уровня рабочего процесса асфальтоукладчика и З – векторы внешних по отношению к асфальтоукладчику возмущений, представляющие собой высотные координаты микрорельефа, воздействующие на колеса ходовой системы асфальтоукладчика и управляющие воздействия на электрогидравлический привод К – критерий эффективности рабочего процесса асфальтоукладчика При движении по основанию, подготовленному для укладки асфальтобетона, на ходовую систему асфальтоукладчика воздействуют неровности микрорельефа z (возмущающие воздействия, вызывая неуправляемые перемещения, в том числе и угловые, рамы машины, которые в свою очередь вызывают перемещения рабочего оборудования асфальтоукладчика, приводящие к ухудшению точностных показателей уложенного полотна. Человек-оператор воздействует на систему управления З (управляющие внешние воздействия, изменяя заданную толщину уклады- Асфальтоукладчик З K Z Внешняя среда 38 ваемого полотна полевой и правой контрольным (крайним) точкам рабочей плиты. При условии достижения цели моделирования можно выделить подсистемы, осуществляющие следующие функции 1. Рама – подсистема, описывающая взаимосвязь перемещений левой и правой точек крепления выглаживающей плиты с изменениями высотных отметок микрорельефа под левыми и правыми колесами асфальтоукладчика, а также с управляющими воздействиями на левый и правый электрогидравлические приводы с учетом динамических свойств рамы асфальтоукладчика. В эту подсистему входят - базовое шасси асфальтоукладчика. В общую массу включены все элементы конструкции, двигатель внутреннего сгорания, механизмы, рабочие жидкости, человек-оператор и асфальтобетон, находящийся в приемном бункере и подающем механизме - балансирные тележки передней подвески (левая и правая - подвеска выглаживающей плиты (левая и правая - выглаживающая плита (учитывается только ее масса - поддерживающие гидроцилиндры подвески выглаживающей плиты, работающие в плавающем режиме (левый и правый. Остальные элементы объекта моделирования считаются принадлежащими системе управления и рассматриваются как отдельные подсистемы. 2. Электрогидравлический привод (ЭГП) – подсистема, описывающая динамические свойства электрогидравлического привода и связывающая линейные перемещения штока управляющего гидроцилиндра с управляющими воздействиями устройства управления. Устройство управления (УУ) – подсистема, описывающая динамические свойства устройства, принимающего решения о необходимости воздействия на ЭГП с целью соблюдения критерия эффективности и связывающая сигналы измерительного устройства с управляющими воздействиями устройства управления. Датчик Д) линейного перемещения штока управляющего гидроцилиндра подсистема, описывающая динамические свойства измерительного устройства и связывающая измеренный сигнал (его изображение) с реальным значением измеряемой величины – линейного перемещения штока управляющего гидроцилиндра. |