Щербаков В.С. Асфальтоукладчики. Щербаков асфальтоукладчики. В. С. Щербаков, С. А. Милюшенко совершенствование системы управления выглаживающей плитой асфальтоукладчика омск 2010
 Скачать 1.8 Mb.
|
|
Выглаживающая плита (ВП) – подсистема, описывающая динамические свойства выглаживающей плиты асфальтоукладчика и связывающая перемещения средней точки выглаживающей кромки и 39 поперечный угол наклона ВП с перемещением точек крепления управляющих гидроцилиндров к ВП. 6. Задатчик (З) – подсистема, описывающая внешние управляющие воздействия (по отношению к объекту моделирования) чело- века-оператора на систему управления. Микрорельеф – подсистема, описывающая внешние возмущающие воздействия на ходовое оборудование асфальтоукладчика. Таблица 3.1 Описание входных и выходных сигналов подсистем Вход Выход Подсистема Параметр Описание Параметр Описание 1 2 3 4 5 L ш.л Линейное перемещение штока левого управляющего гидроцилиндра л Перемещение точки крепления левого управляющего гидроцилиндра к ВП Линейное перемещение штока правого управляющего гидроцилиндра Рама L ш.п Вектор внешних возмущающих воздействий на ходовое оборудование асфальтоукладчика п Перемещение точки крепления правого управляющего гидроцилиндра к ВП ЭГП л л Управляющее воздействие устройства управления левым гидроцилиндром L ш.л Линейное перемещение штока левого управляющего гидроцилиндра ЭГП п п Управляющее воздействие устройства управления правым гидроцилиндром L ш.п Линейное перемещение штока правого управляющего гидроцилиндра УУ л h л Ошибка управления по каналу управления левым гидроцилиндром л Управляющее воздействие устройства управления левым гидроцилиндром Окончание табл. 3.1 1 2 3 4 5 УУ п h п Ошибка управления по каналу управления правым гидроцилиндром п Управляющее воздействие устройства управления правым гидроцилиндром Д л л Реальное значение линейного перемещения штока левого управляющего гидроцилиндра л Измеренное значение (изображение) линейного перемещения штока левого управляющего гидроцилиндра Д п h п Реальное значение линейного перемещения штока правого управляющего гидроцилиндра п Измеренное значение (изображение) линейного перемещения штока правого управляющего гидроцилиндра л Реальное значение линейного перемещения штока левого управляющего гидроцилиндра ВП h п Реальное значение линейного перемещения штока правого управляющего гидроцилиндра К Критерий эффективности рабочего процесса асфальтоукладчика З З Вектор внешних управляющих воздействий Микрорельеф Вектор внешних возмущающих воздействий на ходовое оборудование асфальтоукладчика В табл. 3.1 ] [ 4 3 2 1 4 3 2 1 п п п п л л л л y y y y y y y y Z , (3.1) где 1 л y … 4 л y – высотные отметки микрорельефа, подаваемые под 4 колеса левой стороны ходового оборудования асфальтоукладчика 41 1 п y … 1 п y – высотные отметки микрорельефа, подаваемые под 4 колеса правой стороны ходового оборудования асфальтоукладчика. Нумерация колес начинается с передней части асфальтоукладчика. ] [ зп эл h h З , (3.2) где эли зп h – заданные значения толщины укладываемого полотна полевой и правой контрольным точкам соответственно. ' л эл л h h h ; (3.3) ' п зп п h h h (3.4) Формулы (3.3) и (3.4) описывают сумматоры, реализующие отрицательную обратную связь полевому и правому каналам управления. При перемещении асфальтоукладчика по основанию, готовому для укладки на него асфальтобетонного покрытия, его ходовое оборудование совершает случайные перемещения в вертикальном направлении под воздействием неровностей микрорельефа Z. Эти неуправляемые перемещения передаются через раму и подвеску выглаживающей плиты на рабочее оборудование, вызывая, в свою очередь, неуправляемые перемещения выглаживающей плиты, которые влекут за собой случайные изменения толщины и угла поперечного уклона укладываемого полотна, тем самым ухудшая критерий эффективности Для соблюдения принятого критерия эффективности высотные координаты точки крепления рабочей плиты лип измеряются с помощью датчиков Дли Д п соответственно. Измеренные значения лип сравниваются с заданными высотными координатами зли h зп с помощью сумматоров. Ошибки измерений лип подаются на управляющие устройства УУ л и УУ п , которые вырабатывают управляющие воздействия лип на электрогидравлический привод ЭГП л и ЭГП п соответственно. ЭГП воздействуют на рабочую плиту, стремясь уменьшить ее колебания и, таким образом, выполнить требования поточности укладки дорожного полотна (рис. 3.2). 42 Рис. 3.2. Функциональная схема рабочего процесса асфальтоукладчика с системой управления УУ п УУ л ЭГП л Рама Микрорельеф Д л Д п л h зл L ш.л л п h зп п ЭГП п л п L ш.п л п ВП K Асфальтоукладчик Внешняя среда З З 42 43 Предлагается использовать два датчика высотного положения контрольных точек выглаживающей плиты. Такой выбор измерительных приборов основывается на возможности использования унифицированных приборов, что позволит сократить количество запасных частей и расходы на ремонт системы управления. Кроме того, современная элементная база располагает достаточно точными лазерными нивелирами, при этом может быть выбрано практически любое месторасположения датчиков на машине. 3.2. Подготовка исходных данных В качестве воздействий на объект моделирования выступают 1. Управляющее воздействие человека-оператора, задающее необходимую толщину укладываемого дорожного полотна и носящее случайный характер. При этом практически невозможно смоделировать такое воздействие вследствие невозможности предсказания момента изменения указанного параметра. Для решения задачи моделирования в данных условиях можно представить управляющее воздействие а) в виде детерминированного воздействия – заданная толщина слоя не изменяется во времени и является величиной постоянной б) в виде заранее определенного во времени сочетания управляющих воздействий. Для упрощения процесса моделирования принят варианта. Математическая модель подсистемы «Задатчик» представлена блоком Simulink «Constant», генерирующим постоянное значение величины. Возмущающее воздействие неровностей микрорельефа на ходовое оборудование, имеющее случайный характер. 3.3. Математическая модель микрорельефа Неровности рельефа местности можно условно разделить на макрорельеф, микрорельеф и шероховатости /19, 43, 45, 87/. К макропро- филю относятся неровности значительной протяженности (болеем) и относительно большой амплитуды, которые практически не вызывают колебаний машины и неуправляемых перемещений рабочего органа /43/. Шероховатости характеризуются неровностями длиной 44 менее 0,5 ми компенсируются сглаживающей способностью элементов ходового оборудования /19, 43, 45/. Применительно к задаче наибольший интерес представляет воздействие микрорельефа на элементы ходового оборудования асфальтоукладчика, поскольку неровности микрорельефа являются одной из основных причин, вызывающих неуправляемые перемещения рамы машины, а следовательно, и выглаживающей плиты /87/. Математическому описанию микрорельефа посвящено достаточное количество работ, в которых произведен статистический анализ различных грунтовых поверхностей /19, 43, 45, 87/. Поверхность грунта рассматривается как стационарная и эргодическая случайная функция двух переменных ) , ( z x y y , (3.5) где x, z – соответственно продольная и поперечная координаты некоторой средней плоскости, относительно которой изменяются высоты неровностей /43/. При этом достаточными статистическими характеристиками микрорельефа грунта являются или корреляционная функция R(l), или нормированная корреляционная функция r(l), или спектральная плотность. Корреляционная R(l) и нормированная корреляционная r(l) функции дают представление об изменении микрорельефа по длине участка, спектральная плотность S(ω) дает представление о частоте повторения длин неровностей. Аргументом спектральной плотности является путевая частота /43, 45, 87/. y асф L V , (3.6) где у – длина неровности микрорельефа. Двумерная корреляционная функция поверхности, описываемой уравнением (3.5), имеет вид /43, 87/ dxdz l z l x y z x y xz l l R x x z z y x ) ( ) , ( 4 1 lim ) , ( 2 , 1 2 1 (3.7) 45 В связи стем, что вычисление двумерной корреляционной функции сопряжено с определенными трудностями, ее можно заменить на две корреляционные функции левой и правой колеи. При этом случайные последовательности для левой и правой колеи реализуются по одной корреляционной функции /43, 87/: dx l x y x y x l R x x x y ) ( ) ( 2 1 lim ) ( (3.8) Нормированная корреляционная функция имеет вид /5, 7/ ) 0 ( / ) ( ) ( R l R l r ; (3.9) 2 ) 0 ( D R , (3.10) где D – дисперсия σ – среднеквадратическое отклонение. Спектральный состав случайной функции характеризуется спектральной плотностью S(ω), которую можно определить через корреляционную функцию, используя преобразование Фурье /43, 87/ dl e l R S l j ) ( ) ( (3.11) В общем виде существующие модели микрорельефа можно представить в виде /43, 87/ n i i l i l e A l r i 1 cos ) ( ; (3.12) n i i A 1 1, (3.13) где i – параметры, характеризующие затухание корреляционной функции i – параметры, характеризующие периодичность корреляционной функции. 46 Кроме этого, при математическом описании неровностей микрорельефа иногда используются и другие уравнения /8/: n i i i i i l i l l l e A l e A l r i 1 0 0 ) sin (cos ) 1 ( ) ( 0 (3.14) Например, в работе /10/ микрорельеф целины описан уравнением ) sin ( ) ( 2 1 2 1 2 l e A e A l R l l y , (3.15) где σ = 0,19 мс с β = 3,05 с -1 Микрорельеф готового дорожного основания описывается уравнением) где σ – среднеквадратическое отклонение высотных отметок микрорельефа параметр, характеризующий затухание корреляционной функции β – параметр, характеризующий периодичность корреляционной функции. Для реализации случайного микрорельефа на ПЭВМ обычно используется алгоритм, основанный на преобразовании стационарной последовательности x i независимых нормально распределенных случайных чисел (дискретный белый шум) в последовательность y n , для чего используется рекуррентное уравнение вида /8, 43, 87/ , 0 1 2 2 1 1 1 1 1 0 l k m k k i k k i k m i m i i l i i i i y b x a y b y b y b x a x a x a y (3.17) где x i – реализация независимых нормально распределенных чисел с параметрами m x = 0 и σ x =1. При этом вид рекуррентного уравнения определяется видом корреляционной функции /84/. 47 Случайный процесс, описываемый корреляционной функцией (3.16), реализуется с помощью следующего рекуррентного уравнения /19, 43, 84/: ) 2 ( ) 1 ( ) 1 ( ) ( ) ( 2 1 1 0 n y b n y b n x a n x a n y , (3.18) где C a 0 ; (3.19) C C a / ) ( 0 1 ; (3.20) 0 1 cos 2 p b ; (3.21) 2 2 p b ; (3.22) 0 0 sin ) 1 ( z p p C ; (3.23) 0 0 1 cos sin 4 z p C ; (3.24) 2 ) 4 ( 2 0 2 1 1 C C C C ; (3.25) e p ; (3.26) h ; (3.27) h 0 , (3.28) где h – шаг дискретности отсчета путевых отметок l формула (3.16)]; x(n) – реализация нормально распределенных чисел с параметрами математическое ожидание m(n)=0, среднеквадратическое отклонение σ = 1. Микрорельеф генерируется непосредственно перед моделированием рабочего процесса асфальтоукладчика, высотные координаты микрорельефа под соответствующим колесом извлекаются из общего массива координат в процессе расчета. На рис. 3.1 – 3.4 в качестве примера приведены фрагменты реализации микрорельефа по корреляционной функции (3.16). Фрагменты для левой и правой колеи отличаются различными реализациями x(n). 48 Рис. 3.3. Фрагмент реализации микрорельефа полевой и правой колеям Ходовая система асфальтоукладчикаАСФ-К-3-04 содержит 8 колес, из которых 4 колеса на левом борту и 4 – на правом. Simulink- модель подачи возмущающих воздействий со стороны микрорельефа на колеса асфальтоукладчика показана на рис. 3.5. Ycoord_Zad_Kol_1 Ycoord_Zad_Kol_2 Ycoord_Zad_Kol_3 Ycoord_Zad_Kol_4 Ycoord_Pered_Kol_1 Ycoord_Pered_Kol_2 Ycoord_Pered_Kol_3 Ycoord_Pered_Kol_4 1 Koord_All_Kol Ycoord_Right Ycoord_Left Vasp Velosity, Рис. 3.4. модель подачи возмущающих воздействий со стороны микрорельефа на колеса асфальтоукладчика Генератор постоянного сигнала (см. рис. 3.4, Velocity, m/c) задает скорость движения асфальтоукладчика, звено Integrator обеспечивает l, мулу п, м 49 вычисление пути, пройденного асфальтоукладчиком. Звенья Transport Delay выполняют задержку сигнала на время асф i зi V L , (3.29) где L i – расстояние от нулевой точки (принята крайняя передняя точка габаритной длины асфальтоукладчика в плане) до соответствующего го колеса. Все координаты собираются в одну шину с помощью Simulink- блока Mux и передаются как возмущающие внешние воздействия на раму асфальтоукладчика. 3.4. Выбор средств моделирования В настоящее время существует достаточно большое количество программных продуктов, позволяющих моделировать сложные технические объекты и процессы, происходящие в них (в том числе строительные дорожные машины. В числе указанного программного обеспечения можно выделить следующее 1. MATLAB с пакетами расширений Simulink, SimMechanics. 2. VisSim. 3. SolidWorks с пакетами расширений CosmosMotion, Cosmos- Works и CosmosFloWorks. 4. ProEngineering с пакетами анализа. 5. Nastran. 6. Patran. Программы 3 и 4 представляют собой специализированное программное обеспечение семейства CAD/CAE (Computer Aided De- sign/Computer Aided Engineering), те. программ, предназначенных для автоматизированного проектирования технических объектов и проведения инженерных расчетов. Обладая мощными средствами трехмерного проектирования, эти программы также оснащены средствами для проведения инженерных расчетов на прочность (CosmosWorks), кинематических и динамических перемещений механизмов и их элементов, а также моделирования поведений жидкостей и газов (CosmosFloWorks) /94/. Программы 5 и 6 являются представителями класса CAE и не обладают возможностями класса CAD (имеются лишь примитивные 50 средства черчения трехмерных объектов. Но эти программы являются мощнейшими инструментами при проведении расчетов на прочность методом конечных элементов /94/. Программа 2 является специализированным средством моделирования линейных систем автоматического управления, нелинейные объекты в этой программе представлены весьма слабо ив некоторых случаях некорректно учитываются при расчете /41/. Программа 1 позиционируется как система компьютерной математики (СКМ) и предназначена для проведения расчетов различной степени сложности. Принадлежность к той или иной области научных знаний может быть задана лишь используемым пакетом расширений. На данный момент трудно указать область, в которой не использовался бы MATLAB /23, 28, 29, 30, 89/. Пакет Simulink является ядром интерактивного программного комплекса, предназначенного для математического моделирования линейных и нелинейных динамических систем и устройств, представленных своей функциональной блок-схемой, именуемой моделью или просто моделью. При этом возможны различные варианты моделирования во временной области, в частотной области, с событийным управлением, на основе спектральных преобразований Фурье, с использованием метода Монте-Карло (реакция на воздействия случайного характера) и т. д. /23, 28, 89/. Для построения функциональной блок-схемы моделируемых устройств имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок-схем. Используя палитры компонентов (библиотеки, пользователь с помощью мыши переносит нужные блоки с палитр на рабочий стол пакета Simulink и соединяет линиями входы и выходы блоков. Таким образом, создается блок-схема системы или устройства, то есть модель /23, 28, 89/. Simulink автоматизирует следующий, наиболее трудоемкий этап моделирования он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную функциональную схему (модель, обеспечивая удобный и наглядный визуальный контроль за поведением созданного пользователем виртуального устройства /23, 28, 89/. SimMechanics – это отдельная библиотека пакета Simulink среды MATLAB, предназначенная для моделирования механического движения твердых тел. Основное ее назначение – это моделирование пространственных движений твердотельных машин и механизмов на 51 стадии инженерного проектирования, используя законы теоретической механики /46, 93/. При использовании библиотеки SimMechanics, интегрированной в Simulink, могут быть использованы все возможности системы MATLAB, в частности добавление к модели механической системы компонентов из других библиотеки расширений системы. Пакет SimMechanics позволяет решать пространственные задачи статики, кинематики и динамики многозвенных механических объектов /46, 93/. К достоинствам реализации моделирования механических систем при помощи SimMechanics в Simulink могут быть отнесены простота создания моделей не слишком подготовленными пользователями и высокая скорость вычислений при моделировании движений много- звенных объектов с большим числом степеней свободы в больших перемещениях. Механическая система представляется связанной блочной диаграммой, подобно другим моделям Simulink, с использованием блоков из библиотеки SimMechanics. В качестве задаваемых параметров механических блоков выступают массово-инерционные свойства тел (звеньев механизмов, координаты характерных точек тел (такие, как центры масс, точки приложения внешних и управляющих воздействий, точки присоединения шарниров и сочленений. В отличие от других блоков Simulink, которые выполняют математические действия или обрабатывают сигналы, механические блоки SimMechanics представляют непосредственно физические тела или связи между ними. Моделируемые механические системы могут состоять из любого количества твердых тел, связанных шарнирами, имеющими поступательные и вращательные степени свободы. SimMechanics может моделировать механизмы со звеньями, организованными в иерархические структуры, как ив обычных моделях Simulink. Возможно наложение кинематических ограничений, сил и вращающих моментов, взаимных траекторий движения тел /46, 93/. Исходя из изложенных функций программного обеспечения, для моделирования рабочего процесса асфальтоукладчика предлагается использовать систему MATLAB с пакетами расширений Simulink, SimMechanics. Для моделирования подсистемы Рама применяется совокупность пакетов Simulink и SimMechanics, для остальных подсистем только Simulink. Процедура запуска и обработки результатов, а также процедура генерации микрорельефа по правой и левой колее реализованы на языке а. |