автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка оптимальных алгоритмов управления режимом движения магистрального автопоезда

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор.

1.1. Совершенствование режима движения АТС.

1.2. Современные достижения и тенденции развития.

1.3. Основные задачи исследования.

Глава 2. Имитационное моделирование движения АТС.

2.1. Математическая модель движения.

2.2. Моделирование движения с помощью компьютера.

2.3. Адекватность модели.

Выводы.

Глава 3. Расчётно-экспериментальное исследование.

3.1. Выбор критериев оценки.л.

3.2. Минимизация конечных показателей неравномерного движения способом поиска экстремума.

3.3. Минимизация конечных показателей неравномерного движения способом равномерной сетки.

3.4. Сравнительная характеристика способов минимизации.

Выводы.

Глава 4. Выбор оптимальных режимов движения автопоездов.

4.1. Выбор режима переключения передач.

4.2. Моделирование движения по скоростной дороге Автополигона.

4.3. Моделирование движения в различных условиях.

4.4. Моделирование движения автопоезда с тягачом Mercedes

4.5. Моделирование движения автопоезда с тягачом КамАЗ-5410.

4.6. Обобщение и оценка результатов.

Актуальность работы. Одной из главных проблем развития и совершенствования современного автомобиля является повышение его удельной производительности [52]. Этой цели можно добиться различными путями, но, главное, улучшением показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.

Эти показатели, в конечном счете, оказываются наилучшими при бесступенчатом регулировании передаточного числа трансмиссии, в особенности, автоматическом [28, 51]. Но, к сожалению, на сегодня нет ни одного вида передач, которые бы обеспечивали бесступенчатое, а тем более автоматическое бесступенчатое регулирование передаточного числа трансмиссии без проявления каких-либо существенных негативных эффектов по сравнению с обычными ступенчатыми передачами, получившими наибольшее применение на автомобилях.

Стремление устранить недостатки ступенчатого регулирования передаточного числа трансмиссии с целью улучшения тягово-скоростных свойств, топливной экономичности и экологической чистоты объясняет устойчивую тенденцию увеличения числа передач в трансмиссиях автомобилей всех категорий, в особенности грузовых автомобилей и тягачей автопоездов. Так, например, в отечественных автомобилях КамАЗ используют 10-и ступенчатую коробку передач (КП), а в зарубежных -даже 16-и ступенчатые. Но это имеет и свои минусы.

Увеличение числа передач трансмиссии автомобиля целесообразно только при правильном порядке управления переключением передач (ручным или автоматизированным) и требует в любом случае разработки алгоритма оптимального переключения. Интуитивное (с учётом опыта) управление переключением передач практически не может быть оптимальным ввиду сложности и неочевидности алгоритма переключения как показано в данной работе), а, следовательно, не может обеспечить наиболее оптимальных показателей удельной производительности, а также активной и экологической безопасности, которые могут быть реализованы на практике благодаря многоступенчатости КП.

Целью настоящей работы является обоснование теоретической базы и математического аппарата для решения задачи оптимизации процесса управления режимом движения с учётом особенностей конструкций многоступенчатых механических трансмиссий. Этот аппарат может быть применён при создании системы автоматического управления (САУ) трансмиссией, при программной реализации алгоритма управления трансмиссией, а также при конкретном выборе автотранспортного средства (АТС) или режима его движения по данной дороге. Для достижения этой цели необходимо:

1. Проанализировать существующие труды в области автоматизации КП, оптимизации режима движения и моделирования движения.

2. Создать компьютерную программу имитационного моделирования движения на базе существующей теории эксплуатационных свойств автомобиля.

3. Осуществить выбор математических методов и критериев оптимизации режима движения.

4. Осуществить комплексную интеграцию имитационного моделирования движения АТС и методики оптимизации режима его движения, т. е. встраивание оптимизации режима движения в математическую модель движения АТС.

5. Разработать на этой основе комплексную компьютерную систему, позволяющую оперативно вести расчёты и анализировать результаты.

Методы исследования. На практике анализ большого количества промежуточных результатов, полученных путём компьютерного моделирования, позволяет быстро определить верное направление при совершенствовании конструкции автомобиля. При этом, очевидно, в основу математических и компьютерных моделей должны быть положены фундаментальные теоретические закономерности, многократно проверенные на практике.

Научная новизна заключается в предложенных методах оптимизации показателей неравномерного движения (разгона) АТС, базирующихся на математических методах выбора рационального значения по градиенту и на основе равномерной сетки. Эти методы использованы для выбора порядка переключения передач магистрального автопоезда при компьютерном моделировании движения по дороге переменного профиля.

В разработанную модель движения введено понятие «схемы переключения передач», которая может быть сформирована на основе как известных методик, так и предложенных в данной работе. Переключение согласно предложенной схеме может осуществляться на любую возможную в данных дорожных условиях передачу при любой скорости, допустимой по техническим параметрам или условиям ограничения.

Разработанная комплексная компьютерная система моделирования движения, включает в себя базы данных как для исходных параметров, так и для результатов расчетов. С помощью данной компьютерной системы проведено моделирование движения магистральных автопоездов как с минимизацией показателей неравномерного движения (разгона) с переключением передач, так и без неё при разных коэффициентах использования мощности и скоростях ограничения. На базе полученных результатов установлены принципы формирования оптимальных способов переключения передач при движении автопоезда по дороге переменного профиля.

На защиту выносятся:

1. Способы оптимизации показателей неравномерного движения АТС на базе выбранных математических методов и комплексных критериев оптимизации режима движения.

2. Комплексная методика имитационного моделирования с возможностью оптимизации режима движения АТС указанными выше способами, реализованная в виде компьютерной программы.

3. Результаты расчетно-теоретических исследований тягово-ско-ростных свойств и топливной экономичности АТС и созданные на базе этих результатов принципы формирования оптимальных способов переключения передач при движении автопоезда по дороге переменного профиля.

Основные выводы и рекомендации

Результаты расчётно-экспериментальных исследований, выполненных автором, позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Одним из методов повышения эффективности работы автопоездов, снабжённых многоступенчатыми трансмиссиями, может служить выбор оптимального режима переключения передач и степени использования мощности двигателя.

2. Рекомендуются два способа управления многоступенчатыми трансмиссиями магистральных автопоездов, улучшающих показатели топливно-скоростных свойств и экологической чистоты: градиентный способ и способ равномерной сетки. Градиентный способ целесообразно использовать в бортовых системах управления трансмиссией, а способ равномерной сетки -при определении наилучшего режима движения по заданному маршруту и при выборе типа подвижного состава или варианта маршрута для конкретной перевозки.

3. Определены наилучшие режимы разгона для автопоездов Mercedes 1735 (удельная мощность 7,5 кВт/т) и КамАЗ-5410 (5,75 кВт/т) в различных условиях движения (на горизонтальной дороге, подъёме и спуске). Установлено, что для автопоезда Mercedes 1735 совершенствование только порядка переключения передач даёт при разгоне с места до максимальной скорости выигрыш до 5% по времени и до 3% по топливу; для автопоезда КамАЗ-5410 - соответственно до 13% по времени, до 10% по расходу топлива, до 20% по выбросам сажи и до 8% по окиси углерода. Отмечено, что порядок и скорости переключения передач при разгоне для наилучших по экологическим критериям вариантов существенно отличаются от соответствующих параметров наилучших вариантов по времени и расходу топлива.

4. Разработана компьютерная модель, в которую встроен алгоритм оптимизации режима переключения передач. Программа позволяет проводить моделирование движения как по «оптимизированной», так и по «стандартной» логике водителя. Программа позволяет варьирование коэффициента использования мощности двигателя, а также сохраняет для дальнейшего анализа и использования как результаты расчётов, так и исходные данные.

5. Сравнение результатов расчёта и эксперимента показало, что средняя величина относительной погрешности для тягово-ско-ростных свойств составила 8%, а для топливной экономичности -менее 5%. Максимальное расхождение не превышает 10%. Это позволяет считать результаты расчета удовлетворительными, а расчётную модель адекватной.

6. Анализ полученных результатов расчёта позволяет отметить следующее:

• За счёт рационального выбора режима переключения передач достигается повышение удельной производительности автопоездов от 3 до 6%, при этом экономия топлива составляет от 2 до 7%. В тяжёлых условиях (на горной дороге) эта разница менее заметна.

• Оптимизация режима переключения передач позволяет уменьшить количество выбросов СО на 10% и сажи - на 9%.

• Оптимизация алгоритма переключения передач для автопоезда Mercedes 1735 даёт наибольший эффект в тяжёлых условиях (на горной дороге), а для автопоезда КамАЗ-5410 - в средних и лёгких условиях (на холмистой и слабохолмистой дороге).

Следовательно, данное мероприятие актуально для всех магистральных автопоездов и во всех условиях движения.

• Установлено, что уменьшение коэффициента использования мощности двигателя не даёт выигрыша по удельной производительности, что особенно заметно в тяжёлых условиях. Это свидетельствует о необходимости возможно более полного использования мощности двигателя как при разгонах, так и при движении на подъём или преодолении других повышенных сопротивлений.

1. Автомобильные перевозки и организация дорожного движения: Справочник. Пер. с англ./В.У.Ремкин, П.Клафи, С.Халберт и др. - М.: Транспорт, 1981. — 592 с.

2. Айзерман М.А. Автоматика переключения передач. М.: Машгиз, 1948. — 139 с.

3. Айзерман М.А., Алескеров Ф.Т. Выбор вариантов: основы теории. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. — 240 с.

4. Бахвалов Н.С. Численные методы, т. 1. М : Наука, 1973.

5. Беленков Ю.А., Лепешкин A.B. Объёмный гидропривод в качестве трансмиссии АТС. За и против. М., «Автомобильная промышленность», 1999, № 8. — с. 20-22.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.- 13-е изд., испр. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.— 544 с.

7. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. -М.: Наука, 1980.

8. Великанов Д.П. Мощность двигателя перспективного автопоезда предельно большой грузоподъёмности. «Автомобильная промышленность», 1984, № 9.

9. Великанов Д.П. Эффективность автомобиля. М.: Транспорт, 1969. —236 с.

10. П.Высоцкий М.С., Беленький Ю.Ю., Московкин В.В. Топливная экономичность автомобилей и автопоездов. Мн.: Наука и техника, 1984. — 208 с.

11. ГОСТ 22576-90. "Автотранспортные средства. Скоростные свойства. Методы испытаний". М.: "Стандарт", 1991.

12. Грифф М.И. Проблема перспективного развития специализированного автотранспорта для строительства. М., ЦНИИОМТП, 1998 г.

13. Грифф М.И. Проблема развития специализированных автотранспортных средств для строительства и пути её решения. Дисс. докт. техн. наук по спец. 05.05.03. -М.: 1997.

14. Гришкевич А.И. Автомобили. Теория. Мн.: Вышейшая школа, 1986. —207 с.

15. Диваков Н.В. Теоретическое и экспериментальное исследование некоторых вопросов, связанных с переключением передач при разгоне автомобиля. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03. М.: 1947.

16. Дочев К.Д. Применение многофакторной адаптивной системы выбора момента переключения передач с целью улучшения эксплуатационных показателей автобуса малого класса. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03.-М.: 1988.

17. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ: Справочник. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.— 240 с.

18. Зимелев Г.В. Методика тягового и экономического анализа автомобиля с прогрессивной передачей. Сб. «Вопросы машиноведения». Изд-во АН СССР, 1950.

19. Зимелев Г.В. Теория автомобиля. М.: Машгиз, 1959. — 312 с.

20. Иванов A.M. Совершенствование конструкции и повышение эксплуатационных свойств автомобиля. М.: МАДИ, 1987.

21. Иванов A.M. Технические пути повышения конструктивной эффективности грузовых автотранспортных средств. Дисс. докт. техн. наук по спец. 05.05.03. М.: 1995.

22. Канторович JI.B., Акилов Г.П. Функциональный анализ. М.: Наука, 1977.

23. Колмогоров А.Н., Фомин C.B. Элементы теории функций и функционального анализа. М.: Наука, 1976.

24. Крайнык JI.B., Гащук П.Н. Критериальная оценка динамичности и топливной экономичности разгона автомобиля. «Автомобильная промышленность», 1981, № 8.

25. Краткий автомобильный справочник / А.Н.Понизовкин, Ю.М.Власко, М.Б.Ляликов и др. М.: АО "ТРАНСКОНСАЛТИНГ", НИИАТ, 1994.—779 с.

26. Литвинов A.C., Фаробин Я.Е. Автомобиль. Теория эксплуатационных свойств. М.: Машиностроение, 1989. — 240 е.: ил.

27. Нарбут А.Н. К выбору рациональной загрузки двигателя при разгоне автомобиля на низшей передаче. «Известия вузов. Машиностроение», 1986, № 3.

28. Нарбут А.Н. Основы оптимизации выходных характеристик гидротрансформаторов автомобилей. Дисс. докт. техн. наук по спец. 05.05.03.-М.: 1974.

29. Нарбут А.Н., Мухитдинов A.A., Барвинок В.Г. О выборе критериев оптимизации процесса разгона автомобиля. «Известия вузов. Машиностроение», 1983, № 12.

30. Нарбут А.Н., Петухов М.Ю., Симаков А.Н. Влияние ограничений при формировании моментов переключения передач на топливную экономичность разгона. «Известия вузов. Машиностроение», 1990, № 9.

31. Нарбут А.Н., Петухов М.Ю., Симаков А.Н. Определение моментов переключения передач в процессе движения автомобиля. «Известия вузов. Машиностроение», 1990, № 7.

32. Никифоров И.В. Обеспечение необходимого уровня тягово-ско-ростных свойств и топливной экономичности многозвенного магистрального автопоезда. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03. М.: 1986.

33. Осипов В.И. Исследование автомобильных гидротрансформаторов с плоскими лопатками. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03. М.: 1973.

34. Охапкин Н.И. Алгоритмизация и моделирование на ЦВМ процесса движения и управления автомобилем. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03.-М.: 1971.

35. Петров В.А. Автоматические системы транспортных машин. -М.: Машиностроение, 1974.

36. Петров В.А. Гидрообъёмные трансмиссии самоходных машин. -М.: Машиностроение, 1988. — 248 е.: ил.

37. Петров В.А. Основы теории автоматического управления трансмиссией автомобиля. М.: Изд АН СССР, 1957. — 163 с.

38. Петухов М.Ю. Улучшение топливной экономичности легкового автомобиля путём автоматизации его трансмиссии. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03. М.: 1990.

39. Платонов Е.М. Экономические разгоны автомобиля. «Автомобильная и тракторная промышленность», 1954, № 10.

40. Плужников Б.И. Исследование законов переключения передач автоматической гидромеханической трансмиссии легкового автомобиля на режиме разгона. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03. -М.: 1982.

41. Поляк Л.Д. Улучшение технико-экономических показателей городского автобуса за счёт адаптивного управления их ГМП. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03. -М.: 1989.

42. Разработка алгоритмов программ многокритериальной оптимизации схем и параметров объёмных гидротрансмиссий самоходных машин. Отчёт о НИР (заключ.) / МАДИ. Рук. темы И.М.Кодолов. Тема № 0240388, инв. № 02890036720.-М.: 1988.

43. Ректорис К. Вариационные методы в математической физике и технике. -М.: Мир, 1985.

44. Руктешель О.С. Анализ и синтез систем автоматического управления переключением передач АТС. Дисс. докт. техн. наук по спец. 05.05.03.-Мн.: 1987.

45. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.: Наука, 1979.

46. Селифонов В.В. Автоматические сцепления и гидропередачи автомобилей. Учебное пособие М., МАМИ, 1999.

47. Ткаченко А.Н. Комплексная автоматизация механической ступенчатой трансмиссии на основе использования микропроцессорной системы управления. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03. М.: 1989.

48. Токарев A.A. Топливная экономичность и тягово-скоростные качества автомобиля. М.: Машиностроение, 1982. — 222 с.

49. Токарев A.A. Удельная производительность автомобиля. М., «Автомобильная промышленность», 1999, № 12. — с. 15-16.

50. Токарев A.A. Выбор неадекватных конструктивных параметров автомобиля и его агрегатов с помощью КПД. М., «Автомобильная промышленность», 2001, № 1. — с. 9-11.

51. Трембовельский Л.Г. Прогнозирование тягово-скоростных и топливных свойств автотранспортных средств на основании дорожных и стендовых испытаний. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03. -М.: 1991.

52. Фалькевич Б.С. Теория автомобиля. -М.: Машиностроение, 1963. — 239 с.

53. Фаробин Я.Е. Теория специализированного подвижного состава. -М.: МАДИ, 1979. —74 с.

54. Фаробин Я.Е., Андропов Ф.Е. Организация переключения передач на магистральном автопоезде. Выбор оптимального алгоритма. -М., «Автомобильная промышленность», 1997, № 5. — с. 13-16.

55. Фаробин Я.Е., Грифф М.И. Математическая модель движения специализированного автотранспортного средства на маршруте. М.: ЦНИИОМТП, РИФ «Глория», 1997. — 80 с.

56. Фаробин Я.Е., Иванов A.M., Грифф М.И. Рекомендации по подготовке и эксплуатации многозвенных поездов. // ВНИИНТПИ, 1991.40 с.

57. Фаробин Я.Е., Овчаров В.А., Кравцева В.А. Теория движения специализированного подвижного состава. Учебное пособие. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1981. — 160 с.

58. Фаробин Я.Е., Щупляков B.C. Оценка эксплуатационных свойств автопоездов для международных перевозок. М.: Транспорт, 1983. — 200 с.

59. Фаробин Я.Е., Якобашвили A.M., Иванов A.M., Олитский B.C., Самойленко Ю.А. Трехзвенные автопоезда. М.: Машиностроение, 1993.224 с.

60. Фигуров И.В. Исследование скоростных свойств и топливной экономичности автопоезда в условиях полигона с помощью математического моделирования. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03. -Дмитров: 1973.

61. Харитонов Н.П. Исследование процессов автоматического переключения автомобильной гидромеханической передачи. Дисс. канд. техн. наук по спец. 05.05.03. М.: 1966.

62. Чудаков Е.А. Теория автомобиля. -М.: Машгиз, 1950. — 343 с.

63. Данные, постоянные для каждого участка дороги на каждой передаче, такие, как коэффициенты правой части дифференциального уравнения движения автомобиля и максимальная скорость на каждой передаче.

64. Моделирование движения ввтомобиля Моделирование.1. А ДнКПШ Д В|а| ■! А|

65. Нпиманиван^Автомойипи |Дарагп |Пугьг м|ирамн.с|Усргкм/Цо. я|оз.яЛ00|г-^оптимальный Км-Л3-5320•приСюростна! 15100 стонцартный К31.л3-5320*приСкорости®! 151007745 773,7702 7.8703 7.952.Э лГ

66. Лерьпачи £ ^астки Р Условия Г* Движение1. Участок! Передний |о1. Ушах м/с