автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматическая система управления планировочными процессами при строительстве автомобильных дорог

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

vn На правах рукописи

УДК 681.5:621.878

■ О ОПТ

ДЕМЕНТЬЕВА ЛИДИЯ АНДРЕЕВНА

АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЛАНИРОВОЧНЫМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Специальность — 05.13.07 «Автоматизация технологических процессов и производств в строительстве»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

МОСКВА 1994

Работа выполнена в Московском государственном автомобильно-дорожном институте (Технический Университет)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Воробьев В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Банковский A.M.

кандидат технических наук, ст.н.с. Брайковский D.A.

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский и проектно- экспериментам ный институт организации, механизации и технической помощи строительству

Защита состоится Й1Л 1994 г. в

//

часов на заседании специализированного Совета Д.053.30.07 при Московском государственном автомобильно-дорожном институте (Технический Университет) по адресу: 125829 ГШ А-47, Москва, Ленинградский проспект, д. 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ(ТУ).

Автореферат разослан "¿¿¿{/■п^Л^А. г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес Совета института.

Ученый секретарь

специализированного Совета

к.т.н., доцент ^^Михайлова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ровность покрытий аэродромов и автомобильных дорог определяет безопасность эксплуатации транспортных средств. Неудовлетворительное состояние поверхности дорожного покрытия является частой причиной дорожно-транспортных происшествии. На неровных покрытиях возникает чрезмерные колебания транспортного средства, усложняющие условия вождения и отрицательно сказывающиеся на комфортности движения и состоянии техники. Состояние поверхности в значительной степени обусловливает и долговечность самого покрытия, так как микронеровности рельефа влекут аа собой динамические нагрузки, ведущие к преждевременному разрушению несущей поверхности. Известно, что на достаточно ровном покрытии динамические нагрузки сравнительно невелики, однако при неровностях порядка 1...2 см динамические нагрузки на аэродромное покрытие на ЗОЯ и более превышают статические.

Обусловленная конкретными эксплуатационными требованиями ровность покрытия может быть получена лишь при высоком качестве строительства, своевременном уходе и ремонте. Высокий уровень строительства обеспечивается не только применением совершенного технологического оборудования и высококачественных исходных материалов, но и наличием контролирующей аппаратуры, дающей оперативную и достоверную информацию о ровности получаемого покрытия. Кроме того, необходимо, чтобы в ходе эксплуатации аэродромов и автомобильных дорог состояние поверхности покрытия находилась под систематическим наблюдением, что также требует создания соответствующих приборов для оперативного контроля.

Целью работы является разработка и исследование системы автоматического управления планировочными операциями при строительстве автомобильных дорог и аэродромных покрытий.

Методы исследования. В работе использовались методы математического моделирования, теории автоматического управления, синтеза систем цифрового управления, теории вероятности и ма-

3

тематической статистики, теории оптимизации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана общая концепция автоматического геодезического контроля, инвариантного к положению источника излучения, для целен автоматизации дорожно-строительных работ. Определень требования к точности измерения профиля дорожного полотна, быстродействия системы автоматического управления при строительстве автомобильных дорог;

- синтезирована математическая модель измерительной подсистемы ; получены переходные процессы в измерительной системе при непрерывном контроле, проведена оптимизация ее параметров;

- синтезирована система автоматического управления процессом планировки на основе оптической измерительной системы, обоснована целевая функция оптимизации системы автоматического управления, проведена оптимизация автоматической измерительной системы по критерию качества,

- проведено математическое моделирование системы автоматического управления планировочными процессами, получены ее основные характеристики.

Практическая ценность работы заключается в создании системы управления планировочными процессами, существенно повышающей производительность и качество работы, и создании высокопроизводительной измерительной системы для контроля лрсфшш автомобильных дорог.

Разработанное устройство защищено двумя авторскими свидетельствами на изобретение.

Реализация результатов работы. Разработанное устройство прошло лабораторные и производственные испытания.

К защите представляются:

- система автоматического управления планировочными операциями при строительстве автомобильных дорог;

- математическая модель взаимодействия оптике-электронного преобразователя о контролируемой поверхностью;

- результаты исследования, и оптимизации измерительной подсистемы.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались и обсуждались на 44, 45, 46, 47 научно-методических и научно-исследовательских конференциях Московского автомобильно-дорожного института (Москва, 198б-1989г.г.), на III Всесоюзном совещании "Координатно-чувс-гвительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе" (Барнаул, 1985 г.). на научно-практической конференции "Материалы, технология и конструкции для Нечерноземья" (Брянск, 1985 r.)i Ш Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе" (Барнаул, 1986 г.), YI Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружении (методы, приборы, оборудование и метрологическое обеспечение)" (Новополоцк, 1986 r.)i Y Всесоюзном совещании "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе" (Барнаул, 1987 г.). YI Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе" (Барнаул, 1988).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе два авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемой литературы, приложений и содержит 147 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 3 таблиц, 96 наименовании библиографии и б приложении.

Научный консультант работы - д.т.н., проф. В.А. Горшков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, сформулирована цель исследований, изложены научные и практические результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается современное состояние зроблемы автоматизации планировочных операции при строительстае автомобильных, мелиоративных систем и аэродромов, а также зопросы определения ровности дорожных и аэродромных покрытии.

Анализ нормативных документов и экспериментальных иссле-

5

дований, проводимых в СоюзДорНИИ, позволил выявить основные характеристики контролируемой поверхности автомобильных дорог.

Анализ методов и систем для автоматизации планировочных процессов при строительстве автомобильных дорог проводился как по методам контроля профиля полотна, так и по системам автоматического управления землеройными машинами.

На основании работ В.Ф. Еабкова, Сильянова В.В., Афанасьева В. А., В.Д. Большакова, Е.Г. Парамоновой, А.Г. Юнусова, В.П. Скогорева, Х.К. Ямбаева и других авторов был обоснован выбор оптического метода геодезических измерений.

Анализ работ Л.Н. Воронцова, A.B. Зацаринного, B.C. Розова, В.А. Канцерова и других авторов по использовании лазерных геодезических систем для управления планировочными операциями и контроля геометрических характеристик дорожных покрытий показал, что основным недостатком существующих измерительных систем является отсутствие инвариантости процесса измерения к положению задающего источника и детекторной части, что существенно сужает область применимости и понижает производительность планировочных работ.

Анализ работ B.C. Голова, A.C. Федорова, 'В.И.Шустова, О.В. Корнева, A.M. Чудесникова, Б.Д. Кононыхина, Ю.К. Шелков-никова и других по синтезу систем управления планировочными операциями позволил сформулировать основные требования к системе управления.

Для разработки системы управления потребовалось решить следующие задачи:

1. Разработать общую концепцию метода автоматического контроля, инвариантного к положению источника излучения;

2. Разработать математическую модель системы для определения эффективности предложенного метода контроля;

3. Исследовать влияние геометрических характеристик контролируемой поверхности на точность определения продольного и поперечного профилей;

4. Обосновать критерий и оптимизировать структуру и параметры автоматической системы геодезического контроля;

5. Исследовать метрологические характеристики разработан-

пой автоматической системы управления*

6. Провести лабораторные и производственные испытания и оценить эффективность разработанной системы автоматического /правления.

Вторая глава посвящена разработке системы автоматического управления планировочными операциями при строительстве автомобильных и аэродромных покрытии.

Для компенсации колебании платформы с детектором (рис. 1) система снабжена дополнительным измерительным контуром, осуществляющим контроль высоты точки подвеса фотоприемного уст-

Рис..1 Функциональная схема системы геодезического контроля

излучения 2 с оптической системой 3, разворачивающей луч лазера в горизонтальную световую плоскость. Приемное устройство представлено установленным на рабочем органе дорожно-строительной машины 4 чувствительным оптическим элементом 5, измеряющим расстояние Ьц между базовой световой плоскостью и точкой подвеса фотоприемного устройства. Ультразвуковой локатор б измеряет расстояние Иг между точкой подвеса фотоприемного устройства и контролируемой поверхностью. В начальный момент времени, когда дорожно-строительная машина неподвижна, ультразвуковым локатором измеряется базовое расстояние Иго. Эта величина используется в дальнейшем для компенсации искажений показаний фотоприемного устройства, вызванных колебаниями транспортного средства:

- Ьх-(Ьго-Ьг) при Ь2>Ьго, (1)

и Ьщ, - Их* (Иго-Иг) ПРИ Ь^Ьго- (2)

Инвариантность измерений относительно взаимного расположения источника и детектора излучения может быть достигнута за счет использования для регистрации светового потока либо цилиндрического, либо объемного детектора.

Цилиндрический оптико-электронный преобразователь основан на время-импульсном способе измерений и представляет собой вертикально установленный световодный цилиндр 1 (рис. 2), на одном торце которого находятся фильтр 2, конденсор 3 и фотоприемник 4, а на другом - сферическое зеркало 5. Цилиндр помещен в модулятор Б, выполненный в виде вращающегося барабана с двумя прорезями различной ширины - широкой винтовой 7 и узкой прямоугольной 8, выполненной по образующей цилиндрической поверхности и служащей для синхронизации процесса измерения.

Объемный детектор также основан на преобразовании временного интервала в цифровой эквивалент и выполнен в виде многозвенного пространственного контура, образованного рядом вертикальных и наклонных световодных элементов (рис. 3), причем вертикальные элементы предназначены для синхронизации процесса измерения.

Относительное изменение высоты определяется по интервалу времени между синхронизирующим и рабочим импульсами.

При движении машины по обрабатываемой поверхности колебания оси цилиндрического модулятора вызывают искажение результатов измерений.

В идеальных условиях, когда отсутствует крен оси детектора, вертикальная координата 1 контролируемой точки равна вертикальной проекции рабочей точки на ось модулятора. При отклонении оси детектора от нормального положения в показаниях прибора появляется погрешность тем большая, чем больше отклонение оси модулятора от вертикального положения.

На погрешность измерения оказывает влияние совокупность факторов: состояние среды распространения излучения, удаленность от источника излучения, величина и направление отклонения детектора от нормального положения и другие факторы, - что 8

предопределило необходимости синтееа математической модели для аналитической оценки их влияния на результаты измерения.

Рис. 2 Цилиндрический

оптикоэлектронный преобразователь

Рис. 3 Объемный

оптикоэлектронный преобразователь

Математическая модель как для цилиндрического, так и для объемного детектора синтезирована на основе конечно-разностной схемы с дифференциацией общего светового потока как по излуча- » щей так и по детекторной поверхности. При этом элементарный регистрируемый световой поток определялся как

сМ>12 - ЭЕ'пг^Бг, (3)

где ЗЕ - единичный световой вектор;

пг - вектор нормали к освещенной поверхности;

с&г - элементарный участок детекторной поверхности. В свою очередь

ЗЕ - I. Зй, |ЗЕ| - (1Еп;

<1ЕП - (<1Ех2 + <1ЕУ2 + бЕхг)1/г-,

(4) (Б) (в)

dEx L-1dull "COM; (7)

dEy - L-|d«|-cos3; (8)

dEz - L-|du|-cosr, (9)

где L - яркость пучка излучения в направлении детектора;

сё - элементарный телесный угол, занимаемый пучком

лучей, падающих от источника на элемент dS2 с элементарной площадки dSi излучающей поверхности;

а, а, т - углы, образованные вектором 31 с координатными осями X,Y,Z.

Яркость пучка излучения равна

L - Lo-f(vi)/cosvi, (10)

где L0 - яркость элемента dSi в направлении нормали к светящейся поверхности; f(vi) - индикатриса излучения.

Элементарный телесный угол определяется из выражения

|du| - dSfCosvi/г2 , (11)

где vi - угол излучения;

г - расстояние между dSi и dSg.

В третьей главе рассматриваются вопросы исследования и оптимизации измерительной подсистемы в составе аппаратуры для автоматического управления рабочими органами дорожно-строительных машин.

В ходе моделирования получены серии зависимостей величины светового потока Ф через освещенный участок прорези в функции угла поворота модулятора <> - для различных вариантов ориентации оси модулятора с учетом величины 8 и направления Q отклонения оси модулятора от вертикали, а также для различных конструктивных модификаций детектора. На рис. 4. показана серия графиков зависимости величины светового потока от угла поворота модулятора для исходных значений конструктивных пара-10

Ф (град)

Рис. 4 Зависимость светового потока, проходящего через осрещенный участок винтовой прорези, от угла поворота модулятора

метров.

Диаграммы изменения характеристик светового импульса (в процентах к значениям, соответствующим нормальному положению модулятора) (рис. 5), показывают характер изменения амплитудного значения светового потока ^лах ; суммарной величины потока Фвит; начального <>я и конечного <ь< значений угла поворота модулятора, соответствующих началу и окончанию приема светового сигнала; длительности импульса Дф ; крутизны переднего фронта импульса ц. Окружность единичного радиуса соответствует величине переменной при нормальном (вертикальном) положении оси модулятора. При наклоне оси модулятора в направлении источника излучения импульс становится'короче, а его передний фронт круче по сравнению с нормальным положением оси, кроне того, смещаются значения угла поворота модулятора, соответствующие началу и окончанию приема светового сигнала. Отклонение в противоположном направлении приводит к увеличению длительности импульса за счет более ранней регистрации светового сигнала, и уменьшению крутизны переднего фронта. Наклон в нап-

11

равлении, равнозначном уменьшению угла наклона винтовой прорези, приводит к удлинению импульса, уменьшению крутизны его переднего фронта и запаздыванию светового сигнала. При противо-

Рис. Б Изменение контролируемых величин в

зависимости от отклонения оси детектора

наложном отклонении оси модулятора длительность импульса минимальна за счет запаздывания светового сигнала, а крутизна переднего фронта - максимальна. Во всех случаях наблюдается возрастание амплитудного и суммарного значений светового потока.

Выявленная в ходе моделирования неоднозначность зависимости показаний цилиндрического оптико-электронного преобра-12

вователя о винтовой проревъю от ориентации оси модулятора, требует введения коррекции или применения сложных стабилизирующих устройств. Конструктивное решение детектора в виде объемного многозвенного измерительного контура также отвечает требованию инвариантности контроля относительно положения задающего источника излучения и создает возможность получения более полной информации о положении машины.

Результаты расчетов позволяют оценить погрешности контроля вертикальных координат, обусловленные фдуктуациями значений угла поворота модулятора (¡>ср, соответствующего порогу срабатывания фотоприемного устройства, а также судить о влиянии ширины прорези на погрешность контроля. Для модулятора диаметром 40 мм, высотой 250 мм, имеющем прорезь шириной 2 мм, максимальная погрешность при ФСр - 0,БФцах составляет ±2% при отклонении его оси от вертикального положения на 5°, а увеличение ширины прорези на 0,1мм (57.) приводит к изменению фср на 4,5%.

В четвертой главе рассматриваются вопросы синтеза системы автоматического управления планировочными операндами при строительстве автомобильных дорог. Проведена оценка структурной устойчивости системы, проанализировано влияние запаздывания в регуляторе на устойчивость системы, рассмотрены вопросы точности контроля.

В приложении приведены программы и результаты моделирования на ЭВМ характеристик оптико-электронного преобразователя, вывод соотношений между конструктивными падаметрами измерительного устройства.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Ш РАБОТЕ

1. Наиболее ответственные и трудоемкие процессы, выполняемые землеройно-планировочными машинами и агрегатами при сооружении автомобильных дорог и аэродромов, - планировка и профилирование основания земляного полотна. Дорожно-строительные машины с ручным управлением не могут удовлетворить жестким требованиям СНиП, в связи с чем необходима передача функций управления системе автоматики.

2. Проведенный анализ предшествовавших работ позволил выявить в качестве перспективного направления развития геодезических систем для строительных работ лазерных детекторов со сканирующими оптико-электронными преобразователями.

3. Разработан общий подход в использовании для целей автоматизации дорожно-строительных работ оптико-электронного геодезического метода контроля, инвариантного к положению источника излучения. Определены требования к точности и конструктивным параметрам измерительной подсистемы.

4. Разработана математическая модель взаимодействия оптико-электронного преобразователя с контролируемой поверхностью при движении дорожно-строительрой машины по пересеченной местности с целью выявления влияния условий функционирования на метрологические характеристики. На основании результатов моделирования предложены рекомендации по усовершенствованию конструкции преобразователя.

5. Сконструированы и испытаны в лабораторных и производственных условиях блоки измерительного устройства. Результаты испытаний показали хорошее схождение с эталонными измерительными устройствами, используемыми в строительной практике.

6. Расчеты и экспериментальные исследования показали, что внедрение разработанной системы автоматического управления в строительную практику обеспечит повышение точности планировки, удовлетворяющее требованиям СНйП.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Воробьев В.А., Горшков В.А., Дементьева Л.А. Оптико-электронное устройство контроля плоскостности аэродромных покрытий. Тезисы докл. III Всесоюзн. совещания "Координат-но-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе", - Барнаул, АЛИ, 1985. - С. 67.

2. Горшков В.А., Дементьева Л.А. Выбор параметров оптико-электронного устройства контроля ровности дорожных покрытий по результатам математического моделирования. Тезисы докл. Y Всесоюзн. совещания "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе". - Барнаул,

14

АПИ, 1987. С. 172-173.

3. Горшков В.А., Суворов Д.Н., Дементьева Л.А. Автоматизация процессов контроля плоскостности дорожных и аэродромных покрытий. Тезисы докл. III Всесоюзн. совещания "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе".

- Барнаул, АЛИ, 1986.- С. 80-81.

4. Дементьева Л.А. Дифференциальный метод оптимизации параметров оптических систем контроля ровности дорожных покрытий. - В кн. "Автоматизированный контроль и управление технологическими процессами в строительстве". - М., МАДИ, 1985, с. 24-30.

5. Дементьева Л.А. Математическая модель взаимодействия оптико-электронного преобразователя линейных смещении с контролируемой поверхностью. Тезисы YI Всесоюзн. совещания "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе". - Барнаул, АПИ, 1988. С. 213-214.

6. Дементьева Л.А. Оптимизация параметров оптико-электронного устройства контроля плоскостности аэродромных и дорожных покрытий. Тезисы докл. III Всесоюзн. совещания "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе".

- Барнаул, АПИ, 1986. - С. 74-75.

7. Дементьева Л.А., Вистгоф H.A., Россовский Г.В. Использование оптических квантовых генераторов для контроля качества поверхности дорожных и аэродромных покрытий. Тезисы докл. YI Всесоюзн. конф. "Экспериментальные исследования инженерных сооружений (методы, приборы, оборудование и метрологическое обеспечение)". - Новополоцк, НПИ, 1985.

8. Дементьева Л.А., Шавишвили Р.Г. Моделирование оптоэ-лектронного устройства контроля ровности аэродромных и дорожных покрытий. - В кн. "Автоматический контроль и управление технологическими процессами в строительном производстве". -М., МАДИ, 1987, с. 93-97.

9. Измерительное геодезическое устройство./ В.А.Воробьев, В.А.Горшков, Д.Н.Суворов, Л.А.Дементьева. A.c. СССР N1534316 кл. G 01 С 7/04, 1989.

10. Лазерный детектор для геодезических измерений в мелио-

15

ративном и дорожном строительстве./ В.А.Горшков, Д.Н.Суворов, Н.А.Вистгоф, Л.А.Дементьева. Теаисы докл. научно-практ. конф. "Материалы, технология и конструкции для Нечерноземья". -Брянск, 1985, с. 211-212.

11. Оптико-механический метод геодезического контроля ровности аэродромных и дорожных покрытии./ В.А.Воробьев, В.А.Горшков, Д.Н.Суворов, Л.А.Дементьева. Тезисы докл. III Всесоюзн. совещания "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе". - Барнаул, АШ, 1986.- С. 78-79.

12. Устройство для контроля ровности дорожных и аэродромных покрытий./ В.А. Горшков, H.A. Вистгоф, Ю.В. Воробьева, Л.А. Дементьева. Авт. свид. СССР N 1659700, кл.ОЭ1 В, 21/20, 1991.