автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация исполнительных систем гидравлического экскаватора

На правах рукописи . Г О

ООЗДЬЬ^ио

ДУДАНОВ Иван Владимирович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭКСКАВАТОРА

Специ&чьносгь 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 5 №

Самара-2008

003456205

Работа выполнена на кафедре "Механизация, автоматизация и энергоснабжение строительства" ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

-доктор технических наук, профессор Галицков Станислав Яковлевич

- Абакумов Александр Михайлович

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Электромеханика и нетрадиционная энергетика» ГОУВПО «Самарский государственный технический университет»; (специальность 05.13.06)

- Петровиче» Михаил Александрович кандидат технических наук, доцент кафедры «Летательные аппараты» ГОУВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет»; (специальность 05.13.06)

Ведущая организация: ГОУВПО «Московский государственный строительный университет», г. Москва

Защита состоится" 19" декабря 2008 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 в Самарском государственном техническом университете по адресу: 443010 г. Самара, ул. Галактионовская, 141,6 корпус, ауд. №28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, г.Самара, ул. Первомайская, 18.

Отзывы на автореферат просим высылать (в 2-х экземплярах) по адресу: 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совет Д 212.217.03.

Автореферат разослан " ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.03 ^ ~ "Рубанов Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена автоматизации одноковшового универсального экскаватора как одной из основных машин технологического процесса строительного производства.

Актуальность проблемы. Строительное производство в настоящее время предъявляет высокие требования к эффективности работы строительных машин, в частности - экскаваторов. Они должны обеспечивать максимально достижимую производительность, возможность работы в стесненных условиях, иметь программное автоматическое управление рабочими органами при выполнении монотонных операций (например, погрузочно-разгрузочных) при отсутствии оператора в кабине, а также обладать современными эргономическими характеристиками.

Одноковшовый экскаватор представляет собой манипулятор с ручным управлением. Анализ основных технологических процессов экскаватора при разработке грунта, выполнении погрузочно-разгрузочных и транспортных операций показывает, что их реализация требует от оператора управления движением рабочего органа в широком диапазоне скоростей при изменяющихся возмущениях и в условиях ограничений, как со стороны рабочего пространства, так и со стороны энергетических и динамических характеристик системы «гидронасос-гидродвигатель». В результате при работе машины в ее исполнительных системах возникают динамические удары и перегрузки, значительно превышающие допустимые значения, что приводит к преждевременным отказам механического и гидравлического оборудования.

Поэтому актуальным является автоматизация и совершенствование управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора с целью придания этой машине новых технологических показателей качества.

Тема данной работы сформировалась при разработке направления «Автоматизированные системы в строительстве» (№01970005686 Госрегисграции) на основании тематического плана госбюджетных НИР Самарской государственной архитектурно-строительной академии на 2002-2007г.г.

Целью работы является повышение технологической надежности гидравлического одноковшового экскаватора путем совершенствования системы управления его исполнительными механизмами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• математическое моделирование гидравлического одноковшового экскаватора как многомерного объекта управления;

• структурный синтез цифровой системы автоматического управления гидравлическими исполнительными механизмами экскаватора и параметрическая оптимизация регуляторов;

• разработка вычислительных моделей объекта, системы управления и методики проведения вычислительных экспериментов;

• создание испытательного стенда и разработка методики проведения натурных экспериментов;

• разработка инженерной методики проектирования системы автоматического управления гидроприводом экскаватора и создание варианта технической реализации системы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории систем автоматического управления, метода! исследования строительных машин, методы идентификации и аппроксимации объектов управления. В работе широко используется имитационное моделирование на ЭВМ в программной среде Mat-

Lab и MathCAD. Натурные исследования проводились на гидроприводе экспериментальной установки.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- разработаны математические модели сепаратных каналов, межканальных связей и обобщенная модель исполнительных механизмов одноковшового гидравлического экскаватора, позволяющие в отличие от существующих рассматривать экскаватор как многомерный объект управления;

- впервые предложен структурный синтез системы автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора в виде многоконтурной системы с одной измеряемой координатой;

- разработана методика параметрической оптимизации регуляторов, обеспечивающая робастность системы;

- разработана инженерная методика расчета систем стабилизации скорости и программного управления исполнительными механизмами одноковшового гидравлического экскаватора.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается:

- в предложенном варианте технической реализации микропроцессорной системы управления скоростью исполнительных механизмов гидравлического экскаватора, в основу которой положено положительное решение № 71-42-38п от 28.03.2008г. о выдаче патента на изобретение № 2006123954/03(025989) «Способ управления движением Исполнительного механизма строительной машины с гидроприводом и устройство для его осуществления» (авторы С.Я. Галицков, И.В. Дуданов);

- в реализации экспериментального стецда по исследованию гидропривода грузоподъемной стрелы;

в разработанной методике и полученных результатах проведения вычислительных и натурных экспериментов по исследованию объекта и системы управления, используемых при выполнении стендовых исследований гидрооборудования строительной техники на ОАО «СУМР-4»;

- в разработанной методике инженерного проектирования системы автоматического управления гидравлическими исполнительными механизмами экскаватора. Методика используется в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270113 «Механизация и автоматизация строительства».

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на международных, российских конференциях и форумах: на Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, СамГТУ, 2003г., 2005г.); на десятой международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», (Москва, МЭИ, 2004г.); на международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ» (Тюмень, ТГНУ 2005г.; Самара, СГАСУ 2007г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ, 2005г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» ( Самара, СГАСУ, 2004-2007гг.); на XII научно-технической конференции «Надежность строительных объектов» (Самара, СГАСУ, 2007г.).

Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в 17 научных изданиях, в том числе статья [17] опубликована в журнале «Механизация строительства», включенном в утвержденный ВАК РФ Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 78 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 212 страницах, диссертация содержит: 102 рисунка, 22 таблицы, приложение на 4 страницах, библиографический список на 7 страницах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели сепаратных каналов, блоков межканальных связей и обобщенная модель исполнительных механизмов гидравлического экскаватора как объекта управления.

2. Методика структурного синтез системы автоматического управления и параметрической оптимизации ее регуляторов.

3. Вычислительные и натурные эксперименты по исследованию динамики объекта и цифровой системы автоматического управления.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель работы, отражены основные положения, выносимые на защиту, показаны их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены режимы работы экскаватора, произведен обзор современного состояния автоматизации гидравлических экскаваторов. Из выполненного обзора следует, что в известных моделях строительных машин, в том числе в экскаваторах, используется, в основном, релейное «ручное» управление гидроприводами. В моделях машин последних лет в схемах гидропривода применяются переключатели с линейными характеристиками. Но и такое решение обладает целым рядом недостатков: сложность конструкции, трудности обеспечения устойчивости малых («ползучих») скоростей и обеспечения постоянства скорости рабочих органов (РО) при изменении их положения и вариации наполнения ковша. В результате оператор должен постоянно корректировать подачу рабочей жидкости, что в условиях частых пусков и торможений весьма затруднительно, а в ряде случаев и невозможно из-за скоротечности динамических процессов. Все это приводит к снижению показателей качества работы строительной машины, к перегрузке гидропривода и, следовательно, к снижению технологической надежности экскаватора. Показано, что наиболее эффективным путем решения указанного комплекса задач является совершенствование управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора

Во второй главе рассматривается гидравлический экскаватор с четырьмя исполнительными устройствами (поворотная платформа, стрела, рукоять и ковш) в режиме неподвижного шасси как многомерный объект управления, состояние которого определяется вектором ?=[<?, угловых положений механизмов. За управ-

ляющее воздействие выбран вектор !?=(£/, С/2С3С/4]Г напряжений на элекгрогидравли-ческом преобразователе.

Разработаны на основе принятых допущений и с учетом особенностей конструкции расчетные схемы и уравнения движения приводов исполнительных механизмов как сепаратных объектов управления. Они разделены на две группы, в первую

входит привод платформы, во вторую - приводы стрелы, рукояти и ковша. Уравнения движения платформы:

0«(р)-<2ЛР)~-РАР) -р=Кл- Рл{Р),

Е (2

РЛР) = РЛР)—г1'®!^)'

Мт(р) = кл,-рл,(р),

К»-^ ■<р!(р)-р2У^ = с,д-(туе-р+\)-(р,{р1

суд ■(Т>,-р + 1)-<р1(р)-Мс(р)=^.р2 ■ с/, (р),

СуУР,+Ду^-Мс=^ <2Ар) = Кл ■ х,(р),

ж-с/

исполнительных механизмов второй группы (стрела, рукоять и ковш):

кЛ(р)=к,;-к„,(р)=к;■ &■

2 4РЛР)

(1)

ОЛр) - Ом(Р)-^-РЛР) ■ р=киЛ ■ Рп(р),

Ол(р) = ±-Кт1(р), Ь2,

■хш,{р)-р)=си ■х„(р)+Дс1х.Лр)-р, Сс-(Тс ■;p + l)•лrI((p)-F_¡(^')=^-Р1 -*.,(Р).

хп{Р) = х,ш(Р)~хи{р), <7,(Р) = хь{р)■ /я,„

<?„■(/>)=к„ч(/>),

(р) = Кр! (р) ■ (р) ■ р),

я-с!

(2)

&,(/>), Р,п(Р)-Ргт> 1в2..4, А", =2(/е2), к, = 1 (/ е 3,4).

где МЫ: Мр - момент, развиваемый гидромотором, и момент на выходе венцовой передачи; Зт Зт -моменты инерции гидромотора и поворотной платформы экскаватора; 1,х1щ - общее передаточное число планетарного редуктора и зубчатого венца; СуА, Д)г, -1футильная жесткость и коэффициент демпфирования зубчатой передачи; £,„■ - коэффициент момента поршневого гидродвигателя; Ь - коэффициент усиления гидродвигателя; 1/Е- коэффициент, учитывающий деформацию стенок трубопровода и сжимаемость рабочей жидкости; кзЬ кн1 - коэффициенты передачи и эластичности нагру-

зочной характеристики золотника; V/ - объем жидкости в напорной магистрали; Стт-коэффициент, учитывающий потери давления в магистралях; />„/ - противодавление от нагрузки на гидродвигатель; х^ - перемещение штока и площадь поршня гидроцилиндра; ГтР1, /гвш, - усилие, создаваемое гидроцилиндром, сила трения поршня о стенки гидроцилиндра и возмущающая нагрузка, соответственно; Сс, Дс - крутильная жесткость и коэффициент демпфирования стыка гидроцилиндр - рычажный механизм; Т^ Тс - постоянные времени; т„р, - приведенная масса; - коэффициент передачи рычажного механизма; Оа,Оы - расход жидкости, поступающей в полость гидродвигателя и потребный расход гидродвигателя; - угловое положение исполнительного механизма, /61,2,3,4. Ограничения по расходу и давлению рабочей жидкости, обусловленные конструктивной особенностью гидравлической схемы экскаватора, отражены в уравнениях (1) и (2) неравенствами.

Показано, что изменение положений исполнительных систем экскаватора в его рабочем пространстве приводит к вариации значений момента инерции платформы, инерционных масс приводов стрелы, рукояти и ковша, передаточных чисел рычажных механизмов, статических нагрузок сепаратных каналов. Второй причиной многомерности является конструктивная возможность питания гидродвигателей исполнительных механизмов от общего двухсекционного гидронасоса переменной производительности ограниченной мощности.

По уравнениям движения (1), (2), дополненных известными уравнениями механических и гидравлических связей, построены структурные схемы сепаратных каналов и межканальных связей четырехмерного объекта управления. Разработана обобщенная математическая модель и структура экскаватора как многомерного объекта управления (рис.1). Здесь оператор НА - динамическая модель насосного агрегата;

Рисунок 1 - Структура экскаватора как многомерного объекта управления Б01, Б02 - логические блоки, определяющие динамический уровень ограничений расходов рабочей жидкости в гидродвигателях; №э,ш -передаточная диагональная

К'п 0 0 о' Кш 0 0 о- "сот ООО"

о 4 о « 0 0 к'3} 0 0 Киг 0 0 0 0 Кт 0 л о Ст 0 0 0 0 Ст 0

ООО ООО ООО ст_

матрица электромеханических преобразователей; Л--логический блок, определяющий режим раздельной или согласованной работы исполнительных механизмов; ГЗ - нелинейный оператор блока гидравлических золотников; блоки А1 и Л2, В1 и В2, С - нелинейные операторы, выходными координатами которых являются момент и усилия статической нагрузки; момент инерции и инерционные массы звеньев манипулятора, коэффициенты передач рычажных механизмов; блоки Д, ¡32 - матрицы конструктивных коэффициентов гидродвигателей:

Д=|Уооо]г, /?2=[о ъ?=ъ;\ (3)

К*3, Км и Стр • диагональные матрицы коэффициентов передачи золотника, момента гидродвигателя и потерь давления в магистралях:

(4)

К31 = К32 ~К3}= ККш = Кш, Ст - СТР2 - СТРз = Сг/>4.

Исследования, выполненные на созданных в программной среде МаЮАБ и Ма1ЬАВ моделях блока операторов А ¡, А 2, В], В2 и С, позволили показать, что применительно к экскаватору ЭО-4121 величина момента инерции поворотной платформы изменяется в 2.5 раза, приведенных масс в приводах стрелы и рукояти - в 10 раз, в приводе ковша - в 20 раз.

' В виду сложности аналитического нахождения операторов сепаратных каналов объекта предложено исследовать их динамику на вычислительных моделях (они разработаны в четвертой главе диссертации, модель платформы показана на рис.2) по результатам оценки переходных характеристик. На вход каждого сепаратного объекта подавалось комбинированное входное воздействие в виде смещенных по времени двух скачков. Величина первого выбиралась с учетом нелинейной характеристики гидропреобразователя и соответствовала выходу объекта на определенную рабочую точку, второй скачок «в малом» соответствовал «малому» движению объекта по управлению относительно этой рабочей точки. Координаты рабочего пространства манипулятора задавались в этой модели «замороженными» значениями момента инерции, инерционных масс и коэффициентов передач рычажных механизмов. Результаты обработки множества переходных характеристик объекта «в малом» позволили получить модели сепаратных объектов (отражающих их динамику в рабочем пространстве манипулятора) в виде динамической системы 4-го порядка с передаточной функцией

1г<>у,(р) =

щ(р)

лиут(Р) (Тж„-р+1)А(РУ}

(5)

в которой звено 2-го порядка 1/А(р) изменяет свой ввд от колебательного

_1__

до апериодического звена второго порядка

1

(Тот-р+1)(Тоуа.р + 1)

Выполнена оценка нестационарности параметров линеаризованного объекта управления: постоянная времени объекта управления первой степени подвижности (поворотная платформа) изменяется в 2.13 раза (7оИ=0.08...0.17с), второй степени подвижности (стрела) - в 3 раз (7,Оу2=0.04...0.2с), третьей степени (рукоять) - в 7 раз (Тоуз=0.01... 0.07с), четвертая степень подвижности (ковша) - в 4 раза (7Ьу/=0.01...0.04с).

Пдг ШиМ1 £МП Осг

ЧП 0

Рисунок 2 - Вычислительная модель платформы

Исследована динамика объекта управления при согласованной работе (в случае выполнения операций по перемещению РО) двух исполнительных механизмов (платформа-стрела, стрела-рукоять, рукоять-ковш). По результатам моделирования этих режимов установлено, что в сепаратном канале изменяется коэффициент передачи, а динамические параметры остаются практически постоянными. Это обусловлено, на наш взгляд, ограниченной мощностью насосного агрегата. Определены межканальные динамические связи влияния на /-е звено со стороны к-го исполнительного механизма, их можно представить звеньями второго порядка

гл(р)=:

(6)

с переменными параметрами, зависящими от величины управляющего воздействия и степени загруженности приводов экскаватора, например при совместной работе платформы и стрелы т1ке 0.04...0.15с, 0.59...0.35, к1к € 0.005...0.0039 рад/В-с.

Доказана адекватность созданной математической модели объекта путем сравнения временных характеристик разработанной модели стрелы и характеристик, полученных на опытной установке. Динамические отклонения характеристик не превышают 5%.

Третья глава посвящена вопросам синтеза системы автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора.

Основными требованиями, предъявляемыми к разрабатываемой системе являются: увеличение точности работы приводов экскаватора (в соответствии со СНиПом 4.02-91 «Земляные работы» максимальные отклонения вертикальной координаты земляного сооружения не должны превышать 0,05 м); расширение диапазона регулировании скорости, в том числе - обеспечение «ползучих» скоростей (необходимых при работе в стесненных условиях, на ремонтно-восстановительных работах); малая чувствительность системы к вариации параметров объекта управления; обеспечение монотонности характера переходных процессов при предельно достижимом быстродействии (для исключения динамических ударов в кинематических цепях экскаватора).

Предложено создание системы автоматического управления экскаватором (рис.3), которая обеспечивает два режима работы: автоматическую стабилизацию скорости исполнительных механизмов при задании ее величины машинистом «вручную»

(задагчиком №1, например джойстиком - на такой способ управления подана заявка на изобретение № 2006123954/03(025989) «Способ управления движением исполнительного механизма строительной машины с гидроприводом и устройство для его осуществления» и получено решение о выдаче патента на изобретение № 71-42-38п от 28.03.2008г.) и программное управление движением рабочего органа по заданной траектории (с использованием задатчика №2).

Выполнен структурный синтез системы. Показана целесообразность построения ее в виде п автономных многоконтурных систем с одной измеряемой координатой (здесь и - число исполнительных механизмов экскаватора, я=4). Ввиду нестационарности и нелинейности объектов управления этих систем, проектируемые системы должны обеспечить робастную устойчивость.

Рисунок 3 - Обобщенная структурная схема САУ исполнительными механизмами гидравлического экскаватора Исследование систем на примере экскаватора ЭО-4121 показало, что минимальное число контуров в соответствии с требуемыми показателями качества должно быть равно трем-четырем с типовыми И-, ПД-, ПИ-, П- регуляторами. Разработан общий подход к синтезу регуляторов систем как программного управления движения РО, так и стабилизации скорости. Отличие заключается в том, что в первом контуре в системе стабилизации скорости используется И-регулятор.

Разработана методика синтеза и параметрической оптимизации регуляторов. Оптимизацию параметров будем осуществлять по двум основным критериям: минимизация динамических ударов при максимально достижимом быстродействии, за второй критерий принята минимизация отклонения e(l) = X3(t) - X(t) выходной координаты X(t) системы от программной траектории X./t):

]e(t)d(t)=>min (7)

о

Для достижения первого критерия оптимизируются параметры рывка и ускорения программной траектории в условиях ограничений на скорость исполнительных механизмов, мощность силового преобразователя и обеспечения монотонности движения рабочего органа

В связи с этим в решении задачи оптимизации параметров регуляторов решалась задача проверки выбранных оптимальных значений регуляторов по отработке системой программной траектории с максимально достижимой величиной рывка.

Оптимизация параметров регуляторов выполнялась экспериментально на вычислительной модели системы. Особенность решения этой задачи заключается в том, что условие (7) достигается и наблюдается в последнем замкнутом контуре, а для его обеспечения необходимо определенным образом выбрать параметры регуляторов всех предыдущих контуров. Поэтому на вход каждого контура системы последовательно подавалось комбинированное воздействие в виде суммы программной траектории и сигнала Uj, состоящего из множества U2 единичных сдвинутых во времени скачков,

соответствующих дополнительному движению системы «в малом» относительно определенной точки рабочего объема манипулятора. Такой подход позволил: во-первых, выполнить задачу оптимизации настраиваемого контура и, во-вторых, определить численное значение наибольшей инерционности этого контура, что необходимо для выбора параметров регулятора последующего контура.

На примере параметрического синтеза регуляторов экскаватора ЭО-4121 показано, что достижимые показатели качества управления его исполнительными механизмами можно охарактеризовать следующим образом. Число замкнутых контуров сепаратных систем должно быть три-четыре. Применение трехконтурной системы позволяет обеспечить ошибку позиционирования в приводах платформы и стрелы, не более 0.006рад (0.8%) и 0.003 рад (0.4%), соответственно. Использование четвертого контура с И- регулятором обеспечивает астатичность системы по отношению к управляющему и возмущающему воздействиям. Пример экскаватора ЭО-4121 показывает, что при синтезе САУ можно ограничиться трехконтурным вариантом. В системе автоматической стабилизации достигнут диапазон регулирования скорости поворотной платформы Дрег=3300, стрелы Дрег=4500 в раздельном режиме работы, и 2600 - при совместной работе систем. Сравнение динамических нагрузок в приводах экскаватора при их управлении оператором (без системы автоматизации) и с использованием разработанной системой показывает, что разработанная система позволяет снизить динамический удар в приводе платформы в 1.9 раз; стрелы - в 1.5 раза; рукояти - в 1.8 раз; ковша - в 2.5 раза

При отработке ступенчатого возмущающего воздействия (момента статической нагрузки) динамический провал по скорости - ускор=2.4%, время регулирования составляет /рег=0.014с в САУ поворотной платформы. Для исследования динамики рукояти и ковша при копании грунта применена динамическая модель нагрузки, в состав которой входят две составляющие: динамическая сила сопротивления грунта резанию и интегральная динамическая сила сопротивления, обусловленная работой с вырезанным из массива (в виде стружки) грунтом. Из анализа переходных характеристик можно сделать вывод, что в синтезированных системах управления динамический провал по скорости составляет в приводе рукояти уси)р=3%, а в приводе ковша -ускор=2.63%. При этом система без срыва отслеживает заданную оптимальную программную траекторию.

Установлено, что ограниченная мощность насосного агрегата вызывает необходимость коррекции параметров программных траекторий (ускорения и рывка) при совместной работе двух исполнительных устройств.

Выполнена оценка робастной устойчивости сепаратных систем управления (рис.4) в условиях нестационарности объекта управления с помощью графического критерии Цыпкина-Поляка. При аналитическом решении этой задачи использована упрощенная модель (5) объекта управления. Получены передаточные функции всех контуров. Передаточная функция трехконтурной замкнутой системы: иг („л Иг(Т,р + \\Т,Р+\) к;(Т1Р+\Х1\рл-\) "" С(р)+К3 (Тгр+1)(Т2р+1) Р(р)

четырехконтурной:

кХ(Тгр + 1)(Т2р+1) __ (Т}р + ЩГ2р + У) (9)

к, к,

О(р)

Анализ характеристических полиномов трехконтурной Рф)=/0р +/}р + +/2Р2+/зР+1 и четырехконтурной системы Gф)=gops+gjp4+g¡p3+gзp2+g4>2+1 показы-

вает, что только коэффициенты g0 и gI при четвертой и пятой степенях оператора р зависят от параметров объекта управления. Установлено, что предложенный вариант синтеза САУ в виде многоконтурной систем с одной измеряемой координатой позволяет существенно ослабить влияние изменения параметров объекта на показатели качества управления.

К,

К,

К.

— у.) >—-—

Рисунок 4 - Структурная схема одного канала САУ

Выполнена оценка влияния квантования цифровых регуляторов на динамику системы. Экспериментально установлено, что при квантовании с частотой более 250 Гц, систему можно рассматривать как квазинепрерывную.

Для системы стабилизации использован формирователь задающего сигнала (ФЗС), позволяющий обеспечить предельно достижимые показатели качества и исключить динамические удары в приводах. Разработаны алгоритмы формирования программной траектории и программной реализации регуляторов.

Четвертая глава посвящена проведению вычислительных и натурных экспериментов по исследованию динамики объекта и системы автоматического управления.

Разработаны в программной среде МаЛаЬ вычислительные модели: электромагнитного золотника и насосного агрегата, механических частей манипулятора (поворотной платформы, стрелы, рукояти и ковша), сепаратных каналов объекта управления, блока формирования межканальных связей и системы автоматического управления. В результате синтезированы вычислительные модели сепаратных каналов и обобщенная модель экскаватора как многомерного объекта управления.

Разработана методика постановки экспериментов по определению статических и динамических характеристик объекта. Выполнена оценка нелинейности и нестационарности объекта управления. Произведена аппроксимация моделей объекта управления динамическими звеньями. Установлено, что сепаратные каналы объекта управления, с достаточной степенью точность (погрешность не более 5%), можно представить моделями (3).

Для опытной оценки характеристик объекта и системы автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора разработан стенд (рис.5), вклю-

Рисунок 5 - Общий вид стенда чающий в себя стрелу 1 (выполнена из стальной трубы 0 50 мм, длина 1500 мм), соединенную с основанием 3 посредством шарнира 4. Вращательное движение стрелы

относительно основания обеспечивается гидроцилиндром 2 (тип 85-75-130), корпус которого шарнирно соединен с основанием 3, а шток - со стрелой 1. Основание выполнено в виде сварной конструкции, на которой смонтированы шестеренный гидронасос 8 типа НШ-10 с приводным асинхронным электродвигателем 9 (тип АИР10084УЗ), бак 10 для рабочей жидкости, перепускной клапан 6, электрогидравлический преобразователь 5 (гидрораспределитель ВЕ-10 с электромагнитным управлением). Рабочая жидкость от электрогидравлического преобразователя подается в гвд-роцилиндр посредством шлангов высокого давления 13. Значения давлений в полостях цилиндра контролируются по показаниям манометров 12 типа ДМ250. Включение и отключение гидростанции осуществляется релейно посредством блока 11. Давление гидростанции контролируется по манометру 7. Статическая нагрузка стрелы выполняется с помощью груза переменной массы, прикрепленного к концу стрелы 1. Измерение углового положения стрелы осуществляется датчиком положения СП5-21А-1.

На основе разработанной методики проведения экспериментов и с использованием аппаратного и программного обеспечения комплекса Lab View получены статические и динамические характеристики гидропривода стрелы. Выполнена оценка адекватности динамической модели объекта управления.

Разработана методика инженерного проектирования системы автоматического управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора, которая использована при проектировании варианта технической реализации системы. В нем используется электромагнитный гидрораспределитель 1П110.16.02.060-01, датчики угловых перемещений ДУА360.2, программируемый контроллер Siemens S7-200. Показано, что технико-экономический результат от внедрения составляет 34640 руб/год.

Заключение.

По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение технологической надежности экскаватора путем синтеза системы автоматического управления его исполнительными механизмами, можно сделать следующие выводы:

1. Проведенный анализ режимов работы гидравлического экскаватора и современного состояния его систем автоматизации, показал, что с целью повышения технологической надежности (расширение диапазона регулирования скорости до уровня «ползучих» скоростей, повышение точности движения и позиционирования РО, снижение уровня динамических нагрузок в кинематических цепях) необходимо применение систем автоматического управления исполнительными механизмами.

2. Разработана в условиях обоснованных допущений математическая модель экскаватора (при неподвижном шасси) как многомерного объекта управления, включающая в себя четыре сепаратных канала (исполнительные механизмы платформы, стрелы, рукояти и ковша) и межканальные связи, обусловленные конструкцией манипулятора и ограниченной мощностью насосного агрегата. Состояние объекта определяется вектором q=[qlq2q3q4J угловых положений механизмов. За управляющее воздействие выбран вектор ü=[U,U,U3U4f напряжений, подаваемых на электрогидравлический преобразователь. В виду сложности аналитического нахождения операторов нелинейных сепаратных каналов предложено исследовать их динамику на вычислительных моделях по результатам оценки переходных характеристик объекта «в большом» и «в малом». Применительно к экскаватору ЭО-4121 получены модели сепаратных объектов (отражающих их динамику в рабочем пространстве манипулятора) в виде динамической системы 4-го порядка с переменными параметрами. Выполнена оценка нестационарности параметров линеаризованного объекта управления, в част-

носги постоянная времени поворотной платформы изменяется в 2.13 ра (7оу/=0.08...0.17с), стрелы - в 5 раз (7,ои=0.04...0.2с), рукояти - в 7 р (7оу5=0.01...0.07с), ковша - в 4 раза (ГОу/=0.01...0.04с). По результатам моделирова ния динамики совместных режимов работы исполнительных механизмов установлено что в сепаратном канале изменяется только коэффициент передачи (например, в при воде стрелы уменьшается на 50%). Определены межканальные динамические связи виде звеньев с переменными параметрами, зависящими от величины управляющег воздействия и степени загруженности приводов.

3. Синтезирована система автоматического управления экскаватором, которая обеспечивает два режима работы: автоматическую стабилизацию скорости исполнительных механизмов при задании ее величины машинистом и программное управление движением рабочего органа.

4. Произведен структурный синтез системы, обеспечивающий два режима ра боты: автоматическую стабилизацию скорости исполнительных механизмов (при за дании ее величины машинистом) и программное управление движением рабочего органа. Показано, что в условиях нестационарности и нелинейности объекта целесообразно синтезировать сепаратные системы в виде многоконтурных систем с одной измеряемой координатой с использованием в них типовых И-, ПД-, ПИ-, П- регуляторов.

5. Разработаш методика параметрической оптимизации регуляторов системы. Она основана на использовании вычислительных моделей объекта и системы. За критерии оптимизации приняты: минимум динамических ударов в кинематических звеньев привода при максимально достижимом быстродействии и минимум ошибки отработки программной траектории в условиях ограниченной мощности насосного агрегата

6. Показано, что применение на экскаваторе ЭО-4121 трехконтурной системы с одной измеряемой координатой позволяет снизить динамический удар в приводе платформы - в 1.9 раза; стрелы - в 1.5 раза; рукояти - в 1.8 раза; ковша - в 2.5 раза, обеспечить ошибку позиционирования в приводах платформы и стрелы, не более 0.006рад (0.8%) и 0.003 рад(0.4%), соответственно, расширить диапазон регулирования скорости поворотной платформы до Д^ЗЗОО, стелы, рукояти и ковша до Дрег=4500 в раздельном режиме работы и до 2600 - при совместной работе систем. Динамический провал скорости при копании в приводе рукояти Тскор=3%, а в ковша - усюр=2.6%. Показано, что система управления обладает робастной устойчивостью.

7. Созданы в программной среде МаНАВ вычислительные модели объекта и системы автоматического управления. Разработана методика постановки экспериментов по исследованию их динамики.

8. Разработана конструкция и создан экспериментальный стенд для опытной оценки характеристик объекта и системы автоматического управления. Разработана методика проведения натурных исследований. Доказана адекватность разработанной математической модели объекта управления, путем сравнения переходных характеристик, полученных методом вычислительного эксперимента, и на экспериментальной установке.

9. Разработана методика инженерного проектирования систем автоматического управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора. Предложен вариант технической реализации САУ исполнительными механизмами гидравлического экскаватора.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Гал инков, С.Я, Автоматизация динамических испытаний аксиально-поршневых гидромоторов / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов // Тез. докл. на Всероссийской межвуз. научн.-пракг. конф. «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании», Самара, СамГТУ, 2003. - С. 20 - 21.

2. Дуданов, И.В. Автоматизация динамических испытаний гидрооборудования / И.В. Дуданов // Тез. докл. международ, научн.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2004. - С. -105.

3. Дуданов, И.В. Автоматизация поворотной платформы экскаватора с гидроприводом / И.В. Дуданов // Тез. докл. 23-й межвуз. сгуд. научн.-техн. конф. по итогам НИРС в 2003 г. Самара, СамГАСА, 2004. - С. 132 - 133.

4. Дуданов, И.В. Модернизация гидропривода поворотной платформы экскаватора ЭО-3323А / И.В. Дуданов // Тез, докл. Материалы 61-й региональной научн.-теха конф. по итогам НИР СамГАСА за 2003г. Часть 2. Самара, СамГАСА, 2004. - С. 365-370.

5. Дуданов, И.В. Привод стрелы манипулятора гидравлического экскаватора, как объект управления / И.В. Дуданов // Тез. докл. Материалы 62-й Всероссийской научн.-техн. конф. по итогам НИР СамГАСА 2004г. Часть 2. Самара, СГАСУ, 2005. -С. 513-515.

6. Галицков, С.Я Математическое моделирование гидравлических исполнительных систем экскаватора как объекта управления / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов // Статья. Труды международ, научн.-техн. конф. «ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2005». Сборник статей. Часть 1. Тюмень, ТГНУ, 2005. - С. 154 - 158.

7. Дуданов, И.В. Автоматическое управление гидроприводами экскаватора / И.В. Дуданов // Тез. докл. Материалы Международ, молодеж. научн. конф. «Туполев-ские чтения». Том IV. Казань, КГТУ, 2005. - С. 38 - 39.

8. Дуданов, И.В. Автоматизация диагностики гидроприводов строительных машин на базе их математических моделей / И.В. Дуданов // Тез. докл.. Сборник материалов Всероссийской научн.-практ. конф. «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергию). Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. -С. 50-52.

9. Галицков, С.Я. Система автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора с гидроприводом / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов И Тез. докл. Всероссийской межвуз. научн.-практ. конф. Самара, СамГТУ, 2005. - С. 101 -103.

10. Дуданов, И.В. Система автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора с гидроприводом / И.В. Дуданов // Статья. Труды 1-го Международного форума (6-й Международной конференции) Актуальные проблемы современной науки, Самара, 2005. - С. 15 -17.

11. Галицков, С.Я. Декомпозиция одного класса многомерных объектов управления / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов // Статья. Труды секции «Строительство» Строительный вестник Российской инженерной академии, Москва, 2006. - С. 186 -191.

12. Дуданов, И.В. Исследование динамики исполнительных механизмов экскаватора при управлении оператором / Й.В. Дуданов // Материалы 63-й Всероссийской научн.-теха конф. го итогам НИР СГАСУ за 2005г. Самара, СГАСУ, 2006. - С. 393 - 395.

13. Дуданов, И.В. Исследование динамики исполнительного механизма экскаватора при применении замкнутой по скорости системы автоматического управления / И.В. Дуданов // Статья. Материалы 64-й Всероссийской научн.-техн. конф. по итогам НИР СГАСУ за 2006г. Самара, СГАСУ, 2007. - С. 548 - 550.

14. Галицков, С.Я. Автоматизированный гидропривод поворотной платформь экскаватора / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов // Статья. Труды секции «Строительство) Строительный вестник Российской инженерной академии. Выпуск 8. Москва, 2007. С. 125-126.

15. Галицков, С.Я. Система автоматической защиты гидропривода экскаваторе от непроизводственных потерь рабочей жидкости / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов / Тез. докл. Материалы XII научн.-техн. конф. «Надежность строительных объектов» Самара, СГАСУ, 2007. - С. 52 - 55.

16. Дуданов, КВ. Стенд для исследования гидропривода грузоподъемной стре лы, оснащенного системой автоматического управления, замкнутой по скорости / И.В Дуданов // Статья. Материалы международной научн.-техн. конф. «ИНТЕРСТРОЙ МЕХ-2007». Самара, СГАСУ, 2007. - С. 114-116.

17. Галицков, С.Я. Одноковшовый гидравлический экскаватор как объект управ ления / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов // Статья. Всероссийский ежемесячный научн. техн. и произв. журнал «Механизация строительства» №6,2008. - С. 9 -10.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол от 14 ноября 2008г.')

Отпечатано на ризографе в типографии ООО "Горизонт-М"

Заказ № 2523. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л.1. Тираж 100 экз

Введение.

1. Современное состояние и задачи автоматизации гидропривода строительного экскаватора.

1.1. Современное состояние средств и методов автоматического управления экскаваторов с гидроприводом.

1.2. Современные требования, предъявляемые к управлению исполнительными системами экскаватора.

1.3. Задачи автоматизации исполнительных механизмов экскаватора 29 Выводы по 1-ой главе.

2. Математическое описание строительного гидравлического экскаватора как объекта управления.

2.1. Определение объекта управления.

2.2. Системы координат манипулятора.

2.3. Расчетные схемы исполнительных систем.

2.3.1. Расчетная схема и уравнения движения механизма поворота платформы.

2.3.2. Расчетные схемы приводов стрелы, рукояти и ковша.

2.3.3. Алгоритмы расчета приведенных масс, момента инерции и передаточных чисел и статических нагрузок исполнительных механизмов.

2.4 Исполнительные системы экскаватора как объекты управления

2.4.1. Динамика гидродвигателей и гидронасоса.

2.4.2. Гидропривод поворотной платформы.

2.4.3. Гидропривод стрелы, рукояти и ковша.

2.4.4. Модель объекта управления по отношению к возмущению.

2.4.5. Структура многомерного объекта управления.

2.4.6. Оценка вариации параметров объекта управления.

2.5. Динамика совместной работы исполнительных механизмов экскаватора.

2.5.1. Поворотная платформа - стрела.

2.5.2. Стрела-рукоять.

2.6. Оценка адекватности разработанных математических моделей 85 Выводы по 2-ой главе.

3. Система автоматического управления гидроприводом строительного экскаватора.

3.1. Требования к системе автоматического управления.

3.2. Структурный синтез системы управления.

3.2.1. Функциональная схема системы автоматического управления гидравлическим экскаватором.

3.2.2. Синтез структуры системы.

3.3. Параметрическая оптимизация регуляторов автономных систем

3.3.1. Система программного управления.

3.3.2. Система автоматической стабилизации скорости исполнительных механизмов экскаватора.

3.4. Робастнаяустойчивость.Ill

3.5. Исследование динамики цифровой системы управления экскаватором.

3.6. Исследование динамики системы управления по отношению к возмущению.

3.7. Динамика совместной работы исполнительных систем экскаватора.

3.8. Показатели качества САУ ГЭ.

3.9. Алгоритмы программной реализации цифровой системы управления.

Выводы по 3-ей главе.

4. Экспериментальные исследования объекта и системы автоматического управления.

4.1. Вычислительные модели объекта управления.

4.1.1. Структура вычислительной модели.

4.1.2. Вычислительные модели электромагнитного золотника и гидронасоса.

4.1.3. Вычислительные модели механических частей приводов экскаватора.

4.1.4. Вычислительная модель блока формирования межканальных связей (БМС).

4.2. Методика экспериментального определения динамических характеристик сепаратных каналов объекта управления.

4.3. Моделирование системы автоматического управления.

4.4. Экспериментальная установка.

4.4.1. Описание установки.

4.4.2. Методика проведения исследований.

4.5. Инженерная методика расчета САУ.

4.6. Вариант технической реализации системы автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора.

4.6.1. Электромагнитный распределитель для автоматического управления.

4.6.2. Выбор датчиков угла поворота и предложения по их установке

4.6.3. Выбор конструкции задающего устройства.

4.6.4. Устройство управления электромагнитным гидрораспределителем.

4.6.5. Цифровой широтно-импульсный модулятор.

4.6.6. Программируемый логический контроллер и сопутствующие устройства.

4.7. Технико-экономический расчет.

Выводы по 4-ой главе.

Актуальность проблемы. Строительное производство в настоящее время предъявляет высокие требования к эффективности работы строительных машин, в частности - экскаваторов. Они должны обеспечивать максимально достижимую производительность, возможность работы в стесненных условиях, в том числе - и при отсутствии оператора в кабине, иметь программное автоматическое управление рабочими органами при выполнении монотонных операций (например, погрузочно-разгрузочных), а также обладать современными эргономическими характеристиками.

Одноковшовый экскаватор представляет собой манипулятор с ручным управлением. Анализ основных технологических процессов экскаватора при разработке грунта, выполнении погрузочно-разгрузочных и транспортных операций показывает, что их реализация требует от оператора управления движением рабочего органа в широком диапазоне скоростей при резко изменяющихся возмущениях и в условиях ограничений, как со стороны рабочего пространства, так и со стороны энергетических и динамических характеристик системы «гидронасос-гидродвигатель». Кроме того, значительную часть рабочей смены машинист тратит на виртуальное создание и последующее выполнение однообразного монотонного алгоритма вектора воздействий на рычаги управления экскаватором. В результате при работе машины в ее исполнительных системах возникают динамические удары и перегрузки, значительно превышающие допустимые значения, что приводит к преждевременным отказам механического и гидравлического оборудования.

Поэтому весьма актуальным является автоматизация и совершенствование управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора с целью придания этой машине новых технологических показателей качества.

Тема данной работы сформировалась при разработке направления «Автоматизированные системы в строительстве» (№01970005686 Госрегистрации) на основании тематического плана госбюджетных НИР Самарской государственной архитектурно-строительной академии на 2002-2007г.г.

Целью работы является повышение технологической надежности гидравлического одноковшового экскаватора путем совершенствования системы управления его исполнительными механизмами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• математическое моделирование гидравлического одноковшового экскаватора как многомерного объекта управления;

• структурный синтез цифровой системы автоматического управления гидравлическими исполнительными механизмами экскаватора и параметрическая оптимизация регуляторов;

• разработка вычислительных моделей объекта, системы управления и методики проведения вычислительных экспериментов;

• создание испытательного стенда и разработка методики проведения натурных экспериментов;

• разработка инженерной методики проектирования системы автоматического управления гидроприводом экскаватора и создание варианта технической реализации системы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории систем автоматического управления, методы исследования строительных машин, методы идентификации и аппроксимации объектов управления. В работе широко используется имитационное моделирование на ЭВМ в программной среде MatLab и MathCAD. Натурные исследования проводились на гидроприводе экспериментальной установки.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- разработаны математические модели сепаратных каналов, межканальных связей и обобщенная модель исполнительных механизмов одноковшового гидравлического экскаватора, позволяющие в отличие от существующих рассматривать экскаватор как многомерный объект управления;

- впервые предложен структурный синтез системы автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора в виде многоконтурной системы с одной измеряемой координатой;

- разработана методика параметрической оптимизации регуляторов, обеспечивающая робастность системы;

- разработана инженерная методика расчета систем стабилизации скорости и программного управления исполнительными механизмами одноковшового гидравлического экскаватора.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается:

- в предложенном варианте технической реализации микропроцессорной системы управления скоростью исполнительных механизмов гидравлического экскаватора, в основу которой положено положительное решение № 71-42-38п от 28.03.2008г. о выдаче патента на изобретение № 2006123954/03(025989) «Способ управления движением исполнительного механизма строительной машины с гидроприводом и устройство для его осуществления» (авторы С .Я. Галицков, И.В. Дуданов);

- в реализации экспериментального стенда по исследованию гидропривода грузоподъемной стрелы;

- в разработанной методике и полученных результатах проведения вычислительных и натурных экспериментов по исследованию объекта и системы управления, используемых при выполнении стендовых исследований гидрооборудования строительной техники на ОАО «СУМР-4» (г. Самара);

- в разработанной методике инженерного проектирования системы автоматического управления гидравлическими исполнительными механизмами экскаватора. Методика используется в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270113 «Механизация и автоматизация строительства».

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на международных, российских конференциях и форумах: на Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, СамГТУ, 2003г., 2005г.); на десятой международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», (Москва, МЭИ, 2004г.); на международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ» (Тюмень, ТГНУ 2005г.; Самара, СГАСУ 2007г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ, 2005г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (Самара, СГАСУ, 2004-2007гг.); на XII научно-технической конференции (сентябрь 2007г.) «Надежность строительных объектов» (Самара, СГАСУ, 2007г.).

Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в 17 научных изданиях, в том числе статья [76] опубликована в журнале «Механизация строительства», включенном в утвержденный ВАК РФ Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 78 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 212 страницах, диссертация содержит: 102 рисунка, 22 таблиц, приложение на 4 страницах, библиографический список на 7 страницах.

ВЫВОДЫ ПО 4-ОЙ ГЛАВЕ

1. Разработаны в программной среде MatLab вычислительные модели: электромагнитного золотника и насосного агрегата, механических частей манипулятора (поворотной платформы, стрелы, рукояти и ковша), сепаратных каналов объекта управления, блока формирования межканальных связей и системы автоматического управления. В результате синтезированы модели сепаратных каналов и обобщенная модель экскаватора как многомерного объекта управления. В результате синтезированы вычислительные модели сепаратных каналов и обобщенная модель экскаватора как многомерного объекта управления.

2. Разработана методика постановки экспериментов по определению статических и динамических характеристик объекта. Произведена аппроксимация моделей объекта управления динамическими звеньями. Установлено, что сепаратные каналы объекта управления, с достаточной степенью точность (погрешность не более 5%), можно представить совокупностью, интегрирующего и звена второго порядка с переменными параметрами. Выполнена оценка нелинейности и нестационарности объекта управления.

3. Разработана конструкция и создана экспериментальная установка по исследованию гидропривода грузоподъемной стрелы. На основе разработанной методики проведения экспериментов и с использованием аппаратного и программного обеспечения комплекса LabView получены статические и динамические характеристики гидропривода стрелы. Выполнена оценка адекватности разработанной динамической модели объекта управления.

4. Разработана методика инженерного проектирования систем автоматического управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора, которая использована при проектировании варианта технической реализации системы. Показано что технико-экономический результат от внедрения составляет 34640 руб/год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований направленных на повышение технологической надежности экскаватора путем синтеза системы автоматического управления его исполнительными механизмами, можно сделать следующие выводы:

1. Проведенный анализ режимов работы гидравлического экскаватора и современного состояния его систем автоматизации, показал, что с целью повышения технологической надежности (расширение диапазона регулирования скорости до уровня «ползучих» скоростей, повышение точности движения и позиционирования РО, снижение уровня динамических нагрузок в кинематических цепях) необходимо применение систем автоматического управления исполнительными механизмами.

2. Разработана в условиях обоснованных допущений математическая модель экскаватора (при неподвижном шасси) как многомерного объекта управления, включающая в себя четыре сепаратных канала (исполнительные механизмы платформы, стрелы, рукояти и ковша) и межканальные связи, обусловленные конструкцией манипулятора и ограниченной мощностью насосного агрегата. Состояние объекта определяется вектором 9=[<7,<7г<7,?4]г угловых положений механизмов. За управляющее воздействие выбран вектор u=[u,u,u}uj напряжений, подаваемых на электрогидравлический преобразователь. В виду сложности аналитического нахождения операторов нелинейных сепаратных каналов предложено исследовать их динамику на вычислительных моделях по результатам оценки переходных характеристик объекта «в большом» и «в малом». Применительно к экскаватору ЭО-4121 получены модели сепаратных объектов (отражающих их динамику в рабочем пространстве манипулятора) в виде динамической системы 4-го порядка с переменными параметрами. Выполнена оценка нестационарности параметров линеаризованного объекта управления, в частности постоянная времени поворотной платформы изменяется в 2.13 раза (7ciy/=0.08.0.17c), стрелы - в 5 раз (7Ьу2=0.04.0.2с), рукояти - в 7 раз (7оуз=0.01.0.07с), ковша - в 4 раза (7^=0.01.0.04с). По результатам моделирования динамики совместных режимов работы исполнительных механизмов установлено, что в сепаратном канале изменяется только коэффициент передачи (например, в приводе стрелы уменьшается на 50%). Определены межканальные динамические связи в виде звеньев с переменными параметрами, зависящими от величины управляющего воздействия и степени загруженности приводов.

3. Синтезирована система автоматического управления экскаватором, которая обеспечивает два режима работы: автоматическую стабилизацию скорости исполнительных механизмов при задании ее величины машинистом и программное управление движением рабочего органа.

4. Произведен структурный синтез системы, обеспечивающий два режима работы: автоматическую стабилизацию скорости исполнительных механизмов (при задании ее величины машинистом) и программное управление движением рабочего органа. Показано, что в условиях нестационарности и нелинейности объекта целесообразно синтезировать сепаратные системы в виде многоконтурных систем с одной измеряемой координатой с использованием в них типовых И-, ПД-, ПИ-, П- регуляторов.

5. Разработана методика параметрической оптимизации регуляторов системы. Она основана на использовании вычислительных моделей объекта и системы. За критерии оптимизации приняты: минимум динамических ударов в кинематических звеньев привода при максимально достижимом быстродействии и минимум ошибки отработки программной траектории в условиях ограниченной мощности насосного агрегата.

6. Показано, что применение на экскаваторе ЭО-4121 трехконтурной системы с одной измеряемой координатой позволяет снизить динамический удар в приводе платформы - в 1.9 раза; стрелы - в 1.5 раза; рукояти - в 1.8 раза; ковша - в 2.5 раза, обеспечить ошибку позиционирования в приводах платформы и стрелы, не более 0.006 рад (0.8%) и 0.003 рад(0.4%), соответственно, расширить диапазон регулирования скорости поворотной платформы до Дре^ЗЗОО, стелы, рукояти и ковша до Дрсг=4500 в раздельном режиме работы и до 2600 - при совместной работе систем. Динамический провал скорости при копании в приводе рукояти ускор=3%, а в ковша -ускор=2.6%. Показано, что система управления обладает робастной устойчивостью.

7. Созданы в программной среде MatLAB вычислительные модели объекта и системы автоматического управления. Разработана методика постановки экспериментов по исследованию их динамики.

8. Разработана конструкция и создан экспериментальный стенд для опытной оценки характеристик объекта и системы автоматического управления. Разработана методика проведения натурных исследований. Доказана адекватность разработанной математической модели объекта управления, путем сравнения переходных характеристик, полученных методом вычислительного эксперимента, и на экспериментальной установке.

9. Разработана методика инженерного проектирования систем автоматического управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора. Предложен вариант технической реализации САУ исполнительными механизмами гидравлического экскаватора.

1. Белецкий, Б.Ф. Строительные машины и оборудование Ростов н/Д.: Феникс, 2002

2. Беркман, И.Л. Гидропривод одноковшовых экскаваторов / И.Л. Беркман, А.В. Раннев, А.К. Рейш М.: 1986

3. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесе-керский, Е.П. Попов СПб.: Профессия, 2004

4. Галицков, С .Я. Динамика электромеханических исполнительных систем прецизионных станков и роботов — Куйбышев: Куйбыш. Политех. Ин-т, 1989

5. Галицков, С.Я., Многоконтурные системы управления с одной измеряемой координатой: Монография. / С.Я. Галицков, К.С. Галицков Самара: СГАСУ, 2004. - 140 с.

6. Галицков, С.Я. Декомпозиция одного класса многомерных объектов управления / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов // Статья. Труды секции «Строительство» Строительный вестник Российской инженерной академии, Москва, 2006.-С. 186-191.

7. Галицков, С.Я. Исследование динамических показателей качества позиционного СМЭП прямого цифрового управления / С.Я. Галицков, С.Н. Лы-сов, А.Г. Макаров, А.В. Стариков Самара: СамГАСА, 1998.

8. Галицков, С.Я. Программное обеспечение СМЭП с прямым цифровым управлением / С.Я. Галицков, С.Н. Лысов, А.Г. Макаров, А.В. Стариков -Самана: СамГАСА, 1997.

9. Гамынин, Н.С. Основы следящего гидравлического привода / Н.С. Гамы-нин-М.: Оборонгиз.,1962.

10. Дуданов, И.В. Автоматизация динамических испытаний гидрооборудования / И.В. Дуданов // Тез. докл. международ, научн.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2004. — С. -105.

11. Дуданов, И.В. Автоматизация поворотной платформы экскаватора с гидроприводом / И.В. Дуданов // Тез. докл. 23-й межвуз. студ. научн.-техн. конф. по итогам НИРС в 2003 г. Самара, СамГАСА, 2004. С. 132 - 133.

12. Дуданов, И.В. Модернизация гидропривода поворотной платформы экскаватора ЭО-3323А / И.В. Дуданов // Тез. докл. Материалы 61-й региональной научн.-техн. конф. по итогам НИР СамГАСА за 2003г. Часть 2. Самара, СамГАСА, 2004. С. 365 - 370.

13. Дуданов, И.В. Привод стрелы манипулятора гидравлического экскаватора, как объект управления / И.В. Дуданов // Тез. докл. Материалы 62-й Всероссийской научн.-техн. конф. по итогам НИР СамГАСА 2004г. Часть 2. Самара, СГАСУ, 2005. С. 513 - 515.

14. Галицков, С.Я. Система автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора с гидроприводом / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов // Тез. докл. Всероссийской межвуз. научн.-практ. конф. Самара, СамГТУ, 2005.-С. 101-103.

15. Строительный экскаватор // Автоматизация и управление в машиностроении. 2000. — №15

16. Зенкевич, C.JI. Основы управления манипуляционными роботами — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.

17. Каталоги фирм производителей экскаваторов: Тверской ЭЗ, Кранэкс, Уралвагонзавод, Ковровец, Донецкий экскаватор, Hitachi, Caterpiller, О&К, Case, JCB, Volvo, Bobcat Europe, Gehl.

18. Келим, Ю.М. Типовые элементы САУ-М.: Форум, 2004.

19. Либерман, К.Б. Опыт разработки автоматических гидроприводов. Л: ЛДНТП, 1989.

20. Макаров, Н.А. Проектирование и расчет экскаваторов. Строительные и дорожные машины. М.: 1989.

21. Максимычев: О.И. Алгоритмы управления рабочими процессами землеройных и землеройно-транспортных машин // Вестник МАДИ (ГТУ) — М.: 2004г.

22. Материалы выставки «Лесдревмаш-2000» Ковров, 2000.

23. Мелик-Гайказов, К.С. Проектирование систем гидропривода М.: Машиностроение, 1980.

24. Патент на изобретение № 2059049 РФ. Устройство предпускового подогрева привода землеройно-транспортной машины / Карнаухов Н.Н., Крамской В.Ф., Тархов А.И., Харитонов Н.А. 98117630/03.

25. Патент на изобретение № 2211943 РФ. Система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания / Карнаухов Н.Н., Конев В.В., Закирзаков Г.Г. 94138360/04; заявлено 24.09.1998; опубл. 20.10.2000, Бюл. №29.

26. Подерни, Р.Ю. Механическое оборудование карьеров -М.: МГТУ, 2003.

27. Раннев. JI. В. Гидроприводы строительных и дорожных машин — М.: 1986.

28. Раннев, Л. В. Одноковшовые гидравлические экскаваторы -М.: 1998.

29. Сырицын, Т.А. Эксплуатация и надежность гидро- и пневмоприводов -М.: Машиностроение, 1990.

30. Гаврилов, Н.И. «Гидравлический экскаватор ЭО — 4121 А» — М.: 1980.

31. Фролов, К.В. Теория механизмов и механика машин — М.: Высш.Шк., 2003.

32. Шишмарев, В.Ю. Типовые элементы САУ М.: Академия, 2004.

33. Юревич, Е.И. Основы робототехники СПб.:БХВ, 2005.

34. WWW.trimble.com Сайт посвященный автоматизации земляных работ.

35. Якушев, А.Е. Исследование энергетических параметров одноковшовых экскаваторов Электронный ресурс. : Автотреф. дис. канд. техн. наук — М.: ПроСофт-М, 2003. (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

36. Машиностроительный гидропривод / JI.A. Кондаков, Г.А. Никитин В. Н. Прокофьев и др. Под ред. В. Н. Прокофьева. М., Машиностроение, 1978.

37. Башта Т.М. Гидроприводы и гидропневмоавтоматика. М.: Машиностроение, 1972.

38. Уравновешивание рабочего оборудования гидравлического экскаватора Электронный ресурс. : Автореф. дис. канд. техн. наук — Москва, Про-Софт-М, 2005. (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

39. Свешников, В.К. Станочные гидроприводы. / В.К. Свешников, А.А. Усов /Справочник. М.: Машиностроение, 1988.

40. Коробочкин, Б.Л. Динамика гидравлических систем станков М.: Машиностроение, 1976.

41. Хохлов, В.А. Электрогидравлические следящие системы М.: Машиностроение, 1971.

42. Гидравлический следящий привод / Гамынин Н.С. и др. Под ред. В.А. Лещенко -М.: Машиностроение, 1968.

43. Конструктор для взрослых. Часть 4. Крепче за джойстик. .//Строительная техника и технологии 2004. - №4. - с.120-125.

44. Ранев, А.В. Гусеничные одноковшовые строительные экскаваторы // Строительная техника и технологии 2004. - №5.

45. Современные тенденции в создании строительных машин // Строительно-дорожные машины 2005. - №7.

46. Минько, А.А. Статистический анализ в MS Excel — М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. 448с.

47. Галицков, С.Я. Автоматизированный гидропривод поворотной платформы экскаватора / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов // Статья. Труды секции

48. Строительство» Строительный вестник Российской инженерной академии. Выпуск 8. Москва, 2007. С. 125 - 126.

49. Тихонов, А.Ф. Автоматизация и роботизация технологических процессов и машин в строительстве / Учебное пособие. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2005. — 464с.

50. Заленский, B.C. Строительные машины: Примеры расчетов. — М.: Строй-издат, 1983г.-271с.

51. Гамынин, Н.С., Жданов Ю.К., Климашин A.JI. Динамика быстродействующего гидравлического привода. М.: Машиностроение, 1979. — 80с.

52. Васильченко, В.А., Беркович Ф.М. Гидравлический привод строительных и дорожных машин М.: Стройиздат, 1978. — 166с.

53. Усовершенствование полноповоротных гидравлических экскаваторов за рубежом. А.В. Королев. Обзорная информация. — М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1981.-51с.

54. Развитие систем управления одноковшовых экскаваторов: Обзорная информация. Серия 1 «Экскаваторы и стреловые краны». Акинфиев А.А., Корнюшенко С.И. -М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1986. -41с.

55. Рустанович, А.В. Системы гидропривода полноповоротных экскаваторов / А.В. Рустанович, А .Я. Ландсман. // Обзорная информация. Серия 1. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1983. 51с.

56. Морсин, Д.В. Системы регулирования дизель-гидропривода с объемной гидропередачей // Строительные и дорожные машины 2005. - №10. с. 1419.

57. Ерофеев, А.А. Автоматизированные системы управления строительными машинами. Л.: «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1977. - 224с.

58. Кругов, В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания: Учебное пособие для ВТУЗов. — М.: Машиностроение, 1979. 615с.

59. Дягтерев, А.П. и др. Комплексная механизация земляных работ / 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1987. - 335с.

60. Бурдаков, С.Ф. Проектирование манипуляторов, промышленных роботов и роботизированных комплексов М.: Высш.шк., 1986. - 234с.

61. Петров, Б.А. Манипуляторы JL: Машиностроение, 1984. - 238с.

62. Галицков, С.Я. Математическое моделирование гидравлических исполнительных систем экскаватора как объекта управления / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов // Тр. Международ, науч.-техн. конф. «ИНТЕРСТРОИМЕХ-2005», часть 1 Тюмень: ТГНУ 2005. - с. 154-158.

63. Макаров, А. Г. Системы прямого цифрового управления движением исполнительных механизмов на вертикальных направляющих прецизионного станка: Дис. канд. технические науки: 05.13.07. — Самара, 1997.

64. Дуданов, И.В. Исследование динамики исполнительных механизмов экскаватора при управлении оператором / И.В. Дуданов // Материалы 63-й Всероссийской научн.-техн. конф. по итогам НИР СГАСУ за 2005г. Самара, СГАСУ, 2006. С. 393 - 395.

65. Дьяконов, В.П. MATLAB 6/6.1/6.5+Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользования М.: COJIOH-Пресс, 2003. -576 с.

66. Черных, И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений / Под общ. ред. к.т.н. В.Г. Потемкина. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 496 с.

67. Лещенко, В.А. Гидравлические следящие приводы станков с программным управлением -М.: «Машиностроение», 1975. — 288с.

68. Менский Б.М. Принцип инвариантности в автоматическом регулировании и управлении. М., Машиностроение, 1972. 248с.

69. Поляк, Б.Т. Робастная устойчивость и управление / Б.Т. Поляк, П.С. Щербаков М.: Наука, 2002. - 303с.

70. Кононыхин, БД. Динамические модели режимов нагружения землерой-но-транспортных машин // Механизация строительства — 2005. — №4 — с. 15-20

71. Баловнев, В.И. Многоцелевые дорожно-строительные и технологические машины // Учебное пособие для вузов по дисциплине «Дорожные машины» для специальностей 170900, 230100, 150600 и 291800. Омск - Москва: ОАО «Омский дом печати» 2006г. - 320с.

72. WWW.rez.ru официальный сайт НПП «Резонанс».

73. Галицков, С.Я. Одноковшовый гидравлический экскаватор как объект управления / С.Я. Галицков, И.В. Дуданов // Статья. Всероссийский ежемесячный научн.-техн. и произв. журнал «Механизация строительства» №6, 2008.-С. 9-10.

74. Научно-технический прогресс и экономика: Учеб. пособие / И.В. Сергеев, И.И. Веретенникова, А.И. Сергеев. М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2004г.- 160с.

75. Кочетков, А.И. Экономика предприятия // Учеб. пособие М.: ИПАК, 2003.-272с.