автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процесса копания грунта бульдозером

Введение.

Глава 1. Обзор и анализ разработок и исследований по автоматизации процесса копания грунта дорожно-строительными машинами.

1.1. Особенности работы бульдозера и недостатки ручного управления.

1.2. Обзор и анализ разработок и исследований по автоматизации процесса копания грунта дорожно-строительными машинами.

1.3. Цели и задачи исследований.

Выводы по главе.

Глава 2. Математическая модель процесса копания грунта бульдозером.

2.1. Разработка математической модели процесса копания грунта бульдозером.

2.2. Разработка алгоритма управления процессом копания грунта бульдозером.

2.3. Разработка структурной схемы системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером.

2.4. Расчет теоретической эпюры выемки грунта при копании бульдозером.

Выводы по главе.

Глава 3. Математическая модель автоматического управляющего устройства и рабочего органа бульдозера.

3.1. Разработка математической модели автоматического управляющего устройства.

3.2. Разработка математической модели рабочего органа бульдозера.

3.3. Автоматическое управляющее устройство с ПИ-законом управления.

Выводы по главе.

Глава 4. Теоретические исследования замкнутой системы автоматического $ управления процессом копания грунта бульдозером.

4.1. Разработка S-модели системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером.

4.2. Разработка подмодели автоматического управляющего устройства и исполнительного органа.

4.3. Анализ результатов теоретических исследований замкнутой системы автоматического управления процессом копания грунта.

Выводы по главе. щ

Глава 5. Разработка автоматического управляющего устройства.

5.1. Разработка структурной схемы алгоритма функционирования автоматического управляющего устройства.

5.2. Разработка функциональной схемы алгоритма автоматического управляющего устройства.

5.3. Разработка машинно-ориентированной схемы алгоритма автоматического управляющего устройства.

5.4. Автоматическое управляющее устройство на однокристальном микроконтроллере.

Выводы по главе.

Глава 6. Экспериментальные исследования системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером.

6.1. Объект, методика и план проведения эксперимента.

6.2. Методика измерения величин и оценка погрешностей при эксперименте.

6.3. Анализ результатов экспериментальных исследований и их сопоставление с результатами теоретических исследований.

Выводы по главе.

Итоговые выводы и результаты работы.

А' Постоянно возрастающее дорожное, промышленное и мелиоративное строительство в нашей стране увеличивает объем земляных работ, при выполнении которых в современных условиях существенное влияние уделяется как увеличению производительности, так и снижению стоимости, сохранению сроков и повышению их качества.

Одним из видов машин, используемых при выполнении этих работ являются бульдозеры, которые обеспечивают полный комплекс земляных работ, включая копание, перемещение, планировку и уплотнение грунта.

Производительность этих машин определяется, главным образом, ф. скоростью протекания каждого элемента цикла работы; конструкцией рабочего органа; технологией работ; мощностью силовых установок; квалификацией оператора.

Рост рабочих скоростей бульдозеров может быть обеспечен за счет энергонасыщения агрегатов. Однако в условиях строительных объектов эти скорости оказываются ниже технических возможностей машины, определяемые мощностью двигателя, прочностью конструкции и т.д. Повышение скорости копания ограничено скоростью привода рабочего органа, квалификацией оператора и ростом динамических нагрузок, ф действующих на узлы и элементы системы. Поэтому повышение эффективности процесса копания осуществляется путем усовершенствования конструкции рабочего органа, применения новых методов воздействия на; грунт, рационализацией процесса копания в различных грунтовых условиях и увеличения единичной мощности машин.

Однако заложенные в машину мощности не могут быть полностью реализованы оператором из-за ряда факторов отрицательно влияющих на его работу.

Всесторонние испытания бульдозеров показали, что эффективность их ^ работы зависит от квалификации оператора, его психико-физиологического состояния и продолжительности работы. Совокупность этих факторов оказывает существенное влияние при выполнении наиболее энергоемкой операции технологического процесса копания грунта. При выполнении этой операции даже высококвалифицированный оператор, как правило, не обеспечивает непрерывно оптимального течения процесса копания. Поэтому производительность даже самой совершенной машины обычно ниже потенциальной и изменяется в течение смены.

Наиболее эффективный путь устранения этого недостатка состоит в автоматизации процесса копания грунта, что позволит:

• увеличить производительность за счет лучшего использования мощности силовых установок и сокращения времени набора грунта;

• стабилизировать производительность за счет устранения влияния субъективных факторов оператора;

• использовать оператора более низкой квалификации и уменьшить его утомляемость;

• внедрить прогрессивные формы организации труда.

Вопросами автоматизации процесса копания грунта бульдозерами в

России и за рубежом занимались многие фирмы и исследователи.

Проведенный обзор и анализ выполненных разработок и исследований в этой области позволил уточнить возможные пути автоматизации, выбрать управляемые и управляющие величины и показал, что эти разработки носят экспериментальный характер, а их теоретическое исследование с помощью математических моделей с использованием возможностей современных программных средств, позволяющих теоретически обосновать структуру системы и оценит степень влияния ее параметров на устойчивость и качество управления отсутствуют.

Поэтому целью данной работы является разработка и исследование системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером.

Комплекс теоретических и экспериментальных исследований по созданию более совершенной системы автоматизации процессом копания грунта бульдозером выполнен автором на кафедре автоматизации производственных процессов и производств Московского автомобильно-дорожного института ( Государственного технического университета) в течении пяти лет.

Основные результаты исследований докладывались на научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) в 1999-2003 г.г., опубликованы в 6 статьях.

ИТОГОВЫЕ ВЫВОДЫ.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать новую систему автоматического управления процессом копания грунта бульдозером. При этом получены следующие научные и практические результаты:

1. Выполненный анализ процесса копания грунта бульдозером при ручном управлении его рабочего органа показал, что реализуемая при этом производительность бульдозера ниже потенциальной и непостоянна в течении смены. Имеется существенный резерв повышения производительности бульдозера путем автоматизации процесса копания грунта.

2. Проведенный обзор и анализ выполненных работ по автоматизации процесса копания грунта позволил выбрать пути автоматизации и показал, что эти разработки носят экспериментальный характер и практически отсутствуют их теоретические исследования с помощью математических моделей, максимально использующих возможности современных программных средств, которые позволили бы теоретически обосновать структуру системы, оценить степень влияния ее параметров на качество управления. Поэтому задачу автоматизации следует считать актуальной.

3. Систему автоматического управления процессом копания целесообразно выполнять по двухконтурной схеме. Один контур поддерживает заданную свободную мощность дизеля в процессе копания путем автоматического изменения глубины резания грунта в функции угловой скорости вала двигателя. Другой контур при излишнем буксовании движителей принудительно выглубляет отвал в функции коэффициента буксования.

Разработанная математическая модель системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером существенно нелинейна. Исследование ее целесообразно проводить на ЭВМ с помощью современных программных средств.

Теоретический анализ математической модели процесса копания грунта бульдозером позволил определить аналитически оптимальную эпюру выемки грунта при реализации максимальной тяговой мощности. Эта эпюра использовалась при моделировании и экспериментальных исследованиях как критерий качества работы системы.

Анализ разработанной математической модели автоматического управляющего устройства и исполнительного органа показал, что управляющий блок совместно с исполнительным органом являются существенно нелинейным звеном релейного типа с запаздыванием, параметры которого непостоянны в процессе копания, так как определяются как абсолютным значением управляемых величин обоих контуров управления, так и скоростью их изменения.

Определить их значения аналитически в конкретный момент времени копания практически невозможно.

7. Разработана методика исследования рассматриваемой системы автоматического управления на ЭВМ в среде MathLab v 5.2 при помощи пакета интерактивного моделирования динамических систем SimuLink.

8. Анализ математической модели замкнутой системы процессом копания грунта бульдозером позволил разработать ее структурные схемы с релейным и пропорционально-интегральным законами управления, которые последовательно исследовались в среде MathLab v 5.2.

9. Выполненное моделирование системы автоматического управления процесса копания грунта бульдозером позволило заключить, что:

• применение релейного управляющего устройства нецелесообразно из-за наличия гармонических колебаний;

• пропорционально-интегральное управляющее устройство обеспечивает необходимое качество и точность управления и наиболее перспективно для практического применения.

10. Пропорционально-интегральное управляющее устройство позволяет даже при применении насоса Оф нерегулируемой производительности изменять вертикальную скорость перемещения рабочего органа бульдозера пропорционально амплитуде и скорости изменения сигнала рассогласования управляемых величин.

Выполненные в среде MathLab v 5.2 исследования позволили оценить влияние основных параметров ПИ-управляющего устройства на качество управления и выбрать их рациональные значения обеспечивающие желаемый характер управления.

На основании результатов работы разработан и изготовлен опытный образец двухконтурного пропорционально-интегрального автоматического управляющего устройства процессом копания грунта на базе однокристального микроконтроллера КМ1816ВЕ51. Предложенная методика оценки параметров автоматического управляющего устройства при моделировании позволила настроить его до установки на объект управления, что сократило объем и стоимость экспериментальных исследований. Проведенные сравнительные экспериментальные исследования процесса копания грунта при автоматическом и ручном управлении показали существенное преимущество автоматизации процесса копания грунта бульдозером заключающееся в следующем: точность поддержания управляемых величин на заданном уровне значительно выше при автоматическом управлении; средняя действительная скорость движения бульдозера при копании грунта возрастает на 31,5% и составляет 2,5 ± 0,3 км/ч; количество управляющих электрогидравлическим распределителем команд уменьшилось на 26%. Достаточная сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований подтвердила правомочность принятых допущений и позволило заключить, что предложенная методика разработки системы автоматического управления процессом копания грунта на основе найденных зависимостей, связывающих основные параметры автоматического управляющего устройства с параметрами грунта и бульдозера, корректна и может быть рекомендована при разработке подобных систем.

Проведенный анализ экспериментальных исследований системы автоматического управления процессом копания грунта бульдозером показал, что разработанное ПИ-управляющее устройство позволило обеспечить требуемое качество процессов управления и полностью реализовать разработанный алгоритм управления.

1. Адлер Ю.П., Грановский Ю.В., Марсов Е.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.

2. Александров Ю.В., Августов О.В. Обновление параметров регулирования системы управления бульдозером ДЗ-101. Гидропривод и системы управления строительных и дорожных машин. // Сб. научн. тр. Сиб. автодор. ин-т.- Омск.: 1979.

3. Алексеева Т.В. Гидропривод и гидроавтоматика землеройно-транспортных машин.- М.: Машиностроение, 1966.

4. Алексеева Т.В. и др. Дорожные машины. Часть 1. Машины для земленых работ (теория и расчет). М.: Машиностроение. 1972.

5. Амельченко В.Ф. Сравнительные исследования систем управления рабочим процессом бульдозера. Гидропривод и системы управления. Сб. научн. тр. Сиб. автодор. ин-т. Омск, 1977.

6. Асмолов С.Г. Автоматизация копания грунта бульдозером (алгоритм управления). // Сб. научн. тр. МАДИ «Электронные системы управления на транспорте и в строительстве» М .: 2001.

7. Баловнев В.И. Методы физического моделирования рабочих процессов дорожно-строительных машин. М.: Машиностроение, 1973.

8. Баловнев В.И., Зеленин А.Н., Керов И.П. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975.

9. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микро ЭВМ. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1987.

10. Ю.Веледницкий Ю.Б., Ратнер Г.Л. Принципы оптимизации режима копания землеройно-транспортных машин. /Научн.тр./ВНИИСтройдормаш. 1985. Вып. 108. - Проблемы повышения технического уровня строительных и дорожных машин.

11. Водяник И.И. Анализ взаимодействия двигателя с грунтом с помощью механической модели. «Известия ВУЗов» машин, - 1986. №6.

12. Воробьев В.А., Асмолов С.Г. Структура автоматизированной системы управления дорожно-строительными машинами. // Сб. научн. тр. МАДИ. «Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве» М.: МАДИ, 1999.

13. Воробьев В.А., Асмолов С.Г. Математическая модель процесса копания грунта бульдозером. // Сб. научн. тр. МАДИ. «Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве»- М.: МАДИ, 2001.

14. М.Воробьев В.А., Асмолов С.Г. Математическая модель автоматического управляющего устройства процессом копания грунта бульдозером. // Сб. научн. тр. МАДИ. «Информационные технологии в задачах управления и обучения. ч.Н» М.: МАДИ, 2003.

15. Волчек С.И. и др. Задачи перспективы автоматизации строительных и дорожных машин. // Механизация строительства. 1987. - №6.

16. Деревянко С.Н. Автоматическое регулирование процесса копания бульдозерами и скреперами. Харьков.: ХГУ, 1963.

17. Деревянко С.Н. Анализ эффективности рабочих режимов копания бульдозерами. // Труды ХАДИ, вып 22. Харьков.: ХГУ, 1960.

18. Деревянко С.Н., Плехотин В.П. Автоматическое управление копания грунта бульдозерами и скреперами. // «Строительные и дорожные машины». -1964.- №9.

19. Ерофеев А. А. Автоматизированные системы управления строительными машинами. JL: «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1977.

20. Ерофеев А.А. Алгоритм управления промышленных автоматических систем. СПб.: Политехника, 1992. - 106 с.

21. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления: Учебник для вузов.- СПб.: Политехника, 1998. 295 е.: ил.

22. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов исследований, «Наука», М.: 1983.

23. Калацкий А.Н., Кононов A.M. Исследование прочностной характеристики суглинистой почвы как среды, взаимодействующей с движителем. Тракторы и сельхозмашины. 1982, №4.

24. Кононыхин Б.Д. « К проблеме создания техники для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций ». Механизация строительства. 1993, №3.

25. А.С. № 899806 СССР, МКИ E02F 9/20 Устройство для регулирования рабочего режима землеройно транспортной машины./ Карлов В.А. и др. Опубл. в Б.И., 1982, №3

26. А.С. № 1578272 СССР, МКИ E02F 3/76. Бульдозер с автоматическим управлением отвала./ Кононыхин Б.Д. и др. Опубл. в Б.И., 1994, №11

27. А.С. № 1578279 СССР, МКИ E02F 3/76. Система автоматического управления рабочим органом бульдозера./ Кононыхин Б.Д. и др. Опубл. в Б.И., 1994, №13

28. Кононыхин Б.Д., Ольшанский В.Г., Афанасьев В.Е. Системы автоматизации бульдозеров. // Механизация строительства — 1994, №2

29. А.С. № 1234537 СССР, МКИ E02F 9/20, Способ регулирования рабочих ЗТМ и устройство его осуществления./ Коровин В.И. и др. Опубл. в Б.И., 1986, №9

30. А.С. № 1352011 СССР, МКИ E02F 9/20, Способ управления рабочим оганом ЗТМ./ Коровин В.И. и др. Опубл. в Б.И., 1987, №42

31. А.с. № 1315571 СССР, МКИ E02F 9/20, «Способ регулирования рабочих процессов землеройно-транспортных машин./ Коровин В.И. и др. Опубл. в Б.И., 1987, №21

32. Коффрон Дж., Лонг В. Расширение микропроцессорных систем./ Пер. с англ.; Под ред. П.В. Нестерова. М.: Машиностроение, 1987-320.

33. Лазарев Ю.Ф. MatLAB 5.x- К.: Издательская группа BHV, 200.

34. Лахтина Н.Ю., Асмолов С.Г. Измеритель буксования дорожно-строительных машин с доплеровским датчиком действительной скорости.// Сб. нучн. тр. МАДИ «Электронные системы автоматического управления на транспорте и строительстве». — М.: МАДИ, 1999.

35. А.С. № 146378 СССР, МКИ E02F 9/20.Способ автоматического регулирования режима работы землеройной машины с колесными движителями. / Михайлов Б.И., Ульянов Н.А. Опубл. в Б.Н., 1962, №8

36. Михайлов Б.И., Ульянов Н.А. Об автоматическом регулировании режима работы автогрейдеров.// «Строительное и дорожное машиностроение». -1960, №7.

37. Новиков Г.В., Шипилевский Г.Б. Электронные информационные системы тракторной автоматики. // «Тракторы и сельхозмашины». — 1990, №2.

38. Новиков Г.В1, Хаби B.C., Шипилевский Г.В. «Универсальная информационная система трактора» Тракторы и сельхозмашины. 1994, №11

39. Пат № 4194574 США, кл. E02F 3176 «Устройство для контроля мощности копания и способ повышения производительности машины». Опуб. 25.03.80.

40. Петров Н.С. Методические советы работающим над кандидатскими диссертациями. М.: ЦНИИТЭстроймаш. 1969.

41. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и упраления. М.: Наука, 1989.

42. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и упраления. М.: Наука, 1989.

43. Попов Е.П. Динамика систем автоматического регулирования. М.: Гостехиздат, 1954.

44. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высшая школа, 1991.

45. Примак JI.B. Высокоточный цифровой измеритель коэффициента буксования для непрерывных землеройных машин. // Сб. научн. тр. МАДИ «Информационные технологии в задачах управления и обучения. М.: МАДИ. 2003.

46. А.С. № 918958 СССР, кл. E02F 9/20 «Устройство для управления рабочим органом землеройно-транспортных машин». / Погуляев Ю.Д., Погуляев А.Д. Опубл. в Б.И. 1982, №9.

47. А.С. № 912858 СССР, кл. E02F 9/20 «Устройство для управления процессом копания бульдозера». / Погуляев Ю.Д., Погуляев А.Д. Опубл. в Б.И. 1982, №10.

48. А.С. № 1082914 СССР, кл. E02F 9/20 «Устройство для управления рабочим процессом землеройно-транспортной машины». / Погуляев Ю.Д., Шумаков Б.Д. Опубл. в Б.И. 1982, №9.

49. А.С. № 831255 СССР, кл. E02F 9/20 «Устройство для автоматического управления рабочим органом землеройно-транспортных машин». / Ульянов Н.А., Авдеев Ю.В. и др. Опубл. в Б.И. 1981, №42.

50. А.С. № 831225 СССР, кл. E02F 9/20 «Способ управления рабочим процессом землеройно-транспортных машин и устройств для его осуществления». / Погуляев Ю.Д. Опубл. в Б.И. 1984, №148.

51. Рожков В.М., Асмолов С.Г., Сысыкин П.И. Периферийный блок управления интегрированной системы электропроводки. // Сб. научн. тр. МАДИ «Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве». М.: МАДИ, 2003.

52. Степашин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. М.: Энергоатомиздат, 1990.

53. Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцев О.Ф. Примеры проектирования устройств и систем на основе однокристального микроконтроллера КМ 1816 BE 51. М.: Заочный ин-т повышения квалификации ИНТРУП ВНТО им. С.И. Вавилова, 1989.

54. Скловский А.А. Автоматизация дорожных машин. 2-е изд., перераб. и доп. - Рига: «Авотс»; 1979.

55. Тарасов В.Н. Динамика систем управления рабочими процессами землеройно-транспортных машин. Омск, Западно-Сибирское кн. изд-во, 1975

56. Ульянов Н.А. Основы теории и расчета колесного движителя землеройных машин. М.: Машгиз, 1962.

57. Ульянов Н.А. Теория самоходных колесных землеройно-транспортных машин. М.: Машиностроение, 1969.

58. Хайкин С.Э. Физические основы механики, М., Физматгиз, 1963.

59. Холодов A.M. Основы динамики землеройно-транспортных машин. «Машиностроение», 1968.

60. Хохлов В.А. Электрогидравлический следящий привод, М,. Наука, 1966.

61. Цветков В.К. Исследование энергонасыщенного бульдозерного агрегата в режиме стабилизации загрузки при копании грунта. Автореф. конд. дис., Омск, 1976.

62. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. М.: Наука, 1983.

63. Шумаков Б.Д. Исследование процесса управления бульдозерным агрегатом на мелиоративных работах. Автореф. канд. дис., Челябинск, 1983.

64. Электронные и микропроцессорные системы автоматизации строительно-дорожных машин и оборудования. Обзорная информация, М, ЦНИИТЭСтроймаш,1989.

65. Bohmker T.W. Draft control mechanism. United states patent office. №2.654.301. Oct. 6, 1953.

66. Choate R.E. et al. Excavator. United States parent office. № 2.347.882. May. 2, 1944.

67. Kutzler R.J. et al. Control apparatus for earth moving equipment. United States parent office. № 3.064.371. Nov. 20, 1962.

68. Morrill C.D. A sub-audio time delay circuit Trans IRE, v. EC-3, № 2, June, 1954.

69. Rockwell H.W. Automatic depth control for earth working machines. United States parent office. № 3.394.474. July. 30, 1968.

70. Rusconi T.C. Hydraulic control system. United States parent office. № 2.629.306. Feb. 24, 1953.

71. Пат. № 55-3503, Япония, кл. E02F3/34 «Автоматический регулятор положения отвала бульдозера»./ Такэда Описиро, Опуб. 25.01.80.