автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Многопараметрическая мехатронная система адаптивного управления движением зерноуборочного комбайна

На правах рукописи

Шевчук Денис Геннадьевич

МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МЕХАТРОННАЯ СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА

Специальность 05.02.05 - «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АВГ 2013

Ростов-на-Дону - 2013

Работа выполнена в Институте энергетики и машиностроения ФБГОУ ВПО «Донской государственный технический университет (ДГТУ) на кафедре «Энергетика, автоматика и системы коммуникаций».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Паршин Дмитрий Яковлевич

Официальные оппоненты: Шошиашвили Михаил Элгуджевич,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» . ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ» (НИИ)

Рукавицын Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая механика и мехатроника» ФБГОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет»

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

многопроцессорных вычислительных систем имени академика A.B. Каляева ФГАОУ ВПО «Южный Федеральный университет»

Защита состоится « 27 » сентября 2013 года в 09.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132, ауд. 149 главного корпуса ЮРГТУ (НПИ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ» (НПИ). С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «/Sv> августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Одним из перспективных направлений автоматизации управления движения мобильных технологических объектов (МТО) является использование мехатронных модулей и систем. Среди множества МТО наиболее сложными при решении задач управления движением являются зерноуборочные комбайны. Это обусловлено тем, что комбайн работает в недетерминированных условиях, вызывающих измене-» ние параметров технологического процесса (ТП), реагировать на которые своевременно оператор не в состоянии, поэтому неизбежным направлением повышения производительности зерноуборочного комбайна является создание мехатронной системы управления траекторией движения и загрузкой рабочих органов молотильно-сепарирующего устройства (МСУ) при минимальном участии оператора. .

Оптимизация уровня использования технических возможностей зерноуборочных комбайнов, способствующая уменьшению потерь продукта, повышению производительности и улучшению условий труда оператора, не может быть осуществима без комплексной автоматизации управления движением машины. Зерноуборочный комбайн представляет собой единый комплекс электромеханических, электрогидравлических, электронных элементов и средств вычислительной техники, между которыми осуществляется постоянный динамически меняющийся обмен энергией и информацией, объединенный общей системой автоматического управления, поэтому задача автоматизации управления движением комбайна сводится к построению многопараметрической мехатронной системы.

В тоже время, при создании мехатронной системы управления движением зерноуборочного комбайна встречаются серьёзные трудности, которые вызваны тем, что машина работает в условиях непрерывно изменяющихся внешних воздействий. Вместе с тем, свойства комбайна как объекта автоматического управления, динамика его рабочих органов и их влияние на процессы обмолота и сепарации недостаточно изучены, что, наряду с отсутствием надёжных технических средств измерения параметров управления, в полной мере отражающих показатели загрузки двигателя и МСУ, сдерживает развитие работ по разработке мехатронных систем и затрудняет их практическое использование.

Решение проблемы создания эффективной мехатронной системы для автоматизации управления скоростью и траекторией движения зерноубо-. рочного комбайна с целью снижения потерь продукта, оптимизации загрузки двигателя и рабочих органов МСУ делают тему диссертационной работы актуальной как в техническом, так и научном плане.

Целью диссертационного исследования является разработка многопараметрической мехатронной системы адаптивного управления движением зерноуборочного комбайна, обеспечивающей повышение эффективности его работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать метод построения мехатронной системы управления движением комбайна при недетерминированных условиях выполнения ТП;

2. Разработать метод моделирования динамики материальных потоков зерноуборочного комбайна, учитывающий конструктивные и эксплуатационные параметры его рабочих органов, а также позволяющий определить влияние этих параметров на обобщённые потери продукта;

3. Разработать метод автоматического управления скоростью и траекторией движения зерноуборочного комбайна с адаптацией по обобщённым потерям продукта, степени загрузки двигателя и рабочих органов МСУ при непрерывно изменяющихся условиях ТП;

4. Разработать имитационную модель мехатронной системы зерноуборочного комбайна, учитывающую динамические свойства двигателя и ходовой части комбайна, влияние возмущающих воздействий и взаимовлияния параметров мехатронной системы.

Идея работы заключается в разработке многопараметрической мехатронной системы, предназначенной для автоматизации управления скоростью и траекторией движения зерноуборочного комбайна с нечётким адаптивным управлением по обобщённым потерям продукта, степени загрузки двигателя и рабочих органов МСУ при недетерминированных условиях выполнения ТП.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы классической механики, мехатроники, робототехники, математического анализа, нечёткой логики, математического и имитационного моделирования, классической и современной теории автоматического управления, теории планирования эксперимента. Полученные результаты проверялись имитационным моделированием, натурными экспериментами, методами статистического, корреляционного и регрессионного анализа.

Основные научные результаты, выносимые на защиту и степень их научной новизны:

1. Многопараметрический метод построения мехатронной системы, отличающийся введением дополнительных обратных связей между меха-тронными модулями управления скоростью и траекторией движения зерноуборочного комбайна;

2. Вариативно-декомпозиционный метод моделирования динамики материальных потоков зерноуборочного комбайна, отличающийся от извест-

ных методов учётом конструктивных и эксплуатационных параметров технологической машины и моделированием влияния мехатронной системы на потери продукта и загрузку рабочих органов МСУ на различных этапах ТП;

3. Метод нечёткого адаптивного управления движением зерноуборочного комбайна при непрерывно изменяющихся условиях ТП, отличающийся реализацией нечёткого управления скоростью и траекторией движения машины с параметрической адаптацией по обобщённым потерям продукта, степени загрузки двигателя и рабочих органов МСУ;

4. Имитационная модель многопарамегрической мехатронной системы, отличающаяся от известных, реализацией нечёткого адаптивного управления движением при непрерывно изменяющихся условиях ТП.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов обусловлена корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, классической теории управления, мехатроники, робототехники, теории нечёткого управления, корректными допущениями при составлении математических моделей, подтверждается результатами натурных экспериментов, статистического анализа и имитационного моделирования разработанной системы, при этом максимальная ошибка отклонения расчётных и экспериментальных данных не превышает 8,3 %. .

Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в развитии методов построения и моделирования мехатронных систем адаптивного управления движением мобильных технологических объектов, расширяющих теорию мехатроники, имитационного моделирования и нечёткого управления.

Практическая полезность диссертационной работы заключается в том, что предложенная в ней методика адаптивного управления движением и имитационная модель многопараметрической мехатронной системы зерноуборочного комбайна (ММСЗК) на базе нечёткой логики позволяют использовать их в инженерной практике при разработке мехатронных систем управления движением различными МТО. Прикладная значимость результатов заключается в следующем:

1. Разработанная методика нечёткого адаптивного управления движением может быть применима для управления траекторией и (или) скоростью движения зерноуборочных комбайнов с различной схемой обмолота;

2. Разработанная методика построения нечёткого контроллера мехатронно-го модуля управления траекторией движения, может быть применима для разработки нечётких систем управления траекторным движением различных МТО по линейному отклонению от заданной траектории и курсовому углу, с ошибкой управления не более ± 1О см;

3. Наиболее перспективным для практической реализации разработанной мехатронной системы является высокопроизводительный комбайн отечественного производства РСМ-181 «Т(ЖиМ-740>>.

Реализация результатов работы. Разработанный многопараметрический метод построения мехатронной системы, её структурная организация, метод нечёткого адаптивного управления движением МТО приняты к внедрению ООО «Гипростройдормаш» (г. Ростов-на-Дону), рекомендации по размещению датчиков и исполнительных устройств мехатронной системы на комбайнах с классической и аксиально-роторной схемой обмолота, приняты к внедрению СПК «Заветы Ленина» (Красносулинский район Ростовской области). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Робототехника и мехатроника» ДГТУ для студентов специальности 220401 «Мехатроника», кафедрой «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» ЮРГТУ (НПИ) для студентов специальности 221000 «Мехатроника и робототехника», а также кафедрой «Технический сервис машин» ДГТУ для студентов специальности 190206 «Сельскохозяйственные машины и оборудование».

Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Современные перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения» в рамках международных агропромышленных выставок «Интерагромаш» (Ростов-на-Дону, 2008, 2010—2012 гг.), Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Ьврика-2008» ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск 2008 г.), Всероссийской научной школе для молодёжи в области мехатроники «Меха-троника-2010» ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск 2010 г.), международных научных конференциях «Математические методы в технике и технрлогиях» ММТТ-24 (Саратов, 2011) и ММТТ-25 (Волгоград, 2012), на 4-й Всероссийской мультиконференции по проблемам управления «МЭС-2011» (пос. Дивноморскре, 2011г.), на 3-м международном научном, семинаре «Системный анализ, управление и обработка информации», (пос. Дивноморское, 2012Г.). <.,■„,."" '-7., ■

Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 научных работах. В 14 работах, опубликованных в соавторстве доля материалов, принадлежащих автору диссертации, составляет не менее 50%. При этом 4 статьи опубликованы в ведущих научных журналах, входящих в список ВАК РФ, получен 1 патент РФ на полезную модель.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 154 позиций и 5 приложений. Общий объём работы составляет 183 страницы машинописного текста, включая 25 страниц приложений, содержит 55 рисунков, 19 таблиц.

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертационного исследования, сформулированы основные результаты, выносимые на защиту и степень их научной новизны, подтверждена обоснованность и достоверность полученных результатов, а также их теоретическое и научно-практическое значение.

В первой главе проведён анализ работ посвящённых решению проблем построения мехатронных систем управления движением технологических объектов, основанных на трудах учёных Макарова И.М., Фролова К.В., Попова Е.П., Кулешова B.C., Ющенко A.C., Юревича Е.И., Подураева Ю.В., Тугенгольда А.К., Каляева И.А., Глебова H.A., Булгакова А.Г., Шошиашви-ли М.Э., Паршина Д.Я. и др., внёсших значительный вклад в становление и развитие современных теоретических основ робототехники и мехатроники. Кроме того, проведён критический анализ работ авторов, внёсших значительный вклад в решение задачи автоматизации зерноуборочных комбайнов. Это труды таких учёных как: Шеповалов В.Д., Настенко Н.Н, Алферов С.А., Нагорский И.С., Лурье А.Б., Ганькин Ю.А., Литинский С.А., Калоев A.B., Гельфенбейн С.П., Серый Г.Ф., Радин В.В., Царев Ю.А. и др.

В результате анализа было установлено что, разработанные отечественные и зарубежные мехатронные системы управления движением зерноуборочного комбайна в основном относятся к отдельным подсистемам машины, а не рассматривают комбайн как комплексный многопараметрический объект управления. Такой подход существенно упрощает построение мехатронных систем, однако, вследствие пренебрежения многими внешними воздействиями и внутренними связями, их точность не удовлетворяет агротехническим требованиям. Кроме того, отсутствует адекватное математическое описание ТП выполняемого комбайном и процесса управления его движением. Имеющиеся корреляционно-регрессионные модели между внешними факторами, регулируемыми параметрами и показателями качества работы, представляют собой достаточно громоздкие математические конструкции и их использование при управлении машиной в реальном времени и в сложных практических условиях затруднено. Проведенный критический анализ современных разработок показал, что многопараметрические мехатронные системы, основанные на использовании аппарата нечёткой логики, предпочтительнее для управления движением мобильных технологических объектов при недетерминированных условиях их работы, чем тра-

диционные автоматические системы управления.

Во второй главе представлена модель многопараметрической меха-троиной системы зерноуборочного комбайна (рис. I) на вход которой поступает вектор управляющих воздейс твий (_/ , включающий изменение подачи топлива в двигатель //,(/), угол поворота управляемых колёс ак(/) и изменение давление в гидросистеме объёмного привода ходовой части Вектор возмущающих воздействии /•' включает урожайность (?(/), состояние растительной массы оі(/) (влажность, соломистості,), сопротивление движению /?(/) и изменение траектории ориентации /(/). Взаимодействие между отдельными рабочими органами комбайна описывается вектором внутренних связей О, включающим подачу растительной массы </(/), ширину рабочего захвата жатки в(/) и параметр уч(<), характеризующий загрузку МС'У.

К _

Я

Щ а {/}

и<

»АI

4

./(Д

я

V

1 и.і .^.-лвге«? і -'і !

•Л, Ж Г,. -- \ -й1

......

у7<)

Т)

Ж)

М)

ЇЙ

У

о

•-:■■■. Рис. 1. Основные переменные мехатронной системы

Выходные переменные представляют собой вектор К , включающий обобщенные потери продукта П(/)= Пм(/)+Пс(/), состоящие из потерь в МСУ Пч(/) и потери в системе очистки Пс(/), скорость движения г>ь(/), загрузку двигателя у,(/), отклонение от базовой линии л(/) и курсовой угол <р(/). Величины л(/) и ср(/), характеризуют точность движения машины относительно траектории ориентации, причём величина .у(/) влияем на ширину рабочего захвата жатки В(!)= Вж ~л(/) ( Вм — паспортная ширина захвата жатки), и как следствие на подачу растительной массы с/(/) в МС'У и загрузку уч1 (/) рабочих органов машины. Мехагронную систему с множе-

8

сгвом внутренних и внешних взаимосвязей можно представить в виде графа взаимосвязей переменных (рис. 2). Состояние мехагронной системы зерноуборочного комбайна как многопараметрического объекта управления в нобой момент времени описывается системой уравнений (1).

\0 = кск ('),«.,(')}; и={л(/х т о(1)1

' о=т, воіум* (| Г = {г;к(/),^(/),ф(/),у,(/), ГКО}.

1'мс. 2. Г раф взаимосвязи переменных мехатройной системы

'Загрузка рабочих органов МСУ регулируется посредством автоматического управления скоростью движения комбайна, что приводит к изменению подачи растиіельной массы в МСУ. Согласно разработанному многопараметрическому методу построения мехагронной системы, ММСЗК представлена в виде трёх подсистем (рис. 3): двигатель и ходовая часть, меха і ройный модуль управления (ММУ) скоростью движения и ММУ тра-екюрией движения. Причём мехатрониые модули связаны друг с другом через динамику двигателя и ходовой часги машины.

Рис. 3. Миогомараметрическая модель взаимодействия мехатроиных модулей

ММУ траекторией движения как объект автовождения имеет две регулируемые величины: (р — угол между требуемым направлением движения и продольной осью машины (курсовой угол), град; х — расстояние между центром тяжести машины и некоторой фиксированной на земле линией (траекторией ориентации /(/)), м. Структурная схема ММУ траекторией движения представлена в виде двух контуров, действующих последовательно независимо друг о т друг а (рис. 4).

І Іервьій контур, управляющий объектом по линейному отклонению .У, состоит из регулятора и объекта управления (ОУ). В состав регулятора входят датчик сигнала Д„ контроллер траектории движения (КТД) и исполнительный механизм (ИМ), состоящий из шагового двигателя (ПІД) и рулевого механизма (РМ). Второй контур, управляющий объектом по курсовому

углу ф имеет датчик сигнала Дф. Передаточные функции зерноуборочного комбайна и по управляющему воздействию относительно курсового угла <р и отклонения от траектории .у имеют вид:

к-,

Тг Р + К . ц/ = ^

' аК(р) (:тгр2 + т;р + 1)р' 1 аК(р) {Т2

р2+

т]р+\)р2

АО

'■ЩЧл

Рис. 4. Структурная схема мехатронного модуля управления траекторией движения В состав структурной схемы ММУ скоростью движения входят рабочие органы комбайна (жатка, приёмный битер, ротор МСУ), ходовая часть машины, датчик крутящего момента на валу приёмного битера Дб наклонной камеры и датчик крутящего момента на валу ротора МСУ Др (барабаьа

молотилки), контроллер скорости движения (КСД) и ИМ. состоящий из серворегулятора и гидростатической трансмиссии (ГСТ) (рис. 5). В\

%%%

Жатка

А£

Ходовая часть

Приёмный битер

Ротор МСУ

ГСТ

Дб

т„

Др

КСД

Серворегулятор

ИМ

Рис. 5. Структурная схема мехатронного модуля управления скоростью движения При воздействии возмущающих сил, вызванных изменением подачи растительной массы, ММУ скоростью движения отклоняется от заданного закона, при этом КСД стремится вернуть систему к этому закону. Датчик Д& воспринимает изменения момента даб на валу приёмного битера наклонной камеры и передаёт сигнал мб в КСД. Датчик Др воспринимает изменения крутящего момента тр на валу ротора МСУ, вызванного изменением подачи и преобразовывает его в сигнал ир. Сигналы от датчиков преобразуются в КСД, который формирует сигнал управления пх.

Математическая модель ММУ скоростью движения по крутящему моменту на валу приёмного битера наклонной камеры и ротора МСУ, описывается следующей системой уравнений:

Д<7 =

дд) 8t

Av„ +

dq_

dQ

AQ = kKAvK+kHAQ = kKe'

kx=0.0\BQ-(\ + 8)-vs-,

(:Гбу + T6is +1)./и, = K6 ■ q- {Тр2/ + Tps +1 )-m2

(Ts +1).u6 = KH ■ m6; b + l)'«p= * • mp;

F{Ah) =

- "д, '"6

n*=u6/upqopl-KK; T]S-Ah = Krg; {TKy+TKis + \)-vK={TK>s + \)-F(Ahy, f0 при -b< Ah < |ЛГ2 ■ с • sign Ah при |А/г| > 6.

Характерными особенностями полученной математической модели динамики мехатронной системы являются: ограничение скорости движения, обусловленное конструкцией привода ходовой части комбайна; зависимость коэффициентов передаточных функций от скорости движения, режима загрузки рабочих органов и внешних условий работы.

Для разработки эффективной ММСЗК необходимо контролировать параметры материальных потоков рабочих органов комбайна, степень, их загрузки и обобщённые потери продукта. Согласно разработанному вариативно-декомпозиционному методу моделирования динамики материальных потоков, каждая из операций ТП характеризуется содержанием продукта: необмолоченного Х„ идущего сходом Y¡ и выделяемого через сепарирующую поверхность Z, (рис. 6). Для любого отрезка времени движения материального потока технологического продукта обеспечивается соотношение:

X, + Y. + Z. = q. = const . (3)

Количество материала, проходящего за единицу времени через i-e сечение потока в технологической схеме, принято за расход q¡. Составляющие параметра q, описываются системой уравнений:

X, =Х,_ ,е"

У, =

-дЛ

-ц, L,

• а,е

-«а

z.

1

(4)

у

■ а,е~

v,-«,/., \

«,-и,

где с,- — коэффициент, учитывающий обмолот хлебной массы за счет первого удара рабочего органа; v,- — скорость удара рабочего органа по массе; а, — коэффициент, характеризующий интенсивность обмолота хлебной массы в зоне действия рабочего органа; /, — длина зоны действия рабочего

11

органа, ¡л/ — коэффициент сепарации, ¿, — длина сепарирующей поверхности. Коэффициенты ц„ с, и а, зависят от физико-механических свойств обмолачиваемой массы, конструктивных и режимных параметров рабочих органов.

Жатка

<7і

Хи

Домолачивающее устройство

Наклонная камера

Распределительный шнек

Колосовой шнек и элевато

X,

Зерновой шнек и элеватор

9н

I

Нижнее решето

Бункер

Рис. 6. Вариативно-декомпозиционная модель динамики материальных потоков зерноуборочного комбайна Отличительной особенностью разработанного метода моделирования динамики материальных потоков является реализация вариативных качественных и количественных характеристик ТП. Декомпозиция ТП на последовательные этапы преобразования растительной массы позволяет моделировать динамику материальных потоков в каждом рабочем органе, определять влияние возмущающих воздействий и конструктивных параметров на режимы работы МСУ и потери продукта на каждом этапе ТП.

В третьей главе разработана структурная организация многопараметрической мехатронной системы и её мехатронных модулей (рис. 7). ММСЗК реализуется на базе комплекса датчиков, исполнительных устройств (ИУ) и бортового микроконтроллера, в состав которого входят нечёткий контроллер траектории и нечёткий контроллер скорости движения. В состав нечёткого контроллера скорости движения входят блок адаптации по загрузке МСУ, анализатор соотношений по потерям продукта и анализатор сочетаний. Блок адаптации по загрузке МСУ использует информацию о

крутящем моменте на валу приёмного битера наклонной камеры тб и ротора МСУ тр. Анализатор соотношений по потерям продукта использует информацию, полученную с помощью пьезоэлектрических датчиков потерь за МСУ — Пм и за системой очистки— Пс. Блок адаптации по загрузке МСУ и анализатор сочетаний по потерям продукта определяют градиенты поиска оптимальных настроек ум и уп по соотношению информативных сигналов т6, тр, Пм, Пс и информации из базы данных о допустимых потерях продукта Пд. Анализатор сочетаний определяет оптимальные настройки загрузки МСУ пх и двигателя пд, в которых в качестве параметра регулирования двигателя используется крутящий момент коленчатого вала уд.

ММУ траекторией

)и

ИУ рулевого механизма

, Нечёткий | | контроллер |

ітраектории £

Дф

I

АІ1-

%

ММУ скоростью

ИУ

гст

ИУ

двигателя

Бортовой микроконтроллер

Нечёткий контроллер скорости

Блок адаптации по загрузке МСУ

1Г-1

Интерфейс

связи с оператором

<=

т„

Анализатор соотношений по потерям

т,

П.

іГм

Анализатор сочетаний

П..

Блок обработки информации

_у _:

п..

База данных

Двигатель и ходовая часть

Я

Жатка

Внешняя ] среда

А.Лб

няя '

В

Ш

МСУ Система очистки

Рис. 7. Структурная организация многопараметрической мехатронной системы Управление траекторией движения обеспечивается ИУ рулевого механизма, которое формирует управляющее воздействие и на рулевой вал, в результате которого управляющие колёса поворачиваются на угол ак.

Уд =-1=>Ид =-d\ Уд =+1=>ид =+d;

Ум > 1 => ш = -Я; ум<1 =>« = +#; ум = i =>m = HQ;

(уд = 0)л (уп = 0)л(ум = 0)=> и, = р0;

(У г. = ~l)v (Уп = 0 л Ум = -0=> «х = ~Р> (5)

Ум = Уд = Уп = -1 => "л = -Р Л «х = ~Р\ Ум =Уд =+1лУп =0=>ля=+/»лйх =+р;

(Ум = +1 л Уп = 0) А (уя = +1 V уд = о)=> «х = +/?; (тд = +1 v уд = о) л уи = уп = О => яя = rf0.

Согласно разработанному методу нечёткого адаптивного управления движением зерноуборочного комбайна и алгоритму его реализации (5), блок адаптации по загрузке МСУ формирует сигнал ум е [-1; +1] о возможности повышения (0; +1], необходимости сохранения (О) или снижения [-1; 0) скорости движения. Анализатор соотношений по потерям формирует сигнал уп е[-1;0] о возможности сохранения (0) или необходимости снижения [-1; 0) обобщённых потерь продукта. Блок адаптации по загрузке МСУ формирует сигнал г щ [-Н;+Н] на изменение или сохранение (Я0) параметра настройки ИУ ГСТ. Анализатор сочетаний формирует выходные сигналы пх е [-р'у+р], пх е [-d\+d] на изменение или сохранение (р0), (d0) режима работы ГСТ и двигателя. Управляющие воздействия пп и nxi обеспечивающие движение мехатронной системы к оптимальным настройкам загрузки МСУ и двигателя комбайна, формируются ИУ ГСТ и ИУ двигателя.

В результате формализации предметной области задачи нечёткого управления движением комбайна получены лингвистические переменные, характеризующие параметры управления нечётких контроллеров ММСЗК. Для нечёткого контроллера траектории движения были определены 25 правил, для блока адаптации по загрузке МСУ - 35 правил, для анализатора сочетаний - 31 правило нечётких продукций. Основной особенностью синтезированных баз правил является то, что эти правила описывают все возможные значения входных и выходных параметров управления, тем самым, исключая возможность неопределённых или противоречивых ситуаций.

Согласно полученной математической модели динамики ходовой части и модели мехатронной системы как объекта автоматического управления скоростью и траекторией движения, вариативно-декомпозиционной модели динамики материальных потоков, структурной организации мехатронной системы и синтезированным базам правил нечётких продукций, была построена имитационная модель ММСЗК (рис. 8), основным элементом которой является бортовой микроконтроллер.

Бортовой микроконтроллер

Akr

X Nx|-

Ndf-

v><3

Серворегулятор ГСТ

Регулятор частоты двигателя

PS

IV

f(x)=0

РО

Ч ар ш

Ходовая часть

Двигатель Трансмиссия Сцепление

£

Vk к dX І

W I

Динамика материальных потоков

dX Vk

Рис. 8. Имитационная модель многопараметрической

мехатронной системы в Matlab Simulink мму траекторией

движения

О 2000 - . _ „ .

цд 1000 .0 5 ЗМ

-1 2 500 -1

Рис. 9. Поверхности отклика «входы-выход»: а — курсовой угол ((СУ) - линейное отклонение (ЛО) - поворот рулевого вала (УП); б — момент на валу битера (МБ) - момент на валу ротора (MP) - загрузка МСУ (ЗМ); в — загрузка МСУ (ЗМ) - потери продукта (ПЗ) - скорость движения (СК); г — загрузка двигателя (ЧД) - загрузка МСУ (ЗМ) - скорость движения (СК).

Имитационная модель мехатронной системы реализована в системе Matlab Simulink с использованием SimDriveline и Fuzzy Logic Toolbox. На рис. 9 показаны поверхности отклика «входы-выход», соответствующие

синтезированной нечеткой системе продукционных правил. Из рис. 9 видно, что при увеличении момента па валу битера наклонной камеры (МЬ) или ротора МГУ (МР) блок адаптации но загрузке генерирует сигнал (ЗМ) на снижение подачи растительной массы в МСУ. При увеличении потерь продукта (113), загрузки двигателя (ЧД) и МСУ (ЗМ) анализатором сочетаний генерируется сигнал на снижение скорости комбайна (СК). Таким образом, видно, что синтезированные базы нечётких правил адекватно описывают отношения регулируемый параметр входные факторы.

В четвёртой главе разработаны предложения по технической реализации основных составляющих мехатроинон системы и рекомендации по её практической реализации на зерноуборочных комбайнах с различной схемой обмолота (рис. 10).

Датчик Бортовой Датчик момента Регулятор частоты

Рис. 10. Размещение датчиков и исполнительных устройств мехатронной системы на комбайне РСМ-181 «Тогшп-740»

Выполнена оценка адекватное™ результатов имитационного моделирования ММСЗК на основании экспериментальных и статистических данных по критерию Фишера. Оценка показала адекватность результатов по всем исследуемым параметрам. Результаты статистического анализа и ими тационного моделирования показали, что применение ММСЗК от имитирует загрузку двигателя и скорость движения, стабилизирует подачу растительной массы в МСУ, минимизирует потери продукта и значительно увеличивает качество вождения комбайна.

Проведён корреляционный анализ результатов моделирования с целью определения характеристик взаимосвязей основных параметров ММСЗК. Согласно результатам анализа, наиболее коррелированными параметрами

мехатроннои системы являются скорость движения, степень загрузки МСУ, обобщённые потерн продукта и подача растительной массы п МСУ. Для определения сгенсни влияния параметров управления мехатроннои системы на Ш был проведён регрессионный анализ. Результаты анализа показали, что наибольшее влияние па TII оказывает' скорость движения комбайна. Кроме того, произведена оценка качества регрессионного анализа S S fi, R-square и RS Mi: критериями пригодности приближения, а также рассчитаны доверительные интерпалы для найденных значений параметров имитационной модели, соответствующие уровню вероятности 95%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан многоиараметрический метод построения мехатроннои системы адаптивного управления движением зерноуборочного комбайна при недетерминированных условиях ТП, устанавливающий соотношение между степенью загрузки двигателя, скоростью движения и подачей растительной массы в МСУ.

2. Разработана математическая модель динамики многопараметрической мехатропной системы зерноуборочного комбайна, позволяющая решать задачи выбора конструктивных параметров технологической машины, при которых заданный характер внешних возмущений вызвал бы минимальные нарушения TII.

3. Разработан вариативно-декомпозиционный метод моделирования динамики материальных потоков, позволяющий моделировать динамику материальных потоков в каждом рабочем органе комбайна, выявлять влияние возмущающих воздействий и конструктивных параметров на режимы работы мехатроннои системы, рабочих органов комбайна и потери продукта на каждом этапе T1I.

4. Разработан метод нечёткого адаптивного управления движением зерноуборочного комбайна и алгоритм его реализации, позволяющий оптимизировать загрузку двигателя и скорость движения, стабилизировать подачу растительной массы в МСУ, минимизировать потери продукта, значительно улучшить качество вождения комбайна и условия работы оператора.

5. Разработана структурная организация многопараметрической мехатропной системы, реализующей нечёткое управления траекторией движения комбайна, нечёт кое адаптивное управление скоростью движения и загрузкой двигателя.

6. Разработана имитационная модель многопараметрической мехатропной системы, позволяющая моделирован, всевозможные ситуации управления движением зерноуборочного комбайна и оценить качество выполнения ТП при различных внешних воздействиях.

7. Разработаны предложения по практической реализации основных со-

ставляющих многопараметрической мехатронной системы и рекомендации по её практической реализации на зерноуборочных комбайнах с различной схемой обмолота.

8. Реализация многопараметрической мехатронной системы адаптивного управления движением зерноуборочного комбайна на базе нечёткой логики позволит увеличить точность движения машины по траектории ориентации более чем на 50%, обеспечив ошибку позиционирования не превышающую ±10 см; стабилизировать загрузку двигателя и рабочих органов; снизить обобщённые потери продукта на 25%; увеличить фактическую производительность машины в среднем на 15% и повысить качество выполнения уборочных работ в целом.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Шевчук, Д.Г. Многопараметрич.еская система адаптивного управления зерноуборочным комбайном / Д.Г. Шевчук, Д.Я. Паршин // Вестник Донского гос. техн. ун-та. — 2011. — Т. 11. — № 10 (61). — С. 1817 - 1823.

2. Шевчук, Д.Г. Математическая модель динамики материальных потоков в зерноуборочном комбайне / Д.Г. Шевчук, Д.Я. Паршин // Вестник Донского гос. техн. ун-та.—-2012, № 2 (63), вып. 2. — С. 66-73.

.3. Шевчук, Д.Г. Нечёткое адаптивное управление зерноуборочным комбайном / Д.Г. Шевчук, Д.Я. Паршин // Вестник Донского гос. техн. унта. — 2012, № 7 (68). — С. 80 - 89.

4. Шевчук, Д.Г. Мехатронная система адаптивного управления движением зерноуборочного комбайна / Д.Г. Шевчук, Д.Я. Паршин // Вестник Донского гос. техн. ун-та. — 2012, № 8 (69). — С. 73 - 82.

Публикации в патентах РФ

5. Патент РФ на полезную модель № 123291, МПК А0Ш 41/127. Способ адаптивного управления загрузкой зерноуборочного комбайна / Паршин Д.Я., Шевчук Д.Г. - № 2012121155/13; заявл. 22.05.2012; опубл. 27.12.2012, Бюл. № 36.

Публикации в других изданиях

6. Шевчук, Д.Г. Методы автоматического вождения сельхозтехники / Д.Г. Шевчук, Д.Я. Паршин // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы междунар. науч.-практ. конф. 26 - 29 марта 2008 г., Ростов н/Д, 2008. — С. 217 - 220.

7. Шевчук, Д.Г. К электронной модели движения самоходного зерноуборочного комбайна как объекта системы автоматического регулирования загрузки / Д.Г. Шевчук, Ю.А. Смирнов // Инновационные технологии и процессы производства в машиностроении: междунар. сб. науч. тр., Ростов н/Д, 2008. —С. 213-216.

8. Шевчук, Д.Г. Совмещенный синтез управления с прогнозированием исполнительными органами мехатронного объекта / Д.Г. Шевчук, Ю.А. Смирнов // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сб. труд, междунар. науч.-техн. конф., 12-15 мая 2009 г., Тольятти, 2009. —С. 174—177.

9. Шевчук, Д.Г. Электронная интеллектуально-адаптивная система управления / Д.Г. Шевчук, Ю.А. Смирнов II Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сб. труд, междунар. науч.-техн. конф., 12 - 15 мая 2009 г., Тольятти, 2009. — С. 177 — 181.

10. Шевчук, Д.Г. Анализ систем автоматического вождения / Д.Г. Шевчук // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы междунар. науч.-практ. конф. 4-5 марта 2010 г., Ростов н/Д, 2010. — С. 277 — 280.

11. Шевчук, Д.Г. Основные проблемы и перспективы развития систем автоматического вождения сельскохозяйственной техники / Д.Г. Шевчук // Мехатроника: сборник тезисов и статей Всероссийской научной школы для молодежи в области мехатроники. 20 - 24 сентября 2010 г., Новочеркасск: ЛИК, 2010. —С. 44-47.

12. Шевчук, Д.Г. Интеллектуальная система управления сельскохозяйственной машиной / Д.Г. Шевчук, Д.Я. Паршин // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы междунар. науч.-практ. конф. 2-3 марта2011 г., Ростов н/Д, 2011. — С. 239-241.

13. Шевчук, Д.Г. Особенности автоматизации управления сельскохозяйственными машинами / Д.Г. Шевчук // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы междунар. науч.-практ. конф. 2-3 марта2011 г., Ростов н/Д, 2011. —-С. 241 -244.

14. Шевчук, Д.Г. Математическая модель системы автоматического вождения зерноуборочного комбайна / Д.Г. Шевчук, Д.Я. Паршин // Четвёртая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления: материалы 4-й Всероссийской мультиконференции. — Таганрог, 2011. — Т.2. — С.385 -387. 1>!i;

15. Шевчук, Д.Г. Математическая мрдель сельскохозяйственной машины / Д.Г. Шевчук; Д.Я. Паршин // XXIV Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24: Сб. тр. — Киев: Национ. техн. ун-т Украины «КПИ». — 2011., — Т.5. — С. 127 - 129.

16. Шевчук, Д.Г. Адаптивная система управления зерноуборочным комбайном / Д.Г. Шевчук, Д.Я. Паршин // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы междунар. науч.-практ. конф. 29 февраля - 1 марта 2012 г., Ростов н/Д, 2012. — С. 261 - 264.

17. Шевчук, Д.Г. Зерноуборочный комбайн как объект автоматическо-

го управления / Д.Г. Шевчук // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного, машиностроения: материалы междунар. науч.-практ. конф. 29 февраля - 1 марта 2012 г., Ростов н/Д, 2012. — С. 264 - 267.

18. Шевчук, Д.Г., Математическая модель управления загрузкой зерноуборочного комбайна / Д.Г. Шевчук, Д.Я. Паршин // XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-25: Сб. тр. — Волгоград, 2012. — Т.4. — С. 186 - 187.

19. Шевчук, Д.Г., Имитационная модель нечёткого адаптивного микроконтроллера зерноуборочного комбайна / Д.Г. Шевчук // Системный анализ, управление и обработка информации: сб. тр. 111 Междунар. науч. семинара, п. Дивноморское, 27 сент. - 2 окт. [Электронный ресурс] / ДГТУ. -Ростов н/Д, 2012. - С. 461 - 468, 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: в

[1, 8, 18] автору принадлежит разработка многопараметрического метода построения мехатронной системы. В работах [5, 12] автору принадлежит разработка структурной организации мехатронной системы зерноуборочного комбайна. В работе [2] автору принадлежит разработка вариативно-декомпозиционного метода моделирования динамики материальных потоков. В работе [3] автору принадлежит разработка многопараметрического метода нечёткого адаптивного управления движением. В работах [4, 9, 16] автору принадлежит разработка структурной схемы мехатронного модуля адаптивного управления загрузкой рабочих органов комбайна. В работе [6] автору принадлежат результаты анализа методов и средств автовождения комбайнов. В работах [7, 14, 15] автору принадлежит разработка математической модели мехатронной системы управления движения комбайна.

В печать 13.08.2013. Объем 1 усл.п.л„ 1.0уч.-изд.л. Офсет. Формат 60x84/16. Бумага тип №3. Заказ № 660. Тираж 100.

Издательский центр ДГТУ Адрес университета и полиграфического предприятия 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, I.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)

МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МЕХАТРОННАЯ СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА

04201 362809

На правах рукописи УДК 631.354.2.076-52

Шевчук Денис Геннадьевич

Специальность 05.02.05 - «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»

Диссертация

на соискания ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Д.Я. Паршин

Ростов-на-Дону - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ УБОРОЧНЫХ РАБОТ.......................................................................................9

1.1. Анализ задач автоматического управления зерноуборочным комбайном

и особенностей выполнения технологического процесса..........................9

1.2. Анализ методов и средств автоматизации управления траекторией движения комбайна......................................................................15

1.3. Анализ методов и средств автоматизации управления загрузкой рабочих органов комбайна..............................................................30

1.4. Анализ принципов построения мехатронных систем с нечеткой

логикой.....................................................................................42

1.5. Постановка задач исследования......................................................46

Выводы по главе 1......................................................................47

2. ДИНАМИКА МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ......49

2.1. Многопараметрический принцип построения мехатронной системы зерноуборочного комбайна как объекта автоматического управления......49

2.2. Математическая модель динамики комбайна как объекта трехмассовой системы..................................................................61

2.3. Математическая модель динамики ходовой части...............................68

2.4. Вариативно-декомпозиционная модель динамики материальных

потоков зерноуборочного комбайна..................................................76

Выводы по главе 2......................................................................81

3. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА..........83

3.1. Структурная организация ММСЗК и формализация задачи адаптивного управления комбайном.................................................83

3.2. Бортовой микроконтроллер ММСЗК на базе нечёткого управления...........91

3.3. Влияние способа управления траекторией движения на качество и быстродействие ММСЗК................................................................102

3.4. Влияние ограничения скорости на качество и устойчивость ММСЗК......106

Выводы по главе 3....................................................................110

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ И ТЕХНИЧЕСКАЯ

РЕАЛИЗАЦИЯ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ...................................112

4.1. Структурная и практическая реализация ММСЗК...............................112

4.2. Оценка адекватности имитационной модели ММСЗК..........................123

4.3. Корреляционный и регрессионный анализ имитационной

модели ММСЗК..........................................................................129

4.4. Оптимизация ММСЗК...........................................................................136

Выводы по главе 4.....................................................................139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................140

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................143

Приложение 1. Имитационная модель ММСЗК в Matlab Simulink................159

Приложение 2. Схема ММСЗК с классической схемой обмолота.................169

Приложение 3. Результаты моделирования ММСЗК................................170

Приложение 4. Акты внедрения.........................................................175

Приложение 5. Патент РФ на полезную модель......................................181

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одним из перспективных направлений автоматизации управления движения мобильных технологических объектов (МТО) является использование мехатронных модулей и систем. Среди множества МТО наиболее сложными при решении задач управления движением являются зерноуборочные комбайны. Это обусловлено тем, что комбайн работает в недетерминированных условиях, вызывающих изменение параметров технологического процесса (ТП), реагировать на которые своевременно оператор не в состоянии, поэтому неизбежным направлением повышения производительности зерноуборочного комбайна является создание мехатронной системы управления траекторией движения и загрузкой рабочих органов молотильно-сепарирующего устройства (МСУ) при минимальном участии оператора.

Зерноуборочный комбайн представляет собой единый комплекс электромеханических, электрогидравлических, электронных элементов и средств вычислительной техники, между которыми осуществляется постоянный динамически меняющийся обмен энергией и информацией, объединенный общей системой автоматического управления, поэтому задача автоматизации управления движением комбайна сводится к построению многопараметрической мехатронной системы.

В тоже время, при создании мехатронной системы управления движением зерноуборочного комбайна встречаются серьёзные трудности, которые вызваны тем, что свойства комбайна как объекта автоматического управления, динамика его рабочих органов и их влияние на процессы обмолота и сепарации недостаточно изучены, что, наряду с отсутствием надёжных технических средств измерения параметров управления, в полной мере отражающих показатели загрузки двигателя и МСУ, сдерживает развитие работ по разработке мехатронных систем и затрудняет их практическое использование.

Решение проблемы создания эффективной мехатронной системы для автоматизации управления скоростью и траекторией движения зерноуборочного

комбайна с целью снижения потерь продукта, оптимизации загрузки двигателя и рабочих органов МСУ делают тему диссертационной работы актуальной как в техническом, так и научном плане.

Целью диссертационного исследования является разработка многопараметрической мехатронной системы адаптивного управления движением зерноуборочного комбайна, обеспечивающей повышение эффективности его работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать метод построения мехатронной системы управления движением комбайна при недетерминированных условиях выполнения ТП;

2. Разработать метод моделирования динамики материальных потоков зерноуборочного комбайна, учитывающий конструктивные и эксплуатационные параметры его рабочих органов, а также позволяющий определить влияние этих параметров на обобщённые потери продукта;

3. Разработать метод автоматического управления скоростью и траекторией движения зерноуборочного комбайна с адаптацией по обобщённым потерям продукта, степени загрузки двигателя и рабочих органов МСУ при непрерывно изменяющихся условиях ТП;

4. Разработать имитационную модель мехатронной системы зерноуборочного комбайна, учитывающую динамические свойства двигателя и ходовой части комбайна, влияние возмущающих воздействий и взаимовлияния параметров мехатронной системы.

Идея работы заключается в разработке многопараметрической мехатронной системы, предназначенной для автоматизации управления скоростью и траекторией движения зерноуборочного комбайна с нечётким адаптивным управлением по обобщённым потерям продукта, степени загрузки двигателя и рабочих органов МСУ при недетерминированных условиях выполнения ТП.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы классической механики, мехатроники, робототехники, математического анализа, нечёткой логики, математического и имитационного моделирования, классической и современной теории автоматического управления, теории планиро-

вания эксперимента. Полученные результаты проверялись имитационным моделированием, натурными экспериментами, методами статистического, корреляционного и регрессионного анализа.

Основные научные результаты, выносимые на защиту и степень их научной новизны:

1. Многопараметрический метод построения мехатронной системы, отличающийся введением дополнительных обратных связей между мехатронными модулями управления скоростью и траекторией движения комбайна;

2. Вариативно-декомпозиционный метод моделирования динамики материальных потоков зерноуборочного комбайна, отличающийся от известных методов учётом конструктивных и эксплуатационных параметров технологической машины и моделированием влияния мехатронной системы на потери продукта и загрузку рабочих органов МСУ на различных этапах ТП;

3. Метод нечёткого адаптивного управления движением зерноуборочного комбайна при непрерывно изменяющихся условиях ТП, отличающийся реализацией нечёткого управления скоростью и траекторией движения машины с параметрической адаптацией по обобщённым потерям продукта, степени загрузки двигателя и рабочих органов МСУ;

4. Имитационная модель многопараметрической мехатронной системы, отличающаяся от известных, реализацией нечёткого адаптивного управления движением при непрерывно изменяющихся условиях ТП.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов обусловлена корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, классической теории управления, мехатроники, робототехники, теории нечёткого управления, корректными допущениями при составлении математических моделей, подтверждается результатами натурных экспериментов, статистического анализа и имитационного моделирования разработанной системы, при этом максимальная ошибка отклонения расчётных и экспериментальных данных не превышает 8,3 %.

Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в развитии методов построения и моделирования мехатронных систем адаптивного управления движением МТО, расширяющих теорию мехатроники, имитационного моделирования и нечёткого управления.

Практическая полезность диссертационной работы заключается в том, что предложенная в ней методика адаптивного управления движением и имитационная модель многопараметрической мехатронной системы зерноуборочного комбайна (ММСЗК) на базе нечёткой логики позволяют использовать их в инженерной практике при разработке мехатронных систем управления движением МТО. Прикладная значимость результатов заключается в следующем:

1. Разработанная методика нечёткого адаптивного управления движением может быть применима для управления траекторией и (или) скоростью движения зерноуборочных комбайнов с различной схемой обмолота;

2. Разработанная методика построения нечёткого контроллера мехатронного модуля управления траекторией движения, может быть применима для разработки нечётких систем управления траекторным движением различных МТО по линейному отклонению от заданной траектории и курсовому углу, с ошибкой управления не более ± 10 см;

3. Наиболее перспективным для практической реализации разработанной мехатронной системы является высокопроизводительный комбайн отечественного производства РСМ-181 «ТОБШМ-740».

Реализация результатов работы. Разработанный многопараметрический метод построения ММСЗК, её структурная организация и метод нечёткого адаптивного управления движением МТО приняты к внедрению ООО «Гипро-стройдормаш» (г. Ростов-на-Дону), рекомендации по размещению датчиков и исполнительных устройств мехатронной системы на комбайнах с классической и аксиально-роторной схемой обмолота, приняты к внедрению СПК «Заветы Ленина» (Красносулинский район Ростовской области). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Робототехника и мехатроника» ДГТУ для студентов специальности 220401 «Мехатроника», ка-

федрой «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» ЮРГТУ (НПИ) для студентов специальности 221000 «Мехатроника и робототехника», а также кафедрой «Технический сервис машин» ДГТУ для студентов специальности 190206 «Сельскохозяйственные машины и оборудование».

Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Современные перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения» в рамках международных агропромышленных выставок «Интераг-ромаш» (Ростов-на-Дону, 2008, 2010—2012 гг.), Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2008» ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск 2008 г.), Всероссийской научной школе для молодёжи в области мехатроники «Мехатроника-2010» ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск 2010 г.), международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24 (Саратов, 2011) и ММТТ-25 (Волгоград, 2012), на 4-й Всероссийской мультиконференции по проблемам управления «МЭС-2011» (пос. Дивноморское, 2011 г.), на 3-м международном научном семинаре «Системный анализ, управление и обработка информации» (пос. Дивноморское, 2012 г.).

Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 научных работах. В 14 работах, опубликованных в соавторстве доля материалов, принадлежащих автору диссертации, составляет не менее 50%. При этом 4 статьи опубликованы в ведущих научных журналах, входящих в список ВАК РФ, получен 1 патент РФ на полезную модель.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит их введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и трёх приложений. Общий объём работы составляет 183 страниц машинописного текста, включая 25 страниц приложений, содержит 55 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 154 наименований.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

УБОРОЧНЫХ РАБОТ

1.1. Анализ задач автоматического управления зерноуборочным комбайном и особенностей выполнения технологического процесса

Условия работы зерноуборочного комбайна характеризуются значительными изменениями параметров внешней среды не только в течение уборочного периода, но и в течение рабочего дня и даже в пределах одного и того же поля [1]. Изменения условий работы комбайна являются внешними воздействиями, вызывающими колебания загрузки МСУ и двигателя. Эти воздействия могут быть подразделены на вызывающие изменение затрат энергии на передвижение комбайна по полю, и на воздействия, обусловливающие изменение загрузки рабочих органов МСУ и также влияющие на колебание загрузки двигателя.

Изменение затрат энергии на передвижение комбайна зависит от колебаний физико-механических свойств почвы (влажности, плотности, структурного состава); изменений рельефа поля и характера обработки почвы; изменений поступательной скорости комбайна, вызванных неровностями рельефа или стремлением поддержать оптимальную загрузку МСУ с изменением урожайности; изменения веса комбайнового агрегата за счет увеличения или уменьшения количества зерна в бункере и соломистых продуктов в копнителе и др. Под действием перечисленных факторов изменение сопротивления передвижению комбайна носит случайный характер, что вызывает неустановившуюся загрузку ходовой части, органов привода и двигателя. К внешним факторам, вызывающим изменение загрузки рабочих органов МСУ, относятся:

• колебания секундной подачи хлебной массы, зависящие от изменения урожайности,

• высота среза растений,

• ширина рабочего захвата жатки,

• скорость движения комбайна,

• колебания физико-механических и биологических свойств убираемой культуры (влажности, соломистости, спелости зерна и др.).

Зависимость загрузки МСУ от столь различных факторов, изменение которых носит случайный характер, приводит к неустановившемуся режиму его работы. На колебание загрузки наряду с внешними факторами влияют и внутренние, зависящие от совершенства конструкции комбайна, технического состояния, надежности рабочих органов и т.п. Колебания скорости движения комбайна оказывают значительное влияние на качество выполнения ТП, временные затраты и потери технологического продукта, а буксование колес отрицательно воздействует на структуру верхнего слоя почвы, увеличивая расход топлива и снижая общий тяговый к.п.д. машины.

Основная особенность уборочных работ заключается в неразрывной связи техники с биологическими объектами (растениями), для которых характерны: непрерывность процессов образования продукции и цикличность ее получения, невозможность увеличения выпуска продукции за счет ускорения производства.

В этих условиях к зерноуборочному комбайну предъявляются повышенные требования надежности, так как процессы является непрерывным (из-за сезонности выполняемых работ) и их практически невозможно интенсифицировать за счет последующих периодов работы. Возмущающие воздействия имеют высокую степень неоднородности и случайности с изменением своих величин.

К числу основных особенностей функционирования зерноуборочного комбайна как динамической системы относят следующие [2]:

1. Много