автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Основы создания автоматических систем управления, обеспечивающих совмещение траекторий передней и задней тележек длиннобазных сочлененных транспортных средств

ВВЕДЕНИЕ

1, Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Анализ информации по исследованию поворотливости транспортных средств

1.2. Принципиальные схемы и конструктивное исполнение систем управления длиннобазных транспортных средств

1.3. Задачи исследования

2. Теоретические основы разработки систем управления длиннобазных транспортных средств

2.1. Принятые ограничения и допущения

2.2. Уравнения траекторий движения звеньев сочлененного транспортного средства

2.3. Функции системы управления

2.4. Определение траектории передних колес

2.5. Запоминание траектории передних колес

2.6. Определение действительного положения задних колес и их положения, необходимого для следования по траектории передних колес

2.7. Выработка команды на устранение расхождения траекторий передних и задних колес

2.8. Блок-схема следящей системы управления с запоминанием траектории

3. Возможные исполнения следящих систем управления с запоминанием траектории

3.1* Система управления, содержащая гироскопический датчик

3.2. Система управления, обеспечивающая определение положения звеньев транспортного средства относительно неподвижной оси, принятой за исходную III

3.3. Система управления, обеспечивающая определение положения звеньев транспортного средства в подвижной прямоугольной системе координат, связанной с соединительной рамой

4. Расчетное исследование движения длиннобазного сочлененного транспортного средства, снабженного следящей системой управления с запоминанием траектории

4.1. Алгоритм системы управления

4.2. Алгоритм математической модели длиннобазного сочлененного транспортного средства

4.3. Исходные посылки

4.4. Результаты расчетного исследования

5. Экспериментальная оценка алгоритма системы управления и проверка справедливости принятых допущений

5.1. Объент исследования

5.2. Условия проведения испытаний

5.3. Методика проведения испытаний

5.4. Анализ результатов эксперимента

6. Технико-экономическая эффективность применения следящих систем управления с запоминанием траектории

ВЫВОДЫ

как передних, так и задних управляемых колес и применением систем управления, содержащих рулевые тяги, гидростатический или электрический привод поворота задних колес [5J. На участке траектории передних колес, ограниченном размером базы транспортного средства, изменение кривизны может быть принято монотонным и поэтому значение угла поворота передних колес относительно рамы транспортного средства определяет с достаточной для практических целей точностью угол поворота задних колес относительно рамы, необходимый для следования задних колес по указанной траектории со смещением, не превышающим допустимое. Совершенствование таких систем управления сводится к выбору оптимальных значений передаточного числа привода поворота задних управляемых колес, как это показано, например, в работах к.т.н.А.П.Колпакова [6,7J.С увеличением длины базы транспортного средства характер его движения на повороте качественно изменяется. На участке траектории, ограниченном размером базы, передние колеса могут совершить несколько маневров и в общем случае изменение кривизны траектории монотонным не является. Поэтому для обеспечения удовлетворительной поворотливости таких транспортных средств недостаточно учета мгновенных значений углов поворота передних и задних управляемых колес относительно рамы, а необходимо запоминание траектории, пройденной передними колесами, и после« 9 дующее воспроизведение это! траектории задними колесами. При этом необходимо также постоянное слежение за положением задних колес и возвращение их на требуемую траекторию в случае случайного отклонения от нее.Применяемые в настоящее время автоматические системы управления длиннобазных сочлененных транспортных средств [Ь] не обеспечивают выполнения указанных функций, В связи с этим, для таких транспортных средств - в частности, прицепов-тяжеловозов - используются системы ручного управления, приводимые в действие оператором, находящимся на задней тележке прицепа. Практика перевозок неделимых грузов показала, что действия оператора затруднены недостаточной обзорностью, что сказывается, в первую очередь, на снижении скорости движения: автопоезда-тяжеловозы при ручном управлении движутся со скоростью, не превышающей 5 кгл/ч.Таким образом, задача улучшения поворотливости длиннобазных сочлененных транспортных средств требует перехода к принципиально новым автоматическшл системам управления, до настоящего времени в автостроении не применявшимся: следящим системам управле1шя с запоминанием траектории.С учетом изложенного, создание эффективных систем управления, пршденимых для длиннобазных сочлененных транспортных средств, является актуальной научной задачей, пути решения которой до настоящего времени не проработаны. Совершенствование систем управления позволит увеличить производительность этих транспортных средств за счет повышения скорости движения, повысить безопасность их эксплуатации, уменьшить дорожную составляющую затрат на перевозки крупногабаритных грузов. При эксплуатации вне дорог с твердым покрытием, совмещение траек- 10 торий колес передней и задней тележек обеспечит снижение потерь мощности на образование колеи и, тем саглым, будет способствовать повышению проходигАости транспортных средств. .Цля решения этой задачи необходимо, в первую очередь, выявление кинематических закономерностей, обеспечивающих следование задней тележки по траектории передней тележки, независимо от формы и кривизны этой траектории. Этот первый этап разработки принципиально новых систем управления и является целью настоящей диссертации.Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые представлены основы теории следящих систем управления с запоминанием траектории, обеспечивающих совмещение траекторий передней и задней тележек сочлененного транспортного средства, а также возможные исполнения таких систем управления и алгоритм их действия. Пршленение компьютера в системе управления транспортного средства предусматривается в нашей стране впервые.Новизна научных разработок подтверждается 10 авторскими свидетельствами на изобретения, полученными в ходе выполнения настоящей работы.Практическая ценность работы заключается в том, что на ее основе могут создаваться системы управления, обеспечивающие улучшение поворотливости транспортных средств, в первую очередь длиннобазных.Реализация работы. Разработанные на основании проведенных исследований рекомендации по выполнению следящих систем управления с запошшанием траектории приняты Челябинским машиностроительным заводом автомобильных и тракторных прицепов для внедрения в конструкциях прицепов-тяжеловозов грузоподъемностью до 1000 т. Алгоритм действия системы управления внедрен инсти II тутом НИИавтоприбороЕ и использован для программирования бортового компьютера первого макета следящей системы управления с запоминанием траектории.Апробация полученных результатов. Результаты исследований опубликованы в 13 статьях и брошюрах, 4 научно-исследовательских отчетах, 10 авторских свидетельствах на изобретения.На защиту выносятся следующие задачи и их решения, являющиеся новыми Б исследовании проблемы управления транспортными средствами; - основы теории следящих систем управления с запоминанием траектории, обеспечивающих совмещение траекторий передней и задней тележек сочлененного транспортного средства; - синтез возможных исполнений следящих систем управления с запоминанием траектории; - алгоритм действия следящей системы управления с запоминанием траентории. - 12

вывода

1. Для улучшения поворотливости длиннобазных сочлененных транспортных средств целесообразно создание систем управления, обеспечивающих совмещение основных траекторий (далее в тексте - "траекторий") передней и задней тележек независимо от формы и кривизны этих траекторий.

2. Совмещение траекторий передней и задней тележек в общем случае может быть достигнуто только с помощью систем управления, обеспечивающих запоминание траектории передней тележки и воспроизведение этой траектории задней тележкой.

3. Для совмещения траекторий недостаточно воспроизведения задней тележкой траектории, кривизна которой в каждой точке равна кривизне траектории передней тележки в этой же точке. Достижение поставленной цели возможно только,если система управления обладает следящим действием и обеспечивает возвращение задней тележки на траекторию передней после случайного отклонения.

4. Определение параметров траектории передней тележки предпочтительно в функции проходимого ею пути.

5. Командная часть следящих систем управления с запоминанием траектории должна выполняться на основе специализированной ЭЦВМ, обладающей необходимым быстродействием,достаточным объемом памяти.

6. Блок памяти должен фиксировать параметры траектории передней тележки. Эти параметры используются для выработки команды на управление колесами задней тележки при ее движении по вычисляемой траектории, а также для определения переходной траектории при возвращении задней тележки на траекторию передней после случайного отклонения.

7. Положение задней тележки, необходимое для следования по траектории передней, может определяться способом, предусматривающим вычисление длины участка траектории, заключенного между точками тележек, описывающими основные траектории. При совмещении указанных точек тележек с концами соединительной рамы транспортного средства, длина хорды, стягивающей этот участок траектории, равна длине соединительной рамы.

8. Длина участка траектории, заключенного между тележками (см. пункт 7), может определяться путем сравнения его проекций на взаимно перпендикулярные оси с проекциями соединительной рамы на эти же оси.

9. Изменения углового положения соединительной рамы относительно неподвижной системы координат при движении транспортного средства однозначно определяются мгновенными значениями углов поворота тележек относительно рамы.

10. Возвращение задней тележки на траекторию передней после случайного отклонения может осуществляться по переходным траекториям, способы построения которых предложены в настоящей работе.

11. Реальные исполнения следящих систем управления с запоминанием траектории возможны по принципиальным схемам, предложенным в настоящей работе.

12. Разработанный алгоритм действия следящей системы управления с запоминанием траектории может использоваться как для целей математического моделирования, так и для программирования бортового компьютера. Правильность алгоритма подтверждена результатами расчетных и экспериментальных исследований.

Акты внедрения результатов работы на ЧМЗАП и в НИИавтопри-боров представлены в Приложении 6»

1. Пахтер И.Х., Цейтлин Г.Д. Современные конструкции автопоездов-тяжеловозов. - М.: НИИНавтопром, 1974. - 53 с.

2. Пахтер И.Х., Цейтлин Г.Д. Современные автопоезда-тяжеловозы. -М.: НИИНавтопром, 1981. 45 с.

3. Фаробин Я.Е. Теория поворота транспортных машин. М.: Машиностроение, 1970. - 176 с.

4. Конструкции и расчет автомобильных поездов/ Я.Х.Закин, М.М.Щукин, С.Я.Марголис, П.П.Ширяев, А.С.Андреев. Л.: Машиностроение, 1968. - 330 с.

5. Пахтер И.Х., Цейтлин Г.Д. Системы управления прицепов-тяжеловозов. М.: НИИНавтопром, 1976. - 62 с.

6. Ермилов С.С., Колпаков А.П. Результаты исследований автопоезда с управляемыми колесами полуприцепа. Автомобильная промышленность, 1964, № 9, с.28-32.

7. Колпаков А.П. Исследование поворота автопоезда с управляемыми и ведущими колесами полуприцепа: Автореф. дис. . канд.техн.наук. -М., 1965. 18 с.

8. Закин Я.Х. Прикладная теория движения автопоезда. -М.: Транспорт, 1967. 252 с.

9. Зисман Л.М. Исследование поворотливости длиннобазных многоосных прицепов и оптимизация системы управления: Автореф. дис. канд.техн.наук. -М., 1979. 17 с.

10. Фаробин Я.Е. Статическая поворотливость прицепов-тяжеловозов. Автомобильная промышленность, 1973, № 7, с.14-16.

11. Павлов В.А. Исследование поворотливости многозвенного прицепного автопоезда: Автореф. дис. канд.техн.наук. -М., 1968. 18 с.

12. Jindra F.; Off-tracking of tractor-trailer combinations»-Automobile engineer, 1?63; v.53, ES 3, p. 53-54.'

13. Roberts J.4 Geometric construction of transitional curves for transport trailer combinations ,;-Mech.! and Chem. Eng. Transv Inst; Eng.! Austral, 1971, v.7,K21 ,p.96-1o1.

14. How much, room have I got on your side? -Truck and Bus Tranaportation, 1976, B1,* p. 75-77.

15. Marnbon A. Trailers and semi-trailers;1 -Automobile engineer,1 1952, v.42, ES4, p.l43-15o.

16. Fazekas G-. On the kinematic path of semi-trailersw* -ASME Journal of Applied Mechanic1955,1 v.:22, N29^:4o7-4lo^

17. Jindra F.' Tractor and semi-trailer handling. -Automobile Engineer, 1963, v.55, Ш11, p. 438-446.

18. Ehrlich J^R5.!. Investigation of tractor train manoeuvrea-bility.-SAE Journal, 1964,- v.12, p.74-76.

19. Jiadra F. Tractor and trailer handling.-Automobile engineer, 1965, v.56,№2, p.6o-697

20. Mitschke M.*, Bisimis E," Doppelachsaggregate bei Sattel-anhangern.-I>tsch. Kraftfahrtforach. und Strassen-verkehrstechnv, 1971, H221 o, sw-18-21.

21. Зисман Л.М., Гинцбург Л.Л. Методика аналитического определения взаимного положения прицепного звена и тягача на поворотах. Автомобильная промышленность, 1973, № 10, с.15-16.

22. Jindra Р.* ManoeuvreabilitJ of trailer trains. -SAE transactions, 1963, v.71, K67ooo6. -26p.

23. Jindra F. Scale model investigation of off-tracking of trailer trains .-SAE Preprints, 1978, Г78Ю66, p.4o27-4o45.

24. Андреев А.С., Павлов В.А. Кинематический анализ криволинейного движения многозвенного прицепного автопоезда.

25. Автомобильная промышленность, 1969, 3, с.8-10.

26. Kurz H'.i Schwerlastverkehr auf strasse und schiene, -Berlins Transpress, 197o, -1o1s.

27. A.c. 188849 (СССР). Устройство для управления колесами прицепа/ А.П.Колпаков. -Заявл. 04.09.65, № 1029069/27-II; Опубл. в Б.И., 1966, № 22.

28. Колпаков А.П. Двойной привод управления колесами прицепа. Автомобильная промышленность, 1970, № 4, с.22-24.

29. Колпаков А.П. Привод управления колесами длиннобазных прицепов и полуприцепов. Автомобильная промышленность, 1969, № 10, с.9-12.

30. Ермилов С.С., Колпаков А.П. Результаты исследований автопоезда с управляемыми колесами полуприцепа. Автомобильная промышленность, 1964, № 9, с.28-32.

31. Колпаков А.П. Проектирование и расчет гидромеханического привода управления колесами полуприцепа. Автомобильная промышленность, 1968, № I, с.22-26.

32. Колпаков А.П. Экспериментальное исследование электрического привода управления колесами полуприцепа. Автомобильная промышленность, 1967, № 3, с.21-24.

33. Unique harmonic drive application, -Design Hews, 1964, WI7, p.3-4.

34. Anhangerhahn in Treuenbritzen. -Kraftverkehr, 1968, E6, s. 196-197.

35. A.c. 503779 (СССР). Устройство для управления колесами прицепа/ НАШ; авт.изобрет. В.С.Бурд, И.Х.Пахтер, А.И.Репо-ловский, Г.Д.Цейтлин. Заявл. 04.01.74, & 1983606/27-II; Опубл. в Б.И., 1976, № 7.

36. Пат. 3563327 (США). Electronic control and guidance system for vehicles / Mier David.- Заявл. 20.11.68,777243; Опубл. в 1971 г.

37. Пат. 3881568 (США). Unattended travelling vehicle system /Hitachi; авт. изотрет. Ando Shimon, Kurokawa Koji.- Заявл. 30.11.71, 46-96875; Опубл. 1972, ser. Jfc 310956.

38. А.с. 683942 (СССР). Способ управления задними колесами транспортного звена/ Б.Г.Васильев, А.А.Пьянков. Заявл. 01.08.77, В 25III80/27-II; Опубл. в Б.И., 1979, № 33.

39. Пат. 43-2527 (Япония). Рулевой привод для тягача с прицепом/ Кавасаки сярё К.К. Заявл. в 1966 г., № 39-13069; Опубл. 30.01.68. (яп.).

40. А.с. 652018 (СССР). Способ управления движением активного многозвенного транспортного средства/ И.В.Гордин, Н.А.Ней, В.Б.Новиков. Заявл. 17.08.76, № 2400017/27-II; Опубл. в Б.И., 1979, 10.

41. А.с. 653163 (СССР). Устройство для управления колесами звеньев автопоезда/ Б.Г.Васильев, Л.К.Карпов, А.А.Пьянков, Б.А.Сурженко. Заявл. 04.11.76, № 2417332/27-II; Опубл. в Б.И., 1979, II.

42. А.с. 189694 (СССР). Устройство для управления колесами прицепа или полуприцепа/ НАМИ; авт. изобрет. Б.И.Осипов, Г.Д.Цейтлин, А.С.Мелик-Саркисьянц, С.Б.Дмитриев. Заявл. 03.07.65, В 1016284/27-II; Опубл. в Б.И., 1966, № 24.

43. Цейтлин Г.Д., Корчемный Л.В., Панасенко Н.А. Выбор параметров системы управления колесами длиннобазных прицепов и полуприцепов. Автомобильная промышленность, 1968, № 2, с.24-26.

44. А.с. 223610 (СССР). Устройство для управления колесами прицепа или полуприцепа/НАМИ; авт.изобрет. С.Б.Дмитриев, Б.И.Осипов, И.Х.Пахтер, Г.Д.Цейтлин. Заявл. 06.07.67,1170304/27-II; Опубл. в Б.И., 1968, № 24.

45. А.с. 652019 (СССР). Устройство для управления поворотом ведомых звеньев автопоезда/ Б.Г.Васильев, А.А.Пьянков. -Заявл. 21.05.76, № 2362477/27-11; Опубл. в Б.И., 1979, № 10.

46. А.с. 235547 (СССР). Устройство для управления колесами прицепа или полуприцепа/ НАМИ; авт» изобрет. С.Б.Дмитриев, Б.И.Осипов, И.Х.Пахтер, Г.Д.Цейтлин. Заявл. 06.12.67,1205122/27-II; Опубл. в Б.И., 1969, № 5.

47. А.с. 554180 (СССР). Рулевое управление прицепных звеньев безрельсового транспортного средства/ НАМИ; авт. изобрет. И.Х.Пахтер, Е.В.Перлов, В.И.Соловьев, Г.Д.Цейтлин, В.С.Шалдаев. Заявл. 03.07.75, № 2I5I923/II; Опубл. в Б.И., 1977, № 14.

48. Соловьев В.И., Цейтлин Г.Д. Теоретические вопросы разработки рулевых управлений длиннобазных транспортных средств. -В кн.: Труды/НАМИ, 1981, вып.182, с.37-48.

49. Соловьев В.И., Цейтлин Г.Д. Предпосылки разработки рулевых управлений длиннобазных транспортных средств. В кн.: Конструкции автомобилей. Экспресс-информация. -М.: НИШавтопром, 1979, вып.8, с.33-38.

50. Соловьев В.И., Цейтлин Г.Д. Кинематика поворота длиннобазных транспортных средств. -В кн.: Динамика колесных и гусеничных машин. -Волгоград: ВПИ, 1980, с.18-21.

51. Соловьев В.И., Цейтлин Г.Д. Функциональное исполнение рулевого управления длиннобазного транспортного средства. Вкн.: Труды/ НАМИ, 1982, вып.185, с.3-8.

52. Соловьев В.И., Цейтлин Г.Д. Исследование кинематики поворота длиннобазных транспортных средств. -В кн.: Динамика транспортных средств. -М.: ВЗМИ, 1982, с.163-170.

53. Соловьев В.И., Цейтлин Г.Д. Теоретические основы построения блока коррекции следящей системы управления длиннобазных транспортных средств. -В кн.: Динамика транспортных средств. -М.: ВЗМИ, 1982, с.171-185.

54. А.с. 734049 (СССР). Устройство рулевого управления транспортного средства/ НАМИ; авт. изобрет. В.В.Бухтеев, И.Х. Пахтер, В.И.Соловьев, Г.Д.Цейтлин. Заявл. 30.12.77,2562109/27-И; Опубл. в Б.И., 1980, № 18.

55. А.с. 809076 (СССР). Устройство для управления транспортным средством/ НАМИ; авт.изобрет. В.В.Бухтеев, И.Х.Пахтер, В.И. Соловьев, Г.Д.Цейтлин. Заявл. 10.07.78, J£ 2655657/18-24; Опубл. в Б.И., 1981, № 8.

56. Соловьев В.И., Цейтлин Г.Д., Юзефович А.Г. Алгоритм действия следящей системы управления с запоминанием траектории. В кн.: Труды/ НАМИ, 1983, с.86-99.

57. Микеладзе Ш.Е. Численные методы математического анализа. -М.: Гостехиздат, 1953. 528 с.

58. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебаний. 4/1.: Машиностроение, 1972. -368 с.

59. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. -М.: Наука, 1968. 288 с.