Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Евдокимов Вячеслав Генаэльевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГУСЕНИЧНЫМИ МАШИНАМИ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ НА ЭТАПЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

БЛАГОВЕЩЕНСК - 2009 г.

Работа выполнена на кафедре «Боевых машин и автомобильной подготовки» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Дальневосточном высшем военном командном училище (Военном институте) - ДВВКУ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Максимычев Олег Игоревич, профессор Московского автомобильно-дорожного института (ГТУ), г. Москва.

доктор технических наук Бекетов Сергей Анатольевич, руководитель, проекта ОАО «Русские машины» г. Москва.

доктор технических наук Ягубов Вячеслав Файзулович, Старший эксперт ФГУП «Рособоронэкспорт» г. Москва.

Ведущая организация:

Государственного образовательное учреждение высшего профессионального образования Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск.

Защита состоится «9» марта 2010 года в 10⁰⁰ на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) по адресу: 125319, ГСП А-47, Москва, Ленинградский проспект, дом 64.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МАДИ (ГТУ)

Автореферат разослан «3 » февраля 2010 года.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять в адрес совета института.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

Кандидат технических наук, доцент Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

гусеничный шасси автоматический микропроцессорный

Актуальность работы

Динамичное развитие отечественной и мировой индустрии связано с расширением ресурсной базы и непрерывным увеличением добычи полезных ископаемых. В настоящее время наблюдается массовое истощение месторождений в относительно доступных областях. В связи с этим активный поиск полезных ископаемых все более смещается в труднодоступные районы. Эффективный поиск полезных ископаемых в районах Крайнего севера, Сибири и Дальнего востока - крайне важная задача для будущего государства. Последнее обстоятельство влечет за собой дальнейшее повышение актуальности обеспечения приспособленности технических средств, предназначенных для проведения разведки месторождений полезных ископаемых и выполнения транспортной работы в труднодоступных районах.

Однако существующие образцы гусеничных машин (ГМ) не учитывают ряд специфических требований, вытекающих из особенностей их применения, и не в полной мере удовлетворяют требованиям эксплуатирующих организаций. Факторы, оказывающее определяющее влияние на облик ГМ можно разделить на две группы - организационные и формируемые характерным воздействием природной среды.

К наиболее значимым организационным факторам, оказывающим решающее воздействие на облик ГМ в период их использования следует отнести: отсутствие баз для квалифицированного обслуживания и ремонта, низкий уровень квалификации обслуживающего персонала, низкое качество эксплуатационных материалов, необходимость автономного функционирования в течение длительных периодов (до полугода и более), длительные переходы без технической поддержки, необходимость поддержания постоянной готовности к применению в течение длительного времени, иногда в течение всего срока использования по назначению.

К наиболее значимым природным факторам, обусловливающим облик ГМ в эксплуатации следует отнести: длительное воздействие низких температур, отсутствие дорожной сети, необходимость преодоления крутых подъемов, косогоров, лесных завалов, водных преград, длительные ночные периоды.

Исходя из особенностей применения ГМ, требования к ним со стороны эксплуатирующих организаций будут существенно отличаться от требований, предъявляемых к транспортным средствам, используемым в обычных условиях.

Для выполнения задач в описываемых условиях ГМ должны обеспечивать достаточную наработку на отказ, иметь функции самодиагностирования, быть пригодными к поблочному ремонту, не требовать высокой квалификации обслуживающего персонала, быть эргономичными и экономичными, обладать высокой подвижностью. Соответствие требованиям должно обеспечиваться во всем спектре возможных природно-климатических и дорожных воздействий, а их невыполнение может привести не только к срыву поставленной задачи, но и гибели экипажа. Заложить технические решения, направленные на достижение указанных требований в конструкцию ГМ возможно только на этапе промышленного производства.

Одним из путей реализации высоких эксплуатационных показателей и их качественного роста на перспективных образцах ГМ является автоматизация управления процессами их функционирования, осуществляемая на основе как локальных систем управления различными агрегатами шасси, так и объединенных, решающих комплексные задачи управления.

Применение автоматических систем управления и контроля позволяет снять с водителя ряд функций по управлению ГМ, что позволяет не только разгрузить водителя, снизить его утомляемость и тем самым облегчить процесс управления, но и способствует повышению уровня подвижности, обеспечивает рациональное управление реализуя требуемый режим движения, повышает надежность функционирования за счет автоматического контроля технического состояния и защиты систем от критических режимов и ошибочных действий водителя, обеспечивает снижение зависимости показателей подвижности от квалификации водителя.

Автоматизация процессов управления режимами работы и контроля технического состояния систем и агрегатов машины, реализуемая за счет оснащения современных ГМ цифровыми системами управления, обеспечивает решение следующих задач: обработку данных о состоянии объекта управления, состоянии внешней среды; обеспечение связи экипажа с пунктом управления и передача информации в автоматическом режиме; контроль состояния систем и агрегатов машины, локализация неисправностей, выдача рекомендаций в аварийных ситуациях; управление отдельными системами и агрегатами и движением объекта в целом и т.д.

При изменении условий, режимов движения и технического состояния ГМ возникает необходимость в коррекции законов управления, осуществить которую одновременно зачастую трудно, а иногда - невозможно. Кроме того, процесс автоматизации управления движением ГМ усложняется вследствие недостатка априорной информации о характеристиках внешних условий, задающих воздействиях водителя и параметрах объекта управления, непредвиденных изменений.

Автоматические системы управления с обратной связью, действующие по жестко заданному алгоритму, не обеспечивают высокой эффективности функционирования объекта, поскольку традиционная теория управления для определения законов функционирования требует знания математической модели объекта и входящих в эту модель параметров. Вследствие этого традиционные системы управления мало эффективны при изменениях в широких пределах параметров внешних или внутренних условий. Для обеспечения рационального управления ГМ целесообразно применение адаптивных систем, постоянно подстраивающих параметры машины к изменениям условий и режимов функционирования ГМ

Таким образом, оснащение современных подвижных объектов автоматическими системами управления, как отдельными агрегатами, так и движением машины, дает возможность повысить тягово-динамические, топливно-экономические показатели, надежность функционирования систем и агрегатов объекта, улучшить условия работы водителя и в целом показатели подвижности ГМ. Для наиболее полной реализации возможностей бортовых информационно-управляющих систем возникла необходимость в развитии теории автоматического управления движением ГМ, направленном на решение задач выбора рациональной структуры, параметров автоматической микропроцессорной системы управления и законов управления движением в зависимости от особенностей конструкции и назначения ГМ как для уже созданных машин, так и для ГМ на стадии их проектирования, обеспечивающих требуемое качество процессов управления и реализацию наиболее рациональных тягово-динамических и топливно-экономических свойств.

Таким образом, работа направлена на решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, а именно: обеспечение и поддержание требуемого уровня функционального потенциала ГМ, предназначенных для использования в сложных природно-климатических и дорожных условиях.

Цель исследования: автоматизация процессов управления движением ГМ при их непрерывной готовности к применению по назначению в сложных природно-климатических и дорожных условиях на этапе промышленного производства.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи исследования:

1. Определены место и роль ГМ в экономике Российской Федерации, область решаемых ими задач и характерные условия их использования.

2. Задан функциональный потенциал ГМ, достижение которого в процессе промышленного производства позволит им наиболее полно соответствовать обоснованным в работе условиям эксплуатации.

3. Проведен анализ процессов функционирования автоматической системы управления шасси ГМ в различных условиях и на разных режимах работы машины;

4. Обоснованы принципы организации функционирования автоматической системы управления движением ГМ, разработан метод исключения возникновения цикличности переключения передач при автоматическом управлении;

5. Обоснована структура информационного обеспечения адаптивной системы управления шасси ГМ, предложен метод построения нечетких алгоритмов управления шасси ГМ, реализуемых на базе микропроцессорных систем;

6. Обоснован вариант технической реализации комплексной системы управления движением ГМ на основе нечетких алгоритмов, включающий совокупность технических решений, направленных на повышение эффективности автоматических систем управления за счет снижения динамических нагрузок при переключении передач и регулирования теплового режима работы двигателя и трансмиссии;

7. Разработаны экспериментальный и имитационный методы оценки автоматических систем управления движением ГМ;

8. Проведены экспериментальные исследования ГМ с автоматической системой управления шасси и оценка разработанных технических решений.

9. Разработаны предложения по автоматизации промышленного производства предлагаемой системы, направленные на поддержание заданного уровня функционального потенциала ГМ в ходе их использования по назначению во всем диапазоне характерных внешних воздействий.

Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в: разработке метода построения нечетких алгоритмов управления шасси ГМ, реализуемых на базе микропроцессорных систем управления; формировании принципов построения и обосновании структуры системы информационного обеспечения автоматической системы управления шасси, реализующей адаптивные алгоритмы функционирования ГМ; разработке метода анализа условий возникновения цикличности переключения передач при автоматическом управлении трансмиссией; разработке метода оценки эффективности автоматических систем управления движением ГМ.

Практическая ценность работы заключается. В построении адаптивных алгоритмов управления движением ГМ и реализации их на базе микропроцессорных систем управления шасси; создании на основе разработанных технических решений автоматической системы управления шасси ГМ, реализующей адаптивные законы связного управления двигателем и трансмиссией; анализе возможности возникновения цикличности переключения передач в различных условиях функционирования машины; исследовании параметров и законов управления автоматических систем управления шасси ГМ (в том числе, и на стадии их проектирования); проведение экспериментальной оценки влияния автоматической системы управления движением на основные эксплуатационные свойства ГМ, разработке предложений по автоматизации процессов управления движением ГМ при их непрерывной готовности к использованию по назначению в сложных природно-климатических и дорожных условиях на этапе промышленного производства.

Методы исследования. При разработке диссертации применялось сочетание математического и физического моделирования с использованием методов аналитической механики, дифференциального и интегрального исчисления, теории дифференциальных уравнений, преобразований Фурье для анализа и оценки результатов моделирования. Методы экспериментальных исследований и теории вероятности использовались при подготовке и проведении ходовых испытаний гусеничной машины и при обработке полученных экспериментальных данных.

Основные положения, выносимые на защиту.

метод построения нечетких алгоритмов управления шасси ГМ, реализуемых на базе микропроцессорных систем управления;

структура информационного обеспечения адаптивной системы управления ГМ;

метод анализа условий возникновения цикличности переключения передач при автоматическом управлении трансмиссией ГМ;

вариант технической реализации комплексной системы управления движением ГМ на основе нечетких алгоритмов управления;

технические решения по повышению качества регулирования температурного режима работы моторно-силовой установки и по снижению динамических нагрузок в силовой цепи «двигатель-трансмиссия» при переключении передач;

метод экспериментальной оценки автоматических систем управления шасси ГМ;

имитационный метод исследования электронных и микропроцессорных систем управления шасси ГМ.

предложения по автоматизации процессов управления движением ГМ при их непрерывной готовности к использованию по назначению в сложных природно-климатических и дорожных условиях на этапе промышленного производства.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на региональных межвузовских научно-практических конференциях Амурской области 2005-2009г.г.; на научно-практических конференция ДВВКУ(ВИ) в 2004-2009г.г., на научных конференциях МАДИ (ТУ) 2008-2009г.г. , научно-практических конференциях Общевойсковой Академии ВС РФ 2008-2009г.г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 51 научном труде общим объемом 16 печатных листов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 151 наименований, приложений. Работа насчитывает 357 страниц машинописного текста, содержит 51 рисунок и 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснована актуальность работы, формулируется научная проблема, цель и задачи исследования, приведена общая характеристика работы.

В первой главе «Условия использования и требования к техническому уровню гусеничных машин» выявлена роль ГМ в структуре экономики РФ, определены характерные условия их использования, смоделированы параметры внешних воздействии и действий водителя при управлении ГМ, сформулированы требования к ГМ, проанализированы современные схемы и аппараты автоматизированного управления функционирования агрегатов, а так же выявлены пути достижения требуемого технического уровня (функционального потенциала) ГМ при автоматизации их промышленного производства, определены цели и задачи исследования.

На эффективность промышленного развития, степень освоения территории существенное, а порой и решающее влияние, оказывают природно-климатические и дорожные условия. Степень этого влияния во многом зависит от технического оснащения предприятий промышленности, налаженности транспортной системы, обеспеченности средств разведки и добычи полезных ископаемых транспортными средствами. Моделирование параметров внешнего возмущения как случайных функций пути показало, что ресурс ГМ расходуется при движении по пересеченной местности, при частом преодолении бродов, завалов, торосов, болот и других препятствий, при этом температура окружающей среды может колебаться в пределах от +50С⁰ до -60С⁰, влажность достигать 100%. Условия эксплуатации на примере Дальневосточного региона приведены в табл.1.

Табл. 1 Характерные условия Дальневосточного региона

Характерные районы	Продолжит. зимнего периода, месяцы	Зимняя температура воздуха, град (min)	Заболоченность местности, %	Преобладающий рельеф и характеристика местности	Продолжительность распутицы, месяцы	Плотность дорог, км на 1000 км2
Северный Сахалин	6-7	30-55	40-60	Равнинный, в лесах пни, завалы	2,5-4,0	1,6
Южный Сахалин	5	24-50	25-40	Гористый, скалистый грунт	2,5-4,0	9,7
Хабаровский край, Амурская обл.	5-6	40-59	15-30	Гористый, скалистый грунт	2,5-4,0	6,18
Приморье	4-6	30-48	15-30	Гористая, холмистая, реки	2,5-3,5	33,0

Для осуществления транспортной работы и монтажа специального оборудования применяются ГМ, доля которых достигает 70% от общего количества транспортных средств, используемых для решения конкретной задачи, а разведка недр проводится исключительно с использованием ГМ (Рис.1).

Рис.1

Моделирование действий водителя позволило установить зависимости, характеризующие его возможность по реализации функционального потенциала ГМ от их технического уровня. На основе проведенного анализа сформулированы требования к ГМ, и обоснованы пути их достижения.

Выявлено, что достижение требуемого уровня функционального потенциала возможно внедрением в конструкцию ГМ системы автоматизированного управления функционированием агрегатов, представляющей собой комплекс электронных средств, обеспечивающий функции управления, контроля и диагностики, аппаратную совместимость и возможность иерархического наращивания средств управления на этапе их промышленного производства с учетом его автоматизации.

Показано, что в данных условиях более предпочтительным вариантом системы управления является иерархическая распределенная система, наиболее приспособленная для реализации адаптивных алгоритмов управления вследствие гибкой, способной к реорганизации, структуры, лучшей стойкости к воздействию разного рода помех, большей производительности в рамках используемых аппаратных средств с учетом необходимости автоматизации ее промышленного производства.

Таким образом, по материалам главы формируются требования к ГМ и делаются выводы о том, что функциональный потенциал таких машин может быть заложен только на этапе их промышленного производства, а его реализация осуществляется в тяжелых природно-климатических и дорожных условиях, накладывающих значительные ограничения по возможности его поддержания на требуемом уровне со стороны обслуживающей инфраструктуры, эксплуатирующего персонала, и характера решаемых задач. По итогам анализа формулируется цель и задачи исследования.

Во второй главе - моделирование автоматической системы управления шасси ГМ - анализируется процесс функционирования автоматической системы управления движением ГМ, моделируется процесс управления движением с учетом динамической нагруженности трансмиссии при переключении передач, рассматривается цикличность переключения передач, тепловой режим работы двигателя и трансмиссии, особенности построения и функционирования автоматической системы управления шасси с электромеханической трансмиссией.

Если все параметры машины, характеризующее ее техническое состояние, находятся в пределах нормы, режимы работы двигателя и трансмиссии целесообразно выбирать из условий обеспечения высоких тягово-динамических или топливно-экономических свойств (рис. 2).

Рис. 2 Тяговая характеристика ГМ с ГМТ

В случае выхода контрольно -диагностических параметров машины за пределы рабочих диапазонов или возникновения неисправностей и отказов, автоматическая система управления должна обеспечить их локализацию, а режим движения необходимо выбирать исходя из условий сохранения значений параметров в пределах рабочих диапазонов.

Автоматическая система управления шасси ГМ должна учитывать изменение состояния объекта управления и осуществлять коррекцию управляющих воздействий в соответствии с этими изменениями с целью исключения следующих нерациональных и аварийных режимов работы систем и агрегатов: цикличность переключений передач и блокировки фрикциона гидропередачи, высокие динамические нагрузки в трансмиссии при переключениях передач и выход рабочих параметров за пределы рекомендуемых значений.

Например: движение ГМ в ручном режиме переключения скоростей при следующих внешних условиях: = 0,1; = 1; = 0; = 0. Задача разогнаться до 8 м/с. На рис. 3а изображены графики изменения скорости V(S), подачи топлива h(S) и передаточного числа трансмиссии i_kp(S) по пути . Из рисунка видно, что процесс переключения передачи занимает некоторое время, в данном случае, время переключения было принято равным t_zad = 0,5 с. В течение этого времени h = 0, по истечении этого времени включается новая передача и задатчик скорости (педаль газа) возвращается в положение, выбранное водителем. При тех же условиях, но в автоматическом режиме переключения скоростей (рис. 3б) видно, что автоматическая коробка передач «зациклилась» на границе переключений между 1-й и 2-й передачами. Подобный режим возникает при включении разных передач, что требует установить закон адаптации параметров АКП.

Рис.3 Движение ГМ в ручном А и автоматическом Б режимах переключения передач

Трудности, связанные с теоретическим исследованием цикличности и поиском практических методов ее устранения обусловлены существенными нелинейностями, характеризующими процессы переключения передач и движения машины в целом. Для решения указанной задачи в главе предложен метод, позволяющий осуществлять анализ влияния параметров законов переключения передач на устойчивость скоростного режима движения ГМ, оценку возможности возникновения периодического изменения скорости при движении в заданных внешних условиях, сопровождающегося цикличностью переключения передач, и исследование условий ее появления.

Предлагаемый метод разработан на основе анализа математической модели движения ГМ с использованием метода гармонической линеаризации нелинейностей. Правомерность применения метода линеаризации подтверждается результатами исследования математической модели движения ГМ в условиях воздействия периодического внешнего возмущения, характеризуемого изменением суммарного коэффициента сопротивления движению по закону:

f_с=f_со+А^.sin(2рx/а), (1)

где f_со - постоянная составляющая суммарного коэффициента сопротивления движению;

А - амплитуда изменения коэффициента сопротивления движению f_со;

x - координата центра масс ГМ, отсчитываемая вдоль траектории движения от неподвижной точки плоскости движения;

а - длина волны изменения суммарного коэффициента сопротивления движению.

Анализ значений дисперсий скорости движения ГМ как реакции на периодическое внешнее возмущение, создаваемое изменением дорожно-грунтовых условий по закону (1), полученных с учетом и без учета инерционных свойств машины, позволяет сделать вывод о возможности использования в данных условиях принципа суперпозиции и при решении задач по исследованию тягово-динамических свойств с достаточной для практики точностью рассматривать процесс движения ГМ, как квазилинейный.

Упрощение математической модели движения ГМ за счет применения метода гармонической линеаризации дало возможность осуществить решение задачи анализа влияния закона переключения передач на устойчивость движения ГМ и оценку условий возникновения периодического изменения скорости, сопровождающегося цикличностью переключения передач.

В предположении о том, что установившееся движение транспортной машины описывается нелинейным дифференциальным уравнением вида

, (2)

(здесь - масса машины; , - скорость и ускорение движения машины; - сила, обеспечивающая движение машины) можно показать, что при периодическом изменении величин x и функция также периодическая. В связи с этим периодическое изменение внешних условий и параметров движения ГМ при неверно выбранных законе и параметрах автоматической системы управления шасси может привести к цикличности при переключении передач.

В результате преобразований с использованием метода гармонической линеаризации нелинейностей уравнение (2) может быть приведено к виду

.

Учитывая, что установившееся и постоянная составляющая силы равна нулю, то . Отбросив гармоники высших порядков, можно получить выражение для переменной составляющей силы :

. (3)

Постоянные в уравнении (3) - коэффициенты Фурье, которые определяются следующими известными выражениями:

; , (4)

где - период колебаний;

- круговая частота изменения скорости.

В случае, когда величины и изменяются по гармоническому закону, уравнение для переменной составляющей имеет вид:

, (5)

здесь - коэффициент, характеризующий восстанавливающую силу;

- коэффициент, характеризующий сопротивление движению.

В результате совместного решения уравнений (3),(4) и (5) получены выражения для расчета коэффициентов c и r:

, , (6)

где - амплитуда изменения скорости.

Для анализа колебательного процесса уравнение (6) может быть представлено в виде:

,

где ; .

Поскольку всякое линейное дифференциальное уравнение имеет частное решение вида , то можно получить следующее характеристическое уравнение:

, (7)

анализ корней которого позволяет сделать вывод об устойчивости или неустойчивости исследуемого процесса. Известно, что в данном случае движение будет устойчивым только в том случае, если все действительные корни характеристического уравнения (8) и действительные части всех его комплексных сопряженных корней отрицательны. При составлении алгоритма переключения передач с учетом последнего обстоятельства процесс движения ГМ в автоматическом режиме переключения передач будет выглядеть следующим образом (рис. 4).

Рис.4 Движение ГМ в автоматическом режиме переключения передач без возникновения цикличности

Быстротечность процесса переключения передачи обуславливает скачкообразное изменение F_Т, что приводит к возникновению динамических нагрузок в трансмиссии, которые в автоматическом режиме могут в 2-3 раза превышать нагрузки, соответствующие ручному переключению. Элементарная работа dL_ВЩ, совершенная за время dt ведущими дисками фрикциона, не полностью передается ведомым дискам, а частично расходуется на нагрев фрикционов и износ поверхностей трения дисков, dL_ВЩ= dL_ВМ+ dL_Б или dL_Б= dL_ВЩ- dL_ВМ. Таким образом, работа буксования dL_Б представляет собой разность работ, отданной ведущими dL_ВЩ и полученной ведомыми dL_ВМ дисками фрикциона и определяется выражением:

,

где ₁(t), ₂(t) угловые скорости вращения ведущих и ведомых дисков фрикциона в момент времени t от начала буксования;

М_ТР(t) - момент трения дисков, изменяющийся во времени от нуля до максимального значения при включении фрикциона.

Учитывая, что момент трения М_ТР является функцией времени, можно определить угловые скорости и ведущих и ведомых дисков фрикциона:

,,

где J₁, J₂ приведенные моменты инерции ведущей и ведомой частей фрикциона;

₁, ₂ угловые ускорения ведущих и ведомых дисков фрикциона;

₁, ₂ угловые скорости вращения ведущих и ведомых дисков фрикциона в начале буксования;

M₁(t), M₂(t) приведенный к ведущим дискам фрикциона крутящий момент двигателя M_Д(t) (при наличии гидропередачи момент на турбинном колесе) и приведенный к ведомым дискам фрикциона момент суммарного сопротивления движению машины M_С(t);

M_С(t)=f_cG_mr_вк момент сопротивления движению машины (здесь f_c суммарный коэффициент сопротивления движению; G_m вес машины; r_вк радиус ведущего колеса).

Так как в конце буксования t=t_Б, то на основе совместного решения уравнений определяется полное время буксования дисков трения:

. (8)

Анализ выражений показывает, что на работу буксования существенно влияет значение момента трения М_ТР(t) и разность частот вращения ведущих ₁ и ведомых ₂ частей фрикционного устройства. Чем меньше момент М_ТР(t) при заданной разности =₁-₂, тем плавней переключаются передачи, однако при этом значительно возрастает время и увеличивается работа буксования. Для предельной плавности переключения (когда М_ТРМ₁, М_ТРМ₂) время буксования стремится к бесконечности, а работа буксования принимает некоторое конечное значение.

Следовательно, интенсивное нарастание момента М_ТР до максимального значения при включении фрикционного устройства и переключении передачи вызывает резкий рывок машины и существенные динамические нагрузки в трансмиссии. Медленный темп нарастания момента М_ТР ведет к большой работе буксования фрикциона, поскольку к буксующим фрикционным элементам передается не только инерционный момент, но и крутящий момент М₁ от двигателя.

Таким образом, плавность переключения передач и, следовательно, уровень динамических нагрузок в трансмиссии определяется соотношением частот вращения ведущих ₁ и ведомых ₂ частей фрикционного устройства и интенсивностью нарастания момента трения М_ТР. В связи с этим, система управления в процессе переключения передач должна в зависимости от начальных параметров (₁,₂, М₁, М₂) обеспечивать изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя с целью согласования угловых скоростей вращения ведущих ₁ и ведомых ₂ частей фрикционных устройств и регулирование интенсивности увеличения М_ТР для реализации безударного включения передачи. Такой режим включения фрикционного устройства можно обеспечить путем связного управления режимами работы двигателя и трансмиссии и регулирования силы сжатия дисков за счет изменения по определенному закону рабочего давления в гидросервоприводе фрикциона.

Процесс включения фрикционного устройства отличается нестабильностью параметров, которая определяется: влиянием на силу сжатия дисков центробежной силы, действующей на масло в бустерах вращающихся сервомоторов фрикционов и создающей центробежное давление; непостоянством коэффициента трения, удельного давления на диски, температуры и износа дисков; износом уплотнений и утечками масла, приводящими к снижению скорости нарастания давления в бустерах и изменению динамики включения фрикциона; увеличением хода поршня.

При изменении состояния или режимов функционирования фрикционных устройств необходима коррекция управляющих воздействий, направленная на снижение влияния этих изменений на качественные показатели работы трансмиссии. Решение данной задачи возможно на основе адаптивного управления, осуществляющего по результатам идентификации состояния фрикционных элементов и режимов работы двигателя и трансмиссии автоматическую настройку параметров системы управления и формирование управляющих команд на переключение передач с учетом указанных изменений.

Наиболее важным считается регулирование теплового режима работы двигателя и трансмиссии. Процесс регулирования теплового режима работы двигателя характеризуется количеством тепла Q_m, отдаваемым силовой установкой теплоносителю, и количеством тепла Q_p, рассеиваемым радиатором в единицу времени, являющимися функциями целого ряда параметров.

Величина Q_m зависит от температуры теплоносителя на входе в двигатель , температуры теплоносителя на выходе из двигателя _вых и количества рабочей жидкости M_ж, проходящей через двигатель в единицу времени; температура _вых и количество рабочей жидкости M_ж определяются режимом работы силовой установки, характеризуемым мощностью N_e . Функциональную зависимость Q_m от влияющих факторов можно представить в виде:

Q_m=Q_m(, N_e, M_ж).

Величина Q_p зависит от температуры рабочей жидкости , массы воздуха, проходящего через соты радиатора в единицу времени, и его температуры _возд на входе и выходе из радиатора. В свою очередь, масса воздуха, проходящего через радиатор, зависит от его плотности _в, угла открытия жалюзи и скорости потока воздуха v. Функциональная зависимость Q_p от указанных факторов может быть записана в виде:

Q_p=Q_p(, , v, _в, _возд).

Функции, определяющие процессы теплообмена в системе охлаждения, являются нелинейными. С целью упрощения задачи используются методы линеаризации, один из которых - разложение функций по степеням малых приращений всех параметров и ограничение в разложении линейными членами, приводит к известному выражению:

(9)

После введения ряда обозначений и проведения тождественных преобразований уравнение (10) приводится к виду:

,

где постоянная времени системы охлаждения;

коэффициент усиления жалюзи (как регулирующего органа) при подаче охлаждающего воздуха;

функция, характеризующая возмущающие воздействия, вызванные изменением внешних условий и режимов работы двигателя и трансмиссии.

Постоянная времени T и коэффициент усиления K существенно зависят от режимов работы двигателя и трансмиссии, температуры окружающего воздуха и других факторов. При изменении этих условий частные производные и для различных установившихся режимов имеют различные значения, поэтому их разность, и коэффициент не постоянны. Это означает, что регулирование температурного режима двигателя и трансмиссии можно реализовать как за счет изменения положения жалюзи, так и при управлении режимами работы силовой установки и трансмиссии путем изменения подачи топлива в цилиндры, нагрузки в результате переключения передач и блокировки фрикциона гидропередачи.

Поскольку коэффициенты T и K изменяются в широких пределах при изменении условий движения и режимов работы силовой установки и трансмиссии, то и характер переходных процессов в системе охлаждения также существенно зависит от этих факторов. Качественное управление температурным режимом агрегатов требует получения исходной информации об основных факторах, влияющих на процесс регулирования, что в связи с большим числом параметров и сложностью (а иногда невозможностью) их измерения представляет определенные трудности. Решение данной задачи, направленное на обеспечение эффективного функционирования системы управления тепловым режимом работы двигателя и трансмиссии при изменении внешних условий, режимов работы и параметров объекта, может быть реализовано на основе адаптивных алгоритмов управления.

Наряду с задачами управления движением машин со ступенчатыми трансмиссиями в работе рассмотрены особенности построения и функционирования автоматической системы управления ГМ с электромеханической трансмиссией (ЭМТ).

В результате проведенных экспериментальных исследований электропривода с молекулярным накопителем энергии получены данные, позволяющие сделать вывод о целесообразности использования емкостных накопителей энергии в составе ЭМТ. Однако целесообразность применения молекулярных накопителей с электроприводами определяется схемой коммутации электрических машин, структурой, параметрами и алгоритмом функционирования системы управления. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны технические предложения по построению автоматической системы управления движением ГМ с ЭМТ и выбору параметров молекулярного накопителя в зависимости от условий, режимов эксплуатации и параметров агрегатов ЭМТ, направленные на повышение уровня тягово-динамических и топливно-экономических свойств машины.

Показано, что для случая 0 (при движении на режиме разгона) энергия накопителя используется для разгона машины, снижая при этом нагрузку на генератор и, соответственно, на тяговый ДВС:

, (10)

где - мощность генератора; вес машины; f_с суммарный коэффициент сопротивления движению; радиус ведущего колеса; передаточное число редуктора; КПД редуктора; , коэффициенты пропорциональности, постоянные для данной электрической машины; Ф магнитный поток электродвигателя; конечное напряжение на выводах накопителя; время заряда; постоянная времени цепи заряда, здесь: емкость накопителя энергии, эквивалентное сопротивление цепи тягового электродвигателя, сопротивление емкостного накопителя.

В режиме торможения при 0 молекулярный накопитель энергии подключается к сети, обеспечивая использование энергии рекуперации, вырабатываемой электроприводами при торможении машины, за счет ее аккумулирования. При этом выражение (11) принимает вид:

. (11)

где напряжение на выводах ТЭД в генераторном режиме;

В случае равномерного движения при движении ГМ с неполной питание электроприводов и заряд накопителей осуществляется от генератора:

Молекулярный накопитель энергии при необходимости также подключается на заряд при работе на месте. Функциональная схема системы управления движением ГМ с электромеханической трансмиссией приведена на рис 5.

Рис. 5. Функциональная схема системы управления движением ГМ с электромеханической трансмиссией

Таким образом, во второй главе на основе анализа комплекса процессов, происходящих при функционировании ГМ в различных условиях и на разных режимах работы машины формируется облик системы автоматического управления, моделируется процесс управления движением с учетом динамической нагруженности трансмиссии при переключении передач, обосновываются принципы организации функционирования автоматической системы управления движением ГМ, предлагается метод исключения возникновения цикличности переключения передач при автоматическом управлении, предлагаются схемы, учитывающие особенности построения и функционирования автоматической системы управления шасси ГМ с электромеханической трансмиссией.

Третья глава посвящена вопросу управления агрегатами шасси ГМ в условиях ограниченности информации. В ней проводится формализация имитационной модели динамики перемещения машины на основе анализа режимов работы и процессов управления агрегатами, обеспечивающими движение; обоснование принципов построения и организации функционирования автоматической системы управления движением, структуры информационного обеспечения адаптивной системы управления, метод построения нечетких алгоритмов управления, реализуемых на базе микропроцессорных систем, и рассмотрены варианты технической реализации комплексной системы управления движением ГМ на основе нечетких алгоритмов.

При управлении движением ГМ автоматика должна обеспечивать: комплексное управление агрегатами шасси по единой программе; коррекцию законов управления двигателем и трансмиссией в зависимости от внешних условий движения и решаемых задач; защиту агрегатов шасси от критических режимов работы; изменение алгоритмов управления для сохранения работоспособности машины в случае возникновения неисправностей; обеспечение движения в ручном режиме при отказе вычислительной части.

Процесс построения адаптивной системы управления включает задание множеств и соотношений, определяющих структуру и качественный состав системы информационного обеспечения.

Элементами множества Q = q₁, q₂, q₃,…, q_j,…, j = 1,…, J, являются выходные сигналы датчиков (температура, давление, частота вращения и т.д.) или других измерительных устройств, то есть элементы этого множества q_j, j = 1,…, J - параметры, характеризующие техническое состояние, режимы работы систем и агрегатов машины, доступные для определения методом прямого измерения.

Составляющими множества Y = y₁, y₂, y₃,…y_r,…,r = 1,…, R, являются параметры, недоступные определению методом прямого контроля. Указанная информация необходима для придания системе свойства адаптивности и может быть получена c помощью различных процедур наблюдения и обработки множества Q.

Для математического описания среды функционирования и объекта, как динамической системы, использован N-мерный вектор-столбец x = (x₁, x₂, x₃,…, x_N), компоненты которого x₁, x₂, x₃,…, x_N, образуют множество информационных параметров X = x₀, x₁, x₂,…, x_n,…, n = 1,…, N, являющихся объединением множеств Q и Y. Элементы данного множества составляют информационное пространство объекта управления, характеризуют внешние воздействия, состояние и режимы работы систем и агрегатов машины и необходимы для однозначного описания объекта.

Множество состояний объекта W = w₁, w₂, w₃,…, w_l,…, l = 1,…, L включает элементы w₁, w₂, w₃,…, w_l, которые являются характеристиками состояния динамической системы и определяются совокупностью переменных величин x₁, x₂, x₃,…, x_N. Данное множество объединяет возможные состояния систем и агрегатов и режимы движения машины.

На основе информации о задающих воздействиях водителя, отображаемой параметрами элементов множества X, осуществляется идентификация его желаний при выборе режима движения, текущего режима работы объекта и его технического состояния, выступающего в роли ограничения в ходе реализации требуемого режима. При этом системой управления формируются управляющие сигналы, составляющие множество U = u₁, u₂, u₃,…, u_m,…, m = 1,…, M. Элементы множества U образуют M-мерный вектор столбец u = (u₁, u₂,…, u_M), компоненты которого u₁, u₂,…, u_M являются управлениями системы.

Все эти величины в общем случае являются функциями фазовых координат объекта и его управлений и, в частности, могут просто совпадать с одним из своих аргументов. Совокупность характеристик W_l, l = 1,…, L, динамической системы представляет собой вектор W = (W₁,…, W_L) в L -мерном евклидовом пространстве. Вектор W характеризует техническое состояние и режимы работы ГМ и является определяющим при формировании управляющих воздействий Координатами вектора W являются как параметры, определяемые методом прямого измерения, так и данные, найденные в результате различных процедур идентификации, характеризующие динамические свойства системы и объекта управления. Следовательно, в результате анализа указанных характеристик возможно осуществлять прогнозирование состояния объекта и организовать управление им с предвидением.

Структурная схема процесса сбора и обработки информации и формирования управляющих воздействий микропроцессорной системой, реализующей адаптивные алгоритмы управления, приведена на рис.6.

Рис. 6. Структурная схема процесса сбора и обработки информации и формирования управляющих воздействий

Установлено, что реализацию адаптивного управления агрегатами шасси ГМ целесообразно осуществлять на основе принципов нечеткой логики.

Предлагаемый в работе метод позволяет осуществлять применение указанных принципов при организации алгоритмического обеспечения и построении программ управления, реализуемых на базе «обычных» микропроцессорных систем, что обеспечит, наряду с упрощением системы управления, повышение ее устойчивости и способность адаптироваться к изменяющимся условиям функционирования объекта.

Разработка алгоритмов функционирования автоматической системы управления движением ГМ разбита на следующие этапы:

Анализ процесса, в ходе которого осуществляется исследование структуры и описание процессов функционирования объекта управления, определяются цели и задачи управления.

Постановка задачи управления включает: определение перечня параметров, характеризующих объект, выбор из их числа целевой функции, определяющей цели управления, и ограничений, накладываемых на изменения вектора управления (или его производных), нахождение (при ограниченной информации и ограниченных технических средствах) взаимосвязи вектора управления с векторами состояния и внешних воздействий и формирование управляющих воздействий направленных на наилучшее приближение системы к условиям, соответствующим экстремуму функционала

. (20)

при заданных ограничениях на изменения векторов управления и состояния .

Предварительные исследования проводятся для того, чтобы удостовериться в невозможности решения задачи классическими методами и необходимости применения именно адаптивных методов.

Решение задачи адаптивного управления, заключающееся в определении статических и динамических характеристик процесса, уточнении неизвестных параметров, выявлении термов (разбиение переменных на интервалы) и в определении действий по каждому терму (создание базы правил). После определения приоритетов действий формируется решение на управление, которое реализуется в виде системного и прикладного программного обеспечения.

Проверка результатов решения задачи адаптивного управления, состоящая в апробировании алгоритмов и разработанной на их основе программы адаптивного управления и оценке полученных результатов на моделях с использованием математического, физического, имитационного моделирования или при проведении экспериментальных исследований на реальных объектах.

Реализация принципов нечеткой логики на базе микропроцессорных систем может быть осуществлена посредством специального представления, обработки и анализа входной информации при формировании управляющего воздействия.

Информация, формирующая множество параметров, регистрируемых датчиковой аппаратурой, объединяет аналоговую, дискретную и частотную составляющие и обеспечивает микропроцессорный блок необходимыми данными для проведения идентификации состояния и режимов движения машины. Параметры, представляющие собой аналоговые сигналы и характеризующие состояние систем и агрегатов ГМ, представляются в виде набора лингвистических значений, каждое из которых определяет фазу существования объекта. В результате анализа процессов функционирования ГМ установлено, что для задания режимов работы автоматической системы управления достаточно четырех термов, характеризующих рекомендуемый, допустимый, предельный и аварийный режимы работы агрегатов шасси.

Аналоговые сигналы, составляющие группу параметров, характеризующих управляющие воздействия водителя, разбиваются на диапазоны и в зависимости от уровня задают режимы движения, наилучшие по тягово-динамическим или топливно-экономическим свойствам.

...