Информационные технологии моделирования рабочего процесса автогрейдера при планировании грунта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Информационные технологии моделирования рабочего процесса автогрейдера при планировании грунта

Кононов А.А.,

Иванов С.А.,

Тютерев А.А.

Автоматизация управления землеройно-транспортными машинами является весьма актуальной проблемой, так как позволяет значительно повысить эффективность их использования при одновременном улучшении условий труда оператора [1]. В работе [2] рассматривалась система автоматического управления рабочим органом автогрейдера в процессе копания грунта, использующая в качестве информационных параметров объем грунта перед отвалом и действительную скорость движения машины, что позволяет добиться максимума текущей производительности. Однако не менее актуальным является создание современной системы автоматического управления рабочим органом автогрейдера для процесса планирования грунта, так как известные в данной области системы автоматизации являются, как правило, стабилизирующими высотное положение отвала устройствами, не позволяющими значительно повысить эффективность работы землеройно-транспортных машин.

Применительно к процессу планирования целью автоматического управления должно быть достижение максимально возможной производительности машины при заданном качестве обрабатываемой поверхности. В этом случае оптимальным будет алгоритм работы, при котором управляющее воздействие приводит к изменению не толщины срезаемой стружки грунта, а угла захвата отвала. Если ранее для серийно выпускаемых автогрейдеров изменение угла захвата во время рабочего процесса было затруднительным (а для большинства моделей - невыполнимым) из-за ограничений, связанных с максимально возможным создаваемым усилием для поворота основного отвала, то в настоящее время, в связи с общим уровнем развития науки и техники, подобный вариант управления становится (как показали проведенные предварительные экспериментальные исследования) вполне реальным, особенно для планирования насыпного грунта.

С целью проверки правильности подхода к решению задачи автоматизации процесса планирования грунта автогрейдером необходимо оценить изменение ширины полосы разработки грунта во времени. Имитационное моделирование процесса осуществлялось в пакете SIMULINK программного комплекса MATLAB 6.0. Структурная схема модели, состоящая из четырех модулей, представлена на рисунке 1.

Представленная модель работы автогрейдера с системой автоматического управления основным отвалом в процессе планирования имеет следующие допущения:

§ силы сопротивления, действующие на отвал со стороны грунта, принимались нормально распределенными [3] по обрабатываемой поверхности;

§ изменением скорости поворота отвала от величины сил сопротивления грунта перемещению и скольжению по отвалу можно пренебречь.

Входной сигнал для моделирования генерируется в модуле 1.

Рисунок 1 - Структурная схема моделирования рабочего процесса автогрейдера при планировании грунта

Блок Clock 1 задает непрерывно изменяющееся время, которое является переменной U(1) для функции Fcn 1. Дисперсия определяется блоком Constant 1 и служит для функции Fcn 1 переменной U(2).

Задаваемое блоком Constant 2 математическое ожидание соответственно используется в функции Fcn 1 в качестве переменной U(3). Значения U(1), U(2), U(3) подаются на входы Mux 1, выходной сигнал которого поступает на блок Fcn 1. Блок функции вычисляет по входным значениям величину, соответствующую нормальному распределению, и передает ее в модуль 2. автоматический управление информационный

Модуль 2 предназначен для обеспечения повторения закона нормального распределения блоками временной задержки Transport Delay 1 - Transport Delay 4 на все время моделирования.

Для предварительных исследований задавался относительно небольшой интервал моделирования в 250 секунд. С точки зрения физической сущности реального процесса считаем, что отсчет временного интервала моделирования начинается только с момента преобладания текущих информационных параметров над заданными опорными значениями [4], то есть когда система автоматического управления "вышла на нормальный режим" непрерывного поиска экстремума производительности. Сумматор 1 осуществляет сложение отдельных составляющих входного сигнала, соответствующего равнодействующей сил сопротивления, действующих на отвал со стороны грунта.

Для моделирования работы автогрейдера с изменением угла захвата бзх отвала используется модуль 3. Сначала осуществляется сравнение полученных значений в текущий момент времени и в предыдущий момент времени (запаздывание обеспечивается блоком Transport Delay 5) блоками сравнения Relational Operator 1 и Relational Operator 2. Результат сравнения ("0" или "1") подается на Mux 2 и Mux 3.

Выходной сигнал с мультиплексоров Mux 2 и Mux 3 подается на вход Fcn 2 и Fcn 3 как переменные U(2). Блоки функций Fcn 2 и Fcn 3 перемножают сумму (или разность) текущего значения положения отвала с величиной Дбзх (задающейся блоком Constant 3 и поступающей на Fcn 2 и Fcn 3 через мультиплексоры Mux 2 и Mux 3 как переменные U(3) и U(1) соответственно), на выходную величину соответствующего блока сравнения.

Сигнал обратной связи о текущем положении отвала берется с выхода Saturation 1 и проходит через блоки памяти Memory 1 и Memory 2. Далее эта информация, пройдя через Mux 2 и Mux 3, подается на блоки Fcn 2 и Fcn 3 как переменные U(1) и U(3) соответственно.

На выходе одного из блоков функций (Fcn 2 и Fcn 3) формируется сигнал, увеличивающий (Fcn 2) или уменьшающий (Fcn 3) угол захвата отвала на величину Дбзх. Выходным является сигнал суммы Fcn 2 и Fcn 3, получаемый с помощью сумматора 2. Следует отметить, что блок Saturation 1 осуществляет также ограничение (демпфирование) выходного сигнала. Полученный сигнал является "профилем" дорожного полотна по одному борту автогрейдера.

Модуль 4 предназначен для удобства представления результатов в виде ширины получаемой полосы разработки грунта. Посредством Scope 1 на осциллограмме (рисунок 2) отображается расстояние, которое характеризует готовую поверхность дорожного полотна, не требующую дополнительной обработки.

Анализ полученных результатов подтвердил правильность принятого подхода к решению задачи повышения эффективности работы автогрейдера в процессе планирования грунта за счет применения системы автоматического управления отвалом.

Проведенные исследования имеют практическое значение и могут быть полезны специалистам, работающим в области проектирования, совершенствования и эксплуатации автогрейдеров с применением информационных технологий.

Рисунок 2 - Осциллограмма изменения ширины полосы разработки грунта

Литература

1. Устинов Ю.Ф., Тепляков И.М., Авдеев Ю.В., Кононов А.А. Основные концептуальные принципы автоматизации и дистанционного управления землеройно-транспортными машинами // Изв.вузов. Строительство. - 2005. - № 6. - С. 65 - 67.

2. Устинов Ю.Ф., Кононов А.А. Новые информационные технологии автоматизации управления рабочим органом землеройно-транспортной машины в процессе копания грунта // Материалы XI международной научно-технической конференции "Информационная среда вуза". - Иваново, 2004. - С. 111 - 114.

3. Гурман В.Е. Теория вероятности и математическая статистика: учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1999. - 497 с.

4. Кононов А.А. Экспериментальное определение уровня опорных сигналов для системы автоматического управления рабочим органом автогрейдера // Изв.вузов. Строительство. - 2000. - № 7-8. - С. 99 - 101.

Размещено на Allbest.ru