Моделирование и алгоритмы микропроцессорного управления трансмиссией тяжелых транспортных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Моделирование и алгоритмы микропроцессорного управления трансмиссией тяжелых транспортных машин

Специальность 05.13.18.

Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

кандидата технических наук

Маханько Андрей Анатольевич

Казань 2007

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Дегтярёв Геннадий Лукич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Афанасьев Анатолий Юрьевич кандидат технических наук, профессор Кондаков Сергей Владимирович

Ведущая организация - ОАО «Промтрактор»

Защита состоится «9» ноября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.01 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10, зал заседаний Учёного совета КГТУ им. А.Н. Туполева.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева (420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10).

Автореферат разослан «6» октября 2007 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

Профессор П.Г. Данилаев

Общая характеристика работы

транспортный электрогидравлический микропроцессорный машина

Актуальность работы. При выполнении больших объемов однородной работы наиболее эффективны крупные агрегаты. С увеличением мощности единичной машины снижаются все основные затратные показатели на единицу полезной работы - материалоемкость, энергозатраты, стоимость производства и эксплуатации и т.д. Поэтому одним из проявлений технического прогресса можно считать создание все более крупных машин.

Для тяжёлых и специальных транспортных машин увеличение их вместимости и грузоподъёмности приводит к усложнению и удорожанию их конструкции, что предъявляет особые требования к их надёжности и сроку службы, так как выход из строя такой машины будет являться тяжёлой экономической потерей для организации, эксплуатирующей эту машину.

Для выполнения возрастающих требований надёжности требуется обеспечить такие режимы работы узлов и систем, при которых износ минимален, например, в трансмиссии необходимо обеспечить плавное безударное включение передач, для чего необходимо выполнять сложные законы управления и точную настройку систем управления. Это требует использования сложных систем для управления и диагностики транспортных средств и делает актуальной проблему разработки методов моделирования процессов, происходящих в системах транспортных машин, разработки по результатам моделирования законов управления и их программной и аппаратной реализации.

Появление цифровой вычислительной техники позволило решать с высокой точностью любые формализованные задачи. Применение в вычислительной технике систем связи с внешними устройствами сделало возможным создание систем управления и диагностики практически любой сложности.

Разработкой систем управления трансмиссиями занимаются конструкторские бюро заводов, выпускающих транспортные машины, и специализированные институты.

Вопросы моделирования процессов в системах управления гидромеханическими трансмиссиями рассматривались в работах Д.Н. Попова, В.П. Тарасика, Т.М. Башты, П.П. Горбунова, А.Н. Крымского, К.Я. Львовского, В.Э. Малаховского, В.Ф. Платонова, В.Н. Прокофьева, Ф.А. Черпака и других авторов.

В настоящее время в отечественных тяжёлых транспортных машинах преимущественно применяются системы управления трансмиссиями, основанные на механических приводах и гидравлических средствах обеспечения плавности включения. В зарубежной технике начинают широко применяться микропроцессорные системы управления трансмиссиями, что обеспечивает им большие сроки службы и более высокую надёжность. Поэтому разработка методов построения микропроцессорных систем управления тяжёлыми транспортными машинами остаётся актуальной научной и технической задачей.

Цель работы. Разработка методов построения алгоритмов управления трансмиссией тяжёлой транспортной машины, обеспечивающих плавность, безударность работы трансмиссии и их реализация с использованием микропроцессорных устройств.

В соответствии с этим в работе решаются следующие задачи:

- анализ различных видов трансмиссий тяжелых транспортных машин, устройств управления и выбор физической модели электрогидравлической системы управления;

- построение математической модели и моделирование работы электрогидравлической системы управления бустером трансмиссии транспортной машины;

- синтез закона управления на основе решения обратной задачи, обеспечивающего плавное и безударное включение бустера фрикционной муфты трансмиссии;

- разработка аппаратного и программного обеспечения для микропроцессорной системы управления и диагностики тяжёлой транспортной машиной;

- разработка экономичного алгоритма программного формирования сигнала ШИМ.

- проведение стендовых и эксплуатационных испытаний разработанных систем управления и их компонентов.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались аналитические и численные методы моделирования динамических систем, теоретической механики, аэрогидродинамики, методы программирования.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем.

1. Разработана физическая модель электрогидравлической системы управления, отображающая наиболее существенные факторы;

2. Разработана удобная для практического применения математическая модель электрогидравлической системы управления бустерами трансмиссии;

3. Предложен метод синтеза алгоритма программного управления бустером трансмиссии на основе решения обратной задачи.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработан закон управления бустерами коробки перемены передач тяжёлой транспортной машины, обеспечивающий безударное включение.

2. Даны рекомендации для проектирования электрогидравлических и электронных устройств систем управления трансмиссией тяжёлой транспортной машины;

3. Разработан экономичный алгоритм программного формирования ШИМ сигналов.

4. Разработано программное обеспечение для микроконтроллеров систем управления тяжёлых транспортных машин.

5. Разработаны, испытаны и переданы в опытно-промышленную эксплуатацию системы управления трансмиссиями тяжёлых транспортных машин.

Апробация работы. Результаты работы использованы при разработке систем управления для машин, выпускаемых ОАО «Промтрактор» (г. Чебоксары): колёсный погрузчик ПК-60.01Я, бульдозеры-рыхлители Т-40.01ЯБР, Т-40.01КБР, Т-11.01Я1БР-1, а так же диагностической системы бульдозера-рыхлителя Т-11.01Я1БР-1. Все машины в настоящее время проходят эксплуатационные испытания.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17-ой международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Кострома, 2004), на 19-ой международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006), на 14-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 2007» (Зеленоград, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ и получено 2 патента.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и двух приложений. Содержит 138 страниц основного текста, 87 рисунков, список использованной литературы, содержащий 103 наименования.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы проводимых исследований, приведены цели и задачи, отражена научная новизна и практическая значимость выполненной работы.

В первой главе рассматриваются современные тенденции в разработке тяжёлых транспортных машин, главная из которых - увеличение экономической эффективности их использования за счёт увеличения грузоподъёмности и массы единичной машины, что требует повышения надежности как машины в целом, так и отдельных её систем.

Самой нагруженной системой транспортной машины является трансмиссия, поэтому рассматривается классификация трансмиссий, используемых в современных транспортных машинах.

Для обеспечения плавного и точного управления коробкой перемены передач (КПП) необходимо использовать электрогидравлические распределители, управляемые по законам, обеспечивающим безударное включение бустеров КПП.

Далее рассматривается управление гидромеханической трансмиссией с планетарной коробкой перемены передач с гидравлическим управлением.

Каждая ступень представляет собой планетарный редуктор, внешний зубчатый венец которого может свободно вращаться. Гидравлическое управление выполнено следующим образом - для того чтобы остановить его вращение и включить ступень в работу необходимо сжать пакет фрикционных дисков, которые затормозят вращение зубчатого венца. Для сжатия фрикционных дисков в конструкции предусмотрен кольцевой гидравлический цилиндр. Схематическое изображение одного из гидроцилиндров коробки перемены передач показано на рис. 1.

При управлении бустером передач возникает проблема плавности включения ступеней коробки передач. В выключенном состоянии возвратные пружины удерживают поршень бустера в исходном положении, обеспечивая гарантированный зазор между дисками фрикциона. При подаче в бустер управления передачей (рис. 1) полного давления, фрикцион сразу создает полный момент торможения, зубчатый венец резко останавливается, вызывая механический удар в трансмиссии, что приводит к её повышенному износу. Для решения этой проблемы необходимо давление в бустере поднимать плавно.

Общий вид зависимости давления в бустере от времени, обеспечивающий плавное включение бустера, требуемый разработчиками трансмиссии, показан на рис. 2, но реализовать его на практике сложно.

Дело в том, что процесс включения передачи должен быть достаточно быстрым. Но быстрое перемещение поршня бустера сопровождается расходом гидравлической жидкости в подводящей магистрали, достигающим десятков литров в минуту. При таком расходе на гидравлическом сопротивлении подводящих каналов возникает большое падение давления. По окончании перемещения поршня, когда выбраны зазоры между дисками, расход жидкости падает практически до нуля. Падение давления на гидравлическом сопротивлении подводящих каналов исчезает, что создаёт скачок давления в бустере, вызывая жесткое включение фрикциона и удар в трансмиссии. Таким образом, процесс включения передачи делится на две фазы.

Первая фаза - движение поршня бустера. При этом в системе присутствует большой расход гидравлической жидкости и за счёт падения давления на подводящих каналах давление в бустере остаётся низким. Вторая фаза - остановка поршня бустера после замыкания дисков. Расход почти полностью отсутствует и давление в бустере близко к давлению на выходе регулирующего клапана.

Проанализирована возможность создания замкнутой системы управления по сигналам датчиков давления в бустере. Установлено, что для создания эффективной замкнутой системы необходимо иметь быстродействующие электромагниты или другие быстродействующие преобразователи электрического сигнала в управляющее давление.

По мере развития микропроцессорной техники появилась возможность создания электронных систем управления трансмиссией тяжелых транспортных машин, которые позволяют реализовывать алгоритм разомкнутого программного управления, когда на электрогидроклапан подаётся сигнал, зависящий только от времени U_упр=f(t), но при формировании, которого учтено состояние параметров, влияющих на поведение системы.

Во второй главе рассмотрено построение физической модели, положенной в основу математической модели системы управления, возможные допущения и приёмы моделирования, использующие современную вычислительную технику. Использование этой модели позволяет получить расчётную схему, приведённую на рис. 3. При управлении давлением в бустере КПП участвуют следующие основные элементы: бустер (силовой гидроцилиндр), золотниковый распределитель, электромагнит с сервоклапаном, система соединительных каналов.

Рис. 3

Уравнение движения поршня в пределах рабочего хода имеет вид

(1)

где X_B - перемещение поршня, M_B - масса поршня, P_B - давление в бустере, S_B - площадь поршня, C_B - жёсткость возвратных пружин, F_0B - предварительное натяжение возвратных пружин, F_{тр_B} - сила трения поршня.

Вариантом моделирования ограничителя является искусственная остановка движения поршня по достижении ограничителя, что выражается следующей системой:

 (2)

где - сумма сил действующих на поршень бустера.

Давление в бустере определяется выражением

,(3)

где - падение давления на подводящем канале бустера.

Движение золотника описывается уравнениями, аналогичными уравнениям движения поршня бустера (2):

(4)

Входное воздействие - давление управления золотника P_YZ.

Выходное воздействие - давление в выходном канале P_Y, создаваемое управляющим клапаном.

В соответствии со схемой двухкаскадного электрогидравлического золотникового распределителя, составлена система уравнений, описывающих процессы, происходящие при управлении давлением в бустере коробки передач при включении передачи:

(5)

В третьей главе рассматривается задача математического моделирования процесса управления гидромеханической трансмиссией тяжёлой транспортной машины, и на основе решения обратной задачи определяется вид закона управления обеспечивающего плавное безударное включение бустера КПП.

Для проведения моделирования была разработана программа взаимосвязанных расчетов гидравлических и динамических процессов в виде процедуры. Программа позволяет исследовать самые различные факторы, определяющие характер процессов, протекающих в системе управлением давлением при включении бустера коробки перемены передач.

Процедура включает в себя описание всех взаимосвязанных процессов (2), (5), (6). Входными параметрами функции приняты давление питания Р0, усилие электромагнита Fem и интервал времени dt, на котором проводится расчет. Предполагается, что в начальный момент времени t0 состояние системы однозначно описано совокупностью величин P0, P1, Pyb, Pb, Qb, Qb, Qc, Xb, dXb/dt, Xz, dXz/dt, Fem, удовлетворяющих уравнениям (2), (4), (5). За время dt система примет новое состояние, характеризующееся новой совокупностью рассматриваемых параметров, удовлетворяющей уравнениям (2), (4), (5).

Значения независимых переменных Р0, Fem в момент времени t0 + dt известны. Значения остальных переменных определяется с помощью итеративного алгоритма, схема которого показана на рис. 4.

Первоначально при моделировании использовался закон управления, воспроизводящий требуемый график изменения давления в бустере.

В процессе моделирования было обнаружено, что такой закон управления не обеспечивает быстрого заполнения бустера и безударного включения ступени КПП.

Если учесть, что на движение бустера влияет большое количество факторов и взаимосвязь этих факторов сложная и динамичная, становится очевидным, что прямым перебором сочетаний значений факторов определить требуемый вид и параметры закона программного управления Uy(t) практически невозможно.

Для определения требуемого вида закона управления предлагается решить обратную задачу: заранее описать необходимую траекторию движения бустера и по ней рассчитать воздействия, которые необходимо приложить к бустеру, чтобы он двигался по желаемой траектории и закон программного изменения электрического управляющего сигнала.

Для расчета использовался следующий алгоритм.

Сначала требуется задать закон движения бустера в аналитическом виде

. (6)

Затем аналитически или методом конечных разностей найти скорость и ускорение движения бустера

, (7)

Получив эти результаты, а также зная параметры бустера и уравнение движения бустера

(8)

с учетом (6), (7), (8) можно найти закон изменения давления в бустере

. (9)

Для вычисления закона движения золотника, управляющего бустером, необходимо определить расход жидкости через золотник при заполнении бустера, который определяется скоростью движения поршня бустера

. (10)

Полученные зависимости характеризуют требуемое движение бустера. По этим характеристикам можно определить необходимое положение золотника в разные моменты времени.

Для дальнейшего расчёта необходимо получить зависимость давления в бустере от положения золотника и расхода через него. Для этого необходимо решить уравнение, полученное преобразованием системы (5):

(11)

где

.

Функции fn(Xz) и fc(Xz) показывают зависимость площади окна открытого золотником в напорной и сливной магистрали в зависимости от перемещения золотника. Эти функции и связывают перемещение золотника с давлением в бустере и расходом через бустер.

Решив уравнение (11) для известных Pb(t) и Qb(t) мы получим зависимость Xz(t) - требуемое движение золотника, необходимое для того, чтобы бустер двигался по заданной траектории Xb(t).

Для решения этой задачи необходимо, выразить из уравнения (11) функцию Pb(Qb,Xz) (рис. 5).



В этом случае результирующая функция будет решением уравнения

;(12)

Зная закон движения золотника Xz(t) и используя формулу, аналогичную (9), можно получить зависимость давления управления золотником Ру(t).

(13)

Давление управления золотником пропорционально усилию электромагнита, а усилие определяется током в электромагните, в результате получим формулу тока электромагнита:

,(14)

где Ssf - площадь приложения усилия электромагнита

Kj - коэффициент преобразования тока в усилие.

Зная параметры электрической схемы (сопротивление - R, индуктивность - L) можно определить потребное напряжение управления.

.(15)

Имея приведенный алгоритм можно, задав траекторию движения бустера, получить все характеристики, необходимые для движения по этой траектории. Траектория должна обеспечивать плавное и безударное включение бустера.

Например

.(Xb(0)=0, Vb(0)=0, Xb(Ton)?Xmax, Vb(Ton)?0)(16)

Для моделирования параметры закона движения бустера заданы так, чтобы выполнить заполнение бустера за 0,3 секунды, а максимальное перемещение бустера (X_max) составляет 6 мм.

Зная зависимость перемещения, скорости и ускорения бустера, можно определить потребный расход через управляющий клапан Qb(t) и давление в бустере Pb(t). Для определения траектории движения золотника необходимо совместить полученную характеристику с решением уравнения (12), результат такого совмещения можно увидеть на рис. 6.

Опираясь на разработанную модель можно найти ток и напряжение управления, необходимые для движения бустера по заданной траектории (рис. 7). Для наглядности сравнения ток управления J(t) умножен на величину сопротивления катушки электромагнита.

Присутствующие в функции U(t) высокочастотные составляющие являются следствием того, что при решении уравнения (13) использовалась функция, определённая в отдельных точках, между которыми была проведена линейная интерполяция. Это привело к резким изменениям характера функции на границах соседних линейных участков, а при определении U(t) операция дифференцирования привела к появлению бросков напряжения и колебательности. Для устранения этих явлений можно провести сглаживание различными численными методами (осреднение, интерполяция Эрмита).

Из рис. 7 и 8 видно, что в целом процесс управления бустером на фазе заполнения качественно должен строиться следующим образом:

- в начале должен следовать импульс напряжения, вызывающий резкое нарастание тока в обмотке электромагнита, что необходимо для приведения золотника в рабочее положение;

- в следующий период времени необходимо уменьшить управляющий сигнал, чтобы не допустить ухода золотника от заданной траектории;

- в третий период времени необходимо плавно менять управляющий сигнал, обеспечивая мягкое замыкание бустера по намеченной траектории, причём характер управляющего сигнала будет определяться заданным характером движения бустера (в данном случае экспоненциальный).

Траектория бустера, описанная экспонентами (17) удобна для анализа, но имеет ряд недостатков, например, она формально никогда не достигает Xmax.

Для сравнения рассмотрим траекторию бустера, описанную полиномом вида:

.(17)

Для определения коэффициентов а_i необходимо учитывать условия, наложенные на траекторию(Xb(0)=0, Vb(0)=0, Xb(Ton)=Xmax, Vb(Ton)=0).

Из результатов моделирования следует, что при использовании траектории, описанной полиномом, сохраняются качественные зависимости, определённые при использовании экспоненциальной траектории.

По результатам моделирования предложен вид закона управления бустером, представленный на рисунке 9, который состоит из 4 участков.

1) Импульс, способствующий быстрому перемещению золотника в рабочую область и ускоряющий заполнение бустера.

2) Фаза плавного заполнения бустера состоящая из нескольких линейных участков и обеспечивающая замыкание бустера без броска давления.

3) Фаза плавного подъёма давления, обеспечивает плавный разгон зубчатого зацепления через буксование фрикционных дисков.

4) Подъём давления до максимального уровня.



Параметры закона управления T1, T2, T3, T4, U1, U2, U3, U4, U5, отмеченные на рис. 9, определенные экспериментально или аналитически, реализуются микропроцессорным блоком управления.

Такой закон управления с рационально подобранными параметрами обеспечивает быстрое включение передачи, плавное замыкание бустера и плавный разгон зубчатого зацепления.

На рисунке 10 показана работа системы при предложенном законе управления, обеспечивающем быстрое (0,2 секунды) безударное замыкание бустера и плавный подъём давления.

Получив требуемый закон управления, необходимо установить, влияние на работу системы различных факторов. Например, изменения параметров закона управления, изменения диаметров дросселей входящих в гидросистему и т.д.

Рис. 10

При моделировании процесса управления бустером с изменением наложенных ограничений и параметров закона управления, установлено, что система сохраняет работоспособность в широких пределах (20%).

Разработанная модель электрогидравлической системы управления включения бустера позволяет исследовать влияние самых разнообразных факторов на процессы, происходящие в системе. По результатам моделирования и последующих экспериментальных исследований различных вариантов конструкции электрогидравлических распределителей были выработаны рекомендации по рациональной конструкции распределителя.

1. Для обеспечения более высокой точности регулирования в области малых давлений требуется разработать электрогидравлический распределитель с нелинейной зависимостью формируемого давления от управляющего электрического сигнала Р_В(Uy), качественный вид которой показан на рисунке 11.

Предложенная статическая характеристика обеспечивает более точное регулирование в области малых давлений управления, наиболее важной для обеспечения быстрого, плавного и безударного включения бустера КПП. Благодаря растянутому начальному участку характеристики уменьшается влияние погрешностей при формировании управляющего напряжения и изменения параметров системы в процессе работы. По завершении процесса замыкания бустера и плавного увеличения давления в нем, фрикцион обеспечивает передачу момента, достаточного для безударного включения передачи. Давление в бустере можно быстро увеличить до давления питания, поэтому предлагаемая статическая характеристика имеет резкий подъем в конце.

2. Увеличить диаметр дросселя обратной связи золотника. Это обеспечит возможность быстрых перемещений золотника в процессе регулирования для парирования пика давления в момент замыкания бустера.

3. Сила развиваемая электромагнитом определяется током через обмотку, а традиционно управляемой величиной является напряжение. При работе машины температура обмотки меняется в очень широких пределах (до +120 єС), что приводит к большим изменениям тока при неизменном напряжении. Связанные с этим явлением изменения параметров системы приводят к тому, что реакция системы на одни и те же управляющие воздействия изменяется. Для устранения такого влияния необходимо либо корректировать закон управления в зависимости от температуры клапанов системы, либо обеспечить управление током в обмотках управления, а не напряжением на них.

В четвёртой главе рассматриваются вопросы программной и аппаратной реализации микропроцессорной системы управления тяжёлой транспортной машиной.

Определено что, на тяжёлых транспортных машинах выделяется три основных вида бортовых микропроцессорных систем: диагностические, управления двигателем и управления машиной в целом.

Наиболее удобным вариантом управляющей микросистемы на транспортной машине будет микропроцессорный блок управления на основе однокристального микроконтроллера.

Каждое из устройств решает свойственные ему задачи. Таким образом, при управлении транспортной машиной возникает четыре основные задачи:

- приём команд и сигналов;

- отслеживание ограничений и предельных режимов;

- обмен информацией с другими элементами системы управления и сервисными системами.

- формирование управляющих сигналов;

Команды и сигналы, используемые в системах управления, делятся на несколько видов:

- дискретные - кнопки, переключатели, сигнализаторы;

- аналоговые - поворот рычага, сигнал датчика с аналоговым выходом;

- частотные - датчики оборотов, скорости;

- омические - датчики температуры.

Для приёма дискретных сигналов в составе управляющего контроллера достаточно иметь устройство согласования уровней сигналов.

Для считывания аналоговых сигналов необходимо иметь в составе управляющего устройства аналого-цифровой преобразователь.

Для приёма частотных сигналов необходимо иметь устройство на основе счётчика.

Для приёма частотных сигналов низкой частоты можно использовать вход внешнего прерывания и внутренний таймер контроллера. Для этого необходим следующий алгоритм.

Аппаратный таймер (TMR) генерирует прерывания через определённые промежутки времени. По каждому прерыванию, заранее зарезервированная переменная (NT) увеличивается на единицу, таким образом, виртуально увеличивается разрядность таймера. Подсчет в этой переменной начинается после завершения предыдущего цикла измерения. При поступлении очередного внешнего прерывания (на внешнее прерывание подключается сигнал, частота f которого измеряется) можно произвести измерение частоты по следующей формуле:

,(18)

где - число, определяющее период работы таймера;

- число, накопленное в таймере на момент внешнего прерывания;

- период срабатывания таймера.

После вычисления частоты необходимо сбросить и таймер и переменную подсчёта периодов для начала нового цикла измерения. Частоту так же можно вычислить по упрощенной формуле.

Обмен информации в системах управления необходим, так как для управления разными системами транспортной машины, как правило, создаются разные, специализированные устройства.

При формировании дискретных (логических) сигналов достаточно обеспечить режимы «включено» и «выключено», что удобно при использовании микроконтроллеров.

Алгоритм формирования аналоговых управляющих сигналов должен учитывать особенности устройств, которыми они управляют. Для управления инерционными исполнительными устройствами (в частности пропорциональными электромагнитами) рационально использовать сигналы вида ШИМ высокой частоты, которые легко формируются аппаратурой микроконтроллеров.

Можно выделить три вида управляющих сигналов.

Первый - пропорциональные сигналы, то есть такие, величина которых определяется только изменениями входных сигналов:

.

Второй - сигналы программного управления, величины которых меняются во времени, состояние входных сигналов служит только для их инициирования:

.

Третий вид управляющих сигналов - комплексный. В этом случае закон управления представляет собой функцию времени, параметры которой зависят от состояния системы.

Программное обеспечение системы содержит загрузочную часть, исполняемую при запуске системы, и циклическую рабочую часть, период цикла выбирается исходя из динамических свойств системы управления.

Циклическая часть исполняемой программы должна иметь три основные ветви:

Первая выполняется на каждом цикле программы и содержит процедуры обработки входных сигналов и формирования выходных сигналов, не зависящих от времени.

Вторая имеет две или более подветви и отвечает за формирование выходных сигналов, зависящих от времени.

Третья, также как и первая, выполняется на каждом цикле программы, но, в отличие от неё, она не связана с управление машиной в целом, а содержит сервисные функции.

Вариантом формирования управляющего сигнала является использование цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и пропорционального усилителя.

Альтернативой ЦАП является использование сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которые сейчас широко используются в цифровых системах управления.

Для формирования управляющего ШИМ сигнала в составе некоторых типов микроконтроллеров предусматриваются специальные устройства.

Чтобы восполнить недостаток аппаратных средств формирования ШИМ используется алгоритм программного формирования ШИМ.

Главным недостатком традиционного алгоритма является то, что на отрезке времени между двумя прерываниями таймера много времени и вычислительных возможностей тратится на обслуживание сигналов ШИМ. Это существенно ограничивает количество генерируемых сигналов ШИМ и их частоту, так как требуется резервировать большие промежутки времени, что приводит к увеличению периода ШИМ сигнала.

Такой алгоритм использовался при проектировании системы управления колёсного погрузчика ПК-60.01Я. В системе имелось 6 каналов управления, все были выполнены как ШИМ сигналы, на формирование ШИМ тратилось 51% рабочего времени контроллера.

Если бы требовалось обслуживать 12 каналов, процедура обслуживания ШИМ забирала бы более 93% времени контроллера.

Для решения некоторых из этих проблем предлагается новый экономичный алгоритм (рис. 12).

При каждом прерывании счетчик времени увеличивается на единицу. Период ШИМ сигнала соответствует переполнению счётчика (для восьмиразрядных систем - 255). В начале цикла указатель массива устанавливается на начало массива, а текущее значение счётчика времени сравнивается с выбранным значением Ni. Как только значение счётчика превышает Ni, производится операция «И» между текущим значением порта вывода, в котором должны быть сосредоточены сигналы ШИМ, формируемые этим алгоритмом, и маской Mi в результате чего некоторые разряды порта вывода будут обнулены. Так же в этот момент указатель «передвигается» на следующий элемент массива (i = i+1).

Таким образом, частота ШИМ определяется периодом между прерываниями, заданным таймером. Скважность каждого импульса определяется соотношением соответствующего регистра Ni и максимального значения счётчика времени при данной разрядной сетке (для восьмиразрядных систем - 255).

Достоинством данного метода по сравнению с предыдущим является то, что на каждом прерывании (кроме начала цикла) выполняется только одна операция сравнения и не больше трех математических операций. Это существенно экономит вычислительные ресурсы системы.

В КГТУ им. А.Н. Туполева по заказу ОАО «Промтрактор» был разработан блок управления «Омега-1», который использовался в системе управления трансмиссией бульдозера-рыхлителя Т-40.01ЯБР. В этом случае высокое разрешение сигнала ШИМ позволило обеспечить плавность управления поворотом трактора.

Кроме разрешающей способности и частоты коммутации большое значение для выходных цепей блока управления имеет защита от коротких замыканий и перегрузок.

При разработке системы управления трансмиссией бульдозера-рыхлителя Т-40.01КБР был использован микропроцессорный блок фирмы Sauer-Danfoss марки Plus1 MC 050-010, в котором используется система защиты выходных ключей от короткого замыкания в нагрузке.

При разработке программного обеспечения на первый план выходит логика управления машиной и набор управляющих сигналов, используемых в системе.

При разработке систем управления ПК-60.01 и Т-40.01ЯБР использованы результаты моделирования, представленные в главе 4. Предлагаемые рекомендации учитывались при разработке в ИЦ Омега конструкции специализированных электрогидравлических распределителей.

Система управления трансмиссией, разработанная для ПК-60.01, стала первой отечественной микропроцессорной системой на тяжёлой транспортной машине. Экспериментальные образцы разработанных электрогидравлических распределителей проходили стендовые испытания.

На рисунке 13 показаны результаты работы стенда с макетным образцом системы.

На основе микропроцессорного блока управления можно разработать диагностический блок. Главным отличием диагностического блока от блока управления является малое количество или полное отсутствие выходных сигналов и большое количество входных сигналов разных типов. Для бульдозера Т-11.01Я1БР-1 была разработана информационно-диагностическая система на основе блока MC 024-010 и монитора DP 620.

Применение микропроцессорных устройств на тяжёлых транспортных машинах позволяет решать новые задачи. Например, при разработке системы управления Т-40.01ЯБР был произведён эксперимент, в котором трактор двигался по заранее запрограммированной траектории без участия водителя.



Рис. 13

На рисунке 14 приведена работа клапана, разработанного для бульдозеров-рыхлителей Т-40 и Т-11 в режиме управления трансмиссией.

Рис. 14

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Основные результаты работы

1. Разработана удобная для практического применения математическая модель электрогидравлического устройства, позволяющая быстро проводить моделирование электрогидравлических устройств и оценивать влияние различных факторов на работу системы.

2. На основе решения обратной задачи разработан закон управления ступенью коробки перемены передач тяжёлой транспортной машины, обеспечивающий плавное включение бустера планетарной коробки перемены передач, что существенно увеличивает срок службы коробки и повышает её надёжность.

3. Даны рекомендации для проектирования электрогидравлических и электронных устройств систем управления трансмиссией тяжёлой транспортной машины.

4. Разработан экономичный алгоритм программного формирования ШИМ сигналов.

5. Разработано программное обеспечение для систем диагностики и управления тяжёлых транспортных машин.

6. Разработана система управления трансмиссией тяжёлых транспортных машин.

7. Изготовлены, испытаны и переданы в опытно-промышленную эксплуатацию системы управления трансмиссиями тяжёлых транспортных машин.

Публикации по теме диссертации

1. Дегтярёв Г.Л., Маханько А.А. Опыт применения микропроцессорных систем управления на тяжёлых транспортных машинах./ Вестник казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, №1(45), 2007.

2. Дегтярёв Г.Л., Маханько А.А. Решение обратной задачи управления бустером гидромеханической трансмиссии тяжёлой транспортной машины / Препринт. Казань. Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2007.

3. Маханько А.А. Моделирование процесса управления трансмиссией. Труды XIX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Воронеж, 30 мая - 1 июня 2006.

4. Маханько А.А. Экономичный алгоритм формирования ШИМ сигналов. Тезисы 14 всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 2007», Зеленоград, 18-20 апреля 2007.

5. Маханько А.А. Формирование закона управления бустером гидромеханической трансмиссии транспортной машины. Труды XX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Ярославль, 28 мая - 1 июня 2007.

6. Маханько А.В., Маханько А.А. Многодисковая фрикционная муфта. Патент РФ №61372 U1 F16D 13/52 .

7. Маханько А.В., Маханько А.А., Кириллов А.А., Михайлов С.А. Клапан для управления давлением (варианты). Патент РФ № 61376 U1 F16K 3/00.

8. Mahanko A.A. Heavy-duty transport vehicle transmission electrohydraulic devices control. 11th International student olympiad on automatic control, Saint-Petersburg, Russia, 17-19 May, 2006.

Формат 6084¹/₁₆. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ.л. 1,25 .Усл.печ.л. 1,16 .Усл.кр.-отт. 1,21 .Уч.-изд.л. 1,05 .

Тираж 100. Заказ К160.

Типография издательства Казанского государственного технического университета.

420111, Казань, К.Маркса, 10.

Размещено на Allbest.ru

...