CC BY
47
УДК 622.23
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ХОЛОДНОЙ ФРЕЗЫ
В. Н. Кузнецова, А. Н. Шаймарданов
Аннотация. В данной статье анализируется влияние на потребление мощности холодной фрезы и характеристика нагрузки двигателя. Разработана имитационная модель для холодной фрезы и метод адаптивного пропорционально интегрального дифференциального (ПИД) регулирования, используется в имитационном моделировании. На основании этих исследований разработана имитационная модель холодной фрезы с помощью программного обеспечения AMEsim 4.2.
Ключевые слова: холодная фреза, адаптивная мощность, параметры управления, моделирование.
Введение
Холодные фрезы используется главным образом для текущего ремонта автомобильных дорог и их реконструкции. Машины фрезеруют дорожное полотно во время движения. Так как толщины и свойства фрезеруемого материала на различных строительных площадках неодинаковые, нагрузка на двигатель холодной фрезы изменяется случайно. Поскольку нагрузка двигателя холодной фрезы динамична в ходе рабочего процесса, изменение нагрузки двигателя машины является величиной нелинейной. Установить режим работы холодной фрезы только из опыта оператора и ручного управления машиной практически невозможно. Адаптивная система управления мощностью необходима для автоматической настройки холодной фрезы для работы на номинальной мощности или в наиболее эффективном режиме.
Основная часть
С учетом сложного и весьма неопределенного характера таких динамических систем как управление мощностью холодной фрезы, использование контроллеров возможно. Однако их недостатком является необоснованное снижение производительности машины при снижении мощности двигателя.
В отличие от контроллеров с постоянным коэффициентом усиления, которые поддерживают заданные константы в рамках закона управления с обратной связью для поддержания повышенной отказоустойчивости, адаптивные контроллеры прямо или косвенно регулируют коэффициенты усиления обратной связи для поддержания устойчивости при замкнутом контуре управления и повышения эффективности в условиях неопределенности системы. Адаптивные контроллеры могут работать с гораздо более высоким уровнем неопределенности системы управления для того, чтобы увеличить производительность машины. Поэтому
адаптивный метод контроля используется в управление мощностью холодной фрезы.
Здесь необходимо определиться с выбором эффективных параметров управления.
Существуют две точки зрения относительно параметров управления мощностью фрезы. Одна точка зрения состоит в том, что частота вращения режущего барабана - главный фактор, влияющий на мощность двигателя. Вторая точка зрения заключается в том, что на мощность двигателя главным образом влияет скорость передвижения машины.
Анализ результатов экспериментальных данных указывает на то, что частота вращения режущего барабана оказывает большой влияние на потребление мощности [1]. В [1] описывается начало процесса фрезерование, статическое и динамическое сопротивление режущего барабана. Исследованы законы сопротивления резанию барабана фрезы в зависимости от угловой скорости резца. Однако автор пренебрегает скоростью передвижения машины.
В [2] приведено описание характеристик работы холодной фрезы с динамической точки зрения. Изучено влияния скорости режущего барабана, скорости машины, глубины фрезерования, параметров резца, свойств обрабатываемых материалов на сопротивление фрезерованию и расход мощности. Авторами получена формулу для расчета мощности фрезерования, которая включает скорость машины. Однако авторы приходят к заключению, что скорость резания фрезерным барабаном намного выше, чем скорость движения машины, и поэтому скоростью движения машины пренебрегли.
Анализ влияния скорости передвижения машины на мощность двигателя подробно приведен в [3]. Однако четкого обоснования скорости передвижения машины как параметра управления мощностью не приведено.
Рассмотрим рабочий процесс фрезерования.
Согласно адаптивной теории управления функция адаптивного управления мощностью фрезы должна регулировать расход мощности и установить эффективный режим работы машины, который состоит в том, что при величине номинальной мощности машины будет достигнута максимальная производительность холодной фрезы.
Потребление мощности фрезерного барабана зависит от многих параметров. Тем не менее, такие параметры, как угол фрезерования, угол трения передней поверхности режущего зуба, радиус фрезерного барабана и разрушающая сила разлома фрезеруемого материала можно рассматривать как постоянные. Фрезерный барабан фактической машины, как правило, приводится в действие двигателем посредством коробки передач. Так как передаточное число редуктора составляет около 20, то угловая скорость фрезерного барабана изменяется незначительно при изменении частоты вращения двигателя. Следовательно, угловая скорость фрезерного барабана может также рассматриваться в качестве постоянной величины. Отношение между потреблением мощности системы фрезерного барабана и скоростью машины является квадратичным. Поэтому регулирование потребления мощности фрезерного барабана посредством изменения скорости машины эффективно и обоснованно.
Следует отметить, что двигатели для холодных фрез часто оснащены управляющим устройством, ограничивающим максимальную скорость работы. Таким устройством управления для двигателя фрезы является модулятор. Из нагрузочной характеристики двигателя при его полной загрузке (рис. 1.) видно, что выходная мощность двигателя изменяется при изменении частоты вращения. Регулировка выходной мощности двигателя может быть реализована посредством корректировки нагрузки фрезерования машины. В то же время нагрузка фрезерования машины может быть скорректирована изменением скорости машины. Следовательно, частота вращения двигателя может регулироваться изменением скорости машины. Если модулятор масляного насоса устанавливается в номинальном режиме работы, но нагрузки на двигатель фрезы резко возрастает, то частота вращения двигателя будет увеличиваться.
Частота бращения ддигателя об/мин
Рис. 1. Нагрузочная характеристика двигателя холодной фрезы
Соотношение между основной потребляемой мощностью машины и скоростью ее передвижения является также квадратичным. Скорость машины имеет большое влияние не только на потребление мощности фрезерного барабана, но и на приводную систему. Поскольку эти две части потребления мощности относятся к скорости машины, то величины потребляемой мощности фрезерного барабана и привода системы могут быть скорректированы изменением скорости передвижения машины. Поэтому скорость машины выбрана в качестве параметра адаптивного управления мощностью двигателя.
На основе теоретического анализа и некоторых экспериментальных результатов разработана имитационная модель холодной фрезы (рис. 2.) с использованием программного обеспечения AMEsim 4.2. Характеристики двигателя и крутящего момента в модели взяты из фактических параметров холодной фрезы. Редуктор соединен с двигателем. Выходная мощность делится на две части коробкой передач. Одна часть мощности затрачивается на привод и вращение режущего барабана, другая часть на системы гидравлического привода, в котором расход насоса может быть изменен и расход мотора регулируется.
Рис. 2. Имитационная модель холодной фрезы
Адаптивный самонастраивающийся метод управления используется в системе управления машиной. Параметры ПИД-контроллера можно регулировать в соответствие с режимом работы машины. Использование адаптивного ПИД-контроллера обосновано в [7-11].
В качестве кривых изменения параметров работы двигателя выбрана синусоида (рис. 3.). Базовой частотой вращения двигателя в адаптивной системе управления мощности является номинальная частота вращения.
Рис. 3. Кривая интерференционной нагрузки
Когда машина не оснащена адаптивным контроллером мощности, скорость машины и нагрузка фрезы имеет тенденцию меняется по законам, показанным на рис. 4 - 6. Средняя скорость машины 10,44 м-мин-1 и отклонение амплитуды скорости только 1 м-мин-1, в то время как отклонение частоты вращения двигателя 117 об/мин. Погрешность смоделированной скорости машины между экспериментальными результатами находится в пределах 6 %, если машина не имеет адаптивного контроллера. Выходная вариация амплитуды мощности двигателя 42 кВт, средняя выходная мощность составляет лишь 115,6 кВт, а коэффициент использования номинальной мощности двигателя 87,5 % (рис. 6.).
2400
ш
^1000 -
и
(С
у 000 --------1--------1-------1--------1-------1--------
О 10 20 30 40 50 60
Время, с
Рис. 4. Изменение частоты вращения двигателя: 1 - с адаптивным контроллером управления мощностью, 2 - без адаптивного контроллера управления мощностью
Рис. 5. Изменение рабочей скорости машины: 1-с адаптивным контроллером управления мощностью, 2 - без адаптивного контроллера управления мощностью
140
1И>
I-
со
!£
к
I
I 81)
ч
л
о 60
X
н
о
20
О 10 20 30 40 50 60
Время, С
Рис. 6. Изменение мощности двигателя машины: 1 - с адаптивным контроллером управления мощностью, 2 - без адаптивного контроллера управления мощностью
После того как адаптивный контроллер мощности установлен на машине, производительность повышается. Частота вращения двигателя гладкая кривая. Средняя выходная мощность двигателя 128,9 кВт, коэффициент использования номинальной мощности двигателя, увеличился на 10,2 %. Средняя скорость машины 11,11 м/мин, а производительность увеличивается до 6,32 %. Скорость машины с адаптивным контроллером на 0,6 м/мин больше, чем без контроллера, в то время как средняя выходная мощность двигателя увеличивается на 13,44 кВт. Эти результаты показывают, что является целесообразным и эффективным выбрать скорость машины как управляющий параметр.
Выводы
1. При отсутствии адаптивной системы управления сигнал модулятора масляного насоса и мощность машины постоянны. Изменение нагрузки фрезерования машины влияет на частоту вращения двигателя непосредственно, и машина не может автоматически изменить частоту вращения двигателя для того, чтобы регулировать нагрузку фрезерования, если приводные колеса не проскальзывают. Это приводит к перегрузке или малой загрузке двигателя.
2. Когда адаптивной контроллер мощности установлен на машине, изменения режимов фрезерования, расхода насоса также регулируются посредством контроллера методом постепенного изменения скорости передвижения машины. Коэффициент использования номинальной мощности двигателя значительно возрастает.
3. Кривые характеристик частоты вращения двигателя при его полной загрузке также
і і і і
і і і і
і і і *
і і і <
\ >
Г і Г 1
І І I
показывают, что мощность двигателя снизится, если его частота вращения отличается от номинального значения. Выходная мощность двигателя уменьшается максимум на 42 кВт, если машина работает в режиме небольшой нагрузки, в то время как выходная мощность двигателя уменьшается, лишь на 8 кВт, если двигатель работает в режиме перегрузки. Если машина оснащена адаптивным регулятором мощности, выходная мощность двигателя уменьшается незначительно, и эта величина практически совпадает с номинальным значением. Погрешность скорости машины полученной моделированием и экспериментальные результатами находится в пределах 6 %.
4. Выбор скорости машины как адаптивного параметра позволяет регулировать загрузку фрезы и стабилизировать её работу. Машина может также осуществлять самонастройку и устанавливать коэффициент использования номинальной мощности двигателя в наибольшем его значении.
5. Адаптивный регулятор уровня мощности формирует сигналы повышения расхода насоса до достижения максимального значения. Это приводит к увеличению скорости и производительности машины до максимального значения. При быстром изменении нагрузки фрезерования адаптивные системы регулирования мощности дают больший эффект.
6. Основываясь на приведенном выше исследовании, был смоделирован рабочий процесс холодной фрезы. Моделирование базировалось с учетом реальных условий эксплуатации холодной фрезы. Ошибка в значениях скорости машины между смоделированными и опытными данными находится в пределах 3 %. Полученные результаты могут быть использованы для реальных систем управления.
7. Использования скорости движения холодных фрез как управляющего параметра обосновано и эффективно. Двигатель холодной фрезы может обеспечивать номинальную мощность и работать с наибольшей производительностью посредствам самонастраивания адаптивной системы регулирования мощности. Коэффициент использования номинальной мощности двигателя увеличивается более чем на 10,2 %. Производительность машины возрастает, по крайней мере, на 6,32 % в различных рабочих условиях.
8. Полученные результаты могут применяться для разработки систем управления не только холодных фрез, но и других машин.
Библиографический список
1. Sun, Z.-W., L.I. Tai-jie, H.-X. Yao. 1991. Dynamic Investigation of the Operation Process of Road-mix Soil Stabilization and Method of Simulation. China Journal of Highway and Transport 1, 31-42.
2. Zeng, W.-B., M. Zhao, H. E. Ting-ji. 2004. Working Performance for Asphalt Road Plane Milling Machine. Journal of Chang'an University (Natural Science Edition) 24, 58-61.
3. Lu, Q.-P., C.-J.Wei, Y.-B. Hu. 2005. Design of Adaptive Power Controller for RoadMillingMachine. ConstructionMachinery 9, 82-85.
7. Poulin, E., A. Pomerleau, A. Desbiens and D. Hodouin. 1995. Development and Evaluation of an Auto-Tuning and Adaptive PID Controller. Automatica, 32(1), 71-82.
8. Lam, B.D. and C.H. Lam. Adaptive PID Control Application for an Airflow Monitoring System, SAE, ref 921220.
9. Astrom, K. and H. Hagglund 1995. PID Controller. Research Triangle Park, NC: Instrument Society of America. Second Edition.
10. Lin, F., R. Brandt and G. Saikalis. 2000. Self Tuning of PID Controller by Adaptive Interaction. In Proceedings of the American Control Conference Chicago, Illinois, pp. 3676-3681.
11. Hayakawa, T. 2003. Direct Adaptive Control for Nonlinear Uncertain Dynamical Systems. Ph.D. Thesis, Georgia Institute of Technology.
IMITATING MODEL OF WORKING PROCESS OF THE COLD MILL
V. N. Kuznetsova, A. N. Shaymardanov
In this article influence on consumption of capacity of a cold mill and the characteristic of loading of the engine is analyzed. The imitating model is developed for a cold mill and a method adaptive in proportion integrated differential (PID) of regulation, is used in imitating modeling. On the basis of these researches the imitating model of a cold mill by means of AMEsim 4.2 software is developed.
Кузнецова Виктория Николаевна - д-р технических наук, профессор, Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ). Основные направления научной деятельности -Оптимизация рабочих органов землеройных и землеройно-транспортных машин. Общее количество опубликованных работ: 90. e-mail:
nis@sibadi.org
Шаймарданов А. Н. - аспирант Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии «СибАДИ».
