CC BY
19
УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА
УДК 621.643
МЕХАТРОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
© 2014 г. М.Э. Шошиашвили, И.С. Шошиашвили
Шошиашвили Михаил Элгуджевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: shosh61@yandex.ru
Шошиашвили Ирина Сергеевна - канд. пед. наук, доцент, кафедра «Физика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: isshosh@mail.ru
Shoshiashvili Mikhail Elgudghevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Mechatronics and Hydropneumoautomatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: shosh61@yandex.ru
Shoshiashvili Irina Sergeevna - Candidate of Pedagogical Sciences, assistant professor, department «Physics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: isshosh@mail.ru
Рассмотрены вопросы алгоритмизации управления мехатронным трубоукладочным комплексом и моделирования его работы. Результаты моделирования работы всех подсистем укладочной колонны позволили определить время опроса информационной системы и выдачи управляющих команд.
Ключевые слова: изоляционно-укладочная колонна; мехатронный комплекс; робототехнический комплекс; система регулирования нагрузки на крюке трубоукладчика; система регулирования дистанций между трубоукладчиками.
Questions of algorithmization of management mechatronics pipe-placementing complex and modelling of its work are considered. Results of modelling of work of all subsystems placementing columns allowed to define sampling time of the informational system and delivery of operating commands.
Keywords: insulating placementing column; mechatronics complex4 robotics complex; system of control of loading on a pipe-layer hook; system of control of distances between pipe-layers.
Алгоритмизация управления мехатронным трубоукладочным комплексом
Рассмотрим алгоритмическую организацию управления мехатронным трубоукладочным комплексом, принципы построения которого и схема расстановки машин изложены в работе [1]. Здесь каждый кран-трубоукладчик представляет собой некий локальный робототехнический комплекс (РТК), а вся изоляционно-укладочная колонна рассматривается как некая мехатронная система (МС) [2].
Введем следующие допущения (все дальнейшие обозначения соответствуют рис. 1 из [1]):
1. Скорости всех РТК в группе равны:
u = u = От
u = u = О л
О = О = uv = u
III •
2. Скорость группы I равна скорости очистной машины (ОМ), а скорость группы III - скорости изоляционной машины (ИМ): и: = иОМ; ип = оИМ, причем 1И = const и lO = const.
3. Скорость движения всей колонны равна скорости ИМ как наиболее тихоходной и подверженной частым технологическим остановкам.
4. Дистанция между РТК в группе не меняется и остается величиной постоянной, что вытекает из допущений 1 и 2.
Таким образом, будем рассматривать работу системы как взаимодействие пяти объектов управления: очистной и изоляционной машин и трех групп РТК, связанных между собой через упругодеформирован-ную распределенную массу. Контролируемыми параметрами этих объектов являются высоты hO и hИ расположения ОМ и ИМ, суммарные реальная РЕ и допустимая РЕдоп нагрузки всех РТК, а также реальные р и допустимые рдоп нагрузки отдельных РТК и их групп.
Все это предполагает, что все РТК оснащены устройствами контроля допустимой нагрузки, подсистемами контроля и регулирования нагрузки с ограничением ее на допустимом уровне, а в блок алгоритмов управления поступает информация о высотах расположения технологических машин (такая информация может быть получена либо непосредственным измерением, либо путем расчета в блоке моделирования объекта [1]).
В связи с принятыми допущениями принципы управления МС могут быть сформированы в виде набора следующих алгоритмов.
1. Контроль и обработка информации.
1.1. Контроль величины нагрузок на каждом трубоукладчике р и определение суммарной нагрузки в группе трубоукладчиков Р} и колонне РЕ :
k т
р} =ЕР ; Ре = ЕР ,
¿=1 ]=1
где k - количество РТК в ]-й группе; т - количество групп РТК.
1.2. Контроль допустимой нагрузки рдоп на каждом РТК и определение допустимой нагрузки в их группе и колонне:
P доп = ^ р доп .
i=1
р доп = ^ р доп
j=1
1.3. Контроль (расчет) высот расположения hO и hИ технологических машин.
1.4. Сравнение величин h0 и hИ с требуемыми
* *
значениями h0 и hИ и определение отклонения реальных высот от требуемых:
8O = hO - hO
8И = hИ - hИ.
dt
= -k„ 5
3. Регулирование высот расположения технологических машин.
Регулирование производится путем смещения средней группы (ГРП) РТК вперед к ОМ или назад к ИМ. Очевидно, если величина 5Е находится в допустимых пределах, то отклонения 50 и АИ могут быть вне своих пределов, а сближение средней группы РТК с одной из крайних групп приводит к поднятию трубопровода (и данной технологической машины) в этом месте и опусканию его на противоположном конце. Тогда закон управления для средней группы РТК запишется как
k5 Д5, если 5и Й [5и mm , 5Итах ]
или 5о й [5
Omin > Omax J > 0, если 5И G^mn^ 5Итах ] И 5O ^ [5Omin , 5Omax L
d Ujj dt
где 5
Hmin' Omin' ^max' Omax
- минимальные и мак-
1.5. Определение суммарного отклонения высот 5Е = 50 + 5и и разницы в отклонениях высот
Д5 = 5и ~5о.
2. Регулирование загрузки колонны, группы и отдельных РТК.
2.1. Регулирование суммарной загрузки колонны производится на основе решения дифференциального уравнения, в основе которого лежит положение, что требуемая суммарная загрузка колонны зависит от требуемых высот расположения технологических машин:
симальные пределы отклонения высот расположения технологических машин от заданных значений.
4. Определение общей длины приподнятого участка трубопровода.
Общая длина приподнятого участка трубопровода определяется грузоподъемными возможностями всех РТК, а именно, разницей между величиной суммарной допустимой нагрузки на крюках всех РТК и требуемой нагрузкой, определенной ранее в зависимости от величины суммарного отклонения от заданных высот расположения технологических машин:
dL
кол = kL (РЕдоп - PE).
риE •
dt
5. Регулирование общей длины приподнятого участка трубопровода.
Регулирование производится путем изменения скорости движения ОМ, а следовательно, и головной группы машин (ГР1). Учитывая, что
где kp - коэффициент пропорциональности.
2.2. Распределение нагрузки по группам в соответствии с весовыми коэффициентами групп л ^ :
Р = ЛА ,
где цj =
рдоп £j_
рдоп
где ц =
рд
р доп j
dh_+dh. = dLm dt dt dt
dln
2.3. Распределение нагрузки по трубоукладчикам в группе в соответствии с весовыми коэффициентами
Л,:
Р =Л,-р;,
dl1 ы17
где —- = и: - ип и —- = ип - ош, получим: dt dt
dL
dt
Из последнего выражения следует, что
dLr
ОПЛ/Т = О 7 = -
dt
" + Оттт .
Моделирование работы мехатронного комплекса для строительства магистральных трубопроводов
Математическая модель и само моделирование процесса управления ИУК позволяет оценить эффективность предложенных принципов управления мехатронным комплексом. Кроме того такая модель может быть использована в управляющей части системы в качестве прогнозирующего блока (см. рис. 3 [1]).
В обобщенной модели в качестве отдельных блоков (подпрограмм) использованы модели систем регулирования нагрузки (СРН) для каждого трубоукладчика определенной группы машин, модели систем регулирования дистанций между отдельными трубоукладчиками (СРД) для каждой группы машин и модель трубопровода. При разработке модели управляющей части системы использованы алгоритмические выражения, приведенные выше. В предложенной модели индексация СРН^, обозначает: модель СРН для /-го трубоукладчика j-й группы машин, где
j = 13.
При моделировании в качестве возмущающих факторов приняты рельеф местности в виде изменений угла крена а = f (t ) и начальной высоты подвеса
трубопровода йтр0 = f(t). Моделирование проводилось при различных начальных параметрах заданной высоты подвеса очистной й^М и изоляционной йИМ машин, начальных суммарной нагрузки колонны PE, групповой нагрузки PE , PE2 , PEj нагрузки на отдельных машинах и скоростей движения машин в группах.
Следует отметить, что, учитывая необходимость интегрирования при расчете нагрузки PE и скорости средней группы и2, в качестве регулирующего закона по каждому из этих параметров принят пропорционально-дифференциальный закон с соответствующими передаточными функциями
Wp ( Р ) = kPl +
kP2 Р
TPl Р + 1
Wu( P ) = kUl +
k
TUl P+1
если и j < и
i
umax, если u j >uma>\
где . = 1, 2 - номер группы машин; и. - рассчитанное значение скорости; и™ах - максимальная конструктивная скорость машин в колонне.
Для третьей группы задается скорость изоляционной машины, т.е. и^ = иИМ .
Выходными данными блоков моделирования СРД являются средняя текущая скорость всех машин группы иср , определяемая как среднее арифметическое скоростей всех машин в группе, а также дистанции между машинами в группе.
При расчете суммарной нагрузки на колонну РЕ также следует ввести ограничения
Pe =
|Pe*, если Pe* <PEmax; ^PEmax, если PE* > PEmax,
что позволяет скомпенсировать негативное влияние интегральной составляющей в управлении.
Учитывая, что скорость движения как трубоукладчиков, так и очистной и изоляционной машин не может быть больше конструктивно возможной, в модели (и в управляющей ЭВМ соответственно) для рассчитанных заданных скоростей групп были приняты ограничения следующего вида:
где РЕ - рассчитанное значение суммарной нагрузки на колонну; РЕтах - максимально допустимая нагрузка на колонну, определяемая как сумма максимальных грузоподъемностей всех кранов колонны (для крана-трубоукладчика типа ТГ-503 или KOMATSU с Ртах = 500 кН).
Для получения информации о высоте расположения очистной (hQМ) и изоляционной (hИМ) машин в
модели использован блок моделирования объекта. В этом блоке выходными его параметрами являются не координаты подвеса трубопровода (хотя они также используются в качестве текущих координат подвеса трубопровода в системе регулирования нагрузки),
а только величины и hИМ. Входной информацией для данного блока являются текущие суммарные нагрузки на каждую группу РЕ ., общая длина колонны Lк и расстояния между группами и 123. При этом в модели объекта принято допущение, что подъем трубопровода осуществляется в трех сосредоточенных точках-группах и величины этих сосредоточенных нагрузок равны суммарным нагрузкам на группу
Ре ..
Е.
Обобщенная структурная схема модели приведена на рис. 1.
Характерные переходные процессы при моделировании показаны на рис. 2 и 3. На рис. 2 переходные процессы получены при начальных условиях РЕзад = 0,8РЕдоп, ¿12 = 50 м, 123 = 70 м, а процессы, показанные на рис. 3, - при РЕзад = 1,2РЕдоп, 1Х2 = 70 м, 123 = 50 м.
Из графиков видно, что при различных возмущениях пересчет параметров и выход на новое установившееся значение происходит не более чем за 1,5 мин, что позволяет сделать вывод о требуемом времени дискретизации опроса информационной системы и выдачи управляющих сигналов Тд = (90 -г- 150) с.
и
и
Рис. 1. Структурная схема модели процесса управления мехатронным трубоукладочным комплексом
L М
1), м
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
20 40 60 80 100 120 140 1(Ю 180 2 >0
-0,05
Л с
Рис. 2. Переходные процессы моделирования процесса управления мехатронным трубоукладочным комплексом
при РЕзад = 0,8РЕдоп , £12 = 50 м, £ 23 = 70 м
б
Р, кН
1500000
1000000
500000
-500000
100
К
140
100
180
Ah, м
0,2
0,15
0,1
0,05
-0,05
-0,1
-0,15
U с
-0,2
-0,25
б
Рис. 3. Переходные процессы моделирования процесса управления мехатронным трубоукладочным комплексом при Рузад = 1,2Рудоп , £12 = 70 м, £23 = 50 м
Литература
1. Шошиашвили М.Э., Шошиашвили И.С. Мехатронные комплексы для строительства и ремонта магистральных трубопроводов. Принципы построения // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 6. С. 90 - 94.
2. Глебов Н.А., Шошиашвили М.Э., Крапивин Д.М., Духо-пельников В.Д., Притчин С.Б., Бондаренко М.Д., Кругло-ва Т.Н., Маркиянов А.А. Робототехнические и мехатронные комплексы для строительства подземных сооружений и трубопроводов большого диаметра // Горное оборудование и электромеханика. 2007. № 10. С. 57 - 60.
Поступила в редакцию
1 апреля 2014 г.
а
