CC BY
58
ремонте / Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин. — Астрахань : Иэд по ЛІТУ, 2007. — С. 108-109.
2. Коновалом Л. В, Нагружснипсть, усталость. надежность д<*талеЯ м<*тлллургмческих МАШИН. М.: Металлургия 1981 —
280 с.
3. Конойалоп А. В. Определение коэффициента переменности нагрузки кранового механизма с учетом динамических составляющихспектранагружении/Тр. ВІІИИПТМА1ІІ. - 1975 — N*6 - С. 82 86.
АХ I УЛОВ Алексей Леонидович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Управление качеством и сертификация» Сибирской государ-
ственной автомобильно-дорожиой академии, академик Международной академии авторов научных открытий и изобретений, действительный член Академии проблем качества России.
Адрес для переписки: 644080. г. Омск, пр. Мира, 5. КИРАСИРОВ Олег Михайлович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технологии машиностроения и технического сервиса» Омскою государственного аграрного университета. Адрес дли переписки: 644008, г. Омск, Институ тская пл.. 2.
Статья поступила п редакцию 26.08.2009 г.
® Л. Л. Ах гулов, О. М. Кираснрои
УДК 621.873 : 419.711 И. В. ДЕНИСОВ
в. А. МЕЩЕРЯКОВ В. С. ИТЯКСОВА
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
Омский государственный технический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ СТРЕЛОВОГО КРАНА____________________________________
На основании анализа экспериментальных данных о рабочем процессе стрелового крана разработана модель системы автоматического управления краном. Алгоритм функционирования системы управления основан на математическом аппарате нечеткой логики. Промоделирован процесс перемещения груза, выполнено сравнение траекторий груза при нечетком и программном управлении с экспериментальными данными.
Ключевые слова: стреловой кран, имитационное моделирование, нечеткое управление.
В настоящее время вопросам рационального управления подъемно-транспоргными машинами уделяется большое внимание, так как от него зависят производительность машины, ее долговечность и условия работы обслуживающего персонала. Самоходный стреловой кран представляет собой сложный агрегат, включающий в себя несколько независимо работающих механизмов, управление которыми для достижении наилучшего результата возможно лишь на основе применения современных средств автоматизации,
Традиционный подход к автоматизации крана предполагает разработку математической модели динамики рабочего процесса на основе априорной информации о конструкции механизмов крана. Сложного. крана как объекта управления, а также изменение ею технических характеристик в процессе эксплуатации затрудняют создание адекватной модели и син тез системы управления. На основе анализа зке-перимоггальио полученной информации о показателях рабочею процесса и действиях оператора крана была предложена система программного управле-
ния 111. Такая система функционирует на основе правил, имитирующих действия человека-онератора.
Г 1оскольку на практике управляющие воздействия оператора на механизмы крана различаются для разных рабочих циклов, экспериментальная инфор мация о рабочем процессе может быть обобщена с помощью математического аппарата нечеткой логики и использована для построения интеллектуальных систем управления (2].
В настоящей статье предложен алгоритм функци-онирования системы нечеткою управления рабочим процессом стрелового крана, основанный на анализе экспериментально измеренных показателей рабочею процесса и действий челонска-оператора. представлены результаты моделировании системы управления, а также выполнено сравнение системы нечеткою управления и системы автоматическою программного управления крапом,
Система автоматического управления рабочим процессом крана формирует управляющие воздействия на механизмы крана (грузовую лебедку, гидроцилиндр подъема стрелы и механизм поворота крана),
Рис. I.Структура системы нечеткого управления длиной каната
Рис. 2. Структура системы нечеткого управлении попоротом платформы
Рнс. 3. Структура системы нечеткого управления пылетом стрелы
РЙ \‘.тай!ез
Мш1»«11ч> Лгоюп рм«
Г~1
ж
101)
УК
мчмимм'кг*
Риг. 4. Функции принадлежности рассогласования по высоте груза
УМоЫИ М «X
□
*ЛН-»«Т-.|Ц. Мн|.»1 |Л11
плаыи 1ТШ
Рис. 5. Функции принадлежности рассогласования по углу поворота и плане
Рис. 0. Зависимость скорости клнлтл от рлссогллсоплиия по высоте груїл и углу поворота крлмл
изменяя длину канате Ц вылет стрелы Л и угол <р поворота платформы крана в плане. Целью управления является перемещение груза из начального положения с декартовыми координатами (х0; у„; характеризующегося начальными значениями показателей А(|; ф(1), п конечное положение с координатами (хц; уу; г ). которым соответствуют требуемые значения (Ц; Ад; ф1(). Управляющее устройство на каждом шаге повремени формирует управляющие воздействия в виде линейной скорости каната угловой скорости наклона стрелы Уи и угловой скорости поворота крана в плане у,. Управляющие воздействия формируются па основе информации о рассогласовании между заданным и текущим положениями груза но высоте е<( но выле ту ел и по углу поворо та в плане еч, а также между начальным и текущим положением груза по высоте е.
Рис. 7. Зависимость угловой скорости поворота платформы крана от рассогласования по углу поворота крана и высоты груїа относительно исходного положения
/0'
с, = /„-/; еА = Лв-Л; е,»фч-ф; *,0-Zo-2.
(11
Управляющее устройство содержиттри системы нечеткого вывода — для управления лебедкой, вылетом стрелы и поворотом крана
Система нечеткого вывода для управления лебедкой представлена на рис. I. Входами системы валяются лингвистические переменные EZ и ЁР, т.е. рассогласования между заданным и текущим положениями груза но высоте и по углу поворота в плане. Выход - лингвистическая переменная V К, т.е. скорость каната.
Система нечеткого вывода для управления поворотом платформы крана (рис. 2) имеет входные лингвистические переменные EF и EZ0 — рассогласование но углу поворота в плане и высота груза относительно исходного положения. Выход — угловая скорость платформы VF.
В системе нечеткого вывода для управления вылетом стрелы крана (риг. 3) входами являются EF и ЕЛ — рассогласования по углу поворота в плане и но вылету стрелы. Выход - угловая скорость подъема стрелы VA.
Программная реализация модели системы нечеткого управления рабочим процессом крана выполнена в MATLAB 2007а с пакетом расширения Fuzzy Logic Toolbox |3J. Тип систем нечеткого вывода -Сугэно; метод импликации - умножение; операция объединения функций принадлежности выходной переменной вероятностное «ИЛИ»; дефаззифи-ка цим - методом взвешенного среднего.
Рис. 8. Зависимость угловой скорости наклона стрелы от рассогласования по пылету стрелы и углу поворота крана
Правила нечеткого вывода составлены на основе правил программного управления рабочим процессом крана 11). Функции принадлежности лингвистических переменных построены в результате анализа экспериментальных данных о рабочих скоростях механизмов крана и о действиях оператора в зависимости от текущего положения груза в каждый моментвремени (*11.
Для построения функций принадлежности входных переменных использованы пороговые значения координат груза по высоте Z, углу поворота н плане и вылета стрелы крана Л, при которых оператор крана осуществлял управляющие воздейст вия. В результате обобщения информации о трех рабочих циклах крана определены пороговые значения высотной координаты Za=0,01 м, Z,.,= 1,178 м, Z, = 0,825 м. Z,=2.66 м, Z-, = 0,79 м. Z4=0,748 м, Z4 = 40 м и Z,_ = 41 м. Пороговые значения угла поворота платформы ф(1 = 0,5, ф, = 4,ф; = 33,ф,= 14, ф, ~58, фл = 26. Пороговые значения вылета стрелы Ad = 0,038 м. А, =* 0,6 м.
Для построения функций принадлежности выходных лингвистических переменных, т.е. скорости каната VK, скоростей поворота крана VF и наклона стрелы VA, использованы значения, задаваемые оператором: vM = 0,17 м/с. Vkl = - 0,17 м/с, vk, = 0.116 м/с.
VM =---0,116 м/с. vM = 0.07 м/с. vk0 = — 0.07 м/с,
v«,= 24 град/с, v#a=—24 град/с, vul = 0.32 град/с.
0,45 грал/с.
На рис. 4 и 5 представлены построенные в относительных единицах функции принадлежности вход-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МОНК* *# З СИ) 1009
ных переменных Е2 и ЕЯ. Для переменной Е7. Стли заданы следующие функции принадлежности: функция Е2Р трапецеидальной формы с параметрами (— 0,748: -0,001;0,001;0,748),функции треугольной формы ЕгР4, Е7М4, П7.РЗ. Е&143 с параметрами соответственно, (0,001; 0,748; 0,79), | —0,79; —0,748, -0.001), (0,748, 0,79, 2,66). 1-2,66; -0,79; -0,748). Б-функция Е/Р2 с параметрами (0,79; 2.66) и г-функция Е7.М2с параметрами (- 2,66; - 0,79). Для переменной ЕР заданы следующие функции принадлежности: функции трапецеидальной формы ЕГО, ЕР2, ЕРЗ с параметрами, соответственно, ( — 4; —0,5; 0,5; 4), (-58; -33; 33; 58), (-26; -14; 14; 26), Б-функция ЕРР1 с параметрами (0,5; 4) и 7-функция ЕР|\ 1 с параметрами (- 0,5; - 4). Диапазон изменения переменной ЕТ от 50 до 50 м, а переменной ЕР — от - 180" до 180".
Нечеткое управление лебедкой осуществляется с помощью следующих восьми правил:
1. К (Е2и ЕгР2) апс! (ЕР 1к ЕРЗ) Шеп (УК 1«УК№).
2. К (Е7.ЕгМ2) апс! (ЕР ЕРЗ) Шеп (УК УКРЗ).
3. II [Сг ю ЕгРЗ) ап<1 (ЕР Ь ЕРЗ) Шеп (УК УК\'4).
4. К (Ег ЕгМЗ) апс! (ЕР 18 ЕРЗ) Шеп (УК 18 УКР4).
5.1Г (Ег ЕгР1) апс! (ЕР ЕРЗ) 1Неп (УК ■*УКЫ5).
6. К [иг 15 EZN4) апс! (ЕР I* ЕРЗ) Шеп (УК 1чУКР5).
7. К (Е2 «8 ЫО) <ик1 (ЕР 14 ЕРЗ) Шеп (УК 18 0).
8. I! (ЕР 1япо! ЕРЗ) Шеп (УК 180).
В системе нечеткого вывода для управления поворотом крана функция принадлежности для переменной Его задана в виде г-функции Ег! с параметрами (40; 41) 13 системе нечеткого вы пода для управления вылетом стрелы функции
принадлежности для переменной ЕА заданы в виде функции ЕАЮ трапецеидальной формы с параметрами (-0.6; -0,038; 0.038; 0,6), Б-функции ЕЛР1 с параметрами (0,038; 0,6) и ^-функции EЛN1 с параметрами ( — 0.6; —0.038).
Нечеткое управление поворотом платформы крана осуществляется с помощью следующих правил.
1. И (ЕР и> ЕРР1) апН (Е7.0 Р.7.1) Шеп (УР УРМ1).
2. И (ЕР 18 ЕРМ1) апс) (Его 18 Е71) Шеп (УР 18 УРРI).
3. К (ЕР К ЕРЭ) апс! (Его 18 Ег1) Шеп (УР 0).
4. К (Его 18 по! Ег«) 1 Иеп (УР 0).
Нечеткое управление вылетом стрелы крана осуществляется с помощью следующих правил.
1. К (ЕР«8 ЕР2) апс! (ЕА 18 ЕАР1) Шеп (УЛ ьч УАЫ1).
2 II (ЕР 18 ЕР2) ап(1 (ЕА ЕАМ1) Шеп (УА (5 УАР1).
3. II (ЕР 18 ЕР2) ап(1 (ЕЛ 1Б ЕА1>) Шеп (УА 18 0).
4. II (ЕР 18 по! ЕР2) Шеп (УА 1в 0).
й результате моделирования системы управления получены поверхности отклика систем нечеткого вывода. Они представляют собой зависимости управляющих воздействий от величин рассогласования между заданным и текущим положением груза (рис. 6 —8),
11а рис. 9 выполнено сравнение результатов моделирования нечеткого управления, программного управления краном и эксперимента. Нечеткому управлению соответствует более плавное изменение рабочих скоростей механизмов крана по сравнению <• программным управлением. Благодаря этому можно уменьшить зону нечувствительности и повысить точность управления краном. По сравнению с действиями человека-оператора, длительность процесса перемещения груза сокращается с 250 до 150 с как для нечеткого, так и для программной) управления, что позволяет повысить производительность крана на гипо-пых операциях.
Предложенный в настоящей работ»' подход к моделированию и автоматизации рабочего процесса крана Позволяет на основе анализа действий оператора
Рис. 9. Траектории грузп при нечетком, программном управлении и эксперименте
учестьтрудноизмеримые и неконтролируемые внешние воздействия, а также неизвестные параметры крана.
Библиографический список
1 Денисов И. В., Мещеряков О. А. Моделирование системи ириї раммниш управления рабочим процессом стрелового крана // Омский научный вестник. - 2009. —N0 1(77). - С. 81 -86
2. Дсмснков П. П. Язык нечеткого управления // ПнКЛД -*2006. - М4 - С. 30 30.
З ШтоибаС Д Проектирование нечетких систем средствами МАТІАВ. — М.; Горячая линия—Телеком, 2007. — 288 с
4. Денисов И. В. Экспериментальные исследования стрело-вого крана ІЛЕВНЕІШ 1090/2 с помощью компьютерной системы индикации ІЛССОІЧ // Автомобили, сиецмллышн н технологические машины для Сибири и Крайнею Севера; материалы 59-й Междунар науч.-техн. коиф. Ассоциации автомобили»ых инженеров. - Омск : СибАДИ, 2007 - С . %-97
ДЕНИСОВ Игорь Владимиропнч, преподаватель кафедры электроники и автотракторного злектрообо-рудонапия Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).
Адрес для переписки: e-mail: iden82@mail.ru МЕЩЕРЯКОВ Виталий Александрович, доктор тех нических наук, профессор кафедры дорожных машин СибАДИ.
Адрес для переписки: e-mail; vil_mes<?i>mail333.com ИТЯКСОВА Вера Сергеевна, инженер научного издательства Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: e-mail: itvera<§>mail.ru
Статья поступила в редакцию 30.09.2009 г.
© И. В. Денисов, В. А. Мещеряков. В. С. Итяксова
