CC BY
45
Таким образом, замкнутая математическая модель позволит создавать более совершенные турбореактивные двигатели.
Новизна результатов состоит в создании замкнутой математической модели расчета параметров рабочего процесса ТРД без привлечения законов регулирования и эти результаты могут быть применены в конструкторских бюро и научно-исследовательских организациях, занимающихся исследованием и проектированием новых типов турбореактивных двигателей. В Омске такой организацией является ОАО «Моторостроительное конструкторское бюро».
Условные обозначения
М - число Маха; Ь - удельная работа, Дж/кг; ЧгНи-удельная энергия топлива, Дж/кг; Т - температура, К; ср— удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); к— показатель адиабаты; я - степень повышения (понижения) полного давления; ст£— суммарный коэффициент восстановления полного давления по газовоэдушному тракту; I - энтальпия. Дж/кг; п - к.н.д
Индексы
н - невозмущенный поток воздуха; п - полет;
• - заторможенный поток; V - набегающий поток; в - параметры воздуха на входе в компрессор; к - параметры воздуха за компрессором; Т - параметры газа за турбиной; Г - параметры газа на входе в турбину; рс- реактивное сопло; с - сопло; т- механический.
Библиографический список
1. Теория, расчет и проектирование авиационных диигателей и энергетических установок : учебник / В.И.-Бакулев. В.А.Голубеи. Б.А.Крылов и др. ; под ред. В.А.-Сосунова. В.М.Чепкина - М. : Изд-во МАИ.2003. -688 с.
2. Кузнецов В.И., Замкнутая математическая модель рабочего процесса газотурбинных двигателей : монография. - Омск : Научное изд-во ОмГТУ, 2007 -138 с.
КУЗНЕЦОВ Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Анна- и ракетостроение».
Дата поступления статьи в редакцию: 00.02.2009 г.
Ф Кузнецов В.И.
УДК 621.873. 519.711 Ц. В. ДЕНИСОВ
В. Л. МЕЩЕРЯКОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ СТРЕЛОВОГО КРАНА
На основании анализа экспериментальных данных о рабочем процессе стрелового крана выведены правила формирования управляющих воздействий. Правила заложены в основу алгоритма функционирования системы автоматического программного управления перемещением груза. Промоделирован процесс перемещения груза, выполнено сравнение программной и экспериментальной траекторий груза.
Ключевые слова: имитационное моделирование, программное управление, стреловой кран.
В математическом моделировании рабочих процессов строительных машин важнейшими направлениями являются моделирование динамики процессов с целью их автоматизации, а также имитационное моделирование рабочих процессов для повышения эффективности машин за счет предварительного планирования их работы. При автоматизации и планировании рабочего процесса стрелового подъем* ного крана необходимо учитывать управляющие воздействия, формируемые человеком-оператором. Оператор, выбирая траекторию перемещения груза, на основе своего опыта работы воспринимает контролирует множество трудноиэмеримых факторов, таких как раскачка груза, запаздывание привода, скорость приближения стрелы и груза к опасной
зоне, близость к препятствиям и деформация стрелы крана. Поэтому формализация действий оператора крана, направленная на разработку алгоритма функционирования системы автоматического управления краном, является актуальной задачей.
В настоящей статье предложен алгоритм функционирования системы автоматического программного управления рабочим процессом стрелового крана, основанный на анализе экспериментально измеренных показателей рабочего процесса и действий человека-оператора, а также представлены результаты моделирования системы управления.
Традиционный подход к автоматизации крана предполагает разработку математической модели динамики рабочего процесса на основе априорной
л с -----------►
Put*. I. Длина каната
Л с ----------►
Рис. 2. Угол наклона стрелы
Л с ---------►
Рис. 3. Угол поворота платформы
информации о конструкции механизмов крана 11,2). Сложность крана как объекта управления, а также изменение его технических характеристик в процессе эксплуатации затрудняют создание адекватной модели и синтез системы управления. В рамках аль-
тернативного подхода, экспериментально полученная информация о показателях рабочего процесса и действиях оператора крана может быть использована для построения интеллектуальных систем управления. например, на основе математического аппа*
л с--------►
/, с-------------►
Рис. 4. Дскартопы координаты груза
рата нечеткой логики [3]. Для стреловых самоходных кранов, ввиду сложности рабочего процесса, задача автоматизации до сих пор не решена.
Обобщенная информация о параметрах крана и действиях оператора может быть использована так*
же при планировании рабочего процесса. Например, компанией LIEBHERR разработана программа LICCON Work Planner, предназначенная для планирования, моделирования и документирования работы подъемных кранов |4|. LICCON Work Planner со-
здает предпосылки для автоматизации погрузочно-разгрузочных работ сгреловых кранов, т.к. заранее позволяет указать координаты конечного положения груза и запретные зоны в трехмерном пространстве.
В настоящей работе экспериментальная информации о показателях рабочего процесса используется при выводе правил формирования управляющих воздействий на механизмы крана. На основе этих правил предложены модель и алгоритм функционирования системы автоматического управления краном. Модель может быть использована для планирования рабочего процесса в программах типа LICCON Work Planner, а также для разработки прототипа системы автоматического управлении погрузочно-разгрузочными работами.
Исходные данные о рабочем процессе крана получены в результате экспериментальных исследований процесса перемещения десятитонных плит стреловым самоходным краном LIEBHERR LTM 1090/2 (погрузочно-разгрузочных работ при строительство станции омского метрополитена) [5]. С помощью системы индикации LICCON в динамике, в зависимости от времени t, измерены управляемые величины: длина каната L (расстояние от оголовка стрелы до груза), угол а наклона стрелы и угол ц> поворота платформы в плане (рис. 1 -3). Угол наклона и и длина стрелы S определяют вылет стрелы крана
А = Scosa. (1)
При допущении, что точка начала координат находится в шарнире основания стрелы, декар товы координаты груза (рис. 4) определяются по формулам:
x = Scosacos(p; у= — Scosasin<p;
z = Ssina — L. (2)
Система управления функционирует следующим образом. Целыо управления является перемещение груза из начального положения с координатами (х„; у0; z0), характеризующегося начальными значениями показателей (Ц,; А,; фц), в конечное положение с координатами (ху; у * zg), которым соответствуют требуемые значения (Lg; Ag; ф()). Управляющее устройство на каждом шаге по времени формирует управляющие воздействия в виде линейной скорости каната vL, угловой скорости наклона стрелы va и угловой скорости поворота крана в плане \^. В управляющем устройстве вычисляются величины рассогласований между заданным и текущим положениями груза по высоте е,, по вылету ел и по углу поворота в плане е#1 а также между начальным и текущим положением груза по высоте е^:
e, = z„-z;eA = А0 — А;
= фч - ф; ел = (3)
Заданные допустимые отклонении показателей от требуемых значений (зоны нечувствительности) со-ставляют (zd; А„; ф(1).
В результате анализа экспериментальных показателей работы крана (рис. 1 —4) установлены моменты событий, соответствующие конкретным управ-ляющим воздействиям на механизмы крана со стороны оператора (например, включение механизма поворота, изменение скорости каната и т.п.). Моменты событий пронумерованы и отмечены на оси времени t. В моменты событий определены пороговые значения Z,,. Z, рассогласования е>(), а также по-
роговые значения 7.,, Ъу и ZJ рассогласовании е,, при которых оператор формирует управляющие воздействии. Пороговые значении ф,. ф.. ф, рассогласовании е^ а также пороговое значение А, рассогласовании еА определены дли угла поворота крана и в«олета стрелы.
В процессе перемещении груза выделены два режима управлении грузовой лебедкой: «начало работы», когда производитси подъем груза на высоту 7^ относительно его исходного положении и «управление канатом», когда система управления устрани-ет рассогласование е, между текущей и заданной высотными координатами груза. Перед началом рабочего процесса установлено значение логической переменной «начало работы» <НР= ИСТИНА).
Дальнейший выбор режимов работы «начало работы» (ИР), «управление канатом» (УК), атакже «поворот крана» (ПК) и «управление стрелой» (УС) производится последующим правилам:
Правило Р1. ЕСЛИ <НР> И (е,^.,), ТО <НР = ЛОЖЬ) (груз поднят на достаточную высоту относительно исходного положения, можно выполнять операцию погрузки);
Правило Р2. ЕСЛИ НЕ<НР> И <|е 1<ф>) И (|е,|<г(1>. ТО (УК = ИСТИНА), ИНАЧЕ (УК = ЛОЖЬ) (разрешено/запрещено управление кана том дли погрузки);
Правило РЗ. ЕСЛИ (НЕ(НР) ИЛИ (е|в$2,)> И <|е^Ф(1)ТО (ПК = ИСТИНА). ИНАЧЕ (ПК = ЛОЖЬ) (разрешен/запрещен поворот крана);
Правило Р4. ЕСЛИ (|е^|<ф2) И (\ел\<Аа), ТО (УС = ИСТИНА), ИНАЧЕ (УС = ЛОЖЬ) (разрешено/запрещено управление стрелой).
Управление канатом, т.е. выбор его скорости \\ производитси по правилам:
Правило К1. ЕСЛИ (НР) И <ея0>20>, ТО 0\-ум) (подъем груза в начале работы);
Правило К2. ЕСЛИ (УК) И <|е,|>г,). ТО (у„» = -81дп(е<)\’(1з) (скорость каната высокая);
Правило КЗ. ЕСЛИ (УК) И (\е,\>^ И <|е,|<ь,>. ТО (\'к= — я*дп(ел)\\4) (скорость каната средняя);
Правило К4. ЕСЛИ (УК) И (|е,|>г4) И (|е,|<г.,>. ТО (ук« — я1дп(ев)\*кЛ) (скорость каната малая);
Правило К5. ЕСЛИ (УК) И <|е,|«»г4). ТО (V,-=—8»дп(ев)укь) (скорость каната очень малаи).
Управление поворотом крана в плане, т.е. выбор угловой скорости V'производитси по правилам:
Правило П1. ЕСЛИ (ПК) И <|е,|>Ф,). ТО (\*,« = -81дп(е(Г)\'ч1|) (скорость поворота большая);
Правило П2. ЕСЛИ (ПК) И Ае^ф,). ТО (\у* = —81дп(е(|>)у<а) (скорость поворота малаи).
Управление вылетом стрелы, т.е. выбор скорости изменении угла наклона стрелы \-0 производитси по правилам:
Правило С1. ЕСЛИ (УС) И <|еА|>А.) И (ел>0). ТО (уа=\-о2) (скорость опускании стрелы болынаи. вылет увеличивается);
Правило С2. ЕСЛИ (УС) И (|еА|>А,) И еА<0), ТО (уа=\’(И) (скорость подъема стрелы большаи, вылет уменьшается);
Правило СЗ. ЕСЛИ (УС) И (|еА|^А,). ТО <Уа-= -ь1дп(ел)уаЛ) (скорость изменения угла наклона малаи).
При совмещении рабочих операций человек-опе-ратор снижает скорости механизмов, предотвращай раскачку груза и перегрузку крана. Ограничении скоростей согласно алгоритму управлении осуществ-лиетси по правилам;
Правило С4. ЕСЛИ (УС) И (ПК). ТО (^-Ув/1,58) (снизить скорость изменения угла наклона стрелы);
Правило Кб. ЕСЛИ (УС) И (УК) И <|е,|^4>. ТО
Л С ------►
Рис. 5. Управление длиной каната
I
59
58.5 58
57.5 57
1.56.5 Ц» 56
55.5 55
! ї 1
• • • •
• . . •
• • * •
• . , ,
• • • <
• • • •
• • • •
•
• • • •
Ш . . ,
•
• • • •
•
•
50
100
150
200
250
300
/, С
Рис. 6. Управление углом наклона стрелы
/, С ---------------------------------►
Рис. 7. Управление поворотом крана
<Уц»у,/3) (снизить скорость каната);
Правило К7. ЕСЛИ <е,*г*> И «УС> ИЛИ <УК». ТО <Ук=Ук7>. <у„=0>( (у^=0>, (если груз близко к поверхности, потребуется поворот или изменение вылета, то подъем груза с малой скоростью).
На основе правил алгоритма формирования управляющих воздействий выполнено моделирование процесса управления перемещением груза при следующем наборе скоростей и пороговых значений:
м/с;
У*1 -0.053"
уи 0,173
ум 0,116
уи 0,089
Чб 0,048
„ум , — 0,044^
-0,54
у.э = 0,24 ірАл/с;
у.5 У -0,54
Iу* 55 -2,078 1
— 0,262 ]
20 Ґ \ 1,178
2, 0.825
2 2,66
2, 0,79
0,748
lzJJ 1 0,3
град/с;
Ф. 4
Фа = 33 град
Фз 26
м; А, = 0.6 м;
В результате моделирования в МАТ1.А В процесса автоматического программного управления перемещением груза получены значения показателей рабочего процесса (рис. 5-7) и декартовы координаты груза, соответствующие программной траек-
ІЙ НАУЧНЫЙ МСТИМ» № 1 ап. ТОО* МАШИНОСТРОЕНИЕ И
Рис. 8. Экспериментальная и программная траектории груза
тории. На рис. 8 выполнено сравнение результатов моделирования с экспериментом. Функционирование системы автоматического программного управления позволяет совмещать рабочие операции, выбирать кратчайший возможный путь перемещения груза и устанавливать максимально допустимые скорости механизмов крана в каждый момент времени. Благодаря этому, длительность процесса перемещения груза сокращается с 250 до 150 с. что позволяет повысить производительность крана на типовых операциях.
Предложенный в настоящей работе подход к моделированию и автоматизации рабочего процесса крана позволяет на основе анализа действий оператора учестьтрудноизмернмые и неконтролируемые внешние условия, а также неизвестные параметры крана. В дальнейшем полученные правила, заложенные в алгоритм функционирования системы автоматического управления, а также экспериментальные данные о циклах работы крана будут использованы для построения нечеткого регулятора.
Библиографический список
1. Muenzer М. Е. Resolved Motion Control of Mobile Hydraulic Cranes: Dissertation... of Dr. of Philosophy in Electrical Engineering - Aalborg University, Denmark -2002. - 219 p.
2. Зырянова С. А. Система автоматизиронанного моделирования стрелового грузоподъемного крана: Дне...
канд. тех наук. - Омск, СвбДДИ. - 2006 - 151 с.
3. Niemela Е., VirvaloT. Fuzzy Logic Assisted Manual Control of Joystick Operated Hydrauliccrane // Proceedings of the Third IEEE Conference on Fuzzy Systems. - 1994. -Vol. I. - pp. 642-647.
4. The LICCON Work Planner for Mobile and Crawler Cranes [Electronic resource|. - 2004. - Mode of access: http://www.liebherr.com/downloads/ AT_LICCON_Einsatzplaner_E.pdf
5. Денисон И. В. Экспериментальные исследования стрелового крана UEBHEKK 1090/2 с помощью компьютерной системы индикации LICCON // Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера : материалы 59-й Междунар. науч.* техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров. -Омск : СибАДИ. 2007. - С. 96-97.
ДЕНИСОВ Игорь Владимирович, аспират1 кафедры «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод».
МЕЩЕРЯКОВ Виталии Александрович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Дорожные машины», старший научный сотрудник Лаборатории моделирования сложных систем Омского филиала Института математики им. С.Л. Соболева СО РАН.
Дата поступления статьи п редакцию: 13.01.20'09 г.
О Денисов И.В., Мещеряков В.Л.
