CC BY
13
УДК 621.878, 519.711.2
ОПТИМИЗАЦИЯ ЗАДАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ РЕЖИМОМ АВТОГРЕЙДЕРА
АННОТАЦИЯ
Введение. Разработан метод оптимальной настройки системы автоматического управления рабочим органом тяжелого автогрейдера. Система предназначена для поддержания заданного значения силы сопротивления копанию на рабочем органе. Оптимизация задающего воздействия осуществляется по критерию максимальной технической производительности автогрейдера в режиме копания грунта.
Материалы и методы. Оптимальное задающее воздействие формируется на основе информации о характеристиках сигналов - измеренных значений силы сопротивления копанию и коэффициента буксования движителей во время предыдущего рабочего прохода автогрейдера. Исследование включает:
• разработку структуры системы управления отвалом автогрейдера, содержащей формирователь задающего воздействия;
• обоснование характеристики сигнала буксования, используемой в целях управления;
• разработку алгоритма формирования задающего воздействия микропроцессорным управляющим устройством;
• программную реализацию имитационной модели тягового режима автогрейдера и проведение вычислительного эксперимента;
• разработку алгоритма формирования массива оптимальных значений задающего воздействия на основе результатов вычислительного эксперимента;
• получение зависимости оптимального задающего воздействия от характеристик сигналов, поступающих в управляющее устройство.
Результаты. Сформирован массив оптимальных значений задающего воздействия в зависимости от характеристик силы сопротивления копанию и коэффициента буксования движителей. Предложена структура системы управления, включающая микропроцессорное управляющее устройство, и алгоритм функционирования формирователя оптимального управляющего воздействия.
Обсуждение и заключение. Выполнено теоретическое обоснование оптимального задающего воздействия системы управления тяговым режимом автогрейдера и предложен метод настройки системы автоматического управления отвалом тяжелого автогрейдера в режиме копания грунта.
Отличительными особенностями предложенного метода являются:
• оптимальное управление по критерию технической производительности автогрейдера;
• учет динамики и стохастического характера процессов с помощью имитационной модели, использование среднеквадратического отклонения измеренной силы сопротивления копанию для настройки системы;
• учет наличия участков грунтовой поверхности с повышенным буксованием колесных движителей и использование вычисленной доли времени повышенного буксования для настройки системы.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: автогрейдер, система автоматического управления, оптимальное управление, задающее воздействие, имитационное моделирование.
© В.А. Мещеряков, В.В. Вебер
В.А. Мещеряков, В.В. Вебер
ФГБОУ ВО «СибАДИ», г. Омск, Россия
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
SETPOINT OPTIMIZATION FOR THE CONTROL SYSTEM OF THE MOTOR GRADER IN HEAVY-LOAD MODE
ABSTRACT
Introduction. The authors suggest the optimal tuning method foran automatic control system of the heavy motor grader blade. The demonstrated system regulates the value of digging force. Moreover, the setpoint optimization criterion is the maximum of production rate.
Materials and methods. The optimal setpoint is generating to the signal estimations, specifically to the measured digging force and the wheels slip ratio during the previous stroke of the motor grader. There searchincludes:
• development of the blade control system functional diagram including the setpoint former;
• meaningful estimation of the slip ratio signal for control purposes;
• development of the setpoint forming algorithm for a microprocessor control unit;
• program realization of the motor grader workflow model and simulation;
• development of the algorithm to compose the lookup table containing optimal setpoint values and based on simulation results;
• dependence of optimal setpoint on the incoming signal estimations.
Results. The lookup table of optimal setpoint values is obtained, the estimations of digging force and wheels slip ratio are presented. In addition, the authors suggest the control system structure with the optimal setpoint former and also develop the former operation algorithm.
Discussion and conclusion. The optimal setpoint values are theoretically validated for the motor grader control system. The tuning method for an automatic control system of the heavy motor grader blade has the following characteristics as:
• the optimal control criterion as the production rate;
• process dynamics and stochastics;
• the excessive slippage time ratio.
KEYWORDS: motor grader, automatic control system, optimal control, setpoint, simulation.
© V.A. Meshcheryakov, V.V. Weber
V.A. Meshcheryakov, V.V. Weber
Siberian State Automobile and Highway University, Omsk, Russia
Content is available under the license Creative Commons Attribution 4.0 License.
ВВЕДЕНИЕ
Землеройно-транспортные машины (ЗТМ) оснащаются системами автоматического управления с целью повышения производительности, качества выполняемых работ, улучшения топливной экономичности и снижения нагрузки на человека-оператора. Большинство систем управления тяговым режимом ЗТМ используют гидропривод рабочего оборудования для поддержания рационального нагрузочного режима силовой установки, увеличения объема вырезанного и перемещенного грунта во время рабочего прохода [1, 2, 3].
Оптимизации параметров тяговых режимов ЗТМ посвящены работы, в которых исследованы и обоснованы различные критерии оптимальности: максимальная тяговая мощность [4], производительность ЗТМ [5, 6], удельный расход топлива на единицу объема разработанного грунта [7, 8].
В системах регулирования, поддерживающих заданное значение силы сопротивления копанию на рабочем органе ЗТМ, значение задающего воздействия устанавливается при настройке системы, исходя из анализа тяговой характеристики машины, и не изменяется для выбранного режима при эксплуатации системы. Теоретическое обоснование заданных параметров тяговых режимов осуществляется путем математического моделирования динамики рабочих процессов [9, 10, 11, 12], а также в результате анализа статических характеристик двигателя и ЗТМ в целом [13, 14].
Большинство регуляторов систем автоматического управления тяговым режимом реализуют закон управления по отклонению. Основное внимание при синтезе таких систем управления уделяется настройке параметров регуляторов и гидропривода рабочего органа. Управляющие устройства в реальном времени используют информацию об измеряемых сигналах: силе сопротивления копанию и коэффициенте буксования, определяемом по значениям действительной и теоретической скорости [15].
Статистические и спектральные характеристики силы сопротивления копанию на рабочем органе зависят от глубины резания грунта и объема призмы волочения в динамике, влияют на режим работы силовой установки, скорость машины и, в итоге, на производительность и топливную экономичность машины [4, 16]. Буксование движителей, зависящее от силы тяги и грунтовых условий, также является случайным процессом, характеристики которого необходимо учитывать при обоснова-
нии рекомендуемых параметров тягового режима [17, 18]. Заданное значение силы сопротивления копанию следует выбирать с учетом перечисленных факторов.
Поскольку условия работы ЗТМ случайно меняются в широком диапазоне, проблема теоретически обоснованного автоматического выбора поддерживаемых значений параметров тягового режима ЗТМ остается открытой.
Целью настоящей работы является теоретическое обоснование оптимального задающего воздействия системы управления тяговым режимом с учетом стохастического характера показателей рабочего процесса и динамики машины.
В работе предложен метод формирования задающего воздействия для системы автоматического управления рабочим органом (РО) тяжелого автогрейдера. Система должна поддерживать заданное значение силы сопротивления копанию (горизонтальной составляющей) на рабочем органе. Оптимизация задающего воздействия осуществляется по критерию максимальной технической производительности автогрейдера в режиме копания грунта.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Предложен метод оптимальной настройки системы автоматического управления тяговым режимом автогрейдера. Согласно этому методу, оптимальное задающее воздействие (поддерживаемое значение силы сопротивления копанию) формируется на основе информации о характеристиках сигналов - измеренных значений силы сопротивления копанию и коэффициента буксования движителей во время предыдущего рабочего прохода автогрейдера.
Общая структура исследования включает в себя решение следующих задач:
• разработка структуры системы управления отвалом автогрейдера, содержащей формирователь задающего воздействия;
• обоснование характеристики сигнала буксования, используемой в целях управления;
• разработка алгоритма формирования задающего воздействия микропроцессорным управляющим устройством;
• программная реализация имитационной модели тягового режима автогрейдера и проведение вычислительного эксперимента;
• разработка алгоритма формирования массива оптимальных значений задающего воздействия на основе результатов вычислительного эксперимента;
504 © 2004-2018 Вестник СибАДИ Том 15, № 4. 2018. Сквозной номер выпуска - 62
Vestnik SibADI (Vol. 15, no. 4. 2018. Continuous issue - 62)
• получение зависимости о птимального задающего воздействия от характеристик сигналов, поступающих в управляющее устройство.
Разработанная структура оистемы управления (рисунок 1) оодержит управляющее устройство (УУ) и объеит вправления (ОУ). Управляемой величиной, зависящей от времени t, является сила сопротивления кипанию на рабочем органе автогрейдера Р(0, измеренная в шарнире каеплетия тяговой рампп к основной раме машиыы.
ОУ представляея собой рабочий яроцжот автогрейдера, включающий подпеоцессыы взаимодействия отвала и джпжителей с грунтом, функционирования силовой устантвки, трансмиссии, гидропривода рабочего оргкна. Дополнительным вы1ходныыа информационные сигналом ОУ является коэффкциват буксования 5(0. Возмущающие воздейстиия на ОУ включают в себя влияние кдпрдинпт профиля необработанной грунтовой поверхности на координаты отвала и глубану копания, а также неоднородность рдврабатытаемого грунта, вызывающую случайные колебания Р(1Д.
Бортовое микропроцессорное УУ реализует закон управления то оттлонению. При отклонении измеренного зн поения управляемой величины Р(0 от заданного значения Ропт регулятор формирует на выходе сигнал с(0 включения электрогидравлических распределителей гидроцилиндров подъема-опускания отвала. Исследования выполнены для регулятора релейного типа с зоной нечувствительности [19]. Оптимизация задающего воздействия Ропт выполняется в формирователе задающего воздействия (ФЗВ) в составе УУ. Вычисление значений задающего воздействия Р перед
новым рабочим проходом автогрейдера выполняется на основе инфа|вмацпи о характе-ристкиах еигналов про и 5(0 р измтюгнных во время гфедыщукцего рабочего прододп при помощи датчиков, входящих в состав ОУ.
Сигнал коэффициента буксования 5(0 при физическчй реялизации савижмы1 может бжтк заменен парой сигналов действительной у(р) и теоретической уДС скоростей автогрейде-ка [15]. Вымисление мгновенных значений коэффижиента буксования [17] может быкгь вытолнено программно в ФЗВ по формуле 5(0 = (МО - К0)/М0.
Букеование колесных движителей в динамике зависит от силье тяги, сижы1 схпрюциеле-ккя Р(0, грунтовых условно, существенно ели-яет на действительную скорость машрны о(0 и на техвическую производительность Пт. Анализ экспериоентальных значений коэффициента букдоваеия 5(Ж [20] показил, что для всей длительности рабочего проаода автогрейдера не всегда возможно построить адекватную функтиональную тависимость 5(Р) из-зх из-меняющехая чеойств опорной грунтовой поверхности. Во еремя движения встреоцются участки грунтовой поЕ1ерхности, на которых доижители «срываются» в режом повышео-ного буксования при относнтольно небольших значениях Р(0. Доля таких участков в общей длительности рабочих проходов влияет на скорость и производительность автогрейдера. Мы предлагаем учитывать это явление с помощью показателя рабочего процесса «доля времени повышенного буксования».
На рисунке 2а приведен экспериментально измеренный сигнал - коэффициент буксования 5(0 движителей тяжелого автогрейдера с механической трансмиссией [20]. Длительность
Возмущающие
Рисунок 1 - Функциональная схема системы управления тяговым режимом автогрейдера
Figure 1 - Functional diagram of the motor grader's control system Источник: составлено авторами
Том 15, № 4. 2018. Сквозной номер выпуска - 62 © 2004-2018 Вестник СибАДИ
(Vol. 15, no. 4. 2018. Continuous issue - 62) Vestnik SibADI
а)
0.8
0.6
0.4
0.2
IL........[...........
i Д
/ w 1 \\ VI t Р^Ы
........ ..... 1.......Г"? ........1-4 -.................
7 l 721 i ; \Ti T4 i
10
15
20
25
30
35 40
t, с
1
5
0
0
5
5
сигнала Ts=40 с аоответствует длительности установившегаса случайного продесса X((), Слтвнтто к ссецеol^^|аno^^y о еалематевовким ожиданкхм Ы{Ьув112,5 кВ и стооеонвадрьевто-скот1 отканетви е с а{ВШ=Ю,0 к б. На внодике 2а бедны -оадеки,
6(t) не вызвано возрастанием Р(а и не сонтвет-ствует функционально^! зависимости 5(P).
Анализ гистограмм/1 ы частот на рисунке 2(5 поктнывает, ое(- Уартшанотло нхбнюдений б нсеоднеса и наиболь-
шeeпcапoвну частот нахлдсесв вблизи В-Н,2, что даскос-отоа с сасоженияел теории колтсо ныхЗТМ [ьуД. п0с1трк^0 знатения 0дд,4 дляис-сладоамогс цажима аоттротств^ы павышен-номх а ва в инепцквлах
времени Tv Т2, Д и 7[ нтехюдается иовыхс-
Рисунок 2 - Анализ коэффициента буксования Figare 2 - Slio ratio а nalysiK Источник: составлено авторами
ние букваетнис X и паденос ^е
сдопсоои мапвны v. Обозначим алию врамени
повышбвооно буксто-ния
ьуб -н ыц. ткоцп,; 0=кьвы :л 7П 73
Эта характеристика сигиала коэффициента 67К со ва ни я и ппользуется в УУ для об основании значения поддерживаемой силы сопро-риввения нь отвале твтогрейдаця.
Фopтlиpoеоoeль задающего возднйктвия (ФЗВК в воставемикроыгроцессореоао КУео-дерепт Вхокзапеминаниа (аксо-
ом 3)1 0)т оннреевао в^к"<огазí^^(^^к^г^ а^|эе,и но-дехом рабочего тхоптдс срлттпает ы<^1^^ныо1 инициирующон пзаoмынaние оанфровхнных ситоловеПТ ибЦД Хоеинда напваи
Рисунок 3 - Функциональная схема формирователя задающего воздействия
Figure 3 - Functional diagram of the setpoint former Источник: составлено авторами
также может быть сформирована в УУ автоматически при превышении пороговых значений измеряемых сигналов Р(1) и ч(1) во время рабочего прохода. Окончание процесса записи сигналов производится либо по команде оператора, либо при выглублении отвала и остановке автогрейдера (при достижении пороговых значений Р и V).
По команде формирования задающего воздействия перед началом рабочего прохода (она может быть совмещена с командой, инициирующей окончание записи сигналов), в ФЗВ выполняется следующий алгоритм.
1. Анализ записанного сигнала Р(1), выявление участков установившегося процесса, близкого к стационарному.
2. Определение длительности 7 установившегося случайного процесса Р(1).
3. Вычисление среднеквадратического отклонения а{Р} силы сопротивления копанию.
4. Вычисление значений 6(1), если вместо сигнала 6(1) в блок запоминания поступают сигналы теоретической и действительной скоростей vm(t) и v(t).
5. Анализ 6(1) на временном интервале 7\ Выявление интервалов^ с повышенным буксованием.
6. Расчет доли времени повышенного буксования К6 в соответствии с (1).
7. Расчет оптимального значения задающего воздействия с помощью линейной двумерной табличной интерполяции зависимости
Р^Р Кб).
Шаги алгоритма 1-6 выполняются в блоке вычисления характеристик сигналов, шаг 7 - в блоке табличной интерполяции.
Зависимость Ропт(а{Р}, К6), используемая на шаге 7, получена на основе моделирования процесса управления тяговым режимом автогрейдера. Разработана имитационная модель, предназначенная для проведения вычислительных экспериментов. Модель использована для определения зависимостей между параметрами регулятора, машины, показателями рабочего процесса и критерием оптимальности - технической производительностью автогрейдера Пт(объем грунта, сошедшего с отвала за единицу времени).
Имитационная модель процесса управления тяговым режимом автогрейдера, программно реализованная в МА^АВ^тШтк [16], содержит модели ОУ, УУ, а также модель формирования возмущающих воздействий (рисунок 4). В ходе вычислительного эксперимента оценивалось влияние изменяемых параметров (обведены кружками на схеме)воз-мущений, УУ и ОУ на величину технической производительности автогрейдера Пт (критерий оптимальности настройки УУ) и на статистические характеристики управляемой величины Р(1): математическое ожидание М{Р} и среднеквадратическое отклонение а{Р} силы сопротивления копанию.
Перед каждым прогоном модели варьировались значения параметров УУ: ширина зоны нечувствительности Л релейного звена в со-
Рисунок 4 - Схема имитационной модели процесса управления Figure 4 - Diagram of the control process' simulation model Источник: составлено авторами
ставе регулятора (пороговое значение ошибки регулирования в(0, при котором не фоомиру-ется сигнал подъемо/опускания отвала, т.е. с(0=0 при |в(0|<Д), а также заданное значение силы сопротивления копанею Рз (задающее воздействие). При корректной настройке регулятора и параметрое ОУ (отсутртвел автоколебаний) математическое ожидание упракло-емой величины М{Р> 0 Рз.
Варьируемые парамекры вс-;з1^у|.цаю1.еих воздействий - это коэффициенты вариации Ф1 и ф2, влияющие на среднеквадратические отклонения генерируемых случайных сигналов - высотных кооодонат профиля необработанной грунтоврК поверхности и коордкраты ^1) крепления переднего моста автогрейдера, а также на флюктуации Рф(0 силы сопротивления копанию, рбусловленныц неоднородностью разрабатываемого грунта.
Изменяемыми параметрами ОУ являются скорости подъема/опускания правой и левой сторон отвала vп и vл. Эти оераметры влияют на глубину копания Ь(о и объем разработанного грунта Vg.
Во время ееогона яметационной модели формируется (уигнал буксования 5(0 на основе таблично задкнной функциональной зависимости 5(Р). В гене|эиркутемы1к сигнал 5(1) добавляются участки повышенного буксования в соответствии с варьируемым значением параметра К5.
Модель содержит значительное количество допущений [16]. Точность моделей формирования Р(0 и v(t), входящих в состав модели ОУ, оценена на основе результатов экспериментальных исследований [20]. Полный перебор всех возможных комбинаций значений варьируемых параметров модели нецелесообразен: вариации параметров возмущений, регулятора и ОУ оказывают наибольшее влияние на флюктуации управляемой величины и на среднеквадратическое отклонение а{Р> силы сопротивления копанию, которая, в свою очередь, влияет на производительность. При различных комбинациях параметров модели можно получить близкие значения а{Р> и Пт. Для практической реализации системы управления необходимо сократить количество измеряемых сигналов и сризить разрмрноитр про-
странства парамеееов процесса управления.
В результате имитанионного моделирования моожеству знечений варьирувмых параметров процесса управления Д, Рз,еп, вл, чо, Ф2 и К5 ставится в соответствие множестло значений М{Р},а{Р} и Пт. Параметры УУ ги-др>олупвчда и возмуиуееий Д, Р3^п, vл, ф.,, ф2о-казыкают воздействие на диесмику систрмы и на статистические характе°кетикк М{Р> и а{Р}. Параметр К5 влияет в основному на действительную скоростя машины ^(1).Поэеомо для ссни>еения размерности пространства параметров процесса управления далер исследована зависимость крртерия оптимальнорти управления Пт(М{Р}, са{Рх>, КП).
Оптимальные значения задающего воздей-отвиа системы упсавлония являкгтся решениями задачи оптимизации:
Ропр = агд тахм{р} Пр(М{Р}, о{Р}, 05).
(2)
Для решорио задаол оптимизации необходимо исследовать завксимости Пт-М}РЛ) при фиксированнее значониях а{Р} и К5.В результате имитационного моделияевания получены диокретные значения Пт, количество которыр равно количеству прогонов модрли. Для исследования целевоР функцко при произвольных зеячениях М{РК сп{Р> и КК5 необоодама рог терполяция П7т(Лр{Р>, а{К>, К5).
В ходе имитационного моделированоя за-даохемые значения параметра процесса К5 варьировались в диапазоне 0...0,4 с шагом 0,1. Математическое ожидание управляемой величины М{Р> практически совпадает с заданным значением Рз, которое варьировалось в диапазоне 80000..145000 Н с шагом 10000 Н.Зна-чения а{Р> - это результаты прогонов модели, поэтому шаг между значениями а{Р> является случайным. Поскольку в результате вычислительного эксперимента получены дискретные значения Пт, необходима интерполяция зависимости Пт(М{Р>, а{Р>) при фиксированных значениях К.
5
Для интерполяции получены полиномиальные зависимости Пт(М{Р>, а{Р>). В частности, при фиксированном значении К5= 0 использован аппроксимирующий полином:
Пт(М{Р>, а{Р}) = 3299 - 0,0986 М{Р} + 0,06767 а{Р} + 1,117 • 10-6 • М2{Р} -
- 5,146 • 10-7 • М{Р} а{Р} - 3,318 • 10-6 • а2{Р} - 3,786 • 10-12 • М3{Р} -1,958 • 10-12 • М2{Р} а{Р} + 3,274 • 10-11 • М{Р} а2{Р} .
(3)
© ССТ4нИ010 Тнстник СтТА-Т ак Э1ЬАО I
Том 15,№4. В018.СквсттоТ нсмеи тыпускасО2 (М)С Т 5, по. 4. 2018. ОнсОтиоиБ М{ие - О2)
Нормированный коэффициент детерминации R = 0,94 и визуальный анализ графиков показывают высокую точность аппроксимации. Далее вместо зннчений Пт, полученных в результате вычислительного энсперимента, используются аппроисимированные значения.
Процедура выбора оптимальных значений тадающтго тоздтйствия показата на уисунке т. При фиксированных значениях К5 и о{Р] по сЗормуле (3) зтуоятся гзафики зависимости Пт(М{Р}), и каждому графику ставится в соответствие оптимальное значение М{Р}по критерию максимальной производительности (т.е. находится решение задачи (2)). Таким образом формируется массив оптимальных значений Ропт, зависящих от а{р и К5. При малом шаге изменения М{Р} решение задачи
Пт, м3/ч
950
оптимизации может быть найдено перебором дискретных значений Пт.
сформирование массива оптимальных значений задающего воздействия Ропт, используем ого в блоке табличной интерполяции ФЗВ, выполнено в соответствии со следующим алгоритмом.
1. Задать значения параметров имитационной модели, варьируемых в заранее определенных диапазонах и с определенным шагом: Л, Р, ш., , V .
' з' Т2 п' л
2. Задать значение доли времени повышенного буксования К5.
3. Выполнить прогон модели, сохранить результаты (значения моделируемых показателей процесса).Определить отсутствие автоколебаний в системе управления.
K = о
o{P}=4000 Н
............;a{P}=8000 Н
o{P}=10000 a{P}=12000' Н a{P}= 14000 Н
M{P}, Н
x 10
Рисунок 5 - Выбор оптимального задающего воздействия Figure 5 - Selection of the optimal setpoint Источник: составлено авторами
4. Вычислить и записать в массив полученные значения М{Р}, а{Р}, Пт. Шаги 1-4 повторяются до завершения вычислительного эксперимента.
5. Задать фиксированное значение К5.
6. Построить аппроксимирующий полином 2-3 порядка для зависимости Пт(М{Р}, а{Р}) по аналогии с выражением (3).
7. Задать фиксированное значение а{Р}.
8. Изменяя М{Р}, построить график аппроксимирующей зависимости Пт(М{Р}, а{Р}) по аналогии с рисунком 5. Шаги 7 и 8 повторяются для всех варьируемых значений а{Р} при фиксированном К5.
9. Найти оптимальные значения математического ожидания силы сопротивления копанию (рисунок 5), записать в двумерный массив значения Ропт. Шаги 5-9 повторяются до получения всех комбинаций значений (К5,а{Р}), варьируемых с заданным шагом, и соответствующих значений Р .
опт
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результат формирования массива оптимальных значений задающего воздействия
P,
х 101 1.3
Ропт показан на рисунке 6. Эта зависимость используется как справочная таблица в блоке табличной интерполяции ФЗВ (рисунок 3) следующим образом. По конкретным значениям характеристик а{Р} и К5, полученным в результате измерения и обработки показателей предыдущего рабочего прохода автогрейдера, при помощи линейной табличной интерполяции вычисляется значение Ропт, соответствующее точке на поверхности (рисунок 6). Это оптимальное значение силы сопротивления копанию, которое должно поддерживаться системой управления отвалом (рисунок 1) во время следующего рабочего прохода для максимизации технической производительности автогрейдера.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе выполнено теоретическое обоснование оптимального задающего воздействия системы управления тяговым режимом автогрейдера, и предложен метод настройки системы автоматического управления отвалом тяжелого автогрейдера в режиме копания грунта.
14000
12000 10000 o{P}, Н
0 4000
Рисунок 6 - Зависимость оптимального задающего воздействия от среднеквадратического отклонения силы сопротивления копанию и доли времени повышенного буксования
Figure 6 - Dependence of the optimal setpoint on standard deviation of digging force
and on excessive slippage time ratio
Источник: составлено авторами
Отличительными особенностями предложенного метода являются:
• оптимальное управление по критерию технической производительности автогрейдера;
• учет динамики и стохастического характера процессов с помощью имитационной модели, использование среднеквадратическо-го отклонения измеренной силы сопротивления копанию для настройки системы;
• учет наличия участков грунтовой поверхности с повышенным буксованием колесных движителей и использование вычисленной доли времени повышенного буксования для настройки системы.
Теоретическое обоснование значений оптимального задающего воздействия получено в результате имитационного моделирования тягового режима автогрейдера, полиномиальной аппроксимации зависимостей между моделируемыми показателями процесса, а также решения задачи оптимизации математического ожидания силы сопротивления копанию.
Предложена структура системы управления, включающая микропроцессорное управляющее устройство, и алгоритм функционирования формирователя оптимального управляющего воздействия.
Предложен метод оптимальной настройки системы автоматического управления тяговым режимом автогрейдера. Согласно этому методу, оптимальное задающее воздействие (поддерживаемое значение силы сопротивления копанию) формируется на основе информации о характеристиках сигналов - измеренных значений силы сопротивления копанию и коэффициента буксования движителей во время предыдущего рабочего прохода автогрейдера.
Результаты исследований могут быть использованы в качестве рекомендуемого подхода к разработке и настройке бортовых микропроцессорных систем индикации и управления тяговыми режимами ЗТМ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. Ito N. Bulldozer Blade Control. Journal of Terramechanics, 1991, Vol. 28, No. 1, pp. 65-78. DOI: 10.1016/0022-4898(91)90007-S
2. Bulgakov A., Emelianov S., Bock T. and Tokmakov G. Adaptive control of bulldozer's workflows. Proc. of the 33rd ISARC (Auburn, AL, USA). 2016, pp. 90-97. DOI: 10.22260/ ISARC2016/0012
3. Nakagami H., Ozaki T., Kure K. Introduction of Bulldozers D155AX-8/AXi-8 // Komatsu Technical Report, 2014, Vol. 60, No. 167, 7 pp.
Режим доступа: http://www.komatsu.com/ CompanyInfo/profile/report/pdf/160-E06.pdf, свободный (дата обращения: 10.08.2018).
4. Денисов В.П. Оптимизация рабочего процесса землеройно-транспортных машин с учетом случайного характера нагрузок: монография. Омск: СибАДИ, 2005. 123 с.
5. Бузин Ю.М. О некорректности в подходе к определению производительности земле-ройно-транспортной машины и построению на ее основе системы автоматического управления рабочим органом // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2009. № 5 (605). С. 80-83.
6. Денисов В.П., Матяш И.И., Зубарев К.В. Исследование влияния конструктивных параметров рабочего органа автогрейдера на его производительность // Вестник СибАДИ. 2015. № 2 (42). С. 15-19.
0. Никулин П.И., Бузин Ю.М. Анализ методов управления процессом копания грунта землеройно-транспортных машин // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2003. № 11 (539). С. 95-99.
8. Жулай В.А., Тюнин В.Л., Крестников А.В. Оценка топливной экономичности самоходных колесных землеройно-транспортных машин // Механизация строительства. 2016. Т. 00. № 8. С. 20-31.
9. Клец Д. М., Краснокутский М.В., Га-цько В.И., Барун М.В. Моделирование рабочих процессов двигателя автогрейдера при работе с неустановившейся нагрузкой // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2010. Т. 4. № 0 (88). DOI: 10.15580/1029-4061.2010.100128
10. Zhao R. Y. and Wang X. Research on power adaptive control method for hydraulic motor grader based on Simulink/AMESim. Applied Mechanics and Materials, 2012, vols. 135-136, pp. 093-099. D0I:10.4028/www.scientific.net/ AMM.135-136.093
11. Ye M. and Lin T. Energy conservation for a motor grader by shifting the engine power curve based on fuzzy adaptive control. Advances in Mechanical Engineering, 2015, vol. 0, issue 4. pp. 1-13.DOI: 10.1100/1680814015582116
12. Song Q., Wand W. and Jia C. Research on fuel consumption of hybrid bulldozer under typical duty cycle. The 2015 Int. Conf. onMechanicalEng ineeringandControlSystems (MECS2015), 2016, pp. 54-50.D0I:10.1142/9089814040616_0012
13. Steckelberg D. and Pacifico A. A methodology for measuring an internal combustion engine performance map using onboard acquisition. 23rd ABCM Int. Congress of
Mechanical Engineering (Rio de Janeiro, Brazil), 2015. 173 p. Режим доступа: https://www. researchgate.net/publication/312577762, свободный (дата обращения: 17.08.2018).
14. Жулай В.А., Енин В.И., Крестников А.В. Математическое описание скоростных характеристик двигателей строительных и дорожных машин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Материалы межрегиональной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии». 2011. № 1. С. 196-200.
15. Hayashi К., Shimada К. et al. Development of D61EXi/PXi-23 bulldozer with automatic control system of work equipment // Komatsu Technical Report, 2013, Vol. 59, No. 166, 8 pp. Режим доступа: http://www.komatsu.com/CompanyInfo/ profile/report/pdf/166-E02.pdf, свободный (дат обращения: 17.08.2018).
16. Мещеряков В.А. Нейросетевое адаптивное управление тяговыми режимами земле-ройно-транспортных машин: монография. Омск: ОмГТУ, 2007. 219 с.
17. Ульянов Н.А. и др. Самоходные колесные землеройно-транспортные машины. М.: Машиностроение, 1982. - 280 с.
18. Жулай В.А., Енин В.И., Кожакин Е.В. Зависимость буксования колесного движителя от силы тяги // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 1. С. 44-45.
19. Денисов В.П., Мещеряков В.А. Исследование системы автоматического управления скоростью автогрейдера // Строительные и дорожные машины. 2003. № 5. С. 39-41. EID: 2-s2.0-0038691599
20. Мещеряков В.А., Вебер В.В. Методика обработки результатов экспериментальных исследований тягового режима автогрейдера // Вестник СибАДИ. 2012. № 4 (26). С. 14-19.
REFERENCES
1. Ito N. Bulldozer Blade Control. Journal of Terramechanics, 1991, Vol. 28, No. 1, pp. 65-78. DOI: 10.1016/0022-4898(91)90007-S
2. Bulgakov A., Emelianov S., Bock T. and Tokmakov G. Adaptive control of bulldozer's workflows. Proc. of the 33rd ISARC (Auburn, AL, USA), 2016, pp. 90-97. DOI: 10.22260/IS-ARC2016/0012
3. Nakagami H., Ozaki T., Kure K. Introduction of Bulldozers D155AX-8/AXi-8.Komatsu Technical Report, 2014, Vol. 60, No. 167, 7 pp. Access mode: http://www.komatsu.com/CompanyInfo/ profile/report/pdf/167-E06.pdf, free (application date: 17.08.2018).
4. Denisov V.P. Optimizatsiya rabochego pro-tsessa zemreroyno-transportnykh mashin [Earth-moving machinery workflow optimization with a glance of stochastic loads]. Omsk, SibADI, 2005, 123 p.
5. Buzin Yu. M. O nekorrectnosti v podkhode k opredeleniyu proizvoditelnosti zemlerono-trans-portnoy mashiny i postroeniyu na ee osnove sistemy avtomaticheskogo upravleniya rabo-chim organom [About inconsistency in the way of an eathmover production rate calculation and synthesis of the automatic control system of the working equipment]. Izvestiya vyshikh uchebnch zavedeniy. Storitelstvo, 2009, no 5 (605), pp. 8083.
6. Denisov V.P., Matyash I.I., Zubarev K.V. Issledovanie vliyaniya konstruktivnykh para-metrov rabochego organa avtogreydera na ego proizvoditelnost [Research of the constructive parametersinfluence of the motor grader working equipment on its performance]. Vestnik SibADI, 2015, no 2 (42), pp. 15-19.
7. Nikulin P.I., Buzin Yu.M. Analiz metodov upravleniya processom kopaniya grunta zemleroy-no-transportnykh mashin [Analysis of the control methods for digging process of earthmoving machinery]. Izvestiya vyshikh uchebnch zavedeniy. Storitelstvo, 2003, no 11 (539), pp. 95-99.
8. Zhulai V.A., Tyunin V.L. and Krestnikov A.V. Otsenka toplivnoy ekonomichnosti samokhod-nikh kolesnykh zemleroyno-transportnykh mashin [Fuel economy estimation for self-powered wheeled earthmoving machinery]. Mekhanizatsi-ya stroitelstva, 2016, Vol. 77, no 8, pp. 27-31.
9. Klets D., Krasnokutsky M., Hatsko V. and Barun M.Modeling of operation processes of a motor grader engine during work under unsteady load.Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2017, vol. 4, no 7 (88). DOI: 10.15587/1729-4061.2017.107128
10. Zhao R. Y. and Wang X. Research on power adaptive control method for hydraulic motor grader based on Simulink/AMESim. Applied Mechanics and Materials, 2012, vols. 135-136, pp. 793-799. DOI:10.4028/www.scientific.net/ AMM.135-136.793
11. Ye M. and Lin T. Energy conservation for a motor grader by shifting the engine power curve based on fuzzy adaptive control. Advances in Mechanical Engineering, 2015, vol. 7, issue 4. pp. 1-13. DOI: 10.1177/1687814015582116
12. Song Q., Wand W. and Jia C. Research on fuel consumption of hybrid bulldozer under typical duty cycle. The 2015 Int. Conf. on Mechanical Engineering and Control Systems (MECS2015), 2016, pp. 54-57. DOI:10.1142/9789814740616_0012
13. Steckelberg D. and Pacifico A.A methodology for measuring an internal combustion engine performance map using on-board acquisition. 23rd ABCM Int. Congress of Mechanical Engineering (Rio de Janeiro, Brazil), 2015. 103 p. - Access mode: https://www.researchgate.net/ publication/312500062, free (application date : 10.08.2018).
14. Zhulai V.A., Yenin V.I. and Krestnikov A.V.Matematicheskoeopisanieskorostnykh-kharakteristikdvigateleystroitelnykh i dorozhnykh mashin [Mathematical description of speed characteristics of the building and road machines' engines]. Nauchny Vestnik VGASU, 2011, vol. 1, pp. 196-200.
15. Hayashi К., Shimada К. et al. Development of D61EXi/PXi-23 bulldozer with automatic control system of work equipment. Komatsu Technical Report, 2013, Vol. 59, no 166, 8 pp. Access mode : http://www.komatsu.com/CompanyInfo/ profile/report/pdf/166-E02.pdf, free (application date : 10.08.2018).
16. Meshcheryakov V.A. Neural network based adaptive control of earthmoving machinery workflows. Omsk:OmGTU, 2000, 219 p.
10. Ulyanov N.A. et al.Samokhodnye kolesnye zemleroyno-transportnye mashiny [Self-powered wheeled earthmoving machinery]. М.: Mashino-troenie, 1982. 280 p.
18. Zhulai V.A., Yenin V.I. and Kozhakin E.V. Zavisimost buksovaniya kolesnogo dvizhitelya ot sily tyagi [Dependence of the wheel slippage on the draft force]. Traktory I selkhozmashiny, 2015, no 1, pp. 44-45.
19. Denisov V.P., Meshcheryakov V.A. Issle-dovanie sistemy avtomaticheskogo upravleniya skorostyu avtogreydera[A study of the automatic motor-grader speed control system]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny, 2003, no 5, pp. 39-41. EID: 2-s2.0-0038691599
20. Meshcheryakov V.A. and Weber V.V. Metodika obrabotkirezultatov experimentalnykh issledovany tyagovogo rezhima avtogreydera [Methods of processing of the experimental investigation results of the motor grader traction mode]. VestnikSibADI, 2012, no 4 (26), pp. 14-19.
Поступила 20.07.2018, принята к публикации 20.08.2018.
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Прозрачность финансовой деятельности: никто из авторов не имеет финансовой заинтересованности в представленных материалах или методах. Конфликт интересов отсутствует.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Мещеряков Виталий Александрович - доктор технических наук, доцент, ORCID 0000-0001-9913-2078, Scopus Author ID 7006700218,ResearcherID H-2077-2016, ФГБОУ ВО «СибАДИ», проректор по информационным технологиям, профессор кафедры «Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур» (644080, г. Омск, пр. Мира 5, meshcheryakov_va@sibadi.org).
Вебер Виталий Викторович - старший преподаватель кафедры «Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур», ФГБОУ ВО «СибАДИ» (644080, г. Омск, пр. Мира 5, veber_vv@sibadi. org).
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Meshcheryakov Vitalii - doctor of technical science, ORCID 0000-0001-9913-2078, Scopus Author ID 7006700218, ResearcherlD H-2077-2016, Vice Rector of Information Technologies, Professor of the Department "Machinery for Construction and Service ofOil and Gas Complexes and Infrastructures", Siberian State Automobile and Highway University (644080, Omsk, 5, Mira Ave., meshcheryakov_va@sibadi.org).
Weber Vitalii - Senior Lecturer of the Depart-ment"Machinery for Construction and Service of Oil and Gas Complexes and Infrastructures", Siberian State Automobile and Highway University (644080, Omsk, 5, Mira Ave., veber_vv@sibadi. org).
ВКЛАД СОАВТОРОВ
Мещеряков В.А.: постановка задачи, разработка общей структуры системы, структуры моделей подсистем объекта управления.
Вебер В.В.: реализация моделей, получение результатов вычислительного эксперимента и анализ зависимостей, оптимальная настройка модели управляющего устройства.
AUTHORS CONTRIBUTION
Meshcheryakov V. problem statement, development of the general system structure and submodels structures of the controlled object.
Weber V. models realization, process simulation and results analysis, optimal tuning of the control unit model.
