CC BY
80
УДК 681.537:621.878.2
СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
БУЛЬДОЗЕРНОГО АГРЕГАТА
В.С. Щербаков, В.А. Кулибаба
В статье рассмотрена система автоматизации моделирования рабочего процесса бульдозерного агрегата на базе гусеничного трактора. Представлены блок-схема алгоритма разработки системы автоматизации моделирования рабочего процесса бульдозерного агрегата, математическая модель рабочего процесса бульдозерного агрегата, реализованная в Бішиїіпк, внешний вид окна интерфейса системы автоматизации моделирования
Ключевые слова: моделирование, автоматизация, бульдозерный агрегат, алгоритм, интерфейс
В общем объёме земляных работ в строительстве основную долю составляют работы, выполняемые с помощью бульдозеров.
В настоящее время моделирование сложных динамических систем, таких, как землеройнотранспортные машины (ЗТМ), в том числе и бульдозерные агрегаты, является неотъемлемой частью процесса автоматизации проектирования. Моделирование ускоряет процесс принятия проектно-конструкторских решений, а так же существенно сокращает затраты материальных средств на создание новых и модернизацию существующих моделей машин. Использование мощных электронно -вычислительных машин (ЭВМ) и современного программного обеспечения значительно облегчает процесс моделирования и позволяет создавать системы автоматизации моделирования (САМ).
Моделирование систем представляет собой высокоинтеллектуальное занятие, творчество, требующее применения разнообразных знаний. Задачей инженерного проектирования является разработка, при некоторых ограничениях, обусловленных способом решения, систем, обеспечивающих оптимальное выполнение поставленной задачи при некоторых ограничениях, накладываемых на решение.
В качестве объекта моделирования принимается рабочий процесс бульдозерного агрегата с неповоротным отвалом с установленным на него дизельным двигателем внутреннего сгорания (ДВС), оснащенный регулятором частоты вращения коленчатого вала. Базовой машиной является гусеничный трактор с полужесткой подвеской ходового оборудования [1].
Блок-схема алгоритма разработки системы автоматизации моделирования рабочего процесса бульдозерного агрегата представлена на рис. 1.
Инструментом, для решения задач анализа разработанной математической модели рабочего процесса бульдозерного агрегата было выбрано
Щербаков Виталий Сергеевич - СибАДИ, д-р техн. наук, профессор, е-mail: Shcherbakov [email protected] Кулибаба Виталий Андреевич - СибАДИ, инженер, e-mail: [email protected]
приложение БтыНпк программного продукта МЛТЬЛБ, дающее возможность визуально-
блочного программирования [1].
Рис. 1. Блок-схема алгоритма разработки системы автоматизации моделирования рабочего процесса бульдозерного агрегата
Рабочий процесс бульдозерного агрегата представлен сложными подсистемами, которые описаны рядом уравнений и передаточных функций. На их основе построена блок-схема математической модели рабочего процесса бульдозерного агрегата, представленная на рис. 2.
Данная математическая модель учитывает параметры БА и разрабатываемого грунта.
Рис. 2. Блок-схема математической модели рабочего процесса бульдозерного агрегата
При разработке грунта бульдозерным
агрегатом существует возможность возникновения кратковременной и даже длительной перегрузки двигателя. В первом случае двигатель не
останавливается за счет инерции подвижных масс его деталей и машины. При длительной и большой перегрузке существует возможность остановки
двигателя и, соответственно, самой машины. Изменение момента сопротивления на валу
двигателя определяется совокупностью
значительного числа различных факторов, имеющих случайный характер. К основным факторам можно отнести: неровности рельефа поверхности,
неоднородность разрабатываемого грунта,
техническое состояние узлов и агрегатов базовой машины, квалификацию машиниста и др.
Внедрение системы управления, позволяющей управлять загрузкой ДВС бульдозерного агрегата в автоматическом режиме, позволит повысить
производительность машины, снизить затраты на
горюче-смазочные материалы [4].
Изменение положения РО производится с помощью гидропривода, который является релейным звеном, что обуславливает применение релейной системы управления (СУ).
Информационным параметром такой СУ должен быть параметр, оценивающий загрузку ДВС, являющегося первичным источником энергии.
В качестве информационного параметра предлагается использовать крутящий момент на валу ДВС, регулируемый параметр СУ - положение рабочего органа [4].
На ЗТМ применяются электронные релейные блоки, представляющие собой совокупность пороговых элементов, с регулируемой зоной нечувствительности. Поскольку быстродействие электронных схем является высоким, в сравнении с другими элементами СУ, пороговый элемент описан как безинерционное реле. Так как открывание и закрывание порогового элемента происходит при разных значениях входного сигнала (рисунок 3), математическое описание выполнено с помощью системы неравенств [4]:
I =
1 +1 • sign(АMC) 2
1 +1 • sign(АMC) 2
(1 +1 • sign(AMC -\АМ\))+)1 Ьт^(Шс)^1 • sign(AMC + \АМ21)-1) (1 +1 • sign(АMC -1АМ21))+)1 - Ь )'1(1 • sign{АMC +1АМ11) -1)
где I - значение выходного сигнала порогового элемента (ПЭ), 10 - рабочее значение выходного сигнала ПЭ, АМС - значение сигнала рассогласования параметра управления, А Мг -значение входного сигнала, при достижении которого на выходе ПЭ возникает выходной сигнал, А М2 - значение входного сигнала, при достижении которого на выходе ПЭ пропадает выходной сигнал.
при > 0;
Ж (1)
ё (АMC) при—------— < 0,
Ж
Статическая характеристика ПЭ представлена на рис. 3, где N - порог срабатывания на включение ПЭ, |Ь2| - порог срабатывания на отключение ПЭ. Ширина зоны нечувствительности данного порогового элемента определяется суммой порогов срабатывания на включение и отключение.
I
0
0
Входным значением для ПЭ СУ является значение:
жс = Ыс - Ы0, (2)
где Мс - текущее значение крутящего момента; Ы:с -
значение крутящего момента, заданное для данных грунтовых условий и параметров микрорельефа.
Математическая модель СУ - есть совокупность уравнений (1) - (2), представленная на рис. 4 в обозначениях БЫнИ^.
Рис. 4. Математическая модель системы управления в обозначениях Simulink
Модель рабочего процесса бульдозерного агрегата совместно с моделью системы управления, реализованная в Simulink, представленная на рис. 5, позволяет имитировать рабочий процесс бульдозерного агрегата, изменяя входные параметры.
Составленное математическое описание подсистем бульдозерного агрегата и разрабатываемого грунта позволяет учитывать конструктивные особенности машины при изучении её динамики и процесса формирования обрабатываемой поверхности рабочим органом.
Входными параметрами данной модели являются толщина срезаемой стружки hСТp и
изменение координаты переднего катка Ya, которые вводятся в блоки «Grunt» и «РАМА_РО» соответственно.
Выходные параметры: величина крутящего момента на валу ДВС - Me, частота вращения коленчатого вала ДВС - тД, вертикальная координата кромки рабочего органа - Ypo.
Для более удобной работы с моделью создаем интерфейс программы в виде окна, содержащего различные элементы управления и поля ввода параметров ЦТЭ. В качестве инструмента построения интерфейса программы используется прикладной программный пакет GUIDE программного комплекса MATLAB R2009a [1].
Рис. 5. Модель рабочего процесса бульдозерного агрегата совместно с моделью системы управления, реализованная в
Simulink
внешний вид разработанного
На рис. 6 представлен
интерактивного интерфейса программного продукта.
Представленный интерфейс связан с моделью по средствам специального т-файла, содержащего листинг программы [1]. Данная программа обеспечивает работу системы автоматизации моделирования бульдозерного агрегата
Рис. 6. Внешний вид окна интерфейса системы автоматизации моделирования
В окне ввода исходных данных, при нажатии кнопки «Параметры бульдозерного агрегата», вводятся конструктивные параметры базовой машины и навесного оборудования, такие как значения параметров ДВС, гидропривода; длина опорной базы трактора; расстояние от рабочего органа до переднего опорного катка; расстояние от переднего опорного катка до центра масс; радиусы ведущих звездочек; коэффициенты жесткости и
вязкости элементов ходового оборудования; масса остова; моменты инерции звеньев и прочее.
В окне ввода исходных данных, при нажатии кнопки «Параметры обрабатываемого грунта», вводятся параметры микрорельефа; предел прочности грунта; коэффициенты трения грунта о грунт и о металл; объемная масса грунта.
Результаты моделирования представляются временными характеристиками при нажатии соответствующей кнопки результатов
моделирования.
Таким образом, разработанная система автоматизации моделирования позволяет проводить исследование основных динамических
характеристик бульдозерного агрегата в
зависимости от параметров грунта и его физикомеханических свойств.
Кроме того, можно изменять значения параметров рабочего оборудования и получать результаты моделирования при определенных значения параметров базовой машины.
Предложенное математическое описание можно использовать при проектировании бульдозерного агрегата.
Литература
1. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. МЛТЬЛБ 7. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 1104 с.
2. Глушец В.А. Математическая модель процесса взаимодействия гусеничного ходового оборудования землеройно-транспортных машин с разрабатываемым грунтом / Межвузовский сборник трудов ученых, аспирантов и студентов. - Омск: СибАДИ, 2004. - Ч. 1. Вып. 1.- С. 152 -158.
3. Шарипов В.М. Ходовая система гусеничного трактора (конструкция): учеб. пособие. - М.: «МАМИ», 1999. - 46с.
4. Глушец В.А. Совершенствование системы управления рыхлительным агрегатом: Дис. ... канд. техн. наук. - Омск: СибАДИ, 2004. - 185 с.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
SYSTEM OF AUTOMATION OF MODELLING OF WORKING PROCESS
THE BULLDOZER
V.S. Shcherbakov, V.A. Kulibaba
In article the system of modeling of working process of the bulldozer on the basis of a catarpillar is considered. The block diagram of algorithm of system engineering of automation of modeling of working process of the bulldozer, mathematical model of working process of the bulldozer, realized in Simulink, appearance of a window of the interface of system of automation of modeling are presented
Key words: the design, the automation, the bulldozer, the algorithm, the interface
