Управление положением ротора траншеекопателя с корректировкой скорости его движения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACHINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING

УДК 51-74+681.532.1 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-2-48-53

УПРАВЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЕМ РОТОРА ТРАНШЕЕКОПАТЕЛЯ С КОРРЕКТИРОВКОЙ СКОРОСТИ ЕГО ДВИЖЕНИЯ

© 2020 г. Т.П. Карташова, М.Э. Шошиашвили

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия

CONTROL OF THE POSITION OF THE TRENCHER ROTOR WITH ADJUSTMENT OF ITS MOVEMENT SPEED

T.P. Kartashova, M.E. Shoshiashvili

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia

Карташова Татьяна Павловна - аспирант, ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: taurane@mail.ru

Шошиашвили Михаил Элгуджевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: shosh61@yandex.ru

Kartashova Tatyana P. - Graduate Student, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: taurane@mail.ru

Shoshiashvili Mikhail E. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department «Mechatronics and Hydropneumoautomatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: shosh61@yandex.ru

Рассмотрены вопросы управления положением ротора траншеекопателя с корректировкой скорости его движения. В основу синтеза такой системы положен кинематический анализ механической части привода рабочего органа и решения обратной задачи кинематики с учетом продольного угла наклона траншеекопателя. Особенностью системы управления является учет возмущающего воздействия -продольного угла наклона местности и его производной - вертикальной составляющей скорости перемещения рабочего органа машины. Получено выражение, обеспечивающее управление скоростью вертикального перемещения ротора в зависимости от изменения продольного угла наклона местности. Предложен алгоритм работы модуля управления скоростью перемещения рабочего органа.

Ключевые слова: траншеекопатель; регулирование положения ротора; корректировка скорости; прямая и обратная задачи кинематики; возмущающее воздействие; аппроксимирующие зависимости; скорость перемещения рабочего органа; модуль управления скоростью перемещения рабочего органа; корректирующий сигнал.

The issues of controlling the position of the trencher rotor with adjusting its speed are considered. The basis for the synthesis of such a system is based on the kinematic analysis of the mechanical part of the drive of the working body and the solution of the inverse kinematics problem, taking into account the longitudinal angle of the trencher. A feature of the control system is to take into account the disturbing effect-the longitudinal angle of the terrain and its derivative-the vertical component of the speed of movement of the working body of the machine. An expression is obtained that provides control of the speed of vertical movement of the rotor depending on the change in the longitudinal angle of the terrain. The algorithm of operation of the module for controlling the speed of movement of the working body is proposed.

Keywords: trencher; regulation of the rotor position; speed correction; direct and inverse kinematics problems; disturbing influence; approximating dependencies; speed of movement of the working body; control module for the speed of movement of the working body; correcting signal.

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2

Введение

Одним из важных этапов строительства магистральных газо- и нефтепроводов является технологический процесс отрывки траншей с применением землеройно-транспортных машин, таких как многоковшовые экскаваторы или роторные траншеекопатели, представляющие собой гусеничную машину с рабочим органом в виде многоковшового ротора [1]. В работе [2] показано, что исполнить требования к качеству такого технологического процесса, под которым, в основном, понимается создание относительно ровной поверхности дна траншеи с учетом неровностей и уклонов местности, по которой передвигается траншеекопатель, возможно только путем автоматизации технологического процесса, а именно, автоматизации работы траншеекопателя.

В данной статье рассматриваются вопросы автоматизации управления положением ротора траншеекопателя, привод которого имеет сложный рычажный механизм с гидравлическим приводом [3]. Общие принципы построения системы автоматического управления траншеекопателем, включая и работу подсистемы управления положением ротора, рассмотрены в статьях [4 - 6]. В работах [5, 7, 8] рассмотрены вопросы решения прямой (ПЗК) и обратной (ОЗК) задач кинематики привода ротора траншеекопателя, устанавливающие связь между требуемым по технологии, с учетом рельефа местности, величиной заглубления ротора и положением штока управляющего гидроцилиндра (ГЦ).

Однако построение системы управления положением ротора траншеекопателя только на основе решения ОЗК по положению не может в полной мере обеспечить требуемое качество технологического процесса. Требуется также согласование вертикальной составляющей скорости ротора со скоростью движения штока управляющего гидроцилиндра при изменении продольного углового положения траншеекопателя, для чего необходимо, во-первых, решить ОЗК по скоростям движения исполнительного механизма привода - управляющего гидроцилиндра и самого объекта - ротора траншеекопателя; во-вторых, предложить построение системы управления, включающей управление как по положению, так и по скорости.

Решение задачи 1

Методика решения обратной задачи кинематики по положению для рабочего органа (РО) со сложной кинематической структурой с

коррекцией на поворот механизма вокруг некоторой точки вращения рассмотрена в работе [8]. Там же получено решение обратной задачи кинематики Ьшт = / (ктр) для формирования заданной функции управления с коррекцией на локальный уклон местности в виде

Алт (^ад, у) =

(B + BiT)^(BC + BIT)2 -4(Со + CiT)(Ao + AlT-hff) ,(1)

2 (Со +С,у)

где у - продольный угол наклона траншеекопателя; A0, A1, B0, B1, С0, C1 - коэффициенты регрессии полинома второй степени [8]; hтр - величина заглубления РО.

Для определения скорости перемещения штока управляющего гидроцилиндра ишт применим следующую методику:

йЬ йЬ йк йЬ

_ шт _ шт тР _,шт

dt dh dt

dh

тр

где uh - скорость заглубления РО.

Для определения величины uh рассмотрим диаграмму, изображенную на рис. 1, согласно которой

^ =^тр sin у . (3)

^"Vop

Рис. 1. Диаграмма для определения величины uh / Fig. 1. Diagram for determining the value uh

Составляющую dLmTjdhw выражения (2)

определим путем дифференцирования выражения (1). Тогда, введя обозначения А(у) = A + Ду; B (у) = B0 + BlY; С (у) = С0 + ClY, получим

dL

dh

-(t) =

1

Jtí2(t)-4C(T)(a(T)-hTp) '

(4)

а выражение (2) с учетом выражения (3) примет вид

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2

и sin у

(у)-4С(у)(A(y)-^) '

(5)

Характер изменения скорости ишт при изменении величины к тр от - 3 до 1 м и величины у от -10° до +10° показан на рис. 2.

ишт, м/с

5,2-10"

3,8-10"

2,4-10"

-3,0 -2,6 -2,2 -1,8 -1,4 -1,0 -0,6 -0,2 0,2 0,6 h, м а

4,6-10-

2,8-10-

1 1 1

И1 эи h = -3 м \

при h = -2 м \

/ при h = -1м

/

при h = 1м

-10 -8 -6

-2 0 б

2 4 6 8 у, град

Рис. 2. Графики зависимостей ишт = fthTp, у): а) и^ = fhTp); б) ишт = f Y) / Fig. 2. Dependency graphs ишт = Л^р, Y): а) ишт = „/(^р); б) Цшт = fY) Таким образом, выражение (5) представляет собой решение ОЗК по скорости выдвижения штока управляющего гидроцилиндра ишт. Для реализации в системе управления блока решения обратной задачи кинематики по скорости в него необходимо вводить информацию Uy о текущих значениях продольного угла поворота машины y и информацию Uh о текущем значении величины заглубления РО h^. Учитывая техническую сложность непосредственного замера величины h.^, предложено получение такой информации косвенным путем на основе решения ПЗК, расчетная формула которой имеет вид [8]:

f 1 Y fA A)

h (L , у) = L

тр V шт ' / /

шт т2

L2

V шт У

B0 B1 С С

V С0 С1У

f 11

чУУ

(6)

Решение задачи 2

В основу построения системы управления рабочим органом траншеекопателя как по пере-

мещению, так и по скорости, заложено положение, что корректирующий модуль управления скоростью перемещения ротора траншеекопателя подключается только при определенных условиях. В качестве таких условий предложены следующие положения:

1) скорость движения машины больше нуля: итр > 0;

2) ошибка в позиционировании рабочего органа Ак = кзад - к не превышает разницу Дку

между расчетными значениями положения рабочего органа, определяемыми текущим значением угла у, и углом у = 0 в зависимости от конкретного положения штока управляющего гидроцилиндра, т.е.

Акт= ктр (¿шт,у)-ктр (¿шт,у = 0); (7)

3) ошибка в позиционировании штока управляющего гидроцилиндра = ¿Щ? -

превышает некое пороговое значение А!,™;

4) модульная величина угла у превышает некое пороговое значение у*, т.е. |у| > ут1П;

5) для |у| < утт должно выполняться дополнительное условие: если у>0 или у<0 в течение любого промежутка времени Д/, превышающего минимально допустимое заданное время Д/т1П.

Условие 1 связано с тем, что при итр = 0, согласно выражению (3), ик(у) = 0 и подключение модуля управления скоростью теряет смысл. Кроме того, это условие обеспечивает при нулевой скорости движения машины автоматическое заглубление ротора на заданную величину с управлением по положению рабочего органа.

Условие 2 обеспечивает в начальные моменты работы траншеекопателя даже при малых углах у заглубление ротора с максимально возможной скоростью независимо ни от каких других условий, а модуль управления скоростью подключается только при условии у Ф 0 (смотри условия 4 и 5) и когда требуется коррекция на величину Дку, определяемую выражением (7). Для анализа условия 2 выполняется расчет текущего значения величины заглубления рабочего органа к по выражению (6) [8].

Значение ут1П зависит от требований к точности позиционирования ротора, характеристик информационных устройств, профиля местности и других факторов и является настраиваемым параметром в разрабатываемой автоматизированной системе. В первом приближении значение ут1п можно принять равным 2°, что позволит

4

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2

исключить ложные срабатывания системы управления для незначительных продольных уклонов (естественной неровности местности).

Величина Л^™ характеризует минимальную ошибку позиционирования, которая определяет целесообразность и эффективность подключения модуля управления скоростью перемещения ротора траншеекопателя. Для большинства механизмов привода ротора можно принять Л!™ ~ 0,005 м, что соответствует Лктр « 0,02 м.

Дополнительное условие 5 также обеспечивает исключение ложных подключений модуля управления скоростью за счет небольших локальных уклонов местности, но в то же время позволяет обеспечить эффективную работу системы при затяжных, но небольших уклонах местности.

Таким образом, система управления рабочим органом траншеекопателя строится по принципу комбинированного управления: при наличии возмущающего воздействия в виде продольного угла наклона траншеекопателя подключается корректировочный модуль управления скоростью перемещения рабочего органа. Анализ условий подключения такого модуля проводится в блоке логики (рис. 3), реализующем логические выражения, построенные на основе приведенных выше рассуждений:

Uбл =<

1, if

"тр > 0 and

Ah < Ahy and

AL > ALmin | шт | шт and

1У1 > У min or

М<Уmin and |y|>0|V At>Atmm

(8)

0, if else.

U > 0

"тр

Uh Uy

Ul >UT

u >umn

|ит|<иГ

U > 0 V At >At.

&

U

бл

Рис. 3. Схемная реализация блока логики / Fig. 3. Schematic implementation of the logic block

Функциональная схема системы управления положением рабочего органа траншеекопателя с модулем управления скоростью перемещения рабочего органа приведена на рис. 4.

I илроск стсма привода poix>pa

Пропорциональный гидрораспределитель

UT

Модуль управления скоростью s перелшщанш рабочего оргшш

(±)——*

I —^ ~_У Ш

1'егул1тор скорисш штока L Lt

IT"

Рис. 4. Функциональная схема СУ положением рабочего органа траншеекопателя / Fig. 4. Functional diagram of the position control system of the working body of the trencher

l

&

ISSN 15б0-3б44 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2

При работе системы управления производится измерение таких параметров, как скорость траншеекопателя итр, продольный угол наклона траншеекопателя у, положение и скорость ишт штока управляющего гидроцилиндра рабочего органа.

Задающее воздействие соответст-

вующее требуемой величине заглубления рабочего органа машины, совместно с информацией о продольном угле наклона машины у поступают на блок решения обратной задачи кинематики,

реализующем зависимость изад = / (кзад, у).

^ шт V '

Далее управление фактически осуществляется по положению штока управляющего гидроцилиндра Ьшт. Сигнал рассогласования иАС поступает на регулятор положения штока ГЦ, а также используется в блоке логики.

При работе модуля управления скоростью в работу подключается регулятор скорости штока ГЦ, на который подается сигнал

иА= изад - ии .

Аи ишг ишт

Выходной сигнал регулятора положения и£ег или регулятора скорости и Рег подается

через ЦАП на пропорциональный гидрораспределитель, который является сопрягающим элементом между электрической и гидравлической частями системы. При подаче сигнала ирег пропорциональный гидрораспределитель фактически работает в режиме «включено - выключено», обеспечивая, тем самым, номинальный расход в гидросистеме Qгс и, следовательно, номинальную скорость перемещения штока гидроцилиндра. При

подаче сигнала иРег пропорциональный гидрораспределитель обеспечивает расход в гидросистеме и скорость движения штока гидроцилиндра,

пропорциональные сигналу управления иРег .

Формирование входных сигналов блока логики, не связанных с прямым их измерением, осуществляется следующим образом. В блок решения прямой задачи кинематики (Блок ПЗК) поступает информация о продольном угле положения траншеекопателя иу и положении штока управляющего гидроцилиндра и^. В блоке

ПЗК рассчитываются значения заглубления ротора к при текущем угле у и при у = 0. Соответствующие сигналы ий и ий 0 подаются на

элемент сравнения 1, где формируется сигнал рассогласования для блока логики. Также

сигнал Uh совместно с сигналом Uy подаются

на расчетный блок /2 (к, у), где в соответствии с выражением (4) рассчитывается сигнал производной UdL . Формирование задания на ско-

dk

рость перемещения штока управляющего гидроцилиндра Uзад производится на основе выражений (2), (3) и (5) на блоках «SIN» и умножения. Входной сигнал блока логики идй формируется

на элементе сравнения 2 как Uк = Uk¡w - Uhyj.

Заключение

Научная новизна рассмотренных принципов построения системы управления рабочим органом траншеекопателя заключается в том, что впервые управление организуется по возмущающему воздействию - продольному углу наклона машины, а корректирующий сигнал по возмущению формируется с учетом скорости перемещения рабочего органа как функции угла поперечного наклона траншеекопателя. Учет именно этих параметров позволяет повысить качество отрывки траншей при прокладке трубопроводов большого диаметра.

Литература

1. Белецкий Б.Ф., Булгакова И.Г. Строительные машины и оборудование: справочное пособие для производственников-механизаторов, инженерно-технических работников строительных организаций, а также студентов строительных вузов, факультетов и техникумов. Ростов н/Д: Феникс, 2005. 608 с.

2. Карташова Т.П., Лазариди К.М., Шошиашвили М.Э. К вопросу автоматизации роторных экскаваторов // Инновации в науке - инновации в образовании: материалы междунар. науч.-техн. конф. 21-32 сентября 2016 г. / Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2016. С. 80 - 87.

3. Шошиашвили М.Э., Шошиашвили И.С. Система управления роботизированным траншеекопателем // Пром-Инжиниринг: тр.П междунар. науч.-техн. конф. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2016. С. 246 - 249.

4. Шошиашвили М.Э., Шошиашвили И.С., Карташова Т.П., Лазариди К.М. Мобильный робототехнический комплекс на базе роторного траншеекопателя // Теоретические и прикладные вопросы науки и образования: научный альманах: материалы междунар. науч.-практ. конф.Россия, г. Тамбов, 30 июля 2016 г. Электронный ресурс: http://ucom.ru/doc/na.2016.07.01.pdf. (дата обращения 20.12.2019).

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2

5. Карташова Т.П., Лазариди К.М., Шошиашвили М.Э., Шошиашвили И.С. Кинематический и силовой анализ механизма перемещения рабочего органа системы автоматического управления траншеекопателем // Фундаментальные исследования. 2017. № 4-2. С. 257 - 261; URL: https://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41470. (дата обращения 20.12.2019).

6. Шошиашвили М.Э., Лазариди К.М., Евхута О.Н., Карташова Т.П. Проектирование мехатронного модуля с вращательной кинематической парой и электрогидравлическим приводом поступательного действия // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 1. С. 65 - 70.

7. Шошиашвили М.Э., Карташова Т.П. Система управления перемещением рабочего органа роботизированного роторного траншеекопателя // Интеллектуальные системы, управление и мехатроника - 2017: материалы Всерос. науч.-техн. конф., Севастополь, 18-20 сентября 2017 г. / МОН РФ, СевГУ. Севастополь, 2017. С. 211 - 215.

8. Карташова Т.П., Шошиашвили И.С., Шошиашвили М.Э. Решение обратной задачи кинематики при автоматическом управлении положением ротора траншеекопателя с учетом изменения продольного уклона местности // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2018. № 1. С. 65 - 70.

References

1. Beletsky B.F., Bulgakova I.G. Construction machines and equipment: reference guide for manufacturers-machine operators, engineering and technical workers of construction organizations, as well as students of construction universities, faculties and technical schools. Rostov n/D: Phoenix, 2005. 608 p.

2. Kartashova T.P., Lazaridi K.M., Shoshiashvili M.E. On the issue of automation of rotary excavators // Innovations in science -innovations in education: proceedings of the international scientific and technical conference. September 21-32, 2016 / Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Novocherkassk: SRSPU (NPI), 2016. Р. 80 - 87.

3. Shoshiashvili M.E., Shoshiashvili I.S. Robotic Trencher Control System // Industrial Engineering: Proceedings of the II International Scientific and Technical Conference. Chelyabinsk: South Ural State University Publishing Center, 2016. P. 246 - 249.

4. Shoshiashvili M.E., Shoshiashvili I.S., Kartashova T.P., Lazaridi K.M. Mobile Robotic Complex Based on Rotary Trencher // Scientific Almanac: Materials of International Scientific-Practical Conference "Theoretical and Applied Problems of Science and Education", Russia, Tambov, July 30, 2016. [Electronic resource: http://ucom.ru/doc/na.2016.07.01.pdf.].

5. Kartashova T.P., Lazaridi K.M., Shoshiashvili M.E., Shoshiashvili I.S. Kinematic and power analysis of the movement mechanism of the working body of the automatic control system of the trench digger // Fundamental study. 2017. No. 4-2. P. 257 - 261; URL: https://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41470^a.

6. Shoshiashvili M.E., Lazaridi K.M., Evkhuta O.N., Kartashova T.P. Projecting a mechatronic module with a rotational kinematic pair and an electrohydraulic translational drive // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Technical Sciences. 2014. No. 1. Р. 65 - 70.

7. Shoshiashvili M.E., Kartashova T.P. System for controlling the movement of the working body of a robotic rotary trench digger // Intelligent systems, management and mechatronics-2017: Materials of the all-Russian scientific and technical conference, Sevastopol, September 18-20, 2017 / MES of the Russian Federation, Sevsu-Sevastopol, 2017. Р. 211 - 215.

8. Kartashova T.P., Shoshiashvili I.S., Shoshiashvili M.E. Solution of the inverse kinematics problem for automatic control of the position of the trench digger rotor taking into account changes in the longitudinal slope of the terrain // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Technical Sciences. 2018. No. 1. Р. 65 - 70.

Поступила в редакцию /Received 06 мая 2020 г. /May 06, 2020