авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Автоматизация исполнительных систем гидравлического экскаватора

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ДУДАНОВ Иван Владимирович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭКСКАВАТОРА

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2008

Работа выполнена на кафедре "Механизация, автоматизация и энергоснабжение строительства" ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор Галицков Станислав Яковлевич
Официальные оппоненты: - Абакумов Александр Михайлович доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Электромеханика и нетрадиционная энергетика» ГОУВПО «Самарский государственный технический университет»; (специальность 05.13.06)
- Петровичев Михаил Александрович кандидат технических наук, доцент кафедры «Летательные аппараты» ГОУВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет»; (специальность 05.13.06)

Ведущая организация: ГОУВПО «Московский государственный

строительный университет», г. Москва

Защита состоится " 19 "  декабря  2008 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 в Самарском государственном техническом университете по адресу: 443010 г. Самара, ул. Галактионовская, 141, 6 корпус, ауд. №28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, г.Самара, ул. Первомайская, 18.

Отзывы на автореферат просим высылать (в 2-х экземплярах) по адресу: 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.03.

Автореферат разослан " " ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.03 Губанов Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена автоматизации одноковшового универсального экскаватора как одной из основных машин технологического процесса строительного производства.

Актуальность проблемы. Строительное производство в настоящее время предъявляет высокие требования к эффективности работы строительных машин, в частности - экскаваторов. Они должны обеспечивать максимально достижимую производительность, возможность работы в стесненных условиях, иметь программное автоматическое управление рабочими органами при выполнении монотонных операций (например, погрузочно-разгрузочных) при отсутствии оператора в кабине, а также обладать современными эргономическими характеристиками.

Одноковшовый экскаватор представляет собой манипулятор с ручным управлением. Анализ основных технологических процессов экскаватора при разработке грунта, выполнении погрузочно-разгрузочных и транспортных операций показывает, что их реализация требует от оператора управления движением рабочего органа в широком диапазоне скоростей при изменяющихся возмущениях и в условиях ограничений, как со стороны рабочего пространства, так и со стороны энергетических и динамических характеристик системы «гидронасос-гидродвигатель». В результате при работе машины в ее исполнительных системах возникают динамические удары и перегрузки, значительно превышающие допустимые значения, что приводит к преждевременным отказам механического и гидравлического оборудования.





Поэтому актуальным является автоматизация и совершенствование управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора с целью придания этой машине новых технологических показателей качества.

Тема данной работы сформировалась при разработке направления «Автоматизированные системы в строительстве» (№01970005686 Госрегистрации) на основании тематического плана госбюджетных НИР Самарской государственной архитектурно-строительной академии на 2002-2007г.г.

Целью работы является повышение технологической надежности гидравлического одноковшового экскаватора путем совершенствования системы управления его исполнительными механизмами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • математическое моделирование гидравлического одноковшового экскаватора как многомерного объекта управления;
  • структурный синтез цифровой системы автоматического управления гидравлическими исполнительными механизмами экскаватора и параметрическая оптимизация регуляторов;
  • разработка вычислительных моделей объекта, системы управления и методики проведения вычислительных экспериментов;
  • создание испытательного стенда и разработка методики проведения натурных экспериментов;
  • разработка инженерной методики проектирования системы автоматического управления гидроприводом экскаватора и создание варианта технической реализации системы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории систем автоматического управления, методы исследования строительных машин, методы идентификации и аппроксимации объектов управления. В работе широко используется имитационное моделирование на ЭВМ в программной среде MatLab и MathCAD. Натурные исследования проводились на гидроприводе экспериментальной установки.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

  • разработаны математические модели сепаратных каналов, межканальных связей и обобщенная модель исполнительных механизмов одноковшового гидравлического экскаватора, позволяющие в отличие от существующих рассматривать экскаватор как многомерный объект управления;
  • впервые предложен структурный синтез системы автоматического управления исполнительными механизмами экскаватора в виде многоконтурной системы с одной измеряемой координатой;
  • разработана методика параметрической оптимизации регуляторов, обеспечивающая робастность системы;
  • разработана инженерная методика расчета систем стабилизации скорости и программного управления исполнительными механизмами одноковшового гидравлического экскаватора.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается:

  • в предложенном варианте технической реализации микропроцессорной системы управления скоростью исполнительных механизмов гидравлического экскаватора, в основу которой положено положительное решение № 71-42-38п от 28.03.2008г. о выдаче патента на изобретение № 2006123954/03(025989) «Способ управления движением исполнительного механизма строительной машины с гидроприводом и устройство для его осуществления» (авторы С.Я. Галицков, И.В. Дуданов);
  • в реализации экспериментального стенда по исследованию гидропривода грузоподъемной стрелы;
  • в разработанной методике и полученных результатах проведения вычислительных и натурных экспериментов по исследованию объекта и системы управления, используемых при выполнении стендовых исследований гидрооборудования строительной техники на ОАО «СУМР-4»;
  • в разработанной методике инженерного проектирования системы автоматического управления гидравлическими исполнительными механизмами экскаватора. Методика используется в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270113 «Механизация и автоматизация строительства».

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на международных, российских конференциях и форумах: на Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, СамГТУ, 2003г.

, 2005г.); на десятой международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», (Москва, МЭИ, 2004г.); на международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ» (Тюмень, ТГНУ 2005г.; Самара, СГАСУ 2007г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ, 2005г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» ( Самара, СГАСУ, 2004-2007гг.); на XII научно-технической конференции «Надежность строительных объектов» (Самара, СГАСУ, 2007г.).

Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в 17 научных изданиях, в том числе статья [17] опубликована в журнале «Механизация строительства», включенном в утвержденный ВАК РФ Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 78 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 212 страницах, диссертация содержит: 102 рисунка, 22 таблицы, приложение на 4 страницах, библиографический список на 7 страницах.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Математические модели сепаратных каналов, блоков межканальных связей и обобщенная модель исполнительных механизмов гидравлического экскаватора как объекта управления.
  2. Методика структурного синтез системы автоматического управления и параметрической оптимизации ее регуляторов.
  3. Вычислительные и натурные эксперименты по исследованию динамики объекта и цифровой системы автоматического управления.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель работы, отражены основные положения, выносимые на защиту, показаны их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены режимы работы экскаватора, произведен обзор современного состояния автоматизации гидравлических экскаваторов. Из выполненного обзора следует, что в известных моделях строительных машин, в том числе в экскаваторах, используется, в основном, релейное «ручное» управление гидроприводами. В моделях машин последних лет в схемах гидропривода применяются переключатели с линейными характеристиками. Но и такое решение обладает целым рядом недостатков: сложность конструкции, трудности обеспечения устойчивости малых («ползучих») скоростей и обеспечения постоянства скорости рабочих органов (РО) при изменении их положения и вариации наполнения ковша. В результате оператор должен постоянно корректировать подачу рабочей жидкости, что в условиях частых пусков и торможений весьма затруднительно, а в ряде случаев и невозможно из-за скоротечности динамических процессов. Все это приводит к снижению показателей качества работы строительной машины, к перегрузке гидропривода и, следовательно, к снижению технологической надежности экскаватора. Показано, что наиболее эффективным путем решения указанного комплекса задач является совершенствование управления исполнительными механизмами гидравлического экскаватора.

Во второй главе рассматривается гидравлический экскаватор с четырьмя исполнительными устройствами (поворотная платформа, стрела, рукоять и ковш) в режиме неподвижного шасси как многомерный объект управления, состояние которого определяется вектором угловых положений механизмов. За управляющее воздействие выбран вектор напряжений на электрогидравлическом преобразователе.

Разработаны на основе принятых допущений и с учетом особенностей конструкции расчетные схемы и уравнения движения приводов исполнительных механизмов как сепаратных объектов управления. Они разделены на две группы, в первую входит привод платформы, во вторую – приводы стрелы, рукояти и ковша. Уравнения движения платформы:

исполнительных механизмов второй группы (стрела, рукоять и ковш):

где Мгм, Мр – момент, развиваемый гидромотором, и момент на выходе венцовой передачи; Jпр, Jпп –моменты инерции гидромотора и поворотной платформы экскаватора; iобщ – общее передаточное число планетарного редуктора и зубчатого венца; Cуд, Дуд – крутильная жесткость и коэффициент демпфирования зубчатой передачи; kмi - коэффициент момента поршневого гидродвигателя; b – коэффициент усиления гидродвигателя; 1/Е- коэффициент, учитывающий деформацию стенок трубопровода и сжимаемость рабочей жидкости; kзi, kнi - коэффициенты передачи и эластичности нагрузочной характеристики золотника; Vi – объем жидкости в напорной магистрали; Стрi- коэффициент, учитывающий потери давления в магистралях; pнi - противодавление от нагрузки на гидродвигатель; xi, Sп - перемещение штока и площадь поршня гидроцилиндра; Fшi, Fтрi, Fвозi – усилие, создаваемое гидроцилиндром, сила трения поршня о стенки гидроцилиндра и возмущающая нагрузка, соответственно; Cc, Дc – крутильная жесткость и коэффициент демпфирования стыка гидроцилиндр - рычажный механизм; Туд, Тс – постоянные времени; mпрi - приведенная масса; iрмi - коэффициент передачи рычажного механизма; Qxi,Qдi - расход жидкости, поступающей в полость гидродвигателя и потребный расход гидродвигателя; qi – угловое положение исполнительного механизма, i1,2,3,4. Ограничения по расходу и давлению рабочей жидкости, обусловленные конструктивной особенностью гидравлической схемы экскаватора, отражены в уравнениях (1) и (2) неравенствами.

Показано, что изменение положений исполнительных систем экскаватора в его рабочем пространстве приводит к вариации значений момента инерции платформы, инерционных масс приводов стрелы, рукояти и ковша, передаточных чисел рычажных механизмов, статических нагрузок сепаратных каналов. Второй причиной многомерности является конструктивная возможность питания гидродвигателей исполнительных механизмов от общего двухсекционного гидронасоса переменной производительности ограниченной мощности.

По уравнениям движения (1), (2), дополненных известными уравнениями механических и гидравлических связей, построены структурные схемы сепаратных каналов и межканальных связей четырехмерного объекта управления. Разработана обобщенная математическая модель и структура экскаватора как многомерного объекта управления (рис.1). Здесь оператор НА – динамическая модель насосного агрегата;

Рисунок - 1 Структура экскаватора как многомерного объекта управления

БО1, БО2 – логические блоки, определяющие динамический уровень ограничений расходов рабочей жидкости в гидродвигателях; WЭМП –передаточная диагональная матрица электромеханических преобразователей; К – логический блок, определяющий режим раздельной или согласованной работы исполнительных механизмов; ГЗ – нелинейный оператор блока гидравлических золотников; блоки А1 и А2, В1 и В2, С – нелинейные операторы, выходными координатами которых являются момент и усилия статической нагрузки; момент инерции и инерционные массы звеньев манипулятора, коэффициенты передач рычажных механизмов; блоки b1, b2 – матрицы конструктивных коэффициентов гидродвигателей:

(3)

К*З, КМ и СТР - диагональные матрицы коэффициентов передачи золотника, момента гидродвигателя и потерь давления в магистралях:

(4)

Исследования, выполненные на созданных в программной среде MatCAD и MatLAB моделях блока операторов А1, А2, В1, В2 и С, позволили показать, что применительно к экскаватору ЭО-4121 величина момента инерции поворотной платформы изменяется в 2.5 раза, приведенных масс в приводах стрелы и рукояти - в 10 раз, в приводе ковша - в 20 раз.

В виду сложности аналитического нахождения операторов сепаратных каналов объекта предложено исследовать их динамику на вычислительных моделях (они разработаны в четвертой главе диссертации, модель платформы показана на рис.2) по результатам оценки переходных характеристик. На вход каждого сепаратного объекта подавалось комбинированное входное воздействие в виде смещенных по времени двух скачков. Величина первого выбиралась с учетом нелинейной характеристики гидропреобразователя и соответствовала выходу объекта на определенную рабочую точку, второй скачок «в малом» соответствовал «малому» движению объекта по управлению относительно этой рабочей точки. Координаты рабочего пространства манипулятора задавались в этой модели «замороженными» значениями момента инерции, инерционных масс и коэффициентов передач рычажных механизмов. Результаты обработки множества Q1 переходных характеристик объекта «в малом» позволили получить модели сепаратных объектов (отражающих их динамику в рабочем пространстве манипулятора) в виде динамической системы 4-го порядка с передаточной функцией

в которой звено 2-го порядка 1/A(p) изменяет свой вид от колебательного

до апериодического звена второго порядка

.

Выполнена оценка нестационарности параметров линеаризованного объекта управления: постоянная времени объекта управления первой степени подвижности (поворотная платформа) изменяется в 2.13 раза (TОУ1=0.08…0.17с), второй степени подвижности (стрела) - в 5 раз (TОУ2=0.04…0.2с), третьей степени (рукоять) – в 7 раз (TОУ3=0.01…0.07с), четвертая степень подвижности (ковша) – в 4 раза (TОУ4=0.01…0.04с).

  Вычислительная модель-12

Рисунок 2 – Вычислительная модель платформы

Исследована динамика объекта управления при согласованной работе (в случае выполнения операций по перемещению РО) двух исполнительных механизмов (платформа-стрела, стрела-рукоять, рукоять-ковш). По результатам моделирования этих режимов установлено, что в сепаратном канале изменяется коэффициент передачи, а динамические параметры остаются практически постоянными. Это обусловлено, на наш взгляд, ограниченной мощностью насосного агрегата. Определены межканальные динамические связи влияния на i-е звено со стороны k-го исполнительного механизма, их можно представить звеньями второго порядка

(6)

с переменными параметрами, зависящими от величины управляющего воздействия и степени загруженности приводов экскаватора, например при совместной работе платформы и стрелы Тik0.04…0.15с, zik0.59…0.35, kik 0.005…0.0039 рад/Вс.

Доказана адекватность созданной математической модели объекта путем сравнения временных характеристик разработанной модели стрелы и характеристик, полученных на опытной установке. Динамические отклонения характеристик не превышают 5%.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.