Содержание к диссертации
Введение
1 Состояния вопроса. цель и задачи проектирования 9
1.1 Анализ требований к точности выполнения операций 9
1.2 Основные требования к системам управления одноковшовым экскаватором с гидроприводом 11
1.3 Краткий обзор предыдущих исследований 13
1.4 Анализ способов и технических средств разработки грунта под проектную отметку 14
1.4.1 Способы определения глубины копания одноковшовым экскаватором с гидроприводом 14
1.4.2 Системы автоматического управления одноковшового экскаватора с гидроприводом 23
1.5 Основные тенденции развития систем управления одноковшовых экскаваторов с гидроприводом 33
1.5.1 Лазерные индикаторные системы 34
1.5.2 Лазерные системы с автоматическим управлением 35
1.5.3 Трехмерные системы управления с глобальными позиционирующими системами 36
1.6 Перспективы применения систем автоматизированного моделирования в моделировании систем управления одноковшовым экскаватором с гидроприводом 38
1.7 Цель и задачи работы 41
1.8 Выводы 43
2 Методика выполнения исследований 44
2.1 Методика математического моделирования одноковшового экскаватора с гидроприводом 44
2.2 Методика анализа статических, кинематических и динамических характеристик одноковшовго экскаватора с гидроприводом в среде Matlab/Simulink 49
2.3 Методика автоматизации моделирования подсистемы гидропривода одноковшового экскаватора 61
2.4 Структура выполнения работы 65
2.5 Выводы 67
3 Математическое описание одноковшового экскаватора с гидроприводом, оснащенного системой автоматического управления 69
3.1 Обоснование и выбор критериев эффективности одноковшового экскаватора с гидроприводом 69
3.2 Выбор и обоснование расчетной схемы одноковшового экскаватора с гидроприводом 71
3.3 Уравнения геометрической связи между элементами рабочего оборудования 75
3.4 Уравнения статики и динамики одноковшового экскаватором с гидроприводом 82
3.5 Математическая модель подсистемы гидропривода
одноковшового экскаватора с гидроприводом 88
3.6 Математическое описание алгоритма управления одноковшового экскаватора 95
3.7 Выводы 103
4 Разработка системы автоматизации моделирования одноковшового экскаватора с гидроприводом в среде matlab/simulink 105
4.1 Разработка интерфейса системы автоматизации моделирования одноковшового экскаватора с гидроприводом 106
4.2 Программирование интерфейса системы автоматизированного моделирования одноковшового экскаватора с гидроприводом 110
4.3 Блок-схема программы 117
4.4 Логика работы системы автоматизации моделирования одноковшового экскаватора с гидроприводом 119
4.5 Создание символьного кода программы моделирования одноковшового экскаватора с гидроприводом в визуально-ориентированной среде MATLAB/Similink 121
4.6 Создание сцены виртуальной реальности в Virtual Reality Toolbox системы MATLAB 126
4.7 Исследование области возможных перемещений рабочего органа одноковшового экскаватора с гидроприводом в MATLAB 133
4.8 Графическое исследование рабочей области одноковшового экскаватора с гидроприводом 135
4.9 Базы данных. Электронные сети и сетевая безопасность. Выбор программного обеспечения 136
4.9.1 Базы данных 136
4.9.2 Электронные сети и сетевая безопасность 138
4.9.3 Выбор программного обеспечения 140
4.10 Выводы 142
Основные результаты и выводы 144
Список литературы
- Анализ требований к точности выполнения операций
- Методика математического моделирования одноковшового экскаватора с гидроприводом
- Обоснование и выбор критериев эффективности одноковшового экскаватора с гидроприводом
- Разработка интерфейса системы автоматизации моделирования одноковшового экскаватора с гидроприводом
Введение к работе
Актуальность работы. Одноковшовые экскаваторы с гидроприводом (ОЭГ) являются одним из наиболее универсальных средств механизации при производстве земляных работ на промышленных предприятиях, строительных площадках. Поэтому важную роль для машиностроительных предприятий-разработчиков играет совершенствование ОЭГ, направленное на повышение точности выполнения работ; улучшение их технических характеристик и качества.
Существующие строительные нормы и правила производства работ предъявляют высокие требования к точности. При строительстве закрытых трубопроводов оросительной сети допускаемый недобор грунта в основании траншей и котлованов назначают не более 0,05 м. (СНиП 3.05.04-85 Наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации.). В соответствии с существующими нормами, допускаются недоборы грунта в основании земляных сооружений, разрабатываемых экскаваторами 0,05-0,1 м. В мелиоративном строительстве величина отклонений дна осушительных и оросительных каналов принимается равной ±0,03-0,05 м. (СНиП 3.07.03-85 Мелиоративные сооружения).
ОЭГ представляет собой динамическую систему, содержащую совокупность неоднородных подсистем, состояние которой изменяется во времени; она подвергается возмущениям различной природы: управляющие воздействия, реакции грунта и т.д. Учет основных факторов, влияющих на динамическую систему экскаватора, является важной задачей моделирования ОЭГ.
Важнейшей составной частью САПР являются системы автоматизации моделирования (САМ). Моделирование в таких системах является автоматизированным и осуществляется под непосредственным контролем пользователя в форме человеко-машинного диалога. САМ позволяют оперативно оценивать с помощью ЭВМ функционирование систем ОЭГ и составляющих их подсистемы и устройств.
Существуют различные универсальные пакеты визуального моделирования, позволяющие моделировать структурно-сложные динамические системы: SIMULINK и SimMechanics пакета MATLAB, EASY5 (Boeing), подсистема SystemBuild пакета MATRIX, VisSim (Visual Solution) и др. Несмотря на то, что эти пакеты являются универсальными и обладают мощными средствами для моделирования и визуализации сложных динамических систем, построить модель динамической системы ОЭГ в среде указанных пакетов сложно, так как это требует тщательного изучения среды, средств и инструментов моделирования.
Таким образом, проблема разработки методов автоматизированного моделирования ОЭГ на основе современных компьютерных технологий для решения задач автоматизации проектирования экскаваторов и создание специализированной программы автоматизированного моделирования является весьма актуальной.
Цель диссертационной работы заключается в разработке методики, алгоритмов и программ автоматизации моделирования одноковшовых экскаваторов с гидроприводом.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
сформулировать структуру ОЭГ как сложную динамическую систему, состоящую из неоднородных подсистем;
- разработать совокупность математических моделей подсистем сложной динамической системы ОЭГ;
- разработать методику построения математических моделей подсистем ОЭГ;
- разработать программное обеспечение для автоматизации моделирования ОЭГ;
- подтвердить адекватность предложенной математической модели ОЭГ и оценить работоспособность созданного программного комплекса.
Методы исследования. Методы исследования носят комплексный характер, содержат как теоретические, так и экспериментальные исследования. В работе использованы методы математического моделирования, векторной алгебры, математического анализа, прикладной математики, теории алгоритмов, и компьютерное моделирование.
Объект исследования: Процесс автоматизации моделирования ОЭГ как сложной динамической системы.
Предмет исследования: Одноковшовый экскаватор с гидроприводом.
Научная новизна работы:
- предложена методика автоматизации моделирования сложной динамической системы ОЭГ;
- разработаны математические модели подсистем ОЭГ;
- разработана методика комплексного исследования динамических свойств ОЭГ;
- разработаны алгоритмы автоматизации моделирования подсистем ОЭГ;
- на основе предложенных математических моделей создано программное обеспечение для автоматизации моделирования ОЭГ.
Практическая ценность работы:
- предложено прикладное программное обеспечение, обеспечивающее: моделирование работы ОЭГ; визуализацию работы ОЭГ в виртуальной сцене и диаграмме; контроль параметров подсистем и элементов ОЭГ с помощью программных осциллоскопов и средств вывода данных в файлы для последующего их анализа;
- предложена методика коллективной (сетевой) разработки САМ ОЭГ через подключение с помощью встроенных сетевых средств, к внешним базам данных содержащих типовые параметры элементов оборудования ОЭГ и пополнение этих баз данных разработанными параметрами.
- предложенная система управления точностью разработки грунта ОЭГ является составной частью программного комплекса разработки системы автоматизированного моделирования ОЭГ.
- предложенный комплекс дает возможность не только моделировать подсистемы ОЭГ, но и решать задачи анализа и синтеза при автоматизированном проектировании ОЭГ;
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на 2-й Всероссийской научной конференции "Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB", 25-26 мая 2004 года; на заседаниях и научных семинарах Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, кафедры «Автоматизация производственных процессов и электротехника» СибАДИ, Омском филиале Новосибирской государственной академии водного транспорта.
Публикации. По результатам работы опубликовано 6 печатных работ.
Внедрение результатов работы. Система автоматизации моделирования одноковшового экскаватора (САМ ОЭГ) внедрена в Федеральном государственном унитарном предприятии Конструкторское бюро транспортного машиностроения (ФГУП КБТМ) г.Омска, в учебный процесс Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованных источников, включающего 137 наименований, и 2-х приложений. Работа изложена на 178 страницах, содержит 14 таблиц и 49 рисунков.
Анализ требований к точности выполнения операций
В соответствии с существующими нормами (СНиП Ш-6.1-75) /105/, допускаются недоборы грунта в основании земляных сооружений, разрабатываемых экскаваторами 0,05 - 0,1 м. В мелиоративном строительстве величина отклонений дна осушительных и оросительных каналов принимается равной ±0,03-0,05 м. Превышение допустимых отклонений приводит к образованию недоборов и переборов дна каналов, захламлению и уменьшению его проектного сечения, что снимает эксплуатационные показатели всей мелиоративной системы в целом.
При строительстве закрытых трубопроводов оросительной сети допускаемые недобор грунта в основании траншей и котлованов назначают не более 0,05 м.
Существующие строительные нормы и правила производства работ при строительстве магистральных трубопроводов (СНиП 11-42-80) /106/ предъявляют также высокие требования к выполнению земляных работ по разработке траншей. Отклонение дна траншеи от проекта при разработке грунта одноковшовыми экскаваторами не должно превышать 0,1 м. Кроме того при сооружении трубопроводов диаметром 1020 мм и более должна проводиться нивелировка дна траншеи по всей длине трассы: на прямых участках через 50 м., на вертикальных кривых упругого изгиба через 10 м., на вертикальных кривых принудительного гнутья через 2 м. К моменту укладки трубопроводов дно должно быть выровнено в соответствии с проектом. СНиП также рекомендует для контроля проектных отметок дна выемок применять специальные приборы, установленные на землеройных машинах/105/.
Анализ допускаемых отклонений вертикальной отметки земляного сооружения, возводимого одноковшовыми экскаваторами, показал, что к точности выполнения земляных работ одноковшовыми экскаваторами предъявляются высокие требования. Однако отсутствие на отечественных одноковшовых экскаваторах измерителей глубины копания, а также несовершенство систем управления и рабочих органов приводит к тому, что на последующую зачистку и планировку выработки остаётся до 0,2 м.
Разработка грунта ниже проектных отметок не допускается, так как место переборов необходимо заполнять специальными материалами (песком, щебнем, бетоном) и уплотнять. Что приводит к дополнительным материальным затратам /116/.
К тому же оператор экскаватора работает в напряженных условиях. Подвергаясь воздействию ускорений и вибраций, он должен мгновенно оценивать изменения условий работы и при высокой производительности труда обеспечивать заданную точность выполнения земляных работ. В большинстве случаев оператор не располагает достоверной информацией о вертикальной координате положения рабочего органа.
Мощным резервом в повышении точности выполнения земляных работ одноковшовыми экскаваторами с гидроприводом является оснащение их электронными системами управления.
Анализ требований, предъявляемых к подобным системам управления, показал, что основными из них являются /118/: - точность, которая должна находиться в пределах заданной в СНиПе. Максимальные отклонения вертикальной координаты земляного сооружения не должны превышать ±0,05 м.; - непрерывный контроль, который должен обеспечиваться в процессе манипуляций; - планировка, которая должна осуществляться на любом уровне и под углами до ±45 к горизонту; - оптимальная длинна спланированного участка; устойчивая работа системы управления, которая должна обеспечиваться во всем диапазоне управляющих и возмущающих воздействий.
Методика математического моделирования одноковшового экскаватора с гидроприводом
Одноковшовый экскаватор с гидроприводом (ОЭГ) рассматривается как сложная динамическая система, состоящая из механизмов и приводов с учетом разнообразия связей между элементами системы, влияния внешней среды, технологических условий работы, адаптивности управления.
Определение структуры ОЭГ как сложной динамической системы позволяет выделить этапы автоматизации построения модели экскаватора: построение модели механической подсистемы, т.е. составление уравнений движения механической подсистемы; построение модели подсистемы гидропривода, т.е. составление уравнений динамики подсистемы гидропривода; задание управляющих и возмущающих воздействий; задание параметров моделирования (граничных условий, шага интегрирования, параметров вывода результатов и т.д.); задание численных значений параметров и начальных условий; проведение вычислительного эксперимента.
Методика автоматизации моделирования механической подсистемы экскаватора основана на использовании метода однородных координат и автоматическом построении уравнений движения в форме уравнений Лагранжа второго рода с переменными коэффициентами
Динамическая система ОЭГ представляется как конечное множество подсистем (механической подсистемы и подсистемы гидропривода), взаимосвязанных между собой и составляющих (рисунок 2.1) единое целое.
Состояние динамической системы ОЭГ изменяется во времени: она подвергается внешним возмущениям (рабочие нагрузки, воздействия со стороны микрорельефа и т.д.), внешним управляющим воздействиям (рабочие задания); внутренним управляющим воздействиям (управление механизмами ОЭГ).
Анализ динамических процессов в ОЭГ и их механизмах в общем виде сложен, т.к. колеблющаяся система ОЭГ состоит из большого числа масс и упругих элементов, а характер развития процесса зависит еще и от начальных условий.
Математическое моделирование позволяет от реального объекта перейти к его математической модели, т.е. идеализировать объект, абстрагироваться от его частных особенностей и выделить те свойства, которые представляются наиболее существенными для решения поставленных задач.
Для анализа зависимости влияния основных конструктивных параметров ОЭГ на коэффициенты и постоянные времени передаточных функций математическая модель может быть представлена системой дифференциальных уравнений (2.21).
Непосредственное аналитическое решение системы дифференциальных уравнений весьма трудоемко и не может быть проведено достаточно эффективно. Поэтому более перспективным методом исследования кинематических и динамических характеристик ОЭГ является моделирование на ЭВМ путем численного решения уравнений движения / 72, 91/. Математическая модель ОЭГ, записанная в виде системы уравнений (2.22) может быть использована и для определения статических характеристик ОЭГ при условии, что все производные обобщенных координат равны нулю /45/.
Применение последних моделей ЭВМ, позволяет сократить время исследований, увеличить число рассматриваемых вариантов, снять ограничения на размерность математической модели, а также обеспечить высокую точность получаемых результатов /120/.
Теоретические исследования проводились на ЭВМ Celeron 800 с использованием пакета программ Matlab 7.0 /36/, Имитационное моделирование РП РА производилось в программе Simulink, которая является визуально-ориентированным приложением (составление модели из готового набора блоков-компонентов) и предназначено для имитационного моделирования /46/.
Для каждой математической модели подсистемы (микрорельеф, управление гидроцилиндрами, положение РО и т.д.) составлен алгоритм работы модели в виде блок-схем Simulink входящих в главную программу.
На рисунке 2.2 приведена структурная схема методики математического моделирования ОЭГ на ЭВМ. Программа, реализующая данную методику, имеет модульную структуру и оформлена в виде головной управляющей программы и набора подсистем. Управляющая программа осуществляет ввод исходных данных, и формирование задания /128/.
Моделирование движения звеньев ОЭГ может производиться с помощью численного интегрирования уравнения динамики ОЭГ одним из известных методов (Эйлера, Рунге-Кутта, Кутта-Мерсона, Адамса-Мултона и т.д.), которые получили широкое развитие в связи с внедрением ЭВМ и программ моделирования /120 /.
Сравнение явных методов численного интегрирования показывает, что при одном и том же шаге интегрирования метод Рунге-Кутта с четырехточечной вычислительной схемой заведомо точнее метода Эйлера, но уступает по точности методу Адамса или Кутта-Мерсона с пятиточечной вычислительной схемой 1911.
Стремление получить более высокую точность результатов путем уменьшения шага может привести к нарушению устойчивости вычислительной процедуры, так как явные методы интегрирования очень чувствительны к изменению шага интегрирования и на определенном значении шага наблюдается резкий рост погрешности вычислений /117/.
Избежать подобные коллизии можно, используя стандартные методы численного интегрирования систем дифференциальных уравнений, в основу которых входят алгоритмы численного интегрирования с автоматическим выбором шага интегрирования и использованием методов прогноза и коррекции /120/.
Обоснование и выбор критериев эффективности одноковшового экскаватора с гидроприводом
Все параметры технического объекта можно поделить на две группы по зависимости их от окружающей среды.
Параметры первой группы называют показателями технического уровня. К ним относят показатели массовые, геометрические, компоновочные.
Параметры второй группы называют квалиметрическими (квалитет -качество) или основными характеристиками. К ним относят показатели производительности, долговечности, надежности, эксплуатационности, управляемости, стоимости и др.
Важным является количественная оценка степени соответствия результатов операций, выполненных ОЭГ, их целям, т.е. обоснование и выбор критерия эффективности ОЭГ.
В настоящее время существуют два метода оценки эффективности нового технического решения, первый - по обобщенному критерию эффективности, второй - по единичным конкретным показателям (критериям) /55/.
В качестве одного из основных критериев эффективности ОЭГ в работе принят критерий годового экономического эффекта.
Важнейшими критериями эффективности ОЭГ являются удельные приведенные затраты, которые обеспечивают получение рекомендаций для выбора рациональных технических параметров и имеют иерархическую структуру. Величина удельных приведенных затрат определяется по формуле: Zy = C + EH K (3.1) где: Zy - затраты удельные; С - удельная себестоимость машины; К -удельные капитальные вложения; Ен - нормативный коэффициент эффективности.
Однако применение критериев эффективности высокого уровня затруднительно из-за сложности определения факторов, влияющих на величину этого критерия, поэтому для достижения поставленных в работе задач необходимо принятие критерия более низкого иерархического уровня, позволяющего наглядно сравнить эффективность старого и нового технических решений.
Критерием более низкого иерархического уровня может быть производительность ОЭГ. Часовая производительность определяется по формуле: Пч - 3600/Тц q Ілр Кн/Кр Кв (3.2) Где: Пч - часовая производительность ОЭГ м/час; Кн - наполнение ковша; Кр - коэффициент разрыхления грунта; q - вместимость ковша; Тц - время рабочего цикла для одного прохода, сек.; Ьтр - длинна трассы обрабатываемой без перемещения ОЭГ, м.; Кв - Коэффициент использования ОЭГ по времени.
Анализ приведенной зависимости позволяет сделать вывод о том, что для повышения производительности ОЭГ есть три пути /114/: 1). Снижение времени цикла. 2). Увеличение трассы (удлинение РО ОЭГ). 4). Повышение коэффициента использования машины по времени. Последний зависит от организации работ на рабочей площадке и не зависит от конструкции самой машины.
Таким образом, эффективность работы ОЭГ можно оценивать по времени рабочего цикла ОЭГ и длине трассы которую он может обработать без перемещения шасси.
Годовой экономический эффект, время рабочего цикла, а так же единичные критерии собственных свойств манипуляционной системы ОЭГ полностью соответствуют поставленным в работе задачам и могут быть выбраны в качестве показателей эффективности применения ОЭГ.
Анализ рабочего процесса ОЭГ показал, что одним из основных факторов, определяющих эффективность применения ОЭГ при земляных работах являются: геометрические параметры РО ОЭГ (соотношение длин стрелы, рукояти, ковша), наполнение ковша, жесткостные и диссипативные свойства упруго-вязких элементов рабочего и ходового оборудования, скорости выполнения рабочих операций.
Разработка интерфейса системы автоматизации моделирования одноковшового экскаватора с гидроприводом
Система автоматизации моделирования ОЭГ предназначена для моделирования одноковшовых экскаваторов с электрогидроприводом с целью исследования рабочих процессов, статики и динамики ОЭГ. Областью применения системы могут быть научные исследования и разработки одноковшовых экскаваторов с электрогидроприводом. Она должна позволять без знания языков программирования и численных методов, в понятных и простых для восприятия человеком терминах, с использованием готовых библиотек типовых элементов производить построение модели динамической системы ОЭГ с учетом влияния технологических условий работы.
Проанализировав в предыдущих главах данной работы традиционный процесс проектирования новых конструкций, и предлагаемые подходы к его автоматизации, составив математическую модель работы экскаватора, определена следующая последовательность разработки модели САМ ОЭГ: 1. Разработка интерфейса системы автоматизации моделирования ОЭГ. 2. Программирование интерфейса САМ ОЭГ. 3. Разработка блок-схемы программы. 4. Разработка логической схемы программы. 5. Написание кода программы в терминах визуально-ориентированной среды MATLAB/Similink. 6. Создание сцены виртуальной реальности. 7. Работа с базами данных и электронными сетями. 8. Обеспечение сетевой безопасности. 9. Выбор программного обеспечения.
Интерфейс САМ ОЭГ обеспечивает ввод параметров и характеристик динамической системы ОЭГ, параметров гидропривода, моделирования, возмущающих и управляющих воздействий, а так же вывод результатов в наглядной форме в отдельных окнах.
Программа САМ ОЭГ на основе данных, сформированных программами формирования моделей подсистем экскаватора, и введенных параметров моделирования нагрузок производит моделирование работы системы ОЭГ.
Программа оформления результатов в зависимости от выбранных режимов вывода организует вывод результатов исследования динамической системы ОЭГ в виде таблиц, графиков, диаграмм и сцены виртуальной реальности.
Предложенная САМ ОЭГ создана в визуально-ориентированной среде MATLAB/Simulink, позволяющей создавать приложения с использованием баз данных на основе визуально-ориентированного программирования.
Требования к программе: Программа должна иметь: 1. Развитый, интуитивно понятный пользователю, графический интерфейс (GUI - Graphics User Interface) ввода данных. 2. Удобные и эргономичные формы ввода а программу параметров машины. 3. Возможность получения типовых данных машин с удаленных серверов для ввода в программу. 4. Сохранение введенных данных локально и на удаленных серверах баз данных. 5. Настройки сетевых соединений и безопасности работы в сети. 6. Выбор решателей и установку времени работы программы. 7. Выбор режимов работы: Автоматический, Ручной, Исследовательский. 8. Возможность подсоединения периферийных устройств управления: джойстики, Magellan Space Mouse, рули, сенсорные устройства через Game и USB порты. 9. Вывод результатов работы программы в удобном для пользователя виде: стандартная диаграмма Matlab, сцена виртуальной реальности, графики и таблицы. 10. Сохранение результатов работы в файл для дальнейшего анализа. 11. Помощь по каждому пункту меню (Help). Формы ввода и панели управления программы должны содержать: 1. Ввод геометрических, весовых, инерционных величин элементов конструкции и выбор единиц измерений. 2. Ввод значений вязкость-упругость тел Фохта. 3. Ввод данных в ручном режиме и из списка типовых машин. 4. Ввод данных нагрузки на режущую кромку ковша и бункер ковша. 5. Окна просмотра работы модели на диаграмме и сцене виртуальной реальности. 6. Окна просмотра сигналов датчиков на графиках и в таблицах. 7. Вызов файла помощи. 8. Панель настройки режимов анимации: Выбор решателя, времени анимации. 9. Сохранение введенных данных локально и в базе данных. 10. Поиск в базе данных типовых и ранее введенных параметров. 11. Панель сетевых настроек.
