Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ 16
1.1 .Оптимальные тяговые усилия и тяговая динамика тракторных
агрегатов 17
1,2.Управление системой генератор-двигатель. Математическая модель для
решения задачи оптимального управления тракторными агрегатами 26
1.3.Системы управления рабочими органами тракторных агрегатов и
мощностью тракторного агрегата 29
1 АОптимальное и квазиоптимальное управление тракторными агрегатами...36
1.5.Постановка проблемы. Цель работы и задачи исследования 41
ГЛАВА 2.0ПТИМАЛШОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ 44
2.1 .Производительность бульдозера 44
2.2.Свойства кривых к.п.д. и электромагнитных потерь двигателя постоянного
тока 46
2.3. Аппроксимации. Представление параметров в заданном скоростном
диапазоне 48
2.4. Буксование. Потери на буксование 53
2.5.Мощностной баланс трактора. О выпуклости тягового к.п.д 56
2.6. Эффективность стационарных и нестационарных процессов копания 60
2.7.Начальные условия оптимального нестационарного процесса копания 65
2.7.1 .Принцип разделенных максимумов для процессов без возмущений.. .66
2.7.2.Принцип разделенных максимумов при возмущениях 68
Оптимальное управление тракторным агрегатом при разгоне 69
Оптимальное управление тракторным агрегатом при копании и отсутствии
возмущений 74
2.9.1 Определение начальных условий по призме грунта и тяговому кпд 78
2.9.2.0пределение конечных условий оптимального процесса копания 87
2.9.3.06 асимптотической сходимости скорости для процессов без
возмущений 89
2.9.4.0 законах адекватности для невозмущенных процессов 91
2.10. Оптимальное управление тракторным агрегатом при возмущениях 92
2.10.1 .Вычислительная процедура по уравнениям Эйлера для возмущенных
процессов 102
2.10.2.Определение конечных условий для возмущенных процессов 105
2.11. Энергетический метод соединения - разделения движений 107
2.12.0 законах адекватности для возмущенных процессов 115
2.13. Метод базовых моделей для проектирования мощностного ряда ТА... 119
2.14.Силовое форсирование тракторного агрегата 120
2.15.Условия энергетической инвариантности для возмущенных и невозмущенных движений. Принцип внешнего энергетического
дополнения 121
Выводы по главе 122
ГЛАВА 3. ДЕМПФИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ В ПЕРЕДАЧЕ ТА 125
Метод обобщённых схем замещения для нелинейных электромеханических цепей 125
О податливости и декременте свободных колебаний 130
Параметры свободных колебаний в функции скорости ТА 136
Два метода определения амплитудно-частотной характеристики передачи
тракторного агрегата 141
Выводы по главе 147
ГЛАВА 4. КВАЗИОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ 148
4.1.МетодКОУТА. Скоростное форсирование 148
4.2.Постановка задачи квазиоптимального управления тракторными
агрегатами 149
4.3. Алгоритм решения задачи КОУТА 151
Определение непрерывной скорости копания при КОУТА 151
Определение мощности форсирования при непрерывных процессах...155 4.3.3.Электрические параметры при КОУТА 159
4.4.0 максимуме мощности при форсировании 161
Принцип разделенных энергетических максимумов 165
Определение мощности форсирования при дискретных процессах 167
4.6.1. Алгоритм вычисления мощности при дискретных процессах 168
Выводы по главе 171
ГЛАВА5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 172
5.1.Оптимальное управление тракторным агрегатом. Результаты
вычислительного эксперимента 172
5.1.1 .Оптимальное управление энергетическим режимом стабилизации
мощности 172
Влияние начальных условий по объему призмы на процесс копания 200
Результаты расчетов по силовому форсированию тракторного
агрегата 202
5.1.4 Результаты расчетов по операции разгона тракторного агрегата 204
5.1.5. Реализация законов глубины копания 206
5.2.Исследование демпфирующих свойств тракторной передачи. Результаты
вычислительного эксперимента 239
5.2.1 .Анализ параметров свободных колебаний в тракторном агрегате 239
5.2.2. Сравнительный анализ методов исследования демпфирующих свойств
передачи 246
5.3.Квазиоптимальное управление тракторным агрегатом. Результаты
вычислительного эксперимента 249
5.3.1.Скоростное форсирование при непрерывном и дискретном изменении
скорости 249
5 5.3.2.Скоростное форсирование при кусочно-постоянных значениях
скорости 268
5.3.3.Скоростное форсирование при дискретно-непрерывном изменении
скорости 273
Электрические параметры при КОУТА 274
Принцип разделенных энергетических максимумов 276
Выводы по главе 294
ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ. ОЦЕНКА
ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 297
6.1 .Устройства для форсажа с применением модернизированных технических
устройств 298
6.2.Форсунка нового поколения с электронным управлением 301
6.3.Устройство для форсирования мощности по заданному закону и по
производной от возмущения 302
6.4. Устройство для реализации законов оптимального управления 304
6.5 Энергосберегающий способ и устройство для обработки почвы 305
б.б.Расчет экономической эффективности от внедрения рекомендаций технических устройств для реализации законов форсирования ЛВС и
оптимальных законов управления (трактор ДЭТ-250) 310
Выводы по главе 314
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 315
ЛИТЕРАТУРА 319
ПРИЛОЖЕНИЯ 352
Принятые сокращения
МСРД - метод соединения- разделения движений
МБМ - метод базовых моделей
MX - механическая характеристик
КХ - корректорная характеристика
РД - разделение движений
МСРД- метод соединения-разделения движений
ПСК - параметры свободных колебаний
РО - рабочий орган
СЦ - силовые цилиндры
ДВС - двигатель внутреннего сгорания
ДПМ- двигатель постоянной мощности
ГМТ - гидромеханическая трансмиссия
МСТ - механическая ступенчатая трансмиссия
ЭМТ- электромеханическая трансмиссия
ЭПТ- электродвигатель постоянного тока
ШОВ- шунтовая обмотка возбуждения
НОВ - независимая обмотка возбуждения
ТД - тяговый двигатель
СГ - силовой генератор
ДГ - движитель-грунт
ТА - тракторный агрегат
МТА- машинно-тракторный агрегат
ППЭ - подсистемы преобразования энергии
СкФТА - скоростное форсирование тракторного агрегата
СФТА - силовое форсирование тракторного агрегата
СФД- силовое форсирование двигателя
САУ- система автоматического управления
НУ - начальные условия
КУ - конечные условия НП - непрерывный процесс ДП - дискретный процесс ДП - динамическое программирование ОП - оптимальный процесс СП - стационарный процесс НП - нестационарный процесс
ИНПК - идеальный нестационарный процесс копания, РНПК - реальный нестационарный процесс копания. ОУ - оптимальное управление,
ОУТА - оптимальное управление тракторным агрегатом, КОУТА - квазиоптимальное управление тракторным агрегатом УЭР - управление энергетическими режимами, ДУ - дискретное управление ДУ - дифференциальное уравнение ПФ - передаточные функции ОСЗ - обобщенные схемы замещения УЭР - управляемый энергетический режим САУ - системы автоматического управления Н.с. - намагничивающая сила Э.д.с. - электродвижущая сила ПРМ - принцип разделенных максимумов ПРЭМ - принцип разделенных энергетических максимумов ПВЭД - принцип внешнего энергетического дополнения ПУВЭД - принцип условно внешнего энергетического дополнения УЭИ - условие энергетической инвариантности ВР- всережимный регулятор АС - асимптотическая сходимость
Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост единичной мощности промышленных и сельскохозяйственных тракторов является объективно существующей тенденцией. Одновременно возникает проблема максимального использования растущих мощностей с позиций повышения эффективности функционирования производственных процессов на базе операционных технологий.
Вместе с тем до сих пор проблема решается на базе старых технических подходов. Для режима стабилизации мощности или управления мощностью используются традиционные механические всережимные регуляторы (ВР), которые не обеспечивают режима Pwc = const и тем более режима изменения
Рт: = var по требуемому закону. Возможности управления энергетическими
режимами с помощью известных технических средств ограничены и малоэффективны.
При работе тракторных агрегатов имеют место возмущения от неоднородности грунта (операция копания) или почвы (основная обработка почвы) и неровностей рельефа. Наличие этих возмущений приводит к снижению эффективности использования мощности и производительности тракторных агрегатов.
Использование запаса по моменту в ДВС при компенсации возмущений нагрузки приводит во всех случаях к колебаниям скорости агрегата и делает зачастую невозможным эффективную реализацию конкретных технологий. Поэтому компенсация возмущений различной природы невозможна без снижения качественных показателей и производительности тракторных агрегатов (ТА). Применение методов оптимального управления тракторными агрегатами (ОУТА) также невозможно при работе ДВС с запасом по моменту.
Старые подходы не позволяют определить законы управления, реализация которых решит проблему полного использования мощности или её изменения по требуемым законам. Старые подходы в принципе не позволяют перейти к кибернетическим системам управления ТА и ДВС в обозримом бу-
дущем на основе комбинированных систем управления, а также к системам с искусственным интеллектом. Для последних нужна, прежде всего, достоверная информация об объекте и алгоритмы её оптимального использования.
До сих пор на землеройных агрегатах не использовался технологический подход к решению проблемы, когда определялись бы отдельные операции, производилась оптимизация каждой из операций и определялся конкретный порядок их выполнения на основе реализации оптимальных законов. Поэтому разработка операционных технологий в гидромелиорации на землеройных работах с применением теории оптимального управления работах - одна из актуальных задач.
Необходимы исследования, которые позволят заложить научные основы для создания машин нового поколения с качественно новыми функциональными свойствами и новыми эксплуатационными возможностями в части повышения эффективности и ресурсосбережения технологических процессов.
Представляются важными исследования по созданию адекватной математической модели МТА, которая будет учитывать: потери всех видов в подсистемах преобразования энергии в функции скорости ТА; динамику любого привода, в частности электропривода; работу ТА в условиях априорной неопределенности; нелинейные характеристики буксования и кривой намагничивания электрических машин, нелинейные характеристики скорости и тягового усилия; представление управляемых параметров и управляющих воздействий в функции скорости.
Поэтому важны такие исследования, которые позволят на основе адекватной математической модели и строго обоснованных критериев определить оптимальные технически реализуемые законы при копании и рассчитать энергетические технически реализуемые режимы ДВС для реализации конкретных технологий.
Необходимы исследования, которые направлены на техническую реализацию управляемых энергетических режимов и кибернетических комбинированных систем управления, в том числе с искусственным интеллектом.
Должна быть разработана новая методология исследования, которая бы позволяла одновременно решать математические, технические и технологические проблемы с целью получения наивысшей производительности ТА за счет управления энергетическими режимами при реализации различных технологий, причем управление энергетическими режимами должно обосновывать возможность управления мощностью по заданным законам или стабилизировать мощность за счет форсирования с помощью технических средств нового поколения.
Необходимы исследования, направленные на снижение энергоемкости процессов обработки почвы, создание высокопроизводительных орудий с качественно новыми функциональными свойствами. Нужны новые решения, которые бы меняли подход к решению конкретной технологической задачи на основе новых методов технологического воздействия на среду или почву.
Исследования выполнены в соответствии с «Концепцией развития механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства России на 1995 и на период до 2000 г.», заложенными в концепцию стержневыми направлениями по созданию принципиально новых машин, по новому принципу конструирования машин, по разработке и внедрению ресурсосберегающих технологий.
Актуальность выбранного научного направления подтверждается соответствием разделу федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ («Разработать научные основы развития системы технологе- технического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения...») и тематическому плану Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных ис-
следований по научному развитию агропромышленного комплекса РФ на 2001-2005 гг.
Цель работы. Целью работы является повышение производительности машинно-тракторных агрегатов за счет оптимального и квазиоптимального управления энергетическими режимами при реализации различных технологий и разработка практических рекомендации для отечественных машин.
Гипотеза. В основу научной гипотезы заложено предположение о возможности полного использования мощности за счет определения и реализации оптимальных законов при оптимальном управлении, а также управления мощностью по заданным законам при квазиоптимальном управлении на основе форсунок нового поколения с двумя уровнями отверстий для впрыска топлива и электронным управлением.
При основной обработке почвы предполагается, что почвенный пласт остается неподвижным и в нем вырезаются за счет совокупности новых операций комки почвы одинакового, требуемого по технологии размера.
Объект исследования: Механизированные технологические процессы при мелиоративных, строительных работах и обработке почвы.
Предмет исследования. Законы управления МТА по скорости, тяговому усилию, мощности ДВС, тяговому к.п.д., глубине копания при выполнении отдельных технологических операций на мелиоративных работах и при обработке почвы, взаимосвязи оптимальных законов управления и параметров рабочих органов МТА с производительностью МТА, новые технические решения для реализации оптимальных законов при управлении мощностью.
Научная новизна. Впервые разработана прикладная теория оптимального и квазиоптимального управления МТА с различными типами трансмиссий на основе универсальной математической модели для исследования оптимальных и квазиоптимальных процессов при наличии и отсутствии возмущений с учетом различных видов нелинейных характеристик объекта, потерь всех видов в функции скорости.
Предложены принципы управления: принцип разделенных максимумов, который обеспечивает техническую реализацию законов при оптимальном управлении, и принцип разделенных энергетических максимумов, обеспечивающий техническую реализацию законов при квазиоптимальном управлении; сформулирован и доказан ряд положений по вопросам прикладной теории оптимального и квазиоптимального управления и по законам адекватности.
Разработаны новые критерии при определении управляющих функций при копании и управлении орудием для обработки почвы. Предложены новые методы исследования: метод соединения-разделения движений и или расширения пространства решений, позволяющий создавать кибернетические системы управления, метод одновременного решения задач оптимального и квазиоптимального управления, метод базовых моделей. Предложены новые технические устройства, позволяющие реализовать энергетические режимы по различным законам с помощью электронно-управляемых форсунок нового поколения, а также законы управления при оптимальном управлении с помощью комбинированных систем управления.
Предложены новый высокопроизводительный способ обработки почвы на основе множественной локализации силовых воздействий на комки почвы во времени и пространстве с малой энергоемкостью и противоэрозийная технология обработки почвы
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Новая прикладная теория позволяет приступить к созданию бульдозеров - полуавтоматов высокой производительности и реализации новых эффективных технологий на мелиоративных работах на основе либо полного использования мощности, либо управления ею по заданным законам. Настоящая работа дает импульс развитию нового поколения машин, связанного с управлением энергетическими режимами ТА и развитию технического направления по разработке электронных средств топливоподачи на базе фор-
сунок нового поколения. Это позволит повысить эффективность всего машинно-тракторного парка при выполнении различных технологий. Новая противоэрозийная технология обработки почвы является энергосберегающей и высокопроизводительной, позволяет эффективно бороться с сорняками с максимальным сохранением стерни на поверхности и влаги в подпочвенном слое.
Методики, предложенные в работе, и научные результаты внедрены или приняты к внедрению в ЗАО «Аэромастер» для разработки перспективных силовых установок для тракторов, автомобилей и железнодорожного транспорта, ЗАО «Челябинские строительно-дорожные машины», в Межрегиональном совете по науке и технологиям (г.Миасс), ОАО «Уралгидромаш». Теоретические положения диссертационной работы используются в учебном процессе ряда кафедр МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЧелГУ, ЧГАУ. На данном этапе по результатам работы опубликованы четыре монографии, руководящие технические материалы по определению свободных колебаний, многочисленные статьи в центральных журналах, трудах РАН РФ, вузовских сборниках.
Апробация работы. Основные научные результаты доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях ЧИМЭСХ, 1975-1981 гг, в ОГК ЧТЗ 1977-1978гг, СибАДИ, 1981 г. (г. Омск), ЧФ НАТИ, 1981-1982 гг. (г. Челябинск), в Минстройдормаш,1983 г. (г. Москва), на международной научной конференции ЧВВАИУ (г. Челябинск 1998), на Уральском семинаре по неоднородным конструкциям 1997-2004 гг., на XVI Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций, 1998г., на конференции Казахского государственного агроинженерного университета, Алматы,1998 г., на научной конференции Челябинского института путей сообщения (ЧИПС-УрГАПС),1998 г., на научном семинаре кафедры теории управления и оптимизации ЧелГУ, 1998 г., на научном семинаре кафедры прикладной математики ЮУрГУ, 1999г., на кафедре «Многоцелевые гусеничные машины и мобиль-
ные роботы» МГТУ им. Баумана, 2001, 2003, на расширенном научном семинаре кафедры «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы» МГТУ им. Баумана, 2005 гг., на расширенном научном семинаре кафедры «Тракторы и автомобили» ЧГАУ, 2005 г, на расширенном научном семинаре кафедры «Посевные и почвообрабатывающие машины» ЧГАУ, 2005 г.
Публикации и научные труды. Основные результаты диссертации опубликованы в четырех монографиях, пяти депонированных рукописях, 98 статьях, защищены 20 изобретениями и патентами, изложены в научном отчете по хоздоговорной работе с ЧТЗ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, выводов, списка литературы из 318 наименований, приложений, изложена на 318 страницах, содержит 264 рисунка.
В первой главе приводятся материалы по изучению состояния проблемы в области производительности тракторных агрегатов при реализции различных технологий. Дана оценка предыдущим исследованиям по данной проблеме. Сформулированы цель работы и положения, выносимые на защиту.
Во второй главе представлены основы прикладной теории оптимального управления тракторными агрегатами при отсутствии и наличии возмущений от неоднородности грунта по критерию полного использования мощности для пооперационной технологии разработки грунта.
Доказаны основные положения теории и обосновано протекание основных оптимальных технически реализуемых законов с учетом возмущений, при которых возможно полное использование мощности. Обосновано использование теории оптимального управления для полного использования мощности тракторных агрегатов и достижения максимальной производительности
В третьей главе рассмотрены вопросы определения параметров свободных колебаний и демпфирования колебаний в тракторной передаче методами передаточных функций и электромеханических аналогий. Проведено
сравнение методов определения амплитудно-частотных характеристик в рабочем диапазоне скоростей.
Четвертая глава посвящена изложению прикладной теории квазиоптимального управления тракторными агрегатами при копании. В новой теории показана реализация новой технологии копания при постоянной глубине копания за счет управления мощностью по заданным законам, как при непрерывном, так и при дискретном управлении мощностью.
В пятой главе изложены результаты вычислительного эксперимента на основе теоретических положений, представленных в главах 2.3,4 по оптимальному и квазиоптимальному управлению; показана эффективность теоретических исследований для обоснования новых конкретных операционных технологий, получены конкретные технически реализуемые оптимальные законы управления, показана их связь с производительностью агрегатов.
В шестой главе рассмотрены вопросы технической реализации устройств для форсирования мощности на основе модернизации известных устройств на базе механических ВР, а описываются новые устройства управления мощностью на основе электронных средств топливоподачи и форсунок с двумя уровнями отверстий. Представлено устройство для реализации оптимальных законов при копании, реализующее принцип разделенных максимумов. Дано обоснование нового устройства для противоэрозионной обработки почвы и технико-экономическое обоснование исследований.
В приложениях дано описание технических устройств для реализации оптимальных законов по скорости и тяговому усилию, для реализации законов форсирования мощности на основе форсунок нового поколения, а также дано расчетное обоснование нового способа обработки почвы и устройство для его осуществления.
Работа выполнена на кафедре многоцелевых гусеничных машин и мобильных роботов МГТУ им. Баумана и на кафедре математики и информационных технологий Южно-Уральского института управления и экономики.
