Вироблено алгоритм роботи стежить системи управління рухом промислового трактора на основі інформації про кутову швидкість повороту і курсовому вугіллі, що дозволило досягти заданих показників точності виконання маневру. Наведено теоретичне обґрунтування отриманого в математичному експерименті результату управління рухом по кривизні траєкторії з поправкою на курсовий кут, тобто введення інваріантної зв'язку за зразком.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Кондаков Сергій Володимирович, Дьяконов Олександр Анатолійович, Павловська Ольга Олегівна, Поджівотова Ірина Олександрівна


ALGORITHM OF FOLLOW-UP CONTROL SYSTEM WORK FOR RECTILINEAR MOTION STABILIZATION OF INDUSTRIAL TRACTOR WITH DIFFERENTIAL ROTATION GEAR

The paper is dedicated to the rectilinear motion stability of an industrial caterpillar equipped with a follow-up control system (FCS). The FSC task: to ensure a rectilinear motion at the occurrence of barriers such as a hindrance under one of the tracks, heterogeneity of soil and so on. For the successful realization of the task set it is necessary to substantiate a criterion basis of the FCS. The necessity and possibility of control a tractor with a differential rotation gear and a follow-up system on two parameters on an angular velocity or a relative bearing (depending on technological tasks of a tractor). There is shown a theoretical substantiation of the result obtained in the course of the mathematical experiment motion control along a path curvature with the correction for the relative bearing, that is, the introduction of an invariant tie based on a standard.


Область наук:

  • Механіка і машинобудування

  • Рік видавництва: 2019


    Журнал

    Вісник Брянського державного технічного університету


    Наукова стаття на тему 'алгоритм РОБОТИ слідкуюча система ДЛЯ СТАБІЛІЗАЦІЇ прямолінійного руху ПРОМИСЛОВОГО ТРАКТОРА З диференціальних механізмів повороту'

    Текст наукової роботи на тему «алгоритм РОБОТИ слідкуюча система ДЛЯ СТАБІЛІЗАЦІЇ прямолінійного руху ПРОМИСЛОВОГО ТРАКТОРА З диференціальних механізмів повороту»

    ?УДК 629.3.021

    DOI: 10.30987 / 1999-8775-2019-2019-12-68-75

    С.В. Кондаков, А.А. Дьяконов, О.О. Павловська, І.А. Поджівотова

    АЛГОРИТМ РОБОТИ слідкуюча система

    ДЛЯ СТАБІЛІЗАЦІЇ прямолінійного руху ПРОМИСЛОВОГО ТРАКТОРА З диференціального

    МЕХАНІЗМОМ ПОВОРОТУ

    Вироблено алгоритм роботи системи, що стежить управління рухом промислового трактора на основі інформації про кутову швидкість повороту і курсовому вугіллі, що дозволило досягти заданих показників точності виконання маневру. Наведено теоретичне обґрунтування отриманого в математичному експерименті ре-

    результату - управління рухом по кривизні траєкторії з поправкою на курсовий кут, тобто введення інваріантної зв'язку за стандартом.

    Ключові слова: стежить система управління, РСУ, промисловий трактор, диференційний механізм повороту, інваріантна зв'язок, гидрооб'емниє передача, передавальна функція.

    S.V. Kondakov, A.A. Diyakonov, O.O. Pavlovskaya, I.A. Podzhivotova

    ALGORITHM OF FOLLOW-UP CONTROL SYSTEM WORK FOR RECTILINEAR MOTION STABILIZATION OF INDUSTRIAL TRACTOR WITH DIFFERENTIAL ROTATION GEAR

    The paper is dedicated to the rectilinear motion stability of an industrial caterpillar equipped with a follow-up control system (FCS). The FSC task: to ensure a rectilinear motion at the occurrence of barriers such as a hindrance under one of the tracks, heterogeneity of soil and so on. For the successful realization of the task set it is necessary to substantiate a criterion basis of the FCS. The necessity and possibility of control a tractor with a differential rotation gear and a follow-up system on two parameters - on an angular ve-

    На траєкторію руху трактора в прямолінійній напрямку часто впливають виникають перешкоди: камінь, який потрапив під одну з гусениць, зміна грунту під однією з гусениць, нерівномірність завантаження відвалу бульдозера та ін. Це призводить до мимовільного зміни курсового кута, заданого джойстиком управління.

    Відомі конструкції трансмісій і механізмів повороту гусеничних машин дозволяють по-різному вирішити проблему відведення при прямолінійній русі [1-6].

    Диференціальний механізм повороту, реалізований в дослідному зразку промислового трактора класу тяги 10 т, дозволяє компенсувати відведення трактора від прямолінійного руху додаткового-

    locity or a relative bearing (depending on technological tasks of a tractor). There is shown a theoretical substantiation of the result obtained in the course of the mathematical experiment - motion control along a path curvature with the correction for the relative bearing, that is, the introduction of an invariant tie based on a standard.

    Key words: follow-up control system, FCS, industrial tractor, differential rotation gear, invariant tie, hydraulic volume transmission, transfer function.

    тельним регулюванням гидрооб'емниє передачі (ГОП), що працює в складі диференціального механізму повороту (МП).

    Для відпрацювання алгоритму роботи системи, що стежить управління (РСУ) модернізована математична модель руху гусеничного промислового трактора в частині введення зворотного зв'язку, що забезпечує незалежне від водія додатковий вплив на похилу шайбу насоса ГОП.

    Математична модель, покладена в основу досліджень стежить системи управління промислового трактора, складається з 8 диференціальних рівнянь першого та другого порядку. Шість рівнянь описують рух корпусу махай-

    ни, обертання валів двигуна і мотора ГОП, турбіни гідротрансформатора (ГТ);

    два рівняння описують тиску в магістралях ГОП [7-9]:

    йТ2 й 2Г

    [Т, 2 + Тл -F1 -F2) Ьт? + (ТУ2 + ту1) ео8ф]?

    Про

    йТ2

    [(Т, 2 + Т, 1 - F1 - ^) С08 ф - (Ту 2 + ту1) ш фЩ;

    Про

    й 2ф

    (Т, 2-Т, 1 + Fl -F2) В81впйф \ (иП + МТ2)

    2

    йт

    1 т

    йт

    =

    йт йа.

    = [Мд г1 - М н - Мгн12] 1;

    м -

    (Т, 2 + Т, 1) Яек (до +1) "

    гбпгкк

    1 т

    йт

    м " -

    (Т, 2 - Т, 1 До

    1бп15К

    3

    йР,

    Р /

    гоп1 + - = (бн1 - е "1 - е * і - е.21 + б, 31 - А41) -;

    йт Т

    М

    V,

    йР Р -

    ^ = (Бж2 - бн2 - е * 12 - е * 22 + е * 32 - б * 42) - •

    йт Тм Крім того, в математичну модель входить ряд рівнянь зв'язку, детально представлених в роботах [7-9].

    Свого часу в роботі [10] з декількох варіантів контрольованих величин (кутове прискорення, кутова швидкість, курсовий кут) в якості величини, по якій організовується управління криволінійним рухом швидкохідної машини, була рекомендована кутова швидкість повороту машини, яка безпосередньо характеризує кривизну траек-

    V

    2

    торії. Однак подібний підхід до вирішення завдання стабілізації прямолінійного руху машини виявився неефективним, що підтвердили результати імітаційного моделювання.

    На рис. 1 наведені структурна схема і передавальна функція регулятора подачі насоса ГОП, що реагує на відхилення фактичної кривизни траєкторії від заданої, а на рис. 2 - результати імітаційного моделювання.

    Мал. 1. Блок-схема управління тільки по кутовий швидкості повороту

    Графіки на рис. 2 розрізняються величиною коефіцієнта посилення регулятора. Очевидно, що збільшення коефіцієнта посилення, як один з методів підвищення точності системи управління, істотно зменшує відхилення фактичної

    кривизни траєкторії трактора від заданої (відведення трактора), але не зводить помилку до нуля. Так, відведення трактора 0,5 ... 1,5 м при пробігу машини в 50 м не задовольняє вимогам до споживчих властивостей.

    50 40 30 20 10 0 Граектор ія ЦТ

    2 -1.5 -1 -.5 0 .5 1

    Мал. 2. Траєкторія руху трактора при управлінні з кутової швидкості (при коефіцієнті посилення 50, 100 і управлінні по курсовому куті

    Тому авторами прийнято рішення про організацію управління по курсовому куті. Регулятор з тими ж параметрами, що і на рис. 1, отримує вихідний сигнал

    у вигляді різниці еталонного і реального значень курсового кута.

    На рис. 3 представлена ​​структурна схема РСУ щодо відхилення курсового кута.

    Мал. 3. Блок-схема управління тільки за відхиленням курсового кута

    На рис. 2 графік, що відхиляється від осі ординат на 0,02 м за майже 50 м пробігу, - це керована РСУ по курсовому куті (рис. 3) траєкторія руху трактора, котра знайшла під одним з гусениць перешкоду у вигляді каменю або більш щільного грунту.

    На рис. 4 наведені графіки тягових зусиль по бортах при управлінні по курсовому куті. Зміна опору в момент часу t = 2 c призводить до зміни тягових зусиль.

    .5 .4 .3 .2 .1 0 С 1 Р1о

    2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

    11те (вага)

    Мал. 4. Сили тяги по бортах при управлінні тільки по курсовому куті

    Швидкість трактора, як показано на рис. 5, стала нижче, але траєкторія руху-

    ня збереглася (рис. 2), відведення - всього 2 см.

    3.0 2.5 2.0 про 2 1.5 > 1.0 .5 0 0 б)

    2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

    ред з

    Мал. 5. Швидкість руху трактора

    У наступному математичному експерименті керуючий сигнал сформований з урахуванням двох параметрів: курсового кута і його першої похідної - кутової швидкості.

    На рис. 6 приведена блок-схема РСУ рухом трактора при формуванні задає сигналу у вигляді суми відхилень від стандарту курсового кута і кутовий

    швидкості. Поправка по кутовий швидкості (кривизні траєкторії) організована по рис. 1, а по курсовому куті - по рис. 3.

    Траєкторія руху центру ваги (ЦТ) не змінилася - ті ж 2 см відведення (рис. 2). Однак цілком інакша картина по тягам: процес став яскраво вираженим апериодическим, коливання зникли (рис. 7).

    Мал. 6. Блок-схема управління трактором за сумою відхилень кутової швидкості і курсового кута

    .5 .4 .3 .2 .1 0 1 1 1 Р1о

    2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

    11те (вага)

    Мал. 7. Сили тяги по бортах при одночасному управлінні по відхиленню курсового кута і кутової швидкості

    Виникає питання: як організувати перехід від однієї логіки АС до іншої - від управління по кутовий швидкості при криволінійному русі до управління по курсовому куті при русі по прямій? Здавалося б, цей перехід не повинен залежати від водія. З іншого боку, формувати опорний сигнал по курсовому куті проблематично, адже кут інтегрується в процесі руху. Він однозначний тільки при прямолінійному русі.

    Відомо, що в літаках автопілот працює на прямолінійних ділянках польоту і включається льотчиком. Для здійснення маневру зі зміною курсу льотчик бере керування на себе.

    За аналогією з вищесказаним і керування трактором з стежить системою може бути організовано за двома алгоритмами: для підтримки заданої кривизни траєкторії при криволінійному русі - по кутовий швидкості, для підтримки прямолінійного руху - по курсовому куті.

    Теорія автоматичного регулювання пояснює ситуацію, що склалася в такий спосіб.

    Авторами випробувані в математичному експерименті 3 варіанти формування керуючого сигналу:

    1. Формування сигналу з виходу регулятора.

    |>М>

    реа

    100

    0 ^ + 1

    0.00 ^ + 1

    > ?>ед>

    Мал. 8. Блок-схема управління по кривизні (кутової швидкості)

    Недоліки: 1) статична помилка не дорівнює нулю і більше обумовленої в технічному завданні (їсть>етз); 2) при управлінні прямолінійним рухом кривизна Кг = 0, що еквівалентно ситуації, коли трактор не рухається кріволі-

    Нейн (керуючого сигналу немає). Отже, плутаються два випадки: або об'єкт рухається прямолінійно, або СУ об'єктом не працює (керуючого сигналу з джойстика немає взагалі).

    2. Управління по курсовому куті (позбавлене недоліків колишнього варіанта).

    зад

    + 0 [>

    100

    0 ^ + 1)-

    0.00 ^ + 1

    Fil>

    Мал. 9. Блок-схема управління по курсовому куті

    Гідність: коефіцієнт передачі 100 вибраний з умови забезпечення необхідної точності відпрацювання еталонного сигналу.

    Недолік - обмежені можливості в забезпеченні необхідної точності управління в прямолінійній русі: щоб зменшити статичну помилку, потрібно збільшити коефіцієнт передачі,

    але при збільшенні коефіцієнта передачі погіршується якість системи в перехідному режимі. Спроба ввести інтегруючу складову не вирішила зазначеної проблеми.

    3. Управління рухом по кривизні траєкторії, але з поправкою на курсовий кут.

    |>І [>

    кг реал

    . + > >

    100

    0.0018 + 1

    >

    100

    0.58 + 1)-

    0.0018 + 1

    >

    + > МХ »

    Мал. 10. Блок-схема управління по кривизні з коригуванням по курсовому куті

    По суті, введена інваріантна зв'язок за зразком, а це відомий прийом підвищення точності РСУ [11; 12], що не впливає на стійкість (на відміну від підвищення точності за рахунок підвищення коефіцієнта передачі).

    ж _ 100 (1 + 0.55 ^ До Е 1 + 0.0015 5

    Таким чином, введення в математичному експерименті інваріантної зв'язку з кривизні еквівалентно введенню в РСУ ПІД-регулятора з трьома настроювальними параметрами, за рахунок чого забезпечена допустима статична помилка і необхідну якість СУ в перехідному режимі.

    висновки:

    1. Розвинена математична модель руху гусеничного промислового трактора з диференціальним механізмом повороту і стежить системою управління в частині опису прямолінійного руху по неоднорідною місцевості.

    2. Встановлено, що управління по відхиленню кутової швидкості повороту в прямолінійній русі не дає задовільного результату. Відведення становить до 2 м на дистанції 100 м.

    3. Висунуто і підтверджена гіпотеза про можливість управління рухом по відхиленню курсового кута. Підібрані коефіцієнти ПІД-регулятора. відведення

    Після структурного перетворення схеми структура приведена до одноконтурного увазі (рис. 10). Еквівалентна передатна функція СУ має вигляд

    А52 + Ь5 + з 1 з

    -= А5 + Ь + - .

    5 (0.0015 +1) 5

    трактора при цьому склав 2 см на 100 м пробігу.

    4. Відпрацьовано алгоритм та визначено параметри передавальних функцій при управлінні одночасно по кутовий швидкості і курсового кута. Величина відведення не змінилася, але ліквідована коливальність (перерегулирование) в перехідному процесі при зміні грунту, яка

    виявлена ​​при управлінні тільки по куту.

    5. Визначено необхідність і можливість керування трактором з диференціальним механізмом повороту і стежить системою за двома різними алгоритмами - по кутовий швидкості або курсовому куті (в залежності від технологічних завдань трактора).

    6. Наведено теоретичне обґрунтування отриманого в математичному експерименті результату - управління рухом по кривизні траєкторії з поправкою на курсовий кут, тобто введення інваріантної зв'язку за стандартом.

    1

    Робота виконувалася за фінансової підтримки Міністерства науки і вищої освіти Російської Федерації в рамках комплексного проекту по створенню високотехнологічного виробництва «Розробка бесступенчатого диференціального механізму повороту з стежить системою управління для позашляхових і дорожньо-будівельних машин нового покоління» за угодою № 074-11-2018-006 від 31.05.2018 р між Міністерством науки і вищої освіти РФ і ПК «Ходові системи» в кооперації з головним виконавцем НІОКТР - Федеральним державним автономним освітнім закладом вищої освіти «Південно-Уральський державний університет (національний дослідницький університет)».

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Об'ємні гідромеханічні трансмісії / під ред. Е.С. Кісточкіна. Л .: Машинобудування,

    1987. 256 с.

    2. Петров В.А. Гидрооб'емниє трансмісії транспортних машин. М .: Машинобудування,

    1988. 248 с.

    3. потішника Н.А. Основи теорії транспортних гусеничних машин. М .: Машинобудування, 1968. 396 з.

    4. Ісаков П.П. Теорія і конструкція. Т. 5. Трансмісії. Л .: Машинобудування, 1985. 367 з.

    5. Гінзбург Ю.В., Швед А.І., Парфьонов А.П. Промислові трактори. М .: Машинобудування, 1986. 293 з.

    6. Злотник М.І., Кавьяров І.С. Трансмісії сучасних промислових тракторів. М .: Машинобудування, 1971. 248 з.

    7. Kondakov S.V., Kharlapanov D.V., Vansovich E.I. Models of the Turn Resistance for High-Speed ​​Caterpillar Vehicles // Russian Engineering Research. 2016. Vol. 36, no. 1. Р. 1-5.

    8. Кондаков С.В., Павловська О.О. Автоматизоване управління рухом швидкохідної

    1. Volumetric Hydro-mechanical Transmissions / under the editorship of E.S. Kistochkin. L .: Mechanical Engineering, 1987. pp. 256.

    2. Petrov V.A. Hydro-volumetric Transmissions of Transport Vehicles. M .: Mechanical Engineering, 1988. pp. 248.

    3. Zabavnikov N.A. Fundamentals of Theory of Transport Tracked Vehicles. M .: Mechanical Engineering, 1968. pp. 396.

    4. Isakov P.P. Theory and Design. Vol.5. Transmissions. L .: Mechanical Engineering, 1985. pp. 367.

    5. Hinsburg Yu.V., Shved A.I., Parfyonov A.P. Industrial Tractors. M .: Mechanical Engineering, 1986. pp. 293.

    6. Zlotnik M.I., Kaviyarov I.S. Transmissions of Modern Industrial Tractors. M .: Mechanical Engineering, 1971. pp. 248.

    7. Kondakov S.V., Kharlapanov D.V., Vansovich E.I. Models of the Turn Resistance for High-Speed ​​Caterpillar Vehicles // Russian Engineering Research. 2016. Vol. 36, no. 1. Р. 1-5.

    гусеничної машини: монографія. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 105 c.

    9. Кондаков С.В., Дьяконов А.А., Павловська О.О., Дубровський Н.В. Підвищення керованості криволінійного руху гусеничного трактора шляхом установки диференціального механізму повороту і стежить системи // Вісник ЮУрГУ. Серія «Машинобудування». 2018. № 2. С. 23-33.

    10. Кондаков С.В. Забезпечення керованості швидкохідних гусеничних машин на перехідних режимах криволінійного руху // Вісник ЮУрГУ. Серія «Машинобудування». 2001. Вип. 1, № 6. С. 10-15.

    11. червоненькі В.І. Основи теорії керованості транспортних гусеничних машин. М .: МВТУ ім. Баумана, 1977. 264 с.

    12. Бесекерскій В.А., Попов О.П. Теорія систем автоматичного управління / Изд. 4-е, перераб. і доп. СПб .: Професія, 2004. 752 с.

    8. Kondakov S.V., Pavlovskaya O.O. Automated Control of High-Speed ​​Tracked Vehicle Motion: monograph. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. pp. 105.

    9. Kondakov S.V., Diyakonov, Pavlovskaya O.O., Dubrovsky N.V. Managing ability increase of caterpillar curvilinear motion through installation of differential rotation gear and follow-up system // Bulletin of SUrSU. Series "Mechanical Engineering". 2018. No.2. pp. 23-33.

    10. Kondakov S.V. Managing ability support in highspeed tracked vehicles in transient behaviors of curvilinear motion // Bulletin of SUrSU. Series "Mechanical Engineering". 2001. Edition 1, No.6. pp. 10-15.

    11. Krasnenkov V.I. Theory Fundamentals of Transport Tracked Vehicle Managing Ability. M .: Bauman HTC of Moscow, 1977, pp. 264.

    12. Besekersky V.A., Popov E.P. Theory of Automated Control Systems / 4-th Edition, revised and supplemented. S-Pb .: Profession, 2004. pp. 752.

    Посилання для цитування:

    Кондаков С.В., Дьяконов А.А., Павловська О.О., Поджівотова І.А. Алгоритм роботи системи, що стежить управління для стабілізації прямолінійного руху промислового трактора з диференціальним ме-

    механізмі повороту // Вісник Брянського державного технічного університету. 2019. № 12. С. 68-75. Б01: 10.30987 / 1999-8775-2019-2019-12-68-75.

    Стаття надійшла до редакції 22.11.19. Рецензент: д.т.н., професор Брянського державного

    технічного університету Кобищанов В.В., член редсовета журналу «Вісник БГТУ». Стаття прийнята до публікації 29. 11. 19.

    Відомості про авторів:

    Кондаков Сергій Володимирович, д.т.н., професор кафедри «Колісні та гусеничні машини» Південно-Уральського державного університету, Челябінськ, Росія. е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.. Дьяконов Олександр Анатолійович, д.т.н., професор кафедри «Технології автоматизованого проектування» Південно-Уральського державного університету, Челябінськ, Росія, е-mail: diakonovaa @ susu. ru.

    Kondakov Sergey Vladimirovich, Dr. Sc. Tech., Prof of the Dep. "Wheeled and Tracked Vehicles", South-Urals State University, е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.. Diyakonov Alexander Anatolievich, Dr. Sc. Tech., Prof. of the Dep. "CAD Technologies", South-Urals State University, е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Павловська Ольга Олегівна, к.т.н., доцент кафедри «Системи автоматичного управління» Південно-Уральського державного університету, Челябінськ, Росія, е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.. Поджівотова Ірина Олександрівна, м.н.с. Унідо Південно-Уральського державного університету, Челябінськ, Росія, е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Pavlovskaya Olga Olegovna, Can. Sc. Tech., Assistant Prof. of the Dep. "Automated Control Systems", South-Urals State University, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Podzhivotova Irina Alexandrovna, JSW UNID, South-Urals State University, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..


    Ключові слова: Слідкуюча система /РСУ /ПРОМИСЛОВИЙ ТРАКТОР /ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИЙ МЕХАНІЗМ ПОВОРОТУ /інваріантні зв'язки /гидрооб'емниє ПЕРЕДАЧА /передавальної функції /FOLLOW-UP CONTROL SYSTEM /FCS /INDUSTRIAL TRACTOR /DIFFERENTIAL ROTATION GEAR /INVARIANT TIE /HYDRAULIC VOLUME TRANSMISSION /TRANSFER FUNCTION

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити