Автоматизация процессов моделирования и адаптивного управления гусеничными машинами для эксплуатации в экстремальных условиях на этапе промышленного производства (28.12.2009)

Автор: Евдокимов Вячеслав Генаэльевич

Для математического описания среды функционирования и объекта, как динамической системы, использован N–мерный вектор–столбец x = (x1, x2, x3,…, xN), компоненты которого x1, x2, x3,…, xN, образуют множество информационных параметров X = (x0, x1, x2,…, xn,…(, n = 1,…, N, являющихся объединением множеств Q и Y. Элементы данного множества составляют информационное пространство объекта управления, характеризуют внешние воздействия, состояние и режимы работы систем и агрегатов машины и необходимы для однозначного описания объекта.

Множество состояний объекта W = (w1, w2, w3,…, wl,…(, l = 1,…, L включает элементы w1, w2, w3,…, wl, которые являются характеристиками состояния динамической системы и определяются совокупностью переменных величин x1, x2, x3,…, xN. Данное множество объединяет возможные состояния систем и агрегатов и режимы движения машины.

На основе информации о задающих воздействиях водителя, отображаемой параметрами элементов множества X, осуществляется идентификация его желаний при выборе режима движения, текущего режима работы объекта и его технического состояния, выступающего в роли ограничения в ходе реализации требуемого режима. При этом системой управления формируются управляющие сигналы, составляющие множество U = (u1, u2, u3,…, um,…(, m = 1,…, M. Элементы множества U образуют M–мерный вектор столбец u = (u1, u2,…, uM), компоненты которого u1, u2,…, uM являются управлениями системы.

Все эти величины в общем случае являются функциями фазовых координат объекта и его управлений и, в частности, могут просто совпадать с одним из своих аргументов. Совокупность характеристик Wl, l = 1,…, L, динамической системы представляет собой вектор W = (W1,…, WL) в L –мерном евклидовом пространстве. Вектор W характеризует техническое состояние и режимы работы ГМ и является определяющим при формировании управляющих воздействий Координатами вектора W являются как параметры, определяемые методом прямого измерения, так и данные, найденные в результате различных процедур идентификации, характеризующие динамические свойства системы и объекта управления. Следовательно, в результате анализа указанных характеристик возможно осуществлять прогнозирование состояния объекта и организовать управление им с предвидением.

Структурная схема процесса сбора и обработки информации и формирования управляющих воздействий микропроцессорной системой, реализующей адаптивные алгоритмы управления, приведена на рис.6.

Установлено, что реализацию адаптивного управления агрегатами шасси ГМ целесообразно осуществлять на основе принципов нечеткой логики.

Предлагаемый в работе метод позволяет осуществлять применение указанных принципов при организации алгоритмического обеспечения и построении программ управления, реализуемых на базе «обычных» микропроцессорных систем, что обеспечит, наряду с упрощением системы управления, повышение ее устойчивости и способность адаптироваться к изменяющимся условиям функционирования объекта.

Разработка алгоритмов функционирования автоматической системы управления движением ГМ разбита на следующие этапы:

Анализ процесса, в ходе которого осуществляется исследование структуры и описание процессов функционирования объекта управления, определяются цели и задачи управления.

и формирование управляющих воздействий направленных на наилучшее приближение системы к условиям, соответствующим экстремуму функционала

Предварительные исследования проводятся для того, чтобы удостовериться в невозможности решения задачи классическими методами и необходимости применения именно адаптивных методов.

Решение задачи адаптивного управления, заключающееся в определении статических и динамических характеристик процесса, уточнении неизвестных параметров, выявлении термов (разбиение переменных на интервалы) и в определении действий по каждому терму (создание базы правил). После определения приоритетов действий формируется решение на управление, которое реализуется в виде системного и прикладного программного обеспечения.

Проверка результатов решения задачи адаптивного управления, состоящая в апробировании алгоритмов и разработанной на их основе программы адаптивного управления и оценке полученных результатов на моделях с использованием математического, физического, имитационного моделирования или при проведении экспериментальных исследований на реальных объектах.

Реализация принципов нечеткой логики на базе микропроцессорных систем может быть осуществлена посредством специального представления, обработки и анализа входной информации при формировании управляющего воздействия.

Информация, формирующая множество параметров, регистрируемых датчиковой аппаратурой, объединяет аналоговую, дискретную и частотную составляющие и обеспечивает микропроцессорный блок необходимыми данными для проведения идентификации состояния и режимов движения машины. Параметры, представляющие собой аналоговые сигналы и характеризующие состояние систем и агрегатов ГМ, представляются в виде набора лингвистических значений, каждое из которых определяет фазу существования объекта. В результате анализа процессов функционирования ГМ установлено, что для задания режимов работы автоматической системы управления достаточно четырех термов, характеризующих рекомендуемый, допустимый, предельный и аварийный режимы работы агрегатов шасси.

Аналоговые сигналы, составляющие группу параметров, характеризующих управляющие воздействия водителя, разбиваются на диапазоны и в зависимости от уровня задают режимы движения, наилучшие по тягово-динамическим или топливно-экономическим свойствам.

Таким образом, аналоговая информация представляется в виде дискретных сигналов, что позволяет упростить процесс ее обработки и принятия решения. Динамические составляющие, характеризующие направление вектора состояния объекта и желание водителя в выборе режимов движения, определяются в результате обработки аналоговой информации с использованием процедур идентификации, главным образом дифференцирования и определения скорости изменения сигнала.

Дискретная информация, представляющая собой совокупность пороговых сигналов, отображает характеристики состояний и режимов работы агрегатов машины и подразделяется на три вида: информация о критических состояниях рабочих параметров, информация о состоянии агрегатов и механизмов, диагностическая информация о состоянии электрических цепей.

Предлагаемое разбиение входных параметров позволяет представить процедуру обработки сигналов как решение задачи анализа композиции трех временных функций с последующим совмещением пороговой и аналоговой информации.

Программа управления не содержит жестких алгоритмов и готовых решений по каждой возможной ситуации в связи с многообразием возможных вариантов состояний. Приоритетность того или иного решения обусловлена необходимостью обеспечения работоспособности машины в нештатной ситуации.

Целями управления в зависимости от условий движения являются обеспечение наилучших тягово-динамических или топливно-экономических свойств, характеризуемых средней скоростью VМ движения и расходом топлива QT, и представляющие собой следующие функционалы:

в нахождении экстремальных значений которых при заданных ограничениях заключается задача выбора наилучших законов управления.

В случае выхода значений TОЖ, TМ, PМ за переделы допустимых режим движения и, следовательно, VМ и ?Д за счет изменения топливоподачи и переключения передач выбираются из соображений защиты агрегатов от критических режимов работы, а выходные параметры, при этом выступают в роли ограничений:

, температуры охлаждающей жидкости TОЖ и масла TМ, давления масла TМ и т. д). На основании данных положений разработаны технические решения по совершенствованию автоматической системы управления агрегатами шасси, реализующей адаптивные алгоритмы управления движением, управление агрегатами ГМ, и осуществляющей коррекцию алгоритмов управления при изменении условий функционирования, состояния объектов управления или управляющих воздействий водителя (рис. 8). Предлагаемая система управления исключает участие человека в выборе режимом работы систем и агрегатов, обеспечивающих движение машины. Водитель является задатчиком скоростного режима движения, а выбор режимов работы двигателя и трансмиссии и обеспечение заданной скорости осуществляет автоматика. При этом за счет связного управления двигателем и трансмиссией обеспечивается выбор рациональных режимов их работы в зависимости от внешних условий, управляющих воздействий и технического состояния.

Одной из функций представленной системы является регулирование плавности переключения передач. Исключение ударных нагрузок в трансмиссии при автоматическом переключении передач осуществляется за счет связного управления ДВС и процессом переключения передач, а также регулированием момента трения фрикционных элементов трансмиссии. Обеспечение безударного переключения передач реализуется посредством ограничения скорости нарастания момента трения фрикционного устройства МТР (рис. 9) при изменении давления в системе гидроуправления регулированием проходного сечения управляемого дросселя и уравнивания угловых скоростей ?1 и ?2,.

Реализация закона управления обеспечивает быстрое заполнение магистрали и бустера фрикционного устройства до появления давления в цилиндре за время t1, а затем регулирование нарастания давления в гидросистеме за счет изменения проходного сечения дросселя до полного включения фрикциона за время tР. Установлены зависимости площади проходного сечения дросселя от времени включения фрикционного устройства и закон изменения давления масла в бустере.

?????????

.мы регулирования имеет вид (рис. 10).

Для качественного регулирования температуры ДВС и трансмиссии система управления должна включать контур адаптации, обеспечивающий оптимальную настройку регулятора при любом изменении параметров объекта управления и внешних условий функционирования (рис. 11).

Таким образом, на основе анализа режимов работы и процессов управления агрегатами проведена формализация имитационной модели динамики перемещения машины, разработаны принципы построения и организации функционирования автоматической системы управления движением, предложен мнтод построения нечетких алгоритмов управления и рассмотрены варианты технической реализации комплексной системы управления движением ГМ на основе нечетких алгоритмов.

В четвертой главе (Оценка автоматической системы управления шасси гусеничной машины) приведены общий подход к оценке автоматической системы управления шасси, методика экспериментальной оценки и имитационный метод исследования с учетом требований автоматизации промышленного производства.

В результате анализа задач автоматизации управления системами и агрегатами шасси ГМ в различных режимах функционирования машины установлено, что проведение объективной оценки эффективности автоматической системы управления на основе комплексного показателея вида W=[Q11,Q12,Q13,….Qk], где Qn (n=1,k) частные показатели, характеризующие каждое свойство системы, невозможно. Это связано со значительными трудностями в выявлении функциональной зависимости Wk (Q) =f(Q11,Q12,Q13,….Qk) комплексного показателя от частных. Кроме того, в зависимости от назначения, условий эксплуатации и режимов работы ГМ изменяется приоритет того или иного свойства, реализуемого автоматической системой управления. Эффективность автоматической системы управления шасси ГМ, наряду с функциями автоматизации информационных и управляющих процессов, определяется рядом дополнительных свойств (рис. 12).

Показано, что оценку автоматической системы управления шасси ГМ целесообразно осуществлять по результатам анализа соответствия представленной системы предъявленным требованиям, проводимого на основе частных оценочных показателей, определяемых на наиболее характерных режимах эксплуатации. При этом оценка автоматической системы управления шасси ГМ включает качественный и количественный анализ исследуемой системы на основе комплекса частных оценочных показателей. Качественный анализ проводится при проверке функций запуска подогревателя, ДВС, подготовки ГМ к движению и троганию машины в любых дорожно-грунтовых условиях. Указанные функции считаются реализованными, если они выполнены с учетом всех предъявленных требований. Количественная оценка проводится на основе анализа основных и вспомогательных показателей функциональных возможностей автоматической системы управления движением ГМ в целом в сравнении с ручным режимом управления.

Группа оценочных показателей характеризует тягово-динамические и топливно-экономические свойства машины. Группа вспомогательных оценочных показателей включает: динамическую нагруженность трансмиссии; качество регулирования термодинамического баланса; адаптивность алгоритмов автоматического управления к внешним условиям движения, техническому состоянию и рабочим параметрам; устойчивость движения машины в зоне перекрытия передач, а также влиянием процесса автоматического переключения передач на курсовую устойчивостьв случае криволинейного движения.

Исходная информация для расчета показателей оценки находилась экспериментальными методами. Оценка качества выполнения исследуемой системой функций управления агрегатами и контроля их технического состояния включает три основных этапа: проведение испытаний с целью получения исходной информации; обработка результатов испытаний и подготовка исходных данных для расчета; расчет частных оценочных показателей, анализ полученных результатов и заключение о соответствии системы управления предъявляемым требованиям.Определение оценочных показателей kЗ, kИ, kП, mt(GТ) и ms(Gs) осуществлялось с применением комплекса электронных стендов для исследования микропроцессорных систем управления. Схема организации процесса определения оценочных показателей представлена на рис. 13.

Получение исходных данных для оценки автоматической системы управления шасси ГМ проводилось на следующих наиболее характерных режимах эксплуатации объекта: предпусковая подготовка ДВС; автоматическое управление запуском ДВС различными способами: электрическим, воздушным, комбинированным; трогание машины с места в автоматическом режиме; разгон–торможение машины; движение по криволинейному; движение с переключением передач на подъеме (спуске); пробеговые испытания.

Оценка тягово-динамических свойств ГМ с автоматической системой управления шасси проводилась на основе частных оценок скоростных свойств при прямолинейном и криволинейном движении.

Для оценки разгонных свойств использовались разгонные характеристики (графиков V=f(tр) – зависимости скорости движения от времени tр разгона), характеризующие интенсивность разгона ГМ при прямолинейном движении.

Оценка динамических качеств ГМ при криволинейном движении проводилась на основе сравнения средних скоростей прохождения специальной трассы. Трасса представляет собой "змейку", состоящую из полуокружностей различных радиусов (10; 20; 30; 40 м), скомпонованных на местности в определенном порядке.

При пробеговых испытаниях осуществлялась оценка скоростных свойствв ГМ отношением разности средних скоростей движения при автоматическом VAср и ручном VPср режимах управления.


загрузка...