ВВЕДЕНИЕ
1 Обзор исследований и разработок 7
1.1 Анализ технологических процессов строительства
асфальтобетонных покрытий 7
1.2 Устройство и принцип действия уплотняющего рабочего органа
асфальтоукладчика 17
1.3 Реологические модели 26
1.4 Система автоматического управления с обратной связью 29
2 Теоретическое описание объекта 32
2.1 Математическая модель процесса уплотнения асфальтобетонной
смеси трамбующим брусом с виброплитой 33
2.2 Имитационная модель рабочего процесса объекта 38
3 Экспериментальное исследование 45
3.1 План компьютерного эксперимента 45
3.2 Компьютерный эксперимент 49
3.3 Обработка результатов компьютерного эксперимента 50
4 Разработка модели системы управления процессом уплотнения рабочим
органом укладчика 53
4.1 Синтез регулятора 53
4.2 Требования к системе управления 57
4.3 Параметрический синтез регулятора 59
4.4 Имитационная модель системы управления с ПИ-регулятором 62
4.5 Моделирование модели системы управления с ПИ-регулятором 63
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
Публикации по теме магистерской диссертации 67
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 68
ПРИЛОЖЕНИЕ А Расчет основных параметров гидропривода 75
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Листинг программы для ЭВМ 81
ПРИЛОЖЕНИЕ В Статья опубликованная в материалах международной научной конференции ММТТ-29 85
Строительство дорог в России, в виду её территориальной протяженности, всегда оставалось и остаётся одной из главных задач. Для создания инфраструктуры современного государства с развитой экономикой необходимы отличные по качеству и несущей способности скоростные автомагистрали. На сегодняшний день для строительства дорог с учётом всех норм и правил, учитывающих возможные нагрузки на дорожное покрытие, необходимо применять современные дорожно-строительные комплексы. Достижение качества и максимальная производительность не возможна без современных средств и систем автоматизации.
Асфальтоукладчики предназначены для сооружения оснований и покрытий из битумоминеральных и асфальтобетонных смесей при строительстве и ремонте магистральных и городских автомобильных дорог, тротуаров, площадей и территорий аэродромов.
Рабочий орган. Состоит из уплотняющих агрегатов, обеспечивающих получение требуемой степени уплотнения смеси при заданном качестве поверхности уложенного слоя. В современных асфальтоукладчиках применяются рабочие органы в двух исполнениях: раздвижном и стандартном.
Уплотняющие агрегаты рабочего органа должны обеспечить высокое предварительное уплотнение смеси.
Типовые агрегаты рабочего органа:
- трамбующий брус; (за счет эксцентрикового вала трамбующий брус перемещается по вертикали);
- вибрационная плита (вибрация выглаживающей плиты вызывается дебалансным валом, расположенным в поперечном направлении);
- прессующая планка (планка под воздействием импульсов гидравлической жидкости оказывает давление на смесь максимум до 130 бар с частотой до 68 Гц).
Возможны исполнения: с одной прессующей планкой; с двумя прессующими планками.
Выглаживающие плиты с высокой степенью уплотнения также превосходно подходят для укладки таких специальных материалов, как щебенисто-мастичные асфальтовые смеси с мелким щебнем или тощий бетон, укатку которых необходимо производить в течение очень короткого времени после распределения по поверхности. Благодаря высокой степени предварительного уплотнения покрытия достаточно всего несколько финишных проходов виброкатком.
Требуемая степень уплотнения покрытия достигается за счет минимального количества проходов катка при сохранении оптимальной ровности.
Система привода асфальтоукладчика. Все механизмы имеют гидравлический привод. Двигатель через трансмиссию приводит в действие гидравлические насосы, которые в свою очередь питают следующие механизмы: гусеницы (левую и правую), шнеки (левый и правый), питатели (левый и правый), двойной трамбующий брус, вибрационные устройства, открывание-закрывание бункера, поднятие-опускание и телескопическое раздвижение-складывание распределителя.
В магистерской работе для достижения поставленной цели выполнены следующие задачи:
- Выполнен анализ рабочего процесса асфальтоукладчика;
- Разработана функциональная схема системы управления рабочим органом асфальтоукладчика;
- Синтезированы параметры ПИ-регулятора;
- Разработаны имитационные модели аналоговой и цифровой системы управления рабочим органом асфальтоукладчика в среде MATLAB&Simulink;
- Выполнено компьютерное моделирование системы управления рабочим органом асфальтоукладчика в обоснованных диапазонах переменных.
Компьютерное моделирование показало следующее:
- обеспечивается астатизм в рабочем диапазоне регулирования угловых скоростей гидравлического двигателя;
- достигнута практическая независимость угловой скорости гидравлического двигателя от основных возмущений, а изменение моментов не влияет на угловую скорость.
Эффективность полученных результатов определяется работоспособностью моделей, разработанных в среде Simulink и результатами отработки задающих воздействий.
Публикации по теме магистерской диссертации
1) Программа моделирования привода уплотняющего рабочего органа асфальтоукладчика / С.И. Колотвин и др. // Свид. о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017611489 от 03.02.2017 г.
2) Модель адаптивной системы управления уплотняющим рабочим органом асфальтоукладчика / Сергей И. Колотвин и др. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-29: сб. трудов XXIX Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т. 12. - Саратов: Саратов. гос. техн. ун-т; Санкт- Петербург: СПбГТИ(ТУ), СПбПУ, СПИИРАН; Самара: Самарск. гос. техн. ун-т, 2016. - 384 с (С. 361-365).
3) Колотвин С.И. Разработка модели нечеткого регулятора системы управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси укладчиком / Сергей И. Колотвин и др. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-29: сб. трудов XXIX Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т. 12. / под общ. ред. А.А. Большакова. - Самара: Самарск. гос. техн. ун-т, 2016. - 384 с (С. 365-369).
4) Модель нечеткой системы управления процессом уплотнения смеси асфальтоукладчиком / С.И. Колотвин и др. // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием. Институт металлургии, машиностроения и транспорта. Ч. 2. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. - 358 с. С. 317-319.
1) Каверзин, С.В. Курсовое и дипломное проектирование по гидроприводу самоходных машин: учеб.пособие/ С.В. Каверзин. - Красноярск: Офсет, 1997. - 384 с.
2) Олссон, Г. Цифровые системы автоматизации и управления/ Г. Олссон, Д. Пиани. - Санкт-Петербург: Невский Диалект, 2001. - 557 с.
3) Карнаухов, Н.Ф. Электромеханические и мехатронные системы: учеб./ Н.Ф. Карнаухов. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2006.- 320 с.
4) Корнилов, В.В. Гидропривод в кузнечно-штамповочном оборудовании: учеб.пособие для вузов/ В.В. Корнилов. - Москва: Машиностроение, 2002. - 224 с.
5) Пермяков, В.Б. Комплексная механизация строительства: учеб.для вузов/ В.Б. Пермяков. - Москва: Высш. шк., 2005. - 383 с.
6) Прокопьев, А.П. Автоматизация процесса уплотнения асфальтоукладчика: учеб.пособие/ А.П. Прокопьев, Р.Т. Емельянов.// Известия вузов. Строительство. - 2004.- №7. - С.53-57.
7) Дьяконов, В.П. Matlab 6.5 SP1/7/7 SP1/7 SP2 + Simulink 5/6. Инструменты искусственного интеллекта и биоинформатики/ В.П. Дьяконов, В.В. Круглов. - Москва: СОЛОН-ПРЕСС, 2006. - 456 с.
8) Тэрано, Т. Прикладные нечеткие системы/ Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугэно. - Москва: Мир, 1993. - 386 с.
9) Бажин, И.И. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода/ И.И. Бажин, Ю.Г. Беренгард, М.М. Гайцгори. - Москва: Машиностроение, 1988. - 312 с.
10) Казмиренко, В.Ф. Электрогидравлические мехатронные модули движения: учеб.пособие/ В.Ф. Казмиренко. - Москва: Радио и связь, 2001.¬431с.
11) Ложечко, В.П. Уплотняющие машины/ В.П. Ложечко, А.А. Шестопалов, В.П. Окунев. - Рыбинск: Рыбинский дом печати, 2004. - 78 с.
12) Кухлинг, Х. Справочник по физике/ Х. Кухлинг. - Москва: Мир 1985. - 520 с.
13) Филлипс, Ч. Системы управления с обратной связью/ Ч.Филлипс, Р.Харбор. - Москва: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. - 616 с.
14) Лукас, В.А. Теория автоматического управления: учеб.пособие/ В.А. Лукас. - Москва: Недра, 1990. - 416 с.
15) Горелышев, Н.В. Технология и организация строительства автомобильных дорог/ Н.В. Горелышев. - Москва: Транспорт, 1991. - 551 с.
16) Черных, И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений / И.В. Черных. - Москва: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 496 с.
17) СТО 4.2-07-2014. Система менеджмента качества. Общие
требования к построению, изложению и оформлению документов учебной деятельности. Взамен СТО 4.2-07-2012; дата введ. 30.12.2013. -
Красноярск, 2013. - 60 с.
18) Рабочий орган высокого уплотнения [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.wirtgenamerica.com
19) Прокопьев А.П., Иванчура В.И., Емельянов Р.Т., Кустарев Г.В.
Автоматизация технологических процессов дорожного строительства: монография. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013. 245 с. URL:
http://catalog.sfu-kras.ru; http://lib3.sfu-kras.ru/ft/lib2/elib_tech/u62/i-
982069.pdf.
20) Прокопьев А.П., Иванчура В.И., Емельянов Р.Т. Особенности синтеза регулятора нелинейной системы управления // Вопр. соврем. науки и практики. Ун-т им. В. И. Вернадского. 2014. № 4(54). С. 72-80.
21) Прокопьев А.П., Иванчура В.И., Емельянов Р.Т. Методы
управления технологическими процессами строительства
асфальтобетонных покрытий: монография. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. 255 с. URL: http://catalog.sfu-kras.ru; http://lib3.sfu- kras.ru/ft/lib2/elib_bas/u62/i-878404.pdf.
22) Ращупкина, Н. М. Мир в цифрах- 2009: карманный справочник / Н. М. Ращупкина. - М.: Издательство «Олимп - Бизнес», 2009. - 272 с.
23) Костельов, М. П. До какого уровня (китайского, европейского или американского ?) следует России поднимать качество строительства и сроки службы своих новых автомобильных дорог / М. П. Костельов, В. П. Перевалов, Д. В. Пахаренко // Дорожная техника - 2011: кат. - справ.:
[Электронный ресурс]. - СПб.: ООО «Славутич», 2011. - С. 13 - 26. - Режим доступа: http://issuu.com/slavutich/docs/dt2011.
24. Дьяконов, В. П. MATLAB 6.5 SP1/7/7 SP1/7 SP2 + Simulink 5/6. Инструменты искусственного интеллекта и биоинформатики / В. П. Дьяконов, В. В. Круглов. - М.: Питер, 2001. - 456 с.
25. Дьяконов, В.П. Математические пакеты расширения MATLAB: спец. справ. / В. П. Дьяконов, В. В. Круглов. - СПб.: Питер, 2001. - 480 с.
26. Евтюков, С. А. Построение механореологических моделей про¬цессов взаимодействия рабочих органов строительно-дорожных машин со
213
средой: учеб. пособие / С. А. Евтюков, А. А. Овчаров, И. В. Замараев ; СПбГАСУ. - СПб., 2011. - 59 с.
27. Емельянов, А. А. Имитационное моделирование экономичес-ких процессов / А. А. Емельянов, Е. А. Власова, Р. В. Дума. - М.: Финансы и статистика, 2002. - С. 5.
28. Жданов, А. А. Адаптивные машины - неизбежное направление развития техники. Задачи и проблемы / А. А. Жданов // XII Всерос. науч.- техн. конф. «Нейроинформатика - 2010»: лекции по нейро-информатике. - М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - С. 162 - 211.
29. Завьялов, А. М. Аналитическое условие рациональной скорос-ти движения дорожных катков при уплотнении асфальтобетонной смеси / А. М. Завьялов, М. А. Завьялов // Строит. и дор. машины. - 2002. - № 9. - С. 44 - 45.
30. Завьялов, А. М. Взаимодействие дорожных и строительных машин с контактной средой: моногр. / А. М. Завьялов, М. А. Завьялов, В. Н.
Кузнецова; СибАДИ. - Омск: Полигр. центр «КАН», 2011. - 370 с.
31. Завьялов, А. М. Построение и анализ математической модели динамики асфальтобетонной смеси при уплотнении / А. М. Завьялов, М. А. Завьялов // Строит. и дор. машины. - 2011. - № 12. - С. 44 - 47.
32. Завьялов, А. М. Процессы взаимодействия рабочих органов строительных и дорожных машин с контактной средой: учебн. пособие / А. М. Завьялов, В. Н. Кузнецова. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2010. - 236 с.
33. Завьялов, М. А. Алгоритм определения термодинамических по¬тенциалов дорожной одежды / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Строит. материалы. - 2006. - № 1. - С. 50 - 51.
34. Завьялов, М. А. Влияние удобоукладываемости асфальтобе-тонной смеси на энергоемкость процесса уплотнения / М. А. Завьялов, А. М.
Завьялов // Строит. и дор. машины. - 2002. - № 1. - С. 14 - 16.
35. Завьялов, М. А. Возможная реологическая модель релаксации асфальтобетонной смеси при уплотнении / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Строит. и дор. машины. - 2002. - № 7. - С. 25 - 26.
36. Завьялов, М. А. Зависимость термодинамических функций дорожной одежды от величины теплоемкости / М. А. Завьялов, А. М.
Завьялов // Вестн. МАДИ (ГТУ). - 2006. - № 7. - С. 47 - 48.
37. Завьялов, М. А. Математическая модель изменения объемной теплоемкости дорожной одежды с асфальтобетонными покрытиями в процессе эксплуатации / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Омск. науч. вестн. - 2006. - № 1. - С. 51 - 52.
38. Завьялов, М. А. Некоторые закономерности процесса деформи¬рования дорожного покрытия / М. А. Завьялов // Изв. вузов. Сер.
Строительство. - 2007. - № 1. - С. 94 - 97. 214
39. Завьялов, М. А. О взаимосвязи удобоукладываемости асфаль¬тобетонной смеси с энергоемкостью операции по ее укладке / М. А. Завьялов // Изв. вузов. Сер. Строительство. - 2001. - № 6. - С. 74-77.
40. Завьялов, М. А. Определение значения коэффициента пластич¬ности дорожной одежды / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Изв. вузов. Сер. Строительство. - 2006. - № 1. - С. 76 - 79.
41. Завьялов, М. А. Принцип обеспечения удобоукладываемости асфальтобетонной смеси / М. А. Завьялов // Изв. вузов. Сер. Строи-тельство.
- 2003. - № 6. - С. 79 - 82.
42. Завьялов, М. А. Процесс устройства асфальтобетонного дорож¬ного покрытия и метод термодинамических потенциалов Гиббса / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Строит. материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2004. - № 9. - С. 67 - 68.
43. Завьялов, М. А. Разработка алгоритма технологических опера-ций для автоматизированного уплотнения асфальтобетонной смеси / М. А. Завьялов // Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура : материалы междунар. науч.-практ. конф., 21¬23 мая 2003 года : в 3 кн. Кн. 3 / СибАДИ, Universitat Dresden. - Омск : СибАДИ, 2003. - С .99 - 101.
44. Завьялов, М.А. Теплоемкость асфальтобетона / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Строит. материалы. - 2009. - № 7. - С. 6 - 9.
45. Завьялов, М. А. Формирование и оценка состояния дорожного асфальтобетонного покрытия на основе термодинамической теории : от проектирования до ремонта : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.11, 05.23.05 / Завьялов Михаил Александрович. - М., 2008. - 42 с.
46. Завьялов, М. А. Энергетический баланс дорожного покрытия / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Изв. вузов. Сер. Строительство. - 2005. - № 6.
- С. 61 - 64.
47. Заде, Л. А. Понятие лингвистической переменной и его приме¬нение к принятию приближенных решений / Л. А. Заде. - М.: Мир, 1976. - 176 с.
48. Захаренко, А. В. Взаимодействие вальцов катка с уплотняемым материалом / А. В. Захаренко, В. Б. Пермяков // Изв. вузов. Сер. Строительство. - 2005. - № 1. - 81 - 85.
49. Захаренко, А. В. Теоретические и экспериментальные исследо¬вания процессов уплотнения катками грунтов и асфальтобетонных смесей : автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.04 / Захаренко Анатолий Владимирович. - Омск, 2005. - 42 c.
50. Зинченко, В. А. Вычислительный алгоритм и компьютерная система для анализа реологических схем / В. А. Зинченко, О. В. Садовская, В. М. Садовский // Вычисл. методы и программы. - 2006. - Т. 7. - С. 125 - 132. 215
51. Иванченко, С. Н. Научные основы формирования рабочих органов дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.04 / Иванченко Сергей Николаевич. - СПб., 1997. - 37 с.
52. Иванченко, С. Н. Обеспечение качества асфальтобетона с уче-том особенностей свойств составляющих и технология уплотнения : Учеб. пособие / С. Н. Иванченко, Н. И. Ярмолинская, А. А. Парфенов. - Хаба¬ровск: ТОГУ, 2006. - 237 с.
53. Иванчура, В. И. Идентификация динамической системы про-цесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожными катками / В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев, О. Г. Клевцова // журн. СФУ. Сер. Техника и технологии. - 2011. - Том 4. - № 5. - С. 565 - 570.
54. Клевцова, О. Г. Идентификация процесса уплотнения асфаль¬тобетонной смеси дорожными катками / О. Г. Клевцова, А. П. Прокопьев // Молодежь и наука: сб. материалов VII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых : [посвящ. 50-летию первого полета в космос] : в 3 т. : [Электронный ресурс] : Т. 3 / отв. ред. О. А. Краев. - Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. - Режим доступа : http://conf.sfu- kras.ru/sites/mn2011.
55. Интеллектуальные системы автоматического управления / под ред. И. М. Макарова, В. М. Лохина. - М.: Физматлит, 2001. - 576 с.
56. Исследование режимов уплотнения рабочих органов асфальто¬укладчика и разработка высокоэффективного уплотняющего оборудо-вания: отчет о НИР / МАДИ: рук. Г. В. Кустарев, отв. исп. А.П. Прокопьев; МАДИ. - М., 1990. - 105 с.
57. Калужский, Я. А. Уплотнение земляного полотна и дорожных одежд / Я. Л. Калужский, О. Т. Батраков. - М.: Транспорт, 1971. - 160 с.
58. Караваев, М. В. Применение нечеткой логики в имитационной системе автономного адаптивного управления / М. В. Караваев // Тр. ин-та системного программирования: том 5 - 8. Т. 7. Новые подходы в нейроно¬подобных и основанных на знаниях системах / под ред. А. А. Жданова. - М.: ИСП РАН, 2004. - С. 41 - 53.
59. Костельов, М. П. «Умные» виброкатки для дорожников? (обзор с оценкой новинок последнего времени) / М. П. Костельов // Дорожная техника - 2006: кат. - справ. - С. 30 - 44.
60. Костельов, М. П. Новый способ уплотнения дорожно-строи¬тельных материалов.- Автомоб. дороги. - 1991. - № 6. - С. 13 - 15.