Помощь студентам в учебе
Повышение эффективности автоматического управления процессом уплотнения асфальтовым катком
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Состояние вопроса. Технология дорожного строительства 8
1.1 Этапы строительства асфальтобетонных покрытий 8
1.2 Уплотнение как основной этап 12
1.3 Асфальтобетонный вибрационный каток 21
2 Системы управления асфальтовыми катками 28
2.1 Основы интеллектуального уплотнения асфальтобетона 28
2.2 Системы интеллектуального уплотнения асфальтобетона 30
3 Разработка имитационной модели процесса уплотнения 39
3.1 Теоретическое описание процесса уплотнения асфальтобетона
вибрационным катком 39
3.2 Выбор среды моделирования 45
3.3 Имитационная модель 47
3.4 Анализ результатов моделирования 60
4 Разработка системы непрерывного контроля уплотнения асфальтобетона 67
4.1 Формулировка задачи 67
4.2 Имитационная модель системы непрерывного контроля 69
4.3 Анализ результатов моделирования 76
Заключение 80
Список используемых источников 81
ПРИЛОЖЕНИЕ АПубликация 85
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Публикация 88
ПРИЛОЖЕНИЕ В Публикация 91
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 102
1 Состояние вопроса. Технология дорожного строительства 8
1.1 Этапы строительства асфальтобетонных покрытий 8
1.2 Уплотнение как основной этап 12
1.3 Асфальтобетонный вибрационный каток 21
2 Системы управления асфальтовыми катками 28
2.1 Основы интеллектуального уплотнения асфальтобетона 28
2.2 Системы интеллектуального уплотнения асфальтобетона 30
3 Разработка имитационной модели процесса уплотнения 39
3.1 Теоретическое описание процесса уплотнения асфальтобетона
вибрационным катком 39
3.2 Выбор среды моделирования 45
3.3 Имитационная модель 47
3.4 Анализ результатов моделирования 60
4 Разработка системы непрерывного контроля уплотнения асфальтобетона 67
4.1 Формулировка задачи 67
4.2 Имитационная модель системы непрерывного контроля 69
4.3 Анализ результатов моделирования 76
Заключение 80
Список используемых источников 81
ПРИЛОЖЕНИЕ АПубликация 85
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Публикация 88
ПРИЛОЖЕНИЕ В Публикация 91
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 102
Актуальность избранной темы. В настоящее время за рубежом ведутся активные работы по созданию и успешному внедрению различных АСУ процессом уплотнения асфальтобетонных смесей. Параллельно уделяется большое внимание в области теоретического описания и исследования процесса уплотнения как в отечественных, так и в зарубежных научных работах, отчетах, посвященных проблеме выбора рациональных режимов работы вибрационного катка, влиянию изменения параметров процесса уплотнения на сам процесс уплотнения смеси и его качества. Причиной этому служит недостаточная избыточность теоретических данных, описывающих сложный, с точки зрения физики происходящих процессов, этап уплотнения дорожного полотна, что подтверждает актуальность данной работы. Также на данный момент нет опубликованных работ, посвященных исследованию процесса уплотнения с помощью имитационных моделей, имитирующих несколько проходов катка.
Для того, чтобы разработать высокоэффективную систему управления дорожной техникой, в данном случае - вибрационным катком, предварительно необходимо тщательно исследовать сложные физические процессы, протекающие в смеси в ходе ее уплотнения, также описывающие характер взаимодействия рабочего органа со смесью. Для этих целей широко применяются различные средства моделирования для разработки имитационных моделей, построенных по математическим моделям, описывающих тот или иной физический процесс. Использование имитационных моделей позволяет детально исследовать интересующий физический процесс, получить важные теоретические сведения о нем, выявить значимые зависимости изменений различных параметров не прибегая к испытаниям, проводимых в полевых условиях.
Степень разработанности темы исследования. Проведенный анализ работ М.П. Костельова, В.Б. Пермякова, В.С. Серебренникова, В.И. Иванчуры, A.В.Захаренко, Н.В.Горелышева, Р. Шрёдер,А.З. Апарцева, А.Ф. Зубкова,
B.П.Ложечко, А.П.Прокопьева, А.А. Шестопалова, И.С. Тюремнова, посвященных вопросам обоснования режимов работы вибрационного катка и оценке уплотняющей способности показал, что на данный момент дорожное строительство испытывает некоторые трудности, связанные с технологией реализации рационального режима работы вибрационных катков, а именно количества проходов для достижения требуемого коэффициента уплотнения, скорости движения катка и режиму управления вибрацией (момент включения и выключения вибратора).
Объект исследования - процесс уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий вибрационным катком.
Главной задачей уплотнения асфальтобетонных смесей является достижение плотной, компактной упаковки составляющих компонентов смеси для достижения требуемых физико-механических, качественных показателей дорожного покрытия.
Предмет исследования - рациональные технологические параметры асфальтового катка. Это технологические параметры, которые можно выбрать в каждом конкретном случае с учетом получения максимальной производительности при условии выполнения заданных требований к качеству дорог.
Наибольшее распространение в современных технологиях дорожного строительства при окончательном уплотнении АБС получили вибрационные дорожные катки.
Для обеспечения качественного уплотнения на протяжении всего времени процесса уплотнения материала необходимо принимать во внимание как изменение свойств уплотняемой смеси, так и учитывать изменения динамических параметров рабочего органа виброкатка, также влияющих на процесс уплотнения.
Целью работы является разработка имитационной модели процесса уплотнения для теоретических исследований динамики взаимодействия вибрационного вальца с уплотняемой средой при выполнении нескольких проходов катка и отработки алгоритмов функционирования системы уплотнения.
В магистерской диссертации для достижения ее цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) провести анализ рабочего процесса асфальтового вибрационного катка;
2) проанализировать исследования, посвященные описанию процесса уплотнения асфальтобетонной смеси (АБС);
3) выполнить описание математической модели процесса вибрационного уплотнения АБС;
4) разработать имитационную модель процесса уплотнения АБС вибрационным катком в среде MATLAB&Simulink;
5) провести имитационное моделирование процесса уплотнения вибрационным катком с использованием модели системы непрерывного контроля уплотнения.
Методика исследований предусматривает комплексный поход, включающий:
1) разработку имитационной модели процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком в программной среде MATLAB&Simulink;
2) имитацию нескольких проходов катка с учетом изменяющихся параметров процесса уплотнения;
3) анализ полученных результатов исследования с целью сопоставления их с результатами экспериментальных исследований, полученных в работах других авторов.
Полученные результаты работы проверялись имитационным моделированием, методами статистического, корреляционного анализа.
Научная новизна работы:
1) разработана имитационная модель, позволяющая проводить моделирование нескольких проходов катка с учетом изменения параметров процесса уплотнения и возможностью отработки алгоритмов, системы непрерывного контроля уплотнения;
2) развиты теоретические положения о процессе уплотнения асфальтобетонной смеси, с учетом изменяющихся параметров уплотняемой среды.
3) полученная имитационная модель предполагает разработку АСУ процессом уплотнения виброкатком на своей основе.
Практическая ценность работы состоит в получении трех компьютерных имитационных моделей процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожным катком.
Публикации.По результатам исследований опубликовано 3 работы (Приложение А - В) представленные в материалах научных конференций «Проспект Свободный - 2016», «ММТТ - 29» и «Неделя науки СПбПУ», а также получены свидетельства (Приложение Г - Е) о регистрации трех программ для ЭВМ.
Для того, чтобы разработать высокоэффективную систему управления дорожной техникой, в данном случае - вибрационным катком, предварительно необходимо тщательно исследовать сложные физические процессы, протекающие в смеси в ходе ее уплотнения, также описывающие характер взаимодействия рабочего органа со смесью. Для этих целей широко применяются различные средства моделирования для разработки имитационных моделей, построенных по математическим моделям, описывающих тот или иной физический процесс. Использование имитационных моделей позволяет детально исследовать интересующий физический процесс, получить важные теоретические сведения о нем, выявить значимые зависимости изменений различных параметров не прибегая к испытаниям, проводимых в полевых условиях.
Степень разработанности темы исследования. Проведенный анализ работ М.П. Костельова, В.Б. Пермякова, В.С. Серебренникова, В.И. Иванчуры, A.В.Захаренко, Н.В.Горелышева, Р. Шрёдер,А.З. Апарцева, А.Ф. Зубкова,
B.П.Ложечко, А.П.Прокопьева, А.А. Шестопалова, И.С. Тюремнова, посвященных вопросам обоснования режимов работы вибрационного катка и оценке уплотняющей способности показал, что на данный момент дорожное строительство испытывает некоторые трудности, связанные с технологией реализации рационального режима работы вибрационных катков, а именно количества проходов для достижения требуемого коэффициента уплотнения, скорости движения катка и режиму управления вибрацией (момент включения и выключения вибратора).
Объект исследования - процесс уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий вибрационным катком.
Главной задачей уплотнения асфальтобетонных смесей является достижение плотной, компактной упаковки составляющих компонентов смеси для достижения требуемых физико-механических, качественных показателей дорожного покрытия.
Предмет исследования - рациональные технологические параметры асфальтового катка. Это технологические параметры, которые можно выбрать в каждом конкретном случае с учетом получения максимальной производительности при условии выполнения заданных требований к качеству дорог.
Наибольшее распространение в современных технологиях дорожного строительства при окончательном уплотнении АБС получили вибрационные дорожные катки.
Для обеспечения качественного уплотнения на протяжении всего времени процесса уплотнения материала необходимо принимать во внимание как изменение свойств уплотняемой смеси, так и учитывать изменения динамических параметров рабочего органа виброкатка, также влияющих на процесс уплотнения.
Целью работы является разработка имитационной модели процесса уплотнения для теоретических исследований динамики взаимодействия вибрационного вальца с уплотняемой средой при выполнении нескольких проходов катка и отработки алгоритмов функционирования системы уплотнения.
В магистерской диссертации для достижения ее цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) провести анализ рабочего процесса асфальтового вибрационного катка;
2) проанализировать исследования, посвященные описанию процесса уплотнения асфальтобетонной смеси (АБС);
3) выполнить описание математической модели процесса вибрационного уплотнения АБС;
4) разработать имитационную модель процесса уплотнения АБС вибрационным катком в среде MATLAB&Simulink;
5) провести имитационное моделирование процесса уплотнения вибрационным катком с использованием модели системы непрерывного контроля уплотнения.
Методика исследований предусматривает комплексный поход, включающий:
1) разработку имитационной модели процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком в программной среде MATLAB&Simulink;
2) имитацию нескольких проходов катка с учетом изменяющихся параметров процесса уплотнения;
3) анализ полученных результатов исследования с целью сопоставления их с результатами экспериментальных исследований, полученных в работах других авторов.
Полученные результаты работы проверялись имитационным моделированием, методами статистического, корреляционного анализа.
Научная новизна работы:
1) разработана имитационная модель, позволяющая проводить моделирование нескольких проходов катка с учетом изменения параметров процесса уплотнения и возможностью отработки алгоритмов, системы непрерывного контроля уплотнения;
2) развиты теоретические положения о процессе уплотнения асфальтобетонной смеси, с учетом изменяющихся параметров уплотняемой среды.
3) полученная имитационная модель предполагает разработку АСУ процессом уплотнения виброкатком на своей основе.
Практическая ценность работы состоит в получении трех компьютерных имитационных моделей процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожным катком.
Публикации.По результатам исследований опубликовано 3 работы (Приложение А - В) представленные в материалах научных конференций «Проспект Свободный - 2016», «ММТТ - 29» и «Неделя науки СПбПУ», а также получены свидетельства (Приложение Г - Е) о регистрации трех программ для ЭВМ.
В результате поисковых работ собраны материалы - научные, научно-прикладные публикации, посвященные научным и практическим задачам повышения качества строительства дорожных покрытий на основе управления процессами дорожно-строительных машин, научные работы, посвященные исследованию физических процессов, протекающих в асфальтобетонных смесях при уплотнении.
В данной работе при помощи пакета программных приложений MATLAB среды визуального моделирования Simulink разработаны имитационные модели системы вибровозбуждения дорожного катка и взаимодействия вальца со смесью в процессе уплотнения, включающие ряд подсистем. Полученные модели позволяют проводить теоретические исследования процесса уплотнения, с учетом изменяющихся параметров уплотняемой среды имитируя несколько проходов катка и возможностью отработки алгоритмов, систем непрерывного контроля процесса уплотнения.
Результаты имитационного моделирования совпадают с результатами, приведенными в работах [1; 29; 34]. Что говорит о достоверности процессов реакции среды разработанных моделей при имитации процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожными катками, подтверждая адекватность разработанных моделей и их соответствие реальному процессу уплотнения.
Полученные имитационные модели предполагают разработку САУ вибрационным катком в процессе уплотнения на их основе, так как они продемонстрировали адекватность влияния возмущающих воздействий при выполнении нескольких проходов катка и полученных результатов взаимовлияния динамических параметров системы «виброкаток - асфальтобетонная смесь».
Были развиты теоретические положения о процессе уплотнения асфальтобетонной смеси, с учетом изменяющихся параметров уплотняемой среды.
В данной работе при помощи пакета программных приложений MATLAB среды визуального моделирования Simulink разработаны имитационные модели системы вибровозбуждения дорожного катка и взаимодействия вальца со смесью в процессе уплотнения, включающие ряд подсистем. Полученные модели позволяют проводить теоретические исследования процесса уплотнения, с учетом изменяющихся параметров уплотняемой среды имитируя несколько проходов катка и возможностью отработки алгоритмов, систем непрерывного контроля процесса уплотнения.
Результаты имитационного моделирования совпадают с результатами, приведенными в работах [1; 29; 34]. Что говорит о достоверности процессов реакции среды разработанных моделей при имитации процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожными катками, подтверждая адекватность разработанных моделей и их соответствие реальному процессу уплотнения.
Полученные имитационные модели предполагают разработку САУ вибрационным катком в процессе уплотнения на их основе, так как они продемонстрировали адекватность влияния возмущающих воздействий при выполнении нескольких проходов катка и полученных результатов взаимовлияния динамических параметров системы «виброкаток - асфальтобетонная смесь».
Были развиты теоретические положения о процессе уплотнения асфальтобетонной смеси, с учетом изменяющихся параметров уплотняемой среды.