Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИНИРОВАНИЯ ВИБРАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ РАБОЧЕГО МЕСТА ВОДИТЕЛЯ ГРУЗОВОГО АВТОМОБИЛЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 8
1.1 ВИБРОЗАЩИТНАЯ СИСТЕМА АВТОМОБИЛЯ 8
1.2 ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ НА ЧЕЛОВЕКА 11
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 13
2.1 ПОСТРОЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 13
2.2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 16
3 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 19
3.1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СРЕДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ 19
3.2 ПОСТРОЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ 20
3.3 ПРОВЕРКА ПОЛУЧЕННОЙ МОДЕЛИ 21
4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ВИБРАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ 30
4.1 ВЫБОР ТИПА УПРАВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 30
4.2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ 30
4.3 СИНТЕЗ НЕЧЕТКИХ РЕГУЛЯТОРОВ 33
5 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ВИБРАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ 44
5.1 ТЕСТИРОВАНИЕ ПРИ ВХОДНОМ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 45
5.2 ТЕСТИРОВАНИЕ ПРИ ВХОДНОМ СТУПЕНЧАТОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 68
ПРИЛОЖЕНИЕ
1 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 8
1.1 ВИБРОЗАЩИТНАЯ СИСТЕМА АВТОМОБИЛЯ 8
1.2 ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ НА ЧЕЛОВЕКА 11
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 13
2.1 ПОСТРОЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 13
2.2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 16
3 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 19
3.1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СРЕДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ 19
3.2 ПОСТРОЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ 20
3.3 ПРОВЕРКА ПОЛУЧЕННОЙ МОДЕЛИ 21
4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ВИБРАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ 30
4.1 ВЫБОР ТИПА УПРАВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 30
4.2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ 30
4.3 СИНТЕЗ НЕЧЕТКИХ РЕГУЛЯТОРОВ 33
5 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ВИБРАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ 44
5.1 ТЕСТИРОВАНИЕ ПРИ ВХОДНОМ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 45
5.2 ТЕСТИРОВАНИЕ ПРИ ВХОДНОМ СТУПЕНЧАТОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 68
ПРИЛОЖЕНИЕ
Плавность хода - это способность автомобиля к поглощению ударов, толчков и вибраций, возникающих при движении.
При движении автомобиля по неровной дороге возникают колебания, оказывающие негативное влияние на состояние водителя и грузов. Поэтому виброустойчивость является одним из приоритетных факторов при выборе транспортного средства.
Для грузовых автомобилей удовлетворение данному требованию осложняется тем, что наряду с городскими и междугородними дорогами, имеющими относительно ровную поверхность, им приходиться передвигаться в районах с тяжелыми дорожными условиями (сельская местность, лесные участки, работа в карьерах и т.д.). Движение по таким дорогам непрерывно сопровождается колебаниями не- подрессоренных и подрессоренных масс, что приводит к снижению надежности агрегатов, деталей и узлов автомобиля, к возрастанию динамических нагрузок. Так, при эксплуатации грузовых автомобилей на дорогах с неудовлетворительным состоянием покрытия средняя скорость уменьшается на 40-50 %, а межремонтный пробег сокращается на 35-40%, расход топлива увеличивается на 50-70%, а себестоимость перевозок - на 50-60 % [12].
Нормы вибрационной нагруженности устанавливаются таким образом, чтобы вибрации не вызывали у экипажа быстрой утомляемости и неприятных ощущений, а вибрация грузов и корпуса автомобиля - их повреждений. В настоящее время все чаще для оценки этих воздействий используется международный стандарт ИСО 2631- 74. Он позволяет наиболее полно, системно учитывать воздействие вибраций на самочувствие и здоровье водителя [3].
Стандарт устанавливает нормы допустимых пределов колебаний тела водителя. Предел колебаний устанавливается в зависимости от трех условий, имеющих верхние границы: комфорта, начала снижения производительности труда и допустимого утомления, вредного воздействия на здоровье человека. Нормы задаются в величинах средних квадратичных ускорений случайных колебаний в зависимости от частот колебаний (от 1 до 90 Гц). В нормах предусмотрены время и направление 5
действия колебаний по трем координатам (вертикальные - z, поперечные - у и продольные - х).
В основном, для транспортных машин, предназначенных для перевозки грузов по дорогам, характерны вибрационные перегрузки на высоких скоростях движения, вызывающие утомляемость водителя. Для снижения вибронагрузок на экипаж желательно иметь упругие элементы подвески с «мягкой» характеристикой, а также незначительное демпфирование в системе подрессоривания транспортного средства. Однако при переезде через единичные неровности кузов машины совершает колебания со значительными амплитудами, для снижения которых необходимо увеличивать демпфирование и жесткость упругих элементов подвески. Большие амплитуды перемещения кузова могут привести к «пробою» подвески - жесткому удару направляющих элементов подвески в ограничители хода, которые сопровождаются значительными перегрузками экипажа и могут привести к поломке деталей подвески.
Это привело к созданию активных систем демпфирования и управляемых подвесок. Управляемые подвески открывают новые возможности для обеспечения плавности хода и подавления колебаний.
Для своевременного изменения коэффициентов жесткости упругих элементов подвески необходимо разработать регулятор, обеспечивающий оптимальное управление.
В связи со сказанным, работа, посвященная гашению колебаний и обеспечению комфортных условий для водителя, является актуальной.
Таким образом, целью выпускной квалификационной работы является разработка алгоритмов вибрационной защиты рабочего места водителя грузового автомобиля.
Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:
• разработать математическую модель грузового автомобиля для анализа про-странственных колебаний;
• разработать компьютерную модель колебаний грузового автомобиля;
• верифицировать разработанную модель;
• разработать алгоритмы гашения колебаний кабины грузового автомобиля;
• построить компьютерную модель системы гашения колебаний;
• проанализировать разработанную модель.
При движении автомобиля по неровной дороге возникают колебания, оказывающие негативное влияние на состояние водителя и грузов. Поэтому виброустойчивость является одним из приоритетных факторов при выборе транспортного средства.
Для грузовых автомобилей удовлетворение данному требованию осложняется тем, что наряду с городскими и междугородними дорогами, имеющими относительно ровную поверхность, им приходиться передвигаться в районах с тяжелыми дорожными условиями (сельская местность, лесные участки, работа в карьерах и т.д.). Движение по таким дорогам непрерывно сопровождается колебаниями не- подрессоренных и подрессоренных масс, что приводит к снижению надежности агрегатов, деталей и узлов автомобиля, к возрастанию динамических нагрузок. Так, при эксплуатации грузовых автомобилей на дорогах с неудовлетворительным состоянием покрытия средняя скорость уменьшается на 40-50 %, а межремонтный пробег сокращается на 35-40%, расход топлива увеличивается на 50-70%, а себестоимость перевозок - на 50-60 % [12].
Нормы вибрационной нагруженности устанавливаются таким образом, чтобы вибрации не вызывали у экипажа быстрой утомляемости и неприятных ощущений, а вибрация грузов и корпуса автомобиля - их повреждений. В настоящее время все чаще для оценки этих воздействий используется международный стандарт ИСО 2631- 74. Он позволяет наиболее полно, системно учитывать воздействие вибраций на самочувствие и здоровье водителя [3].
Стандарт устанавливает нормы допустимых пределов колебаний тела водителя. Предел колебаний устанавливается в зависимости от трех условий, имеющих верхние границы: комфорта, начала снижения производительности труда и допустимого утомления, вредного воздействия на здоровье человека. Нормы задаются в величинах средних квадратичных ускорений случайных колебаний в зависимости от частот колебаний (от 1 до 90 Гц). В нормах предусмотрены время и направление 5
действия колебаний по трем координатам (вертикальные - z, поперечные - у и продольные - х).
В основном, для транспортных машин, предназначенных для перевозки грузов по дорогам, характерны вибрационные перегрузки на высоких скоростях движения, вызывающие утомляемость водителя. Для снижения вибронагрузок на экипаж желательно иметь упругие элементы подвески с «мягкой» характеристикой, а также незначительное демпфирование в системе подрессоривания транспортного средства. Однако при переезде через единичные неровности кузов машины совершает колебания со значительными амплитудами, для снижения которых необходимо увеличивать демпфирование и жесткость упругих элементов подвески. Большие амплитуды перемещения кузова могут привести к «пробою» подвески - жесткому удару направляющих элементов подвески в ограничители хода, которые сопровождаются значительными перегрузками экипажа и могут привести к поломке деталей подвески.
Это привело к созданию активных систем демпфирования и управляемых подвесок. Управляемые подвески открывают новые возможности для обеспечения плавности хода и подавления колебаний.
Для своевременного изменения коэффициентов жесткости упругих элементов подвески необходимо разработать регулятор, обеспечивающий оптимальное управление.
В связи со сказанным, работа, посвященная гашению колебаний и обеспечению комфортных условий для водителя, является актуальной.
Таким образом, целью выпускной квалификационной работы является разработка алгоритмов вибрационной защиты рабочего места водителя грузового автомобиля.
Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:
• разработать математическую модель грузового автомобиля для анализа про-странственных колебаний;
• разработать компьютерную модель колебаний грузового автомобиля;
• верифицировать разработанную модель;
• разработать алгоритмы гашения колебаний кабины грузового автомобиля;
• построить компьютерную модель системы гашения колебаний;
• проанализировать разработанную модель.
Цель и задачи, поставленные в рамках выпускной квалификационной работы, были выполнены, а именно:
• разработана математическая модель колебаний двухосного грузового автомобиля;
• разработана компьютерная модель, описывающая колебания грузового автомобиля в пространстве;
• разработанная модель верифицирована;
• разработаны алгоритмы гашения колебаний кабины грузового автомобиля;
• построена компьютерная модель системы гашения колебаний;
• проведен сравнительный анализ эффективности алгоритмов вибрационной защиты.
Данная работа содержит полное описание разработанных математической и компьютерной моделей грузового автомобиля.
Компьютерное моделирование осуществлялось в среде Simulink системы компьютерного моделирования Matlab. Модель позволяет следить за состоянием вертикальных и угловых перемещений, скоростей и ускорений неподрессоренных масс, кузова и кабины грузового автомобиля в любой момент времени и при любом профиле дорожного полотна.
Для проведения верификации в качестве исходных данных были взяты характеристики близкие к параметрам двухосного грузового автомобиля КАМАЗ-5460. В результате испытаний было установлено, что полученная модель соответствует действительности и на ее основе можно разрабатывать систему гашения колебаний.
Далее были разработаны базы правил нечеткого вывода, на основе которых строились алгоритмы системы гашения колебаний.
Были разработаны три нечетких регулятора:
1) принимающий на вход амплитуду, скорость и ускорение вертикальных колебаний;
2) принимающий на вход скорость вертикальных колебаний и угловые перемещения кабины вдоль осей x и у;
3) принимающий на вход амплитуду вертикальных колебаний и угловые скорости кабины относительно осей x и у;
После проведения сравнительного анализа построенных регуляторов можно утверждать, что они справляются с задачей регулирования и позволяют уменьшать амплитуды, скорости и ускорения кабины.
Исходя из результатов проведенных экспериментов, можно утверждать, что для гашения колебаний лучше использовать регулятор 3 , который уменьшает виброускорения кабины эффективно при любом микропрофиле дороги.
Разработанная компьютерная модель системы вибрационной защиты позволяет автоматически подбирать коэффициенты жесткости упругих элементов и коэффициенты демпфирования амортизаторов подвески кабины грузового автомобиля для гашения колебаний в любой момент времени.
Таким образом, разработанная цифровая модель позволяет провести детальное исследование алгоритмов вибрационной защиты рабочего места водителя грузового автомобиля при любых характеристиках микропрофиля дороги.
• разработана математическая модель колебаний двухосного грузового автомобиля;
• разработана компьютерная модель, описывающая колебания грузового автомобиля в пространстве;
• разработанная модель верифицирована;
• разработаны алгоритмы гашения колебаний кабины грузового автомобиля;
• построена компьютерная модель системы гашения колебаний;
• проведен сравнительный анализ эффективности алгоритмов вибрационной защиты.
Данная работа содержит полное описание разработанных математической и компьютерной моделей грузового автомобиля.
Компьютерное моделирование осуществлялось в среде Simulink системы компьютерного моделирования Matlab. Модель позволяет следить за состоянием вертикальных и угловых перемещений, скоростей и ускорений неподрессоренных масс, кузова и кабины грузового автомобиля в любой момент времени и при любом профиле дорожного полотна.
Для проведения верификации в качестве исходных данных были взяты характеристики близкие к параметрам двухосного грузового автомобиля КАМАЗ-5460. В результате испытаний было установлено, что полученная модель соответствует действительности и на ее основе можно разрабатывать систему гашения колебаний.
Далее были разработаны базы правил нечеткого вывода, на основе которых строились алгоритмы системы гашения колебаний.
Были разработаны три нечетких регулятора:
1) принимающий на вход амплитуду, скорость и ускорение вертикальных колебаний;
2) принимающий на вход скорость вертикальных колебаний и угловые перемещения кабины вдоль осей x и у;
3) принимающий на вход амплитуду вертикальных колебаний и угловые скорости кабины относительно осей x и у;
После проведения сравнительного анализа построенных регуляторов можно утверждать, что они справляются с задачей регулирования и позволяют уменьшать амплитуды, скорости и ускорения кабины.
Исходя из результатов проведенных экспериментов, можно утверждать, что для гашения колебаний лучше использовать регулятор 3 , который уменьшает виброускорения кабины эффективно при любом микропрофиле дороги.
Разработанная компьютерная модель системы вибрационной защиты позволяет автоматически подбирать коэффициенты жесткости упругих элементов и коэффициенты демпфирования амортизаторов подвески кабины грузового автомобиля для гашения колебаний в любой момент времени.
Таким образом, разработанная цифровая модель позволяет провести детальное исследование алгоритмов вибрационной защиты рабочего места водителя грузового автомобиля при любых характеристиках микропрофиля дороги.