автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему: Автоматизированная система управления бульдозером Т-10. 32-8 для выполнения земляных работ в экстремальных условиях
Автореферат диссертации по теме "Автоматизированная система управления бульдозером Т-10. 32-8 для выполнения земляных работ в экстремальных условиях"
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ррд фд ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
На правах рукописи
КУЛЕШОВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ БУЛЬДОЗЕРОМ Т-10. 32-8 ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
Специальность 05.13.07 — Автоматияация технологических процессов и производств (строительство)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в 15 Центрально« научно-исследовательском испытательном институте Министерства обороны Российской Федерации имени Д.М.Карбышева
Научный руководитель - доктор технических наук,
профессор Кононыхин В.Д-
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Кузин Э.Н.
кандидат технических наук, доцент Шахворостов С.А.
Ведущая организация - Институт физико-технических проблем
АН РФ (МНТК "Прогресс")
Защита состоится 1995 г. в ^ часов на
заседании диссертационного совета Д.053.Э0.07 при Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: 125829 ГСП Л-47, Москва, Ленинградский пр.. д.64,МАДИ(ТУ),ауд.42.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ТУ).
Автореферат разослан " ^ " 1995 г.
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, еаверенные печатью, просим направлять в адрес совета института.
Телефон для справок 155-03-28
Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н..доцент
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Последстикя крупномасштабных стихийных ;твий и антропогенных аварий (землетрясения в'Армении (1988г.), зии (1991 г.), наводнение в Приморье,, аварии на Чернобыльской , топливопроводе в Башкирии и др.) выявили наличие, экстремаль-условий выполнения работ по их ликвидации, связанных с угрозой гл и здоровья человека, потребовали создания зысокозашдаенных, ганциолно управляемых и роботизированных образцов, способных этать в экипажном режиме. Поэтому актуальной задачей являет-разработка систем дистанционного управления и технических 1ств автоматизации для дорожной и"землеройной-техники, позволя-I повысить эффективность ее применения при ликвидации ,последс-1 чрезвычайных ситуаций (ЛПЧС)лВ условиях радиационного, хими-сого или бактериологического заражения местности, высоких тем-1тур, загазованности, взрывоопасности, а также методы оценки активности ее функционирования и алгоритмы расчета вероятности занения работоспособности.
Цель диссертации: повышение эффективности и надежности функ-шрования в экстремальных условиях бульдозера на базе трактора ¡0 с электрогидравлическим' и автоматизированным управлением [АУ) за счет оснащения его более совершенной аппаратурой дис-[ионного радиоуправления, телевизионного наблюдения и брртовой ■емой автоматизированного управления (БСАУ). В соответствии с ■азленной целью научной задачей определено обоснование основных ований и рациональной структуры и состава системы дистанцион-I и автоматизированного управления, составивших основу техни-ого задания; разработанного в 15 ЦНИИИ, на ОКР по.созданию для нерных войск МО РФ радиоуправляемого бульдозера Т-10.32-8. ическиыи и организационными предпосылками создания радиоуправ-ого бульдозера Т-10.32-8 явились результаты работ, полученных 13 совместно с НПО НАТИ по созданию бульдозера на базе тракто--130 с ЭГДАУ. ч
Объектом исследований являются особенности выполнения работ иквидации крупномасштабных бедствий и антропогенных аварий и
конструкция бульдозера на базе трактора Г-130 с ЭРДАУ.
Методы исследовании: для реализации поставленной.дели пу аналитических и экспериментальных исследований определены основ) факторы, влияющие на повышение радиоуправляемого бульдозера, дальнейшем выполнялось теоретическое обобщение найденных sacoi мерностей я использования математических моделей функционировав в условиях радиационного облучения, • основанное на методах теог вероятности. При проведении экспериментальных исследований при* нялись методы статистической обработки экспериментальных данных. Научная новизна работы представлена:
идентифицированными моделями автоматизированного процес дистанционного управления;
анализом способов и средств выполнения земляных работ в экс ремальных условиях при ЛПЧС;
разработанным методом обоснования рациональных параметров состава система дистанционного управления и телевизионного набл дения бульдозера Т-10.32-8;
разработанным алгоритмом автоматизированной системы опткмал ного управлеяш рабочим процессом;
предложенным способом экспериментальной проверки аппарату] дистанционного управления на радиационную стойкость;
. разработанной методикой сравнительной оценки эффективное функционирования' дистанционно-управляеыой техники в условиях рад] ационного облучения с учетом обобщенной вероятности всздейств! других поражаэдих' факторов и эксплуатационной надежности.
Практическая ценность работы заключается в разработке рэцис нальной структуры и состава системы дистанционного и автомагизирс ванного управления бульдозером Т-10.32-8. Кроме того, разработш ные алгоритм и программа позволяю^1 рассчитывать вероятность вьоод из строя экипажных и дистанционно управляемых объектов в sasncf мости от объема работ, рабочей производительности и мощности гал va-излучения в районе выполнения работ.
Реализация работы. Результаты исследований й разработ&чны рекомендации яо выбору рациональных параметров системы дистанцион ного и автоматизированного управления реализованы в Научно-техни ческоы комитете инженерных войске МО РФ в ТТЗ на ОКР-по разработк радиоуправляемого бульдозера Т-10.32-8, принятого на снабхени приказом Главнокомандующего.Сухопутными войсками N 169 от 29.12.9
ja, и в заключительных отчетах по спецтемам 15 ЦНШЖ МО Bï> и 46 W МО РФ.
Апробация работы. По теме диссертационной работы были сделаны слад и и сообщения на научно-практических .конференциях 15- ЦНИИИ (1989 г.), 46 ДШ Ш (1991, 1994 гг.) и №ТП АН.Р$ (1993 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано Ю печат-с робот, получено 3 авторских свидетельства и вылупило 1? отче- ' î по НИР в 15 ЦНИИИ МО РФ. ' ,
Объем работы. Диссертация состоит из. введения, 6 глав, общих юдов и предложений, списка литературы и приложений, , содержит 3 страниц машинописного текста, 13 таблиц, 33 рисунка.' Список гературы включает 97 наименований. На защиту выносятся :
классификация и анализ экстремальных условий выполнения работ » ЛПЧС; ' '
обоснование путей совершенствования техники для ЛПЧС и ре-' аьтэты анализа факторов, влияющих на эффективность функциониро-шя радиоуправляемого бульдозера в экстремальных ситуациях;
рациональная структура и состав системы дистанционного ради-¡равления, телевизионного наблюдения и автоматизированного удаления бульдозером и его оборудованием;
алгоритм и законы оптимального управления рабочим процессом пьдозера; - • - . - • -
результаты экспериментального исследования аппаратуры дистантного управления на радиационную стойкость и эксплуатационных 7ытаний радиоуправляемого бульдозера;
методика сравнительной оценки эффективности функционирования ;танционно управляемой техники в условиях радиационного облуче-V, - -
технические решения элементов бортовой система автоматмзиро-iHoro управления;
рекомендации по применению радиоуправляемого бульдозера 10.32-8.
Во введении обосновывается актуальность разработки и создан дистанционно управляемой и автоматизированной техники для выполн ния работ в экстремальных условиях при ЛПЧС. Приводятся основа направления теоретических и экспериментальных исследований по сс данию указанной техники. Формулируются цель й^задачи исследован»-
объект исследования, указываются основные положения, которые cut сятся на защиту.
В первой главе приводится обзор и анализ экстремальных ус:. вий при ЛПЧС с исследованием характера и объемов выполняемых р бот. Показано, что наибольшую опасность для персонала, участвую! го в ЛПЧС, представляют такие экстремальные условия, как радиаи онное, химическое и бактериологическое заражение местности, пел ро- и взрывоопасность, интоксикация. На основе комплексного англ за выполняемых' работ, условий эксплуатации приведены основные те нические требования к технике для ЛПЧС, основными из которых явл егся наличие режима дистанционного управления, системы телевизис ного наблюдения,•автоматизированного управления рабочим процессс Аппаратура машин-для ЛПЧС должна. сохранять работоспособность и с новные параметры при функционировании в зонах заражения при ыс ности ' дозы гамма-излучения 2000 р/ч е течение 500'ч'"(накоплена доза 1х106р). Приводится анализ основных направлений развития танционных и автоматизированных систем управления, В результ; изучения и анализа научно-технической и патентной информации и i явившихся тенденций в развитии систем дистачционного и автомата: рованного управления предложена их классификация по направлении уровням. В обзоре существую*®« исследований анализируются раз< ботки зарубежных фирм "Комацу", "Хитати Кэнки" (Япония), "Кат< пиллар", "Форд" (США), "Мерседес Бенц", "Боа" (ФРГ), отечествен) научных коллективов НПО "НАТИ", "ВНШстройдормая", СибАДИ, БйСИ.
В ходе этих исследований был выполнен анализ динамики раз; тая зарубежном и отечественной техники, оснащенной системами д* таиционного и автоматизированного управления к показано, что < чествующие образцы не в полной мере отвечают предъявляемым тре( ваниям по условиям .безопасности flia жизни экипажа. Из'отечеств! ной дорожяо-землеройной техники наиболее подготовленными для ра!
=1 при ЛОТС являются бульдозер на базе трактора Т-130М с системой аектрогидравлического к дистанционного управления (ЗГДАУ), разра-этанной в ГСКБ ЧТЗ и НП0"НАТИ" и дизель-электрический бульдозер ЭТ-250 с системой дистанционно-автоматического управления, разра^ данной специалистами МАДИ н ЦНМ" комплексной автоматизации. Тем г менее, " эксплуатационные испытания бульдозера на базе ' трактора ■130М с ЭТДАУ показали следующие основные его недостатки: не4 5еспечивается требуемая дальность и надежность радиоуправления; »достаточна радиационная стойкость аппаратуры управления; отсу газует система телевизионного наблюдения оператором за курсом маши-¡1 и положением рабочего оборудования, что существенно снижает ззможности по дальности управления; не обеспечивается автоматизи-званное управление рабочим процессом, необходимое для режима дис-шционного (безэкипажного) управления.
Полученные выводы обусловили специфику настоящих исследова-№. '
В заключительном разделе главы обосновываются цели и задачи и )щая схема исследования:
1) провести анализ специфических условий функционирования /льдовера при ЛГГЧС; 2) обосновать принципы построения командной здиолинии системы дистанционного управления и телевизионного наб-здения; 3) обосновать структуру, конструктивное исполнение и ос-)вные технические средства-бортовой системы автоматизированного ¡равления (ВСАУ); 4)' оценить- надежность и быстродействие предла-1емой ЕСДУ; 5) провести анализ систем автоматизированного управ->ния н разработать алгоритм оптимального управления рабочим про-;ссом бульдозера; 6) выполнить экспериментальную проверку резуль-1тов исследований; 7) разработать методику сравнительной оценки Йективности функционирования дистанционно управляемой техники в :ловиях радиационного облучения; 8) выработать предложения и ре->мендации по применению радиоуправляемого бульдозера Т-10.32-8.
-Во второй главе выполнен анализ специфических, условий функци-гирования радиоуправляемого бульдозера и обЬснованы принципы »строения системы дистанционного управления, структурная схема >торой показана-на рис.1. ' ' - -
- Рис. 1. Структурная схема СДУ
1 - динамическое звено "Человек-оператор" с передаточной функцией
2 - динамическое звено "Источник управляющих воздействий" с пере-
даточной функцией Wyb(S);
3 - динамическое звено "Система командного радиоуправления" с пе-
редаточной функцией WP(S);
4 - динамическое звено "Объекты управления" с передаточной функ-
5 - динамическое звено • "Канал обратной связи" с передаточной
C(S) й C(S) - вееторы-столбци управляющих воздействий соответственно на входе и выходе системы командного радиоуправления
(СКРУ). Передаточная функция СКРУ представлена матрицей с элементами Wpjj = Kii(S)-exp(-SXi j). Идеальная СКРУ должна иметь единичную матрицу WP(S)=E. Обеспечение диагональности матрицы преобразования Vip(S) (т.е. равенства Wpи=0 при которое означает отсутствие перекрестных помех' в многоканальной системе передачи, достигается соответствующей организацией процессов применения и разделения каналов при построении системы.
Выполнение требования Kjj =1 при i=j решается при передаче информации в цифровой форме.
Свес,ти к нулю задержи tjj физически-невозмедво из-за естественных задержек в аппаратуре СКРУ, связанных с распространением радиосигнала.-
Командное радиоуправление осуществляется с подацыо носимого ульта управления (при отсутствии систем телевизионного наблюдена). Проведение исследования непосредственно на реальных объектах ; на тренажерах позволили выделить три типовых передзточных йгунк-рии динамического звена "Человек-оператор" в процессе обучения ,«станционному радиоуправлению.
"а начальной стадии обучения передаточная функция имеет вид:
На заключительной стадии обучения передаточная функция "Чело-|вк-оператор" имеет вид:
При профессиональном управлении по радиоканалу бульдозером [ередаточная функция имеет вид:
« Кзе^аБ+П , где Ка> Кг> Кз; t1> т2> тз.
Специфическими условиями функционирования радйосизтемы.в ус-ювиах ЛПЧС является аысокий уровень ионизации воздуха;' сложность 'раектории распространения радиоволн в пространстве, загроможден-¡ом предметами производственного назначения; наличие радиопомех шдустриального происхождения и от мировой радиосети; сравнительно ¡ысокая скорость передачи (до 20 КБит/с)'; габаритные ограничения гри компановке радиосредств на дистанционно управляемом бульдозе->е.
Выполненные исследования показали, что система дистанционного щравления должна быть реализована на импульсно-кодовой КРЛУ с диапазоном несущих частот в пределах 100. 500 Мгц.
Конструктивно система дистанционного управления реализована в аде блока АТО1Т-1 аппаратуры телеуправления промышленным трактором. Основу АТУПТ-1 составляет переносной пульт дистанционного травления (ПДУ), ч предназначенный для формирования электрических оправляющих сигналов4(команд управления бульдозером), поступающих ;а вход радиоканала связи. . . , . ,
Пульт дистанционного управления аппаратуры АТУПТ (рис. 2,! содержит панель управления,, контроллер с код ерш-дискретных кома> управления,, формирователем напряжений и смесителем, генератор кс довых часто» и радиопередатчик "Кран.-2" с источником тока.
Кодер дискретных команд управления по шинам X и У опрашиваг состояние коммутирующих элементов органов управления пульта и фор мирует выходной двоичный код, управляющий-генератором кодовых час тот. Частотные сигналы с выхода генератора кодовых частот доступ; ют на один из выходов смесителя. На второй вход смесителя с выход ной обмотки датчика-фазовращателя поступает фазомодулированш сигнал, используемый для формирования пропорциональных команд.
Суммарный командный сигнал с выхода смесителя поступает 1 модуляционный вход радиопередатчика с рабочей частотой 173 МГц.
Для формирования пропорциональных команд используется фазе вращатель. На обмотку фазовращателя поступают сигналы синусоида] ной и косинусоидальной формы. С выходной обмотки фазовращателя ф£ зомодулированаый сигнал поступает на вход смесителя и далее 1 вход модулятора радиопередатчика.
Конструктивно пульт управления выполнен в виде переноскст блока.
Приемное устройство АШГГ-1 состоит иа радиоприемнш "Кран-2", преобразователя, двух фильтров 7.\ и Ъ%, дешифраторе ДС-1 и ДС-2 и обеспечивает обработку двух каналов информации - д.1 пропорциональных и дискретных команд (рис. 4).
Фильтры 1\ и 2г обеспечивают селекцию частотных сигнало! поступающих с выхода радиоприемника, амплитудное декодирован! этих сигналов и формирование выходных положительных импульсов, сс ответствующих кодовым частотным сигналам. Кроме того, с вжо; фильтра Ъ\ снимается частотный фазомодулированный сигнал Фр, нес> щий информацию о величине пропорциональных команд.
. Дешифратор ДС-1 обеспечивает прием, дешифрацию к запись в б-ферный, регистр информации, снимаемой с фильтров Ъ\ и Ъ^. Дешкфрг тор ДС-2 обеспечивает запись параллельного 8-разрядного кода, нос тупающего от дешифратора ДС-1, а таюсе прием пропорциональной га манды и запись ее в буферный регистр в виде 8-разрядного двоично] кода.
Рис.2. Общий вид пульта дистанционного улравленая
Панель управления Контроллер пульта Генератор кодовых
ПДУ ' - . управления частот
Рис.3 Функциональная схема пульта дистанционного управления АГУПТ-1
Фильтры 2л и 2? Дешифратора
Рис. 4. функциональная схема приемного устройства
На основе анализа существующих и разрабатываемых систем теле визионного наблюдения обоснован состав курсовой телевизионной си с темы (КТО, основу которой составляет стойкая к воздействию спец факторов телекамера на основе в ид икона ЛИ-500 (разработан НИ "Электрон", г. Санкт-Петербург). Рекомендуемый состав КТС имее: следующие технические характеристики:
- время непрерывной работы не менэе 48 часов; температура окружающей среды от 50°С до 40^0; относительная влажность до 982 при 25°С; рабочая освещенность мишени видикона от 2 до 1000" лк; разрешающая .способность при Е «• 5 лк - 550/500 линий по вертикальному клину таблицы.
Общий вид радиоуправляемого бульдозера с макетным образцо: телевизионной системы показан на рис.5.
В третьей главе рассматриваются принщшы построения и метода выбора и обоснования бортовой системы автоматизированного управле ния (БСАУ) бульдозером и его рабочим процессом. Показано, что БСАЗ радиоуправляемого бульдозера должна создаваться на основе магист-рально-модульного принципа построения.
Структурная схема БСАУ представлена на рис. 6. Предлагаемая БСАУ содержит центральный блок управления,- аппаратуру формирования команд в виде набора стандартных и унифицированных функционально и конструктивно законченных совместимых модулей и ряда периферийных контроллеров, выполненных в отдельна корпусах. Каждый контроллер при объединения с соответствующим ис-
честим упиб»ют л»вы»
I эадатчйк !) левого поворота
задатчик 'номера передачи
Мгстого управление правый
I ¡злеигнты сигнализации [-¡-
задатчин положения отеала
• I задатчик ' I патоже«« рь?**ителв
гомагичкжл) првгрецетм»-кип едгги 1Г/ко»С1го схгмам
-д контроллер |с=^м»го механизма помрет»
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ! блок управления ляпямтурл I Фермиромни* команд
прадогр нля/мзш поюроп
контроллер мевшп*» Т5ПЛИЮП0К«И ОТ
модуль диагностик» и информции
Рис, 6. Структурная е»ш КЛУ Т-Т0.Л2-в
1 БЛОК I силовых ключей ! (е с к)
БЛОК исполнительных механизмов поаорота и тошшмподачи
этим -правого фрикцои*
ЭГИМ I — правого тормоза к датчик положен«« правого тормоза
ЭГИМ левого горикцхона. датчик лможмю леюго^рххоиша
ЭГИМ левого тормоза датчик шшдаия левого тормоза
ЭГИМ тошжюподачи датчик положения 1 ттгщотящ
БЛОК ЭГИМ КПП 1
^ Модуль системы от«мл»ого^п|йы!бнна раводаи органом
лоляительным механизмом образует функционально и конструктивно законченный исполнительный модуль. . Входящая в состав БСАУ радиоэлектронная аппаратура должна сохранять работоспособность в широком диапазоне температур и воздействии синусоидальной вибрации с час-готами до 200 Гц. Указанным условиям эксплуатации удовлетворяет комплект БИС серии К588 и четырехразрядные однокристальные микро-»! серии 1620. ' ■ ■ .,
Одиим из самостоятельных модулей БСАУ является модуль системы оптимального управления рабочим процессом (СОУ РП), предназначенный для обеспечения автоматического поиска максимума тяговой мощности бульдозера и поддержания режимов работы в зоне этого максимума независимо от условий эксплуатации;
Модуль диагностики информации состоит из блока диагностики, контролирующего функционирование аппаратуры и информационной системы.
Информационная система позволяет выводить на монитор аначения действительной скорости, коэффициента буксования и пройденного пути.
Предложены конкретные типы датчиков СОУ РП и информационной системы, указаны основные технические требования к ним. В частности, датчик действительной скорости СОУ РП должен быть реализован на радиолокационном принципе.
* ОбосноЁаны конструктивные решения пультов управления и аппа-* ратуры формирования команд. Рукоятки управления механизмами бульдозера и его рабочим оборудованием кинематически связаны с соответствующими датчиками положения (бесконтактными индукционными фазовращателями типа БМФ-114, вращающимися трансформаторами ВТ-40, потенциометрами типа СП 4-8).
Выполнен сравнительный анализ и обоснован выбор типа исполнительных механизмов радиоуправляемого бульдозера. В частности, показано, что применяемые на бульдозере Т-130 с ЭГДАУ злектрогидрав-лические исполнительные,механизмы (ЭТИМ) имеют преимущество перед электроприводом по массогабаритным характеристикам при выходной модности более 1 кВт. При меньшей выходной мощности предпочтительно применение электропривода.
Так, если принять, что усилие на. рукоятке управления составляет до 5' кГ, длин'а.рукоятки 0,3 м, угол поворота 45°, то-при времени перемещения рукоятки (от упора до упора) до 0,5 с, необходи-
мая мошдость составит:.
N = М* » 5-9.81-0.3---—- * 23.1 Вт .
Очевидно, что применение ЭГЙМ в этом случае нецелесообразнс Предпочтительнее явятся электромеханические исполнительные уа ройства на основе электродвигателя типа ЭДМ-12, имеющего при наг ряжении питания 27 В и вращающем моменте 0,147 Н-м полезную мехг ническую мощность 90 Вт.
На основе сравнительного анализа с техническими параметра, систем-аналогов выполнена оценка надежности и быстродействия,БСА1 Показано, что наработка на отказ ядра БСАУ - бортовой -микро-К составит не менее 5000 часов.
Однако, с учетом потенциальных отказов силовой (исполнитель ной) части БСАУ, как показали испытания Т-130 с ЗГДАУ, требуемы показатели БСАУ в целом являются труднодостижимыми. Необходимо ре гервирование, и в первую очередь сильноточных каналов вывода ин формации (выход микро-ЭВМ - силовой ключ - линия связи - исполни тэльное устройство).
Оценка производительности БСАУ выполнена по аналогии с выпол няемыми операциями бульдозером 1-130 с ЗГДАУ и -Бременем их выпол некия.
/ Расчет, приведенный в.работе, показал, что на выполнение оп тимального количества рабочих операций БСАУ затратит около 3 мс, , максимально допустимое время выполнения программы ориентировочна принимается равным минимально возможному времени реакции квзлифи дарованного оператора, т.е. 50.. .100 мс.
Таким образом, ожидается примерно 30-кратный запас бортово! микро-ЭВМ по производительности. Следовательно, имеется возможность по расширению выполняемых системой функций без увеличена числа процессоров в БСАУ. -
Четвертая _гдава посвящена теоретическому анализу систем азто-матизировашюго управления и разработке алгоритма оптимального управления рабочим процессом бульдозера.
В результате изучения и анализа име:«зщкхся информационных у
гатентных материалов и выявленных тенденций развития систем автоматизированного управления предложена их классификация по целям управления и алгоритмам функционирования: системы стабилизации, системы программного управления, системы оптимального управления.
В обзоре указанных систем управления анализируются работы /ченых: В.Д.Конокыхина, В.К.Цветкова, В.Д.Шумакова, В.Н.Тарасова, (СибАДИ) Ю.В.Гинзбурга, В.М.Курченкова, В.А.Коровина (ЧФ НАТИ), Лмельченко В.Ф. (СибАДИ), Ульянова:Н.А., Авдеева Ь.В. (ВИСИ) и
Наиболее распространенными являются, системы стабилизации, обеспечивающие повышение устойчивости рабочего процесса и безопасность проведения работ на основе реализации простейших законов управления. К этим системам относится разработанная ВНИИСДМ система "Автоплан-I" и последующие ее усовершенствования.
Существенным недостатком систем типа "Автоплан" является возможность значительного снижения рабочей скорости или полной остановки бульдозера аа счет повышенного буксования движителей.
Системы автоматизированного управления навесным оборудованием в режиме копания и транспортирования грунта базируются на выборе одного из режимных параметров бульдозера (тягового усилия, действительной скорости й т.д.) в качестве информационного и последующей стабилизации этого параметра путем изменения подоления рабочего органа по высоте.
Для бульдозерного агрегата с гусеничным движителем информационные параметры по представительности располагаются в следующей последовательности: тяговое усилие, действительная скорость, коэффициент буксования, угловая скорость вращения коленвала двигателя.
. Как правило, система автоматизированного управления должна стабилизировать тяговое усилие агрегата. Приведены таловые структурные схемы указанных систем.
Системы программного управления задают и реализуют вполне определенный, не зависящий от внешних условий эксплуатации, закон изменения какого-либо режимного параметра агрегата. Чаще всего задается закон изменения тягового усилия, иди глубины копания в виде функций времени.
Программное управление бульдозерным агрегатом в практических конструкциях не реализовано и целесообразность этой реализации сомнительна, так как задание фиксированных законов изменения глубины копания или тягового усилия не .может обеспечить рациональную
аагрувку бульдозера во всей диапазоне условий его эксплуатации.
Поэтому общая тенденция совершенствования систем стабили защ заключается в увеличении числа контролируемых параметров и введе нии дополнительных коррекций заданных уровней стабилизируемых яг раметров: В конечном счете это приводит к уменьшению различий мел ду системами стабилизации и системами оптимального управления. Пс оптимальным управлением в данной случае подразумевается целенал равленный поиск и реализация наилучших в определенном смысле, нал ример, в смысле производительности, режимов работы бульдозера изменяющихся условиях эксплуатации. Приводятся технические реиени систем оптимального управления рабочим процессом, (СОУРП) разрабо тайных в СибАДИ, Минском НПО "Дормаш", ВИСИ, фирме "Катерпиллар (США) и др.
Показано, что наиболее предпочтительна для реализации систем оптимального управления,, разработанная в ЧФ НАГИ. В данной систем вычислительное устройство, на основании текущих значений коэффици ента буксования 5 и тягового усилия Рт, определяет максимально возможное по сцеплению усилие машины Рт шах, используя заранее из вестные функциональные зависимости между этими параметрами. - Это подход, как наиболее перспективный, использован при разработке алгоритма системы оптимального управления рабочим процессом бульдозера, реализованный в макетном образце совместно с ЧФ НАГИ.
На рис.7 представлена блок-схема алгоритма." На ней показан; последовательность действий микро-ЭВМ в зависимости от выбранной режима работы (ручной режим, планирование, копание грунта) и положения рукоятки управления основным гидрораспределителем рабочей оборудования.
Перед началом работы программы производится установка начальных значений флагов: "
х - "Auto" - работа в автоматическом режиме (копание или планирование); .
е — рабогга в режима .копания; i) - работа в ручном режиме;
т - режим работы, соответствующий максимуму тяговой мощности. В процессе работы СОУ РП сравнивает текущее значение тяговогс усилия Р0 с оптимальным и включает:
при Р0 < (0,94. 0,96) Р0ПТ -опускание отвала; при Р0 > (1,04. 1,06) Ропх - подъем отвала;
при (1,04. 1,06) Ропт>Ро>(0.94. 0,96) Р0пт - плавающее положение отвала. -
Аппаратура осуществляет вычисление текущего значения тягового усилия бульдозера по формуле:
Ро- 0,042292 Г12Ка - 0,7008 -«1,0032 Р22К1Э +
+ 36,435 --- 1,47-Ю5 , Н ,
' где Г1,- частота выходного сигнала датчика скорости вращения вала двигателя, Гц;
частота выходного сигнала датчика скорости вращения конической шестерии главной передачи, Гц; '
К1 - постоянный коэффициент, зависящий от номера включенной передачи На » 1; 0,56338; 0,35804 соответственно для первой, второй и третьей передач.
Расчет теоретической скорости Чг и коэффициента буксования движителя б осуществляется по формулам:
где 2Вк - радиус ведущего колеса, м;
Г-гр - частота вращения вала турбины, Гц; 1 - передаточное число механической части трансмиссии; - действительная скорость. Текущее значение действительной скорости У0 бульдозера должно определяться посредством радиолокационного бесконтактного датчика.
Уо - Уе(1+0,0018 1о)(1+0,019ар) + К2 — и/с ,
где Уд - выходной сигнал датчика действительной скорости,
t0 - температура окружающей среды, °С; ар - угол поворота отвала бульдозера относительно ходовой части, град.; ' ■■. * . L - расстояние до грунтовой поверхности, м; Кг- пост, коэффициент (определ. по результатам испытаний) .
• После вычисления текущих • значений тягового усилия и коэффициента • буксования система определяет максимально возможное по сцеплению тяговое усилие бульдозера I
Обеспечивается погрешность вычислений не более 1%.
Тяговое усилие бульдозера на первой передаче, соответствующее максимуму производительности в данных грунтовых условиях, определяется по формуле
Ропт = 5,283-Ю4 + 0,321-Ртах » Н .
На второй передаче принимается Р0пт = 6,3. ..Q,4-105, Н.
Принимается, что бульдозер работает в зоне максимума тяговой -мощности, если (0.89. 0;91)РОпт < Ро < (1,09. 1,11)Р0пт .
При выполнении этого условия электрогидропривод остается й нейтральном положении. В противном случае вычисляется рассогласование по тяговому усилию
и включается подъем или опускание отвала с максимальной скоростью.
Кроме того, аппаратура БСАУ (АФК) формирует сигнал световой индикации, информирующий оператора о номере передачи, соответствующей максимуму производительности в дачных грунтовых условиях:
• при Ртах > (1,3. 1,4)-Ю5 Н - на плотных грунтах целесообразна работа на первой передаче;
при Ртах <(1,3. 1,4)-105 Н - на слабых грунтах максимум производительности достигается на второй передаче.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследо-
Аппаратура телеуправления АТУПТ-1 подвергалась испытаниям на радиационную стойкость с целью определения ее работоспособности в условиях непрерывного облучения в течение 200„часов при мощности дозы г-излучения 500 р/ч. Приведены схема и условия испытаний.
В ходе проведения облучения проводилась проверка .функционирования аппаратуры без снятия дозовой нагрузки по мере набора дозы - череа каждый час до 1000 р, через 2 часа до 10000 р, и далее через »' ^ часа до достижения значения, ваданного в 13 (10® р).'
Анализ результатов показал, что основными причинами отказов и сбоев, аппаратуры является изменение параметров микросхем под воздействием облучения. Наименее стойкими микросхемами являются 5в4ИД1, 5В4ИЕ15, 5в4ИЕ11. ц
Доза, полученная аппаратурой, составила 1,3-Ю5 р, что соответствует техническому заданию. .
Радиоприемное устройство выдержало суммарную дозу 1,3-105 р.
Испытания показали, что для обеспечения работоспособности аппаратуры при уровнях, заданных в ТЗ (105 р), требуется установка защитных экранов с кратностью ослабления дозы т-излучения 2___3.'
Приводятся методика и результаты полигонных, испытаний бульдозера Т-10.32-8, оборудованного системой, оптимального управления рабочим процессом, входящей в БСАУ. Испытания проводились в режиме экипажного управления из кабины методом траншейной разработки минерального грунта (1-2 категории) с последующей укладкой его в кавальер.
Испытания показали, что средняя скорость рабочего'хода бульдозера с С0У РП выше на 10% , чем у бульдозера без данной системы.
Техническая производительность бульдозера с С0У РП больше на 5,8£, чем у бульдозера с серийной системой управления, но при этом следует заметить, что при вероятности события Р » 0,95 прирост технической производительности бульдозера р С0У РП находится в области среднеквадратичной систематической погрешности.
Наиболее вероятной причиной шлого прироста производительности является проведение полигонных испытаний по сокращенной программе без тщательной отработки алгоритмов и программ управления рабочим процессом.
Эксплуатационные испытания радиоуправляемого бульдозера
Т-10.32-8. проводились при выполнении инженерных работ в режиме дистанционного управления, связанных, в основном, с разработкой и перемещением грунта, а также расчисткой местности.
Средняя эксплуатационная производительность при выполнении земляных работ в режиме дистанционного управления составила 80. 100 мэ/ч.
Наибольшая производительность и технологичность в режиме дистанционного управления имеет место на дальности до 50 метров.
В шестой главе приводится методика оценки эффективности функционирования безэкипажных землеройно-транспортных машин в условиях радиационного облучения и рекомендации по применению радиоуправляемого бульдозера Т-10.32-8.
Эффективность функционирования в условиях г-облучения рассматривается с учетом обобщенной вероятности воздействия других поражающих факторов и эксплуатационной надежности узлов и систем машины.
Алгоритм расчета вероятности сохранения работоспособности учитывает .состав и состояние объектов, степень защиты отдельных групп элементов, совместную работу дистанционно управляемого объекта и командного пункта, наличие экипажа на нем.
Вероятность выхода из строя объекта в з-ситуации обозначена через Р,.
Вероятность успешного" преодоления всех 'т сйтуацйй' 'равна
и * * Р1. М - п С1-Р1) .
Схема работы беззюгаахного объекта: прибытие в район сбора для получения задачи, следование в район выполнения задачи (работы), выполнение работы и возвращение в район сбора.
Вероятности выхода объекта из строя в указанных районах обозначены: Р* - в районе сбора, Ра - при движении к месту работы; Рр - в районе выполнения работы. •>
Вероятность сохранения работоспособности к моменту возвращения в район сбора после выполнения работы:
Риаоо - (1-Р») (1-Р<з) (1-Рр) (1-Ро)
где Р0 - условная вероятность выхода объекта из строя при возвращении в район сбора.
Вероятность выхода из строя в каждой j-той ситуации по эксплуатационной надежности - Pin, повреждениям - Р^ь, радиационному поражению - Pjr.
Тогда вероятность выхода из строя калщого объекта в ситуации 3 определится выражением
Вероятность безотказной работы i-той составной части объекта в течение времени X будет
Pi (Г) = exp t- $ >i(t)dt3 = e о
Допускается, что интенсивность отказов X¡(t) для всех составных частей объекта не зависит от времени, т.е. X¡(t) = x¡ = const.
С учетом известного математического ожидания времени сохранения работоспособности объекта T¿ формула для определения вероятности поражения примет вид: . ,, • .
На основе теории систем ыестность-маиина аналогичным образом приведены зависимости, определяющие вероятность сохранения работоспособности объекта при радиационном воздействии (как одиночного объекта, так и в сочетании с подвижным защищенным пунктом управления).
Определяется время пребывания беззкипажных и экипажных объектов в типовых условиях функционирования с учетом объемов выполняемых работ и производительности. Предложены математические зависимости для учета накопления ущерба при радиационном воздействии:
Егц • ti ET21 • tz Etji - ti flrji » —- + - + ••• +-:- ,
Ktli , KT2J KTJi
где Erj -мощности доз облучения в j-й ситуации;
Кгj i - кратность ослабления дозы т-облучения i-ой части
объекта в ситуации j. 1
В соответствии с излаженной методикой разработаны алгоритм и программ для IBM ориентированных персональных компьютеров. Пакет программ обеспечивает выдачу, информации о вероятности выхода из строя объекта в зависимости от объема работ, рабочей производительности и мощности гамма-излучения в районе выполнения работ, а такие всех остальных показателей, учитываемых в методике.
Вариант такого представления результатов расчета показан на рис. 8. Кривые 2. 5 соответствуют определенным значениям мощности дозы излучения на местности. На рис. 9 показан пример представления результатов расчета с помощью кривых равных вероятностей выхода из строя. Здесь по оси ординат откладывается величина'мощности довы излучения на местности Е, а но оси абсцисс - объем выполняемых работ Wp. Вероятность выхода из строя, которым соответствуют кривые 1. 5, задаются оператором при решении конкретного варианта задачи. * ,
Приведены ссылки на ряд руководящих документов, которыми регламентируется создание специальных подразделений и оснащение их дистанционно управляемой техникой для ЛПЧС.
Показано, что радиоуправляемый бульдозер Т-10.32-8 является одним из основных средств, рекомендованных для аварийно-восстановительных отрядов Министерства по чрезвычайным ситуациям и принятых на снабжение для специальных инженерных бригад МО РФ. Приведены типовые ситуации по подготовке и содержанию путей движения, и эвакуации населения при ЛПЧС.
Рис. 8, вероятность выхода из строя БЭЗТМ в зависимости от, Объема выполняемых работ и мощности дозы овлучения.
Рис.9.. Представление результатов расчета с помощью кривых равных вероятностей выхода из строя.
Общие выводы. Направления дальнейших исследований. .
1. В результате исследований выполнен подробный анализ экстремальных условий выполнения работ при ЛПЧС. Показано, что характер ЧС определяется совокупностью дестабилизирующих факторов, каждый из которых играет .свою определенную роль в "сценарии" ЧС. Для возникновения ЧС необходимым условием является наличие инициирующего дестабилизирующего фактора, поэтому в качестве классификационного принципа для систематизации ЧС предложен принцип, основанный на инициирующем дестабилизирующем факторе (природные, антропогенные, биологические, социальные).
2. В результате выполненных исследований впервые показано, что наибольшую опасность для персонала, участвующего з ЛПЧС, представляют такие экстремальные условия, как радиация, химическое и бактериологическое заражение местности, интоксикация. На основе имеющихся данных по опыту ликвидации•последствий ряда аварии и катастроф последних лег (землетрясение в Армении, Чернобыльская авария) исследованы характер и объемы работ, решаемых в экстремальных условиях. Показано, что наиболее сложными и трудоемкими являются -рабстУ, выполняемые землеройно-транспортными машинами. Условия выполнения работ в ряде ситуаций предопределяет применение безэкипажной (дистанционно управляемой) техники,
3. Выявлено, что существующие и разрабатываемые дистанционно управляемые и автоматизированные ТЗМ не в полной мере отвечают предъявляемым требованиям по условиям безопасности для лизни экипажа (расчета). - На основе анализа работ по созданию . беээкилажной техники показано, что наиболее подготовленным средством 'для работы в условиях ЧС является бульдозер на базе трактора Т-130 с системой злектрогидравлического и дистанционного управления. Показано, что его технические характеристики не соответствуют осноснш техническим требованиям к машине для ликвидации последствий ЧС. Основное несоответствие заключается:
несовершенство системы радиоуправления;
отсутствие системы телевизионного наблюдения;
отсутствие системы автоматизированного управления рабочим процессом, 'малая радиационная, стойкость аппаратуры.
Ряд недостатков бульдозера на базе трактора Т-130 с ЗГДАУ был устранен при созданин в ходе ОКР "Ламятка-2" радиоуправляемого
бульдоэера для иузкенерных войск МО РФ, получившего обозначение Т-10.32-8(9).
4. На основе анализа специфических условий функционирования радиоуправляемого бульдозера при ликвидации последствий ЧС, а так же опыта применения существующих средств при ликвидации последствий аварий на Чернобыльской АЗС выполнено обоснование принципов построения радиоэлектронных систем дистанционного управления и телевизионного наблюдения. Основу системы дистанционного управления бульдозера составляет импульсно-кодовая командна)! радиолиния, основанная на цифровой обработке команд. . Получена оценка оптимального частотного диапазона радиоволн, обеспечивающего устойчивую радиосвязь с подвижным объектом в условиях г-облучения. Испытания подтвердили возможность использования диапазона частот выше 30 МГц, в котором влияние радиационного фона не проявляется. В принятом на снабжение бульдозере Т-10.32-8 рабочая частота радиоканала - 173 МГц.
5. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили, что телевизионное оборудование бульдозера должно йметь, как минимум, 2 независимые телевизионные системы: курсовую телевизионную систему и телевизионную систему рабочего оборудования. Курсовая телевизионная система должна состоять из 2-х'курсовых камер (переднего й заднего обзора) и может .быть - реализована на видиконе ЛИ-500 разработки НИИ "Электрон" (г. Санкт-Петербург). Рекомендуемая телекамера черно-белого изображения имеет следующие технические характеристики:
время непрерывной работы не менее 48 час.; температура окружающей Среды от 50°С до минус 40°С; относительная влажность 981 при 25°С; рабочая освещенность мишени видикона от,2 до 1000 лк; разрешзощая способность при Е=5 лк 550/500 линий по вертикальному клину.таблицы.
6. В результате проведенные исследований показано, что, при создании бортовой системы автоматизированного управления рабочим оборудованием наиболее целесообразно использовать магистралью- модуль ный принцип ее построения. Принципиально необходимыми информационными сигналами системы оптимального управления рабочим процессом является действительная скорость и тяговое усилие бульдозера. Датчик действительной скорости-должен быть,бесконтактным; -в част-
ности,. реализованным на основе эффекта Допплера. Исполнительная часть БСАУ должна быть' выполнена на однокаскадных гидравлических усилителях с непосредственным приводом золотников от электромеханических преобразователей.
7. Алгоритм системы оптимального управления рабочим процессом должен базироваться на.оценке положения, максимума .производитель-, ности (тяговой мощности) в координатах режимных параметров бульдо-
.зера в изменяющихся грунтовых условиях путем обработки результатов измерения информационных параметров бёз выполнения операций дифференцирования. Формирование сигналов управления должно осуществляться с учетом не только знака, но и величины отклонения текущего режима работы агрегата от оптимального. Кроме того, целесообразно формировать сигналы индикации, информирующие оператора (механика) об уровне загрузки бульдозера и о номере рабочей передачи, соответствующей максимуму производительности в данных грунтовых условиях.
8. На основании выполненных исследований показано, что нижний предел радиационной стойкости к интегральной дозе облучения приемного устройства аппаратуры АТУБТ-1 составляет 5,5-104р .и ограничен пределом радиационной стойкости электронных плат. С учетом возможности резервирования или установки специальной радиационной защиты на бульдозере аппаратура АТУПТ-1 соответствует требованиям к спецвоздействию, оговоренном в ТЗ заказчика.
9. Полигонные испытания разработанного по заказу МО РФ радиоуправляемого бульдозера Т-10.32-8, оснащенного бортовой системой автоматизированного управления рабочим оборудованием, показали повышение его технической производительности на 3,6- 5,8%. При дальнейшем совершенствовании алгоритмов и программ оптимального управления' рабочим процессом возможно более существенное повышение производительности бульдозера. -
10. Разработана методика и алгоритм решения задачи по сравнительной оценке эффективности функционирования дистанционного управления машин (бульдозера Т-10.32-8) в условиях радиационного облучения с учетом обобщенной вероятности воздействия других псргжа-ющих факторов и эксплуатационной надежности элементов конструкции. Алгоритм расчета вероятности сохранения работоспособности учитывает состав и состояние объектов, степень защиты отдельных групп элементов, совместную работу дистанционно управляемого объекта и
пункта управления, наличие экипажа на нем.
г Разработанная программа позволяет представлять результаты расчетов в 'зависимости от объема выполняемой машиной работы и среднего уровня радиации. . > '
' 11. Наиболее целесообразным является применение радиоуправля- ' емого бульдозера Т-10.32-8 в составе специальных инженерных бригад " МО РФ,' предназначенных для выполнения работ при 'ЛПЧС. Принятый на снабжение приказом Главкома Сухопутных войск N 16S от 29.12.90 г. радиоуправляемый" бульдозер Т-10.32-8 и его модификация Т-10.32-9 имеют следующие основные технические характеристики: " база-трактор 7-ЮГ;
техническая производительность при выполнении земляных работ: в режиме дистанционного управления . 130. 140 м3/ч , в режиме ручного управления 250. 280 м3/ч;
эффективная дальность управления но радио до 150 м. Организационные м технические сложности не позволили реализовать в принятом на снабжении образце систему телевизионного наблдо-- дения и оптимального управления рабочим процессом.
Проведенные исследования и анализ полученных результатов позволяют выявить следующие направления дальнейших исследований по совершенствованию конструкции радиоуправляемого бульдозера Т-10.32-8: "
разработка и-- исследование периферийных- модулей-контроллеров-на более современной элементной базе. Существенно более высокие . технические показатели этих модулей могут быть получены при реализации их на, базе матричных ВИС 1806 БИ1 или 1806 ХМ1 и однокристальных микро-ЭВМ серий 1820, 1830, 1816;
разработка и исследование комплексного модуля системы автома-. тического контроля и диагностики, включаощего, например, контроллер цветового; графического дисплея;
разработка и исследование модулей системы оптимального управления рабочим процессом и телевизионного монитора с более совершенной мультиплексной (волоконно-оптической)"линией связи;
разработка типоразмерного ряда БСАУ, ориентированных на широкий спектр специальных дорожно-землеройных маши (путепрокладчики, траншейные и котлованные машины и др.).
Публикации по материалам диссертации
1. Кононыхин Б.Д., Примак Л.В., Кулешов В.И. Средства и системы управления бесковвового траншейного экскаватора (Энергетика и электрификация. 19У1. Вып. 4, серия "Строительная индустрия в
2. Кононыхин Б. Д., Кулегаов В.И., Примак JI.В. Автоматизированный радиоуправляемый бульдозерный агрегат на базе трактора-Т-10.32-8/.Там же, с. 10-15
3.-Кононыхин Б. Д., Кулешов В.И., Примак-Л.В. Итоги "Стройтехни-ка-91": средства и систеш управления/ Механизация строительства. J992. N 3, с. £7-29
4. Кулешов В.И., Кононыхин Б.Д. Современные промышленные системы и направления автоматизации инженерной техники/ Информационно-технический бюллетень инженерных войск, М. Воениздат, 1992. N 20.С. 44-60 " -
5. Кулешов В.И., Кононыхин Б.Д., Примак Л.В. Бульдозер Т-10.32-8 с системой автоматизированного дистанционного управления/ Там же. с. 50-53
6. Парой A.A., Кулешов В.И. Состояние и перспективы развития гид-ро-пневмоприводов исполнительных устройств роботов/ Автоматиза-'ция и современные тёхнрлогйи. 1992.' N 12."с. 6-8
7. Еремин В.II., Кулешов В.Я., Кононыхин Б.Д, Шамордин В.В. Микропроцессорная система автоматизированного и дистанционного управ- ' ления бульдозера Т-10.32-8/ Механизация строительства. 1993. N 2 с.3-8
8. Аверченко A.M., Кулешов В.И., Кононыхин Б.Д. Роботизация средств вооружения/ Техника и вооружение. 1993. N 3. с. 34-37
9. Кононыхин Б.Д., Ипатсв О.С., Кулешов В.И., Примак Л.В. Инвариантное управление строительными и дорожными машинами/ Строительные И дорожные машины. 1983. N 4. с. 21-24
10.Парой A.A., Кулешов В.И., Сенсорное захватное устройство промышленного робота/ Автоматизация и ■ промышленные технологии. 1993. N 7. С.13-15
И. A.C. N 1798186 (СССР) Очувствленный схват робота /15 ЦНИИИ; А.А.Парой, А.И.Борисов, В.И.Кулешов - Заявл. 19.04.90 г., N 4857669/08. - Опубл. Б.Я. 1993, N 8
12. A.C.. N 1578272.(СССР) Бульдозер с автоматическим управлением ■ отвалом/ 15 ДНЖИ; Кононыхин Б.Д., Еремин В.П., Кулешов В.И. и
др. - Заявл. 07.06.91г., N 4944061/03 - Опубл. Б.И. 19S4, N 11
13. A.C. N 1578279 (СССР) Система автоматического управления рабо-. чйм органом бульдозера/ 15 ЦНИШ; Коионыхин Б.Д., Еремин В.П.,
Кулешов В.И. к др. - Заявл.. 07.06,91 ..гг, N 4944050/03. - Опубл. Б.И. 1994, N 13 ,
14. Основные научно-технические положения диссертации в период с 1991-1995 гг. были также изложены в 17 отчетах о НИР по тематике 15 ЦНШШ WO РФ ("Аргументация", "Логика-МО-Iм и др.).