SIMULATION OF AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS OF TILLAGE UNITS

Full Text

Введение Известно, что простая механизация обработки почвы при непосредственном ручном управлении рабочими органами или с использованием сервопривода не дает экономического эффекта, поскольку при этом невозможно обеспечить высокую производительность агрегата из-за естественного физического предела операторов. При этом управление связано с работой человека, находящегося, как правило, непосредственно на агрегате в условиях запыленности, повышенной вибрации и высокой вероятности несчастного случая. В связи с этим управление целесообразно осуществлять автоматически. Все автоматические устройства можно разделить на две группы: прямого и непрямого (косвенного) действия. В устройствах прямого действия управление осуществляется непосредственно за счет реакции объекта на обрабатываемую среду [1, 2]. В устройствах непрямого (косвенного) действия перемещение объекта управления осуществляется за счет энергии, подводимой извне, источником которой в общем случае является двигатель трактора. Подобное управление осуществляется чувствительным элементом, взаимодействующим непосредственно с обрабатываемой средой. В устройствах непрямого действия чувствительный элемент оказывает определенное силовое воздействие на обрабатываемую среду, исключающее повреждение или нарушение ее свойств. Автоматические устройства непрямого действия по виду алгоритма функционирования могут быть программными, астатическими и следящими. Механические устройства по виду алгоритма функционирования являются программными. При получении сигнала от обрабатываемой среды срабатывает пусковое (или спусковое) устройство, затем исполнительный механизм с объектом управления совершает заранее предопределенное движение с постоянными параметрами, далее возвращается в исходное положение и находится в нем до получения следующего сигнала [1, 2]. Основным недостатком программных устройств является отсутствие в них позиционного соответствия между положениями объекта управления и чувствительного элемента: если по какой-либо причине началось движение, то оно должно полностью завершиться. Механический привод не пригоден, поскольку: • требуются большие усилия на его включение, что вызывает недопустимо сильное воздействие на обрабатываемую среду; • значительная инерционность привода заставляет снижать рабочие скорости; • конструкция устройства содержит значительное количество звеньев и поэтому очень сложна. Гидравлические устройства не имеют данных недостатков. Их основными достоинствами являются следующие: • малые усилия при включении исполнительных механизмов; • возможность получения больших исполнительных усилий; • простота устройства, малый вес на единицу мощности; • малые перемещения щупа; • малая инерционность привода позволяет применять достаточно высокие скорости движения агрегата. Наряду с достоинствами, у гидравлических устройств отмечен ряд недостатков [2]. К ним относятся: возможность утечки жидкости, изменение характеристик привода из-за изменения вязкости жидкости от температуры, чувствительность к загрязнениям рабочей среды и т.д. Однако эти недостатки не снижают функциональных преимуществ гидравлических устройств. У астатических устройств, как и у программных, не существует однозначного статического соответствия между положениями чувствительного элемента и объекта управления. Характер и параметры движения объекта управления не могут быть заданы заранее, они непрерывно изменяются при движении в существенных пределах. Таким образом, технологический процесс нецелесообразно осуществлять по заранее установленному жесткому закону его перемещений, когда управляемая величина независимо от режима работы объекта сохраняет постоянное значение, т.е. в астатическом режиме. Поэтому необходимо устройство, осуществляющее слежение, т.е. управление объектом производится в соответствии с задающим воздействием, содержащим текущую информацию о взаимодействии с обрабатываемой средой. Следящие устройства характеризуются наличием обратной связи. Наличие отрицательной обратной связи по регулируемым параметрам, к которым относят положение объекта управления или его производные (скорость, ускорение), является характерным признаком следящего устройства. Отрицательная обратная связь уменьшает суммарное воздействие звеньев автоматического устройства, связанных обратной связью. Следящие системы используют датчики силы тяги, положения навески трактора, глубины обработки, скорости, ускорения и др. Следящие устройства по типу исполнительного механизма могут быть гидравлическими, электрогидравлическими и пневматическими. Гидравлические устройства обладают преимуществами по сравнению с электрическими и пневматическими. Гидравлические устройства имеют более высокую удельную энергонасыщенность. Вес гидравлических элементов благодаря высокой энергонасыщенности в 7-10 раз меньше веса электрических элементов той же мощности. Гидравлические устройства также обеспечивают большую жесткость передачи движения, что весьма важно для улучшения динамики системы в целом. Запаздывание движения исполнительного механизма может возникнуть лишь вследствие сжимаемости жидкости, не превышающей 0,6 %, а также из-за ее утечек и податливости трубопроводов. В то же время связь поршня с газом в пневматических устройствах и якоря с магнитными полями в электрических весьма упругая и податливая [2]. Малая инерционность подвижных звеньев гидравлических следящих устройств обусловливает их высокое быстродействие. Скорость распространения гидравлического импульса велика, поэтому при расчетах точности и чувствительности устройства можно пренебречь погрешностью, связанной с запаздыванием передачи импульса давления. К достоинствам гидравлических устройств следует отнести также возможность их использования в любую погоду, поэтому они нашли широкое распространение в автоматических устройствах мобильных сельскохозяйственных агрегатов, часто работающих при неблагоприятных погодных условиях. Немаловажным фактором, способствующим этому, является также наличие на тракторе источника гидравлической энергии, который позволяет использовать до 30 % всей мощности двигателя. Поэтому гидравлические автоматические устройства значительно дешевле электрических и пневматических, для работы которых необходима установка соответствующих источников. В конструкциях современных мобильных сельскохозяйственных агрегатов предусмотрены различные способы регулирования качественных и энергетических показателей технологических процессов: силовой, позици-онно-силовой и следяще-силовой. Цель системы силового регулирования -стабилизация тягового сопротивления агре-гатируемых с трактором навесных почвообрабатывающих машин. Это достигается за счет изменения глубины хода их рабочих органов. Однако улучшение технико-эксплуатационных показателей машинно-тракторного агрегата (стабилизация загрузки и повышение топливной экономичности двигателя, снижение буксования и повышение рабочей скорости трактора, т.е. повышение производительности агрегата) зачастую происходит с нарушением агротехнических требований на допускаемые отклонения действительной глубины обработки почвы от заданной. Требования стабилизации тягового сопротивления почвообрабатывающей машины и обеспечения постоянства глубины обработки почвы по своей сути противоречивы, поэтому в реальных условиях эксплуатации, особенно на полях с переменным удельным сопротивлением почвы, необходимо компромиссное решение: применение силового регулирования ограниченной эффективности, чтобы отклонения глубины обработки не превышали заданных допусков. При позиционно-силовом способе уменьшается диапазон перемещения машины относительно трактора, а при следяще-силовом используется дополнительное автоматическое следящее управление качественными и энергетическими показателями технологических процессов. Применение позиционно-силового регулирования в некоторых случаях приводит к некоторому улучшению качества технологического процесса, но при этом ухудшаются энергетические показатели. Принципиальные недостатки позиционно-силового способа регулирования существенно ограничивают случаи его эффективного применения. Следяще-силовое регулирование позволит устранить эти недостатки, но только на основе оптимизации параметров. Цель исследований Исследования выполнены с целью совершенствования рабочего процесса гидравлических следящих систем машинно-тракторных агрегатов для обработки почвы. Материалы и методы Параметрическая оптимизация системы автоматического регулирования (САР) выполнена в программном комплексе «МВТУ», разработанном в МГТУ им. Н.Э. Баумана [3, 4]. Рассмотрим компьютерное моделирование следяще-силовой САР на примере пахотного агрегата МТЗ-80 и ПН-3-35 [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Комбинированная следяще-силовая САР включает контур силового регулирования и контур следящего регулирования глубины обработки (рис. 1). Звенья САР на структурной схеме объединены в макроблоки: «Усилительный орган», «Исполнительный орган», «Возмущающее воздействие», «Объект регулирования», «Блок оценки значений глубины вспашки и тягового сопротивления» [8, 9, 10, 11]. В качестве чувствительного элемента силовой САР («Воспринимающий орган» в Главной Обратной Связи (ГОС)) использован пружинный силовой датчик тягового сопротивления навесной машины, который имеет статическую нелинейность типа «Зазор». Сигнал от датчика поступает на «Сумматор № 1» через усилительное безынерционное звено с коэффициентом усиления Ксил [8, 9, 10, 11]. за- Чувствительным элементом следящей САР является усилительное безынерционное звено с коэффициентом усиления Кслед в ГОС следящей САР, сигнал с которого также поступает на «Сумматор № 1» [8, 9, 10, 11]. Величиной коэффициентов K и K след с дается интенсивность каждого контура регулирования в следяще-силовой САР. Результирующий сигнал ХГОС с «Сумматора № 1» поступает (рис. 1) по Главной Обратной Связи следяще-силовой САР (ГОС САР) на «Сравнивающий орган»: Хг~~ - К • а + К • X v - (1) 1ОС след сил R ■-(Кач )■ а + (кнач +Ьк)■ XR где Кслед - коэффициент усиления ГОС следящей САР; Ксил - коэффициент усиления ГОС силовой САР; кнач - начальное значение ко- эффициентов усиления; 5к - коэффициент, определяющий долю следящего и силового сигналов в ГОС следяще-силовой САР; а -глубина вспашки (выход «Сумматора № 2»); X R - сигнал от датчика тягового сопротивления (выход звена «Воспринимающий орган»). Имеющееся в системе рассогласование (выход звена «Сравнивающий орган») между сигналами от «Задающего органа» и ГОС САР (формула (1)) передается на «Усилительный орган». На объект регулирования (трактор с навешенной машиной) поступают регулирующие воздействия САР: подъем или опускание навесной системы трактора. При изменении угловой скорости относительного вращательного движения навесной системы с машиной возникают динамические воздействия на трактор, от которых происходят продольно-угловые колебания трактора на пневматических колесах, что приводит к неравномерности глубины хода и нестабильности тягового сопротивления рабочих органов машины [5, 10, 11]. Суммарные изменения глубины хода рабочих органов навешенного на трактор плуга (выход «Сумматора № 2», рис. 1) происходят при подъеме или опускании плуга относительно трактора (выход макроблока «Исполнительный орган») и из-за продольно-угловых колебаний трактора вместе с плугом (выход макроблока «Объект регулирования»). Изменение тягового сопротивления плуга вызывает изменение скорости движения трактора МТЗ-80. Ас 100 (2) + m • Тяговое сопротивление навесного плуга на горизонтальном участке поля определяется по формуле [5, 10, 11]: R - Kп • B • а • dt где K0 - удельное сопротивление почвы, кПа, при начальной скорости движения V0, равной 5 км/ч; B - ширина захвата плуга, м; а - глубина обработки почвы, м; V - рабочая скорость движения агрегата, км/ч; Ас - изменение удельного сопротивления в % при изменении скорости движения на 1 км/ч от начальной V0; m - масса плуга с почвой, находящейся на рабочих органах, т; t - текущее время, с. В программном комплексе «МВТУ» предусмотрен режим параметрической оптимизации САР по характеристикам переходных процессов при ступенчатых входных воздействиях. Это позволяет обосновать в отдельности для каждого контура САР требуемые показатели регулирования, в частности определить значения критических коэффициентов усиления следящего Кслед и силового Ксил контуров, что необходимо для последующей параметрической оптимизации следяще-силовой САР. Значительно информативнее оптимизация САР по критерию допускаемой неравномерности глубины вспашки при достаточной эффективности силового регулирования. Для этого предлагается проводить оптимизацию при некоторых периодических детерминированных возмущающих воздействиях, например при «Треугольном воздействии», которое менее абстрагировано от реальных полевых условий работы, чем «Ступенчатое воздействие». В макроблоке «Возмущающее воздействие» формируется симметричное (относительно нуля) треугольное воздействие (изменение удельного сопротивления почвы с неравномерностью 10 кПа). Для анализа качества автоматического регулирования и определения значений критериев параметрической оптимизации разработан макроблок «Блок оценки значений глубины вспашки и тягового сопротивления» (рис. 2). В макроблоке «Блок оценки значений глубины вспашки и тягового сопротивления» блоки MAX и MIN запоминают и выдают на входы звеньев «Новый» блок № 1 и «Новый» блок № 2 максимальные и минимальные значения глубины вспашки и тягового сопротивления (формула (2)), зафиксированные в процессе моделирования на данный момент времени. Звенья «Ключ - 5Т» реализуют алгоритм управляемого ключа: y(t) = Y0, если t < TO; y(t) = x(t), если t > T0; где x(t) и y(t) - входной и выходной сигналы; 70 - время «замыкания» входа и выхода; Y0 -выходной сигнал при времени, меньшем T0. Эти ключи установлены перед звеньями MIN для определения минимальных значений в установившемся режиме колебаний после окончания переходных процессов с нулевыми начальными условиями. В данном случае принято T0 = 2 с. Величины Y0 заданы заведомо больше минимальных (0,3 м - по глубине и 15 кН - по тяговому сопротивлению), чтобы исключить их из анализа. Средние значения, неравномерность и относительная неравномерность глубины вспашки и тягового сопротивления вычисляются по оди- ОЦЕНКА ЗНАЧЕНИЙ ГЛУБИНЫ ВСПАШКИ ------- ►Yl 8 память Среднее I значение '-►[x'=ttxu)i- >Y2 Порт входа: глубина вспашки Ключ - 5Т M1N "Новый" блок W 8 память Относительная неравномерность Н еравномерность ОЦЕНКА ЗНАЧЕНИЙ ТЯГОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ■0 Порт входа: тяговое сопротивление Ключ■5 Т МАХ ^->|х'-1(х.и).- "Н -1 блок N-2 Среднее значение Н еравномерность Относительная неравномерность Рис. 2. Макроблок «Блок оценки значений качественных и энергетических показателей технологического процесса: глубины вспашки и тягового сопротивления» наковым алгоритмам соответственно в блоках: «Новый» блок № 1 и «Новый» блок № 2. Формат записи в «Новом» блоке № 1: input aw, an; {входные сигналы: максимальный и минимальный} as=(aw+an)/2; {вычисление среднего значения} da=aw-an; {вычисление неравномерности} Da=(da/(as+0.000001))*100; {вычисление относительной неравномерности в % (число 0.000001 введено для исключения деления на 0)} bb=time-8; {начало установившегося режима: через 8 сек} a1as=0; a2as=0; a3as=as; dd1=if(bb, a1as, a2as, a3as); {среднее значение} a1da=0; a2da=0; a3da=da; dd2=if(bb, a1da, a2da, a3da); {неравномерность} a1Da=0; a2Da=0; a3Da=Da; dd3=if(bb, a1Da, a2Da, a3Da); {относительная неравномерность, %} output dd1, dd2, dd3; {выходные сигналы} Параметрическая оптимизация проведена при отсутствии возмущающих воздействий от неровностей поля на объект регулирования, т.е. для варианта работы пахотного агрегата на поле с ровной поверхностью. Такая абстракция необходима для последовательного поэтапного анализа при оптимизации параметров САР. В качестве критерия оптимизации принята неравномерность средней глубины вспашки, значения которой из «Нового» блока № 1 занесены в память (блоки «В память»: Y1 и Y2). Параметр оптимизации - коэффициент 8к (формула (1)), определяющий долю силового и следящего сигналов в ГОС САР. Метод оптимизации: «Поиск 2». При оптимизации задавались граничные значения оптимизируемого параметра: {MIN(8k) = 0}; {MAX(8k) = 1,35} и критериев оптимизации: {MIN(Y1) = 0,2; MAX(Y1) = 0,21 и MIN(Y2) = 0,018; MAX(Y2) = 0,02}. Также выполнены исследования на ПЭВМ с помощью ПК «МВТУ» (рис. 3) рабочего процесса гидравлического следящего устройства машины для обработки почвы в рядах садов и виноградников, имеющей четырехзвенный механизм для перемещения рабочего органа при обходе штамба. Трапецеидальный механизм разработан на основе синтеза четырехзвенных механизмов: параллелограммного, механизма подъемного крана и механизма культиватора Н-7 фирмы Holder (Германия) [12, 13]. Своевременный отвод рабочего органа обеспечивается при упреждающем переводе золотника гидрораспределителя из нейтрального положения в позицию максимальной подачи масла в гидроцилиндр. Для этого щуп специальной формы установлен впереди рабочего органа на необходимом расстоянии, которое зависит от скорости движения агрегата и от размеров защитной зоны. Моделирование следящей системы проведено в режиме параметрической оптимизации. Оптимизируемый параметр - коэффициент передачи воспринимающего органа. Критерии оптимизации: минимальное перерегулирование и минимальная ошибка следящей системы при обходе штамба дерева. В следящей системе имеется нелинейный объект регулирования - безынерционное звено с переменными коэффициентами передачи, которые обусловлены кинематикой механизма перемещения рабочего органа. Математическая модель объекта регулирования записана в «Новый» блок (7, рис. 3). Задающий орган -«Новый» блок (1, рис. 3) формирует входной сигнал САР XBX(t) из сигналов: «ступенька» и «дуга окружности» (граница защитной зоны) (1, рис. 4). Результаты и их обсуждение Для следяще-силовой САР пахотного агрегата МТЗ-80 и ПН-3-35 получено оптимальное значение коэффициента 8к = 1,17; оптимальные коэффициенты усиления в ГОС следящей и силовой САР соответственно равны: K = 0,18 г след ' и K = 2,52. сил ' Моделированием доказано, что такая схема следяще-силовой САР обеспечивает выполнение агротехнических требований на максимально допускаемое (не больше 2 см) от- клонение глубины вспашки от заданной. При средней глубине 0,21 м неравномерность составила 0,019 м (относительная неравномерность 9 %). Эффект силового регулирования проявился в стабилизации тягового сопротивления: при неравномерности удельного сопротивления почвы 20 % неравномерность тягового сопротивления снижена до 13,5 %. При дальнейшем сокращении доли силового регулирования и увеличении эффективности следящей САР фк = 0,72; Кслед = 0,63; Ксил = 2,07) неравномерность глубины снижена до 0,01 м (4,8 %) за счет возросшей до 16,2 % неравномерности тягового сопротивления. В результате исследований установлено, что САР с трапецеидальным механизмом («трапеция», рис. 4) перемещения рабочего органа садовой почвообрабатывающей машины имеет существенно меньшую ошибку слежения, оставляет наименьшую необработанную площадь почвы за пределами заданной защитной зоны около штамба. Другие системы оставляют необработанную площадь в 1,37-1,46 раза больше [12, 13]. Выводы Таким образом, по результатам компьютерного моделирования следящих САР для конкретных условий работы в зависимости от поставленных задач можно выбрать наиболее подходящие варианты улучшения качественных и энергетических показателей технологического процесса почвообрабатывающих агрегатов. Комбинированная следяще-силовая САР с оптимизированными параметрами позволяет значительно снизить колебания тягового сопротивления плуга при отклонении глубины вспашки от заданной в пределах агротехнических требований. Оптимизированная САР садовой почвообрабатывающей машины позволяет значительно уменьшить необработанную площадь почвы за пределами заданной защитной зоны около штамба.

About the authors

S. G PARKHOMENKO

Azov-Black Sea Engineering Institute of Don State Agrarian University

Email: s-parkhom@mail.ru
PhD in Engineering

G. G PARKHOMENKO

North Caucasian Scientific Research Institute of Agriculture Engineering and Electrification

Email: parkhomenko.galya@yandex.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files