Применение shaping -фильтров в системе управления движением быстроходной гусеничной машины

Полный текст

Одним из основных эксплуатационных свойств быстроходных гусеничных машин (БГМ) является подвижность, оцениваемая скоростными качествами. Повышение удельной мощности машин до 25 кВт/т, совершенствование трансмиссий, систем управления движением и информационного обеспечения способствует росту потенциальных скоростных качеств современных гусеничных машин. Однако реализация этого потенциала ограничивается рядом динамических явлений при прямолинейном движении и в процессе поворота: низкой управляемостью, склонностью к заносу, особенно при движении на высоких скоростях. Для повышения степени реализации потенциальных скоростных качеств в системе управления движением в работе [1] предлагается синтезировать ПИД-регулятор, который выполняет функцию повышения динамических качеств (сокращение фазового запаздывания реакции при переходных процессах входа в поворот) и стабилизацию траектории при прямолинейном движении. Однако эффективность регулятора ограничена (таблица 1). Таблица 1 Эффективность ПИД-регулятора системы управления движением Из приведенных данных следует, что на дорогах с интенсивным изменением кривизны траектории (тестовая змейка, извилистая грунтовая дорога) появляется возможность увеличить среднюю скорость движения на 12...16%, а цикличность включения системы управления поворотом (СУП), определяющей интенсивность деятельности водителя и уровень его утомляемости, снизить в 1.5...1.8 раза. При прямолинейном движении эффект не выявлен. Ограниченная эффективность ПИД-регулятора связана с тем, что даже при движении по тестовой змейке с детерминированным характером изменения кривизны (длина полуволны синусоиды ∆S=30…50м) управляющие воздействия не являются гармоническими. Они приводят к дополнительным нежелательным колебаниям реакции машины как объекта управления с упруго-инерционными свойствами. Кроме того, недостаточная эффективность ПИД-регулятора во многом объясняется тем, что его структура должна обеспечивать выполнение двух противоречивых требований: высокое быстродействие в процессе управления поворотом и в тоже время - минимизацию или снижение колебаний корпуса при прямолинейном движении. В рассматриваемой системе требуемая частота компенсирующих воздействий водителя при повороте и прямолинейном движении происходит в одном частотном диапазоне. В связи с этим интегрирующее звено ПИД-регулятора снижает устойчивость и динамику в процессе входа в поворот. Эффективность ПИД-регулятора снижается также вследствие вариации параметров конструкции гусеничной машины, входящих в математическую модель и определяющих собственную частоту системы, в соответствии с которой синтезирован регулятор. Кроме того, колебания корпуса машины в горизонтальной плоскости и в системе управления движением существенно изменяют параметры конструкции машины, что также приводит к периодическим изменениям собственной частоты системы и её демпфирующих свойств [2]. Эти колебания вызваны особенностями конструкции машины в системе управления движением динамических свойств и действием следующих факторов: · асинхронностью характеристик упругости силовой цепи и вариация коэффициента асимметричности; · возмущением движения волновыми процессами в ветвях гусеницы с переменной скоростью распространения волн; · нелинейностью характеристик системы управления поворотом, в частности гидропривода и трибологического взаимодействия гусениц с опорным основанием; · высокочастотными параметрическими колебаниями опорных катков в вертикальной плоскости, вызванными переменной жёсткостью в контакте «шина - обрезиненная беговая дорожка гусеницы», а также гироскопическими моментами при «шимми» опорных катков и повышением температуры шин [2, 3]; · случайным характером изменения сопротивления движению [4]. Таким образом, известная система не обладает робастностью, то есть не обеспечивается её приспособляемость к изменению параметров объекта. Учитывая противоречивость требований по обеспечению быстродействия системы при управлении поворотом и при прямолинейном режиме движения (необходимость интенсивного гашения колебаний корпуса), в систему необходимо ввести идентификатор требуемого режима движения и распараллелить алгоритмы управления движением. В виду существенной вариации параметров конструкции объекта управления, входящих в математическую модель, и скоростного режима движения, приводящих к вариации собственной частоты и демпфирующих свойств, необходимо обеспечить робастность системы управления. Логичным продолжением работы является дальнейшее совершенствование используемых моделей для приближения их переходных характеристик к реальному объекту. Помимо этого, опираясь на полученные данные о разделении процесса регулирования по типам задающих воздействий [5], можно произвести синтез системы с применением различных по характеристикам shaper-фильтров, в зависимости от задач подавления колебаний или повышения динамики. В последнее время для трудноформализуемых систем и систем, для которых сложно организовать обратную связь, разрабатываются shaping-алгоритмы управления. Принцип работы shaping-алгоритмов заключается в формировании управляющего сигнала путём свёртки задающего управляющего воздействия с последовательностью импульсов в виде дельта-фунцкции Дирака. Эффективность алгоритма определяется количеством импульсов, их длительностью и амплитудой, которые подлежат определению [6]. Суммарное задающее воздействие на объект остаётся тем же, но перераспределяется во времени. К системам, у которых управляемые параметры зашумлены и трудноизмеряемы, можно отнести и БГМ, так как обратная связь осуществляется по результатам измерения параметров сенсора бокового движения, установленного на корпусе машины, то есть сигналы этих датчиков зашумлены и существенно отстают от управляющих воздействий. В ходе выполнения работы необходимо произвести моделирование управляемого движения с раздельным регулированием корректирующих воздействий при низких и высоких скоростях с помощью идентификации задающих скоростных воздействий и корректируемых коэффициентов shaper-фильтров. Это можно осуществить путём синтеза обратной связи по скорости, предварительно установив зависимости параметров применяемых регуляторов, затем сравнить полученные результаты с исходными данными и оценить возможность применения таковой в системе управления движением быстроходной гусеничной машиной. В качестве исходной модели в работе использовалась линейная модель движения машины для принципиальной оценки эффективности реализации shaper-алгоритмов. Процесс вращательного движения быстроходной гусеничной машины вокруг вертикальной оси описывается дифференциальным уравнением [7]: , (1) где: Iz - момент инерции машины вокруг вертикальной оси; φ - курсовой угол и его производные; V - линейная скорость; li - продольная координата i-ой оси опорных катков, относительно центра масс; Cyi - коэффициент сопротивления уводу i-ой оси; n - число осей опорных катков; CПР - приведённая жёсткость; MП - поворачивающий момент. В математической модели приняты следующие допущения: · движение машины происходит с постоянной скоростью, то есть продольное ускорение равно нулю, а боковое - ограничено; · характеристики упругости бортов движителя при компенсации отклонения траектории (при повороте машины) являются симметричными; · принята модель боковых сил, формируемых уводом шин опорных катков при равномерном распределении вертикальной нагрузки вдоль борта и между бортами; · движение машины является устойчивым; · нелинейности в системе управления поворотом (зона нечувствительности, ограничение координаты и петлеобразность характеристики) не учитываются; · нелинейный характер взаимодействия движителя с опорным основанием линеаризован. Моделирование shaping-алгоритмов фильтрации показало, что при различных скоростях транспортной машины они должны решать взаимоисключающие друг друга задачи: при низких скоростях необходимо повышать динамику переходных процессов поворота, в то время как на высоких - устранять перерегулирование и колебания корпуса вокруг вертикальной оси в процессе поворота (рисунок 1). В соответствии с этой информацией и возможностью оперативно измерять скорость машины во время движения, произведён синтез адаптивного ZVD-shaping-регулятора (zero-vibration and deriviative, нулевой вибрации и амплитуды), основные коэффициенты которого: A1, A2, A3 - величина первого, второго и третьего импульса соответственно и t2, t3 - время второго и третьего импульсов [6, 8], изменяются соответственно скорости для решения поставленных задач. Моделированием установлено, что при скорости V>15 м/с необходимо повышать динамику процесса движения и подавления колебаний. Соответственно, вычислительный блок управления движением должен быть дополнен логическим идентификатором скорости для разделения процесса регулирования. Рисунок 1. Переходные процессы управляемого движения БГМ на разных скоростях: 1, 2 - V=10 м/с, V=20 м/с, без фильтра; 3, 4 - V=10 м/с, V=20 м/с, ZVD-shaper Модель процесса вращательного движения машины вокруг вертикальной оси дополнена чистым запаздыванием между задающим воздействием водителя и реакцией гусеничной машины на него для приближения модели к реальному объекту. На полученную систему подавались единичные ступенчатые воздействия для определения перерегулирования и гармонические колебания для оценки фазового отставания. На рисунке 2 приведена зависимость величины перерегулирования переходного процесса вращения гусеничной машины с различными системами управления. Как видно из данных графиков, наибольшее перерегулирование, достигающее 30%, наблюдается при использовании ПД-регулятора, настроенного на минимизацию времени переходного процесса. Колебания корпуса под управлением исходной системы достигают 15% на предельных скоростях, равных 20 м/с. Наилучшие результаты показали shaper-фильтры, причём применение ZV-фильтра (zero-vibration, нулевой вибрации) позволяет минимизировать предельное перерегулирование до 5%, а ZVD-фильтра - до 3%. Для сравнения предельной скорости гусеничной машины с различной системой управления движением была определена зависимость коэффициента фазовой напряжённости (Kφ=φ/π) от скорости движения при фиксированных значениях длины полуволны «тестовой змейки» ΔS = 20, 30, 40 м. Предельная скорость движения соответствует значению Kφ=0.75, при котором водитель в принципе может управлять направлением движения. Рисунок 2. Зависимость перерегулирования от скорости БГМ: 1 - исходная система, 2 - с ПД-регулятором, 3 - с ZV-shaper-фильтром, 4 - с ZVD-shaper-фильтром Рисунок 3. Зависимость коэффициента фазовой напряжённости от скорости движения: 1, 2, 3 - исходная система - ΔS=20, 30, 40 м соответственно, 4, 5, 6 - с ZVD-shaper-фильтром - ΔS=20, 30, 40 м соответственно Из графиков рисунка 3 видно, что применение ZVD-shaper-фильтров с адаптацией по линейной скорости движения позволяет повысить предельную скорость на 25-30%, при которой сохраняется управляемость движения. Например, при ΔS = 40 м, V = 10 м/с (36 км/ч), а при использовании ZVD-shaper-фильтра V = 15 м/с (54 км/ч). Этот эффект реализуется при достаточном значении поворачивающего момента и ограничении буксования движения. Выводы Как показали результаты данной работы, подход автоматизированного управления движением быстроходной гусеничной машины, основанный на фильтрации задающих воздействий при помощи shaping-фильтров, обеспечивает решение задач по подавлению колебаний системы и повышению её быстродействия. Дополнение исходной модели обратной связью по линейной скорости позволило более широко оценить эффективность данного решения, приблизив систему к реальному объекту управления. Применение ZVD-shaper-фильтра и последующая его модификация путём введения обратной связи позволило решать две противоположные задачи. На малых скоростях повысилась динамика движения гусеничной машины, при этом не вызывая колебаний и уменьшая фазовое запаздывание реакции. На высоких скоростях движения, когда решение водителем задачи расчёта скорости и упреждения задающих воздействий при поворотах затруднено вероятностью заносов и высокой динамикой процессов, фильтр уменьшает фазовое запаздывание и устраняет колебания гусеничной машины в горизонтальной плоскости, тем самым снимая часть нагрузки на человека-оператора и повышая динамику процессов поворота. Полученные результаты можно использовать при написании алгоритмов управления для вычислительных блоков существующих и перспективных транспортных машин. Дальнейшим развитием данной работы может быть введение обратной связи ZVD-фильтра по другим параметрам G-сенсора движения - продольные и поперечные скорости и ускорения.

Об авторах

В. Б Держанский

ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет»

Email: dvb_47@mail.ru
д.т.н. проф.; 8(3522)23-06-03

И. А Тараторкин

ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет»

Email: dvb_47@mail.ru
д.т.н. проф.; 8(3522)23-06-03

Е. К Карпов

ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет»

Email: dvb_47@mail.ru
8(3522)23-06-03

Список литературы

Дополнительные файлы