Технические науки/ 12.Автоматизированные системы управления на
производстве.
Канд. техн. наук, доцент
Климов А.С., инженер Климова О.Л.
Федеральное
государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«Сибирский федеральный
университет», Россия
Цифровая адаптивная система
автоматического управления процессом формирования дорожного полотна
Для формирования дорожного полотна из
асфальтобетонной смеси применяются дорожно-строительные машины –
асфальтоукладчики, выполняющие укладку и уплотнение. Современные
асфальтоукладчики оснащаются системами
автоматического управления (САУ) рабочего оборудования, для обеспечения
заданной ровности, плотности и угла наклона дорожного полотна. Последние достижения в этой области принадлежат зарубежным
фирмам, таким как IR-ABG, MOBA. Известные САУ для процесса формирования
дорожного полотна характеризуются стохастическим (вероятностным)
изменением характеристик формируемой среды, что приводит к повышенному уровню
сложности математического описания процесса. Вследствие этого управление
дорожно-строительной машиной оператором усложняется из-за нелинейности
зависимостей, свойственных рабочему процессу, а также при недостаточной
информации о формируемом дорожном полотне, что снижает точность автоматического
цифрового управления и приводит к длительному процессу
укладки дорожного полотна во времени, значительному
сокращению срока службы асфальтобетонного покрытия и снижению
производительности дорожно-строительных работ.
Целью исследования является обеспечение
повышенной эффективности систем автоматического управления для достижения
улучшенного качества асфальтобетонного полотна автомобильных дорог на основе
результатов теоретических исследований по автоматизации основных процессов с
применением современных информационных технологий.
В работе [1] было установлено, что варьирование
режимов работы асфальтоукладчика (скорость движения, режимные параметры работы
трамбующего бруса и плиты) оказывает значительное влияние на степень
предварительного уплотнения различных асфальтобетонных смесей. Получены
нелинейные зависимости коэффициента уплотнения от скорости движения, частоты
трамбования, типа смеси.
В работе [3] А.И. Беззуб, Ю.Г. Прокопова процесс формирования дорожного
полотна при включении САУ положением выглаживающей плиты асфальтоукладчика характеризуется
вероятностным изменением плотности и угла наклона уплотняемой асфальтобетонной
смеси, что приводит к повышенному уровню сложности математического описания
процесса, а встроенный блок управления, связанный с датчиками высотного и
углового положения выглаживающей плиты, может реализовать типовой ПИД - регулятор,
который имеет плохие показатели качества при управлении нелинейными и сложными
системами автоматического управления, а также при недостаточной информации об
объекте управления.
Нелинейность зависимостей коэффициента
уплотнения от режимных параметров асфальтоукладчиков подтверждается
результатами научных исследований других авторов [2].
Недостатками известных систем автоматического
управления процессом формирования дорожного полотна на основе ПИД – регуляторов
являются неоптимальные (улучшенные) показатели качества при управлении
нелинейными и сложными системами, а также при недостаточной информации об
объекте управления, для которых рекомендуются регуляторы на основе технологий
искусственного интеллекта – нечеткой логики, нейронных сетей и др.
Задача создания системы – повышение эффективности цифрового адаптивного управления процессом уплотнения
асфальтобетонной смеси за счет
применения сенсорного датчика на раме рабочего органа
асфальтоукладчика, обеспечивающего мгновенное
реагирование на изменение какого-либо фактора окружающей среды и
технологического процесса, блока «фазификатор», обеспечивающего перевод
исходных данных с датчиков, контролирующих управляющий процесс, в значения
лингвистических переменных, блока адаптивного управления, обеспечивающего
реализацию процедуры нечеткого вывода на множестве продукционных правил,
составляющих базу знаний системы управления, в результате чего формируются
выходные лингвистические значения, блока «дефазификатор», обеспечивающего
перевод лингвистических значений в точные значения результатов вычислений и
формирование управляющих воздействий, подаваемых на дискретные
гидравлические приводы, а также повышение точности
цифрового адаптивного управления и значительное
сокращение процесса укладки дорожного полотна во
времени, увеличение срока службы
асфальтобетонного покрытия и производительности дорожно-строительных работ.
Для решения поставленной задачи цифровая
адаптивная система управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси [4],
содержащая датчик углового положения с индикатором ошибки и переключателями
задатчика стабилизируемого угла, датчик высотного положения с индикатором
ошибки, дискретные гидравлические приводы и тензометрический
преобразователь усилия в металлоконструкции трамбующего бруса, согласно новому
решению, она дополнительно содержит сенсорный датчик
на раме рабочего органа асфальтоукладчика, блок
«фазификатор», блок адаптивного управления, блок «дефазификатор».
На рисунке 1
приведена функциональная схема расположения блоков цифровой адаптивной системы
управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси.
Рисунок 1 - Функциональная схема
расположения блоков цифровой адаптивной системы управления процессом уплотнения
асфальтобетонной смеси
Цифровая адаптивная система управления процессом
уплотнения асфальтобетонной смеси содержит датчик углового положения 1, имеющий
индикатор ошибки и переключателями задатчика стабилизируемого угла, датчик
высотного положения 2, имеющий индикатор ошибки, тензометрический
преобразователь усилия 3, сенсорный датчик 4, блок «фазификатор» 5, блок
адаптивного управления 6, блок «дефазификатор» 7 и дискретные гидравлические
приводы 8. Датчик углового положения 1 вырабатывает сигнал ошибки,
пропорциональный величине отклонения рабочего органа асфальтоукладчика от
гравитационной вертикали. Сигнал ошибки поступает с выхода датчика углового
положения 1 на первый вход блока «фазификатор»
5. Датчик высотного положения 2 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный
величине отклонения рабочего органа от положения, заданного копиром. Сигнал
ошибки поступает с выхода датчика высотного положения 2 на второй вход блока «фазификатор» 5. Тензометрический
преобразователь усилия 3 вырабатывает сигнал,
пропорциональный усилию в металлоконструкции трамбующего бруса, который
поступает с выхода тензометрического преобразователя усилия 3 на третий вход блока
«фазификатор» 5. Сенсорный датчик 4, установленный на раме рабочего органа асфальтоукладчика, вырабатывает сигнал, пропорциональный изменению
какого-либо фактора окружающей среды и технологического процесса, который
поступает с выхода сенсорного датчика 4 на четвертый вход блока «фазификатор»
5. Блок «фазификатор» 5 переводит исходные данные с датчиков, контролирующих
управляющий процесс, в значения лингвистических переменных, для блока
адаптивного управления 6. Блок адаптивного управления 6 реализует процедуры
нечеткого вывода на множестве продукционных правил, составляющих базу знаний
системы управления, в результате чего формируются выходные лингвистические
значения для блока «дефазификатор» 7. Блок «дефазификатор» 7 переводит
лингвистические значения в точные значения результатов вычислений и формирует
управляющие воздействия, подаваемые на дискретные гидравлические приводы
8 для сведения текущих ошибок к нулю. Длительность и
частота управляющих сигналов зависит от величины ошибки.
Преимущество нового технического решения заключается
в повышении эффективности цифровой адаптивной системы управления процессом
уплотнения асфальтобетонной смеси вследствие непрерывного процесса устройства дорожного полотна, за счет применения
сенсорного датчика на раме рабочего органа асфальтоукладчика,
обеспечивающего мгновенное реагирование на изменение
какого-либо фактора окружающей среды и технологического процесса, блока
«фазификатор», обеспечивающего перевод исходных данных с датчиков,
контролирующих управляющий процесс, в значения лингвистических переменных,
блока адаптивного управления, обеспечивающего реализацию процедуры нечеткого
вывода на множестве продукционных правил, составляющих базу знаний системы
управления, в результате чего формируются выходные лингвистические значения,
блока «дефазификатор», обеспечивающего перевод лингвистических значений в
точные значения результатов вычислений и формирование управляющих воздействий,
подаваемых на дискретные гидравлические приводы,
что в целом свидетельствует о повышении точности
цифрового адаптивного управления и значительном
сокращении процесса укладки дорожного полотна во
времени, увеличение срока службы
асфальтобетонного покрытия и производительности дорожно-строительных работ.
Литература:
1.
Прокопьев А.П. Исследование уплотняющего оборудования асфальтоукладчика [Текст]
/ А.П. Прокопьев // Изв. вузов. Строительство. – 1994. - № 4.
2.
Костельов, М.П. Методы и средства контроля качества уплотнения дорожного
земляного полотна, щебеночного основания и асфальтобетонного покрытия [Электронный
ресурс] / М.П. Костельов, Ю.Е. Никольский, Ю.Э. Райский // Каталог-справочник
«Дорожная техника». – 2003. – URL: http:
// www.library.stroit.ru.
3.
Полезная модель № 6567 РФ, МПК Е02Р 9/20. Система автоматического управления
положением выглаживающей плиты асфальтоукладчика [Текст] / А.И. Беззуб, Ю.Г. Прокопов; заявитель и патентообладатель Акционерное общество
"Брянское специальное конструкторское бюро". – № 97108026/20; дата
приоритета 21.05.1997, дата публикации 16.05.1998. – 4 с.
4. Заявка на изобретение № 2012114326 RU. Цифровая адаптивная система управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси [Текст] / А.С. Климов и др.; заявитель ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»; дата подачи заявки 11.04.2012. – 8 с.