система автоматического управления рабочим органом землеройно-транспортной машины в процессе копания грунта

Формула изобретения

Система автоматического управления рабочим органом землеройно-транспортной машины в процессе копания грунта, содержащая датчик действительной скорости движения машины, датчик объема грунта перед рабочим органом, задатчик опорных сигналов по объему грунта и действительной скорости движения, управляющий блок, включающий в себя устройство ввода, постоянное запоминающее устройство, к выходам которых подключен однокристальный микроконтроллер, присоединенный своим выходом к устройству вывода, и исполнительный механизм, состоящий из электрозолотников, подключенных своим входом к устройству вывода, и гидроцилиндров, присоединенных входом к выходу электрозолотников и управляющих рабочим органом, причем выходы датчика действительной скорости, датчика объема грунта и задатчика опорных сигналов подключены к входу устройства ввода, отличающаяся тем, что она снабжена датчиком расхода топлива землеройно-транспортной машиной, подключенным своим выходом к входу устройства ввода, и датчиком физико-механических свойств грунта перед рабочим органом, подключенным своим выходом к входу устройства ввода, однокристальный микроконтроллер имеет обратную связь с устройством ввода, постоянным запоминающим устройством и устройством вывода, а с задатчика опорных сигналов на устойство ввода поступает дополнительный опорный сигнал по физико-механическому состоянию грунта, причем управление рабочим органом производится по постоянному сравнению действительного мгновенного КПД землеройно-транспортной машины в процессе копания грунта, определяемого в результате деления полезной энергии на затраченную энергию параметру, с предыдущим значением.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области автоматизации рабочих процессов землеройно-транспортных машин (ЗТМ), а именно к устройствам для автоматического управления рабочим органом ЗТМ в режиме максимума коэффициента полезного действия (КПД).

Известно устройство для автоматического управления рабочим органом ЗТМ, основанное на поиске экстремума тяговой мощности и содержащее измерительные блоки действительной скорости движения и силы тяги машины, умножителя измеряемых величин скорости и силы тяги, выделяющего сигнал, пропорциональный тяговой мощности колесного движителя, блоков определения знака производной тяговой мощности и силы тяги, формирующих сигнал «Плюс», «Минус», «Равно нулю», трехпозиционного релейного элемента с выходными каскадами выглубления и заглубления (Авторское свидетельство СССР № 881225, кл. E02F 9/20, 1981).

Существенным недостатком устройства является управление по косвенному параметру, что приводит к режиму работы не на максимуме КПД, а лишь вблизи максимума тяговой мощности ЗТМ.

Известен также способ управления рабочим органом ЗТМ, при котором измеряют текущие значения силы тяги на рабочем органе и действительной скорости движения машины, получают текущие значения тяговой мощности машины путем перемножения величин силы тяги и действительной скорости. Одновременно измеряют датчиками угловую скорость вращения вала двигателя и крутящий момент на нем, определяют в блоке умножения текущее значение развиваемой двигателем мощности, после чего в результате деления тяговой мощности на мощность двигателя получают значение КПД машины (Патент РФ № 2131961, кл. E02F 9/20, 1999).

Недостатком способа служит вычисление КПД через тяговую мощность, определяемую, в свою очередь, с помощью измерения силы тяги на рабочем органе. Однако в классическом представлении более точным является определение КПД как отношения полезной энергии (или работы) к затраченной энергии (или работе). Как известно (Устинов Ю.Ф., Тепляков И.М., Авдеев Ю.В., Кононов А.А. Основные концептуальные принципы автоматизации и дистанционного управления землеройно-транспортными машинами // Известия вузов. Строительство, 2005. - № 6. - С.65-67), сила тяги является одним из косвенных информационных параметров, поддержание которых на заданном уровне только при определенных условиях соответствует максимуму тяговой мощности. Таким образом, определение КПД (как отношения тяговой мощности к мощности двигателя) через косвенный параметр приведет, на практике, к достаточно значительным погрешностям в работе автоматической системы управления и существенным образом снизит эффективность использования ЗТМ.

Известен способ управления процессом копания грунта ЗТМ и устройство для его осуществления, при котором задают с помощью многоканального переключателя режим резания грунта в массиве всей длиной ножа рабочего органа или его углом. В процессе копания грунта аналоговыми датчиками измеряют текущие значения глубины резания, углов зарезания и захвата, скорости движения машины, подачи энергоносителя в двигатель. Для заданного режима резания в блоках определяют текущие значения площади поперечного сечения вырезаемой в массиве стружки грунта, технической производительности и энергетического показателя процесса копания грунта. Определяют в блоках одновременно знаки приращений текущих значений энергетического показателя процесса и глубины резания и по результату их сравнения вырабатывают сигнал на заглубление или выглубление рабочего органа (Патент РФ №2232234, кл. E02F 9/20, 2004).

В качестве основного недостатка можно указать определение технической производительности через площадь поперечного сечения вырезаемой в массиве грунта стружки, так как в реальном процессе форма поверхности грунта перед рабочим органом не является ровной и постоянно меняется как в продольном (относительно движения машины), так и в поперечном (вдоль поверхности отвала) направлении, то есть площадь поперечного сечения вырезаемой в массиве грунта стружки в каждый момент времени имеет собственное численное значение. Известные способы измерения глубины резания не позволяют одним датчиком полностью учитывать неровности поверхности грунта перед рабочим органом по всей ширине полосы разработки. Следовательно, в этом случае управление по параметру энергетического показателя процесса будет производиться с достаточно существенными погрешностями и не позволит достичь высоких показателей эффективности тягового режима ЗТМ. Кроме того, в устройстве для измерения текущих значений угла зарезания и угла захвата рабочего органа используются аналоговые датчики на основе маятниковых измерителей, на которые серьезное действие оказывает ускорение, возмущающее основание маятниковых измерителей и приводящее к динамической погрешности измерений. Следует также отметить, что определение технической производительности только по вырезаемому в плотном теле (грунтовом массиве) грунту приведет к ошибкам в управлении, так как полезную работу ЗТМ в данном случае более точно оценивать по количеству грунта, отведенного с разрабатываемого участка в сторону, независимо от того, сколько грунта вырезано из грунтового массива в плотном теле и какое количество, например, насыпного (на поверхности) грунта отведено в общем грунтовом потоке по косопоставленному отвалу.

Наиболее близким по совокупности признаков является система автоматического управления рабочим органом ЗТМ, содержащая датчик действительной скорости движения машины, датчик объема грунта перед рабочим органом, датчик физико-механических свойств грунта, задатчик опорных сигналов, управляющий блок, включающий в себя устройство ввода, запоминающее устройство и устройство вывода, и исполнительный механизм, состоящий из электрозолотников и гидроцилиндров (Никулин П.И., Тепляков И.М., Енин В.И., Кононов А.А. Повышение эффективности процесса копания грунта колесными землеройно-транспортными машинами // Известия ВУЗов: Строительство. - 1999. - № 6. - С.105-107).

Достоинством системы является управление по прямому параметру - мгновенной производительности ЗТМ в процессе копания грунта. Однако при таком управлении не решается весьма актуальная в настоящее время задача энергосбережения, так как производительность (в данном случае - объем грунта, отнесенный к единице времени) не оценивает затрат энергоносителя.

Предлагаемое изобретение предназначено для решения задачи автоматического управления рабочим органом ЗТМ в режиме максимума КПД, определяемого как отношение полезной энергии к затраченной энергии, с повышением эффективности использования ЗТМ за счет одновременного решения задач повышения производительности работы ЗТМ и энергосбережения.

Задача решается тем, что в известной системе автоматического управления рабочим органом ЗТМ, содержащей датчик действительной скорости движения машины, датчик объема грунта перед рабочим органом, задатчик опорных сигналов по объему грунта и действительной скорости движения, управляющий блок, включающий в себя устройство ввода, постоянное запоминающее устройство, к выходам которых подключен однокристальный микроконтроллер, присоединенный своим выходом к устройству вывода, и исполнительный механизм, состоящий из электрозолотников, подключенных своим входом к устройству вывода, и гидроцилиндров, присоединенных входом к выходу электрозолотников и управляющих рабочим органом, причем выходы датчика действительной скорости, датчика объема грунта и задатчика опорных сигналов подключены к входу устройства ввода, отличительным признаком является то, что она снабжена датчиком расхода топлива ЗТМ, подсоединенным своим выходом к входу устройства ввода, и датчиком физико-механических свойств грунта перед рабочим органом, подключенным своим выходом к входу устройства ввода, однокристальный микроконтроллер имеет обратную связь с устройством ввода, постоянным запоминающим устройством и устройством вывода, а с задатчика опорных сигналов на устройство ввода поступает дополнительный опорный сигнал по физико-механическому состоянию грунта, причем управление рабочим органом производится по постоянному сравнению действительного мгновенного КПД ЗТМ в процессе копания грунта, определяемому в результате деления полезной энергии на затраченную энергию, с предыдущим значением.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно, автоматическое управление рабочим органом ЗТМ в режиме максимума КПД с повышением точности (а, следовательно, и эффективности использования ЗТМ) управления, достигается за счет того, что в системе используются датчик расхода топлива, датчик физико-механических свойств грунта перед рабочим органом, КПД определяется как отношение полезной энергии и затраченной, а также выделением дополнительного опорного сигнала о физико-механических свойствах грунта перед рабочим органом ЗТМ.

На чертеже изображена структурная схема системы автоматического управления рабочим органом ЗТМ в процессе копания грунта.

Система автоматического управления рабочим органом ЗТМ в процессе копания грунта состоит из датчика действительной скорости движения машины 1, подключенного к ведомому колесу 2, датчика расхода топлива 3, датчика физико-механических свойств грунта 4 перед рабочим органом ЗТМ 5, датчика объема грунта 6, задатчика опорных сигналов 7, управляющего блока 8, содержащего устройство ввода 9, постоянное запоминающее устройство 10, к выходам которых подключен однокристальный микроконтроллер 11, присоединенный своим выходом к устройству вывода 12, и исполнительного механизма 13, включающего в себя электрозолотники 14, подключенные своим входом к устройству вывода 12, и гидроцилиндры 15, присоединенные входом к выходу электрозолотников и управляющие рабочим органом, причем выходы датчика действительной скорости 1, датчика расхода топлива 3, датчика физико-механических свойств грунта перед рабочим органом 4, датчика объема грунта 6 и задатчика опорных сигналов 7 подключены к входу устройства ввода, а однокристальный микроконтроллер 11 имеет обратную связь с устройством ввода 9, постоянным запоминающим устройством 10 и устройством вывода 12.

Система работает следующим образом. В качестве основных информационных параметров используются объем грунта перед рабочим органом, действительная скорость движения машины в процессе разработки грунта, расход топлива двигателем, значения которых снимаются с соответствующих датчиков.

В общем случае, КПД может быть найден как отношение полезной энергии (или работы) к затраченной энергии (или работе). Если в каждый момент времени ЗТМ в тяговом режиме представлять как объект в виде «черного ящика», то в качестве полезной энергии (выходной сигнал) следует рассматривать энергию по перемещению объема грунта перед косопоставленным отвалом, которая соответствует «действительно полезной» совершенной работе по отводу грунта в сторону с разрабатываемого участка, а в качестве затрачиваемой энергии (выходной сигнал) - энергию, получаемую в результате сгорания топлива.

Произведение информационных сигналов датчиков объема грунта, задатчика опорного сигнала по физико-механическим свойствам грунта (при необходимости данный опорный сигнал корректируется в зависимости от сигнала с датчика физико-механических свойств грунта) и квадрата информационного сигнала датчика действительной скорости движения, деленное пополам, дает численное значение полезной энергии в каждый момент времени. Следует отметить, что возможное неполное соответствие сигнала по физико-механическим свойствам грунта параметру плотности в абсолютных величинах не наносит ущерба работе автоматической системы, так как при выработке управляющего воздействия оперируют относительными величинами.

Затрачиваемая в текущий момент времени энергия определяется как произведение информационного сигнала датчика расхода топлива и удельной теплоты сгорания топлива.

Отношение полезной энергии к затрачиваемой дает численное значение мгновенного КПД в каждый момент времени. В зависимости от разности между предыдущим и текущим значениями КПД вырабатывается сигнал на заглубление или выглубление рабочего органа. Следует отметить, что численные значения определяемого КПД будут достаточно малы, так как при делении в числителе оценивается только «действительно полезная» энергия, а общие потери КПД связаны с достаточно низким КПД двигателя, потерями в самой ЗТМ и так далее. Однако для системы автоматического управления это не является недостатком, так как при поиске мгновенного максимально возможного КПД интерес представляют не абсолютные значения КПД, а относительные величины, то есть управление осуществляется по постоянному сравнению текущего значения КПД с предыдущим значением.

С целью предотвращения возникновения нестандартных и аварийных ситуаций предусмотрена защита. Сущность ее заключается в том, что во время работы постоянно снимаемые показания датчиков действительной скорости движения машины и объема грунта перед отвалом сравниваются с заданными опорными значениями этих величин. Сигнал разрешения автоматического регулирования по параметру мгновенного КПД подается только при условии преобладания измеренных датчиками параметров над опорными сигналами. Если же одно из этих условий не выполняется, то исполнительный механизм получает команду на выглубление или заглубление рабочего органа.

С целью повышения точности автоматического управления в системе используется поляризационный бесконтактный датчик физико-механических свойств грунта, информационный сигнал которого позволяет вносить оперативную корректировку в работу системы автоматического управления процессом копания грунта для уточнения уровня опорных сигналов (по объему грунта - используется для защиты от аварийных ситуаций; и по физико-механическим свойствам грунта - используется при оценке полезной энергии) при достаточно широком диапазоне изменения грунтовых условий. Так, например, при значительном повышении влажности грунта специфика устройства радиоволнового датчика объема может привести к излишне раннему преобладанию измеренного информационного параметра над опорным сигналом, следовательно, в этом случае уровень опорного сигнала объема грунта должен быть скорректирован в сторону повышения.

В результате удается добиться эффективного автоматического управления рабочим органом землеройно-транспортной машины в режиме поиска максимума КПД, определяемого как отношение полезной энергии к затраченной энергии.

В системе автоматического управления могут использоваться известные из уровня техники датчик физико-механических свойств грунта (Никулин П.И., Тепляков И.М., Кононов А.А. О возможности экспресс-определения влажности грунта поляризационным методом // Известия ВУЗов: Строительство. - 1998. - № 1. - С.57-60) и датчик расхода топлива (Патент РФ № 2180432, кл. G01F 1/66, 2002) или электронный расходомер топлива КИ-13967 (Колчин А.В. Встроенные преобразователи для диагностирования тракторных двигателей // Тракторы и сельхозмашины, 1987. - № 12. - С.23-27).