Роторные окорочные станки с автоматически управляемым пневмогидроприводом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, кандидат наук Побединский, Владимир Викторович

• Побединский, Владимир Викторович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Побединский, Владимир Викторович

Введение.........................................................14

Глава 1. ПРАКТИЧЕСКИЕ И НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

В ОБЛАСТИ ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ...............................27

1.1 Технологии окорки в современных лесопромышленных производствах ...31

1.1.1 Назначение и методы окорки. Классификация. Терминология.31

1.1.2 Разработка терминологического аппарата по исследуемой теме.41

1.1.3 Принципы формирования технологических

схем с окоркой лесоматериалов............................43

1.1.4 Современные конструкции роторных окорочных станков..... 44

1.2 Исследования, посвященные совершенствованию окорочных станков....51

1.2.1 Исследования конструкций и инструмента окорочных станков...51

1.2.2 Методы экспериментальных исследований окорочных станков....56

1.2.3 Методы моделирования процессов в окорочных технологиях.....59

1.2.4 Методы проектирования роторных окорочных станков........60

1.3 Предпосылки к созданию автоматически

управляемых окорочных станков....................................64

1.4 Выводы по аналитическому обзору состояния вопроса............66

1.5 Определение цели и задач исследований...........................69

1.6 Разработка общей методологии исследований....................71

Глава 2. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И ОПТИМИЗАЦИЯ

ПАРАМЕТРОВ КИНЕМАТИЧЕСКИХ СХЕМ РАБОЧИХ

ОРГАНОВ СТАНКОВ С ПНЕВМОГИДРОПРИВОДОМ.........................74

2.1 Принципиальные расчетные и кинематические

схемы рабочих органов станка ............................... 74

2.1.1 Обоснование принципиальной и расчетной

кинематической схем МРИ с пневмогидроприводом.............74

2.1.2 Кинематические схемы механизма подачи...................80

2.1.2.1 Разработка кинематической схемы механизма подачи

3

с механическим прижимом вальцов....................80

2.1.2.2 Разработка принципиальной и расчетной

кинематической схемы механизма подачи

с автоматическим прижимом вальцов.................81

2.2 Теоретические исследования конструкций рабочих органов станка.82

2.2.1 Математическая модель кинематики МРИ................... 82

2.2.2 Математическое описание и исследование механизма

подачи с механическим прижимом вальцов.................. 83

2.2.2.1 Статическая модель для определения силы подачи,

необходимой для захвата лесоматериала............. 84

2.2.2.2 Разработка численного метода решения уравнения

определения силы подачи, необходимой

для захвата лесоматериала..........................86

2.2.2.3 Исследование работы механизма подачи в статике....87

2.2.2.4 Кинематическая модель для определения скоростных

параметров вальцов при захвате лесоматериала.......87

2.2.2.5 Разработка имитационной модели для определения скоростных параметров вальцов

при захвате лесоматериала..........................88

2.2.2.6 Исследование скоростных параметров вальцов при захвате 88

2.2.2.7 Анализ результатов моделирования кинематики

процесса разведения вальцов при захвате бревна.....89

2.2.2.8 Кинематическая модель для определения скоростных

параметров лесоматериала при захвате...............90

2.2.2.9 Исследование процесса изменения

скорости бревна при захвате.........................91

2.2.2.10 Анализ результатов моделирования скорости

движения бревна при захвате и практические рекомендации для проектирования...................92

2.2.2.11 Модель динамики процесса захвата лесоматериала...93

4

2.2.2.12 Разработка имитационной модели

динамики процесса захвата.........................94

2.2.2.13 Анализ результатов моделирования динамики

процесса захвата бревна и практические рекомендации для проектирования...................95

2.2.3 Разработка имитационной модели кинематики механизма

подачи с автоматическим прижимом вальцов.................98

2.2 3.1 Разработка общей структуры имитационной модели...98

2.2.3.2 Синтез в среде Simulink+Simscape модели

кинематической схемы механизма прижима

с синхронизацией раскрытия вальцов...............101

2.2.3.3 Исследование работы механизма прижима вальцов

и уточнение кинематической схемы.................105

2.3 Оптимизация кинематических параметров рабочих органов станка.106

2.3.1 Оптимизация параметров механизма подачи

с механическим прижимом вальцов........................106

2.3.1.1 Постановка задачи оптимизации параметров в общем виде 106

2.3.1.2 Формирование целевой функции.................. 106

2.3.1.3 Формирование вектора управляемых параметров... 107

2.3.1.4 Задание ограничений управляемых параметров.... 107

2.3.1.5 Реализация алгоритма и результаты оптимизации. 108

2.3.2 Постановка задачи оптимального проектирования

кинематических параметров механизма прижима вальцов......108

2.3.2.1 Постановка задачи оптимального проектирования

в общем виде и определение критерия оптимизации....108

2.3.2.2 Формирование вектора и задание ограничений

управляемых параметров.............................109

2.3.2.3 Формальная запись постановки задачи оптимизации..111

2.3.2.4 Решение задачи оптимизации.......................111

1) Реализация алгоритма оптимизации в среде MatLab.......112

5

2) Разработка программы оптимизации в среде MatLab...113

3) Выполнение расчетов и анализ результатов оптимизации....113

2.4 Исследование модели механической системы прижима вальцов

и определение исходных параметров для разработки гидропривода...114

2.5 Выводы по второй главе...................................115

Глава 3. РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОГИДРОПРИВОДА

РАБОЧИХ ОРГАНОВ СТАНКА....................................118

3.1 Пневмогидропривод механизма режущего инструмента ..............118

3.1.1 Математическая модель пневмогидропривода короснимателя....118

3.1.1.1 Исходные положения..................................118

3.1.1.2 Формализация процессов выполнения рабочих

операций элементами пневмогидропривода..........119

3.1.1.3 Обобщенная математическая модель

и алгоритм процесса работы пневмогидропривода.........126

3.1.2 Синтез математической модели пневмогидропривода МРИ

в среде визуального моделирования Simulink приложения MatLab 131

3.1.2.1 Общая структурная схема модели пневмогидропривода...131

3.1.2.2 Структура подсистемы «Модель золотника ЭГУ»...133

3.1.2.3 Структура блока «Перемещение струйной трубки».133

3.1.2.4 Структура подсистемы «Модель гидроцилиндра»...135

3.1.2.5 Структура блока «Расход рабочей жидкости».....135

3.1.2.6 Структура блока «Расчёт расхода рабочей

жидкости Q1, Q2»......................................136

3.1.2.7 Структура подсистемы «Перемещение штока и рычага» 137

3.1.2.8 Структура блока «Скорость перемещения штока и рычага» 137

3.1.2.9 Расчетная схема объекта управления в среде Simulink.138

3.1.2.10 Обобщенная модель пневмогидропривода

МРИ в среде MatLab..............................140

3.1.2.11 Исследование работы модели пневмогидропривода МРИ,

проверка адекватности на тестовые воздействия....

3.2 Пневмогидропривод механизма прижима вальцов................

3.2.1 Определение исходных параметров и требований к гидроприводу

3.2.2 Разработка имитационной модели гидравлической

системы в среде SimHydraulics...........................

3.2.3 Разработка способа интеграции компоненты

«Гидросистема» в SimHydraulics с подсистемой «Гидравлический привод» в SimMechanics..................

3.2.4 Разработка гидропривода механизма прижима вальцов.....

3.2.4.1 Разработка способа отображения параметров блока

«Mechanical Translational Reference 1» в подсистеме «Гидравлический привод»...........................

3.2.4.2 Разработка модели гидропривода механизма прижима

вальцов в подсистеме «Гидравлический привод».....

3.2.4.3 Исследование работы модели пневмогидропривода

и проверка адекватности на тестовые воздействия..

3.3 Выводы по третьей главе....................................

Глава 4. РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ

ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПНЕВМОГИДРОПРИВОДОМ РАБОЧИХ ОРГАНОВ.........................

4.1 Разработка и теоретические исследования

САУ пневмогидроприводом МРИ.................................

4.1.1 Структурная схема САУ пневмогидроприводом МРИ.

Синтез САУ пневмогидроприводом в среде MatLab...........

4.1.2 Оптимизация параметров модели пневмогидропривода МРИ..

4.1.3 Исследование влияния параметров ПИД-регулятора

на характеристики САУ. Оптимизация параметров передаточной функции....................................

4.1.4 Анализ результатов оптимизации параметров

передаточной функции САУ................................

7

4.1.5 Исследование работы короснимателя с системой

автоматического управления пневмогидроприводом..........161

4.1.5.1 Влияние параметров САУ на работу МРИ............161

4.1.5.2 Исследование характеристик САУ пневмогидроприводом

с учетом усилия прижима короснимателя.............163

4.1.6 Проверка САУ пневмогидроприводом МРИ на устойчивость..166

4.1.6.1 Методика проверки на устойчивость...............166

4.1.6.2 Исследование на устойчивость модели

золотникового распределителя......................167

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Роторные окорочные станки с автоматически управляемым пневмогидроприводом»

4.1.6.3 Исследование работы управляемой

подсистемы в диапазоне рабочих частот.............170

4.2 Разработка и теоретические исследования

САУ пневмогидроприводом МПВ.................................172

4.2.1 Разработка гидродинамической схемы гидропривода

механизма прижима вальцов............................. 172

4.2.2 Разработка методики аналитического определения

коэффициентов передаточной функции гидросистемы...... 175

4.2.3 Разработка методики определения передаточной функции методом частотной идентификации объекта управления

и построения контура САУ...............................179

4.2.4 Исследование гидропривода методом

оценки частотных характеристик.........................182

4.2.5 Идентификация системы, получение передаточной

функции и проверка системы на устойчивость.............186

4.3 Выводы по четвертой главе..................................191

Глава 5. СИСТЕМЫ НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ПНЕВМОГИДРОПРИВОДОМ РАБОЧИХ ОРГАНОВ. НЕЧЕТКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕДМЕТА ТРУДА И ПРОЦЕССОВ ОКОРКИ ... 194

5.1 Нечеткое управление короснимателем.........................196

5.1.1 Содержательная постановка задачи управления короснимателем .. 196

8

5.1.2 Практическая реализация задачи

нечеткого управления короснимателем......................198

5.1.2.1 Приведение к нечеткости (фаззификация). Определение

входных и выходных переменных задачи управления (приведение к нечеткости)......................... 198

5.1.2.2 Формирование базы правил системы нечеткого вывода .... 200

5.1.2.3 Нечеткий вывод, приведение к четкости (дсфаззификация) и вывод функции управления короснимателем. Синтез нечеткой модели управления средствами

Fuzzy Logic Toolbox................................201

5.1.3 Разработка нечеткого регулятора (контроллера)

пневмогидропривода короснимателя........................ 201

5.2 Нечеткое управление механизмом прижима вальцов...............204

5.2.1 Содержательная постановка задачи управления

пневмогидроприводом прижимом вальцов.....................205

5.2.2 Практическая реализация задачи нечеткого управления.....207

5.2.2.1 Приведение к нечеткости (фаззификация)

определение входных и выходных переменных задачи управления (приведение к нечеткости)........207

5.2.2.2 Формирование базы правил системы нечеткого вывода.209

5.2.2.3 Нечеткий вывод, приведение к четкости (дефаззификация)

и получение функции управления прижимом вальцов

Синтез нечеткой модели управления средствами

Fuzzy Logic Toolbox................................209

5.2.3 Разработка нечеткого регулятора (контроллера)

пневмогидропривода прижима вальцов.......................210

5.3 Нечеткое моделирование объекта труда окорочных технологий....213

5.3.1 Определение размерно-качественных характеристик

лесоматериалов для моделирования.........................214

5.3.2 Нечеткая модель лесоматериала...........................215

9

5.3.3 Нечеткий вывод параметров формы.......................216

5.3.4 Нечеткий вывод параметров сучков......................217

5.4 Имитационное нечетко-геометрическое

моделирование лесоматериала.................................225

5.5 Нечеткое моделирование процессов окорки....................229

5.5.1 Содержательная постановка задачи

определения нагрузок на коросниматель...................230

5.5.2 Практическая реализация задачи нечеткого вывода.......232

5.5.2.1 Определение входных и выходных переменных

(приведение к нечеткости).........................232

5.5.2.2 Формирование базы правил системы нечеткого вывода..234

5.5.2.3 Синтез нечеткой модели средствами MatLab........234

5.6 Моделирование процесса окорки с применением

статистических и нечетких методов...........................235

5.7 Выводы по пятой главе.................................... 238

Глава 6. МЕТОДОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ РОТОРНЫХ ОКОРОЧНЫХ СТАНКОВ........................241

6.1 Цель и задачи экспериментальных исследований...............241

6.2 Натурные экспериментальные исследования.......................244

6.2.1 Методика исследований механизма подачи

при взаимодействии вальцов с лесоматериалом (первый этап).246

6.2.2 Методика исследований нагрузок на рабочие

органы станка при взаимодействии короснимателей

с лесоматериалом (второй этап).........................247

Методика проведения второго этапа

эксперимента и измерительная аппаратура............... 248

6.2.3 Методика исследований нагрузок на инструментах

с применением телеметрии (третий этап).................249

Разработка измерительной аппаратуры телеметрии.........249

6.2.4 Результаты обработки экспериментальных данных........251

10

6.2.4.1 Результаты обработки экспериментальных

данных первого этапа.............................251

6.2.4.2 Результаты обработки экспериментальных

данных второго этапа.............................253

6.2.5 Анализ результатов натурных экспериментальных исследований 255

6.2.5.1 Анализ результатов первого этапа

экспериментальных исследований....................255

6.2.5.2 Анализ результатов второго этапа

экспериментальных исследований....................258

6.2.5.3 Анализ результатов третьего этапа

экспериментальных исследований (телеметрии).......260

6.3 Численные эксперименты ......................................261

6.3.1 Постановка численного эксперимента по исследованию автоматически управляемого короснимателя.....................262

6.3.1.1 Разработка модели лесоматериала для исследования

взаимодействия с короснимателями..................264

1) Разработка подсистемы модели лесоматериала.....264

2) Разработка модели микропрофиля поверхности

по окружности лесоматериала.....................266

3) Задание в имитационной модели

типа привода короснимателя......................268

6.3.1.2 Выполнение и анализ результатов численных

экспериментальных исследований работы короснимателя 268

1) Исследование стабилизации усилия прижима короснимателя в зависимости

от угловой скорости ротора......................269

2) Исследование параметров МРИ в процессе окорки...269

6.3.2 Постановка численного эксперимента

по исследованию процесса подачи лесоматериалов...........273

6.3.2.1 Создание модели предмета труда

для процесса подачи в станке......................274

1) Разработка подсистемы модели

лесоматериала в механизме подачи...............276

2) Разработка модели микропрофиля продольной

поверхности лесоматериала......................281

3) Задание в имитационной модели типа привода

механизма прижима вальцов......................282

6.3.2.2 Результаты эксперимента по исследованию

работы механизма подачи...........................282

6.3.2.3 Анализ результатов численных экспериментальных

исследований механизма подачи.....................283

6.3.2.4 Результаты эксперимента по исследованию работы

механизма подачи с автоматическим управлением пневмогидроприводом...............................285

6.4 Анализ результатов экспериментальных

исследований МПВ с автоматическим управлением...............292

6.5 Разработка технологии определения воздействий

и нагрузок в станке на основе имитационного нечетко-геометрического моделирования процесса окорки...... 294

6.6 Выводы по результатам разработки методологии

экспериментальных исследований............................296

Глава 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ...............................301

7.1 Автоматизированное проектирование РОС......................302

7.1.1 Методика, алгоритм и программный комплекс проектирования

механизма подачи с механическим прижимом вальцов.......302

7.1.2 Методика и алгоритм проектирования автоматизированного пневмогидропривода механизма режущего инструмента

на основе имитационной модели........................ 310

7.1.2.1 Определение исходных данных, технологических

12

и кинематических параметров привода..............310

7.1.2.2 Проектирование гидропривода....................311

7.1.2.3 Определение параметров задающей

функции системы управления......................312

7.1.2.4 Проектирование пневматического элемента........313

7.1.2.5 Оптимизация коэффициентов передаточной

функции системы автоматического управления ГП....313

7.1.2.6 Уточнение расчетных значений

параметров пневмогидропривода....................314

7.1.2.7 Проведение полунатурных экспериментов......... 314

7.1.2.8 Разработка алгоритма и программного комплекса

проектирования автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя.................315

7.1.3 Методика и алгоритм проектирования автоматизированного пневмогидропривода механизма прижима вальцов на основе имитационной модели в среде Simulink+Simscape...............317

7.1.3.1 Определение исходных данных, технологических

и кинематических параметров механизма.............318

7.1.3.2 Проектирование гидропривода......................318

7.1.3.3 Уточнение расчетных значений

параметров пневмогидропривода....................319

7.1.3.4 Методика проектирования САУ

пневмогидроприводом механизма прижима вальцов....319

Проектирование САУ пневмогидроприводом...........320

7.1.3.5 Проведение полунатурных экспериментов...........322

7.1.3.6 Алгоритм и программный комплекс проектирования

механизма прижима вальцов с пневмогидроприводом..323

7.1.3.7 Алгоритм и программный комплекс проектирования

САУ пневмогидроприводом механизма прижима вальцов . 326

7.1.3.8 Реализация результатов исследований

13

в конструктивном решении механизма подачи.........327

7.1.3.9 Расчет параметров механизма прижима

вальцов предложенной конструкции

с системой автоматического управления..............327

7.1.3.10 Разработка варианта исполнения механизма подачи

с предложенной конструкцией прижима вальцов.......328

7.2 Оценка экономической эффективности

от внедрения результатов исследований.........................329

7.2.1 Расчет экономической эффективности

на этапе проектирования станков..........................330

7.2.2 Расчет экономической эффективности при эксплуатации

станков с конструктивными решениями и параметрами, принятыми по результатам исследований...................331

7.3 Выводы по седьмой главе.....................................331

8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................333

8.1Основные результаты исследований, выводы и рекомендации......335

Библиографический список........................................340

Приложение А (справочное) Технологические схемы

лесоперерабатывающих производств с операцией окорки......... 371

Приложение Б (справочное) Правоохранные документы

на результаты исследований....................................375

Приложение В (справочное) Результаты оценки частотных характеристик 382

Приложение Г (обязательное) Акты внедрения..................... 383

!4

ВВЕДЕНИЕ

Рациональное природопользование, предусматривающее эффективное использование лесных богатств, сохранение и возобновление лесосырьевых ресурсов, является одной из важнейших задач, включенных в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ. Поддержка направления на государственном уровне отмечается в ежегодных посланиях Президента РФ Федеральному собранию, а в конкретизированном виде мероприятия утверждены правительством России в «Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года».

В лесном комплексе специфическое место занимает окорка. Все технологии в лесопромышленных странах предусматривают обязательную окорку лесоматериалов, без которой комплексная и эффективная переработка древесного сырья невозможна. Это со всей очевидностью было доказано за последние годы частыми остановками многих импортных технологических линий при эксплуатации в российской отрасли, а также заметным снижением эффективности производства вследствие пренебрежения такой операцией.

Для очистки древесины от коры в отечественном производстве и мировой практике применяются роторные окорочные станки (РОС). В нашей стране серийно выпускались станки унифицированной гаммы, однако, начиная с 90-х годов, выпуск окорочных станков в России практически прекратился. Соответственно прекратились и НИР, направленные на совершенствование РОС, и дальнейшее их развитие можно проследить только по зарубежным моделям.

За последнее десятилетие в окорочном оборудовании зарубежного выпуска достигнут значительный прогресс главным образом за счет использования пневмо-, гидропривода и систем автоматического регулирования. Нельзя не отмстить, что в нашей стране ранее предусматривались государственные программы технического перевооружения отрасли, в которых планировались и работы по созданию новой более совершенной гаммы РОС с использованием гидропривода. Планы отрасли не были выполнены, поэтому до настоящего

15

времени в России нет серийного выпуска РОС современного технического уровня, а также станков, оснащенных пневмо-, гидроприводом и системами автоматического регулирования. Таким образом, повышение эффективности технологий лесной промышленности во многом сдерживается техническим уровнем окорочного оборудования, что обусловливает формирование научной проблемы. Для дальнейшего совершенствования РОС становится актуальной разработка новых теоретических положений, позволяющих проектировать станки с автоматическим управлением и новыми типами приводов. Однако такие сложные задачи остаются далеки от решения, а существующие конструкции РОС с отдельными элементами автоматического регулирования лишь демонстрируют уровень сложности этих проблем. Имеющиеся теоретические разработки в смежных областях техники предлагают использование некоторых элементов автоматического регулирования рабочими органами, но не позволяют комплексно автоматизировать окорочные станки.

Следует отметить, что немаловажной причиной возникновения проблемной ситуации в проектировании станков является и отсутствие научно обоснованной методологии моделирования размерно-качественных характеристик лесоматериалов, способной формировать визуальные объекты обрабатываемых сортиментов, и получение достоверных исходных данных по нагрузкам в процессе окорки. В целом проблема научного обоснования воздействий и нагрузок в конструкции РОС в зависимости от параметров предмета труда, технологических параметров, конструкций рабочих органов, условий работы становится весьма важной в случае совершенствования станков на базе новых типов приводов с системами автоматического регулирования. Однако, как показывает анализ, такой фактор, как неопределенность, остается практически вне поля зрения исследователей. В то же время наличие неопределенности, недостаточности или отсутствие информации при описании размерно-качественных характеристик создает комплекс проблем, затрудняющих не только их решение, но и в первую очередь корректную постановку задачи моделирования лесоматериалов с визуализацией образов, что и сформировало еще одну проблематику работы.

16

Анализ публикаций по этой проблеме говорит о том, что условия неопределенности в описании параметров лесоматериалов не изучены и очевидно, что подобные научные исследования не получили системной направленности, особенно с точки зрения геометрического моделирования лесоматериалов с возможностью оценки воздействий от них на механизмы РОС. Современные тенденции таковы, что приходит осознание большой сложности задач адекватного математического описания объектов с факторами неопределенности, в связи с чем в научных исследованиях отказываются от прямого статистического моделирования и переходят к изучению структур, подобных размерно-качественным характеристикам лесоматериалов, применяя аппарат искусственного интеллекта.

Как известно, размерные и качественные параметры варьируются в широких пределах не только в зависимости от породного состава, среднего объема, природно-климатических и других факторов, но и вследствие постоянного изменения таксационных характеристик разрабатываемых лесосек. В результате такие данные, вообще говоря, являются расплывчатыми и неполными. Одним из подходов, позволяющих поддерживать такого рода исследования, является использование нечеткой математики. Сегодня в этом направлении получены существенные результаты в фундаментальных исследованиях, но что касается прикладных исследований, то здесь требуются дополнительные НИР. Отсюда в исследованиях лесозаготовительной и деревообрабатывающей областей применение нечеткой математики встречается как единичные случаи и для освещения частных вопросов (д-ра техн, наук Климушев Н.К., Шадрин А.А., Герц Э.Ф.). Но даже такой ограниченный опыт проникновения аппарата нечетких множеств в лесные технологии показывает, что он позволяет решать компьютерными средствами не только широкий круг задач интеллектуальной поддержки систем синтеза и идентификации, связанных с неопределенностью, автоматическим управлением, но и создаст условия для разработки новых способов решения научных и технических проблем.

Ряд положений настоящей работы базируется на нечеткой математике, основоположником которой является Л. Заде. В фундаментальные вопросы

17

теории нечетких множеств и нечеткой логики при решении круга математических и прикладных проблем значительный вклад внесли российские и зарубежные ученые А.Н. Аверкин, Л.С. Бернштейн, А.Н. Борисов, В.В. Борисов, И. Мочкорж, Н.Г. Малышев, А.Н. Мелехов, Д.А. Поспелов, Т.Л. Саати, М.В. Семухин, В.Б. Силов, В.В. Круглов, А.В. Кузьмин, Ю.Н. Минаев, Н.Г. Ярушкина и др.

Вопросы реализации алгоритмов нечеткого вывода рассматриваются в работах X. Ларсена (Н. Larsen), Е. Мамданн (Е. Mamdani), М. Сугено (М. Sugeno), Т. Такаги (Т. Takagi), Й. Цукамото (Y. Tsukamoto). Прикладное направление: А. В. Леоненков, К. Хартманн, С.Д. Штовба. В области химии и химической технологии были развиты В.В. Кафаровым, И.Н. Дороховым, И.З. Батыршиным, Р.Х. Бахитовой, С.И. Дворецким, А.А. Макаровым, А.А. Самарским, П. Джурсом, И.В. Гермашевым.

Задачам лесной отрасли по специфике предмета труда, технологиям, условиям производства в наибольшей степени соответствует идеология нечетких множеств. Применительно к процессам окорки задачи автоматического управления, расчета технологических, конструктивных параметров, определения воздействий и нагрузок на станок будут решаться более корректно и рационально с использованием нечетких алгоритмов. Поскольку до настоящего времени ни один из этих вопросов нс решался в совокупности со всеми остальными, можно считать, что решение проблемы повышения эффективности роторных окорочных станков на базе создания теоретических основ исследований и проектирования РОС с автоматическим управлением рабочих органов, учитывающих специфику предмета труда, многообразия условий и факторов неопределенности процесса окорки весьма актуально. Принимая во внимание уровень изученности рассматриваемых проблем в целом, полагаем, что развитие исследований конструкций РОС с позиций как автоматического управления, так и создания методов проектирования на основе научно обоснованных данных о нагрузках является самостоятельным направлением, имеющим важное теоретическое и практическое значение.

i8

Постановка и концепция научной проблемы. Рабочая гипотеза. Вос

нову работы положена гипотеза о том, что современная наука предлагает широкий спектр методов, а производство - номенклатуру технических средств для повышения эффективности РОС за счет комплексного автоматического управления станками, обеспечивающего экономические преимущества по сравнению с существующей унифицированной гаммой и уровень технического совершенства станков выше такового у зарубежных аналогов. При этом решение существующей проблемы повышения надежности, производительности, качества окорки, снижения энергоемкости станков базируется на новых методах исследования на основе современных концепций визуально-блочного имитационного моделирования и проектирования рабочих органов станков, оснащенных пневмогидроприводом с автоматическим управлением на нечеткой логике, новых методах экспериментальных исследований станков и определения расчетных нагрузок с учетом факторов неопределенности в процессе окорки лесоматериалов.

Целью работы являлось повышение эффективности технологий окорки.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели были определены и решены следующие задачи.

1. Исследование конструкций существующих роторных окорочных станков, выявление общемировых тенденций в развитии станков, проектировании, применение информационных технологий для совершенствования РОС, выбор перспективного типа и базовой модели для создания новой гаммы с автоматически управляемым пневмогидроприводом.

2. Разработка конструктивных решений рабочих органов станка для использования с автоматически управляемым пиевмогидроприводом.

3. Теоретические исследования работы механизма подачи с механическим прижимом вальцов в статике, кинематике и динамике.

4. Разработка математических моделей кинематической схемы пневмогидропривода короеннмателя и механизма прижима вальцов (МПВ).

5. Синтез в среде SimuHnk+Simscape имитационной модели кинематической схемы механизма прижима с синхронизацией раскрытия вальцов.

19

6. Оптимизация параметров механизма подачи с механическим прижимом вальцов и параметров кинематической схемы МПВ.

7. Синтез в среде Simulink имитационной модели пневмогидропривода механизма режущего инструмента (МРИ) и в среде Simulink+Simscape имитационной модели гидропривода механизма прижима вальцов.

8. Разработка математических моделей и синтез в виде имитационных моделей в среде Simulink систем автоматического управления пневмогидроприводами МРИ и МПВ.

9. Разработка систем нечеткого автоматического управления пневмогидроприводами механизма режущего инструмента и механизма прижима вальцов.

10. Разработка методов нечеткого моделирования предмета труда окорочных технологий и процессов окорки.

11. Экспериментальные исследования РОС, включающие разрешение следующих проблем:

- определение нагрузок на рабочие органы станка в процессе окорки;

- определение нагрузок на короснимателе путем бесконтактного обмена данными с аппаратурой, расположенной в роторе;

- выполнение численных экспериментов процесса окорки лесоматериалов с автоматически управляемым пневмогидроприводом МРИ;

- выполнение численных экспериментов процесса подачи лесоматериалов с автоматически управляемым МПВ;

- определение воздействий и нагрузок в станке на основе геометрического моделирования процесса окорки.

12. Промышленная апробация результатов исследований и их техникоэкономическое обоснование.

Объект исследований. Конструкция роторных окорочных станков унифицированной гаммы.

Предмет исследований. Размерно-качественные характеристики лесоматериалов, их влияние на механизмы станка, закономерности автоматического управления пневмогидроприводом рабочих органов в процессе окорки.

20

Методология и методы проведенных исследований. В теоретических исследованиях применены методы теории классификации, теоретической механики, динамики, численных методов, оптимального проектирования, теории автоматического регулирования, имитационного моделирования, нечетких множеств и нечеткой логики, визуального моделирования в среде Simulink системы компьютерной математики MatLab, программирования. В экспериментальных исследованиях применены методы теории эксперимента, схемотехники, телеметрии, планирования эксперимента, тензометрирования, численных методов, имитационного моделирования, нечеткого и геометрического моделирования.

Новизна исследований и научных результатов

Разработаны методологические основы исследований и проектирования конструкций и автоматически управляемого пневмогидропривода рабочих органов окорочных станков, выразившиеся в реализации соответствующего методического, математического и программного обеспечения.

Впервые получены математические и имитационные модели пневмогидропривода рабочих органов РОС с системой автоматического управления, разработаны модели систем нечеткого управления, имитационные нечеткие и геометрические модели предмета труда окорочных технологий - лесоматериала. Все конструктивные решения, предложенные в результате теоретических и экспериментальных исследований, являются патентоспособными, защищены авторским свидетельством СССР на изобретение и десятью патентами РФ на полезные модели.

Дополнена классификация РОС по различным признакам, уточнены перспективный конструктивный тип и базовая модель для дальнейшего совершенствования станков с использованием автоматически управляемого пневмогидропривода, уточнен терминологический аппарат по теме технологий окорки.

Научные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Конструктивные решения и кинематические схемы рабочих органов

21

окорочных станков для использования с автоматически управляемым пневмогидроприводом.

2. Математические модели механизма подачи с механическим прижимом вальцов, результаты анализа работы механизма в статике, кинематике и динамике.

3. Математическая модель автоматически управляемого пневмогидропривода механизма режущего инструмента.

4. Имитационная модель автоматически управляемого пневмогидропривода механизма режущего инструмента в среде визуально-блочного моделирования SimuHnk, результаты исследований на адекватность по тестовым воздействиям и на устойчивость управления.

5. Имитационная модель автоматически управляемого пневмогидропривода механизма прижима вальцов в среде визуально-блочного моделирования Simulink+Simscape, результаты исследований на адекватность по тестовым воздействиям, оптимизации параметров ПИД-регуляторов и проверки на устойчивость управления.

6. Формализация задачи оптимального проектирования параметров механизма подачи с механическим прижимом вальцов и задачи оптимального проектирования параметров кинематической схемы МПВ.

7. Модели двухконтурных (с нечетким и ПИД-регулятором) систем автоматического управления пневмогидроприводом рабочих органов, результаты исследований работы САУ пневмогидроприводом на тестовые воздействия и на устойчивость управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Побединский, Владимир Викторович, 2015 год

D -

1

Г

п4з2 = n4sid(test,2,'N4H',[lS IS IS])

Hetp

6)

a)

a - описание в пространстве состояния; б - описание в виде передаточной функции

Рисунок 4.40 - Результаты идентификации системы ГП

Передаточная функция линеаризованной системы ГП имеет вид

ИД/?) = 14,21/7 + 345--

/?'+23,25/?+479,7

(4.13)

4. Результаты идентификации системы дают возможность исследовать систему ГП в линейном приближении и выполнить проверку на устойчивость.

188

На рисунках 4.42,а,б,в показаны графики переходного процесса, амплитудно-частотной, фазочастотной характеристик и амплитудно-фазовой характеристики (годограф Найквиста).

Estimation Progress Viewer ) <=з Я ЕЗП)-ЕЗ-.1

Transfer Function Identification

Estimation data: Frequency response data test

Data has 1 outputs, 1 inputs and 248 samples.

Estimation Progress

Initializing model parameters...

Initializing using "arx" method... Initialization complete.

Nonlinear least squares with automatically chosen line search method

Norm of First-order Improvement (S)

Iteration Cost step optimality Expected Achieved Bisections

0 0.0445153 0.661 22.2

1 0.0346014 10.6 0.0738 22.2 22.3 0

2 0.0342353 28.6 0.00498 1.01 1.06 0

3 0.0342313 6.02 0.000401 0.0114 0.0118 0

4 0.0342313 0.0511 8.49е-06 4. 19е-05 4.25е-05 0

Resuit

Number of iterations: 4, Number of function evaluations: 9

Status: Estimated using TFEST with Focus = "simulation"

Fit to estimation data: 61.643s, FPE: 0.0353355

WStop ] [ Ctose j

Рисунок 4.41 - Оценка степени соответствия системы (61,64%) в результате частотной идентификации

Кроме проверки на устойчивость, с использованием оптимизатора в утилите «PID Tuner» подобраны параметры ПИД-регулятора, обеспечивающие наилучшее качество регулирования. На рисунке 4.43 показаны графики переходного процесса и амплитудно-фазочастотной характеристики системы после оптимизации параметров ПИД-регулятора.

Как видно из рисунка 4.43, оптимизатор утилиты предлагает увеличить коэффициент пропорциональности до значения 0,96, оставив коэффициент демпфирования неизменным. Также из рисунков видно наличие в системе аста-тизма. Соответственно оптимизатор для снятия астатизма при регулировании рекомендует использовать ПИД-регулятор.

189

a - график переходного процесса (отклик на ступенчатую функцию)

б - график амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик (диаграмма Боде) в - график амплитудно-фазовой характеристики (годограф Найквиста) Рисунок 4.42 - Исследования результатов идентификации системы ГП и проверка на устойчивость

190

Я

PID Tuner

T S Q

I \ *\ ^[й]{ Oeugn mode: Вале

Tuned

Кр 0 96

Ki

Kd 0.01

Tf

Tuned

Rise time (seconds) 000919

Settling t,me (seconds) 0 0783

Overshoot (%) 6.99

Peak 0.959

Gain margtn (rad/s) lnf&NaN

Phase margin (rad/s) 89.8 Ф 173

ClM.d-l..p,t.b,ldy Stable

65

Faster

a)

Я________________

$Й '\. %. Design mode: Вале

PID Tuner

° J3 ]

Tuned

Kp 0 96

Ki

Kd 0.01

Tf

Tuned

Rjse time (seconds) 000919

Setting hme (seconds) 0 0783

Overshoot (%) 6.99

Peak 0.959

Gain margin (rad/s) InfQNaN

Phase margin (rad/s) 89.B@ 173

Cl.^d-loop^b.hty Stable

J

Close ! Help

6)

a - анализ переходного процесса

б - анализ амплитудно-фазочастотной характеристики

Рисунок 4.43 - Результаты процесса оптимизации в приложении «PID Tuning»

Все это не соответствует априорным знаниям о гидравлической системе, как об интегральном звене. В этом случае необходимо использовать ПИД-регулятор, а ошибки астатизма при регулировании, выявленные оптимизатором, - следствие неточности идентификации системы. Таким образом, представляется целесообразным проведение оптимизации коэффициентов регулятора в составе полной модели привода после оптимизации его по передаточной функции линейно идентифицированной модели.

5. Для проведения оптимизации коэффициентов регулятора необходимо в контур обратной связи включить ПИД-регулятор с коэффициентами, рассчитанными на предыдущем этапе при оптимизации по передаточной функции линейного приближения. После этого коэффициенты оптимизируются при отработке тестовых значений ступенчатого и гармонического сигналов. Однако при наличии технологии численного эксперимента и модели реального объекта окорки - лесоматериала - заключительную стадию разработки САУ, оптимизацию коэффициентов передаточной функции целесообразно сделать в ходе эксперимента.

4.3 Выводы по четвертой главе

Проведенные исследования процесса автоматического управления работой МРИ и МПВ, устойчивости моделей САУ пневмогидроприводом позволяют сделать следующие выводы.

По результатам исследований МРИ

1. Полученные в главе 3 математические модели САУ и пневмогидропривода реализованы в среде Simulink для выполнения численного имитационного моделирования. Сопоставление результатов расчетов с известными экспериментальными данными говорит о достаточной адекватности полученных моделей.

2. Разработана САУ пневмогидроприводом короснимателя на дискретном ПИД-регуляторе, представленная передаточной функцией вида

192

3. Исследование моделей показывает, что быстродействие предлагаемого привода короснимателя обеспечивает управление прижимом в процесс окорки лесоматериалов. Так, скоростные параметры ГЦ (выход штока до упоров) под нагрузкой в 3 кН при опускании короснимателя составляют до 65 мс и до 75 мс при поднятии короснимателя.

4. При проектировании в качестве критериев оптимизации для предлагаемой модели САУ пневмогидроприводом следует принимать минимизацию величины перерегулирования, времени выхода на режим при заходе короснимателя на бревно, времени захода на сучок (время отработки единичного ударного воздействия).

5. Зависимости скоростных параметров от коэффициентов передаточной функции САУ имеют вид, показанный на рисунках 3.7-3.9.

6. В результате оптимизации параметров ПИД-регулятора САУ гидро-

приводом с помощью функции «Signal Constraint» среды MatLab установлено, что оптимальными значениями для проектируемой системы САУ являются значения коэффициента дифференциальной составляющей 7И_/? = 0,01, периода дискретизации 7о_^ = 0,002, коэффициента пропорциональности А/?=3, коэффициента дискретного фильтра 0,0015, коэффициента дискретного

фильтра - 0,0015, а пороговое значение частоты насыщения для САУ - 78 ГЦ, свыше которого система не успевает отрабатывать входные возмущения. При этом значение динамического отклонения устанавливается постоянным и равным половине амплитуды задающего сигнала.

7. Анализ САУ на устойчивость показал, что предлагаемая система гидропривода с управляющим звеном в виде золотникового распределителя устойчива во всём диапазоне рабочих частот от 0 до 2 кГц и вращении ротора до 6,28 с"'.

8. Непосредственно золотник обеспечивает устойчивую работу при любом значении тока управления в диапазоне от -1 до + 1 относительных единиц, как следует из критерия Найквиста.

9. Система гидроцилиндра с золотником также обеспечивает устойчивую работу, являясь фильтром высоких частот, «обрезая» высокие частоты от 78 Гц.

!93

10. Привод эффективно отрабатывает входящие возмущения в диапазоне низких частот порядка до 78 Гц и «обрезает» высокие частоты.

По результатам исследований МПВ

11. Предложена методика получения передаточной функции системы ГП МПВ в линейном приближении на основе гидродинамической схемы.

12. Предложена методика построения контура системы управления методом частотной идентификации объекта управления и вывода передаточной функции линеаризованной системы гидропривода механизма прижима вальцов. Полученная передаточная функция с оптимальными параметрами имеет вид

_^р+34^

^+23,25^+479,7

13. Апробировано в среде MatLab (в приложении «System Identification Tool») исследование найденной функции методом частотной идентификации системы. Результаты показывают ее достаточно высокую степень соответствия - 61,64 %.

14. Проверка системы ГП на устойчивость в замкнутом контуре с отрицательной обратной связью и фильтром высоких частот показывает на ее устойчивость во всём диапазоне рабочих частот. Система обладает небольшой колебательностью и имеет перерегулирование около 22 % (см. рисунок 4.43,а) при переходных процессах.

15. Исследование передаточной функции с помощью утилиты «PID Tuning» при переходных процессах и анализ процесса оптимизации и амплитуднофазочастотной характеристики показывают на необходимость проведения оптимизации коэффициентов регулятора в составе полной модели привода при численных экспериментах подачи в процессе окорки и на реальной модели лесоматериала.

194

Глава 5. СИСТЕМЫ НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПНЕВМОГИДРОПРИВОДОМ РАБОЧИХ ОРГАНОВ. НЕЧЕТКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕДМЕТА ТРУДА И ПРОЦЕССОВ ОКОРКИ

Ряд положений настоящей работы базируется на нечеткой математике, основоположником которой является Л. Заде. В фундаментальные вопросы теории нечетких множеств и нечеткой логики при решении круга математических и прикладных проблем значительный вклад внесли российские и зарубежные ученые: А.Н. Аверкин, Л.С. Бернштейн, А.Н. Борисов, В.В. Борисов, И. Мочкорж, Н.Г. Малышев, А.Н. Мелехов, Д.А. Поспелов, Т.Л. Саати, М.В. Семухин, В.Б. Силов, В.В. Круглов, А.В. Кузьмин, Ю.Н. Минаев, Н.Г. Ярушкина и др.

Вопросы реализации алгоритмов нечеткого вывода рассматриваются в работах X. Ларсена (Н. Larsen), Е. Мамдани (Е. Mamdani), М. Сугсно (М. Sugeno), Т. Такаги (Т. Takagi), Й. Цукамото (Y. Tsukamoto). Прикладное направление: А. В. Леоненков, К. Хартманн, С.Д. Штовба. В области химии и химической технологии были развиты В. В. Кафаровым, И. Н. Дороховым, И. 3. Батыршиным, Р. X. Вахитовой, С. И. Дворецким, А.А. Макаровым, А. А. Самарским, П. Джурсом, И. В. Гермашевым и другими авторами.

Следует указать работы канд. техн, наук В.И. Васильева, Б.Г. Ильясова [23], где рассматриваются интеллектуальные системы управления в летательных аппаратах, А.А. Ускова, А.В. Кузьмина [168], посвященную применению интеллектуальных технологий управления на нечеткой логике, монографию проф. д-ра техн, наук В.И. Гостева [40], в которой изложен новый метод аналитического проектирования нечетких регуляторов.

В работах автора настоящих исследований это направление получило развитие в вопросах нечеткого моделирования различных процессов в лесозаготовительной отрасли [235,248,266,276], технической эксплуатации автомобилей [233,246,249,273,275,294], моделирования размерно-качественных характеристик лесоматериалов [252,304], в металловедении [247,274], в строительстве

195

[286], медицине [253], а также в вопросах нечеткого моделирования процессов окорки и управления рабочими органами окорочного станка [238,245,250,267, 268,277,288,290,304]. Основные результаты указанных работ приведены в настоящем разделе.

В предложенных в настоящих исследованиях конструкциях автоматически управляемого пневмогидропривода рабочих органов системы автоматического управления построены на дискретном ПИД-регуляторе. Несмотря на преимущества ПИД-регулятора, управление на нечеткой логике по ряду параметров является более эффективным [13,23,40,85,107,168,176,215-217,219-223].

Идея заключается в замене классического типа регулирования с использованием ПИД-регуляторов на нечеткое управление, реализация которой предусматривает вывод функций управления рабочими органами станка на нечеткой логике, разработку нечетких контроллеров и включение их в Simulink-модели САУ пневмогидроприводом.

В данном случае для получения функции использован нечеткий вывод по методу Мамдани, получивший наибольшее распространение [23,85,121,215217,219-223] в прикладных задачах.

Для нечеткого вывода функции управления решались следующие задачи:

1) выполнение содержательной постановки задачи управления рабочим органом.

2) выполнение практической реализации задачи нечеткого управления;

3) синтез нечеткой модели управления средствами Fuzzy Logic Toolbox.

Вторую рассматриваемую в разделе проблему составила задача моделирования предмета труда окорочных технологий. Моделирование предмета труда является одной из важнейших задач, которую необходимо решать для внедрения современных информационных технологий в лесную отрасль. Поскольку предмет труда дает исходные данные для проектирования, совершенствования, создания новых моделей оборудования, выполнения численных и полунатур-ных экспериментов, то без адекватной модели предмета труда будет невозможно эффективно использовать современные компьютерные средства, и, следова

<96

тельно, в полной мере использовать возможности техники для прогресса в отрасли. Однако, несмотря на большое количество исследований в этом направлении, достаточно адекватная модель не создана, геометрическая модель лесоматериала также отсутствует. Одной из самых серьезных причин тому, как полагает автор, является невозможность решить такую задачу на основе статистических методов. В данном случае на сегодня корректно решить задачу возможно только на основе нечеткого моделирования размерно-качественных характеристик лесоматериала. Результаты таких исследований приведены в разделе.

5.1 Нечеткое управление короснимателем

5.1.1 Содержательная постановка задачи управления короснимателем

В методике проектирования нечетких регуляторов [23,85,107,120] содержательная постановка задачи используется для того, чтобы представить эмпирические данные об управлении объектом в форме определенных эвристических правил. В этом случае выполняется описание задачи управления объектом в том виде, как если бы регулирование выполнялось вручную. В настоящей работе эта процедура выполняется одновременно с формированием базы правил системы нечеткого вывода, а в содержательном описании задачи определены наиболее специфические особенности процесса управления короснимателем.

Задача автоматического управления короснимателем при окорке заключается в стабилизации прижима инструмента к обрабатываемой поверхности, который задается пневмоцилиндром. Описание кинематики, конструктивного устройства и принципа действия рабочих органов с пневмогидроприводом приведены в главах 2, 3.

Задачей САУ будет в зависимости от отклонения корпуса пневмоцилиндра выдавать соответствующий ток управления на электрогидравлический усилитель, который посредством гидроцилиндра перемещает поршень и восстанавливает исходное взаимное положение корпуса и поршня пневмоцилиндра. В результате прижим короснимателя к поверхности лесоматериала будет по

стоянным.

)97

Содержательная постановка задачи заключается в следующем.

Чтобы обеспечить стабилизацию прижима инструмента в процессе окорки необходимо учитывать не только величину поворота коросниматсля, но и направление его поворота, т. е. копирование возвышения (сучки, наплывы, . овальность, эксцентриситет ствола) или углубления (гниль, овальность, эксцентриситет ствола), а также скорость поворота короснимателя вокруг оси подвеса при воздействиях со стороны микропрофиля ствола.

Поскольку задачей регулятора является стабилизация положения поршня относительно корпуса пневмоцнлиндра, то их взаимное смещение от заданного положения является в данном случае ошибкой регулирования AS, которое также должно учитываться в виде входного параметра.

В процессе регулирования при максимальных значениях скорости поворота короснимателя и смещения поршня пневмоцилиндра значение управляющего воздействия должно быть также однозначно максимальным.

При крайнем значении скорости поворота короснимателя величина управляющего воздействия будет пропорциональна изменению другого варьируемого значения - степени взаимного смещения поршня относительно корпуса в пневмоцилиндре. Однако нужно учесть, что максимальные значения смещения поршня пневмоцилиндра должны компенсироваться максимальными управляющими воздействиями независимо от скорости поворота короснимателя в этот момент.

Сочетания значений входных параметров, когда одни положительный, а второй отрицательный, вполне возможны, так как происходят высокочастотные колебания и САУ должна погасить эти колебания, управляющее воздействие должно быть направлено в обратную сторону направления смещения поршня. Другим случаем, соответствующим такому сочетанию входных параметров, является локальное изменение микропрофиля на макронеровности поверхности ствола, например небольшая впадина на наплыве или прохождение пика свилеватой части.

В случаях, когда ошибка близка к нулю, а перемещение короснимателя

198

продолжается с определенной скоростью, управляющее воздействие, также пропорциональное величине скорости, должно быть направлено в обратную сторону скорости перемещения независимо от величины ошибки. Таким образом будет выполняться прогнозирование динамики инструмента.

Используя описание вариантов сочетаний скорости поворота короснима-теля и степени смещения поршня пневмоцилиндра, а также специфических особенностей процесса управления, можно формализовать все основные правила нечеткого вывода функции управляющего воздействия на привод короснимателя.

5.1.2 Практическая реализация задачи нечеткого управления коросниматслем

Практическая реализация задачи нечеткого вывода реализована по известной [23,85,107,176,215-217] методике, когда вначале выполняется определение функций принадлежности входных и выходных переменных, затем формируется база правил нечеткого вывода, делается нечеткий вывод и приведение к четкости.

5.1.2.1 Приведение к нечеткости (фаззификация). Определение входных и выходных переменных задачи управления (приведение к нечеткости)

Входные переменные

САУ короснимателя основана на элементной базе регулятора дискретного типа. Также нечеткий вывод регулятора реализован в компьютерном варианте, следовательно, в цифровом виде. Физически это означает, что цифровой опрос входного сигнала выполняется через равные промежутки времени. Если выполняется опрос процесса поворота короснимателя, то изменение величины угла поворота за равные промежутки времени означает одновременно и изменение скорости. Поэтому для упрощения формализации за угловую скорость и? можно принять значения угла поворота. В данном случае это диапазон в 60 °.

Второй входной параметр - это ошибка AS регулирования, выраженная величиной полного хода пневмоцилиндра. В данном случае он составляет 0,3 м.

t99

Выходная переменная

В качестве выходной величины принимается значение (величина и направление) тока управления /, подаваемого от САУ на ЭГУ. Изменение тока управления МЭИ электрогидравлического усилителя для гидроаппаратуры настоящей конструкции в диапазоне от минус 40 мА до + 40 мА приводит к полному рабочему ходу коросниматсля (повороту вокруг оси подвеса), что будет составлять около 60°.

Определим нечеткие функции принадлежности параметров процесса.

Будем полагать, что терм-множества значений лингвистических переменных представлены треугольными нечеткими числами, а на границах области определения - сигмоидальными нечеткими интервалами (рисунок 5.1). Выбор сигмоидальных функций вместо традиционно используемых трапецеидальных позволяет получить более сглаженную результирующую функцию. На рисунках 5.1,а,б показаны функции принадлежности входных переменных «Угловая скорость» и «Ошибка регулирования», а на рисунке 5.1,в приведена нечеткая функция лингвистической выходной переменной «Ток управления».

а - «Угловая скорость»; б - «Ошибка регулирования»; в - «Ток управления»

Рисунок 5.1 - Нечеткие функции принадлежности лингвистических переменных

Во многих случаях при решении подобных задач [23,85,107] на универсуме нечеткого множества функции принадлежности принимают минимальное значение, равное трем, что позволяет обойтись небольшим объемом базы пра

200

вил. Но в таких случаях в зависимости от размерности параметров выходная величина аппроксимируется менее гладкой, ступенчатой функцией. Для повышения точности рекомендуется увеличивать количество значений каждой лингвистической переменной и принимать их в диапазоне от 3 до 7 [23]. В данном случае будет целесообразно принять семь значений входных и выходной лингвистических переменных.

В качестве обозначений лингвистических переменных для предложенных функций приняты следующие значения: «Большое отрицательное» BN; «Среднее отрицательное» MN; «Малое отрицательное» LN; «Ноль» Z; «Малое положительное» LP; «Среднее положительное» МР; «Большое положительное» ВР.

В терминах теории нечетких множеств лингвистические переменные определены терм-множествами со следующие значениями:

- «Угловая скорость ш» (irBN, trMN, wLN, irZ, wLP, шМР, щВР};

- «Ошибка регулирования AS» (SBN, SMN, SLN, SZ, SLP, SMP, SBP};

- «Ток управления Ь> { /BN, /MN, /LN, /Z, /LP, /MP, /BP).

5.1.2.2 Формирование базы правил системы нечеткого вывода

Составим базу правил нечеткой продукции для вывода функции принадлежности в матричной форме. В полном объеме база правил приведена в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Состав базы правил нечеткой продукции

Значения лингвистической переменной «Угловая скорость, и?» Значения выходных нечетких подмножеств «Ток управления, /» при изменении нечеткой функции «Ошибка регулирования, AS»

SBN SMN SLN SZ SLP SMP SBP

wBN /BN /MN /LN /Z /MN /LN /Z

irMN /BN /MN /LN /Z /LN /Z /MP

trLN /BN /MN /LN /Z /Z /MP /MP

irZ /BN /MN /LN /Z /LP /MP /BP

irLP /MN /MN /Z /Z /LP /MP /BP

и MP /MN /Z /LP /Z /LP /MP /BP

иВР /Z /LP /MP /Z /LP /MP /BP

20!

5.1.2.3 Нечеткий вывод, приведение к четкости (дефаззификация) и вывод функции управления короснимателем.

Синтез нечеткой модели управления средствами Fuzzy Logic Tooibox

Изложенная формальная постановка задачи нечеткого вывода позволяет реализовать ее в специализированных компьютерных программах.

Реализация задачи нечеткого вывода выполнена в среде FIS Editor (рисунок 5.2) приложения MatLab Fuzzy Logic Tooibox [2Ю].

В данном случае использовался алгоритм по известной [23,85,107,176, 215-217] методике:

1) фаззификация (введение нечеткости) (рисунки 5.2,а-5.2,в);

2) формирование базы правил нечеткой продукции (рисунок 5.2,г);

3) нечеткий вывод (рисунок 5.2,д);

4) дефаззификация (приведение к четкости) (рисунок 5.2,д).

Результирующая функция нечеткого вывода автоматического управления пневмогидроприводом изображена на рисунке 5.2,е.

5.1.3 Разработка нечеткого регулятора (контроллера) пневмогидропривода короснимателя

Разработка нечеткого контроллера пневмогидропривода короснимателя выполнялась непосредственно в подсистеме обобщенной модели путем использования визуального блока Fuzzi Logic Controiler with Ruieviewer из библиотеки Simulink. Схема его включения приведена на рисунке 5.3. Для исследования работы модели с ПИД-регулятором или нечетким контроллером использован блок Manual Switch для переключения режима (рисунок 5.4).

В визуальной форме Fuzzi Logic Controller with Ruleviewer прописывается имя файла с расширением *.fis, в котором содержится нечеткий вывод функции управления. При запуске модели вначале автоматически запускается визуальная форма в приложении Neuro-Fuzzy Desing и происходит настройка нечеткого контроллера (см. рисунок 5.3).

202

Я Membership Function Editor: ИечеткоеУправлКороснпм

Fite Edit View

[3

Я Membership Function Editor: НечегкоеУпрамКоросним

Fiie Edit View

f8i

t

a)

6)

n ^tembcrship Function Editor: НсчеткосУпрамКоростш

Fiie Edit View

FSVartaNes

в)

BRute Viewer: НечеғкоеУправлКороснпм

Tcn"tpssr = -CH4

Fiie Edit \iew Options

Cwc*b*tl

W [Ct; ЙЫрспЗ Мм* M } ngttt ] down] ip }

Opened system НечсткиУпр<ЮКоро&т1 49 rules НЦ Ою 1

Д)

Я Ruie Editor: НечегкоеУправлКоросним

Fiie Edit \iesv Options

. . 1.......... — —Г- -

.-E

.-.e

.-.E

?'C,ccc?-ts..6

t'C'CCCC-ni

iC':<:ccr-t

Г'.'.тгг--

if and

Скор&сь a

it'.'

net

j-Co-wctWq

Cf

Сем AM rule Ch.^rule

см

r)

EZ)zxx\

a - нечеткая функция принадлежности переменной «Угловая скорость»; б - нечеткая функция принадлежности переменной «Ошибка регулирования»; в - нечеткая функция принадлежности лингвистической переменной «Ток управления»; г- база правил нечеткого вывода;

д - процедура нечеткого вывода и приведения к четкости; е - функция нечеткого вывода

Рисунок 5.2 - Нечеткий вывод функции управления пневмогидроприводом короснимателя в среде FIS Editor приложения MatLab

203

Рисунок 5.3 - Фрагмент разработки нечеткого регулятора МРИ в приложении Neuro-Fuzzy Desing (запуск модели с отладкой базы правил)

Рисунок 5.4 - САУ пневмогидроприводом короснимателя с нечетким регулятором

Работа модели исследовалась на тестовые сигналы. На рисунке 5.5 приведены графики задающего сигнала в виде трапециевидного профиля сучка, график отработки угла поворота короснимателя от выходного сигнала ПИД-регулятора (PID) и нечеткого контроллера (FIS).

204

Рисунок 5.5 - Сравнение работы САУ короснимателем на ПИД- и нечетком регуляторах

Сравнение показывает, что в данном случае величина перерегулирования ПИД-регулятора на 2-3 % меньше, чем у нечеткого. Также длительность переходного процесса составляет соответственно 0,01 и 0, 105 с. Особенности работы объясняются высокими точностями настройки и оптимизации параметров ПИД-регулятора, изложенные в разделе 4.1.3. Но преимущество нечеткого регулятора не в точности, а в более широких возможностях. При любых изменениях свойств древесины, параметров МРИ, жесткости пружин, замены корос-нимателей, отличающихся массой ПИД-регулятор будет неоптимален. В свою очередь, FIS-регулятор может быть настроен сразу на несколько параметров, и при их изменениях будет выполнять регулирование. Кроме того, при последовательном включении обоих регуляторов FIS-регулятор может выполнять автоматическую настройку коэффициентов ПИД-регулятора при любых изменениях процесса работы и конструктивных параметров.

5.2 Нечеткое управление механизмом прижима вальцов

Кинематическая схема конструкции механизма прижима вальцов подобна по принципу действия конструкции МРИ, поэтому аналогично строится нечеткий и вывод, но учитываются особенности конструкции и процесса работы механизма. Важнейшими отличиями механизмов прижима короснимателя и вальцов с точки зрения нечеткого управления являются требования к быстро

205

действию их привода. Другое отличие - это значительно большая масса вальцов, следовательно, большие силы инерции в сравнении с таковыми у инструмента. Такая специфика при использовании метода Мамдани должна отражаться в составе базы правил нечеткой продукции в задачах нечеткого вывода.

5.2.1 Содержательная постановка задачи управления пневмогидропрнводом прижимом вальцов

Для конструкции МПВ используется САУ следящего типа, построенная в соответствии с классической теорией автоматического регулирования на дискретном ПИД-регуляторе. Гидропривод управляется от электрогидравлическо-го усилителя, основным элементом которого является магнитоэлектрический преобразователь.

Конструктивно управление обеспечивается гидроцилиндром, связанным со штоком поршня пневмоцилиндра. Корпус последнего соединен с кронштейном рычага вальца, поворачивающегося на оси подвеса. Таким образом, при копировании вальцами неровной поверхности лесоматериала рычаг вальца совершает вращательные движения, смещая при этом корпус пневмоцилиндра относительно его поршня. В результате также будет изменяться и начально заданное пневмоэлементом значение прижима. Задачей САУ будет в зависимости от отклонения корпуса пневмоцилиндра выдавать соответствующий ток управления на ЭГУ, который посредством гидроцилиндра перемещает поршень и восстанавливает исходное взаимное положение корпуса и поршня пневмоцилиндра. В результате прижим вальцов к поверхности лесоматериала будет постоянным.

Таким образом, содержательная постановка задачи будет заключаться в следующем. Чтобы обеспечить стабилизацию прижима вальцов в процессе окорки, необходимо учитывать не только величину поворота рычага вальца, но и направление его поворота, т. е. копирование возвышения (сучки, наплывы, овальность, эксцентриситет ствола) или углубления (гниль, овальность, эксцен

206

триситет ствола), а также скорость поворота рычага вальца вокруг оси подвеса при воздействиях со стороны микропрофиля ствола.

Поскольку задачей регулятора является стабилизация положения поршня относительно корпуса пневмоцилиндра, то их взаимное смещение от заданного положения является в данном случае ошибкой регулирования А5*, которое должно учитываться в виде входного параметра.

В процессе регулирования при максимальных значениях скорости поворота рычага вальца и смещения поршня пневмоцилиндра значение управляющего воздействия должно быть также однозначно максимальным.

При крайнем значении скорости поворота рычага вальца величина управляющего воздействия будет пропорциональна изменению другого варьируемого значения - величины взаимного смещения поршня относительно корпуса в пневмоцилиндре. Однако нужно учесть, что максимальные значения смещения поршня пневмоцилиндра должны компенсироваться максимальными управляющими воздействиями независимо от скорости поворота рычага вальца в этот момент.

Сочетания значений входных параметров, когда один положительный, а второй отрицательный, вполне возможны, так как происходят высокочастотные колебания и САУ должна погасить эти колебания, управляющее воздействие должно быть направлено в обратную сторону направления смещения поршня. Другим случаем, соответствующим такому сочетанию входных параметров, является локальное изменение микропрофиля на макронеровности поверхности ствола, например небольшая впадина на наплыве или прохождение пика свилеватой части.

В случаях, когда ошибка близка к нулю, а перемещение вальца на рычаге продолжается с определенной скоростью, управляющее воздействие, также пропорциональное величине скорости, должно быть направлено в обратную сторону скорости перемещения независимо от величины ошибки. Таким образом будет выполняться прогнозирование динамики вальца на рычаге.

Используя описание вариантов сочетаний входных параметров (скорости

207

поворота рычага вальца и степени смещения поршня пневмоцилиндра), а также специфических особенностей процесса управления, можно формализовать все основные правила нечеткого вывода функции управляющего воздействия на привод механизма прижима вальцов.

5.2.2 Практическая реализация задачи нечеткого управления

Практическая реализация задачи управления на основе нечеткого вывода выполняется аналогично п.5.1.2, и на основании нечеткого вывода строится график функции выходной величины.

5.2.2.1 Приведение к нечеткости (фаззнфикация). Определение входных и выходных переменных задачи управления (приведение к нечеткости)

В качестве входных переменных принимаем параметры, по которым выполняется регулирование. Для динамического процесса может быть принята скорость изменения воздействия. Другим параметром для обеспечения качества регулирования может быть принята ошибка регулирования. Выходным параметром однозначно является величина управляющего воздействия.

Входные переменные. За первый входной параметр принимаем угловую скорость гг рычага с вальцом. Диапазон изменения скорости по предварительным исследованиям определен от 0 до 8 рад/с. В некоторых случаях будет удобнее этот параметр представить в другом виде, учитывая специфику системы. Дело в том, что САУ прижимом вальцов основана на элементной базе регулятора дискретного типа. Также нечеткий вывод регулятора реализован в компьютерном варианте, следовательно, в цифровом виде. Физически это означает, что цифровой опрос входного сигнала выполняется через равные промежутки времени. Если выполняется опрос процесса поворота рычага вальца, то различные величины угла поворота за равные промежутки времени означают одновременно и изменение угловой скорости. Поэтому для упрощения формализации за угловую скорость гг можно принять значения угла поворота. В дан

208

ном случае это диапазон в 30°. Второй входной параметр - это ошибка регулирования AS, выраженная величиной полного хода пневмоцилиндра. В данном случае с учетом конструктивного решения кинематической схемы он составляет 0,22 м.

Выходная переменная. В качестве выходной величины принимается значение (величина и направление) тока управления /, подаваемого от САУ на ЭГУ. Изменение тока управления МЭИ для гидроаппаратуры настоящей конструкции в диапазоне от минус 40 мА до +40 мА приводит к полному рабочему ходу рычага вальца (повороту вокруг оси подвеса), что будет составлять около 30°.

Определим нечеткие функции принадлежности параметров процесса.

Терм-множества значений лингвистических переменных представлены треугольными нечеткими числами, а на границах области определения - сигмоидальными нечеткими интервалами (рисунок 5.6). На рисунках 5.6,а,б показаны функции принадлежности входных переменных «Скорость» и «Ошибка», а на рисунке 5.6,в приведена нечеткая функция лингвистической выходной переменной «Ток». Что касается выходной переменной, то в середине интервала от минус 10 до +10 использование триангулярной нормы задает фиксированное значение ноль. В этом случае выходной параметр регулятора при заданном значении прижима будет представлять собой колебательный процесс с минимальной амплитудой около точки нуля. Стабилизировать процесс позволяет задание не точки, а интервала, поэтому принята трапецеидальная функция.

В данном случае принимается по семь значений входных и выходной лингвистических переменных.

В качестве обозначений лингвистических переменных для предложенных функций приняты следующие значения: «Большое отрицательное» BN; «Среднее отрицательное» MN; «Малое отрицательное» LN; «Ноль» Z; «Малое положительное» LP; «Среднее положительное» МР; «Большое положительное» ВР.

В терминах теории нечетких множеств лингвистические переменные определены терм-множествами со следующие значениями:

- «Скорость и?» [irBN, trMN, trLN, n?Z, it?LP, шМР, шВР};

209

- «Ошибка Д^» {SBN, SMN, SLN, SZ, SLP, SMP, SBP);

- «Ток /'» {/'BN, /MN, /LN, /Z, /LP, /MP, /BP}.

а- «Скорость»; б - «Ошибка»; в- «Ток»

Рисунок 5.6 - Нечеткие функции принадлежности лингвистических переменных

5.2.2.2 Формирование базы правил системы нечеткого вывода

В полном объеме база правил приведена в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Состав базы правил нечеткой продукции

Значения лингвистической переменной «Скорость ш» Значения выходных нечетких подмножеств «Ток /'» при изменении нечеткой функции «Ошибка AS»

SBN SMN SLN SZ SLP SMP SBP

vrBN /BN /MN /LN /Z /LN /Z /LN

tvMN /BN /MN /LN /Z /Z /LP /MP

srLN /BN /MN /LN /Z /LP /MP /MP

wZ /BN /MN /LN /Z /LP /MP /BP

и-LP /MN /MN /LN /Z /LP /MP /BP

wMP /MN /LN /Z /Z /LP /MP /BP

иВР /LN /Z /LP /Z /LP /MP /BP

5.2.2.3 Нечеткий вывод, приведение к четкости (дефаззификация) и получение функции управления прижимом вальцов.

Синтез нечеткой модели управления средствами Fuzzy Logic Tooibox

Нечеткий вывод функции управления прижимом вальцов и синтез нечеткой модели средствами Fuzzy Logic Toolbox выполнен в соответствии с п.5.1.2.3. Результирующая функция нечеткого вывода автоматического управления пневмогидроприводом прижимом вальцов изображена на рисунке 5.7.

210

ВД Surface Viewer: Валены } c=, ] Ezl

File Edit Vie^\ Options

X (input): 15 Y (input): 15 b'.aluale )

Ref Input: ]]ptot 101 1] Help ] Close [

Ready

Рисунок 5.7 - Функция управления пневмогидроприводом прижимом вальцов, полученная в результате нечеткого вывода в среде FIS Editor приложения MatLab

5.2.3 Разработка нечеткого регулятора (контроллера) пневмогидропривода прижима вальцов

Включение нечеткого регулятора в модель МПВ выполнялась аналогично модели короснимателя. Также предусмотрено переключение режимов регулирования на ПИД- или нечетком контроллере с помощью блока Manual Switch (рисунок 5.8), а в визуальной форме блока Fuzzi Logic Controller with Ruleviewer прописывается имя файла с расширением *.fis, в котором содержится нечеткий вывод. Следует учесть, что блок Fuzzi Logic Controller with Ruleviewer и блок Fuzzi Logic Controller различаются тем, что в первом контроллере прописывается имя файла с нечетким выводом в виде переменной, а у второго используется имя файла. При этом первый контроллер работает значительно медленнее и более удобен для отладки моделей. Быстродействие в модели контроллера блока Fuzzi Logic Controller выше, и его целесообразно включать в модель после полной отладки САУ, как это показано на рисунке 5.8. Обобщенная модель пневмогидропривода с САУ на нечетком и ПИД- регуляторах изображена на рисунке 5.9. Процесс работы привода на двух типах управления показан на рисунке 5.10. Из графиков видна аналогичная картина работы системы, как и у привода короснимателя.

FIS (mask) (tink)--------------— --------------------

FIS

Manual

FIS ft!e or structure: [[Вальцы-Os]

ҒспЗ

РПВ)

Jont Sensor! Scope!

Шарнир РПУ Рь^агпередпчи

Jot nt SensorSc°Pe2

qi—расчетyma

Рисунок 5.8 - Разработка нечеткого регулятора МПВ

Усилие прижима вальцов, Н

г "

"3

П5%

-оэ

MtxM Brawser -ж

е д Podacha *

* & Аниматы <&

& Верхний PY

& Возмущаюг

& Нижний РГ

г &i Пневмогди]

Пружинньн

сиРасскнхров