W iesław G R Z E SIK IE W IC Z
In s ty tu t P ojazdów , Politechnika W arszawska W ojciech JE D L IŃ S K I
In sty tu t M aszyn Roboczych Ciężkich, Politechnika W arszawska
SY M U LA CJA K O M PU TERO W A PR A C Y O SPR Z Ę TU K O PA R K I Streszczenie. Przedstaw iono m odel m atem atyczny stanow iska badawczego służącego do b ad an ia ruchu i obciążeń osprzętu roboczego koparki. O pisano budow ę stanow iska oraz schem aty układów mechanicznych i h y d ro staty cz
nych, przyjętych jako modele stanowiska. Na podstaw ie tych m odeli sio- rm ułow ano opis m atem atyczny ich ruchów. Opisano przebieg sym ulacji i ani
m acji kom puterow ej pracy osprzętu koparki.
C O M P U T E R SIM ULATION OF AN EXCAVATOR E Q U IP M E N T W O RK Sum m ary. A m ath em atical model of a stand used to testin g m ovem ents and loadings of an excavator working equipm ent is presented in th e paper. The sta n d stru c tu re and schemes of mechanical and hyd ro static system s assum ed as th e sta n d m odels are described.
T h e m ath em atical description of th eir movem ents is form ulated on th e base of these m odels. C om puter sim ulation and anim ation of excavator equipm ent work is described.
K O M H b lO T E P H O E C H M M Y J IH P O B A H H E P A B O T L I O B O P Y H O B A H IT fl 0 K C K A B A T O P A
PęąiO M e. B p a 6 o x e yna3aH o MaxeMaxnMecKyro M oaenb HCcne.noBaxejifa- o r o CTeHtta jinn nccJieaoBaHHH itBHweHHH h H arpy30K p a ó o n e r o o ó o p y jto - 3a:-:uB SK CKasa xop a. O nucaH O c x p y K x y p y c x erm a a xaioKe cxeMbi Mexansi- msckhx m rHA paBnnnecKHX cucxeM npMHHXbix b KauecxBe Mottejieii CTeH.na H a ocHOBe bthx M o^eneif ccj)opMy.nnpoBaHO M axeM aTtmecKoe onMcamte ux O nncaH O n p o u e c c CHMMyJtnpoBaHHH n KOMmoxepHoil annMa- u n n p a 6 o x b i oóopyaoB aH M n BKCKaBaxopa.
1. W S T Ę P
Celem rozw ażanych badań je st ocena wpływu sterow ania n a obciążenia i ruch osprzętu roboczego koparki jednonaczyniow ej w czasie autom atycznej realizacji ruchów roboczych.
114 W. Grzesikiewicz, W. Jedliński
W szczególności b adany je st wpływ stru k tu ry układu sterow ania oraz algorytm u działan ia reg u lato ra na ruch i obciążenia podczas:
— bezpośredniego sterow ania przez op erato ra z uw zględnieniem autom atycznego k ształto w an ia sygnału sterującego,
— sam oczynnego w ykonyw ania pow tarzających się faz cyklu pracy maszyny.
O pracow ano m odel kom puterow y stanow iska badawczego znajdującego się w K atedrze M aszyn Roboczych WAT [2]. Schem at tego stanow iska przedstaw iono na ry s.l. Składa się on z:
1) osprzętu roboczego koparki K-162;
2 ) rozdzielacza głównego sterującego wysięgnikiem koparki;
3) głównego zasilacza hudraulicznego z silnikiem napędow ym 40 kW oraz z p o m p ą o zm iennej w ydajności PN Z-150;
4) pom ocniczego układu hydraulicznego przeznaczonego do zasilania siłow nika ram ienia;
5) układu sterow ania mikroprocesorowego, opartego na elem entach system u MSM firmy IM PO L;
6 ) konsoli kontroli pracy stanow iska wraz z panelem zaworów i rozdzielaczy elektrohyd
raulicznych oraz układu ich zasilania;
7) układu pom iarow ego, składającego się z kom putera IB M //A T z k artą przetw orników A /C , re je stra to ra m agnetycznego i oscylografu pętlicowego.
Stanow isko pozw ala np. na badanie autom atycznego sterow ania procesem urabiania g ru n tu poprzez u trzym anie na stały m poziomie ciśnienia w siłowniku ram ienia. Cel ten realizuje się poprzez korygowanie położenia wysięgnika. Obwód regulacji, odpow iadający tem u zadaniu, zaznaczono na rys. 1 za pom ocą podwójnej linii. W jego skład wchodzą:
— czujnik ciśnienia w siłowniku ram ienia pr ; układ sterow ania m ikroprocesorow ego, gdzie zostaje w yznaczony sygnał sterujący panelem elektrohydraulicznym — tu z kolei pow staje sygnał hydrauliczny ps , sterujący rozdzielaczem hydraulicznym 2 siłownika wysięgnika.
2. O PIS M ODELU M A TEM ATYCZNEG O STANOW ISKA
M odel stanow iska opracow ano w postaci układu m echaniczno-hydrostatyczno-regu- lacyjnego. P oduklad m echaniczny służy do m odelowania konstrukcji m echanicznej s ta nowiska. Schem at tego układu pokazano na rys. 2. Je s t to układ składający się z dwóch bryl płaskich, których ruchy są ograniczane. N ajbardziej istotne jest ogranicze
nie spow odow ane przez podłoże, któ re umożliwia symulowanie na stanow isku obciążenia osprzętu. Schem at obwodu hydraulicznego, stanowiącego m odel układu hydrostatycznego napędzającego wysięgnik, pokazano na rys. 3. Model ten uw zględnia odksztalcalność ins
talacji hydraulicznej, charakterystyki zaworów przelewowych i zw rotnych oraz rozdziela
cza. M odel układu napędzającego ram ię koparki m a postać analogiczną. Schem at m odelu układu regulacyjnego pokazano n a rys. 4.
Rys. 1. Schem at stanowiska badawczego Fig. 1. Schem alic diagram of th e stand
jakomputerowapracyosprzętu kopiarki
116 W. Grzesikiewicz, W. Jedliński
Rys. 2. Model układu m echanicznego
Fig. 2. D iagram atic representation of the m echanical p a rt of th e system
Rys. 3. Model układu hydraulicznego Fig. 3. T he hydraulic circuit
Rys. 4. Model układu sterow ania Fig. 4. Schem atic diagram of th e control system
O pis m atem atyczny m odelu stanowiska badawczego opracow ano w następującej postaci:
X = A ( X , X , p ) , ( la )
p = C ( X , X , p , U), (16)
U = / ( i / , IV), (lc )
IV = R (p 2,r) , (ld )
X + = 9 ( X ^ , X ) , (2 )
gdzie w y stęp u ją następujące wielkości opisujące stan modelu:
X £ R 2 — w spółrzędne układu mechanicznego, (rys. 2);
p € H6 — w spółrzędne dwóch układów hydraulicznych (ciśnienia węzłowe), (rys. 3), U £ [0, l ]2 — sygnały sterujące pozycje rozdzielaczy siłowników (rys. 4),
IV £ { —1, 0,4-1} — sygnał wyjściowy z regulatora algorytm icznego obliczany na p o d staw ie ciśnienia regulowanego pr lub sygnału sterow ania ręcznego r (rys. 4).
R ów nanie (la ) opisuje ruch układu m echanicznego (rys. 2 ). F unkcja A określa przy
spieszenia cial w ruchu sw obodnym i w czasie działania ograniczników (rys. la ) oraz siły ta rc ia suchego pow stające podczas naciskania ram ienia na podłoże.
R ów nanie ( lb ) służy do opisu przebiegów ciśnień w dwóch układach h y d ro sta ty cznych napędzających siłowniki (rys. 3). Funkcja C opisuje prędkości zm ian ciśnień węzłowych w zależności od oporów przepływ u i odkształcalności elem entów instalacji;
p o n ad to uw zględnia ograniczenia przepływów spowodowane zaw oram i przelewowymi i zw rotnym i (rys. 3).
R ów nanie (lc ) opisuje panel elektrohydrauliczny, który służy do p rz e stra ja n ia roz
dzielaczy w układach hydrostatycznych w zależności od sygnału sterującego IV. Model panelu p rzy jęto w postaci nieliniowego elem entu pierwszego rzędu z opó/xnieniem .
R ów nanie ( ld ) opisuje algorytm regulatora m ikrokom puterow ego w yznaczający s y gnał steru jąc y IV na podstaw ie ciśnienia w siłowniku lub na podstaw ie sygnału sterow ania ręcznego.
R ów nanie (2) służy do opisu zjawiska uderzenia, które pow staje w układzie m echanicz
nym w chwili zetknięcia się ram ienia z podłożem (rys. 1). Na jego podstaw ie w yznaczane są prędkości ciał po uderzeniu A'+ .
118 W. Grzesikiewicz, W. Jedliński
P odstaw ę do sform ułow ania przedstaw ionego w ogólnej postaci opisu m atem atycznego stanowi praca [1] oraz opracow anie [3], gdzie zamieszczone są szczegółowe opisy tych rów nań.
3. SY M U LA CJA K O M PU TERO W A
N a podstaw ie opisu m atem atycznego (1), (2) opracow ano program obliczeń d la kom p u te ra ty p u IBM P C . Program ten służy do w yznaczania rozw iązania tego zad an ia m a tem atycznego. Za pom ocą tego program u przeprow adza się b ad an ia sym ulacyjne pracy osprzętu koparki n a stanow isku badaw czym.
W yniki sym ulacji są prezentow ane na m onitorze w postaci anim acji kom puterow ej ruchów układu mechanicznego. Oprócz tego wyświetlane są w ska/xniki charakteryzujące podstawow e obciążenia układu m echanicznego i hydrostatycznego. Uzyskany w ten sposób obraz stanow i podstaw ę do w yboru sygnału sterow ania ręcznego. Sygnał te n jest w pro
w adzany do k o m p u tera za pom ocą dwóch joystików lub za pom ocą klaw iatury. Poza ty m rejestrow ane są przebiegi w czasie wielkości opisujących ruch oraz obciążenia m echaniczne i hydrauliczne.
P odstaw ow ym celem b adań je st opracow anie zasad m odelow ania i identyfikacji ele
mentów układów m echaniczno-hydrostatycznych
L IT E R A T U R A
[1] G rzesikiew icz W ., Jedliński W .: D ynam ika elem entów wykonawczych m aszyn robo
czych z uw zględnieniem sterow ania na przykładzie żuraw ia teleskopowego. Prace Naukowe C P B P 02.05. W P W , W arszawa 1990.
[2] K uczm arski F ., Stańczyk W ., Szafarczyk B.: Opis cybernetyczny podstawow ych m aszyn roboczych, budow a ich modeli oraz podstaw y budowy układów sterow ania m aszyn roboczych. P race Naukowe C P B P 02.05. W P W , W arszaw a 1990.
[3] G rzesikiew icz W ., Jedliński W .: Model sym ulacyjny, identyfikacja i optym alizacja żuraw ia jezdniowego dostosowanego do zautom atyzow anego cyklu przeładunkowego.
Spraw ozdanie z p ro jek tu badawczego KBN. M aszynopis, W arszaw a 1992.
Recenzent: Dr liab. inż Jerzy Świder W płynęło do Redakcji w grudniu 1993 r.
A b s t r a c t
A co m p u ter m odel of a testing stan d is presented in th e paper. Its schem e is shown in Fig. 1. T h e sta n d is used to te st movem ents and loading of an excavator working equipm ent. T h e co m p u ter m odel of the stand is based on m ath em atical description
of m echanical sy stem m ovem ent (Fig. 2) and description of pressure changes in hyd ro static system (Fig. 3). T h e schem e of control system is shown in Fig. 4. T he description of the m odel is form ulated in th e form of equations ( 1) and (2 ).
E q u atio n ( la ) sta n d for m echanical system m ovem ent and (lb ) describes pressure changes in hy d rau lic system . T he control system is described by equations (lc ) and (Id ).
E quations (2) describe im pacts carried out by mechanical system . T h e detailed for
m ulation of th e above descriptions is given in work [3].
A co m p u ter p rogram for IB M -P C models was developed. T he co m p u ter sim ulation, controlled by tw o joysticks, is presented on com puter m onitor. T he sim ulation is aim ed a t form ulation of m odelling rules and model p aram eters identification.
T h e resu lts of th is work will be used in m achine modelling.
