Главная » 2014 » Июль » 16 » Скачать Мехатронная система грузоподъемного крана для автоматической стабилизации положения груза и управления его движением. Сохадзе, бесплатно
6:38 PM
Скачать Мехатронная система грузоподъемного крана для автоматической стабилизации положения груза и управления его движением. Сохадзе, бесплатно
Мехатронная система грузоподъемного крана для автоматической стабилизации положения груза и управления его движением
Диссертация
Автор: Сохадзе, Александр Георгиевич
Название: Мехатронная система грузоподъемного крана для автоматической стабилизации положения груза и управления его движением
Справка: Сохадзе, Александр Георгиевич. Мехатронная система грузоподъемного крана для автоматической стабилизации положения груза и управления его движением : диссертация кандидата технических наук : 05.02.05 Новочеркасск, 2006 218 c. : 61 06-5/2247
Объем: 218 стр.
Информация: Новочеркасск, 2006
Содержание:
1 Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследований
11 Актуальность поставленной задачи
12 Средства и системы автоматизации грузоподъемных кранов
13 Принципы автоматизации с использованиемстабилизационной платформы
15 Постановка задачи исследования
16
Выводы
2 Разработка методов и средств автоматизации управления траекториейтранспортируемого груза
21 Принципы построения системы управления траекторией схватагрузоподъемного крана
22 Особенности мехатронных систем на базе грузоподъемных кранов
23 Методы контроля траектории при помощи нечёткой логики
24
Выводы
3 Разработка математической модели управляющего устройствамехатронной системы на базе грузоподъемного крана
31 Математическое моделирование грузоподъемного крана как объекта
311 Общие положения
312 Математическая модель МС на базекранов с поступательными движениями (тип I)
313 Математическая модель МС на базестреловых поворотных кранов (тип II и III)
314 Математическая модель МС на базекранов комбинированного типа (тип IV)
32 Математическая модель нечёткой системы управления
33 Синтез системы управления
331 Подсистема стабилизации траектории МС грузоподъемного крана
332 Синтез сепаратных регуляторов многоканального подвеса грузаподъёмного крана
333 Синтез подсистемы регулирования длины канатов
34
Выводы
4 Экспериментальные исследования и разработка рекомендаций
41 Компоновка управляющего устройства мехатронной системы
42 Метрологическое обеспечение МС
43 Экспериментальные исследования и рекомендации по использованиюсистемы
431 Исследование упругих свойств стабилизационной платформы придвижении
432 Экспериментальные исследования подсистемы регулирования длиныканатов
433 Экспериментальные исследования процесса обхода препятствий краномс поступательным движением
44
Выводы
Введение:
Бурный, практически экспоненциальный рост экономики ведущихстран мира, характерный для второй половины ХХ-го века, достижения науки и техники в этот период убедительно показали, что автоматизация технологических процессов, робототехника, а с начала 80-х и мехатроника являются одной из движущих сил производства, важнейшим фактором его развития.Лавинообразный прогресс вычислительной техники и повсеместное внедрение информационных технологий (техническое зрение и распознавание образов, компьютерный перевод и голосовое общение, поиск и генерация знанийв базах данных, нейросетевые автоматы с возможностью самообучения) создали предпосылки для скачкообразного, качественного развитии техники.Подъёмно-транспортные машины, широко применяющиеся практически во всех областях промышленности, транспорта и строительства, как правило, являются не только средством значительного облегчения технологического процесса, но и неотъемлемой его частью. При всём многообразии задач, решаемых при помощи различных типов подъёмно-транспортных машин, их можно условно разделить по степени используемой автоматизации.Уровень автоматизации конкретного технологического процесса обуславливается как типом применяемого подъёмно-транспортного оборудования, таки множеством внешних условий - номенклатурой переносимого груза, постоянством траектории, погодными условиями, периодичностью работ и т.д.Актуальность темы. Использование грузоподъемных кранов связано снеобходимостью контроля траектории перемещаемого груза. Особенно важным это является при проведении строительных и реконструкционных работв крупных городах, характеризующихся стеснёнными условиями уже существующей застройки; обслуживании портовых терминалов и накопительныхплощадок; внутрицеховых перевозках мостовыми кранами. В этих и во многих других случаях существует необходимость выбора оптимальной траектории грузозахватного устройства и, опосредованно, самого груза. При этомдолжна обеспечиваться стабилизация его положения, отсутствие раскачивания и случайных отклонений. Оптимальность траектории может быть достигнута по различным критериям, таким как минимизация перемещений,экономичность, скорость транспортировки и так далее, в зависимости от конкретных рабочих условий. Кроме того, в условиях динамически изменяющейся обстановки необходимо «предвидеть» ситуацию на планируемой траектории перемещения груза, предотвращая возникновение опасных или аварийных ситуаций и возможные столкновения. Таким образом возникает проблема управления траекторией транспортируемого груза, сводящаяся, в конечном счете, к проблеме управления траекторией захватного устройствагрузоподъемного крана.В настоящее время разработаны многочисленные методы, позволяющие сохранять неизменным положение транспортируемого груза относительно заданной траектории при помощи специальных схем подвеса. Однако,они не рассчитаны на резкие непредвиденные изменения ситуации, связанные со сторонними возмущающими воздействиями (изменение ветровой нагрузки, возникновение непредвиденных помех на траектории следования,возникновение аварийной ситуации, требующей немедленного изменениятраектории или прекращения операции и т.д.). В свою очередь существующие системы предотвращения столкновений (антиколлизийные системы) отличаются высокой степенью адаптивности и качеством прогнозирования траектории, но автоматическая стабилизация положения груза не входит в кругрешаемых ими задач.Наиболее целесообразным представляется объединение достоинствсуществз^ющих решений путем создания мехатронной системы (МС) на базегрузоподъемного крана, способной работать в динамически изменяющемсярабочем пространстве переменной конфигурации, позволяющей автоматически стабилизировать положение груза и управлять его движением.Настоящая работа посвящена разработке принципов построения иструктуры такой мехатронной системы.Соответствпе диссертации паучпому плану работ ГОУВПОЮРГТУ(Н11И) и целевым комплексным программам. Диссертационнаяработа выполнялась в рамках научного направления Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов», утвержденного ученым советом в 2001 году.Отдельные части работы выполнены в соответствии с тематикой по единомузаказ-наряду Министерства образования РФ «Теория интеллектуальных информационно-управляющих систем и принципов построения мобильных робототехнических комплексов и мехатронных устройств с лазерными каналами связи» № 19.99 Ф. Цель работы. Создание мехатронной системы на базе грузоподъемного крана, обеспечивающей возможность автоматической стабилизации положения груза относительно заданной траектории и управления его движениемв условиях недетерменированного рабочего пространства.В связи с этим необходимо решить следующие задачи:- исследовать технологические особенности перемещения элементов различной массы и габаритов в условиях динамически изменяющегося рабочего пространства;- разработать принципы построения мехатронной системы (МС) с использованием специализированной стабилизационной платформы, минимизирующей отклонения от заданной траектории;- разработать математические модели МС на базе различных типов грузоподъемных кранов;- разработать алгоритмы прогнозирования и оптимизации траектории перемещения захватного устройства грузоподъемного крана;- синтезировать управляющее устройство мехатронной системы с синхронизацией движений исполнительных механизмов;- сформулировать рекомендации по практической реализации модулей МС,в том числе информационно-измерительной и управляющей подсистем.Идея работы. Использование МС грузоподъемного крана, обеспечивающей автоматическую стабилизацию оптимальной траектории, расчитываемой на основе методов нечеткой логики и алгоритмов нелинейной оптимизации. При этом управляющий модуль МС используется для расчета оптимальной траектории и предотвращения столкновений, а для компенсацииотклонений от предписанной траектории используется специализированнаястабилизационная платформа.Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач были использованы основные законы классической физики, методы теоретической и строительной механики, математического анализа, классической и современной теории управления, робототехники и мехатроники, теории планирования эксперимента. Основные расчеты и моделирование систем управления проводились с помощью компьютерного моделирования, исследованияи проектирования. Полученные результаты проверялись экспериментальнов лабораторных и производственных условиях.Научные ноложения, выносимые на защиту:- структура управляющего устройства (УУ) МС, позволяющего автоматизировать транспортировку груза по одному или нескольким оптимизационным критериям, обеспечивать стабильность траектории и предотвращать возможность столкновения, состоящего из двух подсистем, первая изкоторых соответствует локальной системе управления стабилизационнойплатформой, а вторая обеспечивает управление перемещением захватногоустройства крана и взаимодействие с локальной системой;- математические модели мехатронной системы на базе различных типовгрузоподъемных кранов, результаты исследования динамики мехатроннойсистемы и ее регулирующих механизмов;- методы прогнозирования и алгоритмы автоматического выбора траектории перемещения захватного устройства кранов с учётом имеющихсяпрепятствий, запретных зон и оптимизационных критериев.Новизна научных ноложеннй, выносимых на защиту, заключаетсяв следующем:- научно обоснованы принцип построения и структура мехатронной системы для автоматической стабилизации положения груза и управления егодвижением, отличающаяся наличием специализированной стабилизационной платформы и модуля управления, построенного на основе нечёткихматематических моделей;- разработана математическая модель мехатронной системы с использованием специализированной стабилизационной платформы и установленастепень влияния особенностей типа грузоподъемного крана, выбранногов качестве базового, на эффективное управление траекторией захватногоустройства;8- впервые предложен алгоритм выбора оптимальной траектории по введённому критерию оптимизации с использованием метода векторизации скалярных матриц, а также на базе методов нечеткой логики разработана система предотвращения столкновений.Обоснованность и достоверность научных положений, выводов ирекомендаций обусловлены корректностью допущений, принимаемых приразработке математических моделей и расчетных схем, аппробированностьюиспользованных методов решения дифференциальных уравнений, рекомендованным метрологическим и экспериментальным обеспечением исследований, приемлемой сходимостью теоретических результатов и экспериментальных данных (расхождение не превышает 10%).Научное значение работы заключается в развитии теоретических положений управления движением захватного устройства для грузоподъемныхкранов, принципов построения и управления мехатронными системами.Практическое значение полученных в работе результатов заключается в следующем:- предложено техническое решение по созданию мехатронной системы грузоподъемного крана для автоматической стабилизации положения захватного устройства и управления его движением с использованием стабилизационной платформы;- разработаны рекомендации по промышленному использованию предлагаемой мехатронной системы при проведении строительных работ, обработке контейнерных терминалов, автоматизированных складов и открытых площадок хранения, а также в других областях применения;- разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизироватьподъёмно-транспортные работы в условиях недетерминированного пространства с помощью МС, что дает возможность повысить производительность труда, сократить расход электроэнергии и повысить степеньбезопасности труда;- написана программа-эмулятор, позволяющая имитировать в лабораторныхусловиях работу управляющего модуля мехатронной системы, для использования в учебном процессе кафедры "Автоматизация производства,робототехника и мехатроника" (АПРиМ), а также кафедры "Машины иаппараты химических и пищевых производств" (МАХПП) ЮжноРоссийского Государственного Технического Университета (Новочеркасского Политехнического Института) ЮРГТУ(НПИ)Реализация результатов работы.Элементы разработанной системы управления испытаны и приняты квнедрению на ОАО «Индустрия-сервис» (г. Ставрополь), 0 0 0 «Фишт»(г. Апшеронск), ЗАО «Терминал» (г. Новороссийск), ЗАО «Энергополис»(г. Волгодонск), 0 0 0 «Донские технологии» (г. Новочеркасск) и Туапсинской нефтебазе (г. Туапсе). Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре АПРиМ для студентов специальности 22040165 (071800)«Мехатроника» и на кафедре МАХГШ для студентов специальности34005218 (064921) «Машины и аппараты химических производств» при проведении лабораторных занятий, в курсовом и дипломном проектировании.Апробация работы. Основные положения работы докладывались иобсуждались на П-й международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (г. Новочеркасск, 1999 г.). Международной научно-практической конференции «Строительство 2000» (г. Ростов-на-Дону, 2000 г.). Научно-методической конференции вузов Северного Кавказа «Проблемы интеграции гуманитарных, фундаментальных и профессиональных знаний в техническом образовании» (г. Новочеркасск, 2001 г.), Обш;ероссийской научно-практической конференции"Мехатроника 2004" (г. Белгород, 2004 г.), ежегодных научно-техническихконференциях ЮРГТУ (ННИ) (г. Новочеркасск, 1998-2005 гг.).Публикации. Но результатам диссертационного исследования опубликовано 15 работ и получено положительное решение по заявке на изобретение.Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Её содержание изложено на 163 страницах, содержит 57 рисунков и 4 таблиц. Библиографический список цитируемых литературных источников включает 89 наименований. Приложения включают материалы вспомогательного характера, прикладные программы моделирования и акты внедрения.
