Автоматическая стабилизация захватно-срезающего устройства

В процессе перемещения многооперационной машины по лесосеке вследствие изменчивости рельефа база трактора, а следовательно, и гидроманипулятор занимают различные положения в пространстве, и для проведения работ по захвату дерева и его спиливания необходимо стабилизировать в вертикальном положении захватывающую систему с установленным на ней пильным аппаратом.
Основными показателями качества управления движением манипуляторного механизма является точность отработки управляющего воздействия, которая характеризуется абсолютной и относительной погрешностями позиционирования рабочего органа. Для лесных манипуляционных машин, рабочий процесс которых предусматривает наведение захвата на дерево, его срезание и валку, наиболее важным параметром является точность наведения и стабилизации рабочего органа (захватно-срезающего устройства) в вертикальной плоскости. Ограничением здесь является угловая величина ±γ максимально допустимого отклонения от вертикального положения стойки захватно-срезающего устройства относительно рукояти манипулятора. Таким образом, в процессе наведения рабочего органа по оптимальной траектории определяющий режим функционирования системы управления связан с поворотом рукояти. При этом качественная оценка, характеризующая процесс автоматической стабилизации рабочего органа относительно вертикали, должен проводится с учетом влияющих факторов.
Управление рабочим процессом наведения и вертикальной стабилизации захватно-срезающего устройства можно производить двумя способами: непрерывным управлением (возмущением) движением рабочей системы (рукояти манипулятора) и дискретным ее управлением.
На рис. 6.7, а условно показаны параметры процесса стабилизации рабочего органа в условиях непрерывного возмущающего воздействия (движение рукояти). При повороте рукояти Р, а следовательно, и стабилизируемого рабочего органа на угол γ (положение 1) система управления должна вырабатывать управляющий сигнал на обработку возмущающего воздействия. С учетом времени запаздывания исполнительное устройство начнет отработку возмущающего воздействия уже при новом положении рукояти 2 рабочего органа. При этом угол поворота рукояти составит

где ωp — средняя угловая скорость рукояти, рад/с; τ — время запаздывания системы управления, с.
Угол отклонения рабочего органа от вертикали в положение 2 равен

Отработка возмущающего воздействия происходит путем поворота рабочего органа со средней угловой скоростью ωп в направлении, противоположном возмущающему воздействию ωр. Принимая ωп > ωp и учитывая разность угловых скоростей Δω = ωп - ωр, находим угол поворота рукояти, при котором достигается отработка возмущающего воздействия:

а угол поворота рукояти с момента начала отработки угла равен

По управляющему сигналу исполнительное устройство отключится уже в положении 3 с запаздыванием τ, чему будет соответствовать новое положение рабочего органа. Угол поворота рукояти за время τ определяется по формуле (6.1), а рабочий орган при этом займет положение 4 с поворотом на угол α = Δωτ. Отклонение рабочего органа от вертикали по абсолютной величине составит

Условием выполнения системой управления своей основной функции — стабилизации рабочего органа — будет являться значение |γ1| < |γ|.
Из уравнения (6.3) находим

Разность |γ1| - |γ'| В формуле (6.4) является запасом по точности рассматриваемого процесса стабилизации рабочего органа.
Другим важным параметром процесса вертикальной стабилизации рабочего органа при непрерывном возмущающем воздействии является угол поворота рукояти из положения 1 в положение 4 за период стабилизации

где дополнительное слагаемое φ(τ) соответствует углу поворота рукояти из положения 3 в положение 4 при отклонении исполнительного устройства с запаздыванием τ.
Процесс стабилизации рабочего органа при фиксированном (дискретном) угле поворота рукояти φзад показан на рис. 6.7, б. Для данного режима поведения рабочего органа можно определить угол рассогласования φр в конечный момент движения рукояти (ωр = 0).
Из условия

с учетом (6.1) при ωп - ωp = Δω ≥ 0 находим

Наличие угла рассогласования ωр характеризует незавершенность процесса стабилизации и определяет необходимость затраты дополнительного времени на отработку рассогласования φр, что показано на рис. 6.7, в. Итак, в положении 1 рабочий орган имеет угловую скорость ωп и его положение относительно максимально допустимого угла отклонения от вертикали ±γ характеризуется углом рассогласования φр. При движении рабочего органа в положение 2 при помощи первичного преобразователя в системе управления формируется команда на отключение исполнительного устройства с временем запаздывания т. При этом угол поворота рабочего органа равен φ(τ) = ωпτ и условие обеспечения отработки этого рассогласования в положении 3 определяется неравенством

При несоблюдении данного условия отработка рассогласования осуществляется по схеме, представленной на рис. 6.7, г. В положении 3 происходит включение обратного движения рабочего органа, а в положении 4 — отключение с запаздыванием τ. Рабочий орган при этом займет положение 5, в котором вновь включается исполнительный орган для отработки рассогласования. Таким образом, в системе возникает автоколебательный процесс, который характеризуется амплитудой

Для обеспечения φр = 0 из выражения (6.7) получаем формулу

связывающую Δω и ωр для обеспечения заданного углового отклонения ±γ при фиксированном (дискретном) угле поворота рукояти.
Проведенный анализ выдвигает проблему автоматического управления захватно-срезающим устройством с точки зрения уменьшения ошибки в точности его наведения на дерево и, как следствие, увеличения производительности многооперационной лесосечной машины. Для автоматической стабилизации захватно-срезающего устройства по вертикали можно применять различные датчики. На рис. 6.8 приведена принципиальная функциональная схема следящей гравитационной системы с фотоэлектрическим датчиком. Задающим устройством такой следящей системы является груз 1 с диском 2.

Датчик представляет собой диск 2 с прорезями 3 и 3'. Диск удерживается в вертикальном положении грузом 1. С одной стороны диска установлены лампы подсветки 4 и 4', с другой — фотодиоды 10 и 10'. Датчик размещается на стойке 5 захватно-срезающего устройства (показано стрелкой). При повороте стойки на угол α от вертикального положения, например против часовой стрелки, световой поток лампы подсветки 4 через прорезь 3 начнет воздействовать на фотодиод 10, который «срабатывает» и включает реле K1. Это реле 9 своими контактами выключает электромагнит 8 золотника 7.
Золотник занимает одно из крайних положений, и жидкость начинает поступать в рабочую полость гидроцилиндра б, шток которого начинает перемещать стойку 5 по часовой стрелке. Это перемещение продолжается до тех пор, пока она не займет строго вертикального положения. При этом лампа 4 с фотодиодом 10 займут такое положение, при котором световой поток уже не будет через щель воздействовать на диод. Реле K1 обесточится, золотник займет нейтральное положение и стойка захватно-срезающего устройства остановится, отработав строго вертикальное положение. Пильный аппарат при этом будет занимать горизонтальное положение.
Помимо рассмотренных факторов, определяющих точность отработки сигнала управления, важны влияние конструктивных параметров гидравлических элементов системы и их скоростные характеристики. Ранее мы имели дифференциальное уравнение движения стрелы манипулятора, которое определяется углом ее поворота α2:

Значение рабочего давления P1 можно получить из уравнения

где μ — коэффициент расхода; f— сечение проходного отверстия; g — ускорение свободного падения; γ — плотность жидкости; P0 — давление перед золотником.
Скорость перемещения штока гидроцилиндра составляет

Проходное сечение можно определить по формуле

где d — диаметр золотника; Δ — перемещение поршня золотника от нейтрального положения.
Подставив эти значения в полученные уравнения и решив его относительно P1, получим следующую формулу для определения рабочего давления P1 в гидроцилиндре:

При движении масштабной рукояти с постоянной скоростью движение всей механической системы будет также происходить с постоянной скоростью, т.е. dα/dt = const. Тогда, приняв Мc = 0 и M = 0, запишем общее дифференциальное уравнение в следующем виде:

где K1 и K2 — коэффициенты пропорциональности, так как

Решив это уравнение относительно Δα, получим

Из этого уравнения видно, что с увеличением скорости движения стрелы увеличивается и ошибка рассогласования Δα. Если же dα/dt → 0, то рассогласование Δα → 0, т.е. механическая система при фиксированном положении масштабной рукояти управления отслеживает задаваемое положение с нулевой конечной ошибкой.
Анализируя полученное уравнение, видим, что для уменьшения ошибки рассогласования Δα желательно применять гидроцилиндры с возможно малым диаметром D, а золотники — с большим диаметром d, увеличивать рабочее давление P0, а также коэффициент пропорциональности K2.