Автоматизация технологических процессов дорожного строительства

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА Монография

Красноярск СФУ 2013 1

УДК 625.7 ББК 39.311 A224 Рецензенты: С. В. Ченцов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Системы автоматики, автоматизированное управление и проектирование» ИКИТ СФУ; И. О. Богульский, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Сопротивление материалов и теоретическая механика» ИУИС КрасГАУ

А224

Автоматизация технологических процессов дорожного строительства : монография / А. П. Прокопьев, В. И. Иванчура, Г. В. Кустарев, Р. Т. Емельянов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2013. – 245 с. ISBN 978-5-7638-2868-9

Рассмотрены теоретические основы процессов укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей. Представлены модели и методики моделирования технологических процессов, используемых в качестве объектов управления при разработке алгоритмов автоматизированного управления. Предложены методики синтеза ПИД-регулятора системы управления с нелинейным элементом исполнительного механизма, а также новые технические решения систем автоматического управления. Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся разработкой и исследованием систем автоматизированного управления.

Электронный вариант издания см.: http://catalog.sfu-kras.ru

ISBN 978-5-7638-2868-9

2

УДК 625.7 ББК 39.311

© Сибирский федеральный университет, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ............................................................................................................... 5  1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА .................................... 6  1.1. Анализ технологических процессов строительства асфальтобетонных покрытий ............................................................................. 7  1.2. Системы нивелирования для асфальтоукладчиков ............................... 24  1.3. Асфальтовые дорожные катки .................................................................. 34  1.3.1. Дорожные катки для уплотнения асфальтобетонной смеси ..... 35  1.3.2. Определение уплотняющей способности асфальтовых вибрационных катков ............................................................................... 45  1.4. Теоретическое обоснование управляемого воздействия на уплотняемую среду ...................................................................................... 59  1.5. Анализ факторов, влияющих на качество процесса уплотнения ......... 65  1.6. Теоретические основы процесса уплотнения асфальтобетонной смеси ................................................................................................................... 72  1.7. Автоматизированные системы управления дорожными катками ....... 77  1.7.1. Проблемы и тенденции автоматизации катков ............................ 77  1.7.2. Теоретические основы систем управления дорожными катками ....................................................................................................... 79  1.7.3. Критерии, используемые в системах управления дорожными катками.................................................................................. 87  1.8. Адаптивные системы управления на основе интеллектуальных технологий ......................................................................................................... 94  1.8.1. Применение искусственных нейронных сетей в системах управления вибрационными катками ..................................................... 97  1.8.2. Применение нечеткой логики в системах управления вибрационными катками .......................................................................... 98  2. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УПЛОТНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ ............................................................ 101  2.1. Идентификация динамической системы уплотнения смеси дорожными катками ........................................................................................ 102  2.1.1. Имитационная динамическая модель уплотнения .................... 102  2.1.2. Результаты имитационного моделирования .............................. 112  2.2. Математическая модель процесса управления скоростью движения вибрационного катка .................................................................... 117  2.3. Аналитическая модель системы управления скоростью движения вибрационного катка ....................................................................................... 128  2.4. Анализ динамических характеристик модели системы управления скоростью движения вибрационного катка .................................................. 134  3

3. СИНТЕЗ ПИД-РЕГУЛЯТОРА .................................................................. 142  3.1. Методы синтеза ПИД-регуляторов ........................................................ 142  3.2. Синтез ПИД-регулятора нелинейной системы управления частотным методом ......................................................................................... 143  3.3. Синтез ПИД-регулятора нелинейной системы управления модальным методом ........................................................................................ 161  4. ПОСТРОЕНИЕ АДАПТИВНЫХ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ............................................................................. 169  4.1. Следящая система управления процессом укладки смеси на основе нечеткой логики ............................................................................. 169  4.2. Модель системы управления дорожным катком на основе нечеткой логики............................................................................................... 183  4.3. Управление машинами дорожно-строительного комплекса с применением нейросетевого контроллера.................................................... 195  5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ........................... 205  5.1. Система автоматического управления положением выглаживающей плиты асфальтоукладчика ............................................... 206  5.2. Система автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика .......................................................................................... 208  5.3. Устройство автоматического управления процессом уплотнения смеси ............................................................................................ 209  5.4. Система автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика .......................................................................................... 213  5.5. Система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси катком ................................................................... 215  5.6. Система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси в ибрационным катком........................................ 216  Заключение ...................................................................................................... 221  Список литературы ......................................................................................... 223 

4

Введение Автоматизация технологических процессов строительства на основе применения современных измерительных и информационных технологий является одним из актуальных направлений повышения качества и долговечности асфальтобетонных покрытий. Температура смеси при их строительстве – это определяющая характеристика, влияющая на основные эксплуатационные показатели готового покрытия. В зависимости от условий строительства конкретного дорожного объекта температура асфальтобетонной смеси (АБС) должна быть в рекомендуемых интервалах, что оказывает влияние на выбор технологии окончательного уплотнения. Многофакторность технологических процессов строительства дорожных покрытий значительно усложняет задачу машинистовоператоров при управлении, когда основными операциями являются укладка и уплотнение смеси. Без автоматизации этих процессов невозможны обеспечение эффективности и достижение нормативных характеристик дорожных покрытий. Современное развитие автоматизированных систем управления (АСУ) дорожно-строительными машинами характеризуется внедрением «интеллектуальных» систем управления. Достоинством таких систем является то, что они обеспечивают приспосабливаемость объектов управления к реальным условиям. Несмотря на большое количество научных работ в области дорожного строительства, существует много нерешенных задач, в том числе связанных с комплексной автоматизацией процессов укладки и уплотнения дорожных покрытий.

5

1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА Дорожное строительство является одним из приоритетных направлений развития народного хозяйства Российской Федерации. Федеральной целевой программой «Развитие транспортной системы России (2010–2015 гг.)» предусмотрено значительное увеличение протяженности сети автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием. Остроту проблемы строительства дорог подчеркнул Президент РФ 26 апреля 2007 г. (Послание Президента РФ Федеральному собранию РФ): «Плохое состояние наших дорог, а порой и само их отсутствие является серьезным тормозом для развития. Ежегодная сумма экономических потерь оценивается более чем в 3 % ВВП. Вспомним, что на всю оборону мы с вами тратим 2,7 % ВВП в год». Для удовлетворения потребности в инновационном социально ориентированном развитии российской экономики и общества и оказания качественных конкурентоспособных транспортных услуг Министерством транспорта РФ разработана Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года, утвержденная Распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 ноября 2008 года № 1734-р. Цели, поставленные в Транспортной стратегии, потребуют от всего комплекса дорожного строительства увеличения объемов дорожно-строительных работ, улучшения качества покрытий, развития проектной, нормативной и технической документации. К 2025 г., по прогнозам аналитиков, Россия будет иметь 500–550 автомобилей на 1000 жителей, а это уже близко к уровню благополучных в дорожном плане США и Германии. Территория США в 2 раза меньше, а население в 2 раза больше, чем в России. Американская сеть дорог превышает российскую в 8 раз. По их дорогам передвигается 242 млн автомобилей [149], а по нашим – только 42 млн. Простая арифметика показывает, что на 1 км американской дороги приходится в среднем в 2 раза меньше автомобилей. А если учесть существенно большую многополосность дорог США, то на 1 км одной полосы движения в России их будет в 3–4 раза больше [76, 82]. По официальной дорожной статистике в США имеется 4,2 млн км (100 %) дорог с твердыми покрытиями, из которых 4,1 млн км 6

(97,6 %) с асфальтобетонными покрытиями, а 100 тыс. км (2,4 %) – с цементо-бетонными [149]. По состоянию на 2009 г. в России асфальтобетонные покрытия составляют 57 %, бетонные – 2 %, остальные – 41 % [150], т. е. дорожные покрытия нежесткого типа.

1.1. Анализ технологических процессов строительства асфальтобетонных покрытий Малое количество и низкое качество автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием – главные недостатки российской дорожной отрасли. Имеются и значительные проблемы качества асфальтобетонных смесей и управления технологическими процессами строительства. В последнее время много говорят о необходимости изменения, пересмотра отечественного ГОСТ 9128–2009 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия», внедрения новых способов проектирования и испытания асфальтобетонов, а также гармонизации с евронормами и даже перехода на европейские стандарты при строительстве дорог федерального значения (в течение двух лет) [116]. Европейские нормы и стандарты на качество асфальтобетонных покрытий в свете новейших американских исследований и разработок по программе Superpave можно считать уже практически вчерашним днем. Сами европейцы изучают итоги выполнения этой программы. И не исключено, что нынешние стандарты Европы будут модернизированы на манер американских. И тогда Россия в очередной раз окажется в хвосте дорожного научно-технического прогресса. К тому же сегодняшние евростандарты на битумы, асфальтобетоны и покрытия разрабатывались для менее суровых, чем российские, погодноклиматических условий, даже с поправкой на север Европы (Норвегия, Швеция, Финляндия). На сегодняшний день в Европе и США на наиболее загруженных трассах, как правило, применяются следующие конструкции дорожных покрытий, обеспечивающие высокую стойкость к колееобразованию, в том числе воздействию шипов покрышек (абразивный износ): 1) двухслойное покрытие SMA (ЩМА): нижний слой из щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси SMA 16 или SMA 22, верхний слой – из SMA 10; 7

2) двухслойное покрытие: нижний слой – из SMA 16 или SMA 22, верхний слой – тонкослойное износостойкое покрытие прерывистого (открытого) грансостава (OGFC) или «Novachip»; 3) двухслойное покрытие: нижний слой – крупнозернистый жесткий плотный асфальтобетон с высоким содержанием щебня (до 65– 75 %); верхний слой – тонкослойное износостойкое покрытие открытого грансостава (OGFC), либо Novachip, либо SMA 10. Финские нормы на асфальт [175] рекомендуют в качестве покрытия на магистралях с высокой интенсивностью движения применение асфальтобетонов с повышенной крупностью каменного заполнителя – SMA 16 и SMA 22. Использование таких вариантов связано с обеспечением устойчивости покрытия против абразивного износа шипованными автомобильными шинами. Российские аналоги: SMA 16 – ЩМА 20 по ГОСТ 31015– 2002, SMA 22 – ЩМА 30 по СТО ЗАО «ВАД» 3490716.042–2012. Российскими аналогами тонкого слоя износа Novachip является тонкослойное покрытие из горячей битумоминеральной смеси БМС 0/10 или БМС 0/15 по СТО ЗАО «ВАД» 3490716.17–2009 [116]. При знакомстве с результатами исследований по Superpave можно отметить два обстоятельства. Во-первых, суровые условия эксплуатации российских дорог в Сибири, на Дальнем Востоке и Севере. По Superpave, в каждом из таких регионов России, Казахстана или США, где низкие зимние и высокие летние температуры воздуха, дорожное асфальтобетонное покрытие должно содержать битум определенного сорта и марки. В этом случае покрытие не будет иметь хрупких температурных трещин зимой и одновременно пластических сдвигов в виде колеи в жаркое летнее время. Американцы научились управлять свойствами битумов и создавать такие марки, которые были бы пригодны для покрытий дорог Европы, Канады, России или других стран, в том числе и для 10 выделенных районов США. Американские специалисты помогли дорожникам Казахстана разделить страну на температурные зоны с конкретными марками наиболее пригодных по трещиностойкости и колейности битумов для каждой из них. Второе обстоятельство связано с данными мировой дорожной статистики, в соответствии с которой есть три главные причины появления на асфальтобетонных покрытиях дефектов и разрушений: 50 % – низкое, в т. ч. неоднородное (неравномерное), качество уплотнения асфальтобетона; 30 % – плохой подбор гранулометрического состава асфальтобетонной смеси или отступления от разработанных рецептов; 8

20 % – низкое качество материалов в составе смеси, битумов, плохое покрытие частиц смеси битумом при перемешивании на АБЗ, низкая адгезия (прилипание) битума к частицам смеси [102]. Из этих данных можно сделать вывод о возможности значительного улучшения качества строительства асфальтобетонных дорожных покрытий с уменьшением до 50 % всех дефектов и разрушений [76, 82] за счет качественной укладки и уплотнения АБС. Отряд дорожно-строительных машин (ОДСМ) по укладке и уплотнению АБС включает асфальтоукладчик и звено катков соответствующих типов (легкого, среднего, тяжелого) и марок. Качество уплотнения асфальтобетона в покрытии. Известны данные [61, 95], показывающие, что чем выше плотность слоя АБС после асфальтоукладчика, тем ровнее и долговечнее готовое дорожное покрытие. Прочность, деформативная устойчивость и срок службы до первых дефектов и разрушений асфальтобетона в дорожном покрытии зависят не только от его гранулометрического типа и вяжущего компонента, но и в значительной мере от степени или коэффициента его уплотнения. Сравнение минимально требуемых норм коэффициента уплотнения асфальтобетона России и Европы с новыми американскими стандартами (российский 0,98 соответствует 91,3 %, 0,99 – 93,1 %, а европейская норма 97 % по Маршаллу – всего 91,7 % по Superpave) свидетельствует о непригодности ныне действующих российских стандартов для определения качества и сроков службы покрытий будущих отечественных дорог. Чтобы обеспечить степень уплотнения асфальтобетонного покрытия 96 % по Superpave, сегодня нужно иметь коэффициент уплотнения не менее 1,01–1,02, что достаточно трудно и сложно, хотя вполне реально в современных условиях с учетом имеющихся технологических возможностей дорожной отрасли Российской Федерации [81]. Технология строительства асфальтобетонных покрытий. Это совокупность рациональных методов подготовки минеральных материалов, битума, поверхностно-активных веществ и пластификаторов, их смешения, хранения и транспортирования, а также укладки и уплотнения до требуемой плотности. Эта функциональная система включает в себя материально-технические ресурсы (в т. ч. контрольно-измерительные приборы и оборудование), временные и трудовые ресурсы, а также регламент их взаимодействия (рис. 1.1). Цель технологии – получение при условии обеспечения безопасности жизнедеятельности заданного проектом качества асфальтобетонного покрытия с минимальной себестоимостью работ. 9

Технологический процесс 3

Приёмочный контроль качества покрытия

Нарезка деформационных швов

Устранение дефектов

Соединение полос и уплотнение смеси

Операции формования покрытия из смеси

Укладка

Подготовка основания

Выгрузка

Транспортные операции

Перевозка

Отгрузка и хранение смеси в накопительном бункере

Приготовление смеси

Загрузка

2

Подготовительнопроизводственные операции Технологическая подготовка производства

Выходной контроль качества

1

Операционный контроль качества Территориальная комплексная система управления качеством работ

Рис. 1.1. Структурная схема технологического процесса строительства асфальтобетонного покрытия

Она достигается направленным структурообразованием асфальтобетона в течение четырех периодов технологического процесса: подготовительного, основного, завершающего и эксплуатационного. Каждый период структурообразования влияет на комплекс свойств асфальтобетонного покрытия. Для получения покрытия с требуемыми свойствами необходимо уметь управлять технологическим процессом дорожного строительства [166]. Для решения текущих и перспективных задач управления дорожной отраслью наиболее эффективно использование системного подхода как метода комплексного изучения сложных систем и процессов. Сложная система рассматривается с позиции системного подхода при условии, если её можно условно или физически расчленить на более простые взаимосвязанные части. В свою очередь, каждую часть можно рассматривать как сложный объект, состоящий из более простых элементов. Рассмотрев технологический процесс строительства дорожного покрытия с позиций системного подхода как сложную техническую систему, можно выделить следующие этапы, оказывающие влияние на формирование структуры асфальтобетона: 10

1) приготовление асфальтобетонной смеси; 2) укладка и уплотнение горячей смеси в дорожное покрытие; 3) эксплуатация асфальтобетонного покрытия. Создание основного сооружения дорожного строительства – покрытия автомобильной дороги – происходит в технологическом процессе двух первых этапов. Третий обеспечивает поддержание рабочего состояния сооружения в период срока службы дорожного покрытия нежесткого типа и традиционно рассматривается как отдельная сложная организационно-техническая система. Выходом первого этапа системы является горячая асфальтобетонная смесь соответствующей марки, имеющая температуру до 180 оС. Её транспортировка до объекта в каждом конкретном случае имеет свою специфику. Время на перевозку смеси от места производства до места укладки зависит от удаленности асфальтобетонного завода, интенсивности движения потоков автотранспорта, количества дорожных пробок в городских условиях. На этом этапе происходит остывание поверхностного слоя смеси в местах его контакта с воздухом и кузовом автосамосвала. Тяжелые фракции осаждаются на дне кузова автосамосвала, что приводит к образованию температурной и фракционной сегрегации (расслоению) смеси. Визуально она проявляется в виде дефекта – полос разной шероховатости. В результате вместо качественного покрытия образуется неровная дорога с низкой прочностью и долговечностью. Температурную сегрегацию можно обнаружить лишь с помощью инфракрасной камеры. Изза малой теплопроводности охлажденные до 70–80 оС слои (корки) вызывают образование недоуплотненных пятен, повышенное влагонасыщение, пониженную прочность и сдвигоустойчивость. Из многочисленных факторов, влияющих на долговечность дорожного покрытия, можно выделить два. Это его ровность и однородная плотность. Учитывая современный высокий уровень автоматизированного производства, возможности получения качественных смесей, технические средства, устраняющие сегрегацию смеси на этапе её подачи в бункер укладчика, с технологической точки зрения для развития систем управления можно выделить период структурообразования дорожного покрытия нежесткого типа. Во время него формируется структура асфальтобетона с эксплуатационными показателями дорожного покрытия (плотность, пористость, водонепроницаемость). Входным компонентом второго этапа системы (технологические процессы укладки и предварительного уплотнения смеси рабочим ор11

ганом укладчика, уплотнение её дорожными катками в различной комбинации) является горячая смесь, имеющая температуру до 160 оС; выходным – дорожное покрытие нежесткого типа с заданными профилем и ровностью и проектным (заданным) коэффициентом уплотнения Ку. Внешние возмущения, действующие на объекты управления, характеризуются многочисленными факторами изменения характеристик смеси, неровностью основания, отклонением плотности основания, режимами технологических процессов, динамикой подсистем асфальтоукладчика и дорожных катков и т. п. Основные технологические процессы устройства дорожных покрытий нежесткого типа – укладка и уплотнение смеси – отличаются значительной сложностью из-за влияния большого количества факторов, действующих на динамическую систему. Это температура АБС, окружающего воздуха, температурная и фракционная (гранулометрическая) сегрегация АБС, толщина уплотняемого слоя, свойства уплотняемой среды при деформировании рабочими органами ОДСМ, значения коэффициента уплотнения после прохода асфальтоукладчика и дорожных катков, релаксация асфальтобетонной смеси и другие. Идентификация такой стохастической динамической системы весьма затрудняется из-за нелинейности функциональных зависимостей основных технологических процессов и вероятностного характера поведения среды. Конструкция автомобильных дорог представляет собой сложное инженерное сооружение, которое включает слои из материалов с различными физико-механическими свойствами: грунт; каменные материалы; асфальто- и цементобетон. Наибольшее распространение получили следующие конструкции дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием (рис. 1.2) [163]: двухслойное на двухслойном основании (рис. 1.2, а); двухслойное на однослойном основании (рис. 1.2, б); однослойное асфальтобетонное покрытие на двухслойном основании (рис. 1.2, в). Прочность и долговечность этого типичного многокомпонентного материала зависят от однородности его структуры, процесс формирования которой очень сложен и требует учета разнообразных факторов. Основные из них – температурные параметры смеси и режим уплотнения. Структура асфальтобетона, определяющая его прочность и долговечность, в значительной степени формируется в результате уплотнения. Сущность уплотнения заключается в увеличении количества связей в материале и их упрочнении. Чем больше насыщенность связями единицы объема материала и прочнее эти связи, 12

тем прочнее слой из асфальтобетона [162]. В современных условиях основным средством окончательного уплотнения дорожностроительных материалов на линейных объектах являются катки различных типов.

а

б

в

Рис. 1.2. Конструкции дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием: 1 – верхний слой покрытия; 2 – нижний слой покрытия; 3 – верхний слой основания; 4 – нижний слой основания; 5 – слой основания; 6 – дополнительный слой основания

Несмотря на большую практику использования технологии уплотнения и значительный объем научно-исследовательских работ по изучению уплотняющей техники, единый подход к оценке требуемых и достигнутых результатов отсутствует. Анализ современных средств механизации, методов контроля качества дорожных работ, нормативных документов на проектирование и строительство дорог позволяет сделать вывод о необходимости совершенствования критериев уплотнения. Укладка и уплотнение асфальтобетонной смеси выполняются комплектом дорожно-строительных машин «асфальтоукладчик (с различной компоновкой рабочих органов, например трамбующий брус, выглаживающая виброплита, прессующие планки) – дорожные катки (статические, вибрационные)». Для обеспечения качества строительства дорожного покрытия нежесткого типа в процессе укладки и уплотнения необходимо учитывать большое число технологических и режимных факторов: скорость движения асфальтоукладчика и дорожных катков; температуру поверхности покрытия; заданную ровность; параметры трамбования и вибрации; плотность дорожного покрытия; коэффициент уплотнения. А потому требуется управлять процессами динамической технической системы в условиях априорной неопределенности, характеризующимися нелинейностью основных зависимостей рабочего процесса. 13

Асфальтоукладчики оснащаются АСУ, обеспечивающими необходимый профиль и ровность покрытия. Но они не имеют подсистем автоматизированного управления процессом уплотнения. Практика дорожного строительства показала, что чем выше плотность асфальтобетона после прохода укладчика, тем ровнее и долговечнее готовое асфальтобетонное покрытие. Уплотняющая способность асфальтоукладчиков, а также машин с аналогичными уплотняющими органами, реализующих технологии восстановления старых дорожных покрытий – reshope, regrip, repave, remix, remix+, по данным исследований зарубежных и российских ученых, позволяет добиться максимального (нормативного) коэффициента уплотнения, но ручное управление этим процессом является неэффективным из-за отсутствия приборов текущего контроля степени уплотнения и большой производственной нагрузки на машинистаоператора. При управлении дорожным катком машинист-оператор должен подбирать режимы, учитывая текущую температуру асфальтобетонного покрытия, чтобы вовремя изменять давление, скорость движения, направление, амплитуду и частоту вибрации, прогнозировать число проходов, плавность переходов на реверсирование при перемещении на другую полосу. Сложность ручного управления дорожным катком заключается в том, что значения всех этих параметров надо правильно подобрать, чтобы он работал в оптимальном режиме и обеспечивал заданный коэффициент уплотнения. Оператор в таких условиях делает много ошибок. Решение задачи оптимального управления может быть достигнуто только при автоматизации этих процессов. Зарубежные производители вибрационных катков предлагают контрольно-измерительные системы (АСЕ – Ammann Compaction Expert компании Ammann), различные АСУ процессом уплотнения (Asphalt Manager фирмы Bomag), адаптированные к своим типам вибрационных катков. Эти и другие аналогичные системы управления позволяют осуществлять непрерывный контроль за степенью (коэффициентом) уплотнения, настраивать амплитуду и частоту колебаний вальца в зависимости от скорости дорожного катка и температуры поверхности асфальтобетонного покрытия. Результаты работы современных дорожных катков не гарантируют получения качественных асфальтобетонных покрытий: брак составляет до 65 % [91]. Основные проблемы: отсутствие автоматизации управления при реверсировании, переходе с одной полосы на 14

другую, отсутствие учета изменения температуры при управлении процессом уплотнения асфальтобетонной смеси. В Российской Федерации производство дорожных катков растет (рис. 1.3) [109]. В 2010 г. начался рост российского рынка дорожных машин после мирового финансового кризиса.

«Кауф» 7%

Прочие 4% ОАО «Раскат» 51 %

ООО «Завод дорожных машин» 38 %

а

«Кауф» 2%

Прочие 2%

ООО «Завод дорожных машин» 27 %

ОАО «Раскат» 69 %

б Рис. 1.3. Производство дорожных катков в РФ: а – в 2009 г.; б– 2010 г.

15

Качество отечественных дорожных катков непрерывно улучшается. Так, в ОАО «Раскат» (на ведущем предприятии РФ, выпускающем дорожные катки) внедрены система менеджмента качества, соответствующая требованиям ГОСТ Р ИСО 9001–2008 «Системы менеджмента качества. Требования», и система экологического менеджмента, соответствующая требованиям ГОСТ Р ИСО 14001–2007 «Системы экологического менеджмента. Требования и руководство по применению», в составе интегрированной системы менеджмента. Основные конкуренты отечественных предприятий на российском рынке дорожных катков даны в табл. 1.1. Таблица 1.1 Доли зарубежных компаний на российском рынке дорожных катков* Компания

Доля на рынке, % 7,0 19,0 13,0 5,0 4,0 7,0 12,0 10,0 1,0

Dynapac Hamm Bomag Caterpillar JCB Ammann Китайские производители Японские производители Прочие

800 700 600 500 400 300 200 100 0

706 378

339

158 54

58

263 127

2009 г. 2010 г.

Количество ед., шт.

* Годовой отчет ОАО «Раскат» за 2010 г. URL: http://www. raskat.yaroslavl.ru

Рис. 1.4. Российский рынок дорожных катков

16

В 2010 г. объем импорта новой дорожной техники превысил объем бывших в употреблении машин в 2,5 раза (рис. 1.4) [109]. Объем рынка в 2010 г. вырос в 3 раза по сравнению с 2009 г. (табл. 1.2). Таблица 1.2 Российский рынок дорожных катков Год 2009 2010

Производство в РФ 158 378

Производство в Республике Беларусь 54 58

Импорт, новые 339 706

Импорт, б/у 127 263

На фоне подтвержденного качества отечественных дорожных катков проявляется их значительный недостаток по сравнению с зарубежными аналогами – отсутствие автоматических систем управления процессом уплотнения. Представители ОАО «Раскат» только заявляют о продолжении разработки АСУ [101]. Внедрение в производственный процесс дорожного строительства автоматизированных дорожных катков тормозится из-за высокой стоимости АСУ (например, цена модели 3D Trimble GCS-900 для вибрационного катка около 3 млн руб. URL: http://www.geotehdv.ru/ product/93/154, а также субъективных факторов (отсутствие подготовленных кадров, нежелание внедрять автоматизированные катки). Асфальтобетонные смеси, используемые в дорожном строительстве, в большинстве случаев соответствуют требованиям современных нормативных документов. На качество асфальтобетонных смесей и асфальтобетона существенное влияние оказывают все элементы производственно-технологического комплекса: состав асфальтобетонной смеси – характеристики ее компонентов (крупный заполнитель – щебень, мелкий заполнитель – песок, минеральный порошок, битум и добавки) и их вариаций; производственные факторы – хранение; предварительное дозирование песка и щебня; сушка песка и щебня в сушильном барабане; сортировка компонентов по фракциям; дозирование всех компонентов смеси; приготовление смеси в смесителе; подача готовой смеси на склад; транспортировка в автосамосвалах, укладка и уплотнение асфальтоукладчиками, дорожными катками. В России асфальтобетонные заводы имеют разные источники (месторождения, предприятия) исходных материалов (отличающиеся 17

по основным характеристикам), технический уровень оборудования и технологии производства. Не следует забывать, что физический износ оборудования, например дозаторов, приводит к ухудшению качества и, как следствие, значительному колебанию величины прочности асфальтобетона. В каждом конкретном случае транспортировка смеси отличается по дальности, времени доставки, скорости движения, температуре окружающей среды, грузоподъемности и конструкции автосамосвалов и другим параметрам. Укладка и уплотнение смеси выполняются асфальтоукладчиками и дорожными катками различных моделей (рис. 1.5).

Тракторный блок F121C: 50–100 мм 3,00–6,00 мм 2,4–9,5 м/мин

Плита VB510TV: частота трамбования 8–25 Гц

Каток CC142 (начальное уплотнение): 2 прохода 4 км/ч 5 заездов 43–100 м

Тип смеси Число пенетрации Максимальный размер частиц, мм Время уплотнения, мин

Каток CC424HF (основное уплотнение): 4 прохода 5 км/ч 4 заезда 58–100 м

Каток СS142 (финишное уплотнение): 2 прохода 8 км/ч 3 заезда

Плотный асфальтобетон Полимерная модификация 26 45

Рис. 1.5. Машины по укладке и уплотнению асфальтобетонного дорожного покрытия [85]

Для обеспечения высокого качества строительства покрытия необходимо учитывать большое число факторов, руководить процессами сложной технической системы в условиях априорной неопределенности, характеризующейся трудностью описания уплотняемой среды, нелинейностью основных зависимостей рабочего процесса. Для решения этой задачи важно уменьшить число факторов технологического процесса «производство – укладка и уплотнение асфальтобетонной смеси». Можно предположить, что факторы этапа дорожного строительства – укладка и уплотнение – являются основными при 18

различных значениях показателей компонентов, производства и транспортировки (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Процессы укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси [190]

Обеспечить высокое качество готового асфальтобетонного покрытия независимо от характеристик поступающей на объект смеси можно, изменив следующие режимные параметры комплекта дорожно-строительных машин «асфальтоукладчик – дорожные катки»: частоту вращения эксцентрикового вала трамбующего бруса; величину хода трамбующих брусьев; частоту вибрации выглаживающей плиты; частоту вибрации вальцов; скорость дорожных катков; амплитуду колебания вальцов; направление вибрации вальцов. Тогда задача адаптивного управления технологическим процессом упрощается. Важным качественным показателем работы асфальтоукладчика является достигнутая степень уплотнения асфальтобетонной смеси, так как от этого зависит не только подбор необходимых типов и количества катков для последующей ее укатки, но и технологические приемы выполнения операции уплотнения. Практика дорожного строительства показала, что чем выше плотность асфальтобетона после работы укладчика, тем ровнее и долговечнее готовое асфальтобетонное покрытие. В зависимости от коэффициента уплотнения количество катков, идущих за укладчиком, можно сокращать, что способствует росту производительности дорожного строительства, снижению себестоимости покрытия. Но полностью исключить их использование при существующих технологиях нельзя, потому что они нужны для закрепления достигнутого значения коэффициента уплотнения смеси и повышения структурной прочности асфальтобетона за счет усиления распора его частиц с одновременным поддержанием повышающейся клеящей способности битума при понижении его температуры. 19

Изучением технологических процессов строительства асфальтобетонных покрытий занимаются ученые и коллективы различных учебных и научно-исследовательских организаций. Научные основы исследований взаимодействия рабочих органов уплотняющих машин с дорожно-строительными материалами заложили такие отечественные ученые, как В. Ф. Бабков, В. И. Баловнев, Н. Я. Хархута, О. Т. Батраков, А. К. Бируля, Н. Н. Вощинин, Л. Б. Гезенцвей, Н. В. Горелышев, В. В. Дубков, М. П. Костельов, Н. Н. Иванов, В. Б. Пермяков, А. А. Шестопалов, С. Н. Иванченко, А. В. Захаренко, А. А. Иноземцев, А. Я. Калужский, И. В. Королёв, М. Н. Летошнев, И. А. Рыбьев, А. М. Холодов, М. А. Завьялов, А. Ф. Зубков, Г. В. Кустарев и другие. Следует отметить научные работы зарубежных учёных П. Бёмера, Л. Форсблада, Д. Вайта, М. А. Муни, Р. Андирега, К. Кауфманна, Д. Адама и других. Полученные авторами теоретические и эмпирические зависимости позволяют решать задачи прикладных научных исследований и проектирования конструкций машин, установления усилий в металлоконструкциях и т. п. Но при разработке системы автоматического управления в связи со сложностью и непрерывностью изменений параметров процессов строительства покрытий, свойств стохастической динамической системы использование математических моделей имеет существенные недостатки. Идентификация дорожно-строительной машины (например, асфальтоукладчика) как нелинейного дискретно-непрерывного динамического объекта представляет собой задачу, с которой сталкиваются разработчики управляемых систем такого класса. Закон управления рабочим процессом в зависимости от показаний датчиков должен быть заранее определен на основании анализа математической модели динамики объекта – движения трамбующего бруса и вибрационной плиты укладчика в тех или иных возможных условиях – и записан в контроллере. Возникает необходимость разработки математической модели объекта и получения ее обратного решения, которое показывает, какие воздействия следует развить рабочему органу, чтобы в текущих условиях настроить режимные параметры объекта в соответствии с заданным (желаемым) состоянием уплотнения смеси. Обычно математическая модель динамического объекта представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, которые описывают движение как твердотельных элементов рабочего органа, так и его осциллирующих элементов. Значения коэффициентов устанавливают по результатам экспериментальных испытаний. 20

Проблема состоит в том, что создать точную математическую модель асфальтоукладчика, дорожного катка с уплотняющим рабочим органом, воздействующим на смесь, можно, но со значительным количеством допущений. Применение системного подхода с целью учета основных элементов укладчика (дорожного катка) делает его математическую модель избыточно сложной. Задача усложняется из-за того, что свойства реального асфальтоукладчика постоянно изменяются даже в течение одной смены. В их числе его масса, которая изменяется в результате колебания массы асфальтобетонной смеси в бункере; температурный режим укладки и уплотнения; характеристики основания, на которое укладывается покрытие (плотность, ровность) и т. п. Поэтому любая зафиксированная математическая модель в целом оказывается неточной, а качество управления, следовательно, имеет предел. В работе А. И. Доценко [31] рассмотрены вопросы, посвященные созданию методологической основы для комплексной автоматизации производства асфальтобетонной смеси с учетом процессов её транспортировки, укладки и уплотнения на базе современных информационных технологий. Он впервые предложил комплексную автоматизацию производства смеси, т. е. учитывающую результаты работы машин на этапе дорожного строительства – укладке и уплотнении асфальтоукладчиком и дорожными катками. На основе современных средств автоматики и автоматизации автор предложил технологию, предполагающую своевременное информирование дирекций асфальтобетонных заводов (АБЗ) о возникающих дефектах во время укладки и уплотнения смеси в целях оперативной корректировки рецептуры смеси и технологии ее производства. Такая идея является очень привлекательной, но для отрасли Российской Федерации по производству дорожно-строительных материалов характерно большое отличие технического уровня и состояния оборудования АБЗ в регионах, а также отсутствие предприятий полного цикла (от производства асфальтобетонной смеси до получения готового асфальтобетонного покрытия), где можно было бы внедрять комплексную систему управления качеством смеси. Следовательно, можно сделать вывод о необходимости разработки системы автоматизированного управления комплектом машин «асфальтоукладчик – дорожные катки», которая должна, независимо от качества подаваемой асфальтобетонной смеси, адаптировать режимы технологического процесса и обеспечивать рациональные характеристики готового асфальтобетонного покрытия. 21

Авторами многих научных работ [132] было установлено, что варьирование режимами асфальтоукладчика (скорость движения, режимные параметры работы трамбующего бруса и плиты) оказывает большое влияние на степень предварительного уплотнения различных смесей. Получены зависимости коэффициента уплотнения от скорости движения, частоты трамбования, типа смеси. Значительные по объему экспериментальные исследования уплотняющих рабочих органов проведены в НПО «ВНИИстройдормаш». Они проводились на стенде-укладчике, оборудованном тензометрической аппаратурой, при уплотнении аналога песчаной асфальтобетонной смеси типа «Д». Вид полученных зависимостей нелинейный, что подтверждается результатами научных исследований В. Б. Пермякова, С. Н. Иванченко и других авторов [61, 78, 100, 117, 132]. В этих работах смеси рассматриваются как упруговязкопластический материал, свойства которого зависят от скорости деформирования и уровня напряженного состояния в уплотняемом слое. Один цикл уплотнения смеси асфальтоукладчиком представляет собой несколько ударов трамбующего бруса (например, при скорости 3,2 м/с и частоте трамбования 22 с-1 около пяти ударов ударной части бруса размером 12 мм), после которых достигается требуемая степень уплотнения смеси. При постоянной скорости v = const цикл уплотнения характеризуется как одинаковый промежуток времени, за который в зависимости от частоты трамбования будет происходить несколько ударов. Научно-технической задачей является разработка системы управления процессом, которая должна обеспечивать необходимую (заданную) степень уплотнения за этот промежуток времени без участия машиниста-оператора. Развитие цифровых компьютерных технологий, их внедрение в разные отрасли отразились и на дорожно-строительных машинах. Ведущие производители машин предлагают дорожным строителям вибрационные катки с «интеллектуальным уплотнением» (Intelligent Compaction – IC), в которых выходная мощность регулируется автоматически, что исключает недо- и переуплотнение материала. Фирмы Ammann, Bomag и Dynapac [1] выпускают машины с системой IC, готовые к работе на грунте и щебёночных основаниях, причём у первых двух фирм есть такие модели и для асфальтобетона. Фирма Caterpillar официально представила грунтовой каток с системой IC в 2007 г., а асфальтовую модель – примерно через год. Фирма Sakai вышла на североамериканский рынок с катками IC обоих типов в 2008 г. Эти события указывают на следующую тенденцию: обеспе22

чить максимальное уплотнение грунтового основания и асфальтобетонного покрытия дорожными катками. Но, как было отмечено выше, для получения необходимого качества дорожного покрытия важно обеспечение рациональной степени предварительного уплотнения смеси, получаемой после прохождения асфальтоукладчика. Следовательно, развитие систем автоматического управления дорожно-строительными машинами определилось в направлении «интеллектуальных» АСУ, с чем согласны авторы настоящей работы. В соответствии с методом системного анализа представляется актуальной разработка комплексной системы автоматизированного управления комплектом дорожно-строительных машин «асфальтоукладчик – дорожные катки», управляющие системы которых строятся не на основе математических моделей, а на подходах, характерных для задач анализа «чёрного ящика». Это подходы, использующие экспертные системы, нечеткую логику, искусственные нейронные сети, гибридные системы и т. п. Достоинством таких систем является то, что они адаптивные и основаны не на математических моделях объектов управления. При этом закон управления выводится либо в результате автоматического обучения по информации с датчиков, либо в результате записи в управляющую систему знаний человекаэксперта (в формализованном виде). Необходимость совершенствования систем управления дорожностроительными машинами, комплексной автоматизации технологических процессов диктуется наличием нерешенных научноисследовательских задач аналитического описания процесса уплотнения различных сред, отсутствием разработок и исследований систем управления уплотняющих машин с учетом динамики подсистем гидропривода. Идея работы заключается в совершенствовании методов автоматизации и управления технологическими процессами строительства асфальтобетонных дорожных покрытий за счет разработки системы управления машинами базового дорожно-строительного комплекта «асфальтоукладчик – дорожные катки», их эффективного взаимодействия на основе применения современных технических средств и информационных технологий. Разработка методов автоматизированного управления дорожностроительными машинами «асфальтоукладчик – дорожные катки», обеспечивающих укладку и уплотнение смесей, заключается в том, что режимные параметры машин адаптируются под изменяющиеся 23

условия технологических процессов с учетом характеристик дорожно-строительных материалов, других возмущающих факторов для получения заданной степени уплотнения асфальтобетонной смеси, являющейся косвенной гарантией долговечности дорожного покрытия, без непосредственного участия человека-оператора, что увеличивает эффективность работ, повышает эксплуатационные показатели, продлевает сроки службы дорог.

1.2. Системы нивелирования для асфальтоукладчиков Технологическая настройка укладчиков призвана обеспечить наиболее высокое качество укладки и предварительного уплотнения слоев асфальтобетонного основания или покрытия и является важным элементом системы управления качеством асфальтобетонных работ на дороге [77]. Она осуществляется перед началом рабочих операций и ведется с учетом конструктивных и технологических возможностей и особенностей выбранного укладчика, а также заложенных в проект производства работ (ППР) приемов выполнения и контроля этих операций. Самыми важными и потому непрерывно контролируемыми являются пять показателей основания или покрытия (еще до начала работы катков): ширина полосы укладки; поперечный уклон поверхности слоя укладки; начальная толщина уложенного слоя; степень предварительного уплотнения; ровность поверхности уложенного слоя. Первые три показателя (нормы отклонения от проекта) задаются проектом и СНиП 3.06.03–85 «Автомобильные дороги». Однако заказчика интересует фактическая толщина слоя готового покрытия, а не ее значение в рыхлом слое. Два же последних показателя не задаются проектом и не нормируются СНиПом, но без знания их начальных значений невозможно управлять процессом укладки и обеспечивать требуемые конечные параметры по плотности, толщине слоя и ровности готового основания или покрытия. С шириной полосы укладки и заданием поперечного уклона трудностей и проблем практически не возникает при условии, что операторы рабочего органа укладчика периодически, но непрерывно и в течение всего процесса контролируют их с помощью уровня на 3метровой рейке. 24

Степень предварительного уплотнения слоя сразу после прохода укладчика. Это важный качественный показатель действия рабочего органа укладчика, ибо от него зависит не только подбор необходимых типов и количества катков для последующей укатки смеси, но и технологические приемы выполнения этой важной и сложной операции. Практика показала, что чем выше плотность смеси после прохода укладчика, тем ровнее готовое покрытие. Рабочие органы асфальтоукладчиков обеспечивают профилировку, уплотнение смеси и отделку поверхности. В качестве уплотняющего оборудования на современных асфальтоукладчиках применяют систему «брус – плита» [96]. Комбинации элементов «трамбующий брус», «качающийся брус», «прессующие планки», «статическая плита», «виброплита» дают всё многообразие известных систем рабочих органов. Наибольшее распространение в настоящее время получили рабочие органы с трамбующими брусьями и выглаживающей плитой. По характеру колебания различают системы с качающимися брусьями, с одновременным перемещением в горизонтальном и вертикальном направлениях и с трамбующим брусом, который колеблется в вертикальной плоскости. Последняя получила наибольшее распространение. Привод рабочих органов гидравлический, что позволяет бесступенчато регулировать режимы работы. Приоритетное применение объёмного гидропривода объясняется рядом его преимуществ: простота индивидуального привода; большой диапазон бесступенчатого регулирования скорости; простота реверсирования движения; высокий коэффициент полезного действия (КПД) и др. Это позволяет упростить компоновку асфальтоукладчика и подобрать наилучший режим при изменении условий работы (вид материала, толщина слоя и скорость движения асфальтоукладчика). Наибольшее распространение получили гидравлические приводы с дроссельным регулированием. Однако они имеют сравнительно низкий КПД, что является их основным недостатком. Фирма ABG на асфальтоукладчиках типа «Титан-511», «Титан411», «Титан-311», «Титан-355», имеющих производительность укладки 500 т/ч и более, устанавливает рабочее оборудование по типу «трамбующий брус – виброплита», которое состоит (рис. 1.7) из трамбующего бруса 1 предварительного уплотнения, трамбующего бруса 2 окончательного уплотнения и виброплиты 3. Отличительной особенностью данной конструкции является её простота в сочетании с высокой уплотняющей способностью. Недос25

татком такого уплотняющего рабочего органа можно считать лишь вертикальное воздействие на асфальтобетонную смесь, что является энергоёмким процессом при повышенном сопротивлении передвижению укладчика.

Рис. 1.7. Схема уплотняющего рабочего органа повышенного предварительного уплотнения: 1 – трамбующий брус предварительного уплотнения; 2 – трамбующий брус окончательного уплотнения; 3 – виброплита

Известна конструкция рабочего органа повышенного уплотнения (рис. 1.8) [7, 96], который устанавливается на асфальтоукладчике «Супер-1700» фирмы Vögele (Германия). Рабочий орган состоит из двух агрегатов: для предварительного и дополнительного уплотнения. Первый включает трамбовку 1 и виброплиту 2. Планка трамбовки движется вниз и вверх с помощью эксцентрикового вала. Второй следует за агрегатом предварительного уплотнения и представляет собой расположенные друг за другом прессующие планки 3 и виброплиту 4. Прессующие планки 3 прижимаются поршнями цилиндров к покрытию. Давление прессования зависит от опорной поверхности планки и возмущающей силы, передающей на неё импульсы давления. Давление изменяется в пределах 5–15 МПа и регулируется дросселем, частота импульсов находится в пределах 35–70 Гц и зависит от частоты вращения золотника. Таким образом, возмущающая сила зависит как от давления в гидросистеме, так и ускорения, которое приобретают планки при движении вниз. Благодаря ускорению возмущающая сила превышает массу прессующих планок. 26

Рис. 1.8. Схема уплотняющего рабочего органа повышенного уплотнения: 1 – трамбовка; 2 – виброплита; 3 – прессующие планки; 4 – виброплита

К достоинствам такого конструктивного исполнения рабочего органа асфальтоукладчика следует отнести возможность получения стандартной плотности при работе с асфальтобетонной смесью типа А (ГОСТ 9128–2009 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия») при скорости 3 м/мин [128] и экономии трудовых и энергетических ресурсов в этих условиях за счет исключения из технологической цепи средних и тяжелых дорожных катков. Но недостатков у такого рабочего органа значительно больше, чем достоинств. Ими являются следующие: большая масса и сложность конструкции; высокие эксплуатационные затраты (по сравнению с отечественными асфальтоукладчиками более чем в 6 раз [128]); коэффициент уплотнения смеси повышается в среднем лишь на 0,02 (в сравнении с данными, полученными при уплотнении рабочим органом предварительного уплотнения), что недостаточно, чтобы исключить применение средних и тяжелых катков; некачественное уплотнение из-за наличия прессующих планок, которые при поступательном движении не отрываются от материала и тем самым нарушают сплошность покрытия; большая энергоёмкость (пять уплотняющих элементов); высокая чувствительность к нарушению рецептуры материала; отсутствие надёжного механизма регулирования и настройки режи27

мов работы каждого из уплотняющих элементов в зависимости от изменения свойств материала [7, 128]. На современных асфальтоукладчиках фирма Vögele устанавливает раздвижной рабочий орган высокого уплотнения, содержащий трамбующий брус, виброплиту и две прессующие планки (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема уплотняющего рабочего органа производства фирмы Vögele. URL: http://www.wirtgenamerica.com

Таблица 1.3 Рекомендации фирмы Vögele по технологической настройке рабочего органа укладчиков Тип укладываемого слоя Верхний (износа) Нижний (несущий) Основание

28

Скорость укладки, м/мин Более 5 4–10 2–6

Трамбующий брус ЧастоХод, та, уд./ мм мин 300– 2–4 800 800 – 4 1 200 1 200– 4–7 1 600

Выглаживающая виброплита Давление, бар 50–80 70–90 80–100

Частота, мин-1 1 200–2 000 1 500– 2 500 2 000 – 3 000

Прессующие планки ДавлеЧастоние, та, Гц бар 45–70

58–68

60–90

59–68

90–110

58–68

Таблица 1.4 Рекомендации фирмы IR-ABG по технологической настройке рабочего органа укладчиков с двойным трамбующим брусом Технологические параметры Толщина укладки, мм Скорость укладки, м/мин Технологические параметры Величина хода трамбующего бруса, мм: спереди сзади Частота ударов трамбующего бруса, Гц Частота вибрации выглаживающей плиты, Гц

Нижний и верхний слои асфальтобетонного покрытия

Несущий слой асфальтобетонного покрытия (основания)

Влажные связные и несвязные несущие слои основания

Гранулированные щебеночные несущие слои основания

35–100

80–100

150–250

150–250

3–5

2–5

1,2–5

1,2–4

Нижний и верхний слои асфальтобетонного покрытия

Несущий слой асфальтобетонного покрытия (основания)

Влажные связные и несвязные несущие слои основания

Гранулированные щебеночные несущие слои основания

6; 0 5

9 или 12 5

12 5 или 9

12 5 или 9

15–25

25

25

25

40–70

70

70

70

В табл. 1.3 и 1.4 представлены рекомендации фирм Vögele и IRABG по технологической настройке рабочих органов укладчиков. При сравнении данных таблиц следует обратить внимание на два обстоятельства. Во-первых, фирма IR-ABG в отличие от фирмы Vögele достаточно определенно увязывает все параметры трамбующего бруса и выглаживающей плиты с указанными диапазонами значения 29

толщины слоев асфальтобетона и других материалов. Во-вторых, технологические параметры трамбующих брусьев (ход, частота) и выглаживающих виброплит (частота) имеют заметные различия в трактовке рекомендаций Vögele и IR-ABG, что обусловлено устройством самих машин. Ровность дорожного покрытия. Этот показатель обеспечивает система автоматического управления, которая контролирует высоту и уклон выравнивающей плиты асфальтоукладчика, точность распределения покрытия и его соответствие проектной толщине. Для автоматизации работы асфальтоукладчиков применяются АСУ зарубежного и российского производства. Системы нивелирования эволюционировали до сложных комплексов, использующих компьютерные технологии, лазер, глобальную спутниковую систему позиционирования. Наиболее известные поставщики систем нивелирования – Leica Geosystems (Leica PaveSmart 3D for Asphalt Pavers), Trimble (AccuGrade systems), Topcon (система System Five&SmoothTrac; система DC plus RSS; система 3D LPS; система 3D mmGPS; технология LPS), Moba. Они дают универсальные решения для монтажа приборов на строительные и дорожные машины любых марок. Есть и специализированные решения, когда фирмапроизводитель строительной техники предлагает систему, которую можно смонтировать на машину прямо на заводе. Из таких поставщиков известен производитель дорожно-строительной техники Wirtgen. Его система построена на аппаратуре фирмы Moba. Не так давно к поставщикам систем нивелирования присоединилась Caterpillar (AccuGrade systems). Система автоматического управления «Рельеф-01М» (Россия) [165] предназначена для стабилизации рабочего органа в продольной и поперечной плоскостях. Она состоит из пульта управления (ПУ), блока управления, регулятора уклона S 276M (РУ), регулятора высоты G 176M (РВ). Регулятор высоты G 176M и регулятор уклона S 276M вырабатывают сигнал ошибки положения плиты по отношению к нивелировочному тросу, определяющему продольный профиль дороги, и заданному углу наклона. Блок управления вырабатывает сигналы ошибки, поступающие с датчиков высоты и угла, и включает левый и правый гидроцилиндры асфальтоукладчика, возвращающие плиту в заданное положение. На пульте управления расположены тумблер включения питания системы, тумблер переключения режимов работы «ручной – автомат», индикатор включения питания, индикатор исправности системы. Уста30

новка необходимого порога чувствительности системы в продольной и поперечной плоскостях, а также требуемого угла наклона дорожного полотна осуществляется непосредственно с датчиков. Современные АСУ реализуют передовые технологии измерений, передачи информации и различные системы позиционирования. Всё большее применение в практике дорожного строительства находят бескопирные системы, работающие на принципе сканирования поверхности лазерным лучом (IR-ABG) или ультразвуком (Moba, Vogele). Системы АСУ, разработанные фирмой Moba, устанавливаются на моделях асфальтоукладчиков различных производителей в разных странах. Некоторые компании разрабатывают свои собственные системы. Так, Vögele создала свою ультразвуковую АСУ, Niveltronic, а американская Terex комплектует укладчики системой Topcon Paver System. При этом бесконтактные «лыжи» снабжаются пакетами ультразвуковых датчиков, что значительно повышает ровность получаемого покрытия. Достоинство этих систем заключается не только в увеличении ровности, но и в простоте монтажа. «Лыжа» с датчиками сканирования располагается непосредственно на асфальтоукладчике, перемещается вместе с ним и не требует перестановки оборудования в процессе работы, как это происходит с традиционными копирными устройствами. Примером расширения функций систем автоматического нивелирования за счет подключения 3D-управления является Navitronic® Plus, разработанная компанией Vögele, которая встраивается в систему Niveltronic® Plus [161]. Перечислим датчики, используемые в Niveltronic® Plus при нивелировании: 1. Регулируемый механический датчик высоты. В нем объединяются преимущества ультразвукового датчика и высокая точность механического датчика высоты. Может использоваться со щупами в виде «лыж» длиной 0,30, 1 и 2 м, скобы для слежения за копирной струной или буксируемой трубы, скользящей, как «лыжа», непосредственно по поверхности. 2. Ультразвуковой датчик высоты. Универсален в применении, не требует демонтажа при переходе укладчика с одного места работы на другое. 3. Датчик Big-MultiPlex-Ski. Расширяет возможности ультразвукового слежения за поверхностью. Представляет собой комбинацию 31

трех ультразвуковых датчиков, закрепленных на одной балке длиной до 13 м. Благодаря усреднению данных нескольких датчиков может использоваться на поверхностях с волнообразными неровностями большой протяженности, которые не могут быть выявлены отдельным датчиком. 4. Лазерный приемник. При нивелировании с ним высота укладки рассчитывается по результатам приема луча лазера. Лазерный приемник особенно удобен при работе на больших площадях (с постоянным уклоном в обоих направлениях). При этом вращающийся луч лазера точно формирует плоскость, которая играет роль искусственной базы и фиксируется лазерным приемником, монтируемым на несущем рычаге рабочего органа укладчика.

Рис. 1.10. Схема взаимодействия элементов Niveltronic® Plus. URL: http://www.voegele.info

32

Гидроцилиндр подъема рамы (левый)

Гидроцилиндр подъема рамы (правый)

Гидроцилиндр изменения ширины (левый)

Нивелтроник

Гидроцилиндр изменения ширины (правый)

Навитроник

Датчик поперечного наклона Датчик ширины (левая сторона)

Датчик продольного наклона

Датчик ширины (правая сторона)

Ручное управление

Бортовой компьютер

Панель управления

Лазерный mmGPSпередатчик

Роботизированный электронный тахеометр

Рис. 1.11. Схема взаимодействия элементов Niveltronic®Plus с расширением Navitronic®Plus. URL: http://www.voegele.info

5. Navitronic® Plus. Трехкоординатная система Navitronic® Plus расширяет систему управления Niveltronic® Plus на третью координа33

ту. В результате с помощью картографических данных можно автоматически управлять не только толщиной слоя, но и шириной укладки и направлением движения укладчика. Бесконтактная система нивелирования и навигации может работать с навигационными системами различных изготовителей. Для позиционирования используются лазерные станции общего назначения и система mmGPS. Основной элемент в системе 3D-управления – цифровая система позиционирования – подключается к Navitronic® Plus через открытый порт, который позволяет выбрать оптимальную для конкретного случая систему. При этом не имеет значения, какая система подключается, т. е. оптическая система с общей лазерной станцией и призмой или спутниковая система навигации с GPS-приемником в комбинации с лазерным приемником, таким как mmGPS фирмы TopCon [30]. В состав системы нивелировки Topcon mmGPS для асфальтоукладчика входят двухсистемный Глонасс/GPS-приемник, блок управления GX-60 на базе Windows XP для работы с цифровыми 3Dпроектами, а также специальное лазерное оборудование, обеспечивающее точное получение высотных отметок. Во всех перечисленных выше АСУ, а также системах, работающих на других принципах действия, исполнительным механизмом служат гидроцилиндры, управляющие точкой крепления тяговой балки (качающегося рычага) к раме асфальтоукладчика (рис. 1.10, 1.11). Другим концом тяговая балка опирается на выглаживающую плиту, которая скользит по укладываемому слою асфальтобетонной смеси и устанавливается под определенным углом наклона к горизонтальной плоскости (так называемым углом атаки). Для изменения толщины покрытия в продольном направлении изменяют угол наклона выглаживающей плиты в вертикальной плоскости. Существующие автоматические системы управления асфальтоукладчиков обеспечивают высокое качество ровности, нивелирование дорожного покрытия, но не имеют подсистем управления процессом уплотнения, что является большим недостатком, так как при этом используется субъективная настройка режимов уплотнения.

1.3. Асфальтовые дорожные катки По ГОСТ Р 52156–2003 «Катки дорожные самоходные. Общие технические условия» дорожные катки подразделяют на типы: по способу уплотнения – статические и вибрационные; 34

по конструкции рабочего органа – с гладкими вальцами, кулачковые, пневмоколесные, комбинированные, решетчатые, пластинчатые, ребристые; по числу осей – одноосные, двухосные, трехосные и т. д.; по числу вальцов – одновальцовые, двухвальцовые, трехвальцовые и т. д. В современных условиях для уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий ведущими зарубежными и российскими производителями предлагаются следующие типы дорожных катков: – вибрационные двухвальцовые (или тандемные); – комбинированные вибрационные; – пневмоколесные. По аналитическим данным имеется положительный рост производства дорожных катков в Российской Федерации. В отечественной структуре производства преобладают модели катков эксплуатационной массой 13–16 т. Их доля в 2010 году составила около 50 %. Основной вклад в выпуск всех категорий катков внес завод ОАО «Раскат». Существенна также доля катков массой 10–12 т и 7,6–9 т. За каждым из этих типоразмеров – почти по 20 % российского производства [109]. 1.3.1. Дорожные катки для уплотнения асфальтобетонной смеси Cреди отечественных производителей ОАО «Раскат» занимает доминирующее положение. В докризисные годы его доля в российском производстве катков превышала 70 %. Определенную конкуренцию ему составляет ООО «Завод дорожных машин», базирующийся, как и ОАО «Раскат», в Рыбинске. Вклад остальных предприятий совсем невелик, поскольку выпуск катков на них единичен. В числе этих компаний фирмы «Кауф», «Ирмаш», «Ругрейд» (табл. 1.5). Среди зарубежных производителей дорожных катков по итогам 2010 г. можно выделить: немецкие фирмы Hamm (26 % импорта дорожных катков), Bomag (18 %), Ammann (11 %); китайский XCMG (9 %); шведский Dynapac (8 %); американский Caterpillar (7 %). Компания Ammann поставляет весь типоразмерный ряд асфальтовых катков (табл. 1.6). Недавно ОАО «Раскат» организовало презентацию сразу нескольких моделей катков серии RV (рис. 1.12): RV-1,5, RV-2,0, RV2,4, RV-3,5, RV-7, RV-8, RV-9, RV-10, RV-11, RV-13, RV-17, RV-21 (число означает эксплуатационную массу в тоннах) [85]. Новая линейка осваивается с высокой степенью унификации на основе модульного принципа конструирования. 35

Таблица 1.5 Типоразмерный ряд дорожных катков, выпускаемых предприятиями России и Беларуси Производитель

менее 1,5 т

Эксплуатационная масса, т 2,7–3,5 т 7,6–9 т 10–12 т 13–16 т

17–21 т

Россия Раскат Завод дорожных машин Кауф Ирмаш Ругрейд

+ +

+

+ +

+ +

+1 +1

+1

+2

+ +2

+ + +

+ Беларусь + +

Амкодор

Примечания: 1 – асфальтовые и грунтовые катки; 2 – только грунтовые катки

Таблица 1.6 Типоразмерный ряд асфальтовых катков, импортируемых в Россию* Производитель Ammann Dynapac Hamm JBC Vibromax Volvo XCMG

до 1т +

Эксплуатационная производительность 1– 2 – 3 – 6 – 9 – 12 – 15 – 18 – Более 1,5 т 2,5 т 4 т 8 т 11 т 14 т 17 т 20 т 20 т + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

* По данным компаний, предоставивших информацию.

RV-8 DD

RV-9 DS

RV-10 DS

Рис. 1.12. Современные модели дорожных катков серии RV ОАО «Раскат»

36

Эти машины рекомендуются для уплотнения покрытий из любых типов асфальтобетонных и битумоминеральных смесей при выполнении дорожных работ на строительстве дорог различных категорий. Машины оснащены двигателями Kubota c гидравлическими агрегатами Bondioli & Povesi, планетарными редукторами Bonfiglioli, системами смачивания водой рабочих органов для предотвращения прилипания рабочих смесей. Конструкция этих катков позволяет им двигаться, что называется след в след при поворотах, а также обеспечивает обзор всей поверхности рабочих органов. Кроме того, создатели модели предусмотрели возможность установки механизма обработки кромки асфальтобетона со сменными роликами [108]. По информации компаний, эксплуатирующих асфальтовые катки ведущих производителей, имеются следующие данные по качеству [158]: – машины китайских производителей пока не соответствуют необходимому уровню, первый отказ может произойти уже на 10 часу работы (а первый отказ – это самый важный показатель качества машины); – у отечественного дорожного катка первый отказ случается на 200–250 часу работы; – у зарубежных катков этот показатель смещается до 1000– 1200 ч. По характеру силового воздействия на уплотняемую поверхность дорожные катки могут быть статическими (пассивное воздействие силы веса рабочего органа – вальца либо пневмоколеса), вибрационными, а точнее виброударными (активно повторяющиеся циклы переменного динамического воздействия за счет центробежной силы вибровозбудителя вальца совместно с весовой его нагрузкой), и осцилляторными за счет совместного воздействия постоянной вертикальной силы сжатия, создаваемой силой веса вальца, и горизонтальной реверсивной силы сдвига, возникающей при крутильных или вращательных колебаниях вальца, периодически изменяющих своё направление, т. е. здесь уплотнение происходит по принципу «реверсивный сдвиг + статическое сжатие». Наибольшее распространение среди асфальтовых катков получили машины с вибрационным воздействием. Это объясняется простотой конструкции, высокой эффективностью по сравнению со статическими катками за счет дополнительного динамического воздействия на смесь, уменьшением числа проходов, возможностью регулирования режимов уплотнения и автоматизацией основных процессов. Для 37

обеспечения эффективности этой операции и требуемого конечного высокого качества материала необходимо регулирование силового воздействия катка сообразно состоянию материала, т. е. с учетом его прочностных и деформативных показателей, которые к тому же в процессе уплотнения непрерывно изменяются. Регулирование уплотняющих нагрузок у статических гладковальцовых катков всегда осуществлялось путем придания нужному образцу соответствующего общего веса. Поэтому в статической технологии укатки поочередно использовались сначала легкие, затем средние и наконец тяжелые типы таких катков [84]. При статическом уплотнении каток создает давление на материал только собственным весом. Внутреннее трение в материале или смеси преодолевается этим давлением, и отдельные зерна передислоцируются в более плотное положение относительно друг друга. Для хорошего уплотнения большое значение имеют масса катка и ширина его вальца, через который масса воздействует на грунт. Для сравнения различных катков используют показатель статической линейной нагрузки – отношение нагрузки от моста к ширине вальца. Чем выше статическая линейная нагрузка, тем больше и уплотняющее воздействие катка. Однако нагрузку нельзя бесконтрольно увеличивать, особенно при уплотнении асфальтобетона, так как при ее слишком большой величине уплотняемый материал становится склонным к смещению, что может привести к образованию трещин и волн на поверхности асфальта [183]. Более широкими возможностями регулирования силовых нагрузок и воздействий на уплотняемый материал обладают современные виброкатки. Помимо динамических режимов уплотнения каждый виброкаток имеет статический режим, зависящий от геометрических размеров вальцов катка и их весовой нагрузки. Такой режим используется для предварительной (перед включением основного вибрационного) подкатки еще рыхлого и слабого материала. Для реализации соответствующего вибродинамического нагружения рабочий валец катка с помощью вибровозбудителя вовлекается в колебательные периодические перемещения с определенной амплитудой и частотой, которые совместно с массой вальца порождают центробежную силу. Определенная часть этой центробежной силы вместе с весовой нагрузкой катка, приходящейся на валец, создаёт общее динамическое воздействие на уплотняемую поверхность. Регулирование этого общего динамического воздействия достаточно несложно осуществлять за счет изменения центробежной силы, придавая колебаниям вальца различные значения амплитуды и частоты. 38

Достаточно долгое время дорожники пользуются виброкатками с одним вибрационным рабочим режимом (как правило, малогабаритные, так называемые тротуарные модели) и двумя режимами (у большинства более крупных ранее выпускавшихся и сегодня ещё эксплуатируемых тандемных моделей), один из которых можно причислить к слабым вибровоздействиям (малая центробежная сила, меньшая амплитуда и более высокая частота), а другой – к сильным вибронагруженным (центробежная сила больше в 1,5–2 раза, амплитуда тоже выше в 1,5–2 раза при меньшей частоте колебаний). Схема виброкатка с двумя динамическими режимами воздействия, предложенная фирмой Dynapac (Швеция, Lars Forssblad [176]), оказалась очень популярной среди разработчиков виброкатков. Объясняется это, видимо, простотой смены и реализации этих режимов путем обычного реверса вращения дебалансного вала вибровозбудителя вальца. Появившиеся за последние годы новые разработки на их основе устройств для более широкого регулирования амплитуд и частот колебаний вальцов позволили создавать на виброкатке 3, 5, 8 и даже 16 рабочих режимов. Очевидно, оптимально иметь на виброкатке 3–5 различных, но рациональных режимов вибрационного уплотнения с учетом реальной потребности дорожной практики. А это зависит от типа и толщины слоев уплотняемых виброкатком материалов [85]. При строительстве автомобильных дорог, мостов возникают проблемы использования вибрационного уплотнения дорожно-строительных материалов. Эффективным методом уплотнения при сложных ситуациях дорожного строительства – пониженная температура асфальтобетонной смеси, уплотнение стыка холодного и горячего слоя, строительство моста, многоуровневой автостоянки или на других объектах с чувствительным диапазоном – является осцилляция. Использование дорожных катков с осцилляцией позволило расширить температурный диапазон асфальтобетонных смесей до 20 %. Осцилляция реализуется по следующему запатентованному принципу. Осциллирующий валец оборудован двумя синхронно вращающимися эксцентрическими валами с дебалансными грузами. При этом грузы обоих валов расположены друг против друга и вызывают быстро меняющиеся вращательные перемещения вперед и назад. Благодаря этому осциллирующий валец – в противоположность вибрационному – никогда не отрывается от поверхности, всегда сохраняет с ней контакт. Дорожные катки с осциллирующим вальцом (вальцами) являются высокопроизводительными машинами. Рабочий процесс такого катка 39

сопровождается очень малыми сотрясениями материала, что благоприятно сказывается на состоянии окружающей среды и расположенных рядом сооружений. Уменьшается требуемое число проходов по сравнению с вибрационными катками. Уплотнение при использовании осцилляции увеличивается, обратное ослабление структуры (релаксация) материала не появляется, улучшается структура покрытия. При уплотнении дорожно-строительных материалов осцилляцией тангенциальные силы передаются в материал при вращательном движении вальца в направлении как вперед, так и назад. Это колебание ускоряет нарастание уплотнения материала. По сравнению с осцилляцией валец с вибрацией совершает только одно движение вверх-вниз и груз дебаланса при каждом обороте лишь один раз с вынуждающей силой воздействует на материал. В настоящее время только фирма Hamm (Германия) предлагает тандемные катки Hamm с осцилляцией: HDО 70 V (эксплуатационная масса 7 705 кг); HDО 75V (7 965 кг); HDО 90 V (9 180 кг); HDО 120 V (12 250 кг); комбинированные катки с осцилляцией: HDO 75 К (7 650 кг). Тандемные катки Hamm выпускаются c вибрационным (передний) и осциллирующим (задний) вальцами (рис. 1.13). Обширные теоретические и экспериментальные исследования осцилляторного способа уплотнения были выполнены М. П. Костельовым и его сотрудниками [75, 80, 84, 79].

Вибрация

Осцилляция

–

Рис. 1.13. Общий вид тандемного катка с вибрационным и осциллирующим вальцами

40

Было установлено, что этот способ эффективен при соблюдении следующих условий [75]: толщина уплотняемых слоев не может быть большой (до 0,10 – 0,20 м); отношение горизонтальной осциллирующей силы к вертикальной постоянно действующей силе веса вальца не может быть произвольным, а должно быть вполне определенным и оптимальным, если преследуется цель получить наибольший уплотняющий эффект, причем для разных материалов оптимум различен; для наилучшей передачи уплотняемому материалу горизонтальных усилий поверхность вальца катка должна иметь высокий коэффициент сцепления или зацепления с поверхностью качения, иначе будет происходить проскальзывание вальца с его абразивным износом и значительным снижением эффективности уплотнения, что, кстати, относится не только к осцилляторным моделям, но и обычным виброкаткам с изменяемым направлением вектора центробежной силы для регулировки вертикального силового воздействия, которое используют фирмы Bomag и Ammann в новых своих разработках. Для асфальтобетонных осцилляторных катков наиболее подходящим материалом для поверхности вальцов является резина с коэффициентом сцепления почти в 1,7–1,8 раза больше, чем у стали; наилучшему уплотнению соответствует оптимальная частота крутильных колебаний осцилляторного вальца. В частности при укатке слоя 4–5 см мелкозернистого многощебенистого асфальтобетона (тип А) 8–12 проходами лабораторного одновальцового осцилляторного катка (изменение веса – 200, 400 и 600 кг) с обрезиненной поверхностью вальца (диаметр 360 мм, ширина 500 мм) оптимальная частота оказалась около 70–75 Гц, ей соответствовала 100 %-ная и даже выше степень уплотнения. Имеющиеся в дорожной отрасли самоходные пневмоколесные катки достаточно популярны и даже любимы за их простоту, неприхотливость и надежность в работе. У практикующих дорожников бытуют неверные представления или даже заблуждения относительно уплотняющих способностей и возможностей пневмокатка, особенно когда он крупный по размерам и имеет большой вес. По тем контактным давлениям, с которыми пневмоколеса нагружают и уплотняют асфальтобетонную смесь, а они не превышают 6–8 кгс/см2, этот пневмокаток адекватен или равнозначен легкому гладковальцовому катку. Поэтому по своей уплотняющей эффективности пневмокаток не способен конкурировать с гладковальцовыми сред41

ними и тяжелыми катками, создающими контактные давления сжатия до 15–25 кгс/см2. По этой причине пневмокаток не может самостоятельно (в одиночку) обеспечить полное и, главное, высокое качество уплотнения асфальтобетона, особенно жесткого и прочного многощебенистого [84]. Основными факторами для успешного уплотнения с помощью динамических катков являются следующие [183]: статическое линейное давление, Н/м; амплитуда колебаний, мм; частота колебаний, Гц; величина колеблющейся массы, кг; величина подрессоренной массы, кг; скорость движения катка, км/ч. Статическое линейное давление. Легкие катки массой 1,5–4 т: 8 000–15 000 Н/м. Тандемные катки массой 7–13 т : 25 000– 30 000 Н/м. Амплитуда колебаний. Под амплитудой понимается диапазон, в котором вибрирующий валец при уплотнении перемещается из своего исходного положения. В виброкатках валец колеблется вверх-вниз. У катков с осцилляцией под амплитудой понимается ход вальца впередназад, который он совершает в точке контакта. В этом случае говорят о тангенциальной амплитуде. Чем больше амплитуда, тем больше энергия уплотнения, развиваемая катком с вибрацией или осцилляцией. Однако необходимо учитывать, что масса самого катка также оказывает большое влияние на эту энергию. При уплотнении асфальтобетона тандемными виброкатками используют, как правило, небольшие амплитуды в пределах 0,25–0,8 мм, чтобы исключить разрушение зерен материала и образование волн на поверхности в результате слишком сильных ударов. Величина амплитуды колебания зависит от толщины уплотняемого слоя. При уплотнении тонких слоев (0,04–0,06 м) рекомендуется работать на малых амплитудах. С увеличением толщины слоя следует повышать амплитуду колебания. Частота колебаний. В зависимости от амплитуды, установленной на машине, должны выбираться и соответствующие частоты. Ориентировочно принимаются: малая амплитуда – большая частота; большая амплитуда – малая частота. При земляных работах используется частота от 25 до 50 Гц в зависимости от материала и установленной амплитуды. При уплотнении асфальтобетона частоты чаще всего выбираются выше, чем при уплотнении грунта, чтобы предотвратить 42

образование волн на поверхности из-за слишком большого расстояния между ударами вальца. По техническим характеристикам современных дорожных катков частота колебаний такова [27]: вибрационные тандемные малогабаритные – от 46 до 70 Гц; вибрационные тандемные крупнобаритные – от 35 до 67 Гц; осцилляторные тандемные крупнобаритные – от 30 до 42 Гц. Частоту колебания вибровальца назначают с учетом типа уплотняемой смеси, ее температуры и скорости движения катка. С увеличением содержания щебня в асфальтобетонной смеси, а также рабочей скорости движения виброкатка рекомендуется увеличивать частоту колебания вальца. Колеблющаяся масса. Под колеблющейся массой катка понимают массу вальца (вальцов), включая массу гидромотора и элементов механизмов вибрации и осцилляции. Валец отделен от остальной конструкции машины резиновыми амортизаторами. Подрессоренная (дополнительная) масса. Нагрузка от моста дорожного или грунтового катка складывается из описанных выше колеблющейся и подрессоренной масс. Чем больше масса катка, тем, следовательно, больше и его дополнительная масса. Число проходов катка. Под проходом понимается отдельное передвижение катка в одном направлении. Передвижения вперед и назад составляют, следовательно, два прохода. Скорость движения катка. При динамическом уплотнении скорость движения катка влияет прежде всего на продолжительность и частоту воздействия уплотняющей силы на единицу площади. При малой скорости число ударов на эту единицу при той же частоте больше, чем при более высокой скорости. Рекомендуемые рабочие скорости виброкатков: в начале уплотнения – 3–5 км/ч, на промежуточном – 4–6 км/ч. Требуемое качество работ по уплотнению асфальтобетонной смеси может быть обеспечено только при выполнении минимально необходимой общей работы катков (число проходов) и соблюдении рационального температурного режима смеси на каждом этапе уплотнения: предварительном, промежуточном и заключительном (табл. 1.7). При использовании асфальтоукладчиков с трамбующим брусом и виброплитой рекомендуется уплотнять [165]: смеси высокоплотного и плотного асфальтобетонов типов А и Б, а также пористого и высокопористого с содержанием щебня свыше 40 % – сначала гладковальцовым катком массой 10–13 т, катком на пневматических шинах массой 16 т или вибрационным катком массой 43

6–8 т (4–6 проходов), а затем – гладковальцовым катком массой 11– 18 т (4–6 проходов); смеси плотного асфальтобетона типов В, Г и Д, а также высокопористого песчаного, пористого и высокопористого с содержанием щебня менее 40 % – сначала гладковальцовым катком массой 6–8 т или вибрационным катком массой 6–8 т с выключенным вибратором (2–3 прохода), а затем гладковальцовым катком массой 10–13 т (6–8 проходов), катком на пневматических шинах массой 16 т или вибрационным катком 6–8 т с выключенным вибратором (4–6 т), а окончательно – гладковальцовым катком массой 11–18 т (3–4 прохода). Таблица 1.7 Температурные режимы уплотнения Тип асфальтобетонной смеси

Рекомендуемая температура уплотнения, °С начальная

критическая

А

140–160

75–80

Б

120–140

70–75

В

110–130

60–65

Г

120–140

70–75

Д

100–120

60–65

Рациональный температурный режим уплотнения слоя на различных этапах, °С предвари- промежузаключительном точном тельном от 140–145 от 120–125 от 95–100 до 120–125 до 95–100 до 75–80 от 125–130 от 105–110 от 85–90 до 105–110 до 85–90 до 70–75 от 115–120 от 100–105 от 80–85 до 100–105 до 80–85 до 60–65 от 125–130 от 105–110 от 85–90 до 105–110 до 80–90 до 70–75 от 105–110 от 85–90 от 70–75 до 85–90 до 70–75 до 60–65

Уплотнение является одной из основных технологических операций, которые определяют качество покрытия. Операцию уплотнения необходимо производить в период времени, когда асфальтобетонная смесь не остыла ниже критической температуры (табл. 1.7). Продолжительность этого периода зависит от начальной температуры и толщины уплотняемого слоя, погодных условий, состояния основания и определяется расчетом. Рациональная скорость укатки зависит от типа применяемых уплотняющих средств (катки с жесткими металлическими вальцами, катки на пневмошинах, виброкатки) и типа уплотняемой смеси. Снижение скорости укатки увеличивает эффект уплотнения. Следует 44

применять такую схему укатки, при которой обеспечивается равномерное распределение уплотняющих воздействий по всей ширине полосы укладки. Рекомендуется производить вибрационное уплотнение катками при количестве воздействий (виброударов) в диапазоне 25–35 ударов на 1 пог. м покрытия. Величина амплитуды колебания вибрационного вальца уточняется в соответствии с толщиной уплотняемого слоя. При работе катка необходимо вибровалец направлять в сторону асфальтоукладчика [165]. 1.3.2. Определение уплотняющей способности асфальтовых вибрационных катков Под уплотняющей способностью дорожных катков следует понимать ту толщину слоя конкретного асфальтобетона (песчаный, малощебенистый, щебенистый, ЩМА), которую каток может своими силовыми воздействиями за рациональные с технологической точки зрения 6–10 или в среднем 8 повторных проходов на оптимальной рабочей скорости и в пределах времени изменения температуры смеси от 140–130 ºС до 70–60 ºС сдеформировать сжатием (уплотнить) до требуемых минимальных норм качества или выше. Минимальный коэффициент уплотнения: 0,99 – для щебенистых плотных смесей; 0,98 – малощебенистых, песчаных и пористых; 0,96 – покрытий из любых смесей на тротуарах, велосипедных или пешеходных дорожках, других вспомогательных площадках. Фирмы, выпускающие дорожные катки для асфальтобетона, не указывают толщину слоя конкретного типа и состава асфальтобетона, которую их виброкаток может качественно уплотнить. Эта неопределенность позволяет фирмам избегать рисков при предъявлении возможных претензий или исков. Практические рекомендации 2005 г. по использованию на различных асфальтобетонных слоях (от 0,025 до 0,15–0,20 м) виброкатков американской фирмы Ingersoll-Rand (I-R) подтверждают правильный подход (табл. 1.8), в основу которого положена разработанная система регулирования динамического воздействия вальца в зависимости от толщины слоя. С ростом последней рекомендовано увеличивать центробежную силу вальца за счет установки эксцентрика вибровозбудителя в соответствующее положение от 1 до 8 (чем больше номер, тем выше центробежная сила). С совершенствованием технологии уплотнения усложняется и современная техника. 45

Таблица 1.8 Рекомендуемые фирмой I-R (Volvo, Швеция) силовые воздействия (положение эксцентрика вибратора) и амплитуды колебаний вальца виброкатка в зависимости от толщины слоя уплотнения Уплотняемый слой дорожной одежды

Толщина слоя ho, мм (дюймы)

Верхний слой 25–75 покрытия (1”–3”) (Surface) Нижний слой покрытия (In75–125 termediate – (3”–5”) средний слой покрытия, США) Верхний асфальтобетонный слой основания 150–200 (6”–8”) (Base – основание или третий слой покрытия) Щебеночное основание (Rich 75–150 Bottom – тяже(3”–6”) лый щебеночный слой)

Размер максимальной фракции щебня, мм

Амплитуда колебаний вальца А∞, мм

Положение эксцентрика вибратора на катке

Отношение ho/A∞

19–25 (20–25)*

0,32–0,46

1, 2, 3

78–163

25–37,5 (20–40)*

0,46–0,64

3, 4, 5

163–195

50 (20–40)*

0,76–0,91

6, 7, 8

197–220

50 (40–70)*

0,64–0,76

5, 6, 7

117–198

* Фракции, используемые в России.

Согласно теории физических процессов строительной механики и сопротивления материалов классическое понимание процесса уплотнения асфальтобетона вальцом дорожного катка сводится к его обычному деформированию штампом, но криволинейной формы (под воздействием статических или динамических сил с накоплением остаточных деформаций асфальтобетона за определенное количество повторяющихся таких воздействий). М. П. Костельовым (ЗАО «ВАД») с соавторами были поставлены и успешно решены четыре задачи управления процессом деформирования: 1) определить общую силу воздействия вибрационного катка на поверхность ограничителя колебаний (ограничителем служит слой 46

горячего асфальтобетона) с учетом особенностей таких колебаний за период действия динамической силы, непрерывно повышающей эту силу по мере снижения температуры и повышения плотности асфальтобетона; 2) вывести аналитическую зависимость для определения контактных давлений жесткого вальца на поверхность укатки с учетом саморегулируемого характера взаимодействия системы «криволинейный штамп – слой деформируемого материала»; 3) собрать, изучить и обобщить сведения о прочностных и деформативных свойствах разных типов и составов горячего асфальтобетона, подвергаемого уплотнению; 4) для дорожной технологии уплотнения разработать инженерную методику оценки уплотняющей способности, эффективности и качества работы статических и вибрационных катков на основе сравнения их контактных давлений с деформативно-прочностными показателями свойств асфальтобетона. Эта методика должна быть пригодной для различных типов катков и материалов (грунт, щебень, асфальтобетон) и в то же время одинаково полезной как для дорожников, выполняющих операции уплотнения, так и производителей статических и вибрационных катков. Известны критерии эффективности уплотнения [86]. 1. Удельное линейное давление qл находится по формуле

qл = Qв B , где Qв – весовая нагрузка вальца катка, кгс; B – ширина вальца катка, см. 2. Индекс Nijboer (Число Ньибора). При укладке асфальтобетона особенно важно предотвратить образование трещин в покрытии. Число Ньибора является индикатором склонности катка к образованию трещин и валика смеси перед вальцом за счет сил сдвига. Оно представляет собой отношение статической линейной нагрузки к диаметру вальца и рассчитывается следующим образом [183]: N=

Статическая линейная нагрузка . Диаметр вальца

Это отношение N при динамическом уплотнении должно быть больше 0,25 кг/см2; статические катки могут производить уплотнение при числе Ньибора до 0,4 кг/см2. Если уплотнительная машина соответствует этому правилу, опасность образования трещин и валика из 47

грунта или смеси мала. Но число Ньибора не должно быть и слишком низким, так как тогда статическая линейная нагрузка и, следовательно, производительность при уплотнении будут также небольшими. Диаметр вальца оказывает самое важное влияние на образование трещин и валика. Уже при разработке катков путем правильного выбора размеров вальца с учетом числа Ньибора фирма Hamm находит оптимальный баланс между высокой производительностью при уплотнении и низкой склонностью к образованию трещин и валика. С помощью этого метода уже много лет она успешно выступает на рынке машин для высококачественного уплотнения асфальтобетона. Типичные значения числа Ньибора: катки Compact Line (1,5–4 т) – 0,15–0,17 кг/см2; тандемные катки (7–13 т) – 0,20–0,24 кг/см2. При одной и той же нагрузке на мост склонность к образованию валика тем меньше, чем больше диаметр вальца (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Схема воздействия вальца разного диаметра

Согласно источника [86] показатель в виде числа, коэффициента или индекса N (Nijboer number) вальца катка статического типа, кг/см2: N=

QB , BD

(1.1)

где QB – весовая нагрузка вальца катка, кгс; B – ширина вальца катка, см; D – диаметр вальца катка, см. 48

Индекс N никакого отношения не имеет к реальным значениям контактных давлений катка. Однако он используется немецкой фирмой Hamm, которая при создании виброкатков руководствуется рекомендациями Ньибора [206]. В частности, он полагал, что в случае динамического уплотнения асфальтобетона статический коэффициент, или индекс N, виброкатка не должен превышать 0,25 кгс/см2, а статическое уплотнение целесообразно при N = 0,40 кгс/см2. Сама же фирма Hamm считает, что индекс N должен быть 0,15– 0,17 кгс/см2 для малогабаритных виброкатков весом 1,5–4,0 т и в пределах 0,20–0,24 кгс/см2 для более тяжелых тандемных моделей (табл. 1.9). При этом ни Ньибор, ни фирма Hamm не учитывают влияния толщины слоя и динамической силы виброкатка на механику укатки и результат уплотнения. Они оперируют в основном приближенными данными только для назначения или выбора статических параметров виброкатка. А вот вибрационные параметры (вес колеблющейся массы вальца, ее амплитуда и частота колебаний, центробежная или возмущающая сила) устанавливаются либо интуитивно, либо исходя из накопленного опыта, приобретенного по принципу проб и ошибок. 3. Контактные давления по теории проф. Н. Я. Хархуты. Нельзя не отметить ранее делавшихся попыток использовать контактные давления катков для их совершенствования и повышения эффективности и качества технологии уплотнения, в том числе асфальтобетона. В частности, следует указать на серьезные, обширные и результативные исследования по этому вопросу Н. Я. Хархуты и его учеников [177; 178; 179]. Используя теорию Герца – Беляева местного смятия металла под воздействием контактных давлений катящегося по рельсу железнодорожного колеса, Н. Я. Хархута применительно к уплотнению дорожно-строительных материалов предложил следующую зависимость для нахождения максимальных контактных давлений гладковальцового статического катка:

σ0 =

qл E0 Q E ≈ 1, 4 в 0 , R BD

(1.2)

где qл – удельное линейное давление вальца катка, кгс/см; Qв – весовая нагрузка вальца катка, кгс; B – ширина вальца катка, см; R – радиус вальца катка, см; D – диаметр вальца катка, см; E0 – модуль деформации асфальтобетонной смеси, кгс/см2. 49

3,68

4,2

7,27

7,68

9,2

10,54

12,8

HD13VV

HD14VV

HD70

HD75

HD90

HD110

HD120VV

50

2,45

Q, т

2,5 4,0 6,5 4,6 7,3 6,2 7,6 6,2 7,6 5,9 7,5 9,7 11,7 12,4 14,9

Po, тс 0,49 0,32 0,52 0,35 0,55 0,35 0,62 0,33 0,61 0,36 0,65 0,47 0,81 0,44 0,82

А∞, мм 55 61 61 62 62 58 48 58 48 50 42 50 42 50 40

f, Гц

Индекс Ньибора N, кг/см2 0,18 0,16 0,17 0,22 0,20 0,23 0,26 0,23

Линейное давление qл, кг/см2 12,3 14,3 15,2 24,5 23,1 27,4 31,5 32,6

1,97

2,02

1,84

1,60

1,74

1,37

1,32

Индекс контактных давлений pкс, кг/см2 1,29

Критерии оценки уплотняющей способности в статике

Таблица 1.9

7,5

8,0

6,0

4,0

5,0

2–2,5

2,0

≈2,0

Статика

≈3,0 3,5 6,5 4–4,5 7,5 6–6,5 8,0 5–5,5 6,5 5,5 7,0 10–10,5 13 11,0 13,0

Вибрация слабая сильная

Оптимальный слой уплотнения, см, щебенистого асфальтобетона по критерию pк

Основные функциональные показатели виброкатков фирмы Hamm и критерии оценки их уплотняющей способности на асфальтобетоне

Исходные паспортные параметры виброкатка

HD10

Модель виброкатка

13,8

13,4

5,6– 5,8

HD140VV

Заказ ЗАО ВАД

Q, т

13,9 19,4 12,4 14,9 3,0 5,2 4,3 7,5

Po, тс

46 61 46 61

50 42 50 40

0,41 0,81 0,41 0,77 0,35 0,50

f, Гц

А∞, мм

Исходные паспортные параметры виброкатка

HD130

Модель виброкатка

0,20–0,21

0,23

31,5 ≈20,0

0,23

Индекс Ньибора N, кг/см2

32,7

Линейное давление qл, кг/см2

1,60–1,62

1,92

1,97

Индекс контактных давлений pкс, кг/см2

Критерии оценки уплотняющей способности в статике

4,0

7,0

7,5

Статика

5–5,5 7–8

Вибрация слабая сильная 10,5 15–15,5 10 12

51

Оптимальный слой уплотнения, см, щебенистого асфальтобетона по критерию pк

Окончание табл. 1.9

В отличие от критерия удельного линейного давления ( qл = Qв / B ) в этой формуле (1.2) учтены оба размера вальца (ширина B и диаметр D = 2 R ), правда, с одинаковой степенью влияния на контактные давления, а также деформативные свойства уплотняемого материала через его модуль деформации ( E0 ). Нет в ней только прочностных показателей материала и толщины уплотняемого слоя. Очевидно, по этой причине контактные давления вальца одного и того же катка на слое толщиной 0,05 и 0,10 или 0,15 м оказываются по формуле (1.2) одинаковыми, что явно противоречит обычной логике и простому подсчету. На толстом слое поверхности материала осадка всегда больше, поэтому больше размеры контактной дуги вальца и самой площади контакта, что должно приводить к снижению контактных давлений или, наоборот, к их увеличению на тонком слое. Изъян приведенной зависимости состоит еще и в том, что в теории Герца – Беляева контактная площадка в зоне смятия колеса и рельса принята плоской, т. е. деформирование материала под нагрузочной плоской площадкой (плоский штамп) происходит без изменения ее площади и самих контактных давлений. В случае же деформирования, к примеру, асфальтобетона жестким вальцом катка (криволинейный штамп) размеры контактной дуги и контактной площадки непрерывно изменяются пропорционально изменению величины осадки поверхности асфальтобетона. Материал уплотнения как бы самопроизвольно регулирует величину контактных давлений вальца за счет изменения площади контакта до момента наступления равновесия с его прочностными показателями. 4. Индекс контактных давлений ЗАО «ВАД». По данным деформативно-прочностных характеристик горячего и еще рыхлого асфальтобетона (начало уплотнения) или почти плотного и заметно остывшего (завершение укатки), на основе расчетной схемы процесса уплотнения слоев асфальтобетона вальцом (рис. 1.15), по методике ЗАО «ВАД», можно рассчитать контактные давления вальцов, а также определить величину осадок поверхности укатки или относительную деформацию слоя. Аналитические зависимости методики ЗАО «ВАД» [86] даны на рис. 1.15. Общая сила воздействия вальца F0 для статического и вибрационного режимов определяется по следующим зависимостям: статический − F0 = Qв ; вибрационный (начало) − F0 = Qв + 0, 40 Р0 ; 52

вибрационный (середина) − F0 = Qв + 0,55Р0 ; вибрационный (конец) − F0 = Qв + 0,70 Р0 , где Qв – весовая нагрузка вальца катка, кгс; Р0 – центробежная сила, тс.

Статическое : F0 = QB Вибрационное (начало) : F0 = QB +0,4 P0 F0

VК

T oC, E0, Купл, Rкр

h0

δупр

δ0

δост

D

σ0

b0

Рис. 1.15. Расчетная схема процесса уплотнения слоев асфальтобетона вальцом [86]

Величина осадки уплотняемого слоя:

δ0 = δ упр + δост ; b0 = β Dδ0 ; β = 1+

δ упр δ0

;

в начале укладки β = 1,45 при

δ упр δ0

= 0, 2;

53

в конце β = 1,95 при

δ упр δ0

= 0,9,

где δ упр – осадка упругого слоя, см; δост – осадка остаточного слоя, см; b0 – размер дуги контакта вальца, см; β – коэффициент (рис. 1.15). Условия эффективного деформирования (уплотнения) слоя материала: σ 0 ≤ Rкр ; ε 0 = δ0 / h0 ≤ [ε 0 ]; δ0 ≤ [δ 0 ] ,

где σ 0 – контактное давление, кгс/см2; Rкр = (0,65 − 0,75) Rсж – критическая прочность, кгс/см2; Rсж – прочность смеси при сжатии в стабилометре при Т оС и Kупл её укатки в покрытии, кгс/см2; ε 0 – относительная деформация слоя; h0 – толщина слоя на начальном этапе, см; [ ε 0 ] – допускаемая величина относительной деформации слоя, [ ε 0 ] ≤

0,060–0,065 – в начале, [ ε 0 ] ≤ 0,010 – 0,015 – в конце; [δ0 ] – допускаемая осадка уплотняемого слоя, см. Максимальные значения контактных давлений вальца статического или вибрационного катка: EΔ 3 F02 E0 3 3 0 h ; = p σ0 = k h0 Δ E 2 B 2 Dh0 2

pk = 3

F0 Δ E

(1.3)

;

(1.4)

h 2 pk ≤ Rкр 3 0 , 3 E0

(1.5)

2

B DΔ h

где E0 – модуль деформации асфальтобетонной смеси, кгс/см2; B – ширина вальца, см; D – диаметр вальца, см; Δ h = 1 см , Δ E = 1 кгс / см2 – единичные значения толщины слоя и модуля деформации; pk – индекс контактных давлений (показатель уплотняющей способности 54

катка), может быть статическим ( pks ) или динамическим ( pkd ) , кгс/см2. Полная (упругая и остаточная) деформация ε 0 или осадка δ0 слоя толщиной h0 рассчитываются по формулам: ε0 =

δ0 1 = 1,50 pk 3 2 ≤ [ε 0 ]; h0 E0 h0

(1.6)

2

⎛h ⎞ δ0 = 1,50 pk 3 ⎜ 0 ⎟ ≤ [δ0 ]. ⎝ E0 ⎠

(1.7)

Более детально с соответствующими пояснениями и комментариями аналитические формулы (1.3)–(1.7) неоднократно публиковались в работах [78; 86]. В работе [85] приведены результаты расчета уплотняющей способности виброкатков фирмы Hamm (табл. 1.9). В работе [82] М. П. Костельов предложил методику (табл. 1.10), которая позволит осуществлять переход от катков для многощебенистых плотных асфальтобетонных смесей к каткам с параметрами для других типов и составов смесей. Это должно помочь в реализации более высокого качества уплотнения асфальтобетонных оснований и покрытий. Достаточно удачным и полезным следует признать выбор критерия оценки уплотняющей способности любых катков, в качестве которого принят индекс контактных давлений их вальцов, вычисляемый по формуле (1.4) (рис. 1.15) с использованием паспортных данных катков. Расчет оптимального индекса контактных давлений для наилучшего уплотнения конкретного асфальтобетона заданной толщины слоя выполняется по формуле (1.5) (рис. 1.15) на основе характеристик асфальтобетона. По значению найденного оптимального индекса и подбирается статический или вибрационный каток с соответствующим индексом. С помощью разработанной методологии можно заранее (до выполнения работ) решать и другие задачи. Во-первых, для каждого выпущенного любой фирмой и уже эксплуатируемого виброкатка установить его уплотняющую способность (оптимальную толщину эффективно уплотняемого слоя конкретного типа асфальтобетона), что может оказаться полезным дорожникам при покупке или реальном использовании этого виброкатка. 55

Тип, марка вяжущего компонента

56

Плотные многощебенистые мелкозернистые типов АиБ

БНД 60/90, 90/130, БДУ 70/100, БДУС 70/100 БНД 60/90, Плотные многощебенистые 90/130, БДУ крупнозернистые типов 70/100, БДУС АиБ 70/100 БНД 60/90, Плотные малощебенистые 90/130, БДУ и песчаные (из отсевов 70/100, БДУС дробления) типов В и Г 70/100 Щебнемастичные смеси БНД 60/90, (ЩМАС) для верхних слоев 90/130, БДУ покрытий (укатка только 70/100, БДУС static) 70/100

Гранулометрический тип асфальтобетонной смеси

1,0

1,30

0,55–0,55

~ 1,0

1,12–1,16

0,70–0,75

~ 1,0

Еоi/ Ео1

1,0

Ri/R1

Отношение показателей прочности R и деформативности Ео

1,0

1,05

0,86

1,0

hоп2 = 0,88hоп1

hоп3 = 1,35hоп1

hоп4 ≈ hоп1

Pki/Pk1

1,0

0,80

1,07

1,0

Qi/Q1

Параметры катков для уплотнения одинаковых слоев смесей, т. е. hопi = hоп1

1,0hоп1

Оптимальный слой укатки одним и тем же катком (в относительных единицах) hопi/hоп1

Данные для перехода от катков для многощебенистых плотных асфальтобетонных смесей к каткам с параметрами для других типов и составов смесей

Таблица 1.10

Пористые крупнозернистые для нижних слоев покрытий и асфальтобетонного верха дорожных оснований Плотные многощебенистые мелкозернистые типов А, Б и ЩМАС для верхних слоев покрытий дорог I и II категории

Гранулометрический тип асфальтобетонной смеси

0,65–0,70

1,40 –1,60

Полимербитумное (ПБВ) с 2,5 – 3 % полимера СБС

Ri/R1

БНД 60/90, 90/130, БДУ 70/100, БДУС 70/100

Тип, марка вяжущего компонента

2,20

0,45–0,50

Еоi/ Ео1

Отношение показателей прочности R и деформативности Ео

hоп6 = 0,65hоп1

hоп5 = 1,5hоп1

Оптимальный слой укатки одним и тем же катком (в относительных единицах) hопi/hоп1

1,15

0,87

Pki/Pk1

1,24

0,81

Qi/Q1

57

Параметры катков для уплотнения одинаковых слоев смесей, т. е. hопi = hоп1

Окончание табл. 1.10

6,90

7,10

8,63

9,50

10,30

11,30

AV70-2

AV70X

AV85-2

AV95-2

AV110X

AV115-2

58

3,90

Q, т

AV40-2

Модель виброкатка фирмы

1300х 740 1450х 1150 1450х 1150 1680х 1220 1680х 1220 1700х 1300 1700х 1300

B х D, мм

0,30/ 0,66 0,30/ 0,62 0,26/ 0,66 0,26/ 0,66 1,35/ 0,70 0,30/ 0,66

0,30

A∞, мм

P0, тс

55/45 8,5/ 11,2 50/42 7,1/ 10,8

50/42 5,0/9,0

50/42 5,0/9,0

63/48 8,0/8,7

50/35 4,5/4,7

59/67 3,0/3,8

f, Гц

Паспортные данные катка

8,0

7,0

6,5

6,0

5,0

4,5–5,0

2,5–3,0

11,0/14,5

10,0/14,0

8,0/12,0

7,0/11,0

11,0/12,0

6,5–7/7,0

4,5/5,5

8,0/12

5,5–6/ 9,5–10 7,5/11,5

5,0/9,0

9,0/10,0

5,0/5–5,5

3,5/4,5

6,5–7/ 11

4,5–5/ 8,5–9 6,5/10,5

4–4,5/8,0

8,5/9,0

4–4,5/4,5

3–3,5/4,0

7,0/11,0

7,0/11,0

5–5,5/ 9,5

4,5/8,5

8,5–9/ 9,5

4,5/5,0

3–3,5/4–4,5

Оптимальный слой уплотнения h∞, см, многощебенистого асфальтобетона Статика Вибрация Оптималь(подная толНачало Середина Конец катка) щина слоя hоп, см

Уплотняющая способность виброкатков фирмы Ammann (асфальтобетонная смесь горячая многощебенистая мелкозернистая)

Таблица 1.11

И, во-вторых, помочь фирмам в разработке новых конкурентоспособных образцов вибрационных или статических катков с более оптимальными и эффективными параметрами, чем сейчас, не по критерию удельного линейного давления, являющегося, по существу, условным и не учитывающим целый ряд влияющих факторов и параметров как катка, так и асфальтобетона. Расчетные данные уплотняющей способности виброкатков фирмы Ammann (асфальтобетонная смесь горячая многощебенистая мелкозернистая) представлены в табл. 1.11. Расчетные данные уплотняющей способности конкретных моделей вибрационных катков разных фирм и стран (Ammann, Bomag, Caterpillar, Dynapac, Hamm, Hypac, JCB-Vibromax, Lebrero, Marini, Раскат, Sakai, Volvo, Xuzhou) для горячей асфальтобетонной смеси многощебенистой мелкозернистой представлены в работе [85].

1.4. Теоретическое обоснование управляемого воздействия на уплотняемую среду Под действием внешних поверхностных или массовых (гравитация, инерция, давление) сил дисперсный материал приводится в напряженное состояние и деформируется. Эти воздействия приводят к структурным и тепловым изменениям и связаны с превращением энергии. Внутренняя энергия является количественной мерой всех форм движения компонентов структуры деформируемого материала, которые могут быть оценены с феноменологических позиций [94]. Стадийный характер процесса уплотнения определяется: начальными условиями: ρ0 , V0 , H 0 , τ0 , t0 ,

переходными: ρi , Vi , H i , τi , Ai , ωi , Pi ,

конечными: ρ, V , H , τ пл , A, ω, P, t ,

где ρ – плотность материала; V – объем деформирования; H – высота деформируемого слоя; τ – сдвиговые напряжения, возникающие в ходе 59

деформации; A – амплитуда вибрационного рабочего органа; ω – частота вибрации; P – прикладываемая нагрузка; t – время воздействия. В условиях изменения объема увеличение структурной прочности повышает касательные напряжения при сдвиге, появляются его горизонтальные и вертикальные составляющие. Деформация и величина τ определяют собой пластические свойства среды. Плотность деформируемой среды ρ зависит от динамического давления σ, поверхностной нагрузки Р, скорости деформирования V, параметров вибрации А и ω, времени деформирования, геометрических размеров слоя Н и l. Рассмотрение процесса уплотнения как реологической модели позволяет оценить его как трехфазную динамическую систему, где последовательно друг за другом с частичным перекрытием по времени происходят пластические, а затем вязкие и упругие деформации: ⎡⎣σ ⎤⎦ ≥ σ1 + σ 2 + σ3 ,

где [σ] – допустимый предел текучести; σ1 – пластические напряжения; σ2 – вязкостные напряжения; σ3 – напряжения, возникающие в результате упругой деформации. При этом в процессе сдвига уплотняемая среда проходит такие же фазы упрочнения структуры. Основные параметры, которые характеризуют среду в случае упруговязкопластической деформации: величины деформации εi и сдвига γ; модули упругости Мi и сдвига G; коэффициент динамической вязкости η в зависимости от градиента скорости по толщине dV / dy ; сопротивления сдвигу σi на характерных стадиях деформирования и предел пластичности τпл, которые позволяют определить нормальные σ и касательные τ напряжения:

σ = εi M i + η

τ = γG + η

dV + σ τi , dy

dV + τ пл . dy

Однако изменение этих параметров не представляется возможным без регулировки воздействия уплотняющего оборудования. При управляемых режимах плотность зависит от диапазонов и скоростей 60

регулирования амплитуды, частоты и поверхностного давления оборудования. Подводимая энергия к уплотняемому слою обеспечивает возникновение в деформируемом объеме напряжений, интегрально учитывающих влияние многих факторов. Внутренние превращения и диссипация (рассеивание) энергии прямо пропорциональны внешней работе и при прочих равных условиях зависят от деформируемого объема. Основными параметрами внутреннего состояния являются давление, дисперсность и температура. Установленная математическая целевая функция для определения напряжений в материале в общем случае зависит от силы тяжести, динамической и статической нагрузок и будет иметь вид σ = F1 (ρgH ) +

F2 (Q + Pв ) + F3 ( Pст ) S

,

где σ – напряжение, возникающее в материале; F1(ρgH ) – функция плотности материала; ρ – плотность уплотняемой среды; g – ускорение свободного падения; H – высота уплотняемого слоя; F2 (Q + Pв ) – функция собственного веса оборудования и динамической нагрузки; F3 ( Pст ) – функция статической нагрузки; S – контактная площадь воздействия. Таким образом, более точно рассмотреть процесс уплотнения нам позволит исследование термодинамического состояния уплотняемого слоя, а измерение параметров среды и подчинение им свойств оборудования позволит снизить его энергозатраты при работе. В повышении эффективности процесса уплотнения важное место занимают факторы физического метода интенсификации и комбинированного физико-химического воздействия на уплотняемую среду. Реализовать факторы физического метода интенсификации можно различными техническими средствами: за счет расширения функциональных возможностей исполнительных элементов, переменными параметрами давления вибрации и удара, регулированием величины и направления динамического воздействия. Установление рациональных факторов интенсификации в рамках системного анализа позволит более целенаправленно наметить пути структурного и параметрического синтеза динамических систем. Эти факторы могут обладать различной интенсифицирующей способностью, и оценка их эффективности возможна с помощью таких критериев, как качество, производительность, масса, энергоемкость, а также обобщенного критерия. 61

Факторы интенсификации можно разделить на пассивные (геометрия и число элементов) и активные (управляемые режимы). Управляемые режимы обладают возможностью функциональной интенсификации рабочего процесса без значительного увеличения габаритов и массы рабочего органа машин. Выбор оптимальных значений параметров воздействия будет рационален для конкретных составов дисперсных материалов с учетом исходных свойств и их изменения в ходе рабочего процесса. Применение циклических форм воздействия на уплотняемую среду позволяет привести минеральные частицы среды в колебательное движение, что снижает трение на контактах между ними и тем самым обеспечивает их перекомпоновку и увеличение числа межконтактных взаимодействий. Такие воздействия обеспечивают внутренние изменения макроструктуры среды, ее объема и формы, а при отсутствии бокового расширения обусловливают и деформационное упрочнение структуры. Изменяются физические взаимодействия на контактах в связи с выходом газообразной фазы и переходом части связанной влаги гидратных оболочек в свободную, вытеснением и перераспределением ее. При этом возникает внутреннее разжижение структуры, а деформация происходит с замедленной скоростью благодаря усталостным явлениям и ползучести с преодолением внутренних сил вязкостного сопротивления. Такая сложная картина внутреннего превращения уплотняемой среды в однородную плотную макроструктуру носит временный характер и обусловливает целесообразность назначения определенного числа повторных циклов нагружений с параметрами, соответствующими этим превращениям. В реальных полидисперсных условиях в структурах с коагуляционными контактами по мере действия повторных циклов нагружений происходит изменение формы и величины возникающих импульсов напряжений. Данные изменения рассматриваются в связи с распадом энергии в объеме среды. Разрушение надмолекулярных связей агрегатов частиц тонкодисперсной твердой фазы среды и высвобождение иммобилизованной воды приводит к явлению тиксотропии. Деформационное же упрочнение объема приводит к возникновению упругого гестерезиса. Последнее явление следует рассматривать в связи с развитием межконтактных взаимодействий, накоплением остаточных деформаций и образованием структурных связей, обусловленных молекулярными силами и водноколлоидной природой компонентов среды. Площадь, заключаемая в петлю гестерезиса «σ – ε», будет, таким образом, выражать энергию, рассеянную за один цикл колебаний: 62

T

E = ∫ σ ( ε ) ε dt . 0

Деформационное упрочнение структуры проявляется в повышении плотности среды и росте касательных напряжений при сдвиге τ. Сопротивляемость деформируемой среды сдвигу в механике грунтов определяют на основе закона Кулона:

τ = σ tgφ + τ ч + τ с , где τ ч – составляющая напряжения сдвига, обусловленная межчастичным взаимодействием; τ с – составляющая напряжения сдвига, обусловленная структурным сцеплением. Обе эти составляющие в сумме дают общее внутреннее сопротивление. Учитывая сложность процесса деформирования, оценивать его эффективность целесообразно по энергетическим, силовым и скоростным показателям, амплитуде и частоте, колебаниям оборудования, времени осуществления процесса. В синтезируемой адаптивной системе возможна перенастройка структуры или изменение ее отдельных параметров. Поэтому по уровню адаптации такие системы можно разделить на организующиеся и самонастраивающиеся. Информация об исходном составе материала и изменении его свойств под действием нагрузки должна являться основой для выбора структуры системы и определения динамических параметров, обеспечивающих максимальное значение соответствующего критерия оптимальности. Для конкретной динамической системы уплотняющего оборудования обычно вводится понятие N-мерного пространства параметров, а параметрический синтез при определенных ограничениях позволяет получить решение по их оптимизации. Гораздо сложнее в объеме структур оценить число возможных организаций и изменений. Сравнительная оценка оборудования рациональна на основе метода эталонных моделей с возможностью перехода от множества структур к множеству соответствующих управлений. На основе схематизации физической модели процесса уплотнения и использования метода интегральных оценок напряженнодеформируемого состояния для условий высоты слоя среды менее 0,5 м синтезируется характерная схема нагружения поверхностной нагрузкой, которая принимает экспоненциальный характер распределения (рис. 1.16). 63

Pn Нагрузка от силы под углом

Общая нагрузка

Нагрузка от силы тяжести

Рис. 1.16. Нагружение слоя поверхностной нагрузкой под углом

Вход

Исходный материал

Режим работы

Фактор окружающей среды

Упругость

Технологический фактор

Процесс

Пластичность

Энергетический фактор Человеческий фактор Эффективность процесса

Свойства среды

Энергоемкость, производительность, материалоемкость, качество

Вязкость

Выход Уплотненная среда

Рис. 1.17. Схема функционирования комплекса по уплотнению

64

В данном случае действие динамической нагрузки по направлению силы тяжести усиливает эффект уплотнения и обеспечивает наиболее равномерное распределение напряжений в слое. На основе системного подхода разработана схема функционирования комплекса по уплотнению (рис. 1.17). Он реализуется с учетом состава исходного материала и изменения его свойств в процессе уплотнения. Определять показатели функционирования системы лучше по характерным стадиям рабочего процесса, которые определяются набором факторов (технологического, энергетического и человеческого). С учетом правила фаз Гиббса число независимых параметров, определяющих состояние материала, равно трем: давление, температура и дисперсность. В соответствии с этим активным управляющим воздействием является давление, которое можно реализовать через параметры статического и динамического воздействия на уплотняемую среду. Другим управляющим фактором является применение в соответствии с принципом суперпозиции Больцмана последовательного наложения разночастотных динамических нагрузок. Кроме того, активным управляющим воздействием обладают регулируемые параметры вибрации. Следовательно, максимальное адаптационное воздействие на материал достигается применением трамбования и виброукатки. Математическая модель процесса уплотнения, основанная на энергетическом состоянии деформируемого объема слоя, позволяет более точно определить степень необходимого воздействия на материал. Регулировка параметров адаптационного оборудования позволит сократить количество проходов уплотняющих машин по одному следу и осуществить процесс уплотнения с максимальной эффективностью и минимальным расходом энергетических затрат.

1.5. Анализ факторов, влияющих на качество процесса уплотнения Высокий уровень интенсивности движения на автомагистралях приводит к дополнительной нагрузке на асфальтобетонное покрытие, поэтому разрушения происходят не только в летнее, но и зимнее время. В результате осуществлять ремонт дорог или строительство новых приходится, не обращая внимания на внешние условия окружающей среды. Однако в момент ремонта или строительства она оказывает влияние на качество проводимых работ. Статистический ана65

лиз параметров отобранных образцов из покрытий показал взаимосвязь между состоянием полотна и временем его ремонта или строительства. Процесс укладки асфальтобетонных покрытий может состоять из нескольких этапов, от которых впоследствии будет зависеть качество уплотнения [93]: производство асфальтобетонной смеси на заводе (качество смеси); транспортировка до места укладки (время доставки смеси); использование холодного измельченного старого асфальта или его части (асфальтобетонная крошка) на месте ремонта (качество смеси); распыление гудрона на связующий слой (качество подготовки основания); заливка оставшихся трещин (если необходимо) и выравнивание основания; укладка нового дорожного покрытия (формирование слоя); механическое распределение материала (если необходимо); уплотнение слоя (технология процесса). Поскольку основной задачей строительства или ремонта является качественное уплотнение, рассмотрим факторы, которые оказывают наибольшее влияние на него. Температура асфальтобетонной смеси – один из основных показателей достижения качественного уплотнения. Она характеризует агрегатное состояние асфальтобетона во время уплотнения. Необходимо, чтобы температура смеси была в определенном диапазоне для создания оптимальных условий уплотнения. Для поддержания температуры возможно использование закрытого бункера при перевозке смеси. Кузова грузовиков изолированы от окружающей среды для сохранения температуры смеси в рамках предъявляемых требований строительства. Легкое охлаждение смеси может возникнуть и во время ее разгрузки (от бункера хранения в кузов грузовика и из грузовика в бункера асфальтоукладчика), что негативно повлияет на качество работ по дальнейшему уплотнению. Температурная сегрегация – формирование внутри слоя областей, имеющих значительную температурную разницу. Планировка и равномерное распределение смеси являются ключевыми факторами для достижения одинаковых показателей температуры в основании. Толщина слоя связующего материала и равномерность его нанесения – это ограничения, которые необходимы при укладке нового слоя на существующее дорожное полотно. Битумная эмульсия должна обеспечить хорошую связь между новым и старым слоем. Избыток 66

битума может привести к образованию скользкой поверхности на основании, что ухудшит несущую способность из-за снижения вязкостного сопротивления движению ранее уложенного слоя. Различная толщина может привести к изменению показателя охлаждения смеси. Ровность нижнего слоя дорожного полотна, которая гарантируется при фрезеровании, позволит обеспечить равномерность укладываемого слоя. Профиль и толщина укладываемого материала определяют марку асфальтоукладчика, который проводит укладку нового асфальтобетонного полотна. Его задача – выгрузка асфальтобетона при помощи конвейерной системы на рабочий участок и создание определенного режима работы. Параметры работы асфальтоукладчика – скорость и уплотняющее воздействие. Смесь перед трамбующей плитой рыхлая, в то время как материал после плиты уже достаточно уплотнен (на 80 %). Параметры рабочего оборудования асфальтоукладчика – вес плиты и режим вибрации (амплитуда и частота). Все это передается слою и увеличивает его плотность. Уплотнение трамбующими брусьями и выглаживающей плитой позволяет достичь так называемого предуплотнения. Окончательное уплотнение достигается применением катков. В случае плохого уплотнения асфальтоукладчиком требуется большее уплотняющее усилие на применяемых катках. Если предуплотнение хорошо выполнено, то обнаружение низкой плотности в образцах керна может быть результатом локальных областей из-за неоднородности прикладываемого рабочего усилия. Несмотря на существующие недостатки, трамбующие брусья и плита позволяют достичь высокого уровня уплотнения. Внешние силы, создаваемые катками. В результате этих сил смесь занимает меньший объем и увеличивается ее плотность. Внешние силы – статические и вибрационные – обеспечиваются самоходными катками, включаемыми в уплотняющий отряд. Функциональные задачи отряда: достижение требуемой плотности и обеспечение гладкости слоя. Выбор катков, входящих в отряд, зависит от типа работы. Внешнее вибрационное воздействие уменьшает механическое трение между частицами во время уплотнения. Оно особо эффективно на твердых смесях и смесях с ярко выраженной крупнозернистой фракцией. Вибрационные катки могут быть намного эффективнее, чем статические, однако они требуют больше операторских навыков управления. Неверно выбранный уровень вибрации приведет к быстрому уплотнению локальных участков, 67

что может вызвать при тяжелой нагрузке сдвиги в материале, а впоследствии трещины. Передача внешнего воздействия через пневмошины позволяет достичь лучшего уплотняющего эффекта, чем при использовании стальных вальцов. В процессе уплотнения давление в шинах должно быть высоким, что позволит избежать глубокой колеи при последующей эксплуатации дорожного полотна. Пневмошинные катки могут быть использованы для промежуточного уплотнения или финишного, но все будет зависеть от типа уплотняемой смеси. У пневмошинных катков есть несколько преимуществ, когда смесь достаточно уплотнена: более длительное сохранение температуры асфальтобетонной смеси, чем при использовании стальных вальцов; обеспечение большей плотности асфальтобетонного покрытия, что уменьшает проницаемость слоя; регулировка величины пятна контакта, чего невозможно достичь на стальных катках. Параметры катков: тип вальца, масса, ширина катка, ширина уплотняемой полосы, скорость катка, способ маневрирования. За счет высокого давления задних вальцов большого радиуса создается большая разница в уплотняющем воздействии. Диаметр вальца, глубина его погружения в смесь определяются контактной площадью. Если глубина погружения возрастает, то увеличивается контактная площадь, а с момента ее увеличения контактное давление падает. Для определенной величины контактного давления большие вальцы имеют меньший угол атаки по сравнению с вальцами малого диаметра. Из-за этого составляющая горизонтальных сил мала и снижается эффект сдвига поверхностного слоя. Кроме перечисленных факторов, оказывающих непосредственное влияние на качество уплотнения, существуют организационные факторы, которые тоже влияют на качество, но в меньшей степени. К ним можно отнести организацию рабочего пространства и согласованность действий рабочих, находящихся на участке работ. Цель организации рабочего пространства – повышение производительности ремонта или строительства полотна. Она основывается на профессиональных знаниях в области реконструкции дорог. Основное время производства работ – с 9 до 17 часов по местному времени. Однако на рабочий цикл влияет множество факторов. Все они случайны и зависят от множества условий, которые могут быть прогнозируемы с малой точностью (например, метеорологические условия). Именно от них будет зависеть скорость охлаждения 68

смеси. Следуя нормам строительства асфальтобетонного полотна на рабочей площадке, необходимо присутствие прораба, рабочегооператора, машиниста катка, консультанта, человека, контролирующего качество уплотнения, и полицейского. Согласованность действий такой команды является также показателем, влияющим на качество реконструкции или строительства дороги. Все начинается с обсуждения задач работы, взаимоотношений между рабочими, структуры проекта и графика работ на каждый день. Отсутствие инвестиций в науку

Отсутствие знаний о скорости охлаждения асфальта при различных условиях

Отсутствие знаний эффектов, возникающих при уплотнении

Отсутствие правильных действий оператора катка

Отсутствие или слабое образование у оператора катка

Мастерство оператора катка основывается на опыте

Рис. 1.18. Факторы, влияющие на качество уплотнения

Разрабатываются графики в различных вариантах, предусматривающие возможность строительства в разных условиях. Все варианты расписываются на разных картах и раздаются рабочим для согласованного выполнения работ. В попытке учесть как можно большее количество факторов, определяющих качество уплотнения, была построена блок-схема, отображающая неблагоприятные условия, влияющие на качество работ при строительстве или ремонте. 69

Построение блок-схемы. На основе анализа технологий строительства и ремонта асфальтобетонных дорог была построена блоксхема, отражающая связь между различными факторами, влияющими на ход уплотнения. Схема состоит из 59 вариантов и 93 связей [93]. Яркой иллюстрацией факторов, влияющих на качество уплотнения, является отсутствие инвестиций в науку (рис. 1.18). Такие связи могут быть рассмотрены более детально, т. е. оператор катка не знает, как вообще происходит уплотнение, каковы параметры смеси, что напрямую влияет на результат уплотнения; он основывается только на своем личном опыте. Оператор катка не может полностью учесть все факторы, которые возникают в процессе уплотнения и влияют на получаемое качество дорожного покрытия. Обилие осадков

Отсутствие связи между покрытием и промежуточным слоем

Материал не ограничен в движении

Нет связи между слоями

Повышенная влажность в смеси

Воздух заключенный в смеси

Уменьшение сопротивления структуры

Неправильно выставленный режим трамбующего бруса и получение информации с датчика импеданса без учета погодных условий

Отклонение в плотности слоя

Рис. 1.19. Блок-схема связи между причинами и следствием влияния влажности на плотность покрытия

Другая иллюстрация связи представлена на рис. 1.19 и отображает влияние количества осадков на уплотняемый материал, снижение 70

угла внутреннего трения в материале, блокировку молекул воздуха в материале и изменение плотности слоя. Таким образом, вся блоксхема устанавливает связи между причинами и следствием. Перевод теоретической блок-схемы в рабочую. Разработанная теоретическая блок-схема содержит разнообразную и ценную информацию. Тем не менее она неприменима для математического моделирования при исследовании качества уплотнения. Поэтому была разработана вторая рабочая блок-схема (рис. 1.20), учитывающая информацию в ходе формирования покрытия. Центральную часть схемы составляют процесс уплотнения и контроль его качества. Она демонстрирует взаимоотношения между практическим опытом строительства и теорией уплотнения.

Рис. 1.20. Рабочая блок-схема уплотнения асфальтобетонной смеси

71

Рабочая модель не совпадает с теоретической, поскольку часть информации не связана с уплотнением. Она включает такие очевидные связи, как эффект солнечной радиации, скорость ветра, сила дождя. Однако то, в какой степени они влияют, до сих пор остается неизвестным. Такие эффекты, как время транспортировки смеси и плотность слоя, явно влияют на температуру материала. Исследований в этой области практически нет.

1.6. Теоретические основы процесса уплотнения асфальтобетонной смеси Теоретические исследования динамики процесса уплотнения асфальтобетонной смеси рабочими органами асфальтоукладчика и дорожных катков выполнялись многими отечественными и зарубежными авторами [6; 7; 9; 10; 17; 23; 38–58; 51–67; 75–88; 91–96; 99; 100; 103–106; 117–126; 130–149; 168–170; 176–179; 185–228]. Процесс уплотнения дорожно-строительных материалов является важнейшим в дорожном строительстве, так как достигнутая степень уплотнения комплексно определяет устойчивость всего сооружения к воздействию природно-климатических и эксплуатационных факторов. Он заключается в накоплении материалом остаточных деформаций и протекает наиболее эффективно при выполнении следующего условия [119; 120; 123; 124]: σт < σк ≤ [σпр] ,

где σт и σпр – соответственно пределы текучести и прочности уплотняемого материала; σк – величина контактных напряжений в течение процесса уплотнения, σк = (0,95–0,98) σпр [119; 120]. Анализ научных работ отечественных и зарубежных авторов показал наличие двух основных подходов к описанию изменений физикомеханических и теплофизических параметров материала дорожного асфальтобетонного покрытия в процессе его строительства: термодинамического (М. А. Завьялов, А. М. Завьялов, H. L. Huerne, E. Masad, S. Koneru, K. R. Rajagopal, A. Scarpas, C. Kasbergen, K. Emad, K. R. Rajagopal, Zahid Hossain и др.) и реологического (Н. Я. Хархута, Я. А. Калужский, А. М. Богуславский, В. И. Баловнев, В. Б. Пермяков, С. И. Иванченко, R. N. J. Saal, J. W. A. Labout, R.R. Stander JR., A. A. Zaman, A.L. Fricke, C.L. Beatty, R. Anderegg, A. von Felten Dominik, K. Kaufmann, F. Beainy, S. Commuri, M. A. Zaman и др.). 72

Реологический метод получил наибольшее распространение. Реология – это наука, занимающаяся изучением деформации и возникающих при этом напряжений различных сред под действием приложенных к ним усилий. Система уравнений, моделирующая процесс взаимодействия рабочего органа со средой, определяется видом, свойствами среды и характерным действием рабочего органа. Наглядное представление о характере изменения напряжений и деформаций среды в зависимости от вариаций, определяющих ее физико-механические свойства при механическом воздействии, дают реологические модели (РМ). Последние представляют среду в виде упрощенных механических моделей, составленных из механических элементов, каждый из которых (или их сочетание) дает представление об основных свойствах среды и характере напряженно-деформированного состояния под действием внешних нагрузок [35]. В РМ механические характеристики среды определяются основными (фундаментальными) свойствами: упругостью, пластичностью и вязкостью. Все другие механические свойства являются производными от фундаментальных констант – постоянных коэффициентов. Деформированное состояние большинства природных и искусственных материалов даже при умеренном уровне внешних напряжений не может быть с удовлетворительной точностью описано в рамках фундаментальных моделей механики сплошных сред (теории упругости, пластичности и гидродинамики вязкой жидкости). В процессе деформации проявляется целый комплекс свойств, которые можно анализировать с помощью реологического метода [153], предлагающего наглядный способ построения адекватных математических моделей на основе конструирования реологических схем. Точность описания динамического объекта в рамках этих моделей зависит от количества элементов в схеме и способа их компоновки. Базовыми элементами являются упругая пружина, вязкий демпфер и пластический шарнир, обозначающие фундаментальные свойства [59]. Для материалов, реологические схемы которых содержат достаточно большое число базовых элементов, построение и исследование определяющих соотношений становится весьма трудоемким. В последние годы в связи со значительным ростом производительности ЭВМ метод реологии получил широкое внедрение при изучении различных сред. Выполнены научные исследования по созданию вычислительных алгоритмов и компьютерной системы для анализа реологических схем [59]. 73

Развитию теории математического моделирования различных сред на основе реологии посвящены работы О. В. Садовской, В. М. Садовского, О. И. Кузоватовой [8; 88; 156; 157]. Разработке методов автоматизированного составления реологических моделей посвящены работы В. А. Богомолова, В. К. Жданюк, С. В. Богомолова [11–14], выполненные в ХНАДУ (Украина). Основные виды реологических моделей и их математические уравнения представлены в табл. 1.12 [35]. Сложные реологические модели в виде механического сочетания простых позволяют приближенно описывать свойства реальных сред. Они составляются путем параллельного или последовательного соединения простых реологических моделей [35]. Модели Кельвина, Бингама, Шведова больше соответствуют реальным грунтовым средам, чем простейшие модели. Для наиболее точного моделирования свойств грунта прибегают к построению усложненных реологических моделей, представляющих собой сочетание множества элементарных упруговязких моделей, каждая из которых имеет реологические коэффициенты. Модели такого вида называют спектральными или обобщенными. Теоретические основы применения реологических моделей для моделирования процессов взаимодействия со средой рабочих органов строительных и дорожных машин даны в работе В. И. Баловнева [7]. Научной школой В. Б. Пермякова (СибАДИ) с целью обосновать параметры и конструкцию уплотняющей машины – вибрационного катка – предложена модель колебательной системы «вибровалец – асфальтобетонная смесь» с учетом физико-механических и реологических свойств уплотняемого материала (рис. 1.21) [119]. Она принята за основу при разработке модели системы управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси. В технологическом комплексе дорожно-строительных работ для обеспечения высокого качества готового покрытия необходимо внедрение автоматического управления процессами на этапе укладки и уплотнения смеси. Проблема неравномерности коэффициента уплотнения по ширине рабочего органа асфальтоукладчика, выявленная в результате экспериментальных исследований, требует проведения дополнительных научных исследований для поиска новых технических решений и разработки алгоритмов управления режимными параметрами рабочего процесса. 74

Таблица 1.12 Основные виды реологических моделей Моделируемая среда Упругая

Реологическая модель Механическая Математическая форма запись δ=ɛE; F

Наименование модели Гука

Пластическая

F

τ=xG τ = τпл

Упругопластическая

F

τ = τпл ;

Прандтля

τ=xG τ = η dV/dz

Ньютона

τ = η dV/dz ;

Максвелла

Вязкая

Упруговязкая с релаксацией напряжения Упруговязкая с запаздыванием деформаций Упруговязкая с явлением ползучести Упруговязкопластическая

F

F

Сен-Венана

τ=xG F

F

τ = x G+η dV/dz

Фойгта

τ=xG;

Кельвина

τ = x1 G1+ η dV/dz F

τ=xG;

Бингама

τ = x1 G1+ τпл Упруговязкопластическая с релаксацией

Грунт в процессе сдвиговой деформации

F

τ=xG;

Шведова

τ =x1 G1+ τпл ; τ = τпл+ η dV/dz τ=xG; τ = x1 G1 + η dV/dz ;

Обобщенная Кельвина и Шведова

τ = τпл+ η1 dV/dz

75

Отсутствие единого подхода к оценке требуемых и достигнутых результатов уплотнения материалов обусловливает необходимость совершенствования его критериев. Качественно новый уровень выполнения практически всех видов дорожно-строительных работ обеспечивает технология спутникового позиционирования на основе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, одним из направлений применения которой являются цифровые 3D-системы автоматического нивелирования, интеллектуальные АСУ дорожных катков.

Рис. 1.21. Модель уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком : N – модель Ньютона; η – вязкость по модели Ньютона; Н – модель Гука; E – модуль упругости по модели Гука; StV – модель Сен-Венана; σ TУ – предел текучести по модели Сен-Венана

76

Обоснованы предпосылки создания системы автоматического управления рабочими процессами комплекта машин «асфальтоукладчик – дорожные катки» на базе традиционных и интеллектуальных технологий.

1.7. Автоматизированные системы управления дорожными катками Современные вибрационные катки – высокопроизводительная, надежная и удобная в эксплуатации техника, оборудованная микропроцессорными системами контроля и управления. В настоящее время все ведущие компании, выпускающие вибрационные катки, предлагают автоматические системы управления для своих моделей, грунтовых и асфальтовых. Установленные на вибрационных катках АСУ реализуют технологию интеллектуального уплотнения (intelligent compacttion) посредством автоматической регулировки скорости катка, амплитуды и частоты вальцов так, чтобы данные параметры были оптимальными для уплотняемого материала. 1.7.1. Проблемы и тенденции автоматизации катков Автоматизация процессов дорожного строительства, благодаря развитию сети Интернет, глобальных навигационных систем, применению микропроцессорных АСУ, позволяет осуществлять компьютерное проектирование объектов строительства, регулирование режимов работы машин с использованием компьютерной модели проекта, текущий контроль качества и документирование результатов. Выделяя подсистему уплотнения асфальтобетонной смеси, представляем, что «интеллектуальный» каток кроме систем управления вибровозбудителем и контроля состояния уплотняемого материала должен содержать системы адаптивного управления двигателем и контроля состояния, самодиагностики, сбора, хранения и передачи данных о совокупности параметров машины, её узлов и систем. Таким образом, «интеллектуализация» позволяет значительно улучшить важнейшие показатели катка: качество уплотнения (с применением систем оперативного контроля уплотнения); производительность (системы управления вибровозбудителем); надежность (системы контроля параметров узлов и агрегатов катка); расход топлива и токсичность выбросов (системы оптимизации работы двигателя). К со77

жалению, отечественный машиностроительный комплекс пока не готов к выпуску такой продукции. Основные препятствия, сдерживающие разработку этого перспективного вида оборудования для автоматизации катков [168]: – отсутствие отечественных многорежимных вибровозбудителей, обеспечивающих регулирование в широких пределах вынуждающего усилия; – надежных и информативных систем оперативного контроля состояния материала в процессе уплотнения; – алгоритмов оптимизации параметров воздействия виброкатка на уплотняемый материал в зависимости от его изменяющихся в процессе уплотнения свойств. Кроме того, можно отметить высокую стоимость АСУ зарубежных производителей, что не позволяет рассматривать их для адаптации к российским моделям катков. На основе анализа текущего состояния в области автоматизации процессов уплотнения дорожно-строительных материалов в США можно сделать следующие выводы: для организации продвижения технологии IC в США сформирована рабочая группа (Task Working Group), в которую вошли представители федеральных органов США (FHWA – Federal Highway Administration), разработчиков IC, ведущих научно-исследовательских центров; основные производители дорожных катков – Caterpillar, Dynapac, Sakai, Ammann, Bomag, Volvo – предлагают АСУ с IC, а также оснащение машин оборудованием GPS и радиосвязью; в течение последних нескольких лет в ведущих научноисследовательских центрах при финансовой поддержке Администрации федеральных дорог США (Federal Highway Administration) выполнены и продолжают выполняться теоретические и экспериментальные исследования по технологии интеллектуального уплотнения – IC (Intelligent Compaction); ежемесячно в разных штатах организуются семинары по обучению специалистов теоретическим основам IC и практическим методам управления вибрационными катками, оснащенных интеллектуальными АСУ, современной стандартизации дорожно-строительных работ; в течение года проводятся демонстрационные испытания моделей катков, оснащенных интеллектуальными АСУ; на ежегодных семинарах для специалистов дорожной отрасли США обсуждаются темы по стандартизации технологий интеллектуального уплотнения; 78

совокупность проводимых в США мероприятий способствует значительному повышению качества и производительности дорожного строительства. В Российской Федерации пока нет ни одного из вышеперечисленных условий, за исключением инициативных научных работ в различных высших учебных заведениях. 1.7.2. Теоретические основы систем управления дорожными катками Основными производителями систем непрерывного контроля уплотнения (CCC: continuous compaction control) и интеллектуального уплотнения (IC: intelligent compaction) дорожными катками являются: Ammann (предлагаемый под именем Case в США), Bomag, Caterpillar, Dynapac, Volvo (прежде Ingersoll Rand), Sakai и Hamm. Нами рассмотрены вибрационные катки фирм Ammann/Case, Bomag, Caterpillar, Dynapac и Sakai. Все производители предлагают катки со встроенной системой измерения (табл. 1.13, рис. 1.22).

Таблица 1.13 Состав современных систем управления дорожными катками Интеллектуальные функции уплотнения Автоматический Документация Производитель Встроенная система контроль на основе измерения обратной связи GPS Вынуждающая сила, амЖесткость ks Ammann/Case Да плитуда и частота Амплитуда вертикальной Жесткость Evib Bomag Да вынуждающей силы Caterpillar MDP, CMVC Нет Да Амплитуда вынуждаюDynapac US CMVD Да щей силы Volvo CMVV Нет Нет Sakai America CCV Нет Да

Автоматизированные вибрационные катки имеют системы: 1) измеритель плотности (CMV – compaction measurement values), разработанный фирмой Geodynamik и используемый Dynapac, Caterpillar и Volvo; 2) измеритель непрерывного уплотнения (CCV – compaction control value), используемый фирмой Sakai; 79

3) измеритель жесткости (модуль вибрации) Evib ( Evib – vibration modulus), разработанный и используемый компанией Bomag; 4) измеритель жесткости ks (ACE – Ammann Compaction Expert), созданный и используемый фирмой Ammann/Case; 5) мощности привода (MDP – machine drive power), созданного и используемого компанией Caterpillar.

Рис. 1.22. Современные тандемные вибрационные катки с IC

Системы CMV, CCV, ks и Evib применимы только на вибрационных катках. Не требует вибрации MDP, но может использоваться в вибрационных катках [220, 207]. Автоматическая система управления Ammann/Case. Рабочим принципом системы ACE является автоматическая настройка энергии уплотнения в зависимости от значения нагрузочной способности, жесткости уплотняемого материала. Это означает, что поверхности с низкой жесткостью уплотняются с более высокой эффективной амплитудой, а очень твердые поверхности – с более низкой эффективной амплитудой. Эффективная амплитуда автоматически уменьшается или увеличивается взаимным поворотом двух эксцентрических масс в вибраторе вальца. Частоту устанавливают в зависимости от собственного резонанса грунта. Система ACE измеряет нагрузочную способность, жесткость материала (рис. 1.23, 1.24). Дисплей показывает оптимальную скорость укатки (рис. 1.25). 80

Динамические измерения нагрузочной способности, жесткости грунта проводят параллельно с процессом управления (30–50 измерений в секунду) тем же методом, как и в случае статического испытания на нагрузку плитой (назначенная нагрузка; назначенная площадь нагрузки; усадка грунта). Дисплей показывает оптимальную скорость укатки.

а

б Рис. 1.23. Система ACE измеряет нагрузочную способность, жесткость материала. URL: http://www.ammann-rus.ru/upload/iblock/f7b/tqxtchprkwqiuu%20ACE.pdf

81

Рис. 1.24. Зависимость нагрузочной способности от уровня уплотнения. URL: http://www.ammann-rus.ru/upload/iblock/f7b/tqxtchprkwqiuu%20ACE.pdf

Рис. 1.25. Дисплей ACE, рабочий режим. URL: http://www.ammann-rus.ru/upload/iblock/f7b/tqxtchprkwqiuu%20ACE.pdf

82

В распоряжении оператора наглядный и простой дисплей, указывающий параметры уплотняемого материала в реальном времени (т. е. того материала, который в настоящий момент уплотняется под вальцами катка): жесткость уплотняемого материала; амплитуду вибрации; частоту вибрации; скорость передвижения машины; температуру асфальтового слоя (только на асфальтовом катке). Тандемные вибрационные катки с ACE оборудованы инфракрасным термометром, интегрированным в цепи регулирования, предотвращающим проведение вибрационного уплотнения в случае, если материалы слишком горячие или холодные (или находятся в зонах критической температуры).

а

б

в

Рис. 1.26. Схема вибрирующего вальца (а); два модельных представления вибрирующего уплотнителя (б); диаграмма сил, действующих на валец (в)

Система Ammann ACE Plus вычисляет жесткость грунта ks один раз за цикл вибрации. Система измерения полностью описана в работах [187] и [186]. Чтобы определить значение ks , нужно рассмотреть основную вибрацию системы «валец – среда». На рис. 1.26, а показаны схема катка и две расчетные модели, представляющие собой вертикальные кинематические системы вальца (рис. 1.26, б), где md и m f – соответственно массы вальца и рамы; zd и zd – соответственно перемещение и ускорение вальца; m0 e0 – дебалансовый момент; Ω – частота вращения. Среда представлена реологической упруговязкой моделью Kelvin-Voigt. Диаграмма (рис. 1.26, в) показывает, что контакт вальца и грунта вызывает силу Fs , состоящую из четырех элементов: инерции вальца, 83

инерции системы, эксцентриковой силы и веса машины. Ammann определяет инерцию вальца и эксцентриковую силу через измерение вертикального ускорения вальца и положение эксцентрика (инерцией системы пренебрегают). Полученное уравнение движения является дифференциальным уравнением второго порядка. Вертикальная амплитуда перемещения вальца zd определяется через спектральное разложение и интеграцию измеренного максимального ускорения вальца zd (max) zd (max) [188]. Решение этого уравнения для ks , когда скорость вальца равна нулю (т. е. нижняя позиция), приводит к уравнению (1.8), где φ – задержка фазы между вынуждающей силой и перемещением вальца, ks – отношение Fs к максимальному вертикальному смещению вальца zd (max) при скорости, равной нулю (рис. 1.27).

⎡ m e cos(ϕ) ⎤ ks = Ω2 ⎢ md + 0 0 ⎥. zd ⎣ ⎦

а

(1.8)

б

Рис. 1.27. Иллюстрация изменения значения ks во времени: а – контакт; б – частичная потеря контакта

Соответственно значение ks может быть определено из измеренного ускоре-ния вальца и задержки фазы. Точность измерений данных Ammann следу-ющая: Δzd = 0,001 мм; ∆φ = 0,5 гр.; ∆Ω = 0,31 рад/с (∆f = 0,05 Гц) [187]. Эксцентриковый комплект Ammann ACE Plus (рис. 1.28) состоит из внешних и внутренних масс. Угол θ между этими двумя массами 84

регулируется с помощью компьютера и может быть скорректирован через дифференциал, чтобы обеспечить максимальную (θ = 0 гр.), нулевую (θ = 180 гр.) и любую промежуточную (0 гр. < θ < 180 гр.) эксцентриковую силу.

Рис. 1.28. Двухмассовый эксцентриковый комплект (Ammann)

Максимальный дебалансный момент m0e0 и связанная с ним теоретическая амплитуда перемещения вальца для модели Ammann ASC 110/130 составляют 8,8 кг·м и 2,2 мм соответственно. Система ACE Plus выполняет контроль обратной связи силы Fs контакта «валец – грунт». Выбраны три оператора для возможных уровней силы Fs : низкая сила: Fs (max) = 14 кН (изменяет измеренное значение zd от 0,4 до 1,5 мм); средняя сила: Fs (max) = 20 кН (изменяет измеренное значение zd от 1,0 до 2,0 мм); высокая сила: Fs (max) – не ограничена (изменяет измеренное значение zd от 2,0 до 3,0 мм). По выбранному уровню силы каток корректирует дебалансный момент, чтобы поддерживать Fs (max) . Частота воздействия корректируется так, чтобы поддерживать φ задержки фазы между 140 и 160 гр. Для высокого уровня силы частота, требуемая для поддержки соответствующего значения φ, составляет 23–25 Гц. Поскольку амплитуда уменьшается, частота, требуемая для поддержки соответствующей величины φ, имеет максимальное значение до 35 Гц. Система ACE Plus может также применять указанное пользователем значение ks в качестве параметра контроля. В названном способе измерения модуля выбрано предельное значение для ks . Когда заданное значение ks достигнуто, система ACE Plus автоматически 85

уменьшает дебалансный момент до 0,5 Fs (max) для выбранного диапазона. Система ACE Plus следит за колебаниями вальцов и автоматически уменьшает дебалансный момент, пока не восстановится устойчивая работа. Программное обеспечение ACE Plus соединяет данные значения ks с координатами x, y и z, собранными через бортовое GPSоборудование в реальном времени (RTK) с точностью ±100 мм. Программное обеспечение ACE Plus наносит на карту множество параметров катка в графическом представлении. Данные загружаются в формате текстового файла через USB-карту памяти [220]. Типовой комплект оборудования для автоматизации современного асфальтового дорожного катка имеет (рис. 1.29): два температурных датчика (Temp Sensor); радиоприемник (Radio); спутниковую антенну и датчик угла (Receiver and Angle Sensor); дисплей (Display); контроллер (Controller).

Рис. 1.29. Комплект оборудования для автоматизации асфальтового катка (AccuGrade®): Temp Sensor – температурный датчик; Radio – радиоприемник; Receiver and Angle Sensor – спутниковая антенна и датчик угла; Display – дисплей; Controller – контроллер

86

1.7.3. Критерии, используемые в системах управления дорожными катками При строительстве автомобильных дорог ключевой операцией для придания слоям конструкции необходимой прочности, устойчивости и долговечности является уплотнение. Конструкция дорог состоит из слоев материалов с различными физико-механическими свойствами: грунты, камни, асфальто- и цементобетоны [120]. В существующих технологиях преимущественным средством уплотнения дорожно-строительных материалов (ДСМ) на линейных объектах являются катки различных типов. Однако, несмотря на наличие универсальных средств уплотнения, существенные отличия в механизмах развития и накопления деформаций в разных материалах не позволяют разработать единые подходы к теоретическому описанию процессов изменения их напряженно-деформированного состояния при уплотнении. Отсутствует и единый подход к оценке требуемых и достигнутых результатов уплотнения материалов. Анализ современного состояния средств механизации, контроля качества работ, нормативных документов на проектирование и строительство автомобильных дорог дает возможность сделать вывод о необходимости совершенствования критериев уплотнения. Проектирование распространенных в настоящее время дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием осуществляется в соответствии с ОДН 218.046–01 «Проектирование нежестких дорожных одежд». В данном документе в качестве прочностной характеристики материалов дорожных одежд рассматривается модуль упругости (статический или при кратковременном нагружении). С его помощью оцениваются не только прочностные характеристики материала слоя, но и прочностные характеристики пакета из нескольких слоев, вплоть до прочности конструкции дорожной одежды в целом. Решение о достаточности уплотнения материала для обеспечения заданных прочностных характеристик принимается на основании другого набора критериев (табл. 1.14). Контроль качества уплотнения грунтов (в соответствии со СНиП 2.05.02–85 «Автомобильные дороги») осуществляется по коэффициенту уплотнения грунта. Контроль качества уплотнения асфальтобетона осуществляется преимущественно по коэффициенту уплотнения, определяемому в соответствии с ГОСТ 12801–98 «Материалы на основе органических 87

вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний» как отношение средней плотности образца из конструктивного слоя к средней плотности переформованного образца. Таблица 1.14 Критерии уплотнения слоев дорожно-строительных материалов и дороги в целом [155] Материалы

Грунты

Каменные материалы

Асфальтобетоны Дорога в целом

Критерий уплотнения перспективный оперативный при проектирова- при строипри строитель- (в составе нии тельстве стве катка) Коэффициент уплотнения Динамический Отсутствие модуль упруволны; отсутгости (дефорМодуль упругости ствие следа; мации) (кратковременный, раздавливание Динамический статический) щебенки модуль упругости (дефорТо же Коэффициент мации) и температуруплотнения ный режим Динамический Общий модуль Общий модуль упмодуль упрудеформации ругости гости (дефор(упругости) мации)

В соответствии с ГОСТ 22733–2002, ГОСТ 5180–84 и ГОСТ 12801–98 процедура определения значений коэффициентов уплотнения грунта и асфальтобетона занимает до двух суток. А отсутствие информации о достигнутом эффекте уплотнения не позволяет принимать оперативное решение о необходимости дополнительного уплотнения, что снижает производительность строительства. Критерии качества уплотнения щебеночных, гравийных и шлаковых оснований и покрытий (СНиП 3.06.03–85 «Автомобильные дороги») следующие: отсутствие следа после контрольного прохода катка массой 10–13 т по всей длине контролируемого участка, волны перед вальцом, раздавливание положенной под валец щебенки. Эти критерии нельзя рассматривать в качестве объективных. Нормативный документ ОДН 218.046–01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» не содержит показателей плотности ДСМ, применяемых при контроле качества уплотнения. Связь между моду88

лями упругости материалов слоев при проектировании и значениями коэффициентов уплотнения при строительстве отсутствует. В итоге заказчик не имеет возможности проконтролировать соблюдение требований, предъявляемых к прочности слоев в процессе дорожного строительства, а при использовании каменных материалов – даже качество их уплотнения. Существует необходимость в разработке новых критериев уплотнения ДСМ, которые должны отвечать следующим требованиям [169]: являться едиными для этапов проектирования и строительства; быть универсальными по отношению к виду дорожно-строительных материалов; отражать реальные физико-механические характеристики ДСМ; не требовать сложной, длительной и дорогостоящей технологии определения. Важно совершенствовать нормативную базу. При проектировании нежестких дорожных одежд переход от статических к динамическим модулям упругости (деформации) создаст предпосылки для более точного учета особенностей работы дороги при кратковременных приложениях нагрузки. Внедрение динамических модулей деформации в качестве критериев качества уплотнения позволит обеспечить единство требований проектировщиков и строителей к возведению дороги в целом и отдельных её слоёв, а заказчик сможет объективно оценить полноту выполнения проектных решений. При наличии на катке системы глобальной навигации (ГЛОНАСС, GPS) реально получение карты распределения плотности по всему участку, что дает возможность провести не точечный, а сплошной контроль качества уплотнения каждого слоя, а также повысить потребительское качество дороги, увеличить срок ее службы и сократить затраты на ремонт. Работа этих систем основана на использовании цифровой 3D-модели проектной поверхности. В виде файла 3D-модель передается в бортовой компьютер машины, установленный в кабине. При работе в автоматизированном режиме рабочий орган автоматически удерживается в проектном положении. Однако представляется, что полностью отказываться от использования коэффициентов уплотнения материалов при строительстве нецелесообразно. Вероятно, в практике строительства следует применять и динамический модуль деформации (упругости), и коэффициент уплотнения материала [169]. 89

Критерии, используемые в системах управления дорожными катками. Среди основных производителей IC-катков – зарубежные компании Ammann/Case, Bomag, Caterpillar, Dynapac, Volvo (прежде Ingersoll Rand), Sakai America и Hamm [213]. Основные сведения о критериях качества, используемых в автоматизированных системах управления дорожными катками ведущих производителей, приведены в табл. 1.15. Все производители предлагают катки со встроенной системой измерения.

Таблица 1.15 Данные катков с «интеллектуальным» уплотнением АвтоматичесДокументаПроизводикий контроль Встроенная система измерения ция на остель обратной нове GPS связи Вынуждающая Жесткость ks для вибрационных Ammann/Case сила, амплиДа катков туда и частота Модуль вибрации Evib для вибрационных катков : zd =

Bomag

L⎞ (1− ν2 ) Fs 2 ⎛ · · ⎜1,8864 + ln ⎟ ; Evib L π ⎝ b⎠ b=

16 R (1 − ν 2 ) Fs ⋅ ⋅ , Evib L π

Амплитуда вертикальной вынуждающей силы

Да

Нет

Да

где zd – смещение вальца; ν – коэффициент Пуассона; Evib – модуль вибрации; Fs – сила контакта; L – длина вальца; b – ширина контакта

Caterpillar

90

a MDP = Pg − W (sin θ + ) − (mV + b), g где Pg – валовая сила перемещения машины; W – вес катка; а – ускорение машины; g – ускорение силы тяжести; θ – угол наклона (подачи катка); V – скорость катка; m и b – соответственно коэффициенты внутренних потерь машины

Продолжение табл. 1.15 Производитель

Встроенная система измерения Показатель CMV определяется как отношение второй гармоники вертикальной амплитуды области частоты ускорения вальца A2Ω (операционная частота Ω) к первой гармонике вертикальной амплитуды области частоты ускорения вальца AΩ, умноженное на постоянную С:

Dynapac

A CMV = C 2Ω , AΩ

АвтоматичесДокументакий контроль ция на особратной нове GPS связи

Амплитуда вынуждающей силы

Да

Нет

Да

где C – постоянная (обычно равна 300); A2Ω – вторая гармоника вертикальной амплитуды области частоты ускорения вальца; AΩ – первая гармоника вертикальной амплитуды области частоты ускорения вальца Система ССV является расширением СMV . Определяется по формуле A + A3 + A4 + A5 + A6 ССV = 1 100% , A1 + A2

Sakai America

где A1 ,…, A6 – соответственно спектры амплитуды виброускорения при частоте вибровозбуждения Ω; 0,5 Ω; 1,5 Ω; 2 Ω; 2,5 Ω и 3 Ω (рис. 1.30). Данная система измерения применяет один акселерометр, чтобы контролировать вертикальную вибрацию вальца. Спектр амплитуды в каждом из этих компонентов частоты используется для определения ССV . Для получения ускорения при частоте вибровозбуждения Ω; 0,5 Ω; 1,5 Ω; 2 Ω; 2,5 Ω и 3 Ω используются аналоговые полосно-пропускающие фильтры

91

Окончание табл. 1.15 Производитель

Встроенная система измерения

АвтоматичесДокументакий контроль ция на особратной нове GPS связи

Альфа-система: 3

3

∑ Si + ∑ Si'

i −1 Ft = i −1 ; S0 + S0' F / ( m1 + m2 ) g

E=

×

Obayashi – Maeda (Япония) [190]

2(1 −ν 2 ) × Bπ ⎛4 ⎞ 2 ⎜ Ft + 1⎟ (2 π f 0 ) m2 3 ⎝ ⎠

1 − 0,32α + 0,1024α 2 −1,64α + 1

⎛

;

2

⎞ F ⎟ , m m g ( ) + 2 ⎝ 1 ⎠

α = 1− ⎜

Нет где Ft – фактор турбулентности; S0 – спектр частоты колебаний высших гармоник; S1 ,…, S4 … – спектры волн в частотном анализе; S1' ,…, S4' … – спектры 1/2 субгармонических волн в частотном анализе (рис. 1.31, 1.32); m1 – масса рамы; m2 – масса вибрационного вальца; f0 – частота; F – вибрационное усилие; B – ширина вибрационного вальца; E – модуль деформации, Н/м2; v – коэффициент Пуассона. С помощью характеристик частотного анализа фактор турбулентности Ft определяется как количественный показатель ускорения волны. Большее значение фактора турбулентности указывает на лучшее уплотнение покрытия

92

Да

Рис. 1.30. Компоненты области частоты ускорения вальца в Sakai CCV [213] : A – спектр амплитуды виброускорения; f – частота вибровозбуждения, рад/с; A1 ,…, A6 – соответственно спектры амплитуды виброускорения при частоте возбуждения Ω; 0,5 Ω; 1,5 Ω; 2 Ω; 2,5 Ω и 3 Ω

а

б

Рис. 1.31. Моделирование системы «валец – среда» [209]: а – вибрационный каток; б – динамическая модель (frame – рама; dumper – демпфер; vibrating wheel – вибрационный валец; ground – грунт)

93

а

б Рис. 1.32. Пример измерения ускорения катка при уплотнении покрытия: а – изменение вертикального ускорения катка; б – спектр Фурье вертикального ускорения катка: roller acceleration – ускорение вальца; time – время, с; spectrum of acce. – спектр ускорения; frequency – частота, Гц; N – количество проходов катка

1.8. Адаптивные системы управления на основе интеллектуальных технологий Современный уровень научно-технического прогресса, развитие кон-струкций машин, механизмов и технологий, повышение требований к качеству продукции усложняют задачи управления технологическими процессами. В развитии теории автоматического управления можно выделить три периода: детерминизма, стохастичности и адаптивности. Возможность управления объектами при неполной и даже весьма малой априорной информации основана на применении методов адаптации и обучения в автоматических системах [184]. Наиболее разработанные методы построения автоматических систем управления основаны на использовании строгих математических моделей объектов. Однако для подавляющего большинства как 94

искусственных, так и естественных объектов управления (ОУ) построение точных математических моделей практически невозможно ввиду их плохой формализуемости. К тому же эти объекты могут функционировать в среде, свойства которой изменяются или же вообще не могут быть определены заранее. Управление такими объектами возможно только с использованием адаптивных принципов. В случае плохой формализуемости ОУ особый интерес вызывают системы, построенные на новых интеллектуальных принципах. Эти системы используют наработки таких направлений искусственного интеллекта (ИИ), как нечеткая логика, экспертные системы, генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и т. д. [98]. Развитие современной теории управления из так называемой классической теории регулирования и формирование её новейших методов схематично показаны на рис. 1.33 [66].

Рис. 1.33. Развитие содержания и методологии теории управления

Создание систем, априорно ориентируемых на работу в условиях неполноты или нечеткости исходной информации, неопределенности внешних возмущений и среды функционирования, требует привлечения нетрадиционных подходов к управлению с использованием методов и технологий искусственного интеллекта. Интерес к интеллектуальным системам управления (ИСУ) объясняется рядом причин: 95

традиционные технологии уже не могут обеспечить повышение качества управления, поскольку не учитывают всех неопределенностей, воздействующих на систему, и совершенствование известных алгоритмов адаптивного управления не всегда дает желаемый результат. Это объясняется как сложностью самих алгоритмов, так и трудностями их реализации на цифровой технике; наличие фундаментальной теоретической базы, которой являются работы У. С. Мак-Каллока, В. Питтса (искусственные нейронные сети, 1943 г.), Н. Винера (представление сложных биологических процессов математическими моделями, 1948 г.), Д. Хебба (первый алгоритм обучения нейронной сети, 1949 г.), Ф. Розенблатта (создание перцептрона, 1958 г.), Л. А. Заде (нечеткая логика, 1965 г.), Д. А. Поспелова (ситуационное управление, 1972 г.) и других ученых, что в сочетании с пониманием теории управления позволяет ожидать позитивных результатов в обоснованной интеллектуализации автоматических систем управления на основе применения современных методов и технологий обработки знаний; назрела целесообразность использования преимуществ интеллектуальных технологий управления на основе новой элементной базы; развитие интеллектуальных технологий управления как на исполнительном уровне (интеллектуальный привод, интеллектуальный мехатронный модуль и т. д.), так и уровне организации целесообразных действий и поведения позволяет обеспечить создание принципиально нового поколения машин, обладающих высокими техническими характеристиками и функциональными возможностями [66]. Актуальными прикладными направлениями использования ИСУ в современных условиях являются исследование и разработка адаптивного управления дорожно-строительными машинами (ДСМ). Они активно развиваются за рубежом, где предъявляются высокие требования к качеству строительства и строго контролируется соблюдение требований контракта, устанавливающего необходимость текущего контроля этапов работ с применением современных навигационных систем и автоматики. Развитие технических средств автоматики способствует распространению технологий управления, а также создает предпосылки для повышения организационных требований в отрасли дорожного строительства, где применяются дорожно-строительные комплекты машин, не оснащенных средствами автоматизации или оснащенных ими не в полном объеме. Зарубежная практика дорожного строительства показывает наличие современных автоматизированных комплек96

тов машин, в т. ч. с применением интеллектуальных технологий уплотнения земляного полотна и конструктивных слоев дорожных одежд. 1.8.1. Применение искусственных нейронных сетей в системах управления вибрационными катками В США выполнена новая разработка АСУ вибрационными асфальтовыми катками (IACA: Intelligent Asphalt Compaction Analyzer) с применением искусственных нейронных сетей [223]. Система управления имеет (рис. 1.34): комплект GPS; акселерометр; датчик температуры; регулятор скорости катка; регулятор вибрации; дисплей.

Рис. 1.34. Функциональная схема IACA

Авторы разработки IACA выполнили достаточно много исследований опытных образцов катков и внедрили систему [200–205]. Принцип работы IACA. Уплотнение асфальтобетонной смеси достигается путем использования энергии и давления на валец. При уплотнении покрытия его жесткость увеличивается и, как следствие, колебания вальца изменяются. Знание свойств покрытия и спектра колебаний вальца используется при оценке жесткости покрытия. Так как плотность и модуль асфальтобетонной смеси связаны между собой, IACA оценивает плотность уплотненного покрытия, а не жесткость. Вибрационный каток, оснащенный IACA, показан на рис. 1.35, а, а функциональные элементы IACA – на рис. 1.35, б. Сенсорный модуль (Sensor Module) в IACA состоит из акселерометра для 97

измерения вибрации в процессе работы катка, инфракрасного датчика для измерения температуры поверхности, пользовательского интерфейса для определения амплитуды и частоты вибрации.

Рис. 1.35. Вибрационный каток, оснащенный IACA: а – оборудование катка; б – функциональная схема IACA

Определитель функции вычисляет быстрое преобразование Фурье входного сигнала и выделяет особенности соответствующих колебаний на различных характерных частотах. Искусственная нейронная сеть может классифицировать извлеченные данные так, чтобы каждый класс представлял собой модель вибрации, характерную для предварительно заданного уровня уплотнения. Анализатор уплотнения (Compaction Analyzer) после обработки выхода нейронной сети оценивает степень уплотнения в режиме реального времени. 1.8.2. Применение нечеткой логики в системах управления вибрационными катками Свойства нечеткой логики обрабатывать неполную информацию, моделировать человеческие знания и выдавать обоснованные реше98

ния предполагают ее интенсивное использование для наблюдения за технологическими процессами в реальном времени, а также решение проблем, связанных с практической реализацией систем управления технологическими процессами [56]. Использование нечеткой логики в системах управления позволяет сократить вмешательство оператора в процесс управления и, следовательно, разработать новые методики управления, более адаптированные к промышленной среде. Регуляторы, построенные на базе нечеткой логики, в ряде случаев способны обеспечить более высокие показатели качества переходных процессов по сравнению с классическими регуляторами. Кроме того, использовав методы синтеза нечетких алгоритмов управления, можно выполнить оптимизацию сложных контуров регулирования без проведения всесторонних математических исследований [90]. В дорожном строительстве применяются вибрационные катки, которые в 3–4 раза эффективнее катков статического действия той же массы, но их применение порождает новые проблемы, связанные именно с эффективностью [17]. В работе [99] рассмотрено устройство автоматического регулятора для дорожного катка. Датчики. Измеряют плотность грунта. Измерение требуется производить в 2–4 точках. Преобразователи. Система предобработки сигналов датчиков и данных. Интерпретатор ситуации. Составная часть алгоритма управления, вычисляющая критериальную целевую функцию. Оптимизатор. Имеются управляющие параметры. Это скорость движения катка, статическая нагрузка на валец, частота вибрации, амплитуда вибрации. Очевидно, что для разных условий работы (состав и влажность грунта, предназначение обрабатываемого участка и т. п.) существует их оптимальное сочетание в смысле выбранной целевой функции. Причем в процессе работы изменяется и сочетание величин, и оптимальное значение функции. В работе [17] предлагается решать задачу градиентным методом, что в результате приводит к оптимальному решению. Оператор не всегда может выбрать оптимальное решение, не исключены и ошибки, поэтому регулятор на основе нечеткой логики позволяет повысить качество управления, предупредить о неправильных командах оператора. Блок нечеткого вывода берет на себя функции контроллера действий оператора и выбора необходимого решения по управлению в пределах выбранного оптимума. 99

Проблема создания базы правил представляет собой одну из ключевых задач при построении алгоритма нечеткого управления (контроля). Для её решения используются интервьюирование опытного оператора либо фиксирование решений, принимаемых им в различных ситуациях, либо желательная траектория управления движения катка. Построение нечеткого контроллера [99]. Основная функция, возлагаемая на нечеткий контроллер, – формирование корректирующих поправок к коэффициентам ПИД-регулятора в зависимости от текущих координат системы. В этом случае ПИД-регулятор с корректирующим блоком нечеткой логики представляет собой нелинейную систему. Разработка нечеткого контроллера сводится к решению следующих задач: выбор входных лингвистических переменных на основе анализа поведения замкнутой системы в ранее рассчитанном оптимальном режиме; назначение для каждой из лингвистических переменных набора лингвистических значений (термов); выбор для каждого из термов аппроксимирующего нечеткого множества; создание базы правил контроллера на основе анализа совокупности значений «входные переменные – управление», полученных для оптимального режима; принятие механизма нечеткого вывода, адекватного проблеме, и выбор эффективного метода преобразования полученного нечеткого управления в четкий выходной сигнал. Процедура обработки входной «четкой» информации в контроллере сжато может быть описана следующим образом: – текущие значения входных переменных преобразуются в лингвистические (фазифицируются); – на основании полученных лингвистических значений и с использованием базы правил контроллера делается нечеткий логический вывод, в результате которого вычисляются лингвистические значения выходных переменных; – заключительным этапом обработки является вычисление «четких» значений управляющих параметров (дефазификация). Развитие вычислительной техники расширяет возможности применения интеллектуальных систем управления на основе нечеткой логики для асфальтоукладчиков и дорожных катков [130; 136; 137; 143]. 100

2. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УПЛОТНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ Моделирование как метод научного исследования применяется чрезвычайно широко во многих отраслях науки [107]. Под математическим моделированием понимается процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, называемого математической моделью. Исследование этой модели позволяет получать характеристики рассматриваемого реального объекта. Вид математической модели зависит как от природы реального объекта, так и задач исследования объекта и требуемой достоверности и точности решения этих задач. Любая математическая модель, как и всякая другая, описывает реальный объект лишь с некоторой степенью приближения к действительности. Математическое моделирование можно разделить на аналитическое и имитационное. Для аналитического моделирования характерно то, что процессы функционирования элементов объекта записываются в виде некоторых функциональных соотношений (например, уравнений – алгебраических, дифференциальных, интегральных и т. п.) или логических условий. Для имитационного моделирования характерно исследование отдельных траекторий динамики моделируемого объекта. Имитационное моделирование (от англ. simulation) – это распространенная разновидность аналогового моделирования, реализуемого с помощью набора математических инструментальных средств, специальных имитирующих компьютерных программ и технологий программирования, позволяющих посредством процессов-аналогов провести целенаправленное исследование структуры и функций реального сложного процесса в памяти компьютера в режиме «имитация», выполнить оптимизацию некоторых его параметров [36]. Имитационной моделью называется специальный программный комплекс, который позволяет имитировать деятельность какого-либо сложного объекта. При имитационном моделировании процессов фиксируются некоторые начальные условия (начальное состояние объекта или параметры модели) и рассчитывается одна траектория, затем выбираются другие начальные условия и рассчитывается другая 101

траектория и т. д. То есть аналитическую зависимость между параметрами модели и будущими состояниями системы не ищут. Как правило, при имитационном моделировании используют численные методы, реализованные на компьютере. Достоинство имитационного моделирования заключается в том, что оно позволяет проанализировать различные сценарии иногда даже для очень сложных моделей. В настоящее время существует достаточно большое количество специальных программных средств, предназначенных для разработки имитационных моделей и моделирования сложных технических объектов и процессов, но наиболее развитой и широко распространенной как в нашей стране, так и за рубежом является современная математическая система MATLAB&Simulink (URL: http://www.mathworks. com) с огромным набором инструментальных средств.

2.1. Идентификация динамической системы уплотнения смеси дорожными катками Анализ свойств объекта управления предполагает разработку адекватных статических и динамических моделей. Наибольшие трудности возникают при идентификации нелинейного объекта. С ними можно справиться с помощью обработки опытных данных или информации, полученной в ходе решения дифференциальных уравнений. Проведение экспериментальных исследований дорожно-строительных машин в реальных условиях их эксплуатации неэффективно, что связано с большой трудоемкостью, высокой стоимостью и значительной сложностью организации работ в соответствии с планом. В этом случае используют методы имитационного моделирования с применением математических программных средств. 2.1.1. Имитационная динамическая модель уплотнения Основными показателями, характеризующими напряженнодеформированное состояние асфальтобетонной смеси в процессе уплотнения как нелинейной упруговязкопластичной среды, являются контактное напряжение и величина деформации. При теоретическом описании уплотняемой среды широкое распространение получили методы реологии [119; 226]. 102

x1

Q sin(ω t )

x2

x

Рис. 2.1. Модель процесса вибрационного уплотнения асфальтобетонной смеси дорожным катком

103

Рассмотрим колебательную систему «вибрационный валец – асфальтобетонная смесь» для теоретического описания динамических параметров процесса взаимодействия вальца с уплотняемой смесью. Для решения поставленной задачи в качестве базовой принята теория уплотнения, предложенная в работе [119]. С учетом конструктивных элементов катка схема модели процесса вибрационного уплотнения асфальтобетонной смеси приведена на рис. 2.1. Модель условно можно разделить на две части: первая характеризует динамику колебаний вибрационного вальца, вторая – реологические свойства уплотняемой среды. Дифференциальные уравнения колебательной системы [119] (рис. 2.1), запишем следующим образом: ⎧ d 2 x1 (t ) ⎛ dx1 (t ) dx2 (t ) ⎞ b + − ⎪ m1 ⎜ ⎟ + c [ x1 (t ) − x2 (t ) ] = m1 g ; 2 dt dt ⎝ ⎠ dt ⎪ ⎪ 2 ⎪ d x2 ( t ) ⎛ dx1 (t ) dx2 (t ) ⎞ − − b ⎨ m2 ⎜ ⎟− 2 dt dt ⎝ ⎠ dt ⎪ ⎪ −c [ x1 (t ) − x2 (t ) ] = Q sin(ω t ) + m2 g − P ( t ) , ⎪ ⎪⎩

(2.1)

где m1 – масса пригруза (масса рамы вальца, воздействующей на вибрирующий валец), кг; m2 – масса вальца, которому сообщаются гармонические колебания от его вибровозбудителя, кг; x1 – вертикальное перемещение корпуса катка, возникающее в итоге вращения дебалансного вала вальца и передающееся через резиновые амортизаторы, м; x2 – вертикальное перемещение вибрационного вальца, м; b – коэффициент вязкого трения резиновых амортизаторов, Па с/м; с – жесткость резиновых амортизаторов, Н/м; Q – вынуждающая сила вибровозбудителя, Н; ω – угловая частота вращения вала вибровозбудителя, рад/с; t – текущее время вибрационного воздействия на смесь, с; P(t ) – реакция на валец со стороны уплотняемой смеси, Н. Модель уплотнения смеси состоит из трёх параллельно соединённых ветвей (блоков). При этом в любой момент времени соблюдаются условия

ε(t ) = ε1 (t ) = ε 2 (t ) = ε3 (t ), σ к (t ) = σ1 (t ) + σ 2 (t ) + σ3 (t ). 104

где ε(t ) – относительная деформация смеси; ε1 (t ) ,…, ε3 (t ) – соответственно относительная деформация в блоках I, II и III реологической модели; σ к (t ) – контактные давления вальца; σ1(t ) , …, σ3 (t ) – давления в блоках I, II и III модели. Так как дорожное основание достаточно хорошо уплотнено, то жесткость элемента H4 реологической модели (рис. 2.1) будет намного больше жесткости асфальтобетонной смеси и в этом случае элемент Н4 в работу не включается. Результаты научных исследований [119; 120; 121] показывают, что для эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей необходимо, чтобы возникающие под рабочим органом контактные давления σ к вальца на смесь были не меньше их предела текучести σ т , но не больше предела прочности σ пр , т. е. σ т (t ) ≤ σ к (t ) < σ пр (t ) . Если выполняется условие σ к (t ) < σ пр (t ) , то процесс уплотнения происходит нерезультативно, так как в этом случае под действием уплотняющих средств в смесях медленно накапливаются остаточные деформации. При условии σ к (t ) > σ пр (t ) процесс уплотнения переходит в процесс разуплотнения, когда в смеси превышается запас деформативной способности и она разрушается на отдельные части [119; 120; 121]. При приложении напряжений больше предела текучести модель деформируется в режиме установившегося течения. Скорость течения определяется вязкостью смеси. В данном случае во внимание берутся два времени релаксации напряжений – «быстрое» в блоке II и «медленное» в блоке III. «Быстрая» релаксация внутренних напряжений осуществляется за счет взаимного перемещения крупных минеральных зерен, имеющих относительно толстые и малопрочные битумные пленки, что в большей мере проявляется на начальном этапе уплотнения, когда смесь менее плотная. «Медленная» релаксация напряжений проходит за счет релаксационных процессов в растворной части смеси (битум, песок, минеральный порошок). Таким образом, в процессе уплотнения непрерывно происходит перераспределение между двумя составляющими релаксации напряжений [119]. Для удобства проведения компьютерного имитационного моделирования уравнения, полученные в работе [119], были преобразованы, что позволило детальнее исследовать динамические процессы. Система уравнений (2.1) приобрела следующий вид: 105

⎧ d 2ε ( t ) ( m1 + m2 ) g = + ⎪ 2 ( 0,02 m1 + m2 ) hсл ( t ) ⎪ dt ⎪ Q ⎪+ sin(ω t ) − ⎪ ( 0,02 m1 + m2 ) hсл ( t ) ⎪ LAB ( t ) B ⎪− ⎪ 0,02 m + m h t σ к ( t ) ; 1 2 ) сл ( ) ⎨ ( ⎪ ⎪ ⎪ d 2σк ( t ) θ 2 n + θ3 m dσ к (t ) σ к (t ) − σ ту =− ⋅ − + ⎪ 2 n m dt n m θ θ θ θ dt ⎪ 2 3 2 3 ⎪ 2 ⎪ + η2 + η3 ⋅ dε ( t ) + η2 θ3 + η3 θ 2 ⋅ d ε ( t ) , ⎪⎩ θ 2 θ3 n m dt θ 2 θ3 n m dt 2

(2.2)

где hсл ( t ) – толщина слоя смеси, м; LAB(t) – длина дуги контакта вальца со смесью, м; В – ширина вальца, м; θ2 , θ3 – соответственно время «быстрой» и «медленной» релаксации напряжений в блоках II и III реологической модели смеси, с; n, m – коэффициенты, постоянно изменяющиеся в процессе уплотнения; η2 ,η3 – соответственно вязкость смеси в блоках II и III реологической модели смеси, Па с. С учетом принятых упрощений система уравнений (2.2) преобразована к виду (2.3): ⎧ d 2ε (t ) = a0 + b0 sin(ω t ) − c0 σ к ( t ) ; ⎪ 2 dt ⎪ ⎪ ⎪ 2 d σ к (t ) ⎪ d σк (t ) = − c − c2 ⎡⎣ σ к (t ) − σ ту ⎤⎦ + ⎨ 1 2 dt ⎪ dt ⎪ ⎪ 2 ⎪ + c (η + η ) dε ( t ) + c (η θ + η θ ) d ε ( t ) , 3 2 2 3 3 2 ⎪ 2 2 dt dt 2 ⎩ где a0 =

106

( m1 + m2 ) g ; b = Q ; 0 ( 0,02m1 + m2 ) hсл ( t ) ( 0,02m1 + m2 ) hсл ( t )

(2.3)

c0 =

LAB ( t ) B θ n + θ3 m 1 ; с2 = . ; с1 = 2 θ 2 θ3 n m θ 2 θ3 n m ( 0,02m1 + m2 ) hсл ( t )

С использованием программы MATLAB&Simulink разработана имитационная модель процесса уплотнения смеси вибрационным катком (рис. 2.2–2.4) на основе системы дифференциальных уравнений (2.3). В модели присутствуют две подсистемы (SubSystem и SubSystem-1), (рис. 2.3 и 2.4). Задающим сигналом является угловая частота вращения дебалансного вала, которая определяется по формуле

ω=2 πf,

(2.4)

где f – частота вибрации вальца, Гц; f = 50 Гц Входом In 1 подсистемы SubSystem является величина контактного давления, найденная из второго уравнения системы (2.2), а её выходом – величина деформации среды. В подсистеме SubSystem-1 учитываются свойства вязкости среды; выходами подсистемы являются данные для построения модели уравнения (2.3). Изменение свойств вязкости смеси, имеющих нелинейные зависимости от температуры и частоты вибрации в процессе уплотнения, характеризуется при помощи коэффициентов m и n. Для реализации математической модели коэффициентов n и m применен метод передаточных функций. Модели и зависимости этих коэффициентов от времени приведены на рис. 2.5 и 2.6. Для установления величины распределения контактного давления вальца на смесь в процессе уплотнения между тремя блоками реоло-гической модели (рис. 2.1), что представляет определенную трудность, примем соотношения σ 2 (t ) = п σк (t ); σ3 (t ) = m σк (t ). Реализация имитационной модели процесса уплотнения смеси асфальтовым вибрационным катком позволяет исследовать динамику вибрационной системы, зависимости изменения напряженно-деформированного состояния смеси от времени с учетом процессов релаксации напряжений в смеси.

107

108

Out 1 Out 2 Out 3

SubSystem-1

Out 1 Out 2 Out 3 Out 4

SubSystem

In 1

1/s Integrator 1

Scope 2

Scope 4

Scope 1

Product 2

Integrator 2

1/s

Constant 1

-C-

Constant 5

-C-

Abs

|u|

Рис. 2.2. Модель уплотнения смеси вибрационным катком (на языке MATLAB&Simulink)

Product 1

Product

Product 3

Scope 5

Scope

1/s

t

-K-

1 In 1

Integrator 1

1/s

-K-

Scope 2

2 Out 2

Integrator 2 Gain 4

1/s

1 Out 1

Рис. 2.3. Содержание блока SubSystem (на языке MATLAB&Simulink)

С0

Gain 2

a0

b0 Q

-K-

1

Gain

-K-

-C-

Constant Integrator Sine Wave Function

314

Scope 3

Scope 1

109

Scope

3 Out 3

110

Constant 7

1

Constant 6

0.075

Gain 3

5

Q22

-K-

Product Q222

-K-

Scope 3

Q333

5

1 Constant 2

Constant 8

0.425

1

f

Out 1

Scope 5

d

Product 1

Product 3

Divide

m

Рис. 2.4. Содержание блока SubSystem-1 (на языке MATLAB&Simulink)

Vyazkost 3

-C-

Vyazkost 2

-C-

Q3

5

Q2

0.02

0.016s+1 Transfer Fcn 1

0.025

n

r

q

Out 4

4

Scope 4

Out 3

3

Product 2

Scope 6

Out 2

2

Scope 2

Scope 1

0.16s+1 Transfer Fcn

0.025

Transfer Fcn 1

0.16s+1

0.025

б

а

Scope

0.075 Constant 1

Scope 1

Рис. 2.5. Модель изменения коэффициентов n (а) и m (б) во времени (на языке MATLAB&Simulink)

Constant

1

Constant 2

1

0.425 Constant 3

111

0,5 0,4

n

0,3 0,2 0,1 0 0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,03

0,04

0,05

t, с

а 0,12 0,1

m

0,08 0,06 0,04 0,02 0 0

0,01

0,02 t, с

б Рис. 2.6. Зависимости изменения коэффициентов n (а) и m (б) от времени

Применяя полученную имитационную модель, можно определять расчетные зависимости параметров рабочего процесса уплотнения смеси вибрационным катком от заданных рабочих режимов и решать научно-исследовательскую задачу обоснования рациональных параметров катка, обеспечивающих эффективное уплотнение. 2.1.2. Результаты имитационного моделирования Имитационное моделирование уплотнения асфальтобетонной смеси дорожным катком выполнено с использованием языка программирования программы MATLAB&Simulink. Исходные данные для моделирования: Q – возмущающая сила вибровозбудителя, 45·103 Н; 112

Деформация, мм

B – ширина вибрационного вальца, 1,5 м; m1 – масса пригруза (рамы), 3,5·103 кг; m2 – масса вибрационного вальца, 2·103 кг; θ2 – время релаксации в блоке II реологической модели смеси, 0,02 с; θ3 – время релаксации в блоке III реологической модели смеси, 5 с; σ TУ – предел текучести, 0,9 МПа; η2 – вязкость смеси в блоке II модели смеси, 0,35 МПа·с; η3 – вязкость смеси в блоке III модели смеси, 0,35 МПа·с; n0 = 0,075, nк = 0,10, m0 = 0,425, mк = 0,40 – коэффициенты распределения контактного давления; vm – скорость движения катка, 0,55 м/с; hcл – толщина слоя смеси, 0,06 м; ρ0 – начальная плотность смеси, 1,94 т/м3. Адекватность имитационной модели проверена по результатам моделирования динамики рабочего процесса уплотнения смеси вибрационным катком. Получены зависимости контактного давления вальца и абсолютной деформации смеси от времени контакта вальца с уплотняемой смесью, а также значения ускорения деформации уплотняемой среды (рис. 2.7–2.9). С целью получения максимально возможной информации на основе минимально допустимого количества опытных данных исследование выполнено методом планирования эксперимента [72]. 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

Время, с Рис. 2.7. Зависимость абсолютной деформации смеси от времени контакта вальца с нею

113

Контактное давление, Па

1800000 1600000 1400000 1200000 1000000 800000 600000 0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

Время, с

Ускорение деформации, мм/с2

Рис. 2.8. Зависимость контактного давления вальца от времени уплотнения смеси

500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

Время, с Рис. 2.9. Зависимость ускорения деформации смеси от времени контакта вальца с нею

Были выбраны следующие параметры, влияющие на реологические свойства уплотняемой среды и динамику вибрационных свойств вальца, а также диапазон их изменения: – время быстрой θ2 и медленной θ3 релаксации напряжений, изменяющееся в таких диапазонах: θ2 = 0,005–0,05 с; θ3 = 0,5–10 с; – вязкость смеси в блоках модели: η2, η3 (0,1–0,6 МПа⋅с); – частота вибрации f (40–50 Гц). 114

Используя опытные данные и указанные факторы, рассчитали коэффициенты регрессионных моделей и показатели достоверности аппроксимации. Погрешности вычислений составили, %: для контактного давления – 0,1; для деформации – 8; для ускорения изменения деформации – 0,6. С использованием программы Microsoft Excel получены уравнения регрессии, отражающие влияние каждого исследуемого фактора на одну из трех функций: контактное давление вальца, деформацию смеси и ускорение деформации смеси (рис. 2.10–2.13).

σк , МПа

2 1,5

y = 11,31x + 1,3603 R² = 0,998

1 0,5 0 0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

η2 , МПа⋅c

σк , МПа

Рис. 2.10. Зависимость контактного давления вальца от вязкости в блоке II реологической модели смеси 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

y = 1,0179x + 1,2896 R² = 0,998

0,1

0,3

0,5

0,7

η3 , МПа⋅c Рис. 2.11. Зависимость контактного давления вальца от вязкости в блоке III реологической модели смеси

115

Ускорение деформации, мм/с2

450 430 410 390 370 350

y = 1533,7x + 330,79 R² = 0,95

330 310 290 270 250 0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

θ2, с Рис. 2.12. Зависимость ускорения деформации смеси от времени релаксации в блоке II реологической модели

Ускорение деформации, мм/с2

420 400 380 y = 6,9015x + 335,01 R² = 0,95

360 340 320 300 0

2

4

6

8

10

12

θ3, с Рис. 2.13. Зависимость ускорения деформации смеси от времени релаксации в блоке III реологической модели

В итоге была разработана имитационная динамическая модель уплотнения смеси вибрационным катком, позволяющая упростить ис116

следование динамических процессов, вызванных изменением параметров дорожного катка и уплотняемого упруговязкопластичного материала при проведении численных экспериментов. Имитационное моделирование процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожным катком программными средствами MATLAB& Simulink и результаты исследования методом планирования активного эксперимента показали адекватность имитационной модели. Результаты могут использоваться в целях идентификации параметров асфальтобетонной смеси и вибрации при разработке системы автоматического управления уплотнением, в частности для выбора соответствующих первичных преобразователей (датчиков), передающих в автоматический регулятор информацию о контактном давлении, деформации, ее ускорении.

2.2. Математическая модель процесса управления скоростью движения вибрационного катка Каток представляет собой самоходную машину, в состав которой входят: силовая установка, передняя и задняя рамы, кабина, механизм обработки кромки асфальтобетона. Рабочим органом катка (в зависимости от его модели) является гладкий металлический валец (рис. 2.14) с встроенным вибровозбудителем [64]. Для разработки современной системы управления рабочими режимами вибрационного катка в процессе уплотнения асфальтобетонной смеси требуется проведение теоретических исследований на основе математических моделей. В работе рассмотрена математическая модель процесса управления скоростью движения вибрационного катка с учетом динамики гидрообъемной трансмиссии. Разработка математической модели в пространстве состояний и теоретические рассуждения проводятся в терминах переменных состояний. Гидроконтур привода хода. Гидроконтур привода хода вибрационного двухвальцового катка состоит из регулируемого насоса привода хода и двух гидромоторов. Гидропривод вальцов катка как управляемую систему можно представить в виде двух подсистем: гидравлической; гидромеханической. Переменной состояния, характеризующей гидравлическую подсистему, является величина гидравлического давления P(t ) потока 117

жидкости, создаваемая насосом относительно давления в сливном баке. Переменной состояния, характеризующей гидромеханическую подсистему, является величина скорости вращения вала гидромотора ωm (t ) под воздействием давления потока жидкости.

Рис. 2.14. Валец вибрационный (источник информации: ОАО «Раскат»): 1, 8 – амортизатор; 2, 10 – гидромотор; 3, 9 – опора; 4 – датчик частоты оборотов; 5 – заливная пробка; 6, 7 – дебаланс; 11 – корпус вибратора; 12 – вибровал

Объемная гидравлическая передача (ОГП) привода хода катка (рис. 2.15) включает регулируемый насос 16 и два нерегулируемых гидромотора 17, присоединенных параллельно к гидравлической линии. В результате преобразований получена математическая модель в терминах пространства переменных состояний, описывающая рабочий процесс системы автоматического регулирования скорости движения вибрационного катка. Решение задачи в терминах переменных состояний. Уравнение состояния гидравлической подсистемы без учета ограничения на управляющее воздействие u(t) , оказывающего влияние на величину гидравлического давления P(t ) : 118

dP (t )

dt

=−

Kloss K

el

P (t ) −

q

m

K

ω (t ) + m

el

q K

p el

(2.5)

ω (t ) u (t ) , e

где P(t) – гидравлическое давление потока жидкости, Па; Kloss – коэффициент, учитывающий потери давления в гидравлической линии при передаче, с ⋅ м4 /кг ; qm – максимальный рабочий объем гидравлического двигателя вальца, м3; q p – максимальный рабочий объем насоса, м3; ωm (t ) – частота вращения вала гидромотора, рад/с; ωe (t ) – частота вращения вала двигателя, рад/с ; u(t) – управляющее воздействие; Kel – коэффициент упругости трубопровода с жидкостью передающей гидравлической линии, м5/Н. 16

17

Рис. 2.15. Гидравлическая схема ОГП привода механизма передвижения [2]: 1, 2, 3, 5, 6 – обратные клапаны; 4, 13 – предохранительные клапаны; 7, 11 – золотниковый распределитель; 8, 10 – охладитель; 9 – насос; 12 – гидроцилиндр; 14 – насос подпитки; 15 – переливной клапан; 16 – регулируемый насос; 17 – нерегулируемые гидромоторы

Коэффициент упругости трубопровода с жидкостью определяется выражением [5]: Kel =

π d 2L 4 Eel

,

где d и L – диаметр и длина трубопровода соответственно, м; Eel – приведенный объемный модуль упругости трубопровода с жидкостью, Па: 119

Eel =

E flu

d E flu 1+ δ pip E pip

.

Здесь E flu – модуль упругости жидкости, Па; δ pip – толщина стенки трубопровода, м; E pip – модуль упругости материала трубопровода, Па. Управляющее воздействие гидравлической подсистемы u(t) изменяет производительность насоса и может быть как положительным, так и отрицательным. Управляющее воздействие ограничено по абсолютному значению: u ( t ) ≤ 1.

(2.6)

Введем обозначения: a11 = −

Kloss Kel

q ; a12 = − m ; b11 Kel

=

qp Kel

ωe (t ); x1 (t ) = P(t ); x2 (t ) = ωm (t ).

Тогда уравнение состояния гидравлической подсистемы (2.5) в стандартной форме имеет вид dx1 (t ) dt

= a11 x1 (t ) + a12 x2 (t ) + b11 u (t ).

(2.7)

Переменной состояния, характеризующей гидромеханическую подсистему, является величина скорости вращения вала гидромотора ωm (t ) , изменяющаяся под воздействием давления на входе, создаваемого относительно давления в сливной магистрали. Уравнение состояния записывается для одного гидромотора, эквивалентного двум параллельно работающим. Эквивалентность обеспечивается равенством мгновенных значений угловых скоростей вальцов при допущении абсолютной жесткости рамы катка и достигается соответствующим изменением параметров гидромотора и его нагрузки: dω m (t ) dt

=

qm − b p Jb

P (t ) −

bω Jb

ω m (t ) −

1 M n (t ). Jb

(2.8)

Здесь b p – коэффициент гидромеханических потерь, зависящих от давления на входе гидромотора, м 3 ; bω – коэффициент гидромехани120

ческих потерь, зависящих от угловой скорости, Н ⋅ м ⋅ с ; J b – приведенный к валу двигателя момент инерции, кг ⋅ м 2 . Возмущающее воздействие, момент нагрузки М n (t ) определяются влиянием указанного момента на угловое ускорение вальцов уплотняемой асфальтобетонной смеси при движении асфальтового вибрационного катка и зависят от режима его работы. Введем обозначения: a21 =

qm − bP Jb

; a22 = −

bω Jb

; b22 = −

1 ; x1 (t ) = P (t ); x2 (t ) = ω m (t ). Jb

Тогда уравнение состояния гидромеханической подсистемы (2.8) примет следующую стандартную форму: dx2 (t ) dt

= a21 x1 (t ) + a22 x2 (t ) + b22 M n (t ).

(2.9)

В результате преобразований получена математическая модель в терминах пространства переменных состояния, описывающая рабочий процесс системы автоматического регулирования скорости движения вибрационного катка. Уравнения состояния гидропривода катка как управляемой системы, таким образом, представлены в виде системы уравнений (2.10), состоящей из двух совместно решаемых уравнений (2.7) и (2.9) относительно гидравлического давления x1(t ) и угловой скорости вращения вальцов катка x2 (t ) :

⎧ dx1 (t ) ⎪ dt = a11 x1 (t ) + a12 x2 (t ) + b11 u (t ); ⎪ ⎨ ⎪ dx2 (t ) = a21 x1 (t ) + a22 x2 (t ) + b22 M n (t ), ⎪ ⎩ dt

(2.10)

либо в виде одного векторно-матричного уравнения состояния

dX (t ) = AX (t ) + BU (t ). dt

(2.11)

Выражения для векторов состояния X (t) и входных воздействий U (t ) , матриц A, B следуют из сопоставления (2.10) и (2.11):

121

0⎤ ⎡ u (t ) ⎤ ⎡ x1 (t ) ⎤ ⎡b ⎡ a11 a12 ⎤ ; B = ⎢ 11 ⎥ ; A = ⎢a ⎥ ; U (t ) = ⎢ ⎥ . (2.12) ⎥ a ( ) M t ( ) 0 x t b ⎣ 21 22 ⎦ 22 ⎦ ⎣ 2 ⎦ ⎣ ⎣ n ⎦

X (t ) = ⎢

Уравнения состояния (2.10)–(2.12), описывающие рабочие процессы в насосе и гидромоторе, разработаны с использованием математических моделей полученных в работах [5; 68]. Уравнения (2.7), (2.9), (2.10–2.12) также описывают в пространстве переменных состояния поведение системы регулирования скорости движения дорожного катка по каналу управляющего воздействия с учетом его ограничений и влияния среды. Полученные уравнения состояния позволяют перейти к описанию с использованием передаточных функций (матриц). Решение задачи с использованием передаточных функций (матриц). Передаточная матрица, связывающая давление в гидравлической подсистеме с вектором входных воздействий, имеет следующий вид: ⎛b a12 ⎞ ⎛1 0⎞ ⎛а 0 ⎞⎟ 11 ⎜ Am = ⎜ 11 I B ; ; = = ⎜ 0 1 ⎟ 3 ⎜ 0 b ⎟ ; C1m = (1 0 ) ; C2m = ( 0 1) , ⎟ a a 22 ⎠ ⎝ ⎝ 21 22 ⎠ ⎝ ⎠

С1m ( s I − Am ) −1 B3 =

−

b11 (a22 − s ) − a12 a21 − a11 a22 − s 2 + a11 s + a22 s

a12 b22 . a12 a21 − a11a22 − s 2 + a11 s + a22 s

Передаточная матрица, связывающая угловую скорость вращения вальцов с вектором входных воздействий, имеет следующий вид: С2 m ( s ⋅ I − Am ) −1 B3 = −

+

a21b11 + a12 a21 − a11 a22 − s 2 + a11 s + a22 s

b22 ( a11 − s ) . a12 a21 − a11a22 − s 2 + a11 s + a22 s

Использовав полученные передаточные матрицы, введем передаточные функции, определяющие в динамике изменение давления в гидравлической подсистеме и скорости вращения вала гидромотора в гидромеханической подсистеме. Передаточная функция, определяющая изменение давления относительно изменения управляющего воздействия: 122

W pu ( s ) =

P( s) U (s)

; Wpu ( s ) =

b11 ( s − a22 ) . s 2 − (a11 + a22 ) s − a12 a21 + a11 a22

(2.13)

Передаточная функция, определяющая изменение давления относительно изменения возмущающего воздействия: Wpm ( s ) =

P( s)

a12 b22 . s − (a11 + a22 ) s − a12 a21 + a11 a22

; W pm ( s ) = 2 M (s)

(2.14)

Передаточная функция, определяющая изменение угловой скорости вращения вальцов относительно изменения управляющего воздействия Wωu ( s ) : Wωu ( s ) =

Ω( s )

a21 b11 . s − (a11 + a22 ) s − a12 a21 + a11 a22

; Wωu ( s ) = 2 U (s)

(2.15)

Передаточная функция, определяющая изменение угловой скорости вращения вальцов относительно изменения возмущающего воздействия Wωm ( s) : Wωm ( s ) =

Ω( s )

b22 ( s − a11 ) . s − (a11 + a22 ) s − a12 a21 + a11 a22

; Wωm ( s ) = 2 M (s)

(2.16)

Здесь P(s), Ω(s), U(s), M(s) являются изображениями по Лапласу соответствующих временных функций: P(t), ω(t), u(t), M(t). Вычислительный эксперимент. Для демонстрации результатов разработки математической модели получены переходные процессы по передаточным функциям с реализацией средствами программного продукта матричной математики MATLAB& Simulink. Определены временные характеристики соответствующих передаточных функций: импульсная переходная характеристика изменения давления в функции управляющего воздействия k pu (t ) ; переходная характеристика изменения давления в функции управляющего воздействия hpu (t ) ; импульсная переходная характеристика изменения давления в функции возмущающего воздействия k pm (t ) ; переходная характеристика изменения давления в функции возмущающего воздействия h pm (t ) ; импульсная переходная характеристика изменения частоты вальцов в функции управляющего воздействия kωu (t ) ; переходная характеристика изменения частоты вращения вальцов в функции управ123

ляющего воздействия hωu (t ) ; импульсная переходная характеристика изменения частоты вращения вальцов в функции возмущающего воздействия kωm (t ) ; переходная характеристика изменения частоты вращения вальцов в функции возмущающего воздействия hωm (t ) . Тип дорожного катка ДУ-96 [71] ОАО «Раскат» (URL: raskat.yaroslavl.ru): вибрационный двухосный двухвальцовый с двумя приводными вальцами. Масса катка: mk1 – эксплуатационная, mk 2 – конструктивная ( mk1 = 7200 кг ; mk 2 = 6600 кг ). Диаметр гладкого вальца: Db = 1,07 м. Ширина вальца (ширина уплотняемой полосы): Lb = 1,5 м. Линейное давление гладкого вальца соответственно: P1b (переднего), P2b (заднего); P1b = 23000 Н ⋅ м −1 ; P2b = 24000 Н ⋅ м −1 . Коэффициенты и их значения для уравнения состояния гидравлической подсистемы (гидравлического насоса, привода вальцов и передающей гидравлической линии): Kel – коэффициент упругости передающей гидравлической линии, Kel = 3 ⋅10−11 м3 ⋅ Па −1 ; Kloss – коэффициент, учитывающий потери давления в гидравлической линии, −11 3 −1 −1 Kloss = 9,843 ⋅10 м ⋅ Па ⋅ с ; ωe – угловая скорость двигателя, ωe = 293,2 c−1 ;

qp

–

максимальный

рабочий

объем

насоса,

q p = 35,8 ⋅ 10 −6 м3 ; qm – максимальный рабочий объем гидродвигателя

привода вальца, qm = 287 ⋅ 10−6 м3 ; Jb – момент инерции катка, J b = 2058 кг ⋅ м 2 . Коэффициенты математической модели, рассчитанные на основе технических данных [65] вибрационного катка ДУ-96: для первого уравнения состояния a11 = − K loss K el − 1

= − 3, 281 c − 1 ; a12 = − 2 q m K el − 1 = − 1, 9133 ⋅ 10 7 Па ;

b11 = q p ωe K el −1 = 3, 49904 ⋅ 108 кг ⋅ м −1 ⋅ с −3 ,

для второго уравнения состояния a21 = 2 q m J b −1

= 2, 78912 ⋅ 10 −7 м ⋅ кг −1 ; a22 = −1 с −1 ;

b22 = − J b −1 = − 0, 00049 кг −1 ⋅ м −2 ; М nmax = 14 ⋅ 103 Н ⋅ м .

Получены модели динамических (временных) характеристик системы управления средствами математической программной среды MathCAD. 124

Импульсная переходная k pu (t ) и переходная характеристика hpu (t ) k pu (t ) = (175 ⋅ 10

6

+ 99, 25 ⋅ 106 ⋅ i ) ⋅ e( −2,14+ 2,01⋅i ) t +

+ (175 ⋅ 106 − 99, 25 ⋅ 106 ⋅ i ) ⋅ e( −2,14 − 2,01⋅i ) t ; h pu (t ) =

t

∫0 k pu (t ) dt .

Импульсная переходная k pm (t ) и переходная характеристика h pm (t ) 6

k pm (t ) = −32,38 ⋅ 10 ie

( −2,14 − 2,01⋅i ) t

h pm (t ) =

+ 32,38 ⋅ 106 i e( −2,14 + 2,01⋅i ) t ;

t

∫0 k pm (t ) dt .

kpu х 108, Па с-1 hpu х 108, Па 3,5 3

kpu

2,5 2

hpu

1,5 1 0,5 0 -0,5

0

0,5

1

1,5 Время, с

2

2,5

3

t, с

Рис. 2.16. Временные характеристики k pu (t ) и hpu (t ) изменения давления в функции управляющего воздействия

Импульсная переходная kωu (t ) и переходная характеристика hωu (t ) kωu (t ) = −24, 28 i e

( −2,14 + 2,01⋅i ) t

hωu (t ) =

+ 24, 28 ie( −2,14− 2,01⋅i ) t ;

t

∫0 kωu (t ) dt . 125

kpm, Па с-1 hpm, Па x 10

5

6

0

kpm -5

hpm -10

-15

-20

0

0,5

1

1,5 Время, с

2

2,5

3

t, с

Рис. 2.17. Временные характеристики k pm (t ) и h pm (t ) изменения давления в функции возмущающего воздействия при моменте сопротивления M n = 14000 Н ⋅ м kωu, с-2 hωu, с-1 16 14 12 10

hωu

8 6

kωu

4 2 0 -2

0

0,5

1

1,5 Время, с

2

2,5

3

t, с

Рис. 2.18. Временные характеристики kωu (t ) и hωu (t ) изменения частоты вращения вальцов в функции управляющего воздействия

126

kωm, с-2 hωm, с-1 1 0 -1 -2 -3

kωm

-4 -5

hωm

-6 -7

0

0,5

1

1,5 Время, с

2

2,5

3

t, с

Рис. 2.19. Временные характеристики kωm (t ) и hωm (t ) изменения частоты вращения вальцов в функции возмущающего воздействия при моменте сопротивления M n = 14000 Н ⋅ м

Импульсная переходная kωm (t ) и переходная характеристики hωm (t ) : kωm (t ) = ( −242,95 ⋅ 10 −6 + 137, 91 ⋅ 10 −6 i ) e( −2,14 + 2,01⋅i ) t −

− (242,95 ⋅ 10−6 + 137,91 ⋅10−6 i ) e( −2,14 − 2,01⋅i ) t ; hωm (t ) =

t

∫0 kωm (t ) dt .

Графики временных динамических (импульсной переходной и переходной) характеристик показаны на рис. 2.16 – 2.19. Полученные динамические характеристики показывают устойчивость системы управления объемным гидроприводом ходовой части дорожного катка. Решена задача построения математической модели процесса управления скоростью движения асфальтового катка с учетом динамики системы объемного гидропривода трансмиссии и сопротивления движению катка по дорожному покрытию. Применены современные методы разработки математической модели системы управления ди127

намическим объектом в терминах переменных состояний и передаточных функций. Полученные решения необходимы при создании имитационной модели системы управления процессом уплотнения дорожно-строительных материалов для дальнейшего синтеза системы автоматического управления рабочими режимами асфальтового вибрационного катка.

2.3. Аналитическая модель системы управления скоростью движения вибрационного катка Аналитическое преобразование передаточных функций. С целью приведения полученных моделей передаточных функций (2.13)–(2.16) к форме, наиболее соответствующей условиям компьютерного (имитационного) моделирования процессов в объемном гидравлическом приводе дорожного катка, выполнены следующие аналитические преобразования [148]. Передаточные функции (2.13–2.16) могут быть представлены двумя видами передаточных функций:

W1 ( s ) = W2 ( s) =

K1 ; s 2 + 2 α s + α2 + β2 K 2 ( s + γ)

s 2 + 2 α s + α2 + β2

.

(2.17)

(2.18)

Здесь K1 , K 2 – коэффициенты; α, β, γ – действительные положительные числа. Числа α и β определяют действительную и мнимую части полюсов, а γ есть значение нуля соответствующей передаточной функции. Импульсная переходная k1(t ) и переходная h1(t ) характеристики для передаточной функции W1(s) определены методом обратного преобразования Лапласа (переход от изображений к оригиналам):

k1 (t ) =

h1 (t ) =

128

(

K1

β β2 + α2

)

⎡ − α⋅t ⎢e ⎣

(

K1 − α⋅t e sin(β t ); β

⎛ ⎛ β ⎞⎞ ⎤ β 2 + α 2 sin ⎜ β t + arctg ⎜ ⎟ ⎟ − β ⎥ . ⎝ α ⎠⎠ ⎦ ⎝

)

Импульсная переходная k2 (t ) и переходная h2 (t ) характеристики для W2 (s) определены методом обратного преобразования Лапласа: K k2 (t ) = 2 e− α⋅t ( (γ − α)sin (β ⋅ t ) + β cos (β ⋅ t ) ) ; β ⎡ ⎡ α2 +β2 sin (β ⋅ t ) − ⎤⎤ ⎢ ⎢ ⎥⎥ K2 α − ⋅ t ⎢ γβ + e ⎢ ⎥⎥. h2 (t ) = 2 2 ⎢ ⎢ ⎥⎥ β β +α − ⋅ ⋅ γ(αsin (β t )+βcos(β t )) ⎢ ⎢ ⎥⎥ ⎣ ⎦⎦ ⎣ Из выражений для временных характеристик следует, что значение α определяет затухание, а значение β – угловую частоту динамических процессов. Через коэффициенты уравнения состояния (2.5) выражаются следующим образом:

(

(

α=

)

)

−(a11 + a22 ) ; β = ⎡ − α 2 + a12 a21 − a11 a22 ⎤ ; ⎣ ⎦ 2

(

)

γ pu = −a22 ; γ ωm = − a11 ; K pu = b11 ; K pm = a12 b22 ;

Kωu = a21 b11 ; Kωm = b22 .

Передаточные функции объекта управления на основе передаточных функций W1(s) или W2 ( s ) , полученные аналитическим методом: W pu ( s ) =

K pu ( s + γ pu )

s2 + 2 α s + α2 + β2

W pm ( s ) = −

Wωu ( s ) = − Wωm ( s ) = −

;

K pm

(2.19)

;

(2.20)

Kωu ; 2 2 2 s + 2 α s +α +β

(2.21)

s2 + 2 α s + α2 + β2

K ωm ( s + γ ωm )

s 2 + 2 α s + α2 + β2

.

(2.22)

129

Здесь K pu , K pm , K ωu , Kωm – коэффициенты; α, β, γ pu , γωm – действительные положительные числа. Числа α и β определяют действительную и мнимую части полюсов, а γ pu , γωm – значение нуля соответствующей передаточной функции. Импульсная переходная k pu (t ) и переходная hpu (t ) характеристики для W pu ( s) имеют вид k pu (t ) =

hpu (t ) =

(

K pu β

K pu

β ⋅ β2 + α2

)

(

)

e − α⋅t (γ pu − α)sin (β ⋅ t ) + β cos (β ⋅ t ) ;

⎡ ⎢ ⎢ γ pu β + e− α⋅t ⎢ ⎢ ⎣

(

)

⎡ α 2 +β 2 sin (β ⋅ t ) − ⎤⎤ ⎢ ⎥⎥ ⎢ ⎥⎥. ⎢ ⎥⎥ − ⋅ ⋅ γ (αsin (β t ) +β cos (β t )) ⎢ pu ⎥⎥ ⎣ ⎦⎦

Импульсная переходная k pm (t ) и переходная h pm (t ) характеристики для W pm ( s ) следующие: k pm (t ) =

hpm (t ) =

(

K pm

β β2 + α2

)

⎡ − α⋅t ⎢e ⎣

K pm β

(

e − α⋅t sin(β ⋅ t );

⎛ ⎛ β ⎞⎞ ⎤ β 2 + α 2 sin ⎜ β ⋅ t + arctg ⎜ ⎟ ⎟ − β ⎥ . ⎝ α ⎠⎠ ⎦ ⎝

)

Импульсная переходная kωu (t ) и переходная hωu (t ) характеристики для Wωu ( s) имеют вид: kωu (t ) =

hωu (t ) =

(

K ωu

β β2 + α2

)

⎡ − α⋅t ⎢e ⎣

K ωu β

(

e − α⋅t sin(β ⋅ t );

⎛ ⎛ β ⎞⎞ ⎤ β 2 + α 2 sin ⎜ β ⋅ t + arctg ⎜ ⎟ ⎟ − β ⎥ . ⎝ α ⎠⎠ ⎦ ⎝

)

Импульсная переходная kωm (t ) и переходная hωm (t ) характеристики для Wωm ( s ) следующие: 130

kωm (t ) =

K ωm − α⋅t e ( (γ ωm − α) sin (βt ) + β cos (βt ) ) ; β

(

hωm (t ) =

(

K ωm

β β2 + α2

)

)

⎡ ⎡ α 2 +β 2 sin (βt ) − ⎤ ⎤ ⎢ ⎢ ⎥⎥ ⎢ ⎢ ⎥⎥ ⎢ ⎥⎥ − α⋅t ⎢ + − γ β γ (αsin (β ) + e t ⎢ ωm ⎢ ωm ⎥⎥. ⎢ ⎢ ⎥⎥ ⎢ ⎢ ⎥⎥ +β cos (β )) t ⎢ ⎢ ⎥⎥ ⎣ ⎦⎦ ⎣

Для проверки работоспособности полученных моделей выполнен вычислительный эксперимент по исходным данным дорожного катка ДУ-96 (ОАО «Раскат»). Вычислительный эксперимент. Для проверки полученных моделей (2.19)–(2.22) определены временные динамические характеристики соответствующих передаточных функций. Тип дорожного катка ДУ-96 ОАО «Раскат» (URL: raskat.yaroslavl.ru): вибрационный двухосный двухвальцовый с двумя приводными вальцами. Получены следующие значения коэффициентов и действительных чисел: α= − K pu

(a11 + a22 ) 2

; β = ⎡ −(a12 a21 − a11 a22 + α ) ⎤ ⎣

2

⎦

1 2;γ pu

= −a22 ;

= b11 ; K pm = a12 b22 ; γ ωm = − a11 ; K ωu = a21 b11 ; K ωm = b22 .

Поставлен вычислительный эксперимент со следующими исходными данными: 6 1 с; диапазон времени (с) процесса t = 0... , шаг времени α 100 α = 2,14 c−1 ; β = 2,009 c−1 ; γ pu = 1,0 c−1 ; γ ωm = 3, 281 c−1 ;

K pu = 3, 499 ⋅ 108

кг ; K pm = 9, 297 ⋅ 103 м −3 ⋅ с −2 ; 3 м ⋅с

K ωu = 97,592 c −3 ; K ωm = −4,859 ⋅10−4 м −2 ⋅ кг −1 . 131

Расчеты выполнены с применением математической программы MathCAD. Графики временных характеристик представлены на рис. 2.20– 2.23. kpu(t), Па c-1 hpu(t), Па 4×10

8

3×10

8

2×10

8

1×10

8

kpu hpu

0 8

− 1×10

0

1

2

t,t c

Рис. 2.20. Временные характеристики изменения давления в функции управляющего воздействия kpm, Па c-1 hpm, Па 1×10

7

0

kpm − 1×10

7

− 2×10

7

hpm

0

1

tt, c

2

Рис. 2.21. Временные характеристики изменения давления в функции возмущающего воздействия при моменте сопротивления M n = 14000 Н ⋅ м

132

kωu, c-2 hωu, c-1

5

0 kωu

−5 hωu

− 10 − 15

0

1

2 t,tc

Рис. 2.22. Временные характеристики изменения угловой скорости вальцов в функции управляющего воздействия kωm, c-2 hωm, c-1 2 0 −2

kωm

−4 −6 −8

hωm 0

1

2

t,t c

Рис. 2.23. Временные характеристики изменения угловой скорости вальцов в функции возмущающего воздействия при моменте сопротивления M n = 14000 Н ⋅ м

Полученные временные динамические характеристики модели системы управления скоростью движения асфальтового вибрационного катка показывают устойчивость системы. Разработана аналитическая модель процесса управления скоростью движения асфальтового вибрационного катка с учетом динами133

ки гидрообъемной трансмиссии и сопротивлений движению. Выполнен анализ структуры полученных передаточных функций объекта исследования. Использование аналитических преобразований передаточных функций позволило получить их форму, наиболее соответствующую условиям компьютерного (имитационного) моделирования процессов в объемном гидравлическом приводе дорожного катка.

2.4. Анализ динамических характеристик модели системы управления скоростью движения вибрационного катка Постановка задачи и математическое описание системы [147]. В п. 2.2. монографии получены передаточные функции (матрицы) динамической системы, связывающие давление в гидравлической подсистеме и угловую скорость вращения вальцов с вектором входных воздействий. Объект исследования – каток ДУ-96 ОАО «Раскат»: вибрационный двухосный двухвальцовый с двумя приводными вальцами. Значения суммы коэффициентов трения (коэффициент сопротивления качению и коэффициент сцепления), по данным из статьи [208], для неуплотненного асфальтового покрытия 0,72 < K f 1 < 0,93, для уплотненного покрытия 0,32 < K f 2 < 0,45. Они определяют максимальные и текущие значения моментов, препятствующих движению катка при уплотнении и транспортировке. Конкретные значения их ещё зависят и от прохода. Диапазон значений моментов сил трения, создаваемых средой (возмущающее воздействие ко второму уравнению состояния): M1n ( K f 1) = ( P1b + P2b ) Lb K f 1Db / 2; M 2n ( K f 2 ) = ( P1b + P2b ) Lb K f 2 Db / 2;

M1n (0,32) = 12069,6 Н ⋅ м; M 2n (0,45) = 16972,9 Н ⋅ м.

Мощность на преодоление сил трения: N т ( K f 1) = M1n ( K f 1) ⋅ ω1k ; N т (0,72) = 77,55 кВт; N т (0,93) = 100,17 кВт;

Nт (0,32) = 34,466 кВт; Nт (0,44) = 47,391 кВт.

Характеристика силовой установки катка. Мощность двигателя Ne = 47,8 кВт. катка Угловая скорость вала двигателя Ωe = 2800 ⋅ 2π / 60 = 293,2 с−1.

134

Крутящий момент двигателя M e = Ne /Ωe = 47800/293,2 =163,03 Н ⋅ м.

Насос привода хода имеет объем V p = 35 ⋅10−6 /2π = 0,00557 м3 . Для расчета скоростей и моментов принято допущение о несжимаемости жидкости. Точнее, сжимаемость не влияет на указанные характеристики. Поток жидкости – через насос [5]; для насосов должно выполняться следующее условие: Q p < 0,017 м3 ⋅ с−1 : Q p = V p Ω p = 0,00164 м3 ⋅ с−1.

Поток жидкости через гидромоторы привода хода. Гидромоторы соединены параллельно: Qm = Q p / 2 = 0,00164 / 2 = 0,00082 м3 ⋅ с−1. Оценка максимального значения момента, развиваемого гидромотором в рабочем режиме с учетом КПД, гидрообъемной трансмиссии по данным [68] η = 0,65–0,8. Примем η = 0,8. Тогда M m (η) =

N e η/(2 Ωm ); M m (0,8) = 6286,06 H ⋅ м.

Вынуждающая сила вибровозбудителя F1 при частоте ω1 = 40 с −1 , F2 при ω 2 = 50 с −1 : F1 = 57 кН; F2 = 44 кН. Значения коэффициентов передачи соответствующих передаточных функций: K ωu = 11,32 с −1 ; K ωm = −0, 00019 с ⋅ м −2 ⋅ кг −1 ;

K pu = 406 МПа; K pm = −1078,86 м −3 . Зависимости давления и частоты от управляющего воздействия и момента возмущения: P(u, M nmax ) = K pu u + K pm M nmax ; ω(u, M nmax ) = K ωu u + K ωm M nmax ; P(1, M nmax ) = 25,5 МПа.

Исследование временных характеристик передаточных функций. Определяем временные характеристики соответствующих передаточных функций. Импульсная переходная характеристика k pu (t ) и переходная характеристика hpu (t ) изменения давления в функции управляющего воздействия следующие: 135

P( s ) 349,9 ⋅ 106 ( s + 1) ; W pu ( s) = 2 . W pu ( s) = U ( s) s + 4,28 s + 8,62

Применив обратное преобразование Лапласа, получим выражение импульсной переходной характеристики изменения давления в функции управляющего воздействия: k pu (t ) = 1,67 ⋅108 e−2,14⋅t (2,01cos(2,01t ) −1,14 sin(2,01t )). t

Переходная характеристика hpu (t ) = ∫ k pu (t ) dt . 0 Временные характеристики изменения давления в функции управляющего воздействия представлены на рис. 2.24. kp(t), Па c-1 hp(t), Па

k p (t ) hp ( t ) 0

4×10

8

3×10

8

2×10

8

1×10

8

0 − 1×10

8

0

1

2

3

t t, c

Рис. 2.24. Временные характеристики изменения давления в функции управляющего и возмущающего воздействий

Передаточная характеристика изменения давления в функции возмущающего воздействия: 9297 ⋅14000 . W pm (s) = − 2 s + 4,28 s + 8,62

Применив обратное преобразование Лапласа, получим выражение импульсной переходной характеристики изменения давления в функции возмущающего воздействия: k pm (t ) = −64,76 ⋅106 e−2,14⋅t sin(2,01t ). t 0

Переходная характеристика: hpm (t ) = ∫ k pm (t ) dt . 136

Расчет временных характеристик изменения давления в функции управляющего и возмущающего воздействий: k p (t ) = k pu (t ) + k pm (t ), hp (t ) = hpu (t ) + hpm (t ).

Определяем временные характеристики соответствующих передаточных функций (импульсная переходная характеристика kωu (t ) и переходная характеристика hωu (t ) изменения угловой скорости в функции управляющего воздействия). Передаточная функция угловой скорости в функции управляющего воздействия 97,59 Wωu ( s) = 2 . s + 4, 28 s + 8,62

Используя метод обратного преобразования Лапласа, получаем выражение импульсной переходной характеристики изменения угловой скорости в функции управляющего воздействия: kωu (t ) = 48,56 e−2,14⋅t sin(2,01t ). t

Переходная характеристика hωu (t ) = ∫ kωu (t ) dt . 0 Передаточная функция угловой скорости в функции возмущающего воздействия: Wωm (s) =

−0,000486(s + 3,281) . s 2 + 4,28 s + 8,62

Методом обратного преобразования Лапласа получаем выражение импульсной переходной характеристики в функции возмущающего воздействия: kωm (t ) = −2,4 ⋅10−4 e−2,14t (2,01 cos(2,01t ) +1,141 sin(2,01t )). t

Переходная характеристика hωm (t ) = ∫ kωm (t ) dt . 0 Расчет временных характеристик изменения угловой скорости в функции управляющего и возмущающего воздействий при M nmax (t ) =14 ⋅103 Н ⋅ м : kω (t ) = kωu (t ) + kωm (t ) Mnmax (t ); hω (t ) = hωu (t ) + hωm (t ) Mnmax (t ). 137

Временные характеристики изменения угловой скорости в функции управляющего и возмущающего воздействий представлены на рис. 2.25. Определим частотные характеристики системы по каналу скорости относительно управляющего воздействия. Произведем замену переменной s = i ω . В результате преобразований получим 97,59 −97,59 Wωu ( s) = 2 ; Wωu (ω) = 2 . s + 4,28 s + 8,62 ω − 4,28 i ω − 8,62 kω(t), c-2 hω(t), c-1 15 k ω ( t ) 10 hω ( t ) 0

5 0 −5 − 10

0

1

2

3

t,t c

Рис. 2.25. Временные характеристики изменения угловой скорости в функции управляющего и возмущающего воздействий

Строим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ) и логарифмическую фазовую частотную характеристику (ЛФЧХ), частота изменяется в диапазоне ω = 0,1 −100 с−1 :

(

)

Lωu (ω) = 20log Wωu (ω) , φωu (ω) = arg (Wωu (ω))

180 . π

Логарифмические частотные характеристики динамической системы по каналу «управляющее воздействие – скорость» показаны на рис. 2.26. Частота среза: log ωucp = 0,992; ωucp =10 0,992 = 9,83 рад/с. Частота вибровозбуждения асфальтовых катков обычно составляет от f1 = 20 Гц до f 2 = 70 Гц [208]. При управлении скоростью движения катка вибровозбуждение является помехой. Значения ЛАЧХ для этого диапазона частот составили: 138

Lωu (2π f1) =− 44,2 дБ; Lωu (2π f 2 ) = −65, 9 дБ.

При частотах в диапазоне от 20 до 70 Гц влияние управляющего воздействия на скорость ослабляется в сотни и тысячи раз по отношению к влиянию на частоте среза. Определим частотные характеристики системы по каналу скорости относительно возмущающего воздействия, произведя замену s = i ω : Wωm ( s) =

Wωm (ω) =

−0,00048591( s + 3,281) ; s 2 + 4,28 s + 8,62

0,00048591 i ω + 0,00159427071 . −ω2 + 4,28 i ω + 8,62

Строим логарифмические амплитудные и фазовые частотные характеристики: частота изменяется в диапазоне ω = 0,1 −100 с−1 :

)

(

180 L1ωm (ω) = 20log W1ωm (ω) 14000 , φ1ωm (ω) = arg (W1ωm (ω)) . π Lωu(ω), дБ ϕωu(ω), град 100

Lωu ( ω ) ϕ ωu ( ω )

0

− 180 0

− 100

− 200 −1

0

1

2

3

log ( ω )

Рис. 2.26. Логарифмические частотные характеристики системы по каналу «управляющее воздействие – скорость»

Логарифмические частотные характеристики системы по каналу «возмущающее воздействие – скорость» представлены на рис. 2.27. 139

Частота среза: log ωmcp = 0,86; ωmср = 10 0,86 = 7,29 рад/с. Значения ЛАЧХ для этого диапазона частот составили: L1ωm (2π f1) = −25,33 дБ; L1ωm (2π f2 ) =− 36, 21 дБ. При частотах вибровозбуждения в диапазоне от 20 до 70 Гц влияние момента вибровозбуждения на скорость ослабляется в десятки и сотни раз по отношению к влиянию этого момента на частоте среза. Получены следующие результаты исследования временных и частотных характеристик по каналам «управляющее воздействие – скорость движения», «возмущающее воздействие – скорость движения». При частотах в диапазоне от 20 до 70 Гц, что характерно для систем вибровозбуждения катков, влияние управляющего воздействия на скорость ослабляется в сотни и тысячи раз по отношению к влиянию на частоте среза. L1ωm(ω), дБ ϕ1ωm(ω), град 50

L1ωm ( ω ) ϕ

1ωm ( ω ) − 50

− 180 0

0

− 100 − 150 − 200 −1

0

1

2

3

log ( ω )

Рис. 2.27. Логарифмические частотные характеристики системы по каналу «возмущающее воздействие – скорость»

При частотах вибровозбуждения в диапазоне от 20 до 70 Гц влияние момента вибровозбуждения на скорость ослабляется в десятки и сотни раз по отношению к влиянию этого момента на частоте среза. 140

Полученные передаточные функции могут использоваться для исследования динамических характеристик модели привода хода катка и разработки модели системы автоматического управления рабочим процессом вибрационного дорожного катка.

141

3. СИНТЕЗ ПИД-РЕГУЛЯТОРА Самой распространенной структурой, которая стала почти универсальной в промышленных системах управления, является ПИДструктура (пропорциональное, интегральное и дифференциальное управление) [16]. Изобретен был ПИД-регулятор еще в 1910 г. [193]. В 1942 г. Зиглер и Николс разработали методику его настройки [229], а после появления микропроцессоров в 1980-х гг. развитие ПИД-регуляторов происходило нарастающими темпами [26]. Около 90–95 % [189; 193] регуляторов, находящихся в настоящее время в эксплуатации, использует ПИД-алгоритм. Причиной столь высокой популярности является простота построения и промышленного использования, ясность функционирования, пригодность для решения большинства практических задач и низкая стоимость [26]. Так, ПИД-регуляторы, формирующие регулирующее воздействие в зависимости от изменения интеграла регулируемой величины и ее производной, являются по существу единственными, которые используются на практике в системах автоматического управления технологическими процессами. Значимость ПИД-регуляторов, несомненно, сохранится и в будущем. Это убеждение подкрепляется тем, что алгоритм их функционирования удачно имитирует работу опытного человека-оператора, который формирует скорость перемещения регулирующего органа, учитывая как отклонение регулируемой величины, так и скорость ее изменения, а возможно, и ускорение. С этой точки зрения ПИД-регуляторы следует считать (используя популярный сейчас термин) самыми распространенными реально работающими интеллектуальными регуляторами. Их появление произошло более столетия назад чисто эвристическим путем, и все прошедшее с тех пор время заполнено многочисленными попытками заменить их формально безупречными, основанными на новейших достижениях теории автоматического управления регуляторами [155].

3.1. Методы синтеза ПИД-регуляторов Из многочисленных источников научной и технической литературы можно выделить следующие методы синтеза ПИД-регуляторов [2]: 142

эмпирическая настройка; методы Зиглера – Никольса и производные от них; алгебраические; модального синтеза; синтеза в частотной области; оптимального синтеза; оптимальной ПФ замкнутой системы (технический и симметричный оптимумы). Тенденция развития методов синтеза ПИ- и ПИД-регуляторов [2]: 1) 443 метода синтеза ПИД-регуляторов собраны в книге [Aidan O’Dwyer, 2006]; 2) 1731 метод синтеза ПИД-регуляторов собран в следующем издании [Aidan O’Dwyer, 2009]. В настоящей монографии авторы рассматривают применительно для систем управления с нелинейным элементом исполнительного привода (электрогидравлический привод) следующие методы синтеза ПИД-регулятора: синтеза в частотной области; модального синтеза.

3.2. Синтез ПИД-регулятора нелинейной системы управления частотным методом Постановка задачи. Рассматривается система управления динамическим объектом с обратной связью. Рассмотрим вначале процедуру синтеза параметров ПИДрегулятора с передаточной функцией Wy(s) в линейной системе:

K d s 2 + K p s + Ki Ki Wy ( s ) = K p + + K d s = . s s

(3.1)

К нелинейным системам относят все системы, которые не могут быть описаны линейными дифференциальными уравнениями [164]. В настоящей работе рассматриваются системы управления гидравлическим приводом (ГП), который относится к группе естественных нелинейных элементов, присутствующих в автоматических СУ. Типы нелинейностей. При исследовании устойчивости, автоколебаний, вынужденных колебаний и переходных процессов следящей 143

системы нелинейности гидравлического привода разделяют на существенные и несущественные. Несущественные нелинейные функции – это такие функции, которые являются непрерывными и однозначными и могут быть разложены в ряд Тейлора. К существенным нелинейностям гидропривода относятся зона нечувствительности, люфты, насыщение по расходу и давлению, сухое (контактное) трение в гидродвигателе [21]. Наиболее эффективным инженерным методом построения нелинейной динамической структуры является дополнение линейной модели ГП теми или иными нелинейными звеньями, обусловленными существенными нелинейностями. В этом случае нелинейную динамическую структуру можно разделить на две части: линейную (линейную динамическую модель) и нелинейную, которая формируется на основе учитываемой нелинейности. Такой подход позволяет применить метод гармонической линеаризации и исследовать устойчивость следящей системы с помощью логарифмических частотных характеристик [21]. Ограничение энергетических возможностей насосной установки – давления рабочей жидкости и производительности насоса – приводит к нелинейности типа «насыщение» или «ограничение». При увеличении амплитуды колебаний золотника выше некоторого значения рост амплитуды первых гармоник выходных сигналов начинает замедляться, а дальнейшее увеличение мощности выходных сигналов происходит за счет возрастания уровня гармонических составляющих более высокого порядка [180]. В системе MATLAB&Simulink имеется возможность ввода нелинейностей различного вида, которые позволяют описать процессы, не поддающиеся линеаризации. В модели насоса используются нелинейности, которые ограничивают выходную величину. Блок Saturation (звено с ограничением или насыщением) представляет собой нелинейное устройство, сигнал на выходе которого равен входному сигналу до тех пор, пока не достигает порогов ограничения: верхнего Upper limit или нижнего Lower limit. После этого сигнал перестает изменяться. Статическая характеристика этого блока приведена на рис. 3.1. Структурная схема системы управления с нелинейным звеном типа «ограничение» приведена на рис. 3.2. Здесь Wo(s) – передаточная функция объекта регулирования; Wy(s) – передаточная функция регулятора; g(s) – задающее воздействие; ε(s) – ошибка регулирования; u(s) – управляющее воздействие; u(s) – управляющее воздействие с 144

учетом влияния нелинейного звена; y(s) – выходная регулируемая величина. Y B

Y B α 0

α

-b

X

0

b

X b

-B

а

б

Рис. 3.1. Статическая характеристика блока с ограничением Saturation: а – для случая не реверсивного ГП; б – реверсивного ГП Нелинейное звено

Регулятор

g ( s) + –

ε(s)

Wy(s)

Объект

u ( s)

u ( s)

y ( s)

Wo(s)

Рис. 3.2. Структурная схема нелинейной системы управления

Объект регулирования имеет передаточную функцию Wo(s) второго порядка Wo (s) =

Передаточная функция регулятором имеет вид

b0 . a0 s2 + a1 s + a2

разомкнутого

W (s) = W y (s)Wo (s) =

(3.2)

контура

Kd b0 s 2 + K p b0 s + Ki b0 a0 s3 + a1 s 2 + a2 s

.

с

ПИД-

(3.3)

С целью применения современного программного обеспечения и численных методов исследования определим параметры ПИДрегулятора в частотной области по методике аналитического синтеза [174] для передаточной функции объекта со следующими данными: 145

Wo ( s) =

115,05 . 2,473 s 2 + 10,5 s + 26,98

(3.4)

Принимаем запас устойчивости по фазе скорректированной системы γ1 = 60о, что в радианах составит γ1 =

60 π =1,047 рад. 180

Принимаем частоту среза скорректированной разомкнутой системы ω1ср = 5,1 с−1.

Определяем ожидаемое время переходного процесса: tp =

8 8 = = 0,906 с. ω1ср tan(γ1) 5,1⋅1,047

При необходимости можно задаваться временем переходного процесса в скорректированной системе, а затем определять частоту среза. Определяем модуль корректируемой системы на частоте среза и ее аргумент:

)

(

m1 = W p (ω1ср ) =1,762; arg W p (ω1ср ) = −2,18.

Рассчитываем аргумент корректирующего устройства на частоте среза:

(

)

θ= γ1 − π − arg W p (ω1ср ) = 0,085.

Определяем коэффициент передачи K1 p пропорциональной части корректирующего устройства: K1 p = m1 cos(θ) = 1,756.

Рассчитываем коэффициент передачи Ki интегральной части корректирующего устройства по методике синтеза ПИ-регулятора: Ki = 0,1ω1ср K1 p = 0,895.

Определяем коэффициент передачи Kd дифференциальной части корректирующего устройства: 146

K m K1d = 21i + 1 sin(θ) = 0,064. ω1ср ω1ср

Проверяем результаты синтеза по частотным характеристикам линейной разомкнутой скорректированной системы. Частотная передаточная функция разомкнутой скорректированной системы. Логарифмические частотные характеристики разомкнутой скорректированной системы (диаграмма Боде), (рис. 3.3):

(

)

L1c (ω) = 20log W1c (ω) ; φ1c (ω) = arg (W1c (ω) )

180 . π

Получены запасы устойчивости по фазе: γ1c (ω) =180 + φ1c (ω1ср ); γ1c (ω1cр ) = 60 град.

Переходные характеристики линейной (рис. 3.4, 3.5) и нелинейной (рис. 3.6, 3.7) замкнутых систем управления получены имитационным моделированием в среде MATLAB&Simulink. Параметры ПИД-регулятора: Kp = 1,756; Ki = 0,895; Kd = 0,064; перерегулирование σ = 18 %, время регулирования tp = 0,9 с Сравнивая полученные переходные характеристики, приходим к выводу, что нелинейность типа «ограничение» при синтезированных параметрах ПИД-регулятора не оказывает существенного влияния на вид переходной характеристики. Рассмотренная методика синтеза приводит к переходным характеристикам с перерегулированием, что не всегда желательно, например для гидравлических систем (из-за возможных гидравлических ударов). Снижение величины перерегулирования достигается изменением полученных параметров регулятора. В качестве критерия оценки параметров рассмотрим квадратичный интегральный показатель качества переходного процесса J20 [18; 19; 20; 97 и др.], значения которого определяют по параметрам в изображении Лапласа для свободной составляющей ошибки регулирования E(s). В нашем случае E(s) выражается через параметры передаточных функций объекта управления и регулятора: E (s) =

a0 s 2 + a1 s + a2

a0 s3 + (a1 + K1d b0 ) s 2 + (a2 + K1 p b0 ) s + K1i b0

.

(3.5)

147

148

− 180

ϕc ( ω )

Lc( ω )

− 200

− 100

0

log( ω )

1

Рис. 3.3. Диаграмма Боде скорректированной системы c ПИД-регулятором

−1

100

2

Step2

Constant2

0.05 Scope3

Derivative

du/dt

Integrator2

1/s

den(s) Transfer Fcn1

115.05

Constant1

1.05*1

Constant

0.95*1

Рис. 3.4. Имитационная модель системы с ПИД-регулятором на языке Simulink

Gain5

-K-

Gain4

-K-

Gain3

-K-

PID

149

Scope2

150

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0

h(t)

1,0

1,5

2,0 Время, с

2,5

3,0

3,5

Рис. 3.5. Переходная характеристика линейной замкнутой системы (параметры ПИД-регулятора: Kp = 1,756; Ki = 0,895; Kd = 0,064; перерегулирование σ = 18 %, время регулирования tp = 0,92 с)

0,5

4,0

Step2

du/dt

Scope3

Saturation1 Transfer Fcn1

115.05 2 2.473s +10.05s+26.98

Constant1

1.02*1

Constant

0.98*1

Рис. 3.6. Имитационная модель нелинейной системы с ПИД-регулятором на языке Simulink

Constant2

Gain5 Derivative

-K-

0.05

1/s

Gain4 Integrator2

-K-

Gain3

-K-

PID

Scope1

151

Scope2

152

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0

h(t)

1,0

1,5

2,0 Время, с

2,5

3,0

3,5

Рис. 3.7. Переходная характеристика нелинейной замкнутой системы (параметры ПИД-регулятора: Kp = 1,756; Ki = 0,895; Kd = 0,064; перерегулирование σ = 18 %, время регулирования tp = 0,93 с)

0,5

4,0

Тогда соответствующая квадратичная интегральная оценка качества имеет вид J 20 (d1, d 2 , d3 ) =

где

(

)

c02 d3 d 2 + c12 − 2 c0 c2 d3 d0 + c22 d1 d0 2 d0 d3 (d1 d 2 − d 0 d3 )

,

(3.6)

c0 = a0 , c1 = a1, c2 = a2 , d0 = a0 , d1 = a1 + K1d b0 , d2 = a2 + K1 p b0 , d3 = K1i b0 .

Переходная характеристика рассматриваемой нелинейной замкнутой системы (рис. 3.8) с нелинейностью типа «ограничение» представлена на рис. 3.6. Параметры ПИД-регулятора: Kp = 2,634; Ki = 0,722; Kd = 0,41; J20 = 0,035. Время переходного процесса tp = 0,65 с. Из полученной переходной характеристики можно сделать главный вывод, необходимый для дальнейших теоретических рассуждений: важно, что характер процесса апериодический, перерегулирование отсутствует. Это обеспечивает и апериодическое изменение ошибки регулирования, она не меняет знака. Это обстоятельство не изменяет характер передачи информации при переходе от линейной системы к нелинейной. Переходная характеристика линейной замкнутой системы (рис. 3.4) представлена на рис. 3.9. Параметры ПИД-регулятора: Kp = 2,634; Ki = 1,445; Kd = 0,615; J20 = 0,022. Время переходного процесса tp = 0,65 с. Следовательно, в линейной системе получено небольшое перерегулирование. Рассмотрим вариант имитационной модели с расположением нелинейного элемента типа «ограничение» (рис. 3.1, а) перед ПИДрегулятором (рис. 3.10). Переходная характеристика и график ошибки регулирования исследуемой замкнутой системы представлены на рис. 3.11, 3.12 соответственно. Параметры ПИД-регулятора: Kp = 2,634; Ki = 1,445; Kd = 0,615; J20 = 0,022. Время переходного процесса tp = 0,65 с. Из рис. 3.11 и 3.12 видно, что исследуемая нелинейная система стала неуправляемой. В линейном варианте (рис. 3.13 и 3.14) она управляема и с лучшим качеством переходного процесса (меньшее значение критерия оптимальности), величина перерегулирования меньше 5 %, но ошибка регулирования (рис. 3.12) переходит через ноль, становится отрицательной, не равной нулю. Замкнутая система остается устойчивой с новым положением равновесия. 153

154

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0

h(t)

1,0

1,5

2,0 Время, с

2,5

3,0

3,5

Рис. 3.8. Переходная характеристика нелинейной замкнутой системы с нелинейностью типа «ограничение» (параметры ПИД-регулятора: Kp = 2,634; Ki = 0,722; Kd = 0,41; J20 = 0,035). Время переходного процесса tp = 0,65 с

0,5

4,0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0

h(t)

1,0

1,5

2,0 Время, с

2,5

3,0

3,5

Рис. 3.9. Переходная характеристика линейной замкнутой системы (параметры ПИД-регулятора: Kp = 2,634; Ki = 1,445; Kd = 0,615; J20 = 0,022). Время переходного процесса tp = 0,65 с

0,5

155

4,0

156

Step2 1/s

Gain5

-K-

Scope3

Derivative

du/dt

Gain4 Integrator2

-K-

Gain3

-K-

PID

Transfer Fcn1

115.05 2 2.473s +10.05s+26.98

Constant1

1.05*1

Constant

0.95*1

Рис. 3.10. Имитационная модель исследуемой системы с ПИД-регулятором на языке Simulink

Constant2

0.05

Saturation2

Scope1

Scope2

0,5

1

1,5

2 Время, с

2,5

3

3,5

4

Рис. 3.11. Переходная характеристика исследуемой замкнутой системы с нелинейностью типа «ограничение» (параметры ПИД-регулятора: Kp=2,634; Ki=1,445; Kd=0,615; J20=0,022)

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

h(t)

157

158

-0,6 0

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,5

1

1,5

2

Время, с

2,5

3

3,5

Рис. 3.12. Ошибка регулирования в исследуемой замкнутой системе с нелинейностью типа «ограничение» (параметры ПИД-регулятора: Kp=2,634; Ki=1,445; Kd=0,615; J20=0,022)

ε(t)

4

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0,5

1

1,5

2 Время, с

2,5

3

3,5

Рис. 3.13. Переходная характеристика линейной замкнутой системы (параметры ПИД-регулятора: Kp=2,634; Ki=1,445; Kd=0,615; J20=0,022). Время переходного процесса tp=0,65 с

h(t)

4

159

160

-0,2 0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

ε(t)

0,5

1,5

2 Время, с

2,5

3

Рис. 3.14. Ошибка регулирования в линейной замкнутой системе (параметры ПИД регулятора: Kp=2,634; Ki=1,445; Kd=0,615; J20=0,022)

1

3,5

4

Можно отметить, что даже незначительное перерегулирование в соответствующей линейной системе приводит к потере управляемости в нелинейной системе со звеном типа «ограничение». Важно также, что апериодический характер процесса наиболее благоприятен для гидравлических приводов. За счет этого обеспечивается отсутствие гидравлических ударов. Звено типа «ограничение» характерно для реальных нелинейных систем управления – гидравлических приводов. Таким образом, для исследуемого варианта модели системы управления с расположением нелинейного элемента типа «ограничение» (рис. 3.1, а) перед ПИД-регулятором (рис. 3.10) параметры регулятора должны выбираться так, чтобы в соответствующей линейной системе отсутствовало перерегулирование. Новизна метода синтеза ПИД-регулятора нелинейной системы управления заключается в предложении «критерия характера динамического процесса» при перерегулировании близком к 0 %, что возможно при значениях действительных частей корней характеристического уравнения по модулю, много больше их мнимых частей Re( S k ) >> Im( Sk ) . Задача исследователя при синтезе ПИД-регулятора системы управления с нелинейным элементом заключается в обеспечении близкого к апериодическому характера изменения переходной характеристики.

3.3. Синтез ПИД-регулятора нелинейной системы управления модальным методом Постановка задачи. Полюсы передаточной функции замкнутой системы с ПИД-регулятором в основном определяют характер ее переходной характеристики. Передаточная функция (ПФ) замкнутой системы с ПИД-регулятором в линейном варианте и с единичной отрицательной обратной связью в соответствии с выражением (3.2) имеет вид K (s) =

K1d b0 s 2 + K1 p b0 s + K1i b0 a0 s 3 + (a1 + K1d b0 ) s 2 + (a2 + K1 p b0 ) s + K1i b0

.

(3.7)

Характеристическое уравнение замкнутой системы следует из выражения (3.7): 161

D ( s ) = a0 s 3 + ( a1 + K1d b0 ) s 2 + ( a2 + K1 p b0 ) s + K1i b0 .

(3.8)

Полюсы ПФ определяют численно по формуле (3.8) при конкретных значениях Kp, Ki, Kd коэффициентов регулятора. Для системы третьего порядка возможны два варианта полюсов: комплексные и вещественные. Комплексные полюсы. Пусть корни уравнения D(s) = 0 имеют вид s1 = −η1, s2 = −η2 + j β, s3 = −η2 − j β,

где η1 – степень устойчивости; η2 – абсолютное значение действительной части полюса; β – частота колебаний переходной характеристики, обусловленная полюсами. И соответствующее характеристическое уравнение примет вид D1(s) = s3 + (η1 + 2η2 ) s2 + (β2 +η22 + 2η1η2 ) s + η1(β2 +η22 ).

(3.9)

В случае вещественных полюсов s1 = −η1, s2 = −η2 , s3 = −η3; D2 ( s) = s 3 + (η1 + η2 + η3 ) s 2 + ⎡⎣ η3 ⋅ (η1 + η2 ) + η1 η2 ⎤⎦ s + η1 η2 η3 .

Сравнивая выражения (3.8), (3.9) и (3.8), (3.10), получаем: a1 + K1d b0 = η1 + 2η2 ; a0 a1 + K1d b0 = η1 + η2 + η3 ; a0 a2 + K1 p b0 a0 a2 + K1 p b0 a0

= β 2 + η22 + 2η1 η2 ;

= η3 (η1 + η2 ) + η1 η2 ;

(

)

K1i b0 = η1 β 2 + η22 ; a0 K1i b0 = η1 η2 η3 . a0 162

(3.10)

Откуда находим значения коэффициентов регулятора, выраженные через значения полюсов передаточной функции замкнутой системы с ПИД-регулятором. В случае комплексных полюсов (β 2 +η22 + 2η1 η2 ) a0 − a2 Kp = ; b0 η1 (β 2 +η22 ) a0 Ki = ; b0

Kd =

(3.11)

(η1 + 2η2 ) a0 − a1 . b0

В случае вещественных полюсов Kp =

[ η3 (η1 +η2 ) + η1 η2 ] a0 − a2 ; b0

Ki = Kd =

(η1 η2 η3 ) a0 ; b0

(3.12)

(η1 + η2 + η3 ) a0 − a1 . b0

Из выражений (3.11) и (3.12) следует очевидный вывод о том, что искомые коэффициенты ПИД-регулятора определяются как параметрами корректируемого объекта в соответствии с выражением (3.2), так и полюсами передаточной функции замкнутой системы с ПИД-регулятором. Выражения (3.11) и (3.12) позволяют определить параметры ПИДрегулятора при заданном распределении полюсов. Задача определения параметров может быть решена, если сделать предположение, что введение нелинейного звена между регулятором и объектом управления не изменяет выражений (3.11) и (3.12). Следует также учитывать известные [18; 97] сведения о влиянии размещения полюсов на вид переходной характеристики и на связь временных и частотных показателей качества синтезируемой системы, хотя бы без учета нелинейности, возможного запаздывания в системе и изменения ее параметров. Ниже приведена методика синтеза параметров регулятора в среде программирования Mathcad и MATLAB&Simulink для случая комплексного размещения полюсов. 163

1. Введем безразмерные коэффициенты, определяющие соотношение в размещении полюсов. Распределение полюсов при известном значении η1 определяется коэффициентами kη и kβ : η2 (kη ) = kη η1; β(kβ ) = kβ η1 .

Выбор конкретных значений этих коэффициентов определяется степенью влияния комплексных полюсов на время и вид переходного процесса. Комплексные полюса с целью обеспечения малого перерегулирования необходимо располагать дальше от мнимой оси и вещественного полюса. 2. Определим коэффициенты ПИД-регулятора: k p (kη , kβ ,η1 ) =

a0 b0

⎡ 2⎡ ⎢⎣ η1 ⎢⎣ kβ

ki (kη , kβ ,η1 ) = kd (kη ,η1 ) =

( ) + ( kη ) 2

a0 3 ⎡ η1 kβ b0 ⎢⎣

2

⎤ a + 2k η ⎤ ⎥ − 2 ; ⎥⎦ ⎦ b 0

( ) + ( kη ) 2

2⎤

⎥⎦

;

a0 a η1 1 + 2 kη − 1 . b0 b0

(

)

Зададим параметры распределения на основе данных из практики синтеза регуляторов и получим значения коэффициентов ПИДрегуляторов: K p (30;6;0,5) = 5,118; Ki (30;6;0,5) = 2,515; K d (30;0,5) = 0,564.

Для вещественных корней η2 (kη ) = kη η1; η3 (kη ) = kη η1; β(kβ ) = kβ η1

получим коэффициенты ПИД-регулятора: ⎡ η3 ( η1 + η2 ) + η1 η2 ⎤⎦ a0 − a2 K p (k1η , k2β ,η1 ) = ⎣ ; b0 Ki = Kd = 164

( η1 η2 η3 ) a0 ; b0

( η1 + η2 + η3 ) a0 − a1 . b0

Принимаем вещественные полюса:

) ab0 − ab2 ;

(

K p (k1η , k2η ,η1) = η12 ⋅ k1η + k2η + k1η k2η

(

Ki (k1η , k2η ,η1) = η13 k1η k2η

0

0

) ab0 ;

(

Kd (k1η , k2η ,η1) = η1 1 + k1η + k2η

0

) ab0 − ba1 . 0

0

Пример: зададим параметры распределения на основе данных из практики проектирования регуляторов и получим значения коэффициентов ПИД-регуляторов: K p (30;30;0,451) = 3,963;

Ki (30;30;0,451) = 1,775; K d (30;30;0,451) = 0,5.

Квадратичная интегральная оценка качества переходного процесса: J 20 (d1 (0,5), d2 (3,963), d3 (1,775)) = 0,022; ⎛ 204, 214 ⎞ ⎜ 482,923 ⎟ ⎟; Vc (3,963;1,775;0,5) = ⎜ ⎜ 68,025 ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ 2,473 ⎠

⎛ −13,528 + 0,26 i ⎞ polyroots (Vc (3,963;1,775;0,5) ) = ⎜⎜ −13,528 − 0,26 i ⎟⎟ . ⎜ ⎟ −0,451 ⎝ ⎠

3. Определим показатели качества переходного процесса и запасов устойчивости. 3.1. Вычисление квадратичной интегральной оценки: c0 = a0 , c1 = a1 , c2 = a2 , d0 = a0 , d1 = a1 + K d b0 , d 2 = a2 + K p b0 ; d3 = Ki b0 ;

J 20 (d1, d 2 , d3 ) =

(

)

c02 d3 d 2 + c12 − 2 c0 c2 d3 d0 + c22 d1 d0 2 d0 d3 (d1 d 2 − d0 d3 )

;

165

d1 ( K d ) = a1 + K d b0 , d 2 ( K p ) = a2 + K p b0 , d3 ( Ki ) = Ki b0 ; J 20 (d1 ( K d ), d 2 ( K p ), d3 ( Ki )) = =

c02 Ki b0 (a2 + K p b0 ) + (c12 − 2 c0 c2 ) Ki b0 + c22 (a1 + K d b0 ) d0

(

2 d 0 Ki b0 (a1 + K d b0 )(a2 + K p b0 ) − d 0 Ki b0

)

.

3.2. Определение полюсов в системе с ПИД-регулятором: ⎛ Ki b0 ⎞ ⎜a +K b ⎟ 2 p 0⎟ Vc ( K p , Ki , K d ) = ⎜ ; ⎜ a +K b ⎟ d 0 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ a 0 ⎝ ⎠

(

)

polyroots Vc ( K p , Ki , K d ) .

4. Изменим распределение полюсов в комплексной плоскости в случае неудовлетворительных результатов. Пример: синтез параметров регулятора при комплексном характере полюсов. Задание. Определить параметры ПИД-регулятора в системе управления скоростью движения дорожного катка. Обеспечить время переходного процесса tp < 0,5, перерегулирование σ < 5%. Методика синтеза 1. Распределение полюсов: ⎛ ⎛ b0 b0 a ⎞ a ⎞ = ⎜ 0,5 + 1 ⎟ = 0,451. η1 = ⎜ t p + 1 ⎟ b0 ⎠ a0 1 + (k1η + k2η ) ⎝ b0 ⎠ a0 (1 + (30 + 30) ) ⎝

(

)

2. Определение коэффициентов ПИД-регулятора: K p (30;6;0,451) = 4,12;

Ki (30;6;0,451) = 1,846; K d (30;0,451) = 0,5.

3. Определение показателей качества переходного процесса и запасов устойчивости. 3.1. Вычисление квадратичной интегральной оценки 166

J 20 ( d1 (0,5); d 2 (4,12); d3 (0,5) ) = 0,031.

3.2. Определение полюсов в системе с ПИД-регулятором: ⎛ 212,382 ⎞ ⎜ 500,986 ⎟ ⎟; Vc (4,12;1,846;0,5) = ⎜ ⎜ 68,025 ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ 2, 473 ⎠

⎛ −13,528 − 2,715 i ⎞ polyroots (Vc (4,12;1,846;0,5) ) = ⎜⎜ −13,528 + 2,715 i ⎟⎟ . ⎜ ⎟ −0,451 ⎝ ⎠

Полюсы замкнутой линейной системы при найденных значениях параметров регулятора соответствуют заданному распределению. 3.3. Определение запасов устойчивости в системе с ПИДрегулятором для вычисленных значений коэффициентов ПИДрегулятора: K p = 4,12; Ki = 1,846; K d = 0,5.

Передаточная функция разомкнутой системы без учета нелинейности W (s) =

K d b0 s 2 + K p b0 s + K i b0 a0 s 3 + a1 s 2 + a2 s

.

Определяем частоту среза ωср = a и запасы устойчивости γ , рад, и γ1 о: начальное значение частоты ω = 10 с−1; дано W ( jω) = 1; a = Find (ω), получим частотусреза a = 24,48 с −1. γ = π + arg (W ( j a ) ) ; тогда запас устойчивости по фазе γ = 1,42 рад, γ1 = γ

180о 180о = 1,419 = 81,31о . π π

Таким образом, запас устойчивости по фазе составил 81,31о , что указывает на большой запас устойчивости системы. 167

3.4. Определение вида переходной характеристики и других временных функций по имитационной модели системы управления с нелинейным элементом (рис. 3.6). Переходная характеристика с синтезированными параметрами ПИД-регулятора показана на рис. 3.15. h(t) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

0

0,5

1,0

1,5

2,0 Время, с

2,5

3,0

3,5

4,0

Рис. 3.15. Переходная характеристика с синтезированными параметрами регулятора (время переходного процесса tp = 0,4 с, перерегулирование σ = 2 %)

На основе модального метода разработана методика синтеза ПИД-регулятора нелинейной системы управления. Получены соотношения, связывающие перерегулирование и время регулирования системы автоматического регулирования с расположением её нулей и полюсов. Определено, что параметры ПИД-регулятора в системе управления с гидравлическим приводом (нелинейным звеном типа «ограничение») должны выбираться так, чтобы в соответствующей линейной системе практически отсутствовало перерегулирование. Важно также отметить, что апериодический характер процесса наиболее благоприятен для гидравлических приводов строительных и дорожных машин – уменьшается вероятность гидравлических ударов.

168

4. ПОСТРОЕНИЕ АДАПТИВНЫХ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Развитие технических средств автоматики способствует распростра-нению технологий управления в отрасли дорожного строительства, где применяются дорожно-строительные комплекты машин, не оснащенные средствами автоматизации или оснащенные ими не в полном объеме. Зарубежная практика дорожного строительства характеризуется наличием современных автоматизированных комплектов машин, в т. ч. с приме-нением интеллектуальных технологий управления процессами уплотнения земляного полотна и конструктивных слоев дорожных одежд.

4.1. Следящая система управления процессом укладки смеси на основе нечеткой логики Укладка и уплотнение асфальтобетонной смеси выполняются комплектом дорожно-строительных машин (ДСМ), состоящим из асфальтоукладчика (далее укладчик) и дорожных катков. Для обеспечения качества строительства дорожного покрытия нежесткого типа в процессе укладки и уплотнения необходимо учитывать большое число факторов (скорость движения укладчика и дорожных катков, температуру поверхности покрытия, заданную ровность, параметры трамбования и вибрации, плотность дорожного покрытия, коэффициент уплотнения), что приводит к задаче управления процессами динамической недетерминированной системы в условиях априорной неопределенности. Известные системы автоматического управления (САУ) – нивелировочные следящие системы укладчиков – используются для выдерживания продольного и поперечного профиля автомобильных дорог при строительстве и реконструкции, обеспечивая повышение эффективности за счет сокращения времени контроля и ручной стабилизации положения рабочих органов. Математическое описание процесса укладки смеси представляет повышенный уровень сложности из-за стохастического изменения характеристик микрорельефа предварительно подготовленного 169

основания. Известно [25], что традиционные ПИД-регуляторы имеют плохие показатели качества при управлении нелинейными и сложными системами, а также при недостаточной информации об объекте управления. Характеристики регуляторов в этих случаях можно улучшить с помощью технологий искусственного интеллекта – нечеткой логики, искусственных нейронных сетей и других методов. Нашей целью является разработка системы автоматического управления процессом укладки асфальтобетонной смеси асфальтоукладчиком на основе нечеткой логики. Далее рассматривается один из подходов к построению нечетких регуляторов. Разработка регулятора. Объектом управления является укладчик. Это главная машина в технологическом комплекте, от результатов работы которой зависят важнейшие качественные характеристики будущего готового дорожного покрытия. В процессе движения по подготовленному основанию ходовая часть укладчика получает случайные перемещения в вертикальной и угловой плоскостях из-за неровности микрорельефа, что приводит к необходимости управления за счет изменения заданной толщины укладываемого слоя от левого и правого края плиты рабочего органа. Современные САУ, устанавливаемые на укладчиках, используют контактные и бесконтактные копиры, выполняющие функции задающей величины. Определение целей. Выбор переменных и требования к ним. Целью управления является обеспечение ровности покрытия с заданными размерами поперечного и продольного профиля дороги. В процессе работы на ходовую часть укладчика действуют неровности основания, что относится к возмущениям внешней среды. Для компенсации отклонения рабочего органа от заданного значения осуществляется воздействие на объект управления. Технологическая настройка укладчиков призвана обеспечить наиболее высокое качество укладки и предварительного уплотнения слоев асфальтобетонного основания или покрытия и по существу является важным элементом системы управления качеством асфальтобетонных работ [27]. Она осуществляется перед началом рабочих операций и ведется с учетом конструктивных и технологических возможностей и особенностей выбранного укладчика, а также заложенных в проект производства работ (ППР) приемов выполнения и контроля этих операций. Самыми важными и потому непрерывно контролируемыми являются пять показателей основания или покрытия (еще до начала работы дорожных катков): 170

ширина полосы укладки; поперечный уклон поверхности слоя укладки; толщина уложенного слоя; степень предварительного уплотнения; ровность поверхности уложенного слоя. Первые три показателя (нормы отклонения от проекта) задаются проектом и СНиП 3.06.03–85 «Автомобильные дороги». Два же последних показателя (степень предварительного уплотнения и ровность поверхности после прохода укладчика) не задаются проектом и не нормируются СНиП, но без знания их начальных значений невозможно управлять процессом укладки и обеспечить требуемые конечные параметры по плотности, толщине слоя и ровности готового основания или покрытия. Управляемые величины в рассматриваемой системе управления: поперечный уклон поверхности слоя; толщина слоя; ровность поверхности уложенного слоя. Выбор конфигурации системы и исполнительных устройств. Система управления, решая задачу слежения, заставляет управляемую величину укладчика быть пропорциональной задающей (отслеживаемой). Изменение положения рабочего органа укладчика выполняется с помощью гидравлических исполнительных механизмов, которые корректируют реальное положение его по отношению к вертикальной оси силы тяжести (поперечный уклон) и горизонтальной плоскости, задаваемой копиром. Для получения информации о высотном положении рабочего органа используются датчики положения (рис. 4.1). Модель объекта управления. Создание систем, априорно ориентируемых для работы в условиях неполноты или нечеткости исходной информации, неопределенности внешних возмущений и среды функционирования, требует привлечения нетрадиционных подходов к управлению с использованием методов и технологий искусственного интеллекта [66]. Такие условия соответствуют технологическим процессам строительства дорожных покрытий. При перемещении укладчика по основанию, готовому для укладки дорожного покрытия нежесткого типа, его ходовое оборудование (гусеничное или колесное) совершает случайные перемещения в вертикальном направлении под воздействием неровностей микрорельефа основания дороги. Эти неуправляемые перемещения передаются через раму укладчика и подвеску выглаживающей плиты на рабочее оборудование, вызывая, в свою очередь, неуправляемые перемещения 171

выглаживающей плиты, которые влекут за собой случайное изменение толщины и угла поперечного уклона укладываемого полотна, тем самым ухудшая показатели качества. Уравнение динамики следящей системы, структурно-параметрическая оптимизация, исследование абсолютной устойчивости нелинейной системы с помощью частотного критерия В. М. Попова были рассмотрены в [140; 143]. Разработка регулятора на основе нечеткой логики. Разработка нечеткого регулятора начинается с построения зависимостей входных и выходных величин. Для этого обычно используются экспертные знания. Но так как микрорельеф основания дороги является стохастической динамической системой, то для разработки системы автоматического управления положением выглаживающей плиты укладчика этот способ не применяется. Микрорельеф местности

Задающее устройство

Регуляторы

Исполнительные механизмы

Рама рабочего органа

Датчик положения левый Датчик положения правый Плита Толщина слоя, поперечный уклон, ровность

Рис. 4.1. Функциональная схема САУ асфальтоукладчика

Для построения зависимостей входных и выходных величин разработана модель следящей системы гидропривода выглаживающей плиты укладчика, выполненная в среде MATLAB&Simulink (рис. 4.2). 172

S PS

HR

1/s

Integrator1

314

Supply prtessure1

-K-

Simulink-PS Converter

Supply prtessure t

S PS

HR3

3-Way Directional Valve

Pressure1

-C-

Sine Wave Gain1 Function

Solver Configuration2

f(x)=0

Hydraulic Fluid

Simulink-PS Proportional and Converter2 Servo-Valve Actuator

Integrator

PS2S

S PS

Gain2

Hydraulic Pressure Sensor1 B A P

Sine Wave Function1

-K-

T

S PS PS2S2

PS2S1

2

Gain

HR1

Hydraulic Pressure Source

Pressure2

S PS

HR4

Hydraulic Pressure Sensor2 B A P

M

Sensor

Force Source S R C

C C R R F A B Force Sensor Double-Acting Hydraulic Cylinder

A B X Pilot-Operated Check Valve

MTR1

Simulink-PS Converter1

S PS

MTR

D

Position Velocity

MTR3

Cylinder Rod

MTR2

Рис. 4.2. Модель следящей системы гидропривода выглаживающей плиты укладчика на языке MATLAB&Simulink

Заданное перемещение

Pressure3

1/s

Pressure

Integrator2

Supply prtessure3

t

S

1/s

A P

31.4

S

-C-

P T

R C R Vel

Supply prtessure2

Pos C

В состав схемы входят следующие элементы: гидроцилиндр двунаправленного действия; трёхпозиционный гидрораспределитель; гидравлический насос; управляемый гидрозамок; гидравлический датчик давления; элемент «выглаживающая плита асфальтоукладчика»; сенсор перемещения и скорости штока гидроцилиндра (датчик обратной связи Sensor), т. е. сенсор силы; элемент «гидравлическая жидкость», в данном случае масло Oil-30W; пропорциональный сервоклапан гидропривода (электрогидравлический распределитель, преобразующий электрический сигнал в перемещение); элемент «вязкое трение», т. е. источник силы; возмущающее воздействие «микрорельеф»; PS-конвертор; емкость для рабочей жидкости; возмущающее воздействие, обусловленное влиянием работы других элементов на изменение давления в гидросистеме. Кроме того, в рассмотренную гидравлическую схему входят такие элементы, как сумматор, интегратор, усилитель, блок задания синусоиды, константа и т. п. Результаты моделирования следящей системы в диапазоне заданного перемещения от 0,005 до 0,25 м с шагом 0,05 м приведены в табл. 4.1. Таблица 4.1 Результаты моделирования Заданное перемещение, м 0,005 0,055 0,10 0,15 0,20 0,25

Средняя скорость, м/c 0,022 0,212 0,22 0,22 0,22 0,22

Время отработки, с 0,38 0,31 0,48 0,68 0,95 1,10

Перерегулирование, % 14,0 1,80 0,67 0,67 0,75 0,40

Усилие на штоке, Н 6,10 х 104 6,12 х 104 4,30 х 104 5,80 х 104 6,80 х 104 8,00 х 104

Входной величиной нечеткого регулятора является входной сигнал системы гидропривода следящей системы, выходной – перемеще174

Перемещение, м

ние выглаживающей плиты. Эти зависимости представлены на рис. 4.3.

Входной сигнал Перемещение

Время Рис. 4.3. График зависимости входного сигнала следящей системы и перемещения выглаживающей плиты укладчика

Полученные данные представлены в табл. 4.2. Таблица 4.2 Зависимость входного сигнала и перемещения выглаживающей плиты укладчика Показатель Входной сигнал, м Перемещение, м

0,25 0

0,2 0,05

0,1 0,07

Данные 0 –0,1 0,12 0,15

–0,2 0,2

–0,25 0,25

Нечёткая система создается при помощи встроенных инструментов графического интерфейса пользователя (GUI-модули) пакета Fuzzy Logic Toolbox. Из предлагаемых в пакете алгоритмов использована нечеткая система алгоритма Мамдани. Имя FIS-системы – fuzzy_ukladchik. Окно FIS-редактора нечеткого регулятора показано на рис. 4.4. Функция принадлежности переменной vxod (рис. 4.5) формируется с учетом данных, показанных на рис. 4.3. Для лингвистического 175

описания входной переменной выбраны девять гауссовых термов (NB, NM, NS, ZN, Z, ZP, PS, PM, PB) и симметричные диапазоны изменения.

Рис. 4.4. Окно FIS-редактора

Рис. 4.5. Функции принадлежности переменной vxod в Membership Function Editor

176

Из списка доступных функций выбран тип функции распределения gaussmf. Выбор функции принадлежности здесь обусловлен тем, что предполагается нормальное распределение для входного сигнала. Сокращения для термов лингвистических входных переменных: NB – отрицательное большое (Negative Big); NM – отрицательное среднее (Negative Middle); NS – отрицательное малое (Negative Small); ZN – отрицательное, близкое к нулю (Zero Negative); Z – нуль, близкий к нулю (Zero); ZP – положительное, близкое к нулю (Zero Positive); PS – положительное малое (Positive Small); PM – положительное среднее (Positive Middle); PB – положительное большое (Positive Big). Аналогично заданы функции принадлежности для переменной vixod (рис. 4.6). Изменение переменной vixod – в диапазоне от 0 до 0,25 м. Использована треугольная функция принадлежности trimf. Лингвистические переменные mf1 – mf9 характеризуют выходные данные системы по возрастанию в диапазоне от 0 до 0,25 м.

Рис. 4.6. Функции принадлежности переменной vixod в Membership Function Editor

177

База знаний содержит следующие правила: если vxod = NB, если vxod = NM, если vxod = NS, если vxod = ZN, если vxod = Z, если vxod = ZP, если vxod = PS, если vxod = PM, если vxod = PB,

то vixod = mf1 ; то vixod = mf2 ; то vixod = mf3 ; то vixod = mf4 ; то vixod = mf5 ; то vixod = mf6 ; то vixod = mf7 ; то vixod = mf8 ; то vixod = mf9 .

На рис. 4.7 изображено окно редактора базы правил после ввода девяти правил. Число, приведенное в скобках в конце каждого правила, представляет собой весовой коэффициент соответствующего правила.

Рис. 4.7. Окно редактора базы правил

Результаты визуализации нечеткого вывода показаны на рис. 4.8. 178

Графическая реализация нелинейной зависимости «вход – выход» для базы знаний Мамдани синтезированной нечеткой системы показана на рис. 4.9. Предложена структурная схема следящей системы гидропривода выглаживающей плиты укладчика с нечетким регулятором (рис. 4.10). Схема реализована с добавлением нелинейного элемента обусловленного работой гидрораспределителя (нелинейность типа «ограничение»). Для уменьшения перерегулирования в схему добавлен фильтр.

Рис. 4.8. Визуализация нечеткого вывода Мамдани в Rule Viewer

Сравнительный анализ результатов работы системы управления с ПИ- и нечетким регулятором (рис. 4.10). Моделирование системы управления проведено средствами MATLAB& Simulink. Графическая реализация результатов моделирования системы управления с ПИ-регулятором и нечетким регулятором представлена соответственно на рис. 4.11, 4.12. 179

Рис. 4.9. График зависимости «вход – выход» в Surface Viewer

Показатели качества системы автоматического управления с нечетким регулятором и ПИ-регулятором приведены в табл. 4.3. Таблица 4.3 Показатели качества системы автоматического управления Заданное перемещение, м 0,005 0,055 0,1 0,15 0,20 0,25

Время регулирования, с ПИ Fuzzy 12 0,05 13 0,44 14 0,8 15 1,15 16 1,55 17 1,96

Перерегулирование, % ПИ Fuzzy 0,2 – 0,5 – 2,4 – 11 – 21 – 28 –

Переходный процесс изменения положения выглаживающей плиты укладчика с использованием нечеткого регулятора показывает улучшенные показатели качества переходного процесса по сравнению с классическим ПИ-регулятором. 180

Отработанное перемещение

Рис. 4.10. Структурная схема следящей системы гидропривода выглаживающей плиты укладчика с нечетким регулятором

Заданное перемещение

Нечеткий регулятор

Перемещение, м

0,4 0,3 0,2 0,1 0

0

5

10 Время, с

15

20

Рис. 4.11. Результаты моделирования работы ПИ-регулятора при перемещении выглаживающей плиты укладчика на 0,25 м

0,30

Перемещение, м

0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0

0

0,5

1,0

1,5

2,0 2,5 Время, с

3,0

3,5

4,0

Рис. 4.12. Результаты моделирования работы нечеткого регулятора при перемещении выглаживающей плиты укладчика на 0,25 м

Время регулирования при перемещении выглаживающей плиты на 0,25 м уменьшилось с 17 до 2,25 с, перерегулирование отсутствует. Полученная имитационная модель следящей системы управления положением выглаживающей плиты рабочего органа укладчика рекомендуется для использования в исследовательских и учебных целях, а также при проектировании систем управления рабочими процессами укладчика с целью повышения эффективности регулирова182

ния ровности асфальтобетонного покрытия с улучшенными показателями качества процесса управления на основе учета динамики в гидравлических элементах.

4.2. Модель системы управления дорожным катком на основе нечеткой логики Рабочий процесс вибрационного катка характеризуется многократными воздействиями вальца (вальцов) на уплотняемый материал с повторяющимися проходами для достижения требуемой плотности асфальтобетонного покрытия. Уплотняемая среда (асфальтобетонная смесь) характеризуется существенной нелинейностью из-за непрерывного изменения пораметров при деформации упруговязкопластичной среды, температуры уплотняемого слоя во времени, процесса релаксации напряжений, температурной сегрегации и других факторов, что требует постоянного внимания со стороны оператора при управлении режимами работы вибрационного катка. Обеспечение эффективной работы дорожных катков возможно только с условием автоматизации технологических процессов. Так, АСУ на современные дорожные катки отечественного производства не устанавливаются. Внедрению систем автоматического управления режимами уплотнения на дорожных катках в РФ препятствуют преимущественно субъективные факторы и отсутствие предложений заводов-изготовителей. Необходимость выполнения научной работы по совершенствованию систем управления вибрационных катков определяется наличием нерешенных научно-исследовательских задач теории рабочего процесса уплотнения среды, а также проблем обеспечения качества дорожных покрытий, зависящих от режимов работы дорожностроительных машин. Научные публикации, посвященные данному вопросу, имеют преимущественно обзорный характер. Так, в работе [98] рассмотрен принцип построения системы управления дорожными катками с применением блока нечетких выводов, обоснованы структура и алгоритм управляющей системы. С учетом повышенного уровня сложности математического описания процесса уплотнения на основе априорной информации, нелинейности динамической системы объекта управления, стохастических 183

изменений характеристик уплотняемой среды (возмущение) при разработке систем управления предпочтительным является использование технологий искусственного интеллекта. Ниже рассматривается модель системы автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком на основе нечеткой логики. Особенности рассматриваемого объекта при разработке системы автоматического управления определяют целесообразность использования аппарата нечеткой логики. Основу этого аппарата составляет математическая теория нечетких множеств, предложенная Л. Заде в [56]. Нечеткая модель процесса уплотнения. Выбор нечеткого управления дорожным катком связан с особенностями уплотняемой среды. Асфальтобетонная смесь является упруговязкопластичной средой с изменяющимися параметрами во времени при уплотняющем воздействии на нее, т. е. характеризуется как стохастическая динамическая система. В публикациях [72; 119; 123; 130] рассмотрена модель процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком на основе системы дифференциальных уравнений. При разработке нечеткого регулятора дорожного катка учитываются следующие параметры: температура уплотняемого слоя, скорость движения катка, статическая нагрузка на валец, частота и амплитуда вибраций вальца, масса вальца и катка в целом. При разных скоростях работы дорожного катка возможны различные диапазоны частоты колебания вальца для достижения оптимума по уплотнению. Машинист-оператор дорожного катка не всегда может выбрать оптимальное решение, не исключены и ошибки. Особенностью предлагаемой методики синтеза нечеткого регулятора является неточное формирование задания на ПИД-регулятор системы управления. На рис. 4.13 представлена функциональная схема системы управления дорожного катка на основе нечеткой логики. Она предназначена для повышения качества управления, предупреждения неправильных команд оператора и согласования с целевой функцией управления и правилами. Блок нечеткого вывода выполняет функции контроллера действий оператора и выбора необходимого действия по управлению. Основная функция блока нечеткой логики – формирование задающего воздействия для регулятора вибрационного механизма уплотняющего вальца. 184

Процедура обработки входной (четкой) информации в контроллере: текущие значения входных переменных – скорости движения катка, температуры уплотняемого слоя – преобразуются в лингвистические переменные (фазификация); на основании полученных лингвистических переменных и с использованием базы правил контроллера производится нечеткий логический вывод, в результате которого вычисляются лингвистические значения выходных переменных; заключительным этапом обработки является вычисление «четких» значений управляющих параметров – частоты вращения дебаланса (дефазификация). Задание оператора

Рис. 4.13. Функциональная схема системы автоматического управления

Разработана модель регулирования частоты вращения вала гидродвигателя привода дебалансов вибрационного вальца дорожного катка с применением программы MATLAB&Simulink. На рис. 4.14 представлена имитационная модель регулирования частоты вращения вала гидравлического привода вибрационного вальца. В настоящей работе применена нечеткая модель типа Мамдани, реализованная в пакете Fuzzy Logic Toolbox [184]. 185

1

Step

Step1

Constant1

-C-

Transfer Fcn

300

Gain2

A

B

Simulink-PS Converter

S PS

Hydraulic Resistive Tube1

B

Hydraulic Reference

Hydraulic Pressure Source

Hydraulic Reference1

Step2

S Hydraulic Motor

B

A

Pilot-Operated Check Valve

X

3-Way Directional Valve A

T

C

t

Gain

-K-

-200 Constant3

Mechanical Rotational Reference1

Rotational Damper

Rotational Motion Sensor C R W A

Mechanical Rotational Reference4

Solver Configuration1

f(x)=0

Mechanical Rotational Reference2

Integrator Sine Wave Function

1/s

Simulink-PS Converter1

Torque Source

Torque Sensor

R

Inertia

Rotational Spring

C

Gain1

PS-Simulink Converter1

PS S

PS S

PS-Simulink Converter2

1

Scope

Рис. 4.14. Имитационная модель регулирования частоты вращения вала гидравлического привода вибрационного вальца (на языке MATLAB&Simulink)

den(s)

Simulink-PS Converter2

S PS

S

A P

R

C

T S

P T

R S S PS

R C

Функция принадлежности переменной temperatura. В полях Range и Display Range установлен диапазон изменения и отображения этой переменной от 60 до 85 оС, что соответствует температурному диапазону изменения асфальтобетонной смеси на завершающем этапе ее уплотнения. Для каждого из трех графиков, выделенных по отдельности в верхней правой части экрана, есть имена и параметры: final(5,308 59,93); middle(5,308 72,3); begin(5,308 85). Аналогичные действия выполнены для переменной skorost с диапазоном от 0,4 до 1,8 при предварительном изменении типа принадлежности trampf с именами и параметрами: up(0 0,25 0,55 0,9); forward(0,6 0,95 1,25 1,6); down(1,3 1,65 1,95 2,2). Для выходной переменной chastota сначала установлен диапазон изменения от 10 до 50 Гц, далее для всех трех графиков задан тип принадлежности trimf с именами low, medium и high и параметрами (–6 10 26), (14 30 46) и (34 50 66) соответственно. Вид полученных графиков показан на рис. 4.15. На следующем этапе определены правила, по которым будет работать блок нечеткой логики. Ввод правил основывается на двух утверждениях (рис. 4.16): с понижением температуры уплотняемого слоя частота вибрации вальца увеличивается; с повышением скорости движения катка частота вибрации увеличивается.

Рис. 4.15. Функция принадлежности переменной chastota

187

Рис. 4.16. Итоговый набор правил зависимости выходных параметров от входных, описанный в блоке нечеткой логики

Рис. 4.17. Поверхность зависимости выходных параметров от входных в блоке нечеткой логики

188

z

Unit Delay 1

1

Step

0.02s+1 Math Product Transfer Fcn Function

sqrt den(s)

1

t

-K-

Skorost

Integrator Sine Wave Gain Function

1/s

Transfer Fcn1

Fuzzy Logic Controller

Out1 Out2 In1 Out3 Out4

Uskorenie

-C-

Subsystem2nagr

Gain1

-K-

Scope7

Chastota

Scope

Scope5

Deform

Kont_davlenie

Switch1

Scope1

Constant3

Clock1

SubsystemGidro

In2 Out2

Рис. 4.18. Модель системы автоматического управления с нечетким регулятором (на языке MATLAB&Simulink)

Constant2

-0.8

Constant

1

Constant4

125

Constant1 Temperature

-C-

In1 Out1

Зависимость выходного параметра от входных данных в виде графика представлена на рис. 4.17. Модель системы, соответствующая описанной функциональной схеме (рис. 4.13), изображена на рис. 4.18. Модель гидропривода вибрационного вальца дорожного катка представлена блоком SubsystemGidro, а модель уплотняемой асфальтобетонной смеси – блоком Subsystem2nagr. Модель АСУ процесса уплотнения асфальтобетонного покрытия вибрационным катком. Оператор задает на панели управления начальные значения частоты f0 вибрации вальца и скорости движения катка u. Также с самого начала процесса уплотнения и вплоть до его завершения панель управления получает данные с различных датчиков, установленных на дорожном катке (датчики t и Kу и прочие), которые, в свою очередь, после обработки предоставляются оператору в понятном для него виде. Заданные (f0 и u) и полученные параметры (t) передаются в блок нечеткого регулятора (НР). Он производит оценку полученных данных с панели управления оператора, на основе которой делает перерасчет заданной частоты вибрации f. Полученные наиболее оптимальные значения частоты вибрации вальца f’ преобразуются в сигнал управления гидроприводом, передаваемый на сам гидропривод непосредственно; частота вибрации f’ преобразуется в частоту ω и ω’ соответственно вращения вальца и дебаланса. Вращение дебаланса вызывает вибрации вальца. Kу f0, u, t

НР

ПУ

t

Датчик Kу Датчик t

f

Пf

f’

ω Привод гидродвигателя Датчик ω

ω

ПИω

Валец ω’

Дебаланс

Pв Pд

Среда

ω’

Рис. 4.19. Схема САУ процесса уплотнения: НР – нечеткий регулятор; ПУ – панель управления оператора; Пf – пропорциональный регулятор частоты; ПИω – пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости

В результате происходит более качественное уплотнение дорожного полотна. В то же время датчики температуры и коэффициента 190

уплотнения регистрируют данные дорожного покрытия (t и Kу) и передают их на панель управления оператора. Эти параметры также учитываются при задании частоты вибрации вальца. В результате оператор может управлять вибрационным катком и наблюдать за процессом уплотнения, не приостанавливая работу, не выходя из кабины, не привлекая других специалистов для оценки качества и эффективности проводимых работ. Структурная схема автоматической системы управления процессом уплотнения смеси приведена на рис. 4.19. Исследование процесса уплотнения АБС по имитационной модели. Моделирование процесса уплотнения АБС проводилось с различными параметрами на входе, в результате чего получены различные выходные характеристики (табл. 4.4). Таблица 4.4 Результаты моделирования Вариант исследования

Контактное давление, МПа

Деформация смеси, мм

а

0,8–1,60

0,75

б

0,71–1,69

0,97

в

0,78–1,71

1,02

Контактное давление, МПа

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6

0

0,01

0,02

0,03 Время, с

0,04

0,05

0,06

Рис. 4.20. Зависимость контактного давления от времени (вариант 1)

191

На рис. 4.20–4.25 показаны выходные характеристики для следующих вариантов: 1) система, где не учитывается ни температура среды, ни скорость движения катка, т. е. без блока нечеткой логики; 2) система с регулятором и блоком нечеткой логики, в которой температура 80 оС, а скорость движения катка 1 м/с; 3) система с регулятором и блоком нечеткой логики, в которой температура 70 оС, а скорость движения катка 1,5 м/с. 0,8

Деформация, мм

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0

0,01

0,02

0,03 Время, с

0,04

0,05

0,06

Рис. 4.21. Зависимость деформации смеси от времени (вариант 1) Контактное давление, МПа

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6

0

0,01

0,02

0,03 Время, с

0,04

0,05

Рис. 4.22. Зависимость контактного давления от времени (вариант 2)

192

0,06

Деформация, мм

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

0

0,01

0,02

0,03 Время, с

0,04

0,05

0,06

Рис. 4.23. Зависимость деформации смеси от времени (вариант 2) Контактное давление, МПа 2,0

1,5

1,0

0,5

0

0,01

0,02

0,03 Время, с

0,04

0,05

0,06

Рис. 4.24. Зависимость контактного давления от времени (вариант 3)

Результаты имитационного моделирования реакции среды на возмущения удовлетворительно совпадают с результатами изменения контактного давления и деформации, приведенными в [63], что говорит о достоверности процессов реакции среды разработанной модели динамических процессов уплотнения асфальтобетонной смеси дорожными катками. 193

1,4

Деформация, мм

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

0

0,01

0,02

0,03 Время, с

0,04

0,05

0,06

Рис. 4.25. Зависимость деформации смеси от времени (вариант 3)

Анализ результатов исследования модели процесса уплотнения. Экспериментальные исследования являются основным источником получения достоверных сведений об объектах реального мира. Такие исследования проводятся с целью выбора рациональных технологических режимов функционирования или оптимизации параметров систем, оценки степени выполнения заданных требований к создаваемым изделиям, выяснения закономерностей функционирования, анализа влияния факторов на показатели качества систем и т. д. Натурные исследования свойств технических средств или сложных моделей требуют значительных затрат ресурсов. Данное обстоятельство заставляет уделять серьезное внимание рациональной организации экспериментального изучения таких объектов. В среде MATLAB с помощью пакетов расширений Simulink, SimHudraulics, SimMechanics и FuzzyLogicToolbox нами разработана имитационная модель системы вибровозбуждения дорожного катка, состоящая из ряда подсистем. В имитационных моделях принимается во внимание предметная область: гидравлический двигатель и элементы гидросистемы; реакция среды на воздействие со стороны катка; блок нечеткой логики, учитывающий влияние изменения температуры и скорости движения катка на частоту вибровозбуждения, которая обеспечивается изменением скорости вращения гидравлического двигателя. Рост контактного давления повышает уплотняющую способность катка, но увеличение плотности смеси за счет повышения контактного давления приведет к появлению пластических деформаций и, сле194

довательно, к снижению качества покрытия. Поэтому для обеспечения требуемых показателей при устройстве дорожного покрытия необходим контроль за соответствием параметров звена машин деформационно-прочностным характеристикам горячего асфальтобетона в процессе укладки и уплотнения горячего асфальтобетона. С понижением температуры и приближением к завершению процесса уплотнения контактное давление уменьшается, что предотвращает появление пластических деформаций. Подобная информация должна помогать оператору в управлении дорожным катком во время выполнения работ по уплотнению смеси. Полученные имитационные модели можно использовать для разработки систем автоматического управления дорожных катков, оценки эффективности процесса уплотнения асфальтобетонного покрытия различными дорожными катками. Данные модели, разработанные в программе MATLAB&Simulink, проверены на адекватность, а потому по результатам моделирования параметры соответствуют реальным и подтверждены экспертом. Нами разработана имитационная модель процесса уплотнения и модель системы автоматического управления дорожного катка на основе нечеткой логики. По результатам моделирования можно отметить преимущество системы с нечетким регулятором по сравнению с системой с классическим регулятором.

4.3. Управление машинами дорожно-строительного комплекса с применением нейросетевого контроллера Одной из актуальных задач дорожной отрасли является оптимизация рабочего процесса уплотнения асфальтобетонного покрытия, выполняемого рабочими органами асфальтоукладчика. Очень важным качественным показателем рабочего органа и укладчика в целом является степень предварительного уплотнения асфальтобетонной смеси, ибо от этого зависят подбор необходимых типов и количества катков для ее последующей укатки и технологические приемы выполнения этой важной и сложной операции [77]. Практика также показала, что чем выше плотность смеси после прохода укладчика, тем ровнее готовое покрытие. Технологическая настройка асфальтоукладчика призвана обеспечить наиболее высокое качество укладки и предварительного уплот195

нения устраиваемых укладчиком слоев асфальтобетонного основания или покрытия и, по существу, является важным элементом системы управления качеством асфальтобетонных работ на дороге. Такая настройка осуществляется перед началом выполнения рабочих операций и ведется с учетом конструктивных и технологических возможностей и особенностей выбранного укладчика, а также заложенных в проект производства работ (ППР) приемов выполнения и контроля этих операций. В системе управления качеством самыми важными и потому непрерывно контролируемыми являются пять показателей устраиваемого укладчиком основания или покрытия (еще до начала работы дорожных катков): ширина полосы укладки; поперечный уклон поверхности слоя укладки; начальная толщина уложенного слоя; степень предварительного уплотнения слоя сразу после прохода укладчика; ровность поверхности уложенного слоя. Первые три показателя задаются проектом и СНиП 2.05.02–85 «Автомобильные дороги» (нормы отклонения от проекта). Два последних показателя (степень уплотнения и ровность сразу после прохода укладчика) не задаются проектом и не нормируются СНиП 2.05.02–85, но без знания их начальных значений невозможно управлять процессом укладки и обеспечивать затем требуемые проектом и нормами СНиП 2.05.02–85 конечные результаты по плотности, толщине слоя и ровности готового основания или покрытия [77]. Системы автоматического управления, устанавливаемые на асфальтоукладчиках, не имеют подсистем управления процессом уплотнения смеси. Ручная настройка режимных параметров не обеспечивает требуемого коэффициента уплотнения, влияющего на качественные показатели дорожного покрытия. В таких случаях приходится дополнительно увеличивать количество проходов катка, что ведет к повышению расходов на топливо и заработную плату рабочим, себестоимости дорожного строительства. Далее рассмотрена задача разработки модели нейросетевого контроллера на основе программного комплекса MATLAB&Simulink для реализации автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси рабочим органом асфальтоукладчика. Разработка нейросетевого контроллера. При всей тщательности выбора данных начальных режимных параметров предугадать неровности микрорельефа, а также изменение свойств асфальтобетонной смеси при её охлаждении крайне сложно и практически невозможно. Но, используя известные зависимости, можно косвенно оценивать наличие неровностей и плотность основания и, следовательно, 196

прогнозировать ожидаемый коэффициент уплотнения асфальтобетонной смеси. На основании исследований асфальтоукладчика с перспективным уплотняющим рабочим органом [139], проведенных в реальных условиях эксплуатации, были получены экспериментальные зависимости, позволяющие создать систему управления процессом. На трамбующих брусьях асфальтоукладчика были установлены тензодатчики, которые фиксировали изменение усилия в зависимости от частоты трамбования и скорости движения. Также фиксировался коэффициент уплотнения в зависимости от частоты трамбования и скорости движения асфальтоукладчика. Полученные опытные данные послужили предпосылками для разработки системы автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси асфальтоукладчиком. Основным режимным параметром, обеспечивающим заданные значения степени уплотнения, принята частота вращения эксцентрикового вала привода трамбующих брусьев. Для решения задачи идентификации рабочего процесса в качестве нейронной сети была выбрана сеть встречного распространения. Возможности этой сети превосходят возможности однослойных сетей прямого распространения. Время же обучения по сравнению с алгоритмом обратного распространения ошибки может уменьшаться в несколько раз. Во встречном распространении объединены две модели: самоорганизующаяся карта Кохонена и звезда Гроссберга [177]. Их объединение ведет к появлению свойств, которых нет ни у однй из них в отдельности. Общий вид структуры подсистемы нейросетевого контроллера MyNeuroCont, сформированный с применением библиотеки Neural Network Toolbox [32, 33], представлен на рис. 4.26. Его структура представляет собой следующее: на вход блока подается усилие In1, In2 с трамбующих брусьев, требуемый выход Need, необходимый для обучения. На выходе сети имеем Out1, а также величину ошибки Error1. Рассмотрим его структуру подробнее. Усилие In1, In2 на трамбующих брусьях на входе умножается на коэффициент важности величины W1, W2 соответственно. Это необходимо в том случае, если входные векторы имеют разную значимость для моделирования. В случае рассмотрения уплотняющего рабочего органа асфальтоукладчика усилия с трамбующего бруса равнозначны и полноразмерны, т. е. W1 = W2 = 1. Далее величины с учтенной значимостью преобразуются блоком Mux в двумерный вектор (рис. 4.26). 197

Data Store Memory2

N1

Syn1_2

Data Store Memory7

Syn2_2

Data Store Memory9

Syn3_2

Data Store Memory11

Syn4_2

Data Store Memory13

Syn1_1

Data Store Memory6

Syn2_1

Data Store Memory8

Syn3_1

Data Store Memory10

Syn4_1

Data Store Memory12

In1

Neuron2 2vec nOut

Neuron3 2vec nOut

Neuron4

Synaps2 In1 Out1

Synaps3 In1 Out1

Synaps4

TeachHiddenLayer

NewVect

UnitVect

2vec nOut

Neuron1

Synaps1 In1 Out1

2vec nOut

Data Store Memory4

N3

In1 Out1

Data Store Memory3

N2

Read current weights

DataRead1

Out1

MaxVec

YourVec In1UnitVec

Divide4

3 Need

0.005

Error

Subtract

Constant

AllPlus

Requiered out

Divide2

In1 Out1

Create an Unit Vector There are all values are 0, and the max value of net is 1

Data Store Memory5

N4

Product

Writes new weights

DataWrite1

In1

1 Out1

2 Error1

This is the net error

Display4

This is the net out

Write new weights for Grossberg

Рис. 4.26. Структура нейросетевого контроллера (на языке MATLAB&Simulink)

Out1

Orthogonalization

Data Store Read1 2 Divide1 In2 Weights of Synapses

W2

Data Store Read 1 In1

Divide

Data Store Memory1

Data Store Memory

W1

W2

W1

Для работы сети встречного распространения необходимо ортогонализовать этот вектор, что и происходит в подсистеме Orthogonalization (рис. 4.27). Как видно, это стандартный процесс ортогонализации и не требует подробного рассмотрения. Далее ортогонализованный вектор передается на вход скрытого слоя Кохонена, через подсистему Synaps (рис. 4.28). Данная подсистема осуществляет умножение входного вектора на вес нейрона, значения веса хранятся в описанных переменных. Из блока подсистемы Synaps вектор попадает в нейрон, который реализован в виде подсистемы (рис. 4.29). Нейрон разделяет входной вектор на поля и суммирует их, после чего он отдает их на вход сжимающей функции, гиперболическому тангенсу. Выход слоя Кохонена попадает на подсистему MaxVec, которая осуществляет поиск нейрона-победителя согласно концепции слоя. Выход данной подсистемы представляет собой копию входящего в нее вектора и единичного вектора, где все поля равны нулю, за исключением поля нейрона-победителя, где они равны 1 (рис. 4.30).

2 u Math Function1 1 In1

sqrt Add

u2

Math Function

Divide

1 Out1

Divide1

Math Function2

Рис. 4.27. Структура подсистемы ортогонализации (на языке MATLAB&Simulink)

Syn1_1 Data Store Read Syn1_2 Data Store Read1

Divide

1 Out1

1 In1

Рис. 4.28. Структура подсистемы «синапс» (на языке MATLAB&Simulink)

199

1 2vec

tansig

Add

1 nOut

Рис. 4.29. Структура подсистемы «нейрон» (на языке MATLAB&Simulink)

1 YourVec == 0 Add 1 In1

max

2 UnitVec

Compare To Zero

MinMax

Рис. 4.30. Структура подсистемы выявления максимального выхода нейронов (на языке MATLAB&Simulink)

Далее единичный вектор умножается на значения веса сигналов, которые получаются из памяти блока подсистемы Data Store Read1. Его структура приведена на рис. 4.31.

1 Out1 N1

N2

N3

N4

Data Store Data Store Data Store Data Store Read2 Read3 Read4 Read5

Рис. 4.31. Структура подсистемы чтения веса синапсов из памяти (на языке MATLAB&Simulink)

Произведение значений сигналов подается на подсистему AllPlus, которая выдает наибольшие значения из полей вектора, что связано со структурой входящего в нее сигнала. Все поля вектора равны нулю, кроме поля нейрона-победителя, которое равно сигналу этого нейрона. Структура подсистемы показана на рис. 4.32. 1 In1

1 Out1 Add

Рис. 4.32. Структура подсистемы получения максимального значения вектора (на языке MATLAB&Simulink)

200

Выход этой подсистемы и есть искомый выход сети. Но, будучи искомым, он не является требуемым. Таким образом, можно найти величину ошибки, т. е. разницу между требуемым выходом и полученным. Величина ошибки выдается блоком. Далее происходит процесс обучения контроллера, ошибка Error1 умножается на коэффициент обучения, который в данном случае равняется 0,005 и представлен на схеме блоком Constant. Данную величину обучения перемножаем с единичным вектором UnitVect и старыми значениями веса, получаем, таким образом, вектор-прибавку к вектору значений старого веса, т. е. при их сложении имеем новые значения веса и записываем их в отведенные под это подсистемой DataWrite1 переменные; ее схема – на рис. 4.33. N1 Data Store Write1 N2 1 In1

Data Store Write2 N3 Data Store Write3 N4 Data Store Write4

Рис. 4.33. Структура подсистемы записи новых весов (на языке MATLAB&Simulink)

Структура подсистемы обучения скрытого слоя нейронов Кохонена показана на рис. 4.34. Но на этом обучение не заканчивается. Также подстраиваем значения веса вскрытого слоя. Для этого используется блок TeachHiddenLayer. Он обладает сложной системой, что обусловлено большим количеством линий связей, однако его содержание заключается лишь в следующем: WН = WС + α (X – WС), где WН – новый вес; WС – старый вес; α – коэффициент скорости обучения; X – вектор скрытого слоя. Таким образом, реализуется процесс, при котором на один и тот же вход реагирует один и тот же нейрон, т. е. происходит классификация слоя Кохонена. 201

2 NewVect

Data Store Read7

Syn4_2

Subtract3

Subtract2

Subtract1

Subtract

Add

Product1

Data Store Write3

Data Store Write2

Data Store Write6

Syn4_1

Data Store Write4

Data Store Write7

Syn4_2

Data Store Write5

Syn3_2

Syn2_2

Syn2_1

Syn3_1

Data Store Write1

Syn1_2 Data Store Write

Syn1_1

Constant

0.05

Product

Рис. 4.34. Структура подсистемы обучения скрытого слоя нейронов Кохонена (на языке MATLAB&Simulink)

Data Store Read6

Syn4_1

Data Store Read5

Data Store Read3

Data Store Read2

Data Store Read4

Syn2_2

Syn2_1

Syn3_2

Data Store Read1

Data Store Read

Syn3_1

Syn1_2

Syn1_1

1 UnitVect

Проведены испытания нейросетевого контроллера, результаты которых изображены на рис. 4.35, 4.36. Система управления эффективно оптимизирует процесс уплотнения асфальтобетонной смеси, т. е. ее можно рекомендовать в качестве модернизации существующих систем управления. n, мин-1 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

t, с

Рис. 4.35. Изменение частоты вращения привода трамбующего бруса

При моделировании (рис. 4.36) система управления «оценила» недостаточность текущей частоты трамбования и постепенно увеличила её. Как только система достигла значений показателей, близких к заданному значению коэффициента уплотнения Ку, регулирование продолжается в зависимости от неровностей микрорельефа основания. Таким образом, рабочий процесс укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси из-за изменения характеристик смеси во времени характеризуется нелинейными зависимостями и отсутствием возможности точного описания теоретическими математическими моделями. Формирование структуры системы автоматического управления процессами укладки и уплотнения возможно на основе методов искусственного интеллекта с использованием опытных данных, полученных разными авторами. 203

Ку 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

t, с Рис. 4.36. Моделирование ожидаемого коэффициента уплотнения Ку = 0,97 во времени при работе системы управления с нейросетевым контроллером

Рассмотрена модель нейросетевого регулятора на основе искусственной нейронной сети встречного распространения для САУ подсистемы уплотняющего рабочего органа асфальтоукладчика. Моделирование в системе MATLAB&Simulink показало, что разработанную модель регулятора можно использовать для моделирования и синтеза систем управления процессом уплотнения смеси.

204

5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ Этапы технологии дорожного строительства – укладка и уплотнение (предварительное и окончательное) асфальтобетонной смеси – определяют качество дорожного покрытия при различных значениях характеристик смеси. Известно, что обеспечить требуемые показатели качества готового асфальтобетонного покрытия при соответствии смеси нормативным требованиям можно, изменяя режимные параметры комплекта дорожно-строительных машин «асфальтоукладчик – дорожные катки»: частоту вращения эксцентрикового вала трамбующего бруса; величину хода трамбующих брусьев; частоту вибрации выглаживающей плиты; частоту вибрации вальцов; скорость движения дорожных катков. Тогда задача разработки адаптивной системы управления технологическими процессами упрощается. Одной из основных характеристик готового асфальтобетонного покрытия является коэффициент уплотнения асфальтобетона, который в процессе уплотнения изменяется. От достигнутого коэффициента уплотнения зависит не только подбор необходимых типов и количества катков для последующей укатки смеси, но и технологические режимы выполнения операции ее уплотнения. Практика дорожного строительства показала, что чем выше плотность асфальтобетонной смеси после прохода укладчика, тем долговечнее и ровнее готовое асфальтобетонное покрытие. Уплотняющая способность дорожно-строительных машин (асфальтоукладчиков, а также машин с аналогичными уплотняющими органами, реализующими технологии reshope, regrip и др.), по данным исследований зарубежных и российских ученых, позволяет обеспечить заданный коэффициент уплотнения смеси. Однако ручное управление режимами процесса уплотнения смеси является неэффективным из-за отсутствия приборов текущего контроля степени уплотнения и большой нагрузки на машиниста-оператора при управлении укладчиком. Зарубежные производители дорожных катков предлагают автоматизированные системы управления процессом уплотнения (Asphalt Manager), контрольно-измерительные системы для вибрационных катков. Они обеспечивают непрерывный контроль коэффициента уплотнения смеси по косвенным параметрам процесса (например, модулю упругости), настройку амплитуды и частоты колебаний вальца в 205

зависимости от скорости движения дорожного катка и температуры поверхности асфальтобетонного покрытия. Основные проблемы управления дорожными катками с современными АСУ: отсутствие автоматизации управления при реверсировании, плавности перехода с одной полосы на другую, учета изменения температуры в процессе уплотнения смеси. В зависимости от достигнутого коэффициента уплотнения после прохода асфальтоукладчика количество катков можно сокращать, что способствует повышению производительности дорожного строительства, снижению себестоимости покрытия. Но полностью исключить использование дорожных катков при существующих технологиях нельзя, так как они нужны для закрепления достигнутого коэффициента уплотнения асфальтобетонной смеси и повышения структурной прочности асфальтобетона за счет усиления распора его частиц с одновременным закреплением повышающейся клеящей способности битума при понижении его температуры. Полученные различными авторами теоретические и эмпирические зависимости позволяют решать задачи прикладных научных исследований и проектирования конструкций дорожно-строительных машин, определения усилий в металлоконструкциях и т. п. Рассмотрим новые технические решения, разработанные авторами в области развития автоматизации технологических процессов строительства асфальтобетонных дорожных покрытий.

5.1. Система автоматического управления положением выглаживающей плиты асфальтоукладчика Задачей разработки системы автоматического управления является повышение ровности дорожного полотна при устройстве покрытия. На данную характеристику значительное влияние оказывает установка угла атаки выглаживающей плиты при формировании слоя смеси. Для управления установкой угла атаки предложена система автоматического управления [115] положением плиты (рис. 5.1). Задачи системы – рост эффективности автоматического управления положением плиты при применении на тяговом брусе тензометрического преобразователя (датчика), максимально приближенного к передней кромке плиты и обеспечивающего заданную ровность и регулирование угла атаки плиты без непосредственного участия в управлении 206

процессом машиниста-оператора, а также увеличение производительности и эффективности дорожно-строительных работ. Она может быть установлена на асфальтоукладчике с рабочим органом, в состав которого входят выглаживающая плита с вибратором (или без него) и трамбующий брус. Наличие бруса не обязательно. Система содержит датчик углового положения 1, имеющий индикатор ошибки и переключатели задатчика стабилизируемого угла, датчик высотного положения 2 с индикатором ошибки, тензометрический преобразователь (датчик) 3, блок управления 4 и дискретные гидравлические приводы 5. Датчик углового положения 1 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения рабочего органа асфальтоукладчика от гравитационной вертикали. 5

4

1

2

3

Рис. 5.1. Структурная схема системы автоматического управления положением выглаживающей плиты асфальтоукладчика : 1 – датчик углового положения; 2 – датчик высотного положения; 3 – тензометрический преобразователь; 4 – блок управления; 5 – дискретные гидравлические приводы

Сигнал ошибки поступает с выхода датчика углового положения 1 на первый вход блока управления 4. Датчик высотного положения 2 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения рабочего органа от положения, заданного копиром. Далее сигнал поступает с выхода датчика высотного положения 2 на второй вход блока управления 4. Тензометрический преобразователь (датчик) 3 вырабатывает сигнал, пропорциональный усилию в металлоконструкции выглаживающей плиты и поступающий с выхода тензометрического преобразователя (датчика) 3 на третий вход блока управления 207

4. Последний вырабатывает сигналы управления дискретными гидравлическими приводами 5 для сведения текущих ошибок к нулю. Длительность и частота управляющих сигналов зависят от величины ошибки.

5.2. Система автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика Для обеспечения заданной степени уплотнения асфальтобетонной смеси без непосредственного участия в управлении процессом уплотнения машиниста-оператора разработана система автоматического управления [114] рабочим органом асфальтоукладчика (рис. 5.2). Она устанавливается на асфальтоукладчике с трамбующими брусьями и содержит датчик углового положения 1, имеющий индикатор ошибки и переключатели задатчика стабилизируемого угла, датчик высотного положения 2 с индикатором ошибки, тензометрический преобразователь (датчик) 3, блок управления 4 и гидравлические приводы. 1

2

4

5

3 Рис. 5.2. Структурная схема системы автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика : 1 – датчик углового положения; 2 – датчик высотного положения; 3 – тензометрический преобразователь; 4 – блок управления; 5 – гидравлический привод

Датчик углового положения 1 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения рабочего органа асфальтоукладчика от гравитационной вертикали. Он поступает с выхода датчика углового положения 1 на первый вход блока управления 4. Дат208

чик высотного положения 2 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения рабочего органа от положения, заданного копиром. Сигнал ошибки поступает с выхода датчика высотного положения 2 на второй вход блока управления 4. Тензометрический преобразователь (датчик) 3 вырабатывает сигнал, пропорциональный усилию в металлоконструкции трамбующего бруса и поступающий с выхода тензометрического преобразователя (датчика) 3 на третий вход блока управления 4. Последний вырабатывает сигналы управления дискретным гидравлическим приводом 5 для сведения текущих ошибок к нулю. Длительность и частота управляющих сигналов зависят от величины ошибки. Преимущество данного технического решения заключается в повышении эффективности автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика вследствие непрерывности процесса уплотнения и применения тензометрического преобразователя (датчика) усилия в металлоконструкции трамбующего бруса, обеспечивающего заданную степень уплотнения смеси без непосредственного участия в управлении процессом машиниста-оператора, что в целом свидетельствует об увеличении производительности дорожно-строительных работ.

5.3. Устройство автоматического управления процессом уплотнения смеси Для повышения качества строительства дорожного полотна разработан способ управления формированием слоя. В целях решения поставленной задачи применяется электронный блок управления асфальтоукладчиком путем поступления в него информации с датчиков о текущей степени уплотнения, сравнения контролируемого параметра с заданным проектным значением и регулирования режимных параметров работы, что предполагает непрерывное автоматическое управление процессом при скорости движения асфальтоукладчика, соответствующей проектному значению. В качестве режимных параметров работы машины выступают параметры его рабочего органа, а их регулирование осуществляют с помощью подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего органа. При этом способе используется асфальтоукладчик с трамбующими брусьями, у которого регулируемые параметры рабочего органа – частота вращения эксцентрикового вала привода трамбующих брусь209

ев и усилие в толкателях трамбующих брусьев, а параметр для оценки плотности дорожного покрытия – коэффициент уплотнения. При этом применяют информационные параметры тензометрических датчиков в толкателях трамбующих брусьев, датчиков действительной скорости движения асфальтоукладчика, частоты вращения эксцентрикового вала привода трамбующих брусьев, а на основе информации о текущей степени уплотнения и её сравнении с проектным значением коэффициента уплотнения осуществляют автоматическое управление уплотнением путем изменения частоты вращения эксцентрикового вала. Устройство автоматического управления уплотнением смеси находится на асфальтоукладчике с трамбующими брусьями и дополнительно содержит тензометрические датчики, размещаемые в толкателях трамбующих брусьев, а также датчики действительной скорости движения асфальтоукладчика, частоты вращения эксцентрикового вала привода трамбующих брусьев, связанные через устройство ввода и микропроцессор с блоком перепрограммируемого постоянно запоминающего устройства (ППЗУ) и являющиеся элементами подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего органа. Микропроцессор снабжен обратной связью с устройствами ввода и вывода. При этом устройство вывода связано с золотниковым исполнительным механизмом, являющимся регулятором рабочего объема гидромотора, автоматически изменяющим частоту трамбования уплотняющего рабочего органа асфальтоукладчика при его различных проектных значениях скорости движения. На рис. 5.3 приведена функциональная схема расположения элементов и блоков устройства автоматического управления процессом [113] с выделенным контуром подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего органа, с помощью которого осуществляется автоматическое управление уплотнением смеси. Данная система, размещенная на асфальтоукладчике с трамбующими брусьями, содержит ввод 1, однокристальный микропроцессор 2, вывод 3, блок перепрограммируемого постоянно запоминающего устройства 4, тензометрические датчики 5, находящиеся в толкателях трамбующих брусьев, датчик действительной скорости движения асфальтоукладчика 6, датчик частоты вращения эксцентрикового вала привода трамбующих брусьев 7. Указанные датчики связаны через устройство ввода 1 и однокристальный микропроцессор 2 с блоком ППЗУ 4 и являются элементами подсистемы автоматического управления режимами уплотняю210

щего органа. Однокристальный микропроцессор 2 снабжен обратной связью с устройствами ввода 1 и вывода 3.

11 11 5

4

1

6

10

7

2

9

8

3

Рис. 5.3. Структурная схема расположения элементов и блоков устройства автоматического управления процессом уплотнения смеси : 1 – устройство ввода; 2 – микропроцессор; 3 – устройство вывода; 4 – блок перепрограммируемого постоянно запоминающего устройства; 5 – тензометрические датчики; 6 – датчик действительной скорости движения асфальтоукладчика; 7 – датчик частоты вращения эксцентрикового вала привода трамбующих брусьев; 8 – тензометрические датчики; 9 – золотниковый исполнительный механизм; 10 – уплотняющий рабочий орган асфальтоукладчика (бруса); 11 – подсистема автоматического управления режимами уплотняющего органа

При этом последнее связано с золотниковым исполнительным механизмом 9, являющимся регулятором рабочего объема гидромотора, автоматически изменяющего частоту трамбования уплотняющего рабочего органа асфальтоукладчика (бруса) 10 при различных проектных значениях скорости движения машины. 211

Регулировка уплотнения смеси с помощью устройства автоматического управления заключается в следующем. Датчик действительной скорости движения машины 6 и датчик частоты вращения эксцентрикового вала привода трамбующего бруса 7 преобразуют скорость и частоту в электрические (аналоговые) сигналы, которые поступают в аналого-цифровой преобразователь ввода 1. Здесь они преобразуются в цифровые сигналы и в цифровом виде поступают в однокристальный микропроцессор 2. Это вычислительное устройство, которое имеет обратную связь с устройством ввода 1, блоком ППЗУ 4 и устройством вывода 3. Оно выполняет расчетные операции в соответствии с алгоритмом перепрограммируемого постоянно запоминающего устройства 4, а именно сравнивает поступившие цифровые сигналы устройства ввода 1 с запрограммированным в ППЗУ 4 значением коэффициента уплотнения. Последнее найдено в результате экспериментальных исследований уплотняющей способности рабочего органа асфальтоукладчика с трамбующими брусьями и зависит от усилий на трамбующих брусьях, частот трамбования и вращения эксцентрикового вала при различной скорости движения машины. В случае несоответствия коэффициента уплотнения требуемому значению из однокристального микропроцессора 2 через цифроаналоговый преобразователь вывода 3 поступает аналоговый сигнал на электроуправляемый золотниковый исполнительный механизм 9, распределяющий и регулирующий поток жидкости в заданном направлении. В итоге меняется рабочий объем гидромотора, что вызывает изменение частоты трамбования уплотняющего рабочего органа асфальтоукладчика. На рабочем органе размещены тензометрические датчики 5, преобразующие растяжение и сжатие толкателей трамбующих брусьев в электрический (аналоговый) сигнал. После преобразования в устройстве ввода 1 аналоговый сигнал поступает в цифровом виде с тензометрических датчиков 5 в однокристальный микропроцессор 2 как усилие, соответствующее текущему коэффициенту уплотнения, и элементы подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего органа 11 непрерывно продолжают свои действия до остановки асфальтоукладчика. Работа подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего органа основана на экспериментальных данных, свидетельствующих о наличии заложенной в алгоритме перепрограммируемого постоянно запоминающего устройства 4 зависимости коэффициента уплотнения Ку от усилия F в элементах привода уплотняю212

щего бруса на завершающей фазе цикла уплотнения при нарастании сопротивления смеси деформированию (условно не показано).

5.4. Система автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика Для повышения качества строительства автомобильных дорог разработана система автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика [110]. Задачей нового технического решения является повышение эффективности автоматического управления асфальтоукладчиком за счет применения в накопительном бункере датчика температуры, обеспечивающего контроль температуры асфальтобетонной смеси и изменяющего подачу асфальтобетонной смеси для уплотняющего рабочего органа асфальтоукладчика без непосредственного участия в управлении процессом уплотнения машинистаоператора, а также увеличение производительности и эффективности дорожно-строительных работ. Для решения поставленной задачи система автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика, содержащая датчик углового положения, имеющий индикатор ошибки и переключатели задатчика стабилизируемого угла, датчик высотного положения с индикатором ошибки, тензометрический преобразователь усилия в металлоконструкции трамбующего бруса, блок управления, дискретные гидравлические приводы, согласно изобретению установлена на асфальтоукладчике с трамбующими брусьями и дополнительно имеет датчик температуры в накопительном бункере, автоматически контролирующий температуру асфальтобетонной смеси и изменяющий ее подачу для уплотняющего рабочего органа асфальтоукладчика. На рис. 5.4 приведена функциональная схема расположения блоков системы автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика. Система установлена на асфальтоукладчике с трамбующими брусьями и содержит датчик углового положения 1, имеющий индикатор ошибки и переключатели задатчика стабилизируемого угла, датчик высотного положения 2 с индикатором ошибки, тензометрический преобразователь (датчик) 3, датчик температуры 4, блок управления 5 и дискретный гидравлический привод 6. Датчик углового положения 1 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения рабочего органа асфальтоукладчика от гравитационной вертикали. Сигнал ошибки поступает с выхода 213

датчика углового положения 1 на первый вход блока управления 5. Датчик высотного положения 2 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения рабочего органа от положения, заданного копиром. Сигнал ошибки поступает с выхода датчика высотного положения 2 на второй вход блока управления 5. Тензометрический преобразователь (датчик) 3 вырабатывает сигнал, пропорциональный усилию в металлоконструкции трамбующего бруса, который поступает с выхода тензометрического преобразователя (датчика) 3 на третий вход блока управления 5. Датчик температуры 4 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения температуры асфальтобетонной смеси от заданных оптимальных значений.

1

2 5

6

3

4 Рис. 5.4. Структурная схема системы автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика : 1 – датчик углового положения; 2 – датчик высотного положения; 3 – тензометрический преобразователь; 4 – датчик температуры; 5 – блок управления; 6 – гидравлический привод

Сигнал ошибки поступает с выхода датчика температуры 4 на четвертый вход блока управления 5. Блок управления 5 вырабатывает сигналы управления дискретными гидравлическими приводами 6 для сведения текущих ошибок к нулю. Длительность и частота управляющих сигналов зависят от величины ошибки. 214

5.5. Система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси катком Для повышения качества дорожного строительства разработана система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси катком [111]. Задачей нового технического решения является повышение эффективности автоматического управления уплотняющими вальцами катка за счет применения тензометрического преобразователя (датчика) усилия в металлоконструкции уплотняющих вальцов, обеспечивающего заданную степень уплотнения асфальтобетонной смеси, а также увеличение производительности и эффективности дорожно-строительных работ. Для решения поставленной задачи система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси катком, содержащая датчик угла наклона с индикатором ошибки и переключателями задатчика стабилизируемого угла, блок управления (аналого-цифровой преобразователь, однокристальный программируемый контроллер), дискретные гидравлические приводы (индикатор), дополнительно имеет тензометрический преобразователь усилия в металлоконструкции уплотняющих вальцов, автоматически изменяющий их частоту вибрации. На рис. 5.5 приведена функциональная схема расположения блоков системы автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси катком. Система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси катком содержит датчик углового положения 1, имеющий индикатор ошибки и переключатели задатчика стабилизируемого угла, тензометрический преобразователь (датчик) 2, блок управления 3 и дискретные гидравлические приводы 4. Датчик углового положения 1 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения уплотняющих вальцов катка от гравитационной вертикали. Сигнал ошибки поступает с выхода датчика углового положения 1 на первый вход блока управления 3. Тензометрический преобразователь (датчик) 2 вырабатывает сигнал, пропорциональный усилию в металлоконструкции уплотняющих вальцов, поступающий с выхода тензометрического преобразователя (датчика) 2 на второй вход блока управления 3. Блок управления 3 вырабатывает сигналы управления дискретными гидравлическими приводами 4 для сведения 215

текущих ошибок к нулю. Длительность и частота управляющих сигналов зависят от величины ошибки. 4

3

1

2

Рис. 5.5. Структурная схема системы автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси катком: 1 – датчик углового положения; 2 – тензометрический преобразователь; 3 – блок управления; 4 – дискретные гидравлические приводы

Преимущество нового технического решения заключается в повышении эффективности автоматического управления уплотняющими вальцами катка вследствие непрерывности процесса уплотнения за счет применения тензометрического преобразователя (датчика) усилия в металлоконструкции уплотняющих вальцов, обеспечивающего за катком заданную степень уплотнения асфальтобетонной смеси, что в целом свидетельствует об увеличении производительности и эффективности дорожно-строительных работ.

5.6. Система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком Новое техническое решение относится к машинам для уплотнения дорожного покрытия, в частности к адаптивным системам автоматического управления, и может быть использовано в процессе уплотнения асфальтобетонной смеси [112]. 216

Задачей нового технического решения являются повышение эффективности автоматического управления вибрационного катка за счет непрерывного процесса уплотнения и включения подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего вальца, обеспечивающей оптимальное состояние технологического процесса уплотнения асфальтобетонной смеси путем автоматического изменения частоты вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца и действительной скорости движения вибрационного катка при изменении внешних условий, влияющих на физические характеристики уплотняемого полотна, а также достижение проектной плотности асфальтобетонной смеси при уплотнении дорожного полотна, значительное увеличение производительности и эффективности дорожно-строительных работ и срока службы асфальтобетонного покрытия. Для решения поставленной задачи система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком, содержащая аналого-цифровые преобразователи устройств ввода и вывода и однокристальный микроконтроллер, являющиеся элементами электронного блока управления, согласно полезной модели дополнительно содержит элементы подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего вальца со встроенным в ней блоком нечеткой логики с алгоритмом управления нелинейными и сложными системами. Блок состоит из нечеткого регулятора частоты вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца и нечеткого регулятора действительной скорости движения вибрационного катка. Он связан с однокристальным микроконтроллером, при этом система дополнительно содержит тензометрические датчики, установленные на валу вибратора уплотняющего вальца, датчика действительной скорости движения вибрационного катка и частоты вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца, являющиеся элементами подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего вальца, связанными через устройство ввода и однокристальный микроконтроллер с блоком нечеткой логики. Микроконтроллер снабжен обратной связью с устройствами ввода и вывода, а устройство вывода связано с золотниковым исполнительным механизмом, являющимся регулятором автоматического изменения частоты вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца и действительной скорости движения вибрационного катка. 217

На рис. 5.6 приведена функциональная схема расположения элементов и блоков системы автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком с выделенным контуром подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего вальца.

Рис. 5.6. Структурная схема расположения элементов и блоков устройства автоматического управления процессом уплотнения смеси: 1 – устройство ввода; 2 – микроконтроллер; 3 – устройство вывода; 4 – блок нечеткой логики; 5 – тензометрические датчики; 6 – датчик действительной скорости движения вибрационного катка; 7 – датчик частоты вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца; 8 – золотниковый исполнительный механизм; 9 – контур подсистемы автоматического управления

Система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком содержит устройство ввода 1, однокристальный микроконтроллер 2, устройство вывода 3, блок нечеткой логики 4 с алгоритмом управления нелинейными и сложными системами, состоящий из нечеткого регулятора частоты вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца и нечеткого регулятора действительной скорости движения вибрационного катка, тензометрические датчики 5, установленные на валу вибратора уплотняющего вальца, датчик действительной скорости движения вибрационного катка 6, датчик частоты вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца 7. Указанные датчики связаны через устройство ввода 1 и однокристальный микроконтроллер 2 с блоком нечеткой логики 4 и являются элементами подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего вальца. Однокристальный микроконтроллер 2 снабжен 218

обратной связью с устройствами ввода 1 и вывода 3, которые содержат аналого-цифровые преобразователи. При этом устройство вывода 3 связано с золотниковым исполнительным механизмом 8, являющимся регулятором автоматического изменения частоты вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца и действительной скорости движения вибрационного катка при изменении внешних условий. Система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком работает следующим образом. Датчик действительной скорости движения вибрационного катка 6, датчик частоты вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца 7 и тензометрические датчики 5 преобразуют скорость движения вибрационного катка, частоту вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца, растяжение и сжатие вала вибратора уплотняющего вальца в электрический (аналоговый) сигнал. Аналоговые сигналы с датчиков 5, 6 и 7 поступают в аналогоцифровой преобразователь устройства ввода 1, в котором преобразуются в цифровые сигналы, и в цифровом виде поступают в однокристальный микроконтроллер 2. Однокристальный микроконтроллер 2 – это вычислительное микропроцессорное устройство, которое имеет обратную связь с устройством ввода 1, блоком нечеткой логики 4 и устройством вывода 3 и выполняет расчетные операции в соответствии с алгоритмом управления нелинейными и сложными системами блока нечеткой логики 4, а именно: сравнивает поступившие цифровые сигналы из устройства ввода 1 с исходными данными физических характеристик уплотняемого полотна в блоке нечеткой логики 4 для достижения оптимального состояния технологического процесса уплотнения асфальтобетонной смеси. В связи с этим из однокристального микроконтроллера 2 через устройство вывода 3 поступает аналоговый сигнал на электроуправляемый золотниковый исполнительный механизм 8, автоматически изменяющий частоту вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца и действительную скорость движения вибрационного катка. Элементы подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего вальца, образующие контур 9, непрерывно продолжают свои действия до остановки вибрационного катка. Преимущество нового технического решения заключается в повышении эффективности автоматического управления вибрационным катком вследствие непрерывности процесса уплотнения и постоянно действующей подсистемы автоматического управления режимами 219

уплотняющего вальца, обеспечивающей улучшенное состояние технологического процесса уплотнения асфальтобетонной смеси за счет автоматического изменения частоты вращения эксцентрикового вала привода уплотняющего вальца и действительной скорости движения вибрационного катка при изменении внешних условий, влияющих на физические характеристики уплотняемого полотна, а также достижение проектной плотности асфальтобетонной смеси при уплотнении дорожного полотна, что в целом свидетельствует об увеличении производительности и эффективности дорожно-строительных работ и срока службы асфальтобетонного покрытия. На основании указанных преимуществ новая система является адаптивной, то есть самоприспосабливающейся системой автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком.

220

Заключение В монографии обобщены результаты научных исследований, выполненных на протяжении ряда лет в СФУ по научному направлению «Комплексная автоматизация технологических процессов дорожного строительства». Рассмотрены теоретические подходы к идентификации и моделированию процессов укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси дорожно-строительными машинами на основе применения методов синтеза ПИД-регуляторов, математического аппарата методов искусственного интеллекта. На основании выполненных авторами исследований сформулированы основные выводы и получены следующие результаты. 1. Выполнен анализ технологических процессов строительства асфальтобетонных покрытий, работ по управлению рабочими процессами асфальтоукладчиков и дорожных катков. Дан обзор методов определения уплотняющей способности вибрационных катков, адаптивного и интеллектуального управления. Сделан вывод об актуальности разработки адаптивных систем автоматического управления рабочими процессами дорожно-строительных машин с применением искусственного интеллекта. 2. На основе методов идентификации разработана имитационная динамическая модель уплотнения смеси вибрационным катком, позволяющая упростить исследование динамических процессов, вызванных изменением параметров дорожного катка и уплотняемого упруговязкопластичного материала при проведении численных экспериментов. 3. Рассмотрен метод исследования и построения систем управления нелинейными динамическими объектами на примере следящей системы асфальтоукладчика с учетом динамики процессов в гидроприводе, что позволяет построить высококачественные системы автоматического управления, в которых меньше ошибок регулирования. Разработано программное обеспечение на языке MATLAB&Simulink. 4. Решена задача построения математической модели процесса управления скоростью движения асфальтового катка с учетом динамики системы объемного гидропривода трансмиссии и сопротивления движению катка по дорожному покрытию. Применены современные методы разработки математической модели системы управления динамическим объектом в терминах переменных состояний и передаточных функций. Полученные решения необходимы при создании 221

имитационной модели системы управления процессом уплотнения дорожно-строительных материалов, для дальнейшего синтеза системы автоматического управления рабочими режимами асфальтового вибрационного катка. 5. Выполнены исследования динамических характеристик имитационной модели системы управления скоростью движения асфальтового катка. Получены следующие результаты исследования временных и частотных характеристик по каналам «управляющее воздействие – скорость движения», «возмущающее воздействие – скорость движения»: при частотах в диапазоне от 20 до 70 Гц, что характерно для систем вибровозбуждения катков, влияние управляющего воздействия на скорость ослабляется в сотни и тысячи раз по отношению к влиянию на частоте среза; при частотах вибровозбуждения в диапазоне от 20 до 70 Гц влияние момента вибровозбуждения на скорость ослабляется в десятки и сотни раз по отношению к влиянию этого момента на частоте среза. Полученные передаточные функции могут использоваться для исследования динамических характеристик системы привода хода дорожного катка и разработки модели системы автоматического управления рабочим процессом вибрационного дорожного катка. 6. Предложены методики синтеза ПИД-регулятора на основе методов модального синтеза и синтеза в частотной области. 7. Разработана модель системы автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком на основе нечеткой логики. 8. Предложена модель управления машинами дорожностроительного комплекса с применением математического аппарата искусственных нейронных сетей. 9. Предложены новые технические решения, направленные на развитие комплексной автоматизации технологических процессов дорожно-строительных машин, способствующие повышению эффективности работы существующих систем автоматического управления.

222

Список литературы 1. «Интеллектуальное» уплотнение: дерзкий замысел или объективная реальность? // Строит. и дор. машины. – 2007. – № 8. – C. 8–13. 2. Александров, А. Г. Самонастраивающийся ПИД-регулятор / А. Г. Александров, М. В. Паленов // Семинар лаб. №7, ИПУ РАН, 14 декабря 2010 г. – 27 с. (С. 13). 3. Анализ реологических моделей процесса уплотнения асфальтобетонной смеси: метод. указания / сост. В. Б. Пермяков, B. C. Щербаков, М. Н. Ахилбеков. – Омск: Изд-во СибАДИ, 1986. – 22 с. 4. Астанаева, К. О. Моделирование процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком средствами MATLAB& SIMULINK / К. О. Астанаева, Е. А. Надымова, А. П. Прокопьев // VI Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука»: сб. материалов. [Электронный ресурс] / отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – Режим доступа: www.conf.sfu-kras.ru/sites/mn2010. 5. Бажин, И. И. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода / И. И. Бажин, Ю. Г. Беренгард, М. М. Гайцгори. – М.: Машиностроение, 1988. – 312 с. 6. Баловнев, В. И. Дорожно-строительные машины и комплексы / В. И. Баловнев, А. Б. Ермилов, А. Н. Новиков. – М.: Машиностроение, 1988. – 384 с. 7. Баловнев, В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин / В. И. Баловнев. – М.: Машиностроение, 1994. – 432 с. 8. Бастрыгина, А. В. Критерии оценки качества дорожных покрытий нежесткого типа для управления процессами уплотнения / А. В. Бастрыгина, А. П. Прокопьев // VII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука»: сб. материалов [посвящ. 50-летию первого полета в космос]: в 3 т. [Электронный ресурс] : Т. 3 / отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. – Режим доступа: www.conf.sfu-kras.ru/sites/mn2011 9. Беляев, К. В. Разработка энергоэффективных режимов работы машин для уплотнения асфальтобетонных смесей: автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.05.04 / Беляев Константин Владимирович. – Омск, 2004. 10. Беляев, К. В. Реологическая модель уплотнения асфальтобетонной смеси / К. В. Беляев // Дорожно-транспортный комплекс, эко223

номика, экология, строительство и архитектура: материалы междунар. науч.-практ. конф., 21 – 23 мая 2003 года : в 3 кн. Кн. 3/ СибАДИ; Universitat Dresden. – Омск : СибАДИ, 2003. – С. 238–240. 11. Богомолов, В. А. Общее решение для линейной, трехмерной, вяз-коупругой модели Максвелла / В. А. Богомолов, В. К. Жданюк, С. В. Богомолов // Вестн. ХНАДУ. – 2011. – № 53. – С. 70–72. 12. Богомолов, В. А. Общий метод получения дифференциальных зависимостей деформаций от напряжений для линейных реологических 3-D моделей / В. А. Богомолов, В. К. Жданюк, С. В. Богомолов // Вестн. ХНАДУ. – 2011. – № 52. – С. 54–59. 13. Богомолов, В. А. Простейшие звенья линейной пространственной реологической модели асфальтобетона / В. А. Богомолов, В. К. Жданюк, С. В. Богомолов // Автомоб. транспорт: сб. науч. тр. – 2010. – Вып. 27. – С. 157–162. 14. Богомолов, В. А. Универсальный метод составления линейных вязкоупругих структурных моделей / В. А. Богомолов, В. К. Жданюк, С. В. Богомолов // Автомоб. транспорт. – 2011. – № 28. – C. 125–131. 15. Богуславский, А. М. Основы реологии асфальтобетона / А. М. Богуславский, Л. А. Богуславский. – М.: Высш. шк., 1972. – 199 с. 16. Бойченко, В. А. Некоторые методы синтеза регуляторов пониженного порядка и заданной структуры / В. А. Бойченко, А. П. Курдюков, В. Н. Тимин [и др.] // Управление большими системами. – 2007. – № 19. – С. 23–126. 17. Васьковский, А. И. Автоматизация уплотнения грунтов виброкатками / А. И. Васьковский, А. В. Воробьева // Изв. вузов. Сер. Строительство. – 1992. – № 5–6. – С. 147–150. 18. Воронов, А. А. Основы теории автоматического регулирования и управления: Автоматическое регулирование непрерывных линейных систем / А. А. Воронов. – М.: Высш. шк., 1977. – 519 с. 19. Воронов, А. А. Основы теории автоматического управления: Автоматическое регулирование непрерывных линейных систем / А.А. Воронов. – М.: Энергия, 1980. – 312 с. 20. Воронов, А. А. Теория автоматического управления. В 2-х ч. Ч. 1. Теория линейных систем автоматического управления / Н. А. Бабаков, А. А. Воронов, А. А. Воронова [и др.]. – М.: Высш. шк., 1986. 367 с. 21. Гамынин, Н. С. Гидравлический привод систем управления / Н. С. Гамынин. – М.: Машиностроение, 1972. – 376 с. 22. Гезенцвей, Л. Б. Дорожный асфальтобетон / Л. Б. Гезенцвей. – М.: Транспорт, 1985. – 350 c. 224

23. Гольдштейн, Н. М. Механические свойства грунтов / Н. М. Гольдштейн. – М.: Стройиздат, 1973. – 368 с. 24. Гольцман, Р. А. Система автоматического управления положением выглаживающей плиты асфальтоукладчика с применением нечеткой логики / Р. А. Гольцман, В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев // Молодежь и наука: сб. материалов VII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых [посвященных 50-летию первого полета в космос] в 3 т. [Электронный ресурс]: Т. 3 / отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – Режим доступа: www.conf.sfu-kras.ru/sites/mn2011. 25. Денисенко, В. В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации / В. В. Денисенко // СТА. – № 4–5. – 2006. – С. 66–74. 26. Денисенко, В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. – М.: Горячая линия– Телеком, 2009. – 608 с. 27. Дорожная техника – 2011 : кат.-справ. – СПб.: ООО «Славутич», 2011. – 201 с. 28. Дорожно-строительная техника [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://inpromplus.ru/index.php?option=com_content&view =article&id =12:relef&catid=10:sau&Itemid=17. 29. Дорожно-строительные машины и комплексы / В. И. Баловнев, Г. В. Кустарев, Е. С. Локшин [и др.]. – М., Омск: СибАДИ, 2001. – 528 с. 30. Дорожно-строительные машины Фёгель [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.voegele.info. 31. Доценко, А. И. Комплексная автоматизация производства асфальтобетонной смеси с учетом влияния факторов её транспортировки, укладки и уплотнения: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.13.06 / Анатолий Иванович Доценко. – М., 2005. – 42 с. 32. Дьяконов, В. П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании / В. П. Дьяконов. − М.: Солон-Пресс, 2005. – 576 с. 33. Дьяконов, В. П. MATLAB 6.5 SP1/7/7 SP1/7 SP2 + Simulink 5/6. Инструменты искусственного интеллекта и биоинформатики / В. П. Дьяконов, В. В. Круглов. – М.: Питер, 2001. – 456 с. 34. Дьяконов, В. П. Математические пакеты расширения MATLAB: спец. справ. / В. П. Дьяконов, В. В. Круглов. – СПб.: Питер, 2001. – 480 с. 35. Евтюков, С. А. Построение механореологических моделей процессов взаимодействия рабочих органов строительно-дорожных 225

машин со средой: учеб. пособие / С. А. Евтюков, А. А. Овчаров, И. В. Замараев ; СПбГАСУ. – СПб., 2011. – 59 с. 36. Емельянов, А. А. Имитационное моделирование экономических процессов / А. А. Емельянов, Е. А. Власова, Р. В. Дума. – М.: Финансы и статистика, 2002. – С. 5. 37. Жданов, А. А. Адаптивные машины – неизбежное направление развития техники: Задачи и проблемы / А. А. Жданов // XII Всерос. науч.-техн. конф. «Нейроинформатика – 2010»: лекции по нейроинформатике. – М.: НИЯУ МИФИ, 2010. – С. 162–211. 38. Завьялов, А. М. Аналитическое условие рациональной скорости движения дорожных катков при уплотнении асфальтобетонной смеси / А. М. Завьялов, М. А. Завьялов // Строит. и дор. машины. – 2002. – № 9. – С. 44–45. 39. Завьялов, А. М. Взаимодействие дорожных и строительных машин с контактной средой: моногр. / А. М. Завьялов, М. А. Завьялов, В. Н. Кузнецова; СибАДИ. – Омск: Полигр. центр «КАН», 2011. – 370 с. 40. Завьялов, А. М. Построение и анализ математической модели динамики асфальтобетонной смеси при уплотнении / А. М. Завьялов, М. А. Завьялов // Строит. и дор. машины. – 2011. – № 12. – С. 44–47. 41. Завьялов, А. М. Процессы взаимодействия рабочих органов строительных и дорожных машин с контактной средой: учеб. пособие / А. М. Завьялов, В. Н. Кузнецова. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2010. – 236 с. 42. Завьялов, М. А. Алгоритм определения термодинамических потенциалов дорожной одежды / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Строит. материалы. – 2006. – № 1. – С. 50–51. 43. Завьялов, М. А. Влияние удобоукладываемости асфальтобетонной смеси на энергоемкость процесса уплотнения / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Строит. и дор. машины. – 2002. – № 1. – С. 14–16. 44. Завьялов, М. А. Возможная реологическая модель релаксации асфальтобетонной смеси при уплотнении / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Строит. и дор. машины. – 2002. – № 7. – С. 25–26. 45. Завьялов, М. А. Зависимость термодинамических функций дорожной одежды от величины теплоемкости / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Вестн. МАДИ (ГТУ). – 2006. – № 7. – С. 47–48. 46. Завьялов, М. А. Математическая модель изменения объемной теплоемкости дорожной одежды с асфальтобетонными покрытиями в процессе эксплуатации / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Ом. науч. вестн. – 2006. – № 1. – С. 51–52. 226

47. Завьялов, М. А. Некоторые закономерности процесса деформирования дорожного покрытия / М. А. Завьялов // Изв. вузов. Сер. Строительство. – 2007. – № 1. – С. 94–97. 48. Завьялов, М. А. О взаимосвязи удобоукладываемости асфальтобетонной смеси с энергоемкостью операции по ее укладке / М. А. Завьялов // Изв. вузов. Сер. Строительство. – 2001. – № 6. – С. 74–77. 49. Завьялов, М. А. Определение значения коэффициента пластичности дорожной одежды / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Изв. вузов. Сер. «Строительство». – 2006. – № 1. – С. 76–79. 50. Завьялов, М. А. Принцип обеспечения удобоукладываемости асфальтобетонной смеси / М. А. Завьялов // Изв. вузов. Сер. Строительство. – 2003. – № 6. – С. 79–82. 51. Завьялов, М. А. Процесс устройства асфальтобетонного дорожного покрытия и метод термодинамических потенциалов Гиббса / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Строит. материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2004. – № 9. – С. 67–68. 52. Завьялов, М. А. Разработка алгоритма технологических операций для автоматизированного уплотнения асфальтобетонной смеси / М. А. Завьялов // Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура : материалы междунар. науч.практ. конф., 21–23 мая 2003 года: в 3 кн. Кн. 3 / СибАДИ, Universitat Dresden. – Омск : СибАДИ, 2003. – С .99–101. 53. Завьялов, М. А. Формирование и оценка состояния дорожного асфальтобетонного покрытия на основе термодинамической теории : от проектирования до ремонта : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.11, 05.23.05 / Завьялов Михаил Александрович. – М., 2008. – 42 с. 54. Завьялов, М. А. Энергетический баланс дорожного покрытия / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Изв. вузов. Сер. «Строительство». – 2005. – № 6. – С. 61–64. 55. Завьялов, М.А. Теплоемкость асфальтобетона / М. А. Завьялов, А. М. Завьялов // Строит. материалы. – 2009. – № 7. – С. 6–9. 56. Заде, Л. А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений / Л. А. Заде. – М.: Мир, 1976. – 176 с. 57. Захаренко, А. В. Взаимодействие вальцов катка с уплотняемым материалом / А. В. Захаренко, В. Б. Пермяков // Изв. вузов. Сер. Строительство. – 2005. – № 1. – С. 81–85. 58. Захаренко, А. В. Теоретические и экспериментальные исследования процессов уплотнения катками грунтов и асфальтобетонных 227

смесей: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.04 / Захаренко Анатолий Владимирович. – Омск, 2005. – 42 c. 59. Зинченко, В. А. Вычислительный алгоритм и компьютерная система для анализа реологических схем / В. А. Зинченко, О. В. Садовская, В. М. Садовский // Вычисл. методы и программы. – 2006. – Т. 7. – С. 125–132. 60. Золотухина, Н. И. Автоматизация рабочего процесса асфальтоукладчика / Н. И. Золотухина, В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев // Молодежь и наука: сб. материалов VI Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. [Электронный ресурс] /отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – Режим доступа: http:// conf.sfu-kras.ru/sites/mn2010/. 61. Иванченко, С. Н. Научные основы формирования рабочих органов дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.04 / Иванченко Сергей Николаевич. – СПб., 1997. – 37 с. 62. Иванченко, С. Н. Обеспечение качества асфальтобетона с учётом особенностей свойств составляющих и технология уплотнения: учеб. пособие / С. Н. Иванченко, Н. И. Ярмолинская, А. А. Парфенов. – Хабаровск: ТОГУ, 2006. – 237 с. 63. Иванчура, В. И. Идентификация динамической системы процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожными катками / В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев, О. Г. Клевцова // Журн. СФУ. Сер. Техника и технологии. – 2011. – Том 4. – № 5. – С. 565–570. 64. Иванчура, В. И. Математическая модель процесса управления скоростью движения асфальтового катка / В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев // Журн. Сибир. федер. ун-та. Техника и технологии. – 2013. – Т. 6. – № 2. – С. 192–202. 65. Иванчура, В. И. Модель адаптивной системы управления режимами работы вибрационного асфальтового катка с нечетким регулятором / В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев, Р. Т. Емельянов, А. Д. Петров // Строит. и дор. машины. – 2012. – № 9. – С. 39–45. 66. Интеллектуальные системы автоматического управления / под ред. И. М. Макарова, В. М. Лохина. – М.: Физматлит, 2001. – 576 с. 67. Исследование режимов уплотнения рабочих органов асфальтоукладчика и разработка высокоэффективного уплотняющего оборудования: отчет о НИР / МАДИ: рук. Г. В. Кустарев, отв. исп. А. П. Прокопьев; МАДИ. – М., 1990. – 105 с. 228

68. Казмиренко, В. Ф. Электрогидравлические мехатронные модули движения / В. Ф. Казмиренко. – М.: Радио и связь, 2001. – 431 с. 69. Калужский, Я. А. Уплотнение земляного полотна и дорожных одежд / Я. Л. Калужский, О. Т. Батраков. – М.: Транспорт, 1971. – 160 с. 70. Караваев, М. В. Применение нечеткой логики в имитационной системе автономного адаптивного управления / М. В. Караваев // Тр. Ин-та системного программирования: том 5 – 8. Т. 7. Новые подходы в нейроноподобных и основанных на знаниях системах / под ред. А. А. Жданова. – М.: ИСП РАН, 2004. – С. 41–53. 71. Каток вибрационный двухосный двухвальцовый ДУ-96. Каток вибрационный комбинированный двухосный ДУ-97: руководство по эксплуатации. ДУ-96.000.000 РЭ2. – Рыбинск: ОАО «Раскат», 2012. – 86 с. 72. Клевцова, О. Г. Автоматизация процесса уплотнения асфальтовыми дорожными катками / О. Г. Клевцова, В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев // Молодежь и наука: сб. материалов VI Всерос. науч.-техн. конф. и студентов, аспирантов и молодых ученых [Электронный ресурс] /отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск: Сиб. федер. унт, 2011. – Режим доступа: http:// conf.sfu-kras.ru/sites/mn2010/. 73. Клевцова, О. Г. Идентификация процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожными катками / О. Г. Клевцова, А. П. Прокопьев // Молодежь и наука: сб. материалов VII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: [посвящ. 50-летию первого полета в космос] : в 3 т. [Электронный ресурс] : Т. 3 / отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2011. 74. Колпаков, А. С. Система автоматического регулирования коэффициента уплотнения асфальтобетонной смеси / А. С. Колпаков, В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев // Молодежь и наука: сб. материалов VI Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых [Электронный ресурс] / отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – Режим доступа : http:// conf.sfu-kras.ru/sites/mn2010. 75. Костельов, М. П. «Умные» виброкатки для дорожников? (обзор с оценкой новинок последнего времени) / М. П. Костельов // Дорожная техника – 2006 : кат. - справ. – С. 30–44. 76. Костельов, М. П. До какого уровня (китайского, европейского или американского ?) следует России поднимать качество строительства и сроки службы своих новых автомобильных дорог / М. П. Костельов, В. П. Перевалов, Д. В. Пахаренко // Дорожная тех229

ника – 2011: кат.-справ. [Электронный ресурс]. – СПб.: ООО «Славутич», 2011. – С. 13–26. – Режим доступа: http://issuu.com/slavutich /docs/dt2011. 77. Костельов, М. П. Как правильно выбрать и настроить асфальтоукладчик / М. П. Костельов, Д. В. Пахаренко, З. К. Бринкс // Дорожная техника – 2007: кат.-справ. [Электронный ресурс]. – СПб.: ООО «Славутич», 2007. – Вып. 70. – Режим доступа: http://www.mrmz.ru/ article/v70/article1.htm. 78. Костельов, М. П. Методы и средства контроля качества уплотнения дорожного земляного полотна‚ щебеночного основания и асфальтобетонного покрытия / М. П. Костельов, Ю. Е. Никольский, Ю. Э. Райский // Дорожная техника – 2003 : кат. - справ. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.library.stroit.ru/v-series/j-2/ p-1.html. 79. Костельов, М. П. Новая усовершенствованная технология устойчиво обеспечивает высокое качество уплотнения асфальтобетона / М. П. Костельов, В. П. Перевалов // Дорожная техника – 2005: кат.справ. – СПб.: ООО «Славутич», 2005.– С. 120–132. 80. Костельов, М. П. Новый способ уплотнения дорожно-строительных материалов.– Автомоб. дороги. – 1991. – № 6. – С. 13 – 15. 81. Костельов, М. П. Практика борьбы с колейностью асфальтобетонных покрытий может быть успешной / М. П. Костельов, В. П. Перевалов, Д. В. Пахаренко // Дорожная техника – 2011: кат. справ. – СПб.: ООО «Славутич», 2011. – С. 54–70. 82. Костельов, М. П. Способна ли Россия быстро и резко повысить качество и сроки службы своих автомобильных дорог до китайского, европейского или американского уровня? / М. П. Костельов, В. П. Перевалов, Д. В. Пахаренко // Второй Всерос. дор. конгресс: сб. науч. тр. – М.: МАДИ, МОО «Дор. конгресс», 2010. – С. 44–50. 83. Костельов, М. П. Уплотнению асфальтобетона требуется обновленное поколение дорожных катков / М. П. Костельов // Дорожная техника – 2003: кат.-справ. – СПб.: ООО «Славутич», 2003. – С. 12 – 22. 84. Костельов, М. П. Уплотняющая способность дорожных катков для устройства оснований и покрытий / М. П. Костельов // Дорожная техника – 2008: кат.-справ. – СПб.: ООО «Славутич», 2008. – С. 82–88. 85. Костельов, М. П. Уплотняющая способность дорожных катков для устройства оснований и покрытий / М. П. Костельов // Дорожная техника – 2010: кат.-справ. – СПб.: ООО «Славутич», 2010. – С. 20–33. 230

86. Костельов, М. П. Функциональные достоинства и недостатки виброкатков для уплотнения асфальтобетона / М.П. Костельов // Дорожная техника – 2009 : кат.-справ.– СПб.: ООО «Славутич», 2009. – С. 42–52. 87. Костельов, М. П. Чем и как уплотнять асфальтобетон в покрытиях при смене его типа, состояния и толщины слоя / М. П. Костельов, Д. В. Пахаренко // Дорожная техника – 2007 : кат.-справ. – С. 70–85. 88. Кузоватова, О. И. Моделирование локализации деформации в разнопрочной среде / О. И. Кузоватова, В. М. Садовский // Журн. СФУ. – 2008. – Т. 1. – № 3. – С. 272–283. 89. Кузоватова, О. И. Численное исследование задачи о продавливании связной сыпучей среды / О. И. Кузоватова, В. М. Садовский // Вестн. СибГАУ. – 2009. – № 4. – С. 21–25. 90. Куленко, М. С. Исследование применения нечетких регуляторов в системах управления технологическими процессами / М. С. Куленко, С. В. Буренин // Вестн. ИГЭУ. – Иваново, ИГЭУ. – Вып. 2. – 2010. – С. 72–76. 91. Кустарев, Г. В. «Мозги» для катков – панацея или помощник? / Г. В. Кустарев // Автомобильные дороги. – 2009. – № 9. – С. 118–121. 92. Кустарев, Г. В. Повышение эффективности уплотняющих машин для скоростного строительства асфальтобетонных покрытий: моногр. / Г. В. Кустарев ; МАДИ (ГТУ). – М.: МАДИ (ГТУ), 2008. – 286 с. 93. Кустарев, Г. В. Анализ факторов, влияющих на качество процесса уплотнения / Г. В. Кустарев, С. А. Павлов, П. Е. Жарцов // Механизация строительства [Электронный ресурс]. – 2013. – № 4. – С. 6–10. – Режим доступа: http://ms.enjournal.net/article/9306/. 94. Кустарев, Г. В. Теоретическое обоснование управляемого воздействия на уплотняемую среду / Г. В. Кустарев, С. А. Павлов // Вестн. МАДИ (ГТУ). – Вып. 3 (10). – 2007. – С. 59–62. 95. Леонович, И. И. Взаимозависимости ровности покрытия и прочности дорожной одежды / И. И. Леонович, Ю. В. Буртыль // Строит. наука и техника [Электронный ресурс]. – 2011. – № 1. – Режим доступа: http:// www.bsc.by /story /vzaimozavisimosti-rovnostipokrytiya-i-prochnostido -rozhnoy-odezhdy. 96. Лещенко, В. П. Основные параметры и конструктивные особенности рабочих органов зарубежных асфальтоукладчиков: обзор / В. П. Лещенко, Л. Б. Скворцова, Г. Г. Фонгауз; ЦНИИТЭстроймаш. – М., 1971. – 79 с. 231

97. Лукас, В. А. Теория автоматического управления / В. А. Лукас. – М.: Недра, 1990. – 416 с. 98. Лукас, В. А. Теория управления техническими системами / В. А. Лукас. – Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2002. – 672 с. 99. Максимычев, О. И. Автоматическое управление виброкатком с использованием нечеткой логики / О. И. Максимычев // Изв. вузов. Сер. «Строительство». – 2003. – № 4. – С. 85–87. 100. Марышев, Б. С. Скоростное строительство асфальтобетонных покрытий / Б. С. Марышев, Б. М. Слепая. – М.: ВПТИ «Трансстрой», 1983. 101. Маслов В. Лихие катки «РАСКАТ» / В. Маслов // Коммер. автомобили. – 2010. – № 7 – 8. – С. 54–56. 102. Маслов, А. Г. Вибрационные машины и процессы в дорожном строительстве / А. Г. Маслов, В. М. Пономарь. − К.: Будивельник, 1985. − 128 с. 103. Маслов, А. Г. Исследование процесса поличастотного уплот-нения асфальтобетонных смесей / А. Г. Маслов // Изв. вузов. Сер. Строительство и архитектура. − 1982. – № 10.– С. 132–139. 104. Маслов, А. Г. Обоснование параметров вибрационного рабочего органа асфальтоукладчика / А. Г. Маслов // Изв. вузов. Сер. Строительство и архитектура. − 1980. – № 7. – С. 133–139. 105. Маслов, А. Г. Теоретические основы вибрационного уплотнения асфальтобетонных смесей / А. Г. Маслов // Изв. вузов. Сер. Строительство и архитектура. − 1983. – № 8.– С. 122–126. 106. Милюшенко, С. А. Совершенствование системы управления выглаживающей плитой асфальтоукладчика, обеспечивающей геометрическую точность асфальтобетонного покрытия: автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.05.04 / Милюшенко Сергей Анатольевич. – Омск, 2008. – 25 с. 107. Новиков, А. М. Методология научного исследования / А. М. Новиков, Д. А. Новиков. – М.: Либроком, 2010. – 280 с. 108. Новичкова, А. «РАСКАТ» утюжит бездорожье / А. Новичкова [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.spectechnika.com/ ru/filling/y-2010.n-8.oid-392.html. 109. Новоселов В. Расклад не в нашу пользу : Российский рынок дорожных катков / Строит. техника и технологии. – 2011. – № 3.– С. 30–39. 110. Пат. 105307 Российская Федерация, МПК7 Е 01 С 19/48. Система автоматического управления асфальтоукладчика / А. С. Климов, Р. Т. Емельянов, А. П. Прокопьев, С. С. Климов, А. И. Авласе232

вич; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сиб. федер. унт». – № 2011106074/03; заявл. 17.02.2011; опубл. 10.06.2011, Бюл. № 16 – 11. – 2 с. 111. Пат. 106627 Российская Федерация, МПК7 Е 01 С 23/07. Система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси катком / А. С. Климов, Р. Т. Емельянов, А. П. Прокопьев, С. С. Климов, И. Б. Оленев, Е. С. Турышева; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сиб. федер. ун-т». – № 2011109346/03; заявл. 11.03.2011; опубл. 11.07.2011, Бюл. № 20 – 11. – 2 с. 112. Пат. 128627 Российская Федерация, МПК7 Е 01 С 23/07. Система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком / А. С. Климов, А. П. Прокопьев, В. И. Иванчура, А. Д. Петров; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». – № 2013100852/03; заявл. 09.01.2013; опубл. 27.05.2013, Бюл. № 15 – 13. – 2 с. 113. Пат. 95681 Российская Федерация, МПК7 В 01 С 19/42. Устройство для управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси / Р. Т. Емельянов, А. П. Прокопьев, А. С. Климов; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сиб. федер. ун-т». – № 2009118046/22; заявл. 12.05.2009; опубл. 10.07.2010, Бюл. № 19 – 10. – 2 с. 114. Пат. 95688 Российская Федерация, МПК7 В 01 С 19/42. Система автоматического управления рабочим органом асфальтоукладчика / А. С. Климов, Р. Т. Емельянов, А. П. Прокопьев, С. С. Климов; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сиб. федер. унт». – № 2010106464/22 ; заявл. 24.02.2010; опубл. 10.07.2010, Бюл. № 19 – 10. – 2 с. 115. Пат. 97742 Российская Федерация, МПК7 В 01 С 19/42. Система автоматического управления положением выглаживающей плиты асфальтоукладчика / А. С. Климов, Р. Т. Емельянов, А. П. Прокопьев, С. С. Климов; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сиб. федер. ун-т». – № 2010108004/03; заявл. 04.03.2010; опубл. 20.09.2010, Бюл. № 26 – 10. – 2 с. 116. Пахаренко, Д. В. Пути повышения долговечности асфальтобетонных покрытий / Д. В. Пахаренко, Д. А. Колесник // Дорожная техника – 2012 : кат.-справ. – СПб.: ООО «Славутич», 2012. – С. 10–14. 117. Пермяков, В. Б. Анализ реологических моделей процесса уплотнения асфальтобетонной смеси / В. Б. Пермяков, В. С. Щерба233

ков, М. Н. Ахилбеков; СибАДИ. – М., 1987. – Деп. в ЦНИИТЭстроймаш 09.01.87, № 13-сд 87. 118. Пермяков, В. Б. Аналитическое исследование изменения температуры поверхности асфальтобетонной смеси в процессе уплотнения / В. Б. Пермяков, В. В. Дубков // Изв. вузов. Сер. Строительство. – 1999. – № 11. – С. 88–92. 119. Пермяков, В. Б. Аналитическое описание процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком / В. Б. Пермяков, В. В. Дубков, В. С. Серебренников // Ом. науч. вестн. Сер. «Машиностроение и машиноведение». – 2008. – № 1.– С. 67–71. 120. Пермяков, В. Б. Влияние режимных параметров катков на интенсивность уплотнения асфальтобетонных смесей / В. Б. Пермяков, К. В. Беляев // Строит. и дор. машины. – 2007. – № 1. – С. 19–22. 121. Пермяков, В. Б. Исследование релаксации напряжений в асфальтобетонных смесях в процессе их уплотнения / В. Б. Пермяков // Изв. вузов. Сер. Строительство. – 1985. – № 5. – С. 99–102. 122. Пермяков, В. Б. Исследование реологических параметров адаптивного рабочего оборудования дорожного катка / В. Б. Пермяков, В. А. Мещеряков, С. В. Савельев, А. Г. Лашко // Строит. и дор. машины. – 2011. – № 12. – С. 51–53. 123. Пермяков, В. Б. Математическая модель процесса уплотнения асфальтобетонных смесей/ В. Б. Пермяков, К. В. Беляев // Изв. вузов. Сер. Строительство. – 2005. – № 1. – С. 110–116. 124. Пермяков, В. Б. Модель уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком / В. Б. Пермяков, В. В. Дубков, В. С. Серебренников // Изв. вузов. Сер. Строительство. – 2008. – № 10. – С. 84–90. 125. Пермяков, В. Б. Некоторые аспекты уплотнения асфальтобетонных смесей / В. Б. Пермяков // Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура : материалы междунар. науч.-практ. конф., 21 – 23 мая 2003 г.: в 3 кн. / СибАДИ; Universitat Dresden. – Омск: СибАДИ, 2003. – С .155–157. 126. Пермяков, В. Б. Совершенствование теории, методов расчета и конструкции машин для уплотнения асфальтобетонных смесей: автореф. дис. … д-ра техн. наук : 05.05.04 / Пермяков Владислав Борисович. – Омск, 1992. – 37 с. 127. Петров, А. Д. Система автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси с применением нечеткой логики / А. Д. Петров, В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев // Молодежь и наука: сб. материалов VII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспи234

рантов и молодых ученых [посвящ. 50-летию первого полета в космос]: в 3 т. [Электронный ресурс]: Т. 3 / отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – Режим доступа : http://conf.sfukras.ru/sites /mn2011. 128. Провести исследования работы бруса высокого уплотнения асфальтоукладчика Супер – 1700 фирмы «Фёгеле» (ФРГ) в эксплуатационных условиях: отчет о НИР / НПО ВНИИСтройдормаш. – М., 1985 – 80 с. 129. Прокопьев, А. П. Автоматизация процесса уплотнения асфальтоукладчика / А. П. Прокопьев, Р. Т. Емельянов // Изв. вузов. Сер. «Строительство». – № 7. – 2004. – С. 82–84. 130. Прокопьев, А. П. Идентификация процесса уплотнения асфальтобетонной смеси на основе нечеткой логики / В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев, М. Н. Завьялов // Идентификация систем и задачи управления (SICPRO ‘12): тр. IX Междунар. конф. 30 янв. – 2 февр. 2012 г.; Ин-т проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН. – М., 2012. – С. 593–612. 131. Прокопьев, А. П. Имитационное моделирование автоматической системы управления рабочим органом асфальтоукладчика / А. П. Прокопьев, В. И. Иванчура // Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях, 4 – 8 апр. 2011 г.: тр. Междунар. науч.-практ. конф. AITA-2011 / Ин-т проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН. – М., 2011. – С. 741–750. 132. Прокопьев, А. П. Исследование процесса уплотнения асфальтобетонной смеси по ширине укладки / А. П. Прокопьев, Р. Т. Емельянов, А. С. Климов // Строит. и дор. машины. – 2009. – № 7. – С. 12–17. 133. Прокопьев, А. П. Исследование уплотняющего оборудования асфальтоукладчика / А. П. Прокопьев // Изв. вузов. Сер. Строительство. – 1994. – № 4. – С 71–72. 134. Прокопьев, А. П. Моделирование систем адаптивного управления процессами укладки и уплотнения дорожных покрытий нежесткого типа / А. П. Прокопьев // Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях, 4 – 8 апр. 2011 г. Междунар. науч.-практ. конф. AITA-2011 / Ин-т проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН. – М., 2011. – С. 751–767. 135. Прокопьев, А. П. Моделирование устройства управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси рабочим органом ас235

фальтоукладчика / А. П. Прокопьев, С. С. Климов // Подъемнотранспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы: материалы XV моск. Междунар. межвуз. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. – М.: МГАВТ, 2011. – С. 236–239. 136. Прокопьев, А. П. Модель системы автоматического управления дорожного катка на основе нечеткой логики / В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев, Р. Т. Емельянов, Т. Н. Поляков // Изв. вузов. Сер. «Строительство». – 2011. – № 11. – С. 45–53. 137. Прокопьев, А. П. Модель управления процессом уплотнения дорожным катком асфальтобетонной смеси на основе нечеткой логики / А. П. Прокопьев, В. И. Иванчура, А. Д. Петров // Татищевские чтения: акт. проблемы информатизации науки и производства, 19 – 22 апреля 2012 г.: тр. IX Междунар. науч.-практ. конф. АПНП–2012: сб. докладов / Волж. ун-т им. В. Н. Татищева. – Тольятти, 2012. – С. 186–193. 138. Прокопьев, А. П. Оптимизация параметров уплотняющего оборудования асфальтоукладчика с качающимися брусьями: автореф. дисс. … канд. техн. наук: 05.05.04 / Прокопьев Андрей Петрович. – М.: МАДИ, 1991. – 20 с. 139. Прокопьев, А. П. Оптимизация параметров уплотняющего оборудования асфальтоукладчика: дис. ...канд. техн. наук : 05.05.04 / Прокопьев Андрей Петрович. – М., 1991. – 169 с. 140. Прокопьев, А. П. Оптимизация следящей системы автоматического управления / В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев // Вестн. Сиб. аэрокосм. ун-та. – 2011. – Вып. 5. – С. 44–49. 141. Прокопьев, А. П. Построение интеллектуальных контроллеров адаптивного управления комплектом машин для укладки и уплотнения дорожных асфальтобетонных покрытий / А. П. Прокопьев // Молодежь и наука: сб. материалов VII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых [посвящ. 50-летию первого полета в космос]: в 3 т. [Электронный ресурс] Т. 3 / отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – Режим доступа : http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2011. 142. Прокопьев, А. П. Система автоматического управления положением выглаживающей плиты асфальтоукладчика / А. П. Прокопьев, С. С. Климов, М. С. Паньчук // Молодежь и наука: реальность и будущее: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф.: в 4 т. Т. 4. – Невинномысск: НИЭУП, 2011. – С. 262–264. 143. Прокопьев, А. П. Следящая система автоматического управления процессом укладки асфальтобетонной смеси на основе нечет236

кой логики / А. П. Прокопьев, Р. Т. Емельянов // Идентификация систем и задачи управления (SICPRO ‘12), 30 января – 2 февраля 2012 г.: тр. IX Междунар конф. / Ин-т проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН. – М., 2012. – С. 612–630. 144. Прокопьев, А. П. Следящая система адаптивного управления точностью распределения асфальтобетонного покрытия/ А. П. Прокопьев // Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики, 14 – 17 апреля 2011 г.: тр. VIII Междунар. науч.-практ. конф. АПНП-2011.: Сб. докл. / Волж. ун-т им. В. Н. Татищева. – Тольятти, 2011. – С. 253–259. 145. Прокопьев, А. П. Способ управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси рабочим органом асфальтоукладчика / А. П. Прокопьев, С. С. Климов, М. С. Паньчук // Подъемнотранспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы: материалы XV моск. Междунар. межвуз. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. – М.: МГАВТ, 2011. – С. 278 – 281. 146. Прокопьев, А. П. Управление качеством нежестких дорожных покрытий / А. П. Прокопьев // Новые идеи нового века – 2011 : материалы 11-й Междунар. науч. конф. ИАС ТОГУ = The new Ideas Of New Century 2011 : The International Scentific Conference Proceedings of IACE PNU : в 2 т. / Тихоокеан. гос. ун-т. – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос ун-та, 2011. – Т. 2. – С. 280–284. 147. Прокопьев, А.П. Анализ динамических характеристик модели системы управления скоростью движения вибрационного катка / А.П. Прокопьев, В.И. Иванчура, Р.Т. Емельянов, Е.С. Турышева // Строительные и дорожные машины. – 2013. – № 6. – С. 18–22. 148. Прокопьев, А.П. Аналитическая модель системы управления скоростью движения вибрационного катка / А.П. Прокопьев, В.И. Иванчура, Р.Т. Емельянов // Строит. и дор. машины. – 2013. – № 5. – С. 33–38. 149. Радовский, Б. С. Строительство дорог с цементобетонными покрытиями в США: Новые тенденции / Б. С. Радовский // Дорожная техника – 2010 : кат.-справ. – С. 62–70. 150. Ращупкина, Н. М. Мир в цифрах– 2009: карманный справ. / Н. М. Ращупкина. – М.: Изд-во «Олимп – Бизнес», 2009. – 272 с. 151. Реализация нейросетевого контроллера для управления организационно-технологическим комплексом / А. П. Прокопьев, Р.Т. Емельянов, Е. С. Турышева, П. А. Постоев // Вестн. Сиб. аэрокосм. ун-та. – 2011. – Вып. 1. – С. 20–24. 237

152. Реализация устройства с тензодатчиками для управления процессом уплотнения асфальтоукладчика / А. П. Прокопьев, Р. Т. Емельянов, А. С. Климов, С. В. Шилкин // Изв. вузов. Сер. «Строительство». – 2011. – № 6. – С. 38–44. 153. Рейнер, М. Реология / М. Рейнер. – М.: Наука, 1965. – 223 с. 154. Речмедин, М. Вся правда об асфальтовых катках [Электронный ресурс] / М. Речмедин. – Режим доступа: http://dorkomteh.ru/ articles/dorozhnye_katki. 155. Ротач, В.Я. К расчёту оптимальных параметров реальных ПИД-регуляторов по экспертным критериям / В. Я. Ротач // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2006.– № 2.– С. 22–29. 156. Садовская, О. В. Математическое моделирование в задачах механики сыпучих сред / О. В. Садовская, В. М. Садовский. – М.: Физматлит, 2008. – 368 с. 157. Садовская, О. В. Реологические модели одноосного деформирования пористых сред / О. В. Садовская, В. М. Садовский // Вестник КрасГУ. Сер. «Физико-математические науки». – 2006. – № 9. – C. 202–206. 158. Салиба, И. М. Определение рациональных параметров и режимов работы уплотняющего рабочего органа машин для ремонта и восстановления дорог методами математического моделирования : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.05.04 / Салиба Ибрагим Мельхем. – М., 1993. – 20 c. 159. Серебренников, В. С. Обоснование режимных параметров вибрационных катков для уплотнения асфальтобетонных смесей : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.05.04 / Серебренников Виктор Сергеевич. – Омск, 2008. – 19 с. 160. Система автоматического управления асфальтоукладчика на основе нечеткой логики / В. И. Иванчура, А. П. Прокопьев, Р. Т. Емельянов, А. С. Климов // Строит. и дор. машины. – 2011. – № 9. – С. 28–32. 161. Справочник по асфальтоукладчикам Vögele: Советы и указания по укладке асфальтобетона асфальтоукладчиками. Wirtgen International : [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.wirtgen.ru. 162. Стороженко, М. С. Совершенствование технологии уплотнения асфальтобетонных покрытий с целью повышения прочности и долговечности / М. С. Стороженко // Вестн. ХНАДУ. – 2008. – № 40. – С. 99 – 102. 163. Строительство и реконструкция автомобильных дорог: справ. энцикл. дорожника (СЭД): в 9 т. Т. 1 / А. П. Васильев, 238

Б. С. Марышев, В. В. Силкин [и др.]; под ред. А. П. Васильева. – М.: Информавтодор, 2005. 164. Теория автоматического управления: учеб. для вузов. В 2 ч. Ч. II. Теория нелинейных и специальных систем автоматического управления / А. А. Воронов, Д. П. Ким, В. М. Лохин [и др.]; под ред. А. А. Воронова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986. – 504 с. 165. Технологическое обеспечение качества строительства асфальтобетонных покрытий: метод. рекомендации / сост.: В. Н. Шестаков, В. Б. Пермяков, В. М. Ворожейкин, Г. Б. Старков. – 2-е изд., с доп. и изм. – Омск: ОАО «Ом. Дом печати», 2004. – 256 с. 166. Транспортно-технологические машины и комплексы (произво-дственная и техническая эксплуатация): учеб. пособие / В. Б. Пермяков, В. И. Иванов, С. В. Мельник [и др.]; под общ. ред. В. Б. Пермякова. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. – 440 с. 167. Тюкин, В. Н. Теория управления: в 2 ч. Ч. 2. Особые линейные и нелинейные системы / В. Н. Тюкин. – Вологда: ВоГТУ, 2000. – 128 с. 168. Тюремнов, И. С. «Интеллектуальные» катки – «интеллектуальное» уплотнение / И. С. Тюремнов, Е. К. Чабуткин, Р. Д. Окулов // Строит. и дор. машины. – № 8. – 2008. 169. Тюремнов, И. С. Нужен единый подход в совершенствовании критериев уплотнения дорожно-строительных материалов / И. С. Тюремнов, А. А. Иrнатьев [Электронный ресурс] // Автомоб. дороги. – 2010. – № 5. – Режим доступа: http://www.avtodorogimagazine.ru/2010-05-01/them/ nuedpo.html. 170. Угай, С. М. Интенсификация процессов уплотнения асфальтобетонных смесей катками с перфорированными рабочими органами: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.05.04 / Угай Сергей Максимович. – Владивосток: ТОГУ, 2008. – 19 c. 171. Уоссермен, Ф. Нейрокомпьютерная техника: теория и практика / Ф. Уоссермен. – М.: Мир, 1992. – 184 с. 172. Управление технологическими процессами устройства асфальтобетонных дорожных покрытий / А. П. Прокопьев, Р. Т. Емельянов, А. С. Климов, Е. С. Турышева // Строит. и дор. машины. – 2011. – № 7. – С. 30–37. 173. Фаткулина, Л. М. Адаптивное управление дорожным катком с помощью методов нечеткого регулирования / Л. М. Фаткулина, Ю. Н. Кузнецова, А. П. Прокопьев // Молодежь и наука: сб. материалов VI Всерос. науч.-техн. конф. и студентов, аспирантов и молодых ученых [Электронный ресурс] / отв. ред. О. А. Краев. – 239

Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – Режим доступа: http://conf. sfu- kras.ru/ sites/mn2010/. 174. Филипс, Ч. Системы управления с обратной связью / Ч. Филипс, Р. Харбор. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. – 616 с. 175. Финские нормы на асфальт – 2000: Совещательная комиссия по покрытиям PANKry. – Хельсинки: Изд-во PANКгу, 2000. 176. Форсблад, Л. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований / Л. Форсблад; пер. с англ. И. В. Гагариной. – М.: Транспорт, 1987. – 188 с. 177. Хархута, Н. Я. Дорожные машины. Теория, конструкция и расчет / Н. Я. Хархута. – Л:. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1976. – 471 с. 178. Хархута, Н. Я. Машины для уплотнения грунтов / Н. Я. Хархута. – Л:. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1973. – 176 с. 179. Хархута, Н. Я. Реологические свойства грунтов / Н. Я. Хархута. – М:. Автотрансиздат, 1961. – 63 с. 180. Циммерман, В.В. Нелинейные свойства электрогидравлического вибрационного источника сейсмических колебаний / В.В. Циммерман // Проблемы нелинейной сейсмики. ИФЗ АН СССР. – М.: Наука, 1987. – С. 273 – 279. – Режим доступа: http://www.seisel.com /docs/i_nelsv.pdf. 181. Цыпкин, Я. 3. Адаптация и обучение в автоматических системах / Я. 3. Цыпкин. – М.: Наука, 1968. – 400 с. 182. Швачко, Д. В. Моделирование процесса уплотнения конструктивных слоев дорожных одежд нежесткого типа вибрационным катком с учетом температуры покрытия / Д. В. Швачко, В. Л. Шахова, А. П. Прокопьев // Молодежь и наука: сб. материалов VII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых : [посвящ. 50-летию первого полета в космос]: в 3 т. [Электронный ресурс]: Т. 3 / отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2011. 183. Шрёдер, Р. Уплотнение асфальтобетона и грунта / Р. Шрёдер – Тиршенройт: HAMM, 2008. – 127 с. 184. Штовба, С. Д. Идентификация нелинейных зависимостей с помощью нечеткого логического вывода в системе MATLAB / С. Д. Штовба // Exponenta Pro. Математика в приложениях. – 2003. – № 2.– С. 9–15. 185. Adam, C. Modelling of the dynamic load plate test with the light falling weight device / C. Adam, D. Adam // Asian journal of civil engineering (building and housing). 2003, 4 (2 – 4). – PР. 73–89. 240

186. Anderegg, R. Compaction Monitoring Using Intelligent Soil Compactors / R. Anderegg, A. von Felten Dominik, Kuno Kaufmann // ASCE Conf. Proc. GeoCongress – 2006: Geotechnical Engineering in the Information Technology Age Proceedings of GeoCongres – 2006. – PP. 1–6. 187. Anderegg, R. Nichtlineare Schwingungen bei dynamischen Bodenverdichtern (Nonlinear Vibrations with Dynamic Soil Compactors): Dissertation. Diss. ETH Nr. 12419, Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich / R. Anderegg. – Zürich, 1998. 188. Anderegg, R. Intelligent Compaction with Vibratory Rollers. Transportation Research Record 1868, Transportation Research Board, Washington / R. Anderegg, K. Kaufmann. – Washington, 2004. – PP. 124– 134. (2004). 189. Astrom K. J., Hagglund T. Advanced PID Control. – ISA. The Instrumentation System and Automation Society, 2006. – 460 p. 190. Basic Principles of Asphalt Compaction. BOMAG GmbH. Edition 02/2009. 191. Beainy, F. A visco-elastic-plastic model of asphalt/roller interaction during field compaction / F. Beainy , S. Commuri, M. Zaman // ASCE Journal of Engineering Mechanics. – 2011. 192. Beainy, F. A visco-elastic-plastic model of asphalt/roller interaction / F. Beainy , S. Commuri, M. Zaman // ASCE Journal of Geomechanics. – 2011. 193. Bertocco M., Cappellazzo S., Flammini A., Parvis M. A multilayer architecture for distributed data acquisition // Proceedings of the 19th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. IMTC / 2002. 2002. Vol. 2. PP. 1261–1264. 194. Borg, J. Dynamic Behaviour of a Soil Compaction Machine. Master Thesis, Department of Mechanical Engineering, University of Karlskrona / J. Borg, A. Engström. – Ronneby, Sweden, 1997. 195. Bratu, P. Vibratiile sistemelor elastice / P. Bratu // Technical Publishing House. – Bucuresti, Romania, 2000. 196. Broman, G., and Jonsson, A. 2000. The Nonlinear Behavior of a Rammer Soil Compactor Machine / G. Broman, A. Jonsson // Proceedings of the EM2000: ASCE Fourteenth Engineering Mechanics Conference. – Austin, Texas, 2000. 197. Susante, Paul J. van. Capturing Nonlinear Roller Compactor Behavior through Lumped Parameter Modeling / Paul J. van Susante, Michael A. Mooney // Journal of engineering mechanics, ASCE. – 2008. – 134(8). – PP. 684–693. 241

198. Debeleac, C. On the efficiency of compacting equipment / C. Debeleac // The annals of “dunarea de jos” University of galati. Fascicle XIV. Mechanical engineering. – 2010. – PP. 51–54. 199. Debeleac, C. Gheorghe Oproescu Non-linear Behaviour of a Soil Compaction Equipment / C. Debeleac // Book 5th International Vilnius Conference EURO Mini Conference “Knowledge-Based Technologies and OR Methodologies for Strategic Decisions of Sustainable Development” (KORSD-2009). – 2009. – Publisher Vilnius Gediminas Technical University Publishing House “Technika”. – PP. 114–119. 200. Commuri, S. Calibration procedures for the Intelligent Asphalt Compaction Analyzer, USPTO, Patent Application / № 20100172696, August 26, 2009. Also, filed for patent and PCT, Method and apparatus for compaction of roadway materials, application. № US/PCT/55619, September 01, 2009. 201. Commuri, S. Method and apparatus for predicting the density of asphalt / S. Commuri, M. Zaman / USPTO, 7,669,458, March 02, 2010. 202. Commuri, S. Final Report – Intelligent Asphalt Compaction Analyzer / S. Commuri, M. Zaman ; submitted to Oklahoma Center for the Advancement of Science and Technology (OCAST). – 2007. 203. Commuri, S. Neural Network Based Compaction Analyzer for Density Measurement during the Construction of an Asphalt Pavement / S. Commuri, M. Zaman // International Journal of Pavement Engineering, vol.9, issue 3. – 2008. – PP. 177–188. 204. Commuri, S. Calibration Procedures for the Intelligent Asphalt Compaction Analyzer / S. Commuri, A. T. Mai, M. Zaman // ASTM Journal of Testing and Evaluation, vol. 37, no. 5. – 2009. – PP. 454–462. 205. Commuri, S. Neural Network-based Intelligent Compaction Analyzer for Estimating Compaction Quality of Hot Asphalt Mixes / S. Commuri, A. T. Mai, M. Zaman // ASCE Journal of Construction Engineering and Management. – 2010. – PP. 1–30. 206. Compaction in asphalt construction and earthworks. Hamm AG. – Tirschenreuth, September 2008, 142 p. 207. DTFH61-07-C-0032. (2011) Accelerated Implementation of Intelligent Compaction Technology for Embankment Subgrade Soils, Aggregate Base, and Asphalt Pavement Materials: Final Report. Federal Highway Administration. Report No. FHWA-IF-12-002. – Washington, D.C., July 2011. – 263 p. 208. Hairong, GU. Dynamics and Control on Double-drum Roller Maximum Brake Deceleration / GU Hairong, WANG Yongqi, LI Changming. // Journal of Computers. – Vol. 7. – № 5. – 2012. PP. 1212–1219. 242

209. Hiroshi, Furuya. Development Of Soil Stiffness Evaluation Equipment «Alfa-System» / Furuya Hiroshi; Fujiyama Tetsuo. Using Acceleration Response Of Vibratory Roller Proceedings of the 28th ISARC, IAARC international symposium on automation and robotics in construction, Seoul, Korea. – P. 337–342. 210. Hossain, Zahid. Evaluation of Rheological Properties of Asphalt Binders for Pavement Design Applications,: CEES Ph.D. Dissertation Defense / Hossain Zahid. – Wednesday, April 20, 2011. 211. Huerne, H. L. Compaction of asphalt road pavements: Ph.D. dissertation, University of Twente, Enschede / H. L.Huerne. – The Netherlands, 2004. 212. Influence of Rocking Motion on the Vibratory Roller-Based Measurement of Soil Stiffness J. Engineering Mechanics, ASCE, 2010, 136(7). – P. 898–905. 213. Intelligent Soil Compaction Systems. NCHRP Report 676. Transportat Ion Research Board, Washington, D.C., 2010. (Project 21-09): URL: www.trb.org. 214. Kassem, E.A.-R. Compaction eects on uniformity, moisture diusion, and mechanical properties of asphalt pavements. Ph.D. dissertation / E.A.-R. Kassem. – Texas A&M. University, December, 2008. 215. Koneru, S. A thermodynamic approach for compaction of asphaltic composites. Master's thesis / S. Koneru. – Texas A&M University, December, 2006. 216. Koneru, S. Modeling hot mix asphalt compaction using a thermo-dynamics based compressible viscoelastic model within the framework of multiple natural configurations: doctor of philosophy / S. Koneru/ – Texas A&M University USA, August, 2010. 217. Mollenhauer, K. Dimensionierungsrelevante Prognose des Ermüdu-ngsverhaltens von Asphalt mittels einaxialer ZugSchwellversuche : Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktoringenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte / Mollenhauer Konrad. – 2008. – 224 p. 218. Masad, E. Modeling of asphalt mixture laboratory and field compaction using a thermodynamics framework / E. Masad, S. Koneru, K. R. Rajagopal, A. Scarpas, C. Kasbergen // Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 2010. – Vol. 78. – P. 569–606. 219. Masad, E. Modeling of Hot-Mix Asphalt Compaction: A Thermo-dynamics-Based Compressible Viscoelastic model / E. Masad, S. Koneru, T. Scarpas, E. Kassem, K. R. Rajagopal // Texas Transportation Institute, The Texas A&M University System, College Station, Publication No. FHWA-HRT-10-065, December 2010, 110 p. 243

220. NCHRP 21-09. (2010). Intelligent soil compaction systems – NCHRP 21-09, National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board. Report No. 676. Washington, D.C. Project 2109. – 178 p. 221. Nijboer, L. W. Plasticity as a Factor in the Design of Dense Bituminous Road Carpets / L. W. Nijboer. – Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 1948. 222. On the rheological behaviour of the soil at the Artificial Consolidation, in Proceedings of the International Conference on Acoustics and Vibration / Gh. Oproescu, C. Debeleac, A. Leopa, S. Nastac. – Pitesti, Romania. 2008. 223. Report No. FHWA-HIF-12-019 Intelligent Asphalt Compaction Analyzer. Oklahoma City, OK. Contract or grant No. DTFH61-08-G-00002. Draft Final Report Highways for LIFE Technology Partnerships Program Federal Highway Administration Office of Acquisition Mgmt. (HAAM) 1200 New Jersey Ave., SE. – Washington, DC 20590. 2011. – 78 p. 224. Saal, R. N. J. Rheological properties in The Properties of Asphaltic Bitumen: with Reference to its Technical Applications, J. P. Pfeiffer / R. N. J. Saal. – Ed. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 1950, ch. Physical properties of asphaltic bitumen. 225. Saal, R. N. J. Rheological properties of asphalts / R. N. J. Saal, J. W. A. Labout // Rheology:Theory and Applications. – 1958. – Vol. 2. – P. 363–400. 226. Siminiati, D. Simulation on vibratory roller-soil Interaction / D. Siminiati, D. Hren // Advanced Engineering. – 2(2008)1. – P. 111–120. 227. Stander, JR. R. R. The rheology of asphalt / JR. R. R. Stander : Submitted to the Department of Civil Engineering on. May 20, 1966, 89 p. 228. U. S. Department of Transportation (2005) Federal Highway Admi-nistration Highway Statistics, Washington, DC: 2006 (table HM 20). 229. Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum settings for automatic controllers // Trans. ASME. 1942. Vol. 64. P. 759–768.

244

Научное издание

Прокопьев Андрей Петрович Иванчура Владимир Иванович Кустарев Геннадий Владимирович Емельянов Рюрик Тимофеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Редактор Т. И. Тайгина Корректор В. Р. Наумова Компьютерная верстка И. В. Гревцовой

Подписано в печать 21.03.2014. Формат 60×84/16. Печать плоская. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 15,31. Тираж 100 экз. Заказ № 2489

Издательский центр Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79 Тел./факс (391) 206-21-49, e-mail: [email protected] Отпечатано Полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел./факс (391) 206-26-49, тел. (391) 206-26-67 E-mail: [email protected]; http://lib.sfu-kras.ru 245