Разработка автоматизированной системы адаптивного управления рабочим оборудованием одноковшового гидравлического экскаватора

Abstract

Управление рабочим оборудованием одноковшового гидравлического экскаватора остаётся ручным: задание скоростей гидроцилиндров стрелы, рукояти и ковша формирует машинист, реагирующий на изменение сопротивления грунта с запаздыванием порядка секунды. Системы автоматизации, доступные на российском рынке, решают геодезическую задачу выведения режущей кромки на проектную отметку и не воздействуют на распределение потока рабочей жидкости при смене категории разрабатываемого грунта. Цель работы – построение и расчётная проверка структуры автоматизированной системы, которая перенастраивает задание скорости рукояти по текущей оценке удельного сопротивления копанию. Расчёт выполнен на авторской модели машины 4-й размерной группы по ГОСТ 30067-93 с эксплуатационной массой 23 т, ковшом вместимостью 1,0 м³ и номинальным давлением в гидросистеме 34 МПа; оценка сопротивления копанию получена рекуррентным методом наименьших квадратов с забыванием при периоде дискретизации 20 мс; режимы сопоставлены имитационным моделированием на 10 000 реализаций забоя. Установившаяся относительная погрешность оценки удельного сопротивления копанию составила 4,3% для грунтов I-II категорий и 6,8% для III-IV категорий при задержке отработки 0,34 с. Переход от базового управления к адаптивному увеличивает техническую производительность на грунтах IV категории со 110,0 до 135,3 м³/ч и снижает удельную энергоёмкость разработки с 0,984 до 0,734 кВт·ч/м³; на грунтах I категории прирост производительности не превышает 2,6%. Средневзвешенный по смешанному забою прирост производительности достиг 10,5% при снижении энергоёмкости на 19,3%. Зависимость эффекта от показателя степени в законе адаптации немонотонна, оптимум лежит вблизи значения 0,72. Выигрыш адаптивного контура сосредоточен в области тяжёлых грунтов и порождается устранением сбросов через предохранительный клапан, а не ускорением холостых участков цикла, что переносит центр тяжести проектирования системы управления с кинематики траектории на идентификацию силового взаимодействия ковша с грунтом. Control of the working equipment of a single-bucket hydraulic excavator remains manual: the speed commands for the boom, arm and bucket cylinders are formed by the operator, who responds to changing soil resistance with a delay of about one second. The automation systems available on the Russian market solve the geodetic task of guiding the cutting edge to the design elevation and do not affect the distribution of working fluid flow when the soil category changes. The aim of the work is to construct and verify by calculation the structure of an automated system that retunes the arm speed command according to the current estimate of specific digging resistance. The calculation was performed on the author's model of a machine of the 4th size group under GOST 30067-93 with an operating mass of 23 t, a bucket capacity of 1.0 m³ and a rated hydraulic system pressure of 34 MPa; the digging resistance estimate was obtained by the recursive least squares method with forgetting at a sampling period of 20 ms; the modes were compared by simulation over 10,000 realisations of the working face. The steady-state relative error of the specific digging resistance estimate was 4,3% for soils of categories I-II and 6,8% for categories III-IV, with a response delay of 0,34 s. The transition from baseline to adaptive control raises technical productivity on category IV soils from 110,0 to 135,3 m³/h and reduces the specific energy intensity of excavation from 0,984 to 0,734 kWh/m³; on category I soils the productivity gain does not exceed 2,6%. The gain averaged over a mixed face reached 10,5% in productivity with a 19,3% reduction in energy intensity. The dependence of the effect on the exponent in the adaptation law is non-monotonic, with an optimum near 0,72. The benefit of the adaptive loop is concentrated in the region of heavy soils and originates from the elimination of relief valve discharges rather than from acceleration of the idle portions of the cycle, which shifts the centre of gravity in control system design from trajectory kinematics to identification of the force interaction between bucket and soil.