12.7. Автоматическая стабилизация вертикального (горизонтального) положения захватно-срезающего устройства

В процессе перемещения многооперационной машины по ле­сосеке вследствие изменчивости рельефа база трактора, а сле­довательно, и гидроманипулятор занимают различные положе­ния в пространстве, и для проведения работ по захвату дерева и его спиливания необходимо стабилизировать в вертикальном положении захватывающую систему с установленным на ней пильным аппаратом.

Основными показателями качества управления движением манипуляторного механизма является точность отработки уп­равляющего воздействия, которая характеризуется абсолют­ной и относительной погрешностями позиционирования рабо­чего органа. Для лесных манипуляторных машин, рабочий про­цесс которых предусматривает наведение захвата на дерево, его срезание и валку, наиболее важным параметром является точность наведения и стабилизации рабочего органа (захватно-

срезающего устройства) в вертикальной плоскости. Ограниче­нием здесь является угловая величина ±γ максимально допу­стимого отклонения от вертикального положения стойки за-хватно-срезающего устройства относительно рукояти манипуля­тора. Таким образом, в процессе наведения рабочего органа по оптимальной траектории определяющий режим функциониро­вания системы управления связан с поворотом рукояти. При этом качественная оценка, характеризующая процесс автома­тической стабилизации рабочего органа относительно верти­кали, должна проводиться с учетом влияющих факторов.

Управление рабочим процессом наведения и вертикальной стабилизации захватно-срезающего устройства можно произ­водить двумя способами, а именно: непрерывным управлением (возмущением) движением рабочей системы (рукояти манипу­лятора) и дискретным ее управлением.

На рис. 12.7, α условно показаны параметры процесса ста­билизации рабочего органа в условиях непрерывного возму­щающего воздействия (движение рукояти). При повороте ру­кояти Р, а следовательно, и стабилизируемого рабочего органа

на угол γ (положение 1) система управления должна вырабо­тать управляющий сигнал на отработку возмущающего воздей­ствия. С учетом времени запаздывания исполнительное устрой­ство начнет отработку возмущающего воздействия уже при но­вом положении рукояти 2 рабочего органа. При этом угол поворота рукояти составит

где ω_Р — средняя угловая скорость рукояти, рад/с; τ — время запаздывания системы управления, с.

Угол отклонения рабочего органа от вертикали в положе­нии 2 равен γ2 + φ(τ).

Отработка возмущающего воздействия происходит путем поворота рабочего органа со средней угловой скоростью ω_п в направлении, противоположном возмущающему воздействию ω_Ρ. Принимая ω_п>ω_ρ, и с учетом разности угловых скоростей Δω = ω_п — ω_ρ находим угол поворота рукояти, при котором до­стигается обработка возмущающего воздействия:

а угол поворота рукояти с момента начала отработки угла ра­вен φ(τ)+φ(Δω).

По управляющему сигналу исполнительное устройство от­ключится уже в положении 3 с запаздыванием τ, чему будет соответствовать новое положение рабочего органа. Угол пово­рота рукояти за время τ определяется по формуле (12.1), а рабочий орган при этом займет положение 4 с поворотом на угол α = Δωτ. Отклонение рабочего органа от вертикали по аб­солютной величине составит

Условием выполнения системой управления своей основной функции — стабилизации рабочего органа будет являться зна­чение |γ₁|<|γ|.

Из уравнения (12.3) находим

Разность |γ| — |γ'| в формуле (12.4) является запасом по точности рассматриваемого процесса стабилизации рабочего органа.

Другим важным параметром процесса вертикальной стаби­лизации рабочего органа при непрерывном возмущающем воз-

действии является угол поворота рукояти из положения 1 в по­ложение 4 за период стабилизации

где дополнительное слагаемое φ (τ), соответствующее углу по­ворота рукояти из положения 3 в положение 4 при отключении исполнительного устройства с запаздыванием τ.

Процесс стабилизации рабочего органа при фиксированном (дискретном) угле поворота рукояти φ_зад показан на рис. 12.7, б. Для данного режима поведения рабочего органа можно определить угол рассогласования φ_ρ в конечный момент дви­жения рукояти (ω_p = 0).

Из условия

с учетом (12.1) при ω_п — ω_р = Δω>0 находим

Наличие угла рассогласования φ_Ρ характеризует незавер­шенность процесса стабилизации и определяет необходимость в затрате дополнительного времени на отработку рассогласо­вания ω_р, что и показано на рис. 12.7, в. Итак, в положении 1 рабочий орган имеет угловую скорость ω_п и его положение от­носительно максимально допустимого угла отклонения от вер­тикали ±γ характеризуется углом рассогласования φ_р. При движении рабочего органа в положение 2 при помощи первич­ного преобразователя в системе управления формируется команда на отключение исполнительного устройства с време­нем запаздывания τ. При этом угол поворота рабочего органа равен φ(τ)=ω_пτ и условие обеспечения отработки этого рассо­гласования в положении 3 определяется как

При несоблюдении данного условия отработка рассогласо­вания осуществляется по схеме на рис. 12.7, г. В положении 3 происходит включение обратного движения рабочего органа, а в положении 4 — отключение с запаздыванием τ. Рабочий ор­ган при этом займет положение 5, в котором вновь включается исполнительный орган для отработки рассогласования. Таким образом, в системе возникает автоколебательный процесс, ко­торый характеризуется амплитудой

Для обеспечения φ_р = 0 из выражения (12.7) получаем фор­мулу

(12.10)

связывающую Δω и ω_р для обеспечения заданного углового от­клонения ±γ при фиксированном (дискретном) угле поворота рукояти.

Проведенный анализ выдвигает проблему автоматического управления захватно-срезающим устройством с точки зрения

Рис. 12.8. Схема гравитационной системы стабилизации стойки манипулятора

уменьшения ошибки в точности его наведения на дерево и как следствие увеличения производительности многооперационной лесосечной машины. Для автоматической стабилизации за-хватно-срезающего устройства по вертикали можно применять различные датчики. На рис. 12.8 приведена принципиальная функциональная схема следящей гравитационной системы с фо­тоэлектрическим датчиком. Задающим устройством такой сле­дящей системы является груз 1 с диском 2.

Датчик представляет собой диск 2 с прорезями 3 и 3'. Диск удерживается в вертикальном положении грузом 1. С од­ной стороны диска установлены лампы подсветки 4 и 4', с дру­гой фотодиоды 10 и 10'. Датчик размещается на стойке 5 за-хватно-срезающего устройства (показано стрелкой). При по­вороте стойки на угол α от вертикального положения, напри­мер против часовой стрелки, световой поток лампы подсветки 4

через щель 3 начнет воздействовать на фотодиод 10, который «срабатывает» и включает реле К1. Это реле 9 своими кон­тактами выключает электромагнит 8 золотника 7. Золотник занимает одно из крайних своих положений, и жидкость начи­нает поступать в рабочую полость гидроцилиндра 6, шток кото­рого начнет перемещать стойку 5 по часовой стрелке. Это пе­ремещение продолжается до тех пор, пока она не займет строго вертикального положения. При этом лампа 4 с диодом 10 зай­мут такое положение, что световой поток уже не будет через щель воздействовать на диод. Реле K₁ обесточится, золотник займет нейтральное положение и стойка захватно-срезающего устройства остановится, отработав строго вертикальное поло­жение. Пильный аппарат при этом будет занимать горизонталь­ное положение.

Помимо рассмотренных факторов, определяющих точ­ность отработки сигнала управления, важным является во­прос о влиянии конструктивных параметров гидравлических элементов системы и их скоростные характеристики. Ранее мы имели дифференциальное уравнение движения стрелы манипу­лятора, которое определяется углом ее поворота α₂.

Значение рабочего давления Р₁ можно получить из урав­нения

где μ — коэффициент расхода; f — сечение проходного отвер­стия; g — ускорение свободного падения; γ — плотность жидко­сти; Ро — давление перед золотником.

С другой стороны, скорость перемещения штока гидроци­линдра составляет

Значение величины проходного сечения можно определить как f=πdΔ, где d — диаметр золотника; Δ — величина переме­щения поршня золотника от нейтрального положения.

Подставив эти значения в полученные уравнения и решив его относительно P₁, получим следующее значение рабочего давления Р₁ в гидроцилиндре:

При упрощении движением масштабной рукоятки с посто­янной скоростью движения всей механической системы будет

также происходить с постоянной скоростью, т. е.

Тогда, пренебрегая величиной сухого трения М_с=0 и величи­ной М = 0, запишем общее дифференциальное уравнение в та­ком виде:

где K₁ и K₂ — коэффициенты пропорциональности, так как

Решив это уравнение относительно Δα, получим

Из этого уравнения видно, что с увеличением скорости дви­жения стрелы

увеличивается и ошибка рассогласования

Δα. Если же

, то величина рассогласования

т. е. механическая система при фиксированном положении мас­штабной рукояти управления отслеживает задаваемое положе­ние с нулевой конечной ошибкой.

Анализируя полученное уравнение, видим, что для уменьше­ния ошибки рассогласования Δα желательно применять гидро­цилиндры с возможно малым диаметром D, а золотники с боль­шим диаметром d, увеличивать рабочее давление Р₀, а также коэффициент пропорциональности K₂.