Применение модельно-ориентированного проектирования при создании грузоподъемного механизма и его привода

Введение

Модельно-ориентированное проектирование (МОП) [1, 2] является эффективным способом разработки новых изделий, отладки систем управления сложных и наукоемких техничес­ких объектов, а также отличным инструмен­том для проверки функционирования систем (узлов), включающих в себя компоненты из различных областей моделирования (гид­равлика, пневматика, механика, термодинами­ка, электромеханика и т. д.). МОП позволяет значительно сократить время постановки из­делия на серийное производство, снизить ко­личество опытных образцов (прототипов) и ис­ключить основные ошибки на ранних стадиях проектирования. В данной работе представлен опыт применения данного способа в опытном конструкторском бюро (ОКБ) ПАО «Маши­ностроительный завод им. М.И. Калинина, г. Екатеринбург» (МЗИК) на примере создания системной (полной) модели крано-манипуляторной установки (КМУ) и программно-аппа­ратного моделирования работы КМУ.

Постановка задачи исследования

Объектом изучения в данной работе является крано-манипуляторная установка (получен па­тент РФ на полезную модель № 162251), пред­ставленная на рисунке 1 (вид геометричес­кой модели в программном обеспечении (ПО) Creo Parametric). КМУ состоит из следующих основных частей, связанных между собой ки­нематическими связями: базы, поворотного основания, стойки, стрелы, телескопической части и лебедки.

Области использования КМУ доста­точно широки, и большинство таких устано­вок входят в состав машин двойного назна­чения (гражданского и военного). Они могут быть использованы в качестве [3]: транспортно-заряжающих машин артиллерийских и ракетных комплексов, инженерных машин для прокладки колонных путей и дорог, строи­тельства аэродромов, мостов и переправ, обо­рудования артиллерийских и ракетных огне­вых позиций, командных пунктов, пунктов связи и др. В данной статье под КМУ пони­мается крановый механизм военного назначе­ния, предназначенный для последовательно­го перезаряжания пусковых установок (ПУ) и пуско-заряжающих установок (ПЗУ).

Грузоподъемность крана при вылете 3500 мм от оси поворота основания состав­ляет 6350 кг (максимально 8000 кг).

Целью работы является создание вир­туального опытного образца изделия КМУ, моделирование системы управления электро­гидроприводом и тестирование системной мо­дели в режиме реального времени. В процессе модельно-ориентированного проектирования грузоподъемного механизма моделирование производилось в ПО MATLAB.

Метод решения задачи исследования

Модельно-ориентированное проектирование грузоподъемного механизма включает следую­щие этапы: разработка модели гидравлической части; разработка модели механической части; разработка модели электрической части; раз­работка системной модели; синтез алгоритмов управления и запуск системной модели на ма­шине реального времени.

Соответственно для создания системной модели КМУ была выполнена декомпозиция объекта на подсистемы. В итоге системная модель изделия представлена подсистемами (виртуальные стенды): гидравлической час­ти; механической/гидромеханической части и электрической части с системой управления.

Разработка модели гидравлической час­ти включает пять подзадач [4]: формирова­ние списка компонентов схемы, моделиро­вание отдельных компонентов, верификация и доработка моделей агрегатов, сборка модели и моделирование базовых режимов. Основные компоненты гидравлической части: насосная станция на входе гидравлической системы, гидромоторы (лебедки и основания); цилин­дры (стойки, стрелы и телескопа); клапаны (предохранительные и обратные); распреде­лители; магистрали.

Основные параметры гидромотора осно­вания КМУ: рабочий объем 16 см³; номиналь­ная частота вращения 3000 об/мин; давление на входе 20 МПа. Основные параметры гидро­мотора лебедки КМУ: рабочий объем 28 см³; номинальная частота вращения 1920 об/мин; давление на входе 20 МПа.

Диаметр поршня и ход поршня гидроци­линдра стойки равны 140 и 562 мм. Диаметр поршня и ход поршня гидроцилиндра стрелы - 200 и 545 мм. Диаметр поршня и ход поршня гидроцилиндра телескопа - 100 и 2490 мм со­ответственно.

В распределительных клапанах (гидро­распределителях) эквивалентный диаметр ра­вен 20 мм и время полного открытия - 2 с.

На следующих иллюстрациях (рис. 2 и 3) для примера приведены структурные схемы, входящие в состав имитационно-математичес­кой модели КМУ.

На рисунке 2 представлена структурная схема гидроцилиндра стойки.

На рисунке 3 - структурная схема ме­ханической части стойки. Аналогичным об­разом были спроектированы имеющиеся гидравлические и механические части КМУ.

Модели подсистем разрабатывались с достаточной степенью детализации с целью дальнейшего исследования переходных про­цессов на определенных участках, которые в дальнейшем использовались для создания системной модели КМУ. На этапе разработки моделей применялись паспортные характерис­тики компонентов, некоторые из них в даль­нейшем будут уточняться по результатам на­турных испытаний.

В электроприводе гидропривода КМУ (насосной станции на входе гидравлической системы крано-манипуляторной установки) используется электродвигатель ДАТ 15000, управляемый контроллером силовым - КС-220 при помощи прикладного программного обес­печения (Свидетельство о госрегистрации программы на ЭВМ № 2016617322). Выбор электродвигателя для работы в регулируемом электроприводе является важным фактором, влияющим на надежность эксплуатации при­водного/рабочего механизма и изделия в це­лом. В данном проекте используется новый тяговый электродвигатель ДАТ 15000 (полу­чен патент РФ на полезную модель № 184734). Параметры T-образной схемы замещения ДАТ 15000 приведены в работе [5]. Электро­двигатель изготовлен для работы в том чис­ле при питании от преобразователей частоты (ПЧ) и для эксплуатации в жестких условиях при влиянии различных негативных факторов.

Для повышения надежности электродвигателя его конструктивная часть содержит в том чис­ле охлаждающий контур, включающий охла­ждающие каналы, проходящие через ротор в осевом направлении. Принятые решения позволяют улучшить циркуляцию внутреннего воздуха и тем самым усовершенствовать схему теплопередачи.

На основе исследований [5, 6] в систе­ме управления частотно-регулируемого асин­хронного электропривода (ЧРАП) реализован скалярный принцип частотного управления. В скалярной системе управления ДАТ 15000 основными управляемыми переменными сос­тояния электропривода являются модуль век­тора напряжений на зажимах обмотки статора (U_sy*) и угловая частота (ω_s*) вращения этого вектора относительно статора.

По результатам моделирования [5] и спектрального анализа [6] при питании ДАТ 15000 от ПЧ (контроллер силовой КС- 220) с частотами широтно-импульсной моду­ляции (ШИМ) 1, 2, 4 и 8 кГц, полученными посредством блока Powergui - FFT Analysis (БПФ - быстрое преобразование Фурье), наи­более оптимальными (с точки зрения миниму­ма коэффициентов высших гармоник напряже­ния и тока статора) являются частоты с ШИМ f_ШИМ = 4 и 8 кГц. При этом следует учитывать, что вследствие повышения частоты коммута­ций пропорционально увеличиваются комму­тационные потери в автономном инверторе напряжения и снижается его допустимая по­лезная мощность. Поэтому в данном проекте для данного электрогидропривода КМУ наибо­лее оптимальной частотой ШИМ при питании ДАТ 15000 от КС-220 принята f_ШИМ = 4 кГц.

Как отмечено выше, детализирован­ная модель электропривода для управления гидроприводом КМУ приведена в работе [5]. В системе управления ДАТ 15000 применя­ется отсечка по току статора (I_smax = 2I_ном), обеспечивающая эффективное токоограничение в переходных режимах пуска, торможения и изменения нагрузки на валу электродвигате­ля, включая стопорение.

На рисунке 4 представлена Simulink- модель электрогидропривода, в котором реа­лизована скалярная система частотного управ­ления.

В итоге системная модель КМУ собира­лась из моделей подсистем с целью проверки функционирования и их взаимодействия (про­верка на соответствие требованиям техничес­кого задания - ТЗ), а также для отладки алго­ритмов управления. Общий вид системной модели приведен на рисунке 5.

В системной модели КМУ возможны два типа управления: разомкнутый и замкнутый. Разомкнутый тип управления представляет собой выдачу команд в заранее определенном порядке через заданные промежутки времени, т. е. отработка условной циклограммы. Для за­дания команд используется блок Signal Builder.

Условная циклограмма разомкнутой си­стемы управления приведена на рисунке 6.

На нем отмечены: Boom - стойка; Jib - стрела; Hoist - лебедка; Foundation - основание; Tele­scope - телескоп; Cargo - груз; Pump_pwr - на­сосная станция. Условная циклограмма работы включает: подъем стойки; подъем стрелы; вы­движение телескопа; опускание каната лебед­ки; сцепление груза; подъем каната лебедки; поворот основания; опускание каната лебед­ки; отпускание груза; подъем каната лебедки; поворот основания обратно; сборка телескопа; опускание стрелы и стойки.

Для реализации замкнутого типа управ­ления выбран метод конечных автоматов на основе модуля Stateflow. Система управле­ния с обратной связью основывается на инфор­мации от концевых датчиков, предполагаемо размещаемых на всех агрегатах КМУ.

Общий вид замкнутой системы управле­ния показан на рисунке 7. На нем отмечены: IDLE - холостой ход; Boom_UP - подъем стой­ки; Jib_UP - подъем стрелы; Telescope_UP - выдвижение телескопа; Hoist_DOWN - опус­кание каната лебедки (повторяется 2 раза); Cargo_LOADING - сцепление груза; Hoist_UP - подъем каната лебедки (повторяется 2 раза); Foundation_LEFT - поворот основания в левую сторону; Cargo_RELEASE - опуска­ние (отцепление) груза; Foundation_RIGHT - поворот основания в правую сторону; Telescope_DOWN - сборка телескопа; Jib_ DOWN - опускание стрелы; Boom_DOWN - опускание стойки.

В результате использование метода ко­нечных автоматов, реализованного посред­ством модуля Stateflow, позволяет использо­вать в алгоритме управления стандартные алгоритмические шаблоны, такие как ветвле­ния и циклы, и отрабатывать аварийные ситу­ации (например, неисполнение команд в тече­ние заданного времени).

На рисунке 8 приведена 3Б-модель КМУ, импортированная в пакет MATLAB. Кран работает по условной циклограмме (рис. 7) с массой груза 8000 кг. Модель включает основные детали крана с учетом их масс и гео­метрических размеров и выполнена на основе сборки файлов STL формата (Creo Parametric).

На рисунке 9 для примера приведены графики изменения давления на входе и вы­ходе гидромотора лебедки. График изменения давления соответствует вышеприведенным данным (паспортное максимальное давление на входе гидромотора - 20 МПа).

На рисунке 10 приведены выходные характеристики работы системной модели КМУ по скорости и перемещениям отдельных агрегатов в машинном времени. В частности: S₁, Boom, m – перемещение штока в цилиндре стойки, м; S₂, Jib, m – перемещение штока в цилиндре стрелы, м; V₁, Hoist – rotation speed, rad/s – скорость навивки каната на барабан лебедки, рад/c; S₃, Hoist – coordinate, m – перемещение каната лебедки (опускание/подъем), м; V2, Hoist – speed, m/min – скорость подъема каната лебедки, м/мин; F, Foundation, deg – угол поворота основания, °; S₄, Telescope, m – перемещение штока в цилиндре телескопа, м.

По результатам моделирования рабо­ты КМУ скорость подъема/опускания гру­за в среднем составляет 3,4 м/мин, что соот­ветствует требованиям технического задания при проектировании готового изделия КМУ.

Разработанная системная модель КМУ может рассматриваться в качестве виртуально­го опытного образца реального изделия. Струк­тура системной модели является достаточно сложной, что объясняется главным образом тем, что каждая подсистема блоков включает свои внутренние блоки, внутри которых так­же свои блоки и элементы, и так до степени возможной детализации и учета требуемых факторов. На ней можно как проводить вирту­альные эксперименты, связанные с функцио­нированием изделия самого по себе - строить характеристики, изучать динамические ре­жимы, уточнять паспортные параметры, так и использовать ее для дальнейших разработок. Одновременно можно проводить отработку программы управления частотно-регулируе­мого асинхронного электропривода КС-220 (в части регулирования: интенсивности раз­гона, частоты выходного напряжения, частоты ШИМ и токоограничения). Следует уточнить, что на текущий момент в системной модели КМУ не учитываются условия окружающей среды (температура, скорость ветра и т. д.).

В дальнейшем реализовано тестирование системной модели в режиме реального вре­мени. Для этого использовался комплекс по- лунатурного моделирования (КПМ) «РИТМ» и модули пакета MATLAB: Simulink Real-Time, MATLAB Coder и Simulink Coder.

Специализированные модули ввода- вывода, установленные в машине реально­го времени - КПМ «РИТМ», позволяют под­ключаться к внешним интерфейсам, таким как аналоговые и цифровые входы и выходы, ШИМ, и работать с промышленными прото­колами, такими как MIL-STD-1553, real-time UDP, RS232/RS422/RS485 и т. д.

Модели, работающие в реальном време­ни, позволяют вплотную приблизиться к пере­ходу от моделирования к натурным образцам изделия, т. е. перейти к полунатурному моде­лированию. В мировой инженерной практике сценарии полунатурного моделирования вклю­чают в том числе:

• быстрое прототипирование алгорит­мов управления - системы автоматического управления (САУ) в виде модели реального объекта;
• программно-аппаратное моделирова­ние (Hardware-in-the-Loop - HIL) - САУ яв­ляется реальной, объект в виде модели.

В данном проекте системная модель ис­пользовалась для программно-аппаратного моделирования (HIL-тестирования) объекта. При компьютерном моделировании под рабо­той в реальном времени понимается выполне­ние двух основных условий: каждый шаг рас­чета начинается в строго определенное время; каждый шаг расчета модели занимает не более отведенного времени. На практике эти условия означают, что время расчета модели равно дли­тельности моделируемого процесса (с точнос­тью до шага расчета).

На рисунке 11 представлена оптимизиро­ванная (выполнены упрощения, в том числе ис­ключен модуль конечного автомата) системная модель КМУ для работы в режиме реального времени. Было проведено HIL-тестирование бло­ка управления (контроллера силового КС-220), подключенного к комплексу полунатурного мо­делирования (КПМ) «РИТМ». Внешний вид стенда полунатурного моделирования представ­лен на рисунке 12, это: компьютер, комплекс полунатурного моделирования (машина реального времени), опытный образец контроллера силово­го и дополнительный монитор.

Для связи контроллера силового и компьютера используется RS-232 адаптер. Питание контроллера силового осуществляет­ся от лабораторного источника напряжения. Связь контроллера силового и комплекса полунатурного моделирования осуществляется посредством:

• терминальной платы (аналогово-циф­рового модуля и его проводов), связывающих плату IGBT драйвера контроллера силового КС-220 с КПМ;
• терминальной платы (аналогово-циф­рового модуля и его проводов), связывающих плату датчиков тока контроллера силового КС- 220 с КПМ.

Компьютер и КПМ для обмена данными связываются посредством Ethernet-кабеля.

Из системной модели в КС-220 переда­ются токи статора электродвигателя посред­ством терминальной платы КПМ. Из КС-220 в системную модель передаются сигналы ШИМ посредством терминальной платы КПМ.

На рисунке 13 приведены выходные характеристики работы системной модели КМУ по скорости и перемещениям отдельных агрегатов в реальном времени. Помимо выход­ных характеристик, приведенных как на рисун­ке 10, дополнен график V₃, Foundation, rpm - скорость вращения основания, об/мин.

На рисунке 14 представлен график измене­ния частоты вращения электродвигатели при ра­боте в составе электрогидропривода КМУ, полу­ченный в режиме реального времени. В процессе испытаний контроллера силового КС-220 темп изменения частоты выходного напряжения был установлен по умолчанию 10 Гц/c.

График изменения частоты вращения электродвигателя соответствует отработке по условной циклограмме (рис. 6) и номиналь­ной скорости вращения ротора - 611,42 рад/c.

Интерпретация полученных результатов и перспективы

Системная модель КМУ реального време­ни позволила провести отработку програм­мы управления контроллера силового КС-220 для электродвигателя ДАТ 15000 при отсут­ствии соответствующего испытательного стен­да на начальном этапе, что также положи­тельным образом повлияло на эффективность опытно-конструкторской работы в целом.

При разработке системной модели воз­никали сложности, связанные с отсутствием достаточного количества исходных данных, проводилось взаимодействие со сторонними организациями и обмен информацией, а также оптимизация ряда подсистем модели для нор­мирования скорости расчета.

В последующем этапе системного моде­лирования грузоподъемного механизма была реализована возможность импорта сборок 3D- моделей напрямую из Creo Parametric в MAT- LAB (установлен плагин Simscape Multibody Link), что в результате позволяет следующее:

• в окне Simulink-модели автоматически строить из блоков детализированную полную модель механики (из библиотеки Simulink/Sim­scape Multibody);
• выполнять сборку в аналогичной по­следовательности, как и дерево модели в Creo Parametric;
• передавать геометрические размеры, цвета;
• передавать связи, системы координат, ограничения и шарнирные соединения;
• передавать массы, центры масс и мо­менты инерции.

Также в процессе импорта в MATLAB автоматически создается DataFile.m файл с исходными параметрами (геометрия, мас­сы и т. д.), что позволяет при необходимости вносить изменения в модель и анализировать выходные данные.

Заключение

В ходе работы были построены виртуальные стенды частей КМУ и полная системная мо­дель объекта. Разработан стенд полунатур- ного моделирования на базе КПМ «РИТМ». Системная модель КМУ в пакете MATLAB позволяет исследовать характеристики и пере­ходные процессы гидропривода (давление, расход); характеристики и переходные процес­сы механической части (траектории перемеще­ний, реакции в шарнирах, скорость подъема груза, нагрузочный момент от лебедки); элек­тромагнитные характеристики и переходные процессы электропривода (контроллера си­лового и асинхронного двигателя), отработку программы управления КС-220 и т. д.

Полученные результаты способствуют выбору оптимальных параметров узлов, эле­ментов и позволяют анализировать работу КМУ при различных (в том числе аварийных) условиях. В частности:

• поведение крана при работе c грузами малых и больших масс;
• поведение крана при регулировании скорости электродвигателя гидропривода;
• поведение крана при работе от одного/ двух насосов гидропривода;
• поведение крана при варьировании циклограммы его работы;
• изменение габаритных размеров крана;
• изменение объема цилиндров стойки, стрелы и телескопа;
• изменение ПО КС-220 в части интенсив­ности разгона, частоты выходного напряжения;
• изменение объема насосов гидропри­вода;
• изменение объема гидромоторов;
• изменение плотности рабочей жид­кости;
• и другие изменения параметров и ре­жимов работы крана.

Модельно-ориентированное проектиро­вание на данный момент активно внедряется при разработке новых изделий в ОКБ ПАО «МЗИК».