Управление проектированием

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
Калужский филиал 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М. В. Астахов 
 
 
УПРАВЛЕНИЕ 
ПРОЕКТИРОВАНИЕМ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

УДК 631 
ББК 34.751 
 
А91 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф., зав. лабораторией новой энергетики 
ГНУ ГОСНИТИ (г. Москва)  Ю. А. Мазалов; 
д-р техн. наук, проф. кафедры автоматизированного оборудования 
машиностроительного производства ФГОУ ВПО «Воронежский 
государственный технический университет»  С. Ю. Жачкин 
 
 
 
Астахов М. В. 
А91 
 
Управление проектированием : монография. — М. : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 360 с. 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3491-6 
 
 
 
В монографии разработана методология проектирования сельскохозяйственных машин с использованием основополагающих принципов теории автоматического управления: разомкнутого, управления с обратной 
связью и управления по возмущению (компенсации). 
 
 
Показано, что создание проекта, а затем и объекта проектирования 
представляет собой процесс, которым необходимо управлять, в результате 
чего возможно создание не только рациональных по массе, себестоимости 
или конструктивному совершенству изделий, но и адаптивных машин, которые «подстраиваются» под меняющиеся внешние возмущающие факторы 
и избегают нерасчетных режимов, приводящих к авариям и катастрофам. 
 
 
Разработан новый класс квазимеханизмов — управляемых затяжек, 
которые создают возможность адаптации элементов и узлов машин, причем энергетические источники данных систем могут быть как внешними 
(обычными), так и внутренними, использующими потенциальную энергию 
упругого деформирования несущей конструкции. 
 
 
УДК 631 
ББК 34.751 
 
 
 
 
 
© Астахов М. В., 2011 
 
© Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3491-6 
 
им. Н. Э. Баумана, 2011 

ВВЕДЕНИЕ 

Применение тонкостенных упругих элементов в конструировании машин обусловлено их высокой несущей способностью при 
минимальной массе и сравнительно низкой себестоимости. Тонкостенные гнутые профили, тонкие пластинки, панели и оболочки 
являются широко распространенными узлами тракторов, автомобилей, комбайнов, подъемно-транспортных машин и другой техники, применяемой в сельском хозяйстве. 
Снижение материалоёмкости конструкций является актуальной 
задачей, но её успешное решение всегда связано с уровнем надежности машин. 
Результаты анализа работы тонкостенных элементов показывают их недостаточную надежность во время эксплуатации в полевых условиях, несмотря на то что материалоёмкость некоторых 
узлов явно завышена. Этот, казалось бы, противоречивый вывод 
можно объяснить отсутствием системного подхода в проектировании и конструировании, а также объединяющей методологии при 
расчете различного типа сельскохозяйственных машин. 
Почему-то принято «по умолчанию», что для сельскохозяйственной техники завышенная материалоёмкость обязательна, так 
как культура эксплуатации подобных машин находится на невысоком уровне. Кроме того, априори считается, что завышенная материалоёмкость (чаще всего — металлоёмкость) автоматически увеличивает все показатели надежности. 
В настоящее время эта точка зрения не выдерживает критики. 
Повышение стоимости стального проката, большие эксплуатационные затраты на перевозку «лишних» килограммов, сложность 
обслуживания и ремонта тяжелых машин, уплотнение ими пахотного слоя – вот неполный перечень проблем, возникающих с увеличением массы изделия. 
В монографии разработана общая методология проектирования 
и конструирования сельскохозяйственных машин, состоящих в основном из тонкостенных элементов (гнутых профилей, пластинок 
и оболочек). Её основные принципы соответствуют принципам 
теории автоматического управления (принципу разомкнутого управ

ления, принципу управления с обратной связью и принципу компенсации — управления по возмущению). 
Теория управления в основном предполагает манипулирование 
математическим описанием регулирования процессов, связанных 
с объектами управления. 
Автором обосновано применение принципов теории управления 
в построении математических моделей тонкостенных конструкций 
сельскохозяйственных машин, получение при помощи ряда математических операций решений, близких к оптимальным, и использование их в проектировании и конструировании. 
Одним из элементов проектирования с минимизацией массы является введение переменности толщины стенок тонкостенной конструкции, или, с учетом технологичности и себестоимости, введение ступенчатого изменения толщины. Кроме того, тонкостенные 
конструкции чаще всего подвержены воздействию переменных по 
длине или площади распределенных нагрузок. Эти факторы вводят 
ряд особенностей в построение математической модели проектируемой машины; в частности, появляются переменные коэффициенты в дифференциальных уравнениях краевых задач, что не дает 
возможность получать искомые точные решения. 
Существующий аналитический метод возмущений, который дает неплохие результаты даже при приближениях до третьего члена 
степенного ряда, трудоемок, так как предполагает «ручной» аналитический счет. 
Численные методы (в частности, метод конечных разностей) 
дают достаточно большие разбросы по результатам в зависимости 
от числа узлов сетки и предполагают получение априорных оценок, что затруднительно при высоких степенях дифференциальных 
уравнений. 
Автором разработан и предложен к применению численный метод, основанный на аналитической процедуре метода возмущений 
и известных конечных разностях обычной точности. С его помощью 
получен ряд результатов, применимых при конструировании сельхозмашин (в частности, ёмкости автокормовоза, бортов и платформы 
прицепа для тяжелых тракторов, других конструкций и сооружений). 
Если применение принципа разомкнутого управления не приводит к изменению общепринятого подхода к проектированию машин, а принцип управления с обратной связью вводит элементы 

экспериментальных исследований или испытаний созданной машины, то принцип управления по возмущению (принцип компенсации) открывает в проектировании и эксплуатации машин совершенно новые перспективы, ранее практически не исследованные. 
Здесь наряду с построением математической модели и её анализом, 
предполагается создание реального материального объекта (машины) — предмета проектирования и конструирования, параллельного изучения поведения модели и объекта по исследуемым факторам, а затем построение таких дополнительных математических 
и материальных механизмов, которые бы компенсировали часть 
вредных факторов вплоть до полного их устранения. 
Например, если одним из исследуемых факторов являются 
внутренние усилия, то для определенных зон конструкций машины 
путем введения управляемых за счет внешних энергетических источников затяжек можно эти внутренние усилия свести к минимуму или к величине, не опасной для эксплуатации. Целью подобного проектирования может быть снижение массы или увеличение 
надежности конструкции. 
Реализация подобного подхода осуществлена на нескольких 
примерах. В частности, разработана конструкция ёмкости автокормовоза АСП-25, масса которой на 1000 кг ниже, чем у прототипа, выпускаемого заводом-изготовителем, проведены исследования 
напряженно-деформированного состояния кузова и рам прицепа 
ПСЕ-20, в результате чего даны рекомендации по снижению его 
массы и, кроме того, разработаны конструкция и технология изготовления его бортов из композиционного материала, в результате 
чего масса каждого уменьшена в 4 раза (со 120 кг до 30 кг) с сохранением заданного уровня надежности. 
Разработаны конструкции ряда управляемых затяжек (некоторые 
на основе почти мгновенно изменяемых систем), которые можно 
применять не только для оговоренных выше машин, но и многих 
других, чья работа связана с циклическим загружением. 
Автор надеется, что рассматриваемые новые подходы к конструированию машин помогут инженерам-проектировщикам создать 
отдельный класс механических систем с повышенной надежностью, 
которые при эксплуатации в режиме реального времени могут автоматически адаптироваться к меняющимся внешним воздействиям 
и, в конечном счете, избегать аварий и катастроф. 

ГЛАВА 1. 
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 

1.1. 
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 

Тонкостенные габаритные конструкции, применяемые в сельскохозяйственной технике, в частности в машинах для животноводства и кормопроизводства, имеют завышенную материалоёмкость. 
Так, на основании работы [1], за период с 1971 по 1990 гг. заводом 
«Брянсксельмаш» было выпущено 57 376 бункеров типа БК-40. 
Масса одного бункера, имеющего объём около 40 м3, равна 3000 кг. 
Масса однотипного бункера К848 (производства Германии), имеющего приблизительно тот же объём, равна 2167 кг. Нетрудно подсчитать, что снижение материалоёмкости при выпуске бункера 
БК-40 за 19 лет его производства могло составить 47 794 т. 
За период с 1974 по 1990 гг. заводом «Ровносельмаш» было выпущено 7000 автокормовозов АСП-25 [2]. Масса ёмкости этого 
автокормовоза составляла 4200 кг. Масса ёмкости аналогичного 
автокормовоза производства Голландии составляла 3600 кг при 
том же объёме перевозимого груза (25 м3). 
Таким образом, снижение материалоёмкости за период с 1976 
по 1990 гг. заводом «Ровносельмаш» составило бы 4200 т. 
Для транспортных машин завышенная материалоёмкость влечет за собой еще одну проблему — потери топлива при перевозках. Так, для тягача автокормовоза АСП-25 на базе автомобиля 
КАМАЗ расход топлива на перевозку «лишних» 1000 кг массы 
груза на 100 км пробега составляет приблизительно 1 кг [3, 4]. Тогда общие потери за 14 лет эксплуатации парка из 7000 автокормовозов с учетом необъявленного предприятием-изготовителем 
гарантийного срока эксплуатации ёмкости, который, согласно 
работе [5], принимаем равным 10 лет, составляет 20 520 тыс. руб. 
в ценах 2002 г. 
Приведенный выше расчет основывается на предположении 
равноресурсности всех элементов [6], автокормовоза, т. е. в реальной эксплуатации потери топлива могут быть меньше. Но тенден

ция роста различного вида потерь при увеличении материалоёмкости изделия очевидна. 
Существуют два основных пути снижения материалоёмкости: 
совершенствование конструкции с оптимизацией по массе; изготовление машины или её агрегатов из новых материалов. 
Одним из путей снижения материалоёмкости тонкостенных листовых конструкций типа силосов и бункеров (например, зернокомплексы «Компакт», зерносушильные комплексы на основе бункеров БК-40 и т. д.) является изготовление гофрированных или перфорированных листовых подсборок с разработкой специальных 
соединений. 
Другой путь — перевод элементов габаритных конструкций сельхозмашин на изготовление из новых материалов. Так, на основании 
работы [7], можно сказать, что перевод тонкостенных конструкций 
сельхозмашин на изготовление из композитных полимерных материалов приводит к значительному снижению их массы с одновременным увеличением химической стойкости и долговечности. 
Применение полимерных материалов возможно как в технике 
для животноводства и кормопроизводства, так и в технике по обработке зерновых и других культур, что следует из работы [8], где 
кратко описаны конструкции ковшей норий, футеровочных листов, 
антиадгезионных износостойких покрытий бункеров и силосов, 
деталей машин, связанных с перемещением зерна и сыпучих продуктов. Подчеркивается, что использование полимерных материалов улучшает санитарно-гигиенические условия работы людей, 
сохранность зерна, увеличивает срок службы оборудования. 
Таким образом, снижение материалоёмкости конструкций сельскохозяйственных машин, бесспорно, необходимо, а количество вариантов этого снижения соизмеримо с количеством марок конструкций рассматриваемых изделий. 

1.2. 
ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ И ЕЁ ПРИЛОЖЕНИЯ 
В ПРОЕКТИРОВАНИИ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 

Теория управления в основном занимается проектированием 
систем, создаваемых для осуществления автоматического управления техническим процессом. Так, в работе [9], наряду с кратким 
историческим очерком развития автоматического управления, да

ны основные понятия и фундаментальные принципы теории управления, различные алгоритмы функционирования автоматических 
систем управления. Под системой понимается совокупность управляемого объекта и управляющего устройства (т. е. техническое сооружение). 
Далее рассматривается математическое описание на основе дифференциальных уравнений, передаточных функций и других характеристик различных систем автоматического управления. Рассматриваются критерии устойчивости, оценки качества и различные 
методы синтеза параметров и корректирующих цепей линейных 
систем управления. 
Любой технический процесс характеризуется координатами, 
являющимися совокупностью заданных или известных физических 
или других величин. Теория автоматического управления занимается операциями по поддержанию заданного закона изменения координат. В [9] эти координаты (рис. 1.1) разделяются на следующие: 

{
}
1
2
,
,
,
n
X
x x
x
=
…
 — совокупность управляемых координат процесса; 

{
}
1
2
,
,
,
n
Z
z z
z
=
…
 — возмущающие воздействия; 
{
}
1
2
,
,
,
n
U
u u
u
=
…
 
— управляющие воздействия, прикладываемые к управляющему 
органу объекта (УОО). 

УОО

1
U

2
U

n
U

n
Z
1
Z
2
Z

n
X

2
X

1
X

 

Рис. 1.1. Блок-схема объекта управления 

Исходя из знания свойств управления системой, строится её математическая модель и ищется алгоритм управления, на основе 
чего выдерживается заданный алгоритм функционирования при 

известных Z  и 
.
U  Связь между алгоритмом управления и алгоритмом функционирования осуществляется на основе трех общеизвестных фундаментальных принципов: разомкнутого управления, обратной связи и компенсации. 
Принцип разомкнутого управления (ПРУ) основан на том, что 
алгоритм управления «вырабатывается» только на основе заданного алгоритма функционирования (рис. 1.2). 

1
2
3

Z

Х
U
0
X

 

Рис. 1.2. Блок-схема системы управления на основе ПРУ: 
1 — задатчик программы (техническое устройство); 
2 — управляющее устройство; 3 — выходной элемент, 
генерирующий управляемые координаты 

Процесс проектирования тонкостенной конструкции можно рассматривать как процесс управления некоторой системой, представляющей информационно-математическую модель данной конструкции. 
Например, если нужно спроектировать стальную пластину, находящуюся под действием нормальной распределенной нагрузки, 
необходимо иметь расчетно-силовую схему пластинки, представляющую её срединную поверхность, её геометрические, физические, силовые характеристики и т. д. 
Таким образом, в случае применения в проектировании принципов теории управления системой будем считать информационно-математическую модель конструкции. А так как подавляющее 
большинство создаваемых конструкций машин имеет свой прототип, то информационно-математическая модель строится на основе 
этого прототипа, а затем, меняя значения в векторах возмущающих 
и управляющих воздействий, можно получить удовлетворяющую 
проектировщика совокупность управляемых координат. 
Для инженера-механика, очевидно, определяющим в совокупности управляемых координат будут внутренние усилия, на основе 
которых происходит оценка прочности конструкции и минимизация её массы. 

Управление интегральной надежностью машины (оцениваемой 
вероятностными показателями безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости), рассмотренное в [10], является приоритетной задачей эксплуатации уже готовой машины. 
В случае варианта проектирования можно построить схему разомкнутого управления (рис. 1.3), опирающуюся на обозначения 
и определения из [9, 11]. 

3
А
,1 2

Z

Х
U

 

Рис. 1.3. ПРУ для конструирования тонкостенных систем: 
A  — артефакт, искусственный материальный комплекс вместе 
с признаками его действия (это может быть прототип, совмещающий 
функции задатчика программы 1 и управляющего устройства 2); 
3 — выходной элемент (система); 
,
,
Z U X
— векторы возмущающих 
воздействий, управляющих воздействий, совокупности управляемых 
координат процесса проектирования соответственно 

Действительно, конструкция, независимо от того, при помощи каких методов она спроектирована, всегда отзывается определенным 
образом на возмущающие воздействия. Поэтому принцип разомкнутого управления можно применить для схемы «артефакт–система», 
причем совокупностью управляемых координат 
{
}
1
2
,
,
,
n
X
x x
x
=

…
 
будут поля внутренних сил для информационно-математической 
модели тонкостенной конструкции. 
Тогда проектировочный расчет можно назвать алгоритмом управления системой, представляющим совокупность правил и математических зависимостей, определяющих изменение координат. 
Управляющими воздействиями 
{
}
1
2
,
,
,
n
U
u u
u
=

…
 будем считать 
конструктивные параметры артефакта, технические условия по 
эксплуатации и технологичность [12], понимаемые как совокупность свойств изделия, определяющих приспособляемость его конструкции к достижению оптимальных затрат ресурсов при производстве и эксплуатации для заданных показателей качества, объёма выпуска и условий выполнения работ.