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. : Издатель-
ство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 360 с. 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3491-6 
 
 
 
В монографии разработана методология проектирования сельскохо-
зяйственных машин с использованием основополагающих принципов тео-
рии 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, ко-
торые «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, при-
чем 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 конструирова-
нии машин обусловлено их высокой несущей способностью при 
минимальной массе и сравнительно низкой себестоимости. Тонко-
стенные гнутые профили, тонкие пластинки, панели и оболочки 
являются широко распространенными узлами тракторов, автомо-
билей, комбайнов, подъемно-транспортных машин и другой тех-
ники, применяемой в сельском хозяйстве. 
Снижение материалоёмкости конструкций является актуальной 
задачей, но её успешное решение всегда связано с уровнем надеж-
ности машин. 
Результаты анализа работы тонкостенных элементов показыва-
ют их недостаточную надежность во время эксплуатации в поле-
вых условиях, несмотря на то что материалоёмкость некоторых 
узлов явно завышена. Этот, казалось бы, противоречивый вывод 
можно объяснить отсутствием системного подхода в проектирова-
нии и конструировании, а также объединяющей методологии при 
расчете различного типа сельскохозяйственных машин. 
Почему-то принято «по умолчанию», что для сельскохозяйст-
венной техники завышенная материалоёмкость обязательна, так 
как культура эксплуатации подобных машин находится на невысо-
ком уровне. Кроме того, априори считается, что завышенная мате-
риалоёмкость (чаще всего — металлоёмкость) автоматически уве-
личивает все показатели надежности. 
В настоящее время эта точка зрения не выдерживает критики. 
Повышение стоимости стального проката, большие эксплуата-
ционные затраты на перевозку «лишних» килограммов, сложность 
обслуживания и ремонта тяжелых машин, уплотнение ими пахот-
ного слоя – вот неполный перечень проблем, возникающих с уве-
личением массы изделия. 
В монографии разработана общая методология проектирования 
и конструирования сельскохозяйственных машин, состоящих в ос-
новном 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 ком-
пенсации — 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 мате-
матических операций решений, близких к оптимальным, и исполь-
зование их в проектировании и конструировании. 
Одним из элементов проектирования с минимизацией массы яв-
ляется введение переменности толщины стенок тонкостенной кон-
струкции, или, с учетом технологичности и себестоимости, введе-
ние 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 проекти-
руемой машины; в частности, появляются переменные коэффици-
енты в дифференциальных уравнениях краевых задач, что не дает 
возможность получать искомые точные решения. 
Существующий аналитический метод возмущений, который да-
ет неплохие результаты даже при приближениях до третьего члена 
степенного ряда, трудоемок, так как предполагает «ручной» анали-
тический счет. 
Численные методы (в частности, метод конечных разностей) 
дают достаточно большие разбросы по результатам в зависимости 
от числа узлов сетки и предполагают получение априорных оце-
нок, что затруднительно при высоких степенях дифференциальных 
уравнений. 
Автором разработан и предложен к применению численный ме-
тод, основанный на аналитической процедуре метода возмущений 
и известных конечных разностях обычной точности. С его помощью 
получен ряд результатов, применимых при конструировании сель-
хозмашин (в частности, ёмкости автокормовоза, бортов и платформы 
прицепа для тяжелых тракторов, других конструкций и сооружений). 
Если применение принципа разомкнутого управления не приво-
дит к изменению общепринятого подхода к проектированию ма-
шин, а принцип управления с обратной связью вводит элементы 

экспериментальных исследований или испытаний созданной ма-
шины, то принцип управления по возмущению (принцип компен-
сации) открывает в проектировании и эксплуатации машин совер-
шенно новые перспективы, ранее практически не исследованные. 
Здесь наряду с построением математической модели и её анализом, 
предполагается создание реального материального объекта (маши-
ны) — предмета проектирования и конструирования, параллельно-
го изучения поведения модели и объекта по исследуемым факто-
рам, 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 ис-
точников затяжек можно эти внутренние усилия свести к миниму-
му или к величине, не опасной для эксплуатации. Целью подобно-
го проектирования может быть снижение массы или увеличение 
надежности конструкции. 
Реализация подобного подхода осуществлена на нескольких 
примерах. В частности, разработана конструкция ёмкости авто-
кормовоза АСП-25, масса которой на 1000 кг ниже, чем у прототи-
па, 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 изго-
товления его бортов из композиционного материала, в результате 
чего масса каждого уменьшена в 4 раза (со 120 кг до 30 кг) с со-
хранением 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 конст-
руированию 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 вле-
чет за собой еще одну проблему — потери топлива при перевоз-
ках. 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]. То-
гда общие потери за 14 лет эксплуатации парка из 7000 автокор-
мовозов 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 реаль-
ной эксплуатации потери топлива могут быть меньше. Но тенден-

ция роста различного вида потерь при увеличении материалоёмко-
сти изделия очевидна. 
Существуют два основных пути снижения материалоёмкости: 
совершенствование конструкции с оптимизацией по массе; изго-
товление машины или её агрегатов из новых материалов. 
Одним из путей снижения материалоёмкости тонкостенных лис-
товых конструкций типа силосов и бункеров (например, зерноком-
плексы «Компакт», зерносушильные комплексы на основе бунке-
ров БК-40 и т. д.) является изготовление гофрированных или пер-
форированных листовых подсборок с разработкой специальных 
соединений. 
Другой путь — перевод элементов габаритных конструкций сель-
хозмашин на изготовление из новых материалов. Так, на основании 
работы [7], можно сказать, что перевод тонкостенных конструкций 
сельхозмашин на изготовление из композитных полимерных мате-
риалов приводит к значительному снижению их массы с одновре-
менным увеличением химической стойкости и долговечности. 
Применение полимерных материалов возможно как в технике 
для животноводства и кормопроизводства, так и в технике по об-
работке 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 про-
дуктов. 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 харак-
теристик различных систем автоматического управления. Рассмат-
риваются 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 занима-
ется операциями по поддержанию заданного закона изменения ко-
ординат. 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 ма-
тематическая модель и ищется алгоритм управления, на основе 
чего выдерживается заданный алгоритм функционирования при 

известных Z  и 
.
U  Связь между алгоритмом управления и алго-
ритмом функционирования осуществляется на основе трех обще-
известных фундаментальных принципов: разомкнутого управле-
ния, обратной связи и компенсации. 
Принцип разомкнутого управления (ПРУ) основан на том, что 
алгоритм управления «вырабатывается» только на основе заданно-
го 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 рас-
сматривать как процесс управления некоторой системой, представ-
ляющей информационно-математическую модель данной конст-
рукции. 
Например, если нужно спроектировать стальную пластину, на-
ходящуюся под действием нормальной распределенной нагрузки, 
необходимо иметь расчетно-силовую схему пластинки, представ-
ляющую её срединную поверхность, её геометрические, физиче-
ские, силовые характеристики и т. д. 
Таким образом, в случае применения в проектировании прин-
ципов теории управления системой будем считать информацион-
но-математическую модель конструкции. А так как подавляющее 
большинство создаваемых конструкций машин имеет свой прото-
тип, 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 совокуп-
ности управляемых координат будут внутренние усилия, на основе 
которых происходит оценка прочности конструкции и минимиза-
ция её массы. 

Управление интегральной надежностью машины (оцениваемой 
вероятностными показателями безотказности, долговечности, ре-
монтопригодности и сохраняемости), рассмотренное в [10], явля-
ется приоритетной задачей эксплуатации уже готовой машины. 
В случае варианта проектирования можно построить схему ра-
зомкнутого 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, объё-
ма выпуска и условий выполнения работ.