автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Теория и практика создания электромеханических силокомпенсирующих систем тренажёров для подготовки космонавтов

На правах рукописи

КРАВЧЕНКО Олег Александрович

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ СИСТЕМ ТРЕНАЖЁРОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ КОСМОНАВТОВ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

1 4 КСЯ Ш

005538289

Новочеркасск - 2013 г.

005538289

Научный консультант: Официальные оппоненты:

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»'

доктор технических наук, профессор Пятибратов Георгий Яковлевич.

Мещеряков Виктор Николаевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электропривод» ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», Осипов Олег Иванович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматизированный электропривод» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»,

Радионов Андрей Александрович,

доктор технических наук, профессор, декан энергетического факультета ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет».

Защита состоится 19 декабря 2013 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова по адресу: 346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ауд. 149 гл.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова.

Автореферат разослан «_ 01 _»_ноября_2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять по адресу: 346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

Ведущее предприятие:

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.304.01, д-р техн. наук

П.Г. Колпахчьян

1 С 19.08.2013 г. федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» переименовано в федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И.Платова».

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сложные процессы создания и развёртывания орбитальных космических станций приводят к большому количеству работ в открытом космосе на внешней поверхности станции и на удаление от неё, выполняемых непосредственно с участием космонавтов. Поэтому в земных условиях необходимо обеспечивать обучение космонавтов элементам внеко-рабельной деятельности с применением штатного технологического оборудования и скафандров при моделировании различных нештатных ситуаций. При реализации перспективных программ по освоению Луны и Марса важным этапом подготовки космонавтов является формирование навыков их перемещения и работы в условиях пониженной гравитации. Опыт пилотируемой космонавтики показывает, что наиболее эффективным средством подготовки космонавтов являются тренажёры. Разработка и создание специальных тренажёров со стендами обезвешивания, позволяющих в пространстве имитировать движения в невесомости и в условиях пониженной гравитации, является важной и актуальной задачей.

Аналогичные по функциям технические системы могут применяться при создании стендов, предназначенных для проверки функционирования изделий космической техники в земных условиях; для построения сбалансированных манипуляторов и специальных грузоподъемных устройств, используемых для автоматизации ручного труда при перемещении грузов значительной массы; в медицинских тренажёрах, которые используются для восстановления нарушенных функций опорно-двигательного аппарата пациентов и ускорения их реабилитации при ходьбе.

Анализ различных подходов, применяемых для реализации пространственных перемещений космонавтов, показал, что для построения таких стен--дов необходимо скомпенсировать все силы, действующие на объект: силы трения, гравитационные силы, силы инерции присоединённых масс. При выполнении этого условия космонавт будет двигаться под действием внешних усилий с требуемыми параметрами движения как в невесомости, так и в условиях пониженной гравитации. Анализ показал, что построение стендов обезвешивания необходимо осуществлять с помощью многокоординатных силокомпенсирую-щих систем (СКС), обеспечивающих до шести степеней подвижности объекта, реализацию составляющих движения которых можно осуществлять в прямоугольных или цилиндрических координатах. Тогда сложные пространственные перемещения будут обеспечены благодаря разделению пространственных перемещений объекта на составляющие в горизонтальной и вертикальной плоскостях, вращение и качание объекта относительно его центра масс. Высокоточную компенсацию усилий, препятствующих движению космонавта в системе вертикальных (СВП) и системе горизонтальных перемещений (СГП), можно обеспечить с помощью регулируемых электроприводов. В этом случае при приложении к объекту незначительных внешних усилий космонавт будет осуществлять движение с параметрами (ускорение, скорость, перемещение), определяемыми значением и временем приложения силового воздействия.

Разработкой и созданием рассматриваемых стендов в интересах отечественной космонавтики в разные годы занимались научные коллективы: РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина (Звездный городок, Московская область), РКК «Энергия» им. С.П. Королева (г. Королев, Московская область), ЦНИИ РТК (г. Санкт-Петербург), ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск), ЦТиПП (г. Москва).

Повышение уровня требований к подготовке космонавтов приводит к необходимости создания перспективных тренажёров, что определяет важность, научную и практическую значимость выбранной темы исследований.

Объектом исследования являются электромеханические системы (ЭМС) и комплексы с упругими механическими передачами, повышенными колебательными свойствами, требуемые параметры движения исполнительного органа в которых определяются приложением внешних воздействий.

Предметом исследования является многокоординатная СКС, осуществляющая путём высокоточного регулирования усилий компенсацию сил трения, гравитационных сил, сил инерции присоединённых масс, используемая для построения стендов обезвешивания, позволяющих имитировать в пространстве движения объектов в условиях пониженной гравитации и невесомости.

Цель диссертационной работы: развитие теории и практики создания многокоординатных СКС стендов обезвешивания тренажёров, обеспечивающих имитацию движения космонавтов в невесомости и на поверхности планет с пониженной гравитацией.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

— обоснованы технические критерии оценки качества работы тренажёров и определена их взаимосвязь с показателями СКС;

— сформулированы требования, предъявляемые к стендам обезвешивания, обеспечивающим имитацию движения космонавтов в невесомости и их перемещений на планетах с пониженной гравитацией;

— обоснованы рациональные кинематические схемы и разработана методика выбора силовой части электроприводов стендов обезвешивания, способных энергетически обеспечить требуемое качество имитации движений космонавтов;

— обоснованы обобщенные математические модели СКС, позволяющие решать задачи комплексных исследований, анализа статических, динамических и энергетических показателей работы стендов обезвешивания, структурно-параметрического синтеза системы управления, а также разработаны методики по определению их реальных параметров;

— определена рациональная структура системы управления и выполнен синтез регуляторов, обеспечивающих требуемые статические и динамические показатели работы СКС;

— разработаны рекомендации по рациональному выбору элементов и устройств механической и электромеханической частей СКС, информацион-

но-измерительной системы для достижения заданных характеристик функционирования стендов обезвешивания;

— разработаны технические решения и рекомендации по созданию СКС тренажёров подготовки космонавтов, решены вопросы безопасного функционирования стендов обезвешивания, которые экспериментально подтверждены на практике в условиях реальной эксплуатации.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались математическое моделирование, структурно-топологические методы, операционное и вариационное исчисления, частотные методы исследования автоматических систем, теория нечёткой логики. При выполнении экспериментальных исследований применялись методы физического моделирования, активной идентификации параметров объектов управления.

Достоверность полученных результатов работы определяется корректностью и обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемых математических моделей исследуемым процессам, подтверждается хорошей сходимостью результатов аналитических расчётов и математического моделирования с экспериментальными данными. Обоснованность основных выводов и рекомендаций подтверждена промышленными испытаниями и внедрением предложенных технических решений при создании стендов обезвешивания, позволяющих имитировать в рабочем пространстве тренажёра движения космонавтов в условиях невесомости.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— обоснованы технические критерии, позволяющие определять качество имитации движения в невесомости и гравитационных условиях других планет, и впервые установлена их взаимосвязь с показателями функционирования многокоординатных СКС тренажёров;

— для имитации пространственных перемещений космонавтов в невесомости и гравитационных условиях других планет впервые определены области применения кинематических схем стендов обезвешивания в виде цилиндрической или прямоугольной системы координат и обоснованы способы построения активных, пассивных или комбинированных СКС;

— разработана методика многофакторного определения требуемых параметров силовой части электропривода, позволяющая осуществлять одновременный выбор рациональных параметров механической части и электродвигателя, отличающаяся применением предельных нагрузочных диаграмм проверки двигателей по нагреву и использовании критериев, обеспечивающих минимизацию соотношения моментов инерции двигателя и объекта обезвешивания или минимизацию массы электромеханического модуля при выполнении полной и частичной компенсации гравитационных сил;

— разработана математическая модель стендов обезвешивания с учётом упруго-силовых взаимодействий, сил трения и ограничений координат электропривода, отличающаяся представлением её для СГП и СВП обобщенно в виде двухмассовой ЭМС с упругой связью для решения задач исследования и синтеза многокоординатных СКС;

— обоснована рациональная структура системы управления СКС с внешним контуром регулирования усилия, отличающаяся применением нелинейного управления, обеспечивающего компенсацию сил сухого и вязкого трения, использованием обратной связи по ускорению двигателя для управления силами механической инерции, реализации задержанных обратных связей для ограничения на заданном уровне скорости и положения обезве-шиваемого объекта;

— впервые выполнен структурно-параметрический синтез оптимального регулятора усилия СКС при учёте упругих связей и действии наиболее неблагоприятных возмущений;

— обоснован способ выравнивания характеристик движения в многокоординатных СКС за счёт изменения влияния сил механической инерции механизмов, отличающийся применением обратных связей по ускорению электродвигателя.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— определены требования, предъявляемые к СКС тренажёров, позволяющие космонавтам при работе имитировать движения в условиях пониженной гравитации и невесомости при их подготовке к решению задач внекорабельной деятельности и работе в условиях других планет;

— предложены способы активной идентификации параметров математической модели стендов обезвешивания и разработаны рекомендации по практической настройке систем управления усилием в условиях изменяющихся параметров механической части СКС;

— определены требования, предъявляемые к информационно-измерительной системе СКС, и разработаны рекомендации по практической,, реализации каналов измерения её усилий в СВП и СГП, обеспечивающих минимизацию суммарной абсолютной погрешности измерения;

— разработаны технические предложения и схемные решения, повышающие уровень безопасности обучения космонавтов путём реализации питания электрооборудования от ГГ-сети, использования режима динамического торможения и применения задержанной обратной связи по положению объекта обезвешивания;

— предложены способы и технические средства создания СКС тренажёров для подготовки космонавтов, обеспечивающие задание и автоматическую настройку системы регулирования усилия на его вес.

К защите представляются:

— методика определения точности системы регулирования усилия и параметров неизменяемой части СКС в зависимости от требуемых показателей качества имитации движений космонавтов на тренажёрах;

— метод выбора и способы реализации СКС, позволяющие определять рациональную кинематическую схему стендов обезвешивания, параметры механических передач, электродвигателя и преобразователя при создании тренажёров, обеспечивающих требуемую имитацию движения космонавтов в условиях пониженной гравитации и невесомости;

- математические модели стендов обезвешивания для решения задач анализа упруго-силовых взаимодействий в ЭМС, обоснования рациональной структуры системы управления усилиями и синтеза локальных регуляторов СКС;

- структура системы регулирования, обеспечивающая получение требуемых статических и динамических характеристик СКС, с учётом реализации активного демпфирования упругих колебаний механизмов, компенсации сил трения и гравитационных сил, выполнения требований по безопасности функционирования;

- результаты структурно-параметрического синтеза оптимального регулятора усилий, рекомендации по его реализации и настройке при изменяющихся параметрах СКС;

- способы реализации каналов измерения усилий в СКС стендов обезвешивания, обеспечивающих обработку информации с использованием нечёткой логики;

- методы и средства создания многокоординатных СКС, результаты экспериментальных исследований и внедрения тренажёров по обучению космонавтов внекорабельной деятельности в условиях полной и частичной невесомости.

Реализация результатов работы. Основные научные положения, инженерные методики и рекомендации диссертационной работы внедрены в научно-исследовательских институтах, на предприятиях, а также в учебном процессе высших учебных заведений:

- в 2000 г. для РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина (Звездный городок, Московская обл.) разработаны и реализованы СВП на базе электропривода постоянного тока в составе устройства обезвешивания скафандров «Орлан-МТ» тренажёра «Выход-2», используемого для подготовки космонавтов и астронавтов к работе в невесомости;

- в 2007 г. для Центра тренажёростроения и подготовки персонала (г. Москва) выполнены исследования, разработана проектно-конструкторская документация и реализованы с использованием вентильного электропривода переменного тока СГП и СВП тренажёра-аттракциона имитации деятельности космонавтов в открытом космосе «Сармат»;

- в 2010 г. для ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина» (Звездный городок, Московская обл.) выполнена глубокая модернизация устройства обезвешивания под интеграцию со скафандром «Орлан-МКТ» в процессе которой разработаны и внедрены СВП на базе вентильного электропривода переменного тока и СГП моста на базе асинхронного электропривода с цифровой системой управления;

- в 2011-2013 гг. для ОАО РКК «Энергия» (г.Королев, Московская обл.) выполнены исследования, разработана проектно-конструкторская документация на создание перспективного тренажёра с системами трёхкоорди-натного перемещения двух операторов и полезного груза с единой цифровой системой управления, обеспечивающих подготовку космонавтов к работе в

невесомости и гравитационных условиях других планет;

— практическими результатами работы, внедренным в учебный процесс, является отражение ряда теоретических и методических положений диссертации в учебно-методические указаниях и пособиях, а также в создании лабораторного стенда, предназначенного для изучения электромеханических систем регулирования усилий в упругих механических передачах.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на IV-VII Международных (XV-DC Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу (Магнитогорск, 2004 г., Санкт-Петербург, 2007 г., Тула, 2010 г., Иваново, 2012 г.); Международных научно-практических конференциях «Пилотируемые полеты в космос» (Звездный городок, Московская область, 1997 г., 2000 г., 2003 г., 2005 г., 2007 г., 2009 г.); 13-й Международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (г. Екатеринбург, 2005 г.); II, Ш, VII Международных научно-технических конференций «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 1999 г., 2000 г., 2004 г.,); Ш Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (г. Новочеркасск,

2003 г.); Всероссийском научно-техническом семинаре «Технические средства и технологии построения тренажёров» (Звёздный городок, 1996 г.,

2004 г.); на ежегодных научно-технических конференциях Новочеркасского государственного технического университета 1996—1998 гг., ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) 1999-2012 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы~71 работа, в числе которых 5 монографий, 16 - в журналах, рекомендованных ВАК, 4 патента, 2 учебно-методических пособия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 380 страницах машинописного текста, и содержит 169 рисунков, 14 таблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена решаемая в диссертации научно-техническая проблема, обоснованы актуальность, цель и направление исследований, характеризуются основные задачи, структура работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены существующие подходы к имитации невесомости при обучении космонавтов, предложены критерии оценки качества работы тренажёров и сформулированы требования, предъявляемые к ним, обоснованы рациональные кинематические схемы стендов обезвешивания.

Сопоставление возможностей существующих методов имитации невесомости: свободного падения, нейтральной плавучести (гидроневесомости) и обезвешивания, - показало перспективность применения последнего .для

длительных тренировок космонавтов в скафандрах с использованием различного штатного электрического оборудования при имитации движений в невесомости и гравитационных условиях других планет. Создание стендов обез-вешивания целесообразно осуществлять с использованием СКС, принцип работы которых поясняется примером, приведенным на рис 1.

р :о(01 т

«О(о! т0

Р0

Рис. 1. Силовые воздействия в СКС

«о(0 =

О)

Объект обезвешивания массой та на подвесе должен иметь возможность перемещения в любую точку вертикальной плоскости под действием незначительных внешних усилий. Траектория движения, скорость и ускорение а0 (г) объекта являются в общем случае случайным» функциями времени и зависят от направления и значения приложенной внешней силы(г).

- Регулирование силокомпенсирующего усилия рассмотрим при движении объекта вверх при приложении к нему силы ГБ(0. Фактическое линейное ускорение объекта а0(?) определяется проекциями векторов на вертикальную ось (см. рис. 1) по выражению

то то

где Т(с) — усилие в подвеске объекта, создаваемое силокомпенсирующей системой; Р0(/) — вес объекта; — силы сопротивления движению, например, силы трения в механических передачах СКС; А= + —Г(?) — абсолютная ошибка компенсации сил сопротивления в вертикальной плоскости.

Из выражения (1) следует, что при равенстве нулю ошибки компенсации сил сопротивления Ар(г) = 0, т.е. Т({) = Р0(Г) + ГС0{Г), обезвешиваемый объект будет двигаться только под действием внешней силы /*"[,(?), с параметрами, зависящими от массы объекта т0, определяемыми величиной и временем приложения (?) .

Определены особенности построения и функционирования систем регулирования усилий СКС:

— создание и поддержание с высокой точностью усилия в исполнительном органе обеспечивает компенсацию всех составляющих, препятствующих его движению: сил трения, гравитационных сил, силы инерции присоединённых масс (момента инерции двигателя, передаточного устройства и т.д.);

— регулирование усилия при существенных изменениях скоростей, в том числе от нулевых (стоянки) до максимальных;

— перемещение исполнительного органа осуществляется за счёт приложения внешнего силового воздействия;

— параметры движения объекта: ускорение, скорость, перемещение, — определяются значением и временем приложения внешнего силового воздействия.

Показано, что на стадии проектирования тренажёрных комплексов по-

грешность имитации невесомости удобно оценивать по относительным ошибкам воспроизведения движения ускорения обезвешиваемого объекта 5а(?), скорости 5Г(/) и перемещения

«,<{') УЛП 5Л0

где йн(?), Кн(/), — проекции векторов ускорения, скорости, перемещения на соответствующие вертикальную и горизонтальные оси в невесомости или гравитационных условиях других планет;

й0(7), 50(/) - проекции векторов ускорения, скорости, перемеще-

ния на соответствующие вертикальную и горизонтальные оси, получаемые на стенде объектом обезвешивания под действием внешнего воздействия (У).

Важным показателем качества работы стенда обезвешивания является величина чувствительности СКС Гт, определяющая начало движения обезвешиваемого объекта.

Определена взаимосвязь ошибки воспроизведения ускорения и показателей функционирования СКС при регулировании компенсирующего усилия:

где 5у(г) — относительная ошибка регулирования усилия; тп - масса подвески обезвешиваемого объекта.

Рассмотрены возможности повышения качества функционирования СКС, связанные с уменьшением тп и минимизацией 5у(/). Выполненные исследования и анализ-возможных ошибок имитации движений космонавтов показали, что основным реальным направлением их минимизации является построение высокоточных СКС.

Исходя из перспективных задач подготовки космонавтов, анализа имитируемых движений космонавтов в невесомости и гравитационных условиях других планет определены основные требования, необходимые для разработки комплексных тренажёров:

— обезвешивание космонавта в скафандре общей массой т0 до 200-250 кг;

— степень обезвешивания космонавта в скафандре

(g3 =9,81 м/с2, gп — ускорение свободного падения планеты) от нуля (невесомость) до 0,393 (гравитационные условия Марса);

— ошибка воспроизведения ускорения 8а не более 10—15 %;

— чувствительность ГТ, не более 2% от веса обезвешиваемого объекта;

— перерегулирование — не более 5—20 %;

— количество степеней подвижности космонавта в скафандре от 4 до 6;

— перемещение обезвешиваемого объекта в горизонтальной плоскости при имитации невесомости с предельными скоростями 0,4—0,6 м/с и ускорением до 0,75 м/с", при имитации деятельности космонавтов в гравитационных условиях других планет со скоростями до 2,1 м/с и ускорением до 7,4 м/с";

— перемещение обезвешиваемого объекта в вертикальной плоскости при имитации невесомости с предельными скоростями 0,4-0,6 м/с и ускорением до 0,75 м/с2, при имитации деятельности космонавтов в гравитационных условиях других планет со скоростями до 1,8 м/с и ускорением до 5,8 м/с".

На основании требований, предъявляемых к СКС перспективных тренажёров, и критериев оценки качества их работы были определены достоинства и недостатки реализации кинематической схемы стендов обезвешивания в цилиндрических и прямоугольных системах координат.

Реализация стендов обезвешивания с использованием цилиндрической системы координат имеет следующие основные достоинства: простота подвода силовых и информационных кабелей и размещения приводных электродвигателей; недостатки: влияние кориолисовых и центробежных сил при динамичных перемещениях космонавта. Реализация тренажёров с использованием прямоугольной системы координат имеет следующие основные достоинства: рациональное использование полезной площади, возможность увеличения рабочей зоны тренажёра, отсутствие влияния нежелательных силовых воздействий; недостатки: сложность подвода силовых и информационных кабелей при перемещениях моста и тележки, возможность перекосов и заклинивания мостов.

Основополагающим фактором выбора способа реализации стенда является оценка влияния нежелательных силовых воздействий на космонавта при его перемещениях. Выполненные исследования влияния центробежных сил на работу СГП тренажёрных комплексов, анализа чувствительности и ошибок воспроизведения ускорения в пассивных и активных СКС вертикальных и горизонтальных перемещений позволили сформулировать рекомендации по реализации кинематических схем СКС, способных обеспечить требуемые пространственные перемещения космонавтов в рабочем пространстве тренажёра. ~

Анализ показал, что для отработки космонавтами на тренажёрах операций шлюзования реализацию СГП целесообразно выполнять с использованием полярной системы координат, пассивных способов уменьшения влияния сил трения, реализованных с применением опор на воздушной плёнке, и активных СВП, реализованных с применением приводов.

При создании тренажёров для отработки космонавтами задач внекора-бельной деятельности СГП можно выполнять как с использованием прямоугольной, так и полярной системы координат. Но при использовании СГП, реализованной в полярной системе координат, необходимо использовать активные СКС для компенсации инерциальных сил от дополнительно присоединенных масс, центробежных сил с помощью привода тележки.

При создании перспективных тренажёров для обучения космонавтов деятельности в условиях пониженной гравитации других планет рекомендуется применять СГП, реализованные в прямоугольной системе координат с использованием электроприводов.

Выполненные исследования позволили сделать вывод о целесообразности применения прямоугольной системы координат с активными СКС для реализации пространственных перемещений при создании комплексного тренажёра для подготовки космонавтов в условиях невесомости и гравитаци-

онных условиях других планет. В соответствии с полученными результатами уточнены основные задачи, решение которых позволит создать многокоординатные СКС, предназначенные для построения комплексных тренажёров для подготовки космонавтов.

Во второй главе разработана математическая модель, позволяющая проводить комплексные исследования СКС, структурно-параметрический синтез системы управления, выполнять анализ статических, динамических и энергетических показателей работы СКС.

При выполнении математического описания многокоординатных СКС учтено, что движение в них вызывается приложением внешнего усилия к обезвешиваемому объекту. Анализ различных подходов к математическому описанию механической и электромеханической частей СКС с учётом специфики управления электродвигателями показал целесообразность использования для математического описания модели двухфазной обобщенной электрической машины, метода обобщенного пространственного вектора и уравнений динамики систем твёрдых тел. Для получения математической модели стенда обезвешивания, реализованного в прямоугольной системе координат, составлена его расчётная схема, приведённая на рис. 2.

а) б)

Рис. 2. Расчётная схема стенда обезвешивания барабана (а) и обезвешиваемого объекта (б)

Выделив четыре основных элемента, взаимодействующих друг с другом (мост, тележку, барабан и обезвешиваемый объект), с учётом действующих на них усилий и моментов, указанных на рис. 2, можно составить для каждого из них уравнение движения в векторной форме записи: для моста тгам=РдГ+Г + РСмГ +Ру +РХ +Р2 +ЛМ1, +Кэм2;

для тележки тхат = + Т + РСм х + Ямт + Рх + Р7;

для барабана УБєБ = Щ7 + М'См 2 + х Т ]+ [гв х Яв ] + [рс х Р2 ];

для обезволиваемого объекта т0а0 = Т + Ра + /<"со,

где , - суммарная сила тяги двигателей моста и тележки; ^СмГ, ^СмХ ~ силы сопротивления движению моста и тележки, обусловленные трением; ~Ру, Ру, Р?, Ро - суммарный вес моста, тележки, барабана и обезвешиваемого объекта с установленными на них механизмами; ту, тх, т - суммарная масса моста, тележки и обезвешиваемого объекта с установлен™' ми на них механизмами; /Б - момент инерции барабана; ам, сі1, а0 — ускорение моста, тележки и обезвешиваемого объекта; єБ - угловое ускорение барабана; /?эм1, ЛЭм2, Л мт ~ силы реакции на мост со стороны эстакады и на тележку со стороны моста; Рв — внешняя сила, прикладываемая к обез-вешиваемому объекту; Т - ТХ1 + Туі + Т2к - сила натяжения каната; Тх, Ту, Т2 — проекции силы упругости на оси X, У, 2 соответственно; і , к - ортогональный базис; М'Я2,М'Сш2 - моменты двигателя СВП и сил сопротивления, обусловленных трением, приведённые к валу барабана; гК,гв,гв — радиусы векторы точек приложения соответствующих сил Т,Яв,Рг, направленные из крепления барабана А; , Лв, — силы реакции подшипников на вал барабана; ха,у0,:0 - координаты центра масс обезвешиваемого объекта; хм,з'м,см - координаты точки схода каната.

Записав полученные уравнение моста в проекции на ось 7, тележки - на ось X, барабана - на его ось и обезвешиваемого объекта в проекциях — на оси X, У, 2, с учётом уравнений взаимодействия Тх = Т(хм — х0)/Ь, Ту = Т{ум — у0)/Ь,

тг = 7(-м - 'о)/£, где і = л/(хм-х0)2 + (ум -у0)2+ (гм - :0)2 -расстояние от точки схода каната до центра масс обезвешиваемого объекта, получим математическое описание механической части стендов обезвешивания.

Выполненные исследования показали, что обычно угол у не превышает 2°, что позволяет линеаризовать тригонометрические функции в математическом описании СВП. Приведя спроецированные уравнения к валам электроприводов соответствующих координат с учётом моментов инерции электродвигателей и механических передач, получим уравнения движения, описывающие взаимосвязанное движение исследуемых координат при приложении к обезвешиваемому объекту внешнего силового воздействия. Анализ расчётных схем механизмов СКС показал, что модель каждой координаты СКС можно свести к двухмассовой электромеханической системе. Основное взаимодействие между координатами стенда обезвешивания происходит при из-мении длины канатной передачи, обусловленной работой СВП. Это сказывается на изменении собственных резонансных частот СВП и СГП.

Математическое описание электромеханических преобразователей вы-

полнено с учётом того, что в СКС могут применяться двигатели постоянного тока (ДПТ), асинхронные двигатели (АД) и синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) при работе до номинальной скорости. При использовании векторного управления АД с ориентацией по направлению вектора потокосцепления ротора векторного управления СДПМ при ориентации по вектору потокосцепления, создаваемого постоянными магнитами ротора, и использовании блоков компенсации перекрестных связей в АД и СДПМ, применения канала компенсации противоЭДС к ДПТ математическая модель электромеханических преобразователей может быть представлена передаточными функциями с одинаковой структурой. С учётом математического описания преобразователя, питающего двигатель, отрицательной обратной связи по току и ограничений, накладываемых на координаты электропривода, математическую модель многокоординатной СКС можно унифицировать, получив обобщённое математическое описание по вертикальной и горизонтальным координатам СКС в виде, приведенном на рис. 3. Структурную схему обобщенной математической модели СКС рекомендуется применять для исследования основных силовых взаимодействий и анализа энергетических процессов в СКС, а также для определения общих показателей СКС.

Рис. 3. Обобщенная математическая модель СКС

На рис. 3 приведены следующие обозначения: Тп — постоянная времени, учитывающая инерционные свойства преобразователя; кп — коэффициент передачи преобразователя по напряжению; Еп — ЭДС преобразователя; Жрг(Б) -

передаточная функция регулятора электромагнитного момента (тока) электродвигателя; кщ — коэффициент передачи обратной связи по электромагнитному моменту (току) электродвигателя; Тс и - постоянные времени, учитывающие эквивалентную жёсткость и диссипативные свойства механической передачи; Гд, Т0 — механические постоянные времени привода и объекта обезвешивания; Пд, £10 — скорости двигателя и объекта обезвешивания; Мд, Му - моменты двигателя и в упругом элементе; Тэ =ЬаХ /(Щ + кгКг), Тэ = , Тэ = 1яц/7?яц - электромагнитная постоянная времени статора АД

и СДПМ и якорной цепи ДПТ; ЯЭ=Щ+ , /?э = ^, Яэ = Лт — эквивалентное сопротивление АД, СДПМ и ДПТ; , Л2, £а1 - активные сопротивления

статора и ротора, приведённого к цепи статора, и индуктивность рассеяния обмотки статора АД; Л] ,/.а| — активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмотки статора С ДИМ; Ляц, Хяц - активное сопротивление и индуктивность якорной цепи ДПТ; Км = \,5к2гр\\12аом,--Км = f, Кы = СФ - коэффициент передачи для АД, С ДИМ и ДПТ; — число пар полюсов АД и С ДИМ; (|/2мом, \\if- потокосцепление АД и С ДИМ; к2 - коэффициент электромагнитной связи обмоток статора и ротора; С, Ф — конструктивная постоянная и поток возбуждения ДПТ; £/от - сигнал обратной связи по току (электромагнитному моменту) электродвигателя; {7ЗТ — сигнал задания на ток (электромагнитный момент) электродвигателя; М^ - эквивалентный момент трения.

Предложены методы по идентификации упруго-диссипативных свойств механических передач и сил трения в СКС. На экспериментальном стенде, физической модели СКС и реальных тренажёрах была подтверждена адекватность разработанной обобщенной математической модели СКС.

В СВП М0=та в СГП М0=0. Если рассматривать процессы в СКС в приращениях относительно значения М=М0, тогда для СВП можно положить М0= 0. Выполненные исследования по влиянию сил трения на процессы в СКС показали, что наличие сухого трения существенным образом сказывается на энергетических показателях работы СКС, в то же время силы трения оказывают малое влияние на показатели переходных процессов в СКС. Поэтому при выполнении исследований динамики СКС трение можно не учитывать. Так как основной особенностью СКС является работа при приложении внешнего силового воздействия, то, преобразовав линеаризованную схему, приведенную на рис. 3, по возмущающему воздействию, получим структурную схему, которую рекомендуется применять для синтеза управляющих устройств.

В третьей главе обоснована структура системы управления и выполнен структурно-параметрический синтез регулятора усилия (РУ) СКС.

Описания свойств СГП и СВП осуществляется единой обобщенной математической моделью, поэтому обоснование структуры и синтез управления выполнены для локальной координаты. Обоснование структуры системы управления осуществлено исходя из возможности физического измерения параметров СКС и информационной значимости координат, решения технических и функциональных задач. С использованием такого подхода была предложена функциональная схема системы управления СКС, приведённая на рис. 4.

Стабилизация силокомпенсирующего усилия объекта обезвешивания, требуемые динамические показатели СКС обеспечиваются использованием главной отрицательной обратной связи по усилию с регулятором усилия. Для реализации функций токоограничения и стабилизации электромагнитного момента двигателя при действии различных параметрических возмущений используется отрицательная обратная связь по составляющей тока, определяющей электромагнитный момент двигателя. Компенсация противоЭДС двигателя осуществляется введением компенсирующего положительного сигнала по скорости двигателя. Для

компенсации влияния сил трения в электроприводе и объекте управления применяется устройство с использованием релейных переключаемых структур.

Рис. 4. Функциональная схема системы управления СКС

Для обеспечения безопасности функционирования СКС в системе управления предусмотрено ограничение максимальных значений координат объекта обезвешивания, для чего используются задержанные отрицательные обратные связи по скорости и положению.

Так как масса объекта обезвешивания т0 может изменяться в процессе эксплуатации, то при построении СКС рекомендуется использовать устройство 11, которое обеспечивает автоматическую настройку сигнала задания £/утр для СВП.

Обоснована целесообразность применения оптимального управления усилиями в СКС. Анализ предъявляемых к СКС требований и обзор современных методов синтеза ЭМС показали, что требуемую структуру и параметры регулятора усилия целесообразно определять с использованием методологии, изложенной в работах профессора Ю.П. Петрова, методов вариационного исчисления, позволяющих найти оптимальное решение, обеспечивающее устойчивость системы при вариациях её параметров, а также учитывать характер возмущающих воздействий и практическую реализуемость регулятора.

Для решения задачи синтеза оптимального РУ в соответствии с требованиями функционирования СКС необходимо минимизировать средний квадрат (дисперсию) отклонения момента в УЭ в течение всего времени выполнения космонавтом тренировочного задания /р. При решении задачи минимизации

момента АМу в соответствии с правилами решения изопериметрических задач вариационного исчисления учитываются ограничения, накладываемые на мощность управляющего воздействия, определяемые коэффициентом Ла-гранжа т. Предложено минимизируемый функционал представить в виде

J= lim — ¡(fn2AM2+U2)dt. (2)

'Р-*00 'р о

Если ввести обобщенные параметры у = (Гд + T0)/TR , ß = Т0/(у TR), Ту = Tj(y Тс), то при исследовании в приращениях при изменении Мв линеаризованная структурная схема имеет вид, приведенный на рис. 5, где свойства двухмассовой механической части учитываются передаточной функцией ЛМу(£)_1 TdS + l

mb(S)

У T2S2+TdS + \

М,

AMV

ß.y

К-Л*) Uy Wn {S)

'ayv

Рис. 5. Линеаризованная математическая модель СКС

При решении задачи синтеза РУ проанализированы условия и факторы, определяющие сложность структуры регулятора и, соответственно, достижимую глубину минимума функционала (2). Исследования показали, что при описании статистических свойств возмущающего воздействия в виде белого шума и аппроксимации свойств замкнутого контура регулирования электромагнитного момента (тока) апериодическим звеном с передаточной функцией +1)> канала измерения усилия безынерционным звеном = кщ можно получить наиболее просто практически реализуемый РУ.

В результате решения задачи синтеза получена передаточная функция оптимального РУ:

, , (7^ + 1X7^ + 1)

где

РУ

- 2gTyTj + g2Ty ) Т2т - Ту . Р*кг^T^-gTy2) ' 27ктГгкт7^ -gTyTKT + Т2-Jl + n

Г2=Гу2¡(gT* -Td), g = - [x,+2Re(x23)]; *„ x2, x3 - нахо-

дящиеся в левой полуплоскости корни бикубического уравнения вида х6 + z4x4 + z2x2 + z0x0 = О с коэффициентами z0 =-(1 + ш12)ДГу7"^.),

= (rj+T^+^rj -2Ty)l{ГуТ^), z4 -Т*-т]т^)/(т;т1}.

Предложена методика по определению коэффициента Лагранжа m, позволяющая учесть:

— ограничения, накладываемые на величину управляющего момента двигателя или предельно возможного тока преобразователя;

- требуемую точность регулирования усилия 5у ;

-.— необходимую полосу пропускания частот соп контура регулирования усилия в СКС.

Ошибка регулирования усилия в СКС с оптимальным РУ вида (3) в соответствии с рис. 5 определяется выражением

5 _ АМу _ TjTt; 1/Y

У Мв 1 + \+kpyk-k^

Исследование эффективности оптимального РУ, выполненное методами математического моделирования на обобщённой математической модели СКС тренажёра «Выход-2» (Гд=0,1с; Го=0,01с; =0,0015с; Гс = 0,2с; Тк,. = 0,002 с), показало, что полученный оптимальный РУ позволяет обеспечить ошибку регулирования усилия менее 6 %, при перерегулировании а = 3 — 6 % и времени переходного процесса не более 0,05 с.

Сопоставление переходных процессов, приведённых на рис. 6, показало, чго точность регулирования усилия возросла в 15 раз по сравнению с разомкнутой СКС, и синтезированный РУ обеспечил активное демпфирование упругих колебаний.

а) б)

Рис. 6. Графики переходных процессов в СКС в разомкнутой СКС (а) и в СКС с оптимальным РУ (б) Исследования показали, что на точность регулирования усилия влияет быстродействие электроприводов и полоса пропускания датчика усилия. Ре-

комендуется, чтобы полоса пропускания частот замкнутого контура регулирования электромагнитного момента (тока) электродвигателя ип = 1/Гкт более чем в три, а датчика усилия и^, = 1/7^, более чем в два раза превышала полосу пропускания частоты контура регулирования усилия <в;;.

При работе СКС возможно изменение параметров объекта управления. Исследования показали, что для обеспечения требований к СКС, определенных в главе 1, можно не применять адаптивное управление, если параметры регулятора (3) определять при минимальных значениях постоянных времени жёсткости механической передачи и механической инерционности обезве-шиваемого объекта.

Результаты исследований показали: если Гкт < 2Та и шду > Зсоп, то можно применять упрощенный РУ с передаточной функцией вида ¡¥уру(5!)= Ару(7|5' + 1)Д7^5 + 1), параметры которой определяются выражением (3). Работа СКС с упрощённым РУ практически не ухудшает качественные показатели работы СВП, если настройка контура регулирования электромагнитного момента (тока) электродвигателя соответствует перерегулированию сг ~ 15—25 %.

Так .как синтез РУ выполнен с использованием линеаризованной математической модели (см. рис. 5), то были выполнены исследования влияния реальных сил трения на работу СКС, которые показали, что:

— при наличии сил трения объект обезвешивания будет приходить в движение, если величина внешнего воздействия превысит силу (момент), определяемую выражением

Мт = . ? , (4)

— 1 + ЛктЛдуЛру

где Л/Тр — момент трения;

— трение в СВП приводит к увеличению ошибки регулирования усилия, которая зависит не только от параметров ЭМС и коэффициента передачи канала регулирования усилия, но и от отношения момента трения к значению внешнего воздействия

5 _АМу_ 1/(у Р) + Мтр !Мв у Мв 1 + к^к^ + Щ^У

Для уменьшения величин Мт и 5у предложено нелинейное двухка-

нальное управление СКС с переключающейся структурой, которое позволило в 2,0-2,5 раза уменьшить ошибку регулирования усилия, обусловленную влиянием сил трения.

Экспериментальная проверка предложенной структуры системы управления СКС и результатов синтеза РУ, выполненная на специальном стенде, физической модели СКС и реальных тренажёрах, подтвердила, что при различных вариантах реализации СКС наблюдается эффективное демпфирование электроприводом колебаний в упругой механической передаче. При применении аналоговой и цифровой системы управления при использовании

синтезированного РУ в СКС с ДПТ, АД и СДПМ переходные процессы при импульсном возмущающем воздействии обеспечивают логарифмический декремент затухания X в СКС при периоде колебаний 0,06 с, с ДПТ - Х=0,773, с АД - >.=1,609, с СДПМ - Х=0,606.

Полученные результаты экспериментально подтвердили эффективность предложенных решений по реализации структуры системы управления СКС и структурно-параметрическому синтезу РУ.

В четвертой главе рассмотрены особенности построения и исследование СКС при взаимосвязанной работе СВП и СГП.

Опыт эксплуатации стендов обезвешивания показал, что перемещения по вертикальной и горизонтальным координатам приводят к различным ощущениям космонавтов при взаимосвязанном движении в пространстве тренажёра. Это проявляется в различных физиологических ощущениях космонавтов при выполнении движений, когда задействовано более одной координаты. Такие ощущения вызваны различием значений чувствительности и сил инерции координат стендов обезвешивания. При различных значениях чувствительности движение по одной координате начинается раньше, чем по другим. При различных значениях сил инерции движение по различным координатам происходит с разными значениями ускорений.

Выполненные исследования показали, что для решения этой проблемы необходимо по всем координатам иметь одинаковую чувствительность, определяемую согласно (4), и ошибку по регулированию усилия, определяемую согласно (5). Одинаковая чувствительность может быть обеспечена с помощью канала регулирования усилия благодаря выбору соответствующего А:ру. Для обеспечения одинакового значения ошибки регулирования усилия^

предложено использовать обратные связи по ускорению двигателя. В этом случае выражение (5) примет следующий вид:

_ЛМу_ (\-п)/у^ + Мтр/Мв

мв 1 + кст кр у

где п = кК1к£/Та , к£ - коэффициент усиления обратной связи по ускорению.

Исследования влияния обратных связей по ускорению на статические и динамические характеристики СКС, выполненные с использованием метода обратных частотных характеристик, показали:

- при положительной обратной связи по ускорению (ПОСУ) уменьшается, а при отрицательной обратной связи по ускорению (ООСУ) увеличивается эквивалентное соотношение масс Т0 /[Гд(і — и)] в СКС, что приводит к

изменению ошибки регулирования усилия 5у;

- значение коэффициента передачи ПОСУ ограничено величиной пф, определяющего устойчивость СКС;

- при введении ПОСУ ухудшается, а при введении ООСУ улучшается демпфирующая способность СКС;

- при ПОСУ сужается полоса пропускания контура регулирования усилия, что может потребовать применения электроприводов с высоким быстродействием контура регулирования электромагнитного момента (тока) электродвигателя;

- при ООСУ расширяется полоса пропускания канала регулирования усилия, что позволяет применять при реализации СКС электроприводы с более низким быстродействием;

- при решении задачи синтеза РУ для определения его параметров необходимо учитывать влияние коэффициента усиления обратной связи по ускорению.

Исследования эффективности функционирования СКС с обратными связями по ускорению электродвигателя выполнены на примере движений космонавта в гравитационных условиях Луны.

Как видно из рис. 7, при отсутствии обратных связей по ускорению происходит искажение траектории полета от прямой в сторону на 0,2 м. А при наличии обратных связей траектория полета осуществляется по прямой линии.

Для экспериментального подтверждения полученных результатов на экспериментальном стенде был проведён комплекс экспериментов. Осциллограммы изменения приращения усилия Д/7, хока. АI и скорости АО. при приложении ступенчатого воздействия приведен на рис. 8.

Рис. 7. Расчётная траектория прыжка космонавта

а) б) в)

Рис. 8. Графики переходных процессов в СКС при отсутствии (я), с положительной (б) и отрицательной (в) обратными связями по ускорению (игдс=11,5 Н/кл; тл-45 (рад/с)/кл; тядг=5 А!кл)

Экспериментальные исследования показали, что в СКС без обратной связи по ускорению 5У = 5,8 % при использовании' ПОСУ наблюдается

уменьшение ошибки воспроизведения ускорения 5У =3,5 %. При введении ООСУ ошибка воспроизведения ускорения возрастает до 5у = 12,2 %. Переходные процессы при действии в СКС импульсного возмущающего воздействия показали, что логарифмический декремент затухания в СКС без обратной связи по ускорению Х=1,57 при использовании ПОСУ составил Х=1,21, при использовании ООСУ — Х=1,90.

В пятой главе рассмотрены вопросы обоснования выбора элементов и устройств электроприводов СКС.

Анализ и сопоставление различных электроприводов показали перспективность применения последних для построения СКС. Среди электродвигателей целесообразно применять ДПТ с возбуждением от постоянных магнитов, АД и СДПМ. Анализ и сопоставление различных типов преобразователей и способов управления электродвигателями показали, что в электроприводах постоянного тока целесообразно использовать электроприводы с широтно-импульсной модуляцией, т.к. они обеспечивают необходимое быстродействие, позволяющее использовать квазиоптимальное управление в канале регулирования усилия. В электроприводах переменного тока, в которых фактическое значение скорости и положения ротора определятся с помощью датчика, установленного на валу двигателя, рекомендуется использовать векторное управление.

При выборе электродвигателей необходимо учитывать, что энергетические затраты на динамическую составляющую движения обезвешиваемого объекта обеспечиваются внешним прикладываемым к нему усилием, а не моментом, развиваемым электроприводом.

Наиболее сложным для учета факторов влияющих на выбор электродвигателя является обеспечение допустимого нагрева. В СКС график изменения нагрузки двигателя априори неизвестен, так как зависит от программы тренировок. Поэтому предложено использовать предельные типовые нагрузочные диаграммы и тахограммы при имитации движений космонавтов в невесомости и гравитационных условиях других планет. Такие тахограммы и нагрузочные диаграммы соответствуют наиболее тяжелым условиям работы электроприводов, при которых достигается наибольший нагрев двигателя.

Анализ условий работы СКС, показал необходимость решения многофакторной задачи выбора мощности электродвигателей. Решение такой задачи сведено к оптимизации обобщенного параметра — радиуса приведения. Получены аналитические выражения условий, влияющих на выбор электродвигателей систем вертикального и горизонтального перемещений в режимах имитации движений в невесомости и гравитационных условиях других планет. Получены условия и выражения требуемых радиусов приведения ртр, обеспечивающих:

— согласование скоростей объекта и двигателя р^ > рп;

— обеспечение режима стоянки двигателя под током (только для электропривода СВП) р.^ < рст;

- обеспечение максимального момента двигателя Рдтах1 -Ртр — Рдтах2'

- обеспечение допустимых тепловых перегрузок рэ1 < Ртр < рэ2-

Требуемый радиус приведения должен находиться в диапазоне

Ргр е[тах(рп,рдаах1,рэ1),шт(рст,рдаах2,рэ2)]. При выборе радиуса приведения из указанного диапазона, в зависимости от требований СКС, предложено руководствоваться критериями:

а) минимизации массы электромеханического модуля Ртр = тах(Р£2>Рдтах1>Рэ1>Рдтт)> гДе Рдтт ~ радиус приведения, при котором достигается минимальный момент электродвигателя, что минимизирует его массу;

б) минимизации ошибки воспроизведения ускорения, для чего необходимо минимизировать соотношения моментов инерции двигателя и объекта обезвешй„яния ^ ртр =тш(Рст,Рдтах2,Рэ2).

Определение Фактического радиуса приведения возможно только после выбора электродвигателя. Чо мощносхь электродвигателя зависит от параметров механических передач - ^^ приведения. Поэтому такую задачу предложено решать с использованием Р^ботанной инженерной методики.

Анализ структуры системы управление гКС показал, что основная специфика реализации информационно-измерительна сисхемы заключается в измерении силовых воздействий. Сопоставление различна способов измерения усилия показали, что при практической реализации СКС не^ходимо:

- для системы горизонтальных перемещений измерение усилил осуществлять по углу отклонения каната от вертикальной оси-, используя цифровые фотоэлектрические преобразователи углового перемещения, встраиваемые в измерительную цепь с помощью специальных устройств, обеспечивающих совмещение оси вала преобразователя угловых перемещений с осью качания каната;

- для исключения погрешности от закручивания обезвешиваемого объекта вокруг вертикальной оси измерение усилия в горизонтальной плоскости осуществлять по дифференциальной схеме, используя по два датчика, расположенных на тележке по диагонали (технические решения защищены патентом РФ);

- для системы вертикальных перемещений применять тензорезисторные датчики, встраиваемые в силоизмерительную цепь с помощью силовводящих деталей типа шарнирная петля в месте подвеса обезвешиваемого объекта;

- для повышения точности измерения усилия в вертикальной плоскости использовать корректирующий фаззи-регулятор, включаемый встречно-параллельно силоизмерительному каналу, показанный на рис. 9.

Рис. 9. Функциональная схема СКС с фаззи-регулят°гом

Фаззи-регулятор ФР содержит блоки фаззифика"*"1 и ФТ> блок ло~ гического заключения ЛЗ, свод правил СП и дефаззификации ДФ. Блок фаззификации преобразует входные *~ические переменные (сигнал отклонения усилия С/д г и время и в —ение которого существует ад В лингвистические переменные -пи-логики Рі и Тк. Выходной фаззи-переменной К] является наг'<"лЖение компенсации ухода нуля і/^ в сигнале IIАР. В блоке лот"ческого заключения, на основании предлагаемого свода правил, принимается решение и выдаётся выходное воздействие в термах фаззи-логики. Так как каждое значение входной переменной принадлежит к двум термам, то при использовании операции конъюнкции в процессе принятия решения оказываются задействованы четыре правила. Определение значения функции принадлежности (і осуществляется в результате нечеткой импликации - операции минимума. Полученные четыре усеченные выходные терма не позволяют выдать одно выходное воздействие, поэтому необходимо осуществить операцию дефаззификации - приведение к чёткости. Для получения одного выходного воздействия используется операция дефаззификации по методу центра тяжести.

В шестой главе приведены результаты внедрения стендов обезвешива-ния для подготовки космонавтов, технические предложения и схемные решения повышения их безопасной эксплуатации и перспективы развития СКС.

При построении СКС, наряду с решением проблем по реализации их функциональных возможностей, особое внимание необходимо уделять вопросам безопасности при работе космонавтов на тренажёре. Исследования показали необходимость реализации следующих технических предложений и схемных решений безопасности обучения космонавтов на тренажёрах СКС:

- питание электроприводов тренажёра осуществлять от 1Т-сети с контролем сопротивления изоляции;

— использовать страховочный фал и применять канатную передачу со сдвоенным полиспастом с балансиром, что позволяет удерживать скафандр на весу в случае обрыва одной из ветвей каната;

— применять режим динамического торможения в системе вертикальных перемещений для спуска человека в скафандре с высоты при исчезновении электропитания, реализацию которого целесообразно осуществлять шунтированием звена постоянного тока преобразователя на тормозное сопротивление;

— применять разработанное устройство ограничения координат (скорости, положения), которое функционирует по принципу задержанных обратных связей по скорости и положению.

В 1996-1999 гг. на основании теоретических положений, изложенных в данной диссертации, в РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина был создан, а в 2000 г. внедрён тренажёрный комплекс «Выход-2», предназначенный для обучения одновременно двух космонавтов, выполняющих общую задачу. На тренажёре «Выход-2» можно имитировать движение в невесомости космонавта в скафандре общей массой до 250 кг, при скоростях перемещения до 0,2 м/с, с ускорениями до 0,2 м/с". Внешний вид приведен на рис. 10. На тренажёре реализована пассивная система горизонтальных перемещений с использованием подушек на воздушной пленке. Системы вертикальных перемещений на нём имеют по два высокомоментных электродвигателя постоянного тока 1ПИ 12.11 (60 В, 500 Вт, 4,7 Н-м, 1000 об/мин), соединённых электрически последовательно и работающих на один быстроходный вал редуктора. Электродвигатели получают питание от широтно-импульсного преобразователя ЭШИМ1. Система управления и регулятор усилия выполнены на дополнительной плате на операционных усилителях. Механика электропривода состоит из цилиндрического редуктора /р = 12,5, сдвоенного барабана диаметром

Б = 100 мм и электромагнитного тормоза, прикладывающего тормозное усилие к муфте, расположенной между валом электродвигателя и быстроходным валом редуктора.

Накопленный практический опыт эксплуатации тренажёра «Выход-2» и завершение гарантийного срока эксплуатации аналогового электропривода постоянного тока привели к необходимости модернизации тренажёра с целью расширения его функциональных возможностей путём:

— реализации алгоритма автоматической настройки системы на вес обезвешиваемого объекта, обеспечивающего вычисление сигналов задания на ток двигателя для удержания объекта на весу и компенсацию постоянной составляющей сигнала датчика усилия;

— реализации многорежимной работы СКС, которая обеспечивает установку объекта в исходное положение в режиме стабилизации скорости, а обезвешивание объекта в режиме регулирования усилия;

— повышения точности компенсации статических сил сухого и вязкого трения, препятствующих движению объекта обезвешивания;

— увеличения скорости перемещения в вертикальной плоскости до 0,4 м/с при ускорениях до 0,3 м/с".

При модернизации тренажёра реализован частотно-регулируемый синхронный электропривод вертикальных перемещений с векторным управлением двигателем High Dynamic 1FK7061-7AF71-1FH5-Z J12 (1,7 кВт, 6,4 Н м, 3000 об/мин) со встроенным редуктором 1=16.

Механизм СВП содержит сдвоенный барабан диаметром 100 мм и колодочный тормоз с электрогидравлическим толкателем ТКГ200, действующий на тормозную муфту, установленную между выходным валом редуктора и барабаном.

Исследования СКС позволили сформулировать рекомендации по реализации системы управления и дополнительных сервисов для обслуживающего персонала:

— контуры регулирования усилия с РУ, тока, обратные связи по ускорению реализовывать на базе цифрового преобразователя с открытой архитектурой;

— алгоритмы диагностики, автоматической настройки, нечеткий регулятор, схемы, обеспечивающие ограничение скорости и положения при функционировании тренажёра, алгоритмы по построению человеко-машинного интерфейса — в промышленном контроллере.

Система управления модернизированного тренажера «Выход-2» выполнена цифровой с применением контроллера управления движением Simotion D425 с интегрированной системой управления электроприводами Sinamics-S120 фирмы Siemens.

Экспериментальные графики, приведенные на рис. 11, сопоставление характеристик стенда обезвешивания до и после модернизации, показали, что:

— применение рекомендации по реализации информационно-измерительного канала СКС, снижение трения благодаря применению электропривода переменного тока позволило уменьшить значение чувствительности в 1,5-2 раза;

— применение электропривода переменного тока позволило повысить качество имитации невесомости путём снижения ошибки воспроизведения ускорения в 2,5-3 раза благодаря уменьшению инерционности приводного механизма (с ДПТ J0/Ja =13, с СДПМ J0/Ja = 1,09).

Реализация СКС на базе современного ЭП переменного тока с цифровой системой управления позволила:

— улучшить эксплуатационные характеристики тренажёрных комплексов подготовки космонавтов и обеспечить высокий уровень безопасности;

— расширить возможности для совершенствования СКС без изменения аппаратной части тренажёрного комплекса за счёт совершенствования программных алгоритмов управления.

Продолжением развития тренажёров с активными СВП и СГП явилось создание нами в 2007 г. совместно с Донским филиалом центра тренажёростроения (г. Новочеркасск) комплекса «Сармат», предназначенного для имитации на Земле деятельности космонавтов в открытом космосе, внешний вид которого приведен на рис. 10. На комплексе «Сармат» масса объекта обезве-

шивания может изменяться от 30 до 150 кг, диапазон его вертикальных перемещений составляет ±0,4 м, максимальная скорость перемещения 0,3 м/с, а ускорение - до 0,2 м/с".

Системы вертикального и горизонтального перемещений объекта реализованы с применением быстродействующих синхронных электроприводов с преобразователями частоты типа SINAMICS-S120.

Внедрение тренажера «Выход-2», комплекса «Сармат» и в учебный процесс подтверждено актами выданными ЦПК им. Ю.А.Гагарина, ЦТиПП, г. Москва и ЮРГТУ(НПИ).

IM

а) б)

Рис. 10. Внешний вид тренажера «Выход-2» (а), комплекса «Сармат» (б)

f„H' 100

\ /1

/2

0 50 100 150 200 250 300 350 К„

Рис. 11. График зависимости чувствительности (а), ошибки регулирования усилия (б) в функции коэффициента усиления регулятора усилия: 1 - до модернизации; 2 - после модернизации

В настоящее время в рамках государственного контракта между ФГБОУ ВПО ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова и ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева решается задача создания комплексного тренажёра, обеспечивающего подготовку космонавтов к работе в невесомости и гравитационных условиях других планет.

Кинематическую схему тренажёра предложено реализовать в прямоугольных координатах с активными СКС. На проектируемом тренажёре для управления четырьмя осями предложенно использовать более высокопроизводительнй контроллер Simotion Р320-3 с управлением электроприводами Sinamics S120 по шине Profmet.

Выполненные исследования позволили наметить дальнейшие направ-

ления развития теории и практики построения перспективных тренажёров. Показаны особенности применения теоретических положений и практических рекомендаций, изложенных в данной диссертации, при построении медицинских тренажёров, используемых для реабилитации опорно-двигательного аппарата человека, специальных грузоподъемных устройств. На реализацию медицинских тренажёров и сбалансированных манипуляторов с использованием СКС получены патенты. " •

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В совокупности результаты работы представляют научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в решение крупной научной проблемы повышения технического уровня и эффективности работы сложных электротехнических комплексов, имеющих взаимосвязанные координаты, упругие механические передачи и существенные нелинейности. Создание и внедрение разработанных СКС позволяет обеспечить построение тренажёров для подготовки космонавтов при имитации их деятельности в условиях невесомости и пониженной гравитации, В результате выполненных диссертационных исследований получены следующие основные выводы и результаты:

1. Предложены технические критерии оценки качества работы тренажёров и определена их взаимосвязь с показателями работы СКС, что позволяет комплексно решать вопросы выбора рациональных кинематических схем СГП, обеспечивающих пространственные перемещения объектов при проектировании системы управления СКС.

2. Сформулированы требования, предъявляемые к СКС комплексных тренажёров для подготовки космонавтов: масса объекта до 250 кг, степеней подвижности — до 6, предельные скорости и ускорения в горизонтальной плоскости - до 2,1 м/с и 7,4 м/с", в вертикальной плоскости - до 1,8 м/с и 5,8 м/с", ошибка воспроизведения ускорения не более 10-15 %, чувствительность не более 2 %.

3. Для отработки космонавтами на тренажёрах операций при скоростях перемещений до 0,4—0,6 м/с системы горизонтальных перемещений целесообразно выполнять с использованием полярной системы координат, применяя пассивные способы уменьшения влияния сил трения и активные системы перемещений в вертикальной плоскости. При создании перспективных тренажёров для обучения космонавтов при имитации движений космонавтов до 2,1 м/с рекомендуется применять СГП, реализованные в прямоугольной системе координат с использованием электроприводов.

4. Разработана обобщенная математическая модель многокоординатной СКС и с использованием корректных упрощений обосновано её применение для решения задач анализа и синтеза СКС.

5. На основании единого подхода к построению СВП и СГП обоснована структура СКС с контуром регулирования усилия, обеспечивающим требуемые статические и динамические показатели СКС, контуром регулирования электромагнитного момента (тока) электродвигателя, обеспечивающим

ограничения тока на заданном уровне, нелинейным управлением, обеспечивающим компенсацию сил сухого и вязкого трения, обратной связью по ускорению, обеспечивающую управления силами механической инерции, задержанными обратными связями, обеспечивающими ограничения заданном уровне скорости и положение обезвешиваемого обт-»"«1-

6. С использование методов оптимального управления решена задача структурнп-пяраиехрического синтеза регулятора усилия

= + + + показана эффективность его

работы при реализации СКС.

7. Разработана методика многофакторного определения требуемых параметров силовой части электропривода, позволяющая выполнять совместный выбор рациональных параметров механической части и энергетического канала электропривода с применением критериев минимизации массы электромеханического модуля или уменьшения соотношений моментов инерции при учёте ограничений по согласованию скоростей, обеспечения режима стоянки под током, наличия необходимых запасов по максимальному моменту и нагреву электродвигателя.

8. При отработке пространственных траекторий движения космонавта на тренажёре для обеспечения одинаковых точностных свойств СВП и СГП предложено выравнивать чувствительность по разным координатам выбором соответствующего коэффициента усиления обратной связи по усилию и ошибок воспроизведения ускорения путём изменения влияния сил механической инерции СКС за счёт обратной связи по ускорению электродвигателя.

9. Разработаны методы и способы:

- идентификации упруго-диссипативных свойств механических передач, характеристик сухого и вязкого трения;

- настройки системы управления СКС (при изменении параметров стендов обезвешивания, параметры РУ рекомендуется определять при максимальной длине канатной передачи и минимальной массе обезвешиваемого объекта);

- применения упрощенного квазиоптимального РУ = кру(Г,5 + 1)/(Г25 + 1) при мало различающихся постоянных времени

демпфирования Т(1 и замкнутого контура регулирования электромагнитного момента (тока) электродвигателя Гет;

- реализации информационно-измерительной системы СКС с каналами измерения усилий в вертикальной и горизонтальной плоскостях с применением специальных силовводящих деталей и обработки информации с использованием нечеткой логики;

- повышения безопасности функционирования, благодаря обеспечению режима динамического торможения в СВП, применению задержанных обратных связей по положению, питанию электроприводов от 1Т-сети.

10. Экспериментальные исследования СВП, реализованных с применением электроприводов постоянного и переменного тока, показало, что при-

менение цифровой системы управления с СДПМ позволило уменьшить величину чувствительности в 1,5-2 раза, повысить качество имитации невесомости путем снижения ошибки воспроизведения ускорения в 2,5-3 раза, снизить гщекХрОМеханического модуля в 3,6 раза.

11.Полученные р«^УЛЬТаты теоретических и экспериментальных исследований, научно обоснованные рекомендации и технические решения по реализации систем управления СКС использованы при реализации системы вертикальных перемещений на базе электропривода постоянного тока в составе устройства обезвешивания скафандров «Орлан-МТ» тренажёра «Вы-ход-2» (2000 г.) и её глубокой модернизации на синхронный электропривод переменного тока с цифровой системой управления (2010 г.); внедрения активных системы горизонтальных и вертикальных перемещений тренажёра имитации деятельности космонавтов в открытом космосе «Сармат» (2007 г.); разработке проектно-конструкторской документации на создание системы трёхкоординатного перемещения двух операторов и полезного груза тренажёра с единой цифровой системой управления, предназначенного для подготовки космонавтов к работе в невесомости и гравитационных условиях других планет (2012 г.).

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Пятибратов Г.Я. Реализация систем регулирования усилий электромеханических комплексов с упругими связями / Г.Я. Пятибратов, O.A. Кравченко, A.A. Денисов // Изв. вузов. Электромеханика. - 1997. -

№3,-С. 51-54. -

2. Кравченко O.A. Синтез оптимального регулятора усилий в электромеханических системах с упругими связями / O.A. Кравченко, Г.Я. Пятибратов // Изв. вузов. Электромеханика. -1998. —№ 4. - С. 58-63.

3. Кравченко O.A. Определение качества функционирования электромеханических стендов имитации невесомости / O.A. Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. - 2002 . - № 3. - С. 50-55.

4. Сухенко H.A. Пути и способы оптимизации структуры и параметров электромеханических систем компенсации силы тяжести / H.A. Сухенко, O.A. Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. - 2003. - № 5. - С. 30-36.

5. Кравченко O.A. Повышение качества информационного обеспечения силокомпенсирующих систем применением фаззи-регулятора / O.A. Кравченко, М.А. Хализева // Изв. вузов. Электромеханика. - 2003. -№5.-С. 37-41.

6. Барыльник Д.В. Проблемы и перспективы применения асинхронных электроприводов в системах регулирования усилий исполнительных механизмов / Д.В. Барыльник, O.A. Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. - 2005. - № 6. - С. 33-36.

7. Пятибратов Г.Я. Создание и внедрение систем управления усилиями в упругих передачах и исполнительных устройствах электромеханических комплексов / Г.Я. Пятибратов, O.A. Кравченко // Изв. вузов. Электроме-

ханика. - 2008. - № 1. - С. 45-56.

8. Кравченко O.A. Создание и опыт эксплуатации силокомпенсирующих систем, обеспечивающих многофункциональную подготовку космонавтов к работе в невесомости / O.A. Кравченко, Г.Я. Пятибратов // Изв. вузов. Электромеханика. - 2008. - № 2. - С. 42-47.

9. Кравченко O.A. Принципы построения многокоординатных силокомпенсирующих систем / O.A. Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. -2008.-№3.-С. 43-47.

10. Кравченко O.A. Особенности построения и реализации информационно-измерительных и управляющих систем силокомпенсирующих электромеханических комплексов / O.A. Кравченко // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2010. - № 2. - С. 47-52.

11. Пятибратов Г.Я. Способы реализации и направления совершенствования тренажеров для подготовки космонавтов к работе в невесомости / Г.Я. Пятибратов, O.A. Кравченко, В.П. Папирняк // Изв. вузов. Электромеханика. - 2010. - № 5. - С. 70-76.

12. Кравченко O.A. Электромеханические системы тренажеров, обеспечивающие многофункциональную подготовку космонавтов / O.A. Кравченко // Известия Тульского государственного университета. Техн. науки. - 2010. - Вып. 3, ч. 3. - С. 52-58.

13. Киво A.M. Определение энергетических характеристик электроприводов специальных стендов, обеспечивающих отработку космонавтами перемещений на планетах с пониженной гравитацией / A.M. Киво, O.A. Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. — 2012. — № 3. — С. 45—50.

13? Кравченко O.A. Обоснование применения обратных связей по ускорению в многокоординатных силокомпенсирующих системах / O.A. Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. - 2012. —№ 4. - С. 47-52.

15. Принципы построения и реализация систем компенсации силы тяжести / O.A. Кравченко, Г.Я. Пятибратов, H.A. Сухенко, А.Б. Бекин // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2013. - № 2. - С. 32-35.

16. Кравченко O.A. Многокритериальная методика определения рациональных параметров электроприводов силокомпенсирующих систем / O.A. Кравченко//Изв. вузов. Электромеханика.-2013.-№ 3. - С. 33-38.

Монографии, патенты на изобретения и полезные модели

17. Кравченко O.A. Создание систем оптимального управления усилиями в упругих передачах электромеханических комплексов / O.A. Кравченко, Г.Я. Пятибратов ; Новочерк. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск, 1999. — 107 с. - Деп. в ВИНИТИ 03.03.99, № 637- В99. - Аннот. в БУ Деп. науч. раб. / ВИНИТИ. - 1999. - № 5. - б/о 240.

18. Пятибратов Г.Я. Математическое описание и моделирование систем компенсации силы тяжести с асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами / Г.Я. Пятибратов, Д.В. Барыльник, O.A. Кравченко ; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск, 2006. - 154 с. - Деп. в ВИНИТИ 19.07.06, № 971-В2006. - Аннот. в БУ Деп. науч. работы /

ИНИОН РАН. - 2006. - № 9. - б/о 187.

19. Кравченко O.A. Система автоматического контроля и регулирования си-локомпенсирующих электромеханических комплексов / O.A. Кравченко, Н.Ф. Твердохлебов ; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск, 2009. -79 с. - Деп. в ВИНИТИ 19.10.09, № 631-В2009. - Аннот. В БУ ВИНИТИ Деп. науч. работы / ИНИОН РАН. - 2009. - № 12. - б/о 53.

20. Бырыльник Д.В. Силокомпенсирующие системы с электроприводами переменного тока тренажерных комплексов подготовки космонавтов / Д.В. Бырыльник, Г.Я. Пятибратов, O.A. Кравченко ; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). — Новочеркасск : Ред. журн. "Изв. вузов. Электромеханика" : Лик, 2012. -176 с.

21. Кравченко O.A. Принципы построения и способы реализации электромеханических систем с управлением инерциальными нагрузками приводного устройства / O.A. Кравченко, A.M. Киво; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : Лик, 2012. - 110 с.

22. Пат. 2355039 Рос. Федерация, МПК G09B 9/00. Система управления вертикальным перемещением обучаемого на тренажере выхода в космос / O.A. Кравченко, Г.Я. Пятибратов, Н.Ф. Твердохлебов, A.B. Антонов ; патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). - № 2007146542/28 ; за-явл. 12.12.07 ; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13. _ 16 с.

23. Пат. на полезную модель 106104 Рос. Федерация, МКИ A61G3/00. Устройство реабилитации пациентов с нарушением опорно-двигательного аппарата / O.A. Кравченко, H.A. Демченко ; патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). - № 2010129902/12 ; заявл. 16.07.10 ; опубл. 10.07.2011,Бюл.№ 19.-2 с.

24. Пат. 2431596 Рос. Федерация, МПК В66С23/00, В66С13/00. Устройство для измерения углов наклона канатов при сдвоенном полиспасте / Н.Ф. Твердохлебов, O.A. Кравченко. - № 2010110938/11 ; заявл. 22.03.10; опубл. 20.10.2011, Бюл. № 29. - 15 с.

25. Пат. 2454694 Рос. Федерация, МПК G05B13/00. . Силокомпенсирующий электропривод сбалансированного манипулятора / H.A. Сухенко, O.A. Кравченко, Г.Я. Пятибратов ; патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). - № 2011117921/08 ; заявл. 04.05.11; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18,-11 с.

Другие публикации по теме диссертационных исследований

26. Кравченко O.A. Обеспечение безопасности функционирования электромеханических систем вертикальных перемещений тренажеров для подготовки космонавтов к работе в условиях невесомости / О. А. Кравченко, Г. Я. Пятибратов, А. А. Денисов // Пилотируемые полеты в космос : тез. докл. III Междунар. науч.- практ. конф., 11-12 нояб. 1997 г., Звездный городок, Моск. обл. - М.: РГНИИЦПК, 1997. - С. 212-214.

27. Кравченко O.A. Проблемы выбора и реализации силоизмерительных устройств для систем управления усилиями в механических передачах технологических машин / O.A. Кравченко, Г.Я. Пятибратов ; Новочерк.

гос. техн. ун-т. - Новочеркасск, 1997. - 41 с. - Деп. в ВИНИТИ 11.1? № 611-В97.

28. Кравченко O.A. Построение систем электроснабжения м<~л1ЛЬНЫХ объ" ектов в тренажеростроении / О. А. Кравченко, Г. Н. i^iaeB Н Изв. вузов. Электромеханика. - 1998. - С. 108.

29. Кравченко O.A. Компенсация влияния <-л тРения на качество работы электромеханических комплексов ' А- Кравченко, Г. Я. Пятибратов // Новые технологии управле^" Движением технических объектов: материалы 2-й Междунар ^ауч—техн. конф., г. Новочеркасск, 22-25 нояб. 1999 г. / Юж.—гос- техн. ун-т (НИИ). — Новочеркасск : ЮРГТУ, 1999._Т. i.-С. 26-28.

30. КраВченко O.A. Проблемы микропроцессорного управления электромеханическими силокомпенсирующими системами тренажерных комплексов / О. А. Кравченко, Г. Я. Пятибратов, Н. А. Сухенко // Новые технологии управления движением технических объектов : материалы 3-й Меж-дунар. науч.-техн. конф.: В 4 т. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т(НПИ). - Новочеркасск ; Ростов н/Д : Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. - Т. 1. - С. 114-116.

31. Кравченко O.A. Проблемы получения математических моделей электромеханических систем регулирования усилий / О. А. Кравченко, Г. Я. Пятибратов, Н. А. Сухенко // Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы : материалы междунар. науч.—практ. конф., [г. Новочеркасск, 25 окт. 2000 г.] : В 4 ч. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : Набла, 2000. - Ч. 2. - С. 30-32.

32. Кравченко O.A. Адаптивная избирательная коррекция силовых воздействий в системе вертикальных перемещений тренажера "Выход-2" / O.A. Кравченко, Г. Н. Катаев, A.B. Антонов // Технические средства и технологии для построения тренажеров : материалы науч.-техн. семинара, Звездный городок, Моск. обл., 13-14 окт. 2004 г. / Рос. гос. науч-исслед. испытат. центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина. — Звездный городок, 2004. - Вып. 5. - С. 146-148.

33. Твердохлебов Н.Ф. Применение микроконтроллера в системе управления вертикальным перемещением тренажера "Выход-2" / Н. Ф. Твердохлебов, О. А. Кравченко, О. В. Блинов // Пилотируемые полеты в космос: сб. тез. VI Междунар. науч.—практ. конф., Звездный городок, Московская обл., 10-11 нояб. 2005 г. / ЦПК им. Ю. А. Гагарина. - Звездный городок, 2005. - С. 215-217.

34. Кравченко O.A. Состояние и перспективы совершенствования силоком-пенсирующих электромеханических систем / O.A. Кравченко, Д.В. Барыльник // АЭП-2007 : тр. V Междунар. (XVI Всерос.) конф. по автоматизированному электроприводу, г. С. —Петербург, 18-21 сент. 2007 г. - СПб., 2007. - С. 298-301.

35. Киво A.M. Проблемы и перспективы создания тренажеров с частичным обезвешиванием космонавтов для Лунной и Марсианской программ / A.M. Киво, O.A. Кравченко // Юж.—Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). — Новочеркасск, 2010. - 18с. - Деп. в ВИНИТИ 18.06.10, № 380-В2010. - Ан-

Ч в БУ Деп. науч. работы / ВИНИТИ РАН. - 2010. - № 8. - б/о 104. ПятИь.-тов Г.Я. Электромеханические системы специальных тренажеров, °беспс.чвающих ОТработку космонавтами перемещений на планетах с пониже,гравитацией / Г.Я. Пятибратов, A.M. Киво, O.A. Кравченко // Аог..?012 . тр. VII Междунар. (XVII Всерос.) конф. по автоматизированному эл^о^^о^ окт. 2012 г. / Иванов, гос. энергет. ун-т им. В.И. Ленина. - И^Ч0В0; 2012. - С. 612-616.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискОТрЛЮ принадлежат следующие научные результаты (в квадратных скобках ука^ны номера работ, представленных выше): постановка и решение задачи р, ^7], проведение экспериментальных исследований и результаты их обработки [1, 2, 8], постановка задачи и выводы по результатам исследований [4, 5,6,13,18, 31, 32, 33, 35], разработка практических рекомендаций и инженерных методик [19, 20, 22, 23, 24, 25, 27, 28], обобщение способов построения, формулирование направлений исследований по результатам практической эксплуатации СКС [8, 11,15,30, 34, 36].

Исследования выполнены при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.1826.

Кравченко Олег Александрович

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ СИСТЕМ ТРЕНАЖЁРОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ КОСМОНАВТОВ

Автореферат

Подписано в печать 10.09.2013 Формат 60x84 '/ц. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 120 экз. Заказ № 46-1106.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428. г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет

(НПИ) имени М.И. Платова»

На правах рукописи

05201450352

Кравченко Олег Александрович

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ СИСТЕМ ТРЕНАЖЁРОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ КОСМОНАВТОВ

05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант д-р техн. наук, профессор Пятибратов Г.Я.

Новочеркасск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................9

1 АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИЛОКОМПЕСИРУЮЩИХ СИСТЕМ ТРЕНАЖЁРОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ КОСМОНАВТОВ..................................................................................................................19

1.1 Существующие подходы к построению и особенности функционирования систем регулирования усилия........................................................................................19

1.2 Анализ состояния и области применения силокомпенсирующих электромеханических комплексов.................................................................................25

1.2.1 Особенности реализации специальных грузоподъёмных устройств................25

1.2.2 Способы построения и особенности реализации медицинских тренажёров для реабилитации опорно-двигательного аппарата.......................27

1.2.3 Применение стендов испытаний объектов космической техники

для работы в условиях невесомости.....................................................................30

1.2.4 Способы и средства подготовки космонавтов с использованием силокомпенсирующих систем...............................................................................32

1.3 Анализ проблем и возможных направлений их решения при создании современных силокомпенсирующих электромеханических комплексов..................36

1.4 Критерии функционирования многокоординатных силокомпенсирующих

систем тренажёров для подготовки космонавтов........................................................40

1.5 Определение требований к тренажёрам для подготовки космонавтов

в условиях полной и частичной невесомости...............................................................47

1.6 Сопоставление достоинств и недостатков вариантов реализации механической части силокомпенсирующих систем....................................................54

1.6.1 Анализ подходов к построению стендов обезвешивания тренажёров

для подготовки космонавтов.................................................................................54

1.6.2 Анализ и сопоставление пассивных, активных и комбинированных систем при построении системы вертикальных перемещений космонавтов................59

1.6.3 Анализ и сопоставление пассивных и активных систем при реализации системы горизонтальных перемещений космонавтов........................................65

1.7 Задачи развития теории и практики создания тренажёров для

подготовки космонавтов.................................................................................................71

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ СИСТЕМ............................................73

2.1 Анализ и сопоставление подходов к получению математических моделей стендов обезвешивания...................................................................................................73

2.2 Разработка математических моделей механической части силокомпенсирующих систем........................................................................................77

2.2.1 Составление расчётных схем элементов механической части

стендов обезвешивания..........................................................................................77

2.2.2 Анализ свойств механических передач стендов обезвешивания.......................85

2.2.3 Математическое описание стендов обезвешивания с учётом

свойств механических передач электроприводов СКС......................................88

2.3 Получение математических моделей электромеханических преобразователей для силокомпенсирующих систем.................................................94

2.3.1 Математическое описание асинхронных электродвигателей

при частотном регулировании электромагнитного момента.............................94

2.3.2 Математическое описание синхронного электродвигателя с постоянными магнитами при частотном регулировании электромагнитного момента....... 101

2.3.3 Математическое описание электродвигателя постоянного тока

с независимым возбуждением............................................................................104

2.4 Разработка обобщенной математической модели

силокомпенсирующей системы.................................................................................. 106

2.4.1 Математическое описание управляющих

и информационно-измерительных устройств...................................................106

2.4.2 Получение обобщенной математической модели силокомпенсирующей системы..........................................................................115

2.5 Проверка адекватности математической модели и разработка методов идентификации параметров силокомпенсирующих

электромеханических систем...................................................................................... 120

2.5.1 Создание экспериментального стенда для комплексных

исследований силокомпенсирующих систем................................................... 120

2.5.2 Определение параметров нелинейных характеристик

механических передач.........................................................................................123

2.5.3 Идентификация параметров упруго-диссипативных

свойств механической передачи........................................................................124

2.5.4 Определение параметров управляющих устройств силокомпенсирующих систем............................................................................126

2.5.5 Проверка адекватности математической модели.............................................130

3 СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТИ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ СИСТЕМ........................................................................133

3.1 Анализ и сопоставление возможных подходов к синтезу неизменяемой

части и локальных регуляторов..................................................................................133

3.1.1 Обзор методов синтеза электромеханических систем с упругими связями ..133

3.1.2 Обоснование предлагаемого подхода к синтезу системы

управления усилиями..........................................................................................137

3.2 Разработка структуры системы управления усилиями при построении силокомпенсирующих систем.....................................................................................143

3.3 Синтез оптимального регулятора усилия в силокомпенсирующих системах.......148

3.3.1 Постановка задачи синтеза оптимального регулятора усилия........................148

3.3.2 Определение структуры оптимального регулятора усилия............................153

3.3.3 Проблемы учёта наиболее опасного случайного возмущающего воздействия при синтезе оптимального регулятора усилия............................157

3.3.4 Решение задачи синтеза оптимального регулятора усилий............................158

3.3.5 Исследование влияния коэффициента Лагранжа на функционирование силокомпенсирующих систем.......................................... 162

3.4 Оценка влияния допущений, принятых при синтезе регулятора усилия на качественные показатели работы силокомпенсирующей системы.........................166

3.4.1 Влияние динамических свойств контура регулирования тока........................166

3.4.2 Влияние быстродействия датчика усилия......................................................... 167

3.5 Анализ особенностей реализации синтезированного регулятора

усилия при создании цифровых силокомпенсирующих систем............................. 169

3.5.1 Исследование влияния квантования по времени

на качество регулирования усилия....................................................................169

3.5.2 Исследование влияния квантования по уровню

на качество регулирования усилия....................................................................172

3.6 Исследование влияния изменения параметров объекта

управления на работу оптимального регулятора усилия.........................................176

3.6.1 Исследование влияния изменений жёсткости

упругой механической передачи........................................................................176

3.6.2 Исследование влияния изменений массы обезвешиваемого объекта............179

3.7 Определение условий использования упрощённого регулятора усилий синтезированного методами оптимального управления..........................................180

3.8 Исследование возможности компенсации сил трения в механических передачах силокомпенсирующих систем...................................................................184

3.8.1 Исследование влияния сил трения на энергетические, статические

и динамические характеристики силокомпенсирующих систем....................184

3.8.2 Обоснование структуры и определение условий применения нелинейного регулятора, обеспечивающего компенсацию сил трения................................188

3.8.3 Исследование работы силокомпенсирующих систем

при использовании нелинейного управления...................................................191

3.9 Экспериментальные исследования СКС

с синтезированными законами управления...............................................................195

4 СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОКООРДИНАТНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ СИСТЕМ....................201

4.1 Проблемы построения многокоординатных силокомпенсирующих

систем и пути их решения...........................................................................................201

4.2 Обоснование подходов к управлению силокомпенсирующими

системами при взаимосвязанном движении координат...........................................202

4.3 Определение целесообразности и условий введения обратной связи

по ускорению двигателя в силокомпенсирующей системе......................................210

4.4 Исследование влияния положительной обратной связи по ускорению двигателя

на динамические свойства электромеханической силокомпенсирующей системы215

4.4.1 Анализ частотных характеристик силокомпенсирующей системы

при введении положительной обратной связи по ускорению двигателя.......215

4.4.2 Анализ динамических свойств силокомпенсирующей системы

при введении положительной обратной связи по ускорению двигателя.......219

4.5 Влияние отрицательной обратной связи по ускорению на

динамические свойства электромеханической силокомпенсирующей системы... 221

4.5.1 Анализ частотных характеристик силокомпенсирующей системы

при введении отрицательной обратной связи по ускорению двигателя........221

4.5.2 Анализ работы силокомпенсирующей системы при введении отрицательной обратной связи по ускорению двигателя................................222

4.6 Исследование влияния обратных связей по ускорению

на свойства электромеханических силокомпенсирующих систем..........................225

4.7 Особенности синтеза и практической реализации регулятора

усилия при введении обратной связи по ускорению двигателя..............................228

4.7.1 Синтез регулятора усилия при введении обратной связи по ускорению.......228

4.7.2 Рекомендации по настройке силокомпенсирующей системы при

введении обратной связи по ускорению............................................................231

4.8 Исследования взаимосвязанной работы многокоординатной силокомпенсирующей системы при отработке пространственных траекторий перемещения космонавтов...........................................................................................233

4.8.1 Экспериментальные исследования влияния обратных связей

по ускорению на изменения сил механической инерции электропривода.... 233

4.8.2 Исследования влияния обратных связей по ускорению на

имитацию движений космонавтов.....................................................................237

5 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕАЛИЗАЦИИ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ СИСТЕМ........................................................................244

5.1 Задачи и условия выбора элементной базы электроприводов силокомпенсирующих систем.....................................................................................244

5.2 Определение силовой части электромеханических силокомпенсирующих систем.....................................................................................246

5.2.1 Сопоставление возможностей применения различных

приводов при реализации силокомпенсирующих систем...............................246

5.2.2 Определение факторов, влияющих на выбор электродвигателя силокомпенсирующих систем............................................................................254

5.2.3 Многофакторный метод совместного выбора двигателя и

параметров механических передач....................................................................263

5.3 Разработка рекомендаций по выбору и реализации системы управления

силокомпенсирующих систем.....................................................................................268

5.3.1 Определение возможностей применения различных электроприводов

при реализации силокомпенсирующих систем................................................268

5.3.2 Особенности реализации системы управления силокомпенсирующими системами...................................................................274

5.4. Разработка информационно-измерительной системы

многокоординатных силокомпенсирующих систем.................................................277

5.4.1 Определение структуры и требований к информационно-измерительной системе электрических и механических величин.............................................277

5.4.2 Разработка канала измерения усилий в вертикальной плоскости..................282

5.4.3 Разработка канала измерения усилий в горизонтальной плоскости...............286

5.5 Разработка методов повышения достоверности измерения

усилий в вертикальной плоскости..............................................................................291

6 РАЗРАБОТКА, ВНЕДРЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ СТЕНДОВ ОБЕЗВЕШИВАНИЯ...........................................................302

6.1 Задачи и особенности практической реализации стендов обезвешивания............302

6.2 Разработка технических решений, повышающих безопасность функционирования тренажёров по обучению космонавтов....................................303

6.2.1 Анализ факторов влияющих на безопасность функционирования тренажёров по обучению космонавтов.............................................................303

6.2.2 Особенности реализации режимов ограничений скорости и

положения в силокомпенсирующих системах.................................................307

6.2.3 Реализации режима динамического торможения частотно-регулируемого электропривода системы вертикального перемещения

при отключении питающего напряжения.........................................................314

6.3 Технические решения создания и модернизации тренажёра «Выход-2»...............318

6.3.1 Реализация стенда обезвешивания на базе электропривода

постоянного тока.................................................................................................318

6.3.2 Модернизация стенда обезвешивания с использованием электропривода переменного тока.....................................................................324

6.3.3 Сопоставление реализаций тренажёра «Выход-2» на базе электроприводов постоянного и переменного токов.......................................329

6.4 Реализации и внедрение комплекса «Сармат», предназначенного

для имитации на Земле деятельности космонавтов в открытом космосе...............335

6.5 Перспективы и направления дальнейшего развития научных исследований

и практики создания многокоординатных силокомпенсирующих систем............342

6.5.1 Реализация комплексного тренажёра и возможные

направления развития исследований.................................................................342

6.5.2 Возможности расширения областей применения многокоординатных силокомпенсирующих систем............................................................................349

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................356

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................................359

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт внедрения результатов диссертационной работы......................376

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Акт внедрения результатов научно-исследовательской работы по созданию активных электромеханических силокомпенсирующих систем, обеспечивающих построение тренажёров для подготовки космонавтов

к работе в невесомости........................................................................................................378

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акт внедрения результатов научно-исследовательской работы......380

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время подготовка космонавтов к работе на орбитальных станциях и в открытом космосе с использованием различных систем и приборов, отработка образцов космической техники, функционирующей в условиях невесомости, выполняется на Земле с применением различных подходов, методов и способов. Для описания условий невесомости используют математическое, физическое и гибридное моделирование [1-3].

Применение методов математического моделирования, высокопроизводительных компьютеров, графических станций и средств мультимедиа позволяет создавать элементы виртуальной реальности (стереоизображение, стереозвук, обратная тактильная связь и др.), моделировать динамику сложных конструкций и манипуляторов. Это предопределяет одно из направлений развития перспективных тренажёров и комплексов, предназначенных для подготовки операторов по управлению сложными динамическими объектами [2]. Особую актуальность такой подход приобретает в тех случаях, когда при использовании традиционных методов, применяемых в современном тренажёростроении, не удаётся достичь необходимого соответствия имитации окружающей обстановки реальной. Это может быть обусловлено как ограничениями, связанными с конструкцией, массогабаритными характеристиками, пространственным положением объектов, так и ограничениями, накладываемыми экономическими или временными факторами. При этом основной проблемой рассматриваемого подхода является обеспечение адекватности математической модели реальному физическому устройству и проблемы психофизиологического восприятия операторами реального и виртуального окружения, котор