автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Активные силокомпесирующие электромеханические системы сбалансированных манипуляторов

На правах рукшшси

у

Сухенко Николай Александрович

АКТИВНЫЕ СИЛ ОКОМ ГШ СИРУ Ю ЩИ Е ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ

05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ОКТ 2011

Новочеркасск 2011

4858361

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматика» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Пятибратов Георгий Яковлевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Птах Геннадий Константинович, кандидат технических наук, профессор Валюкевич Юрий Анатольевич.

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 11 ноября 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ВАК www.ed.gov.ru и ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан '/О октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

П.Г. Колпахчьян

Актуальность работы. Применение сбалансированных манипуляторов (СМ) для механизации ручного труда, позволяет повысить эффективность выполнения основных и вспомогательных технологических операций литейных, механических, сборочных и других производств. В существующих СМ позиционирование исполнительного органа осуществляется рабочим посредством воздействия на рукоятку задатчика скорости в системе управления электропривода (ЭП), осуществляющей с требуемой точностью регулирование частоты вращения электродвигателя. Стремление уменьшить материалоемкость и энергопотребление обуславливает необходимость создания СМ облегчённой конструкции приводит к снижению жёсткости их конструкций, что обуславливает влияние упругостей механизмов на их работу, так как резонансные частоты механических колебаний попадают в полосу пропускания электропривода. Упругость механических передач и конструкций СМ приводит к повышению колебательности скорости, что способствует увеличению динамических нагрузок и ухудшению работы манипулятора. Повышение производительности работы СМ требует увеличения необходимого быстродействия их электроприводов.

Используемые типовые системы управления электроприводов СМ, не позволяют обеспечить требуемой точности отработки задания скоростных режимов и позиционирования перемещаемых объектов при наличии упругих связей в механической части системы, зазоров и кинематических погрешностей зубчатых передач. Поэтому разработка и создание эффективных электромеханических систем, обеспечивающих уравновешивание грузов благодаря регулированию усилий при демпфировании упругих колебаний исполнительных устройств СМ, является важной и актуальной задачей. Тема диссертационной работы соответствует научному направлению ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) / «ЮРГТУ (НПИ)»/ «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы, комплексы».

Объектом исследования является силокомпенсирующие электромеханические системы с повышенными колебательными свойствами, обусловленными упругостью механических передач.

Предметом исследования является система регулирования усилия в исполнительном механизме сбалансированных манипуляторов, осуществляющая заданную компенсацию силы тяжести груза и других сил сопротивления движению.

Цель диссертационной работы: повышение эффективности функционирования сбалансированных манипуляторов, благодаря применению электромеханических систем регулирования усилий, обеспечивающих необходимую компенсацию силы тяжести груза и активное демпфирование электроприводом колебаний в упругих механических передачах.

Задачи диссертационной работы: - определить требования к активным силокомпенсирующим системам СМ, используемых при механизации различных технологических процессов;

- определить рациональную структуру системы регулирования усилия СМ при компенсации силы тяжести груза;

- выбрать элементы электромеханической системы СМ, позволяющей с требуемой точностью уравновешивать груз и обеспечивать активное демпфирование электроприводом упругих колебаний в механических передачах;

- разработать математические модели электромеханической системы СМ, учитывающие силовые взаимодействия в механизмах вертикальных перемещений груза СМ, позволяющие решить задачи анализа и синтеза сило-компенсирующей системы;

- создать физическую модель силокомпенсирующей системы СМ для исследований силовых взаимодействий в ЭМС и подтверждения адекватности разработанного математического описания;

- осуществить синтез структуры и параметров регулятора усилия в системе компенсации силы тяжести груза СМ и определить условия его практической реализации;

- разработать технические решения по реализации системы управления компенсацией силы тяжести груза СМ и предложить рекомендации по ее практической настройке;

- определить перспективы развития электроприводов СМ и их систем управления.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы теория электропривода, теория автоматического управления, операционное и вариационное исчисления, методы активной идентификации параметров систем управления, физическое и математическое моделирование в частотной и временной областях с применением ПЭВМ.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, корректным применением теоретических и экспериментальных методов исследования ЭМС, адекватностью используемых при исследованиях математических моделей и экспериментальным подтверждением основных полученных результатов.

Научная новизна диссертационной работы:

- впервые научно обоснована целесообразность применения принципа силокомпенсации для заданной сбалансированности груза СМ с помощью электромеханической системы;

- обоснована структура системы компенсации силы тяжести (СКСТ) груза СМ, отличающаяся применением обратной связи по ускорению приводного устройства, что обеспечивает уменьшение влияния механической инерционности приводного устройства на работу манипулятора;

- с использованием методов вариационного исчисления выполнен оптимальный синтез регулятора усилий в предложенной структуре системы управления, позволяющий обеспечить требуемые показатели качества работы манипулятора и расширить их функциональные возможности;

- определены условия и оценена эффективность применения активного ограничения динамических нагрузок в упругих элементах СКСТ СМ средствами ЭП;

- обоснованы области рационального применения современных ЭП для создания СКСТ перспективных СМ.

Практическое значение диссертационной работы:

- рекомендована рациональная структура СКСТ и получены аналитические выражения для расчета параметров оптимального регулятора усилия в системе с обратной связью по ускорению приводного устройства;

- реализован в математической системе МАРЬЕ V алгоритм практического определения значений параметров регулятора усилия, при изменении параметров ЭМС СМ;

- предложены инженерные рекомендации по настройке регулятора усилия, позволяющие реализовать качественное управление усилием в реальных условиях работы СМ при изменении параметров механической части СМ;

- создан универсальный стенд, позволяющий экспериментально исследовать ЭМС СМ и сопоставлять возможности существующей системы регулирования скорости электродвигателя и предложенной системы компенсации силы тяжести груза.

К защите представляются следующие основные положения:

- структура системы регулирования усилия в упругих механизмах СМ, обеспечивающая требуемое уравновешивание груза манипулятора;

- обобщенная математическая модель СКСТ, адекватно описывающая электромагнитные и упругие силовые взаимодействия в ЭМС с учетом реальных свойств механических передач СМ;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективности применения обратной связи по ускорению электродвигателя;

- методика и результаты синтеза оптимального регулятора усилия в структуре СКСТ обратной связи по ускорению электродвигателя;

- результаты исследования предложенных методов и способов реализации СКСТ СМ, определение области рационального применения современных ЭП и перспективы развития предлагаемых СКСТ манипуляторов.

Использование результатов диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы использованы при создании СКСТ грузоподъемных механизмов и при обучении студентов «ЮРГТУ (НПИ)» по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на III (25 октября 2002 г.) Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (г.Новочеркасск), V (1&-21сент. 2007 г.) Международной (XVI Всероссийской) научной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП 2007» (г. Санкт-Петербург), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ЮРГТУ (НПИ) в 2003-2011 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано одиннадцать печатных работ общим объемом 5пл., в том числе три статьи в журналах, рекомендованных ВАК, одна депонированная научная статья.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации: 184 страниц основного текста, 51 рисунка, 8 таблиц, 8 страниц списка используемой литературы из 81 наименования, 1 страницы приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель исследований, представлена их научная новизна и практическая значимость. Сформулированы основные результаты, выносимые на защиту.

В первом разделе диссертационной работы рассмотрены различные конструкции, принцип действия, основные технические характеристики и области применения СМ.

Особенность функционирования существующих сбалансированных манипуляторов заключается в том, что перемещение и позиционирование груза осуществляется рабочим при изменении задающего воздействия на вход контура регулирования скорости ЭП.

Выполненный нами анализ показал, что наибольшее распространение получили манипуляторы с электроприводом системы вертикальных перемещений (СВП) и пассивной системой горизонтальных перемещений груза. Для обеспечения высоких технических характеристик СМ необходимо реализовать следующие требования к исполнительному приводу СВП:

- исходя из необходимости контроля положения перемещаемого объекта рабочим, привод механизма СВП манипулятора должен обеспечивать вертикальные перемещения груза с допустимыми скоростями и ускорениями и его фиксацию с высокой точностью;

- работа манипулятора с хрупкими и крупногабаритными изделиями в ограниченных рабочих местах обуславливает необходимость плавного изменения скорости манипулятора без рывков, вибраций и просадок груза;

- максимальная скорость вертикального перемещения зависит от высоты зоны обслуживания и условий безопасной работы;

- время переходного процесса /„ при реализации рабочего цикла манипулятора не должно превышать 1,0.. .2,0 с;

- грузоподъемность СМ с электроприводом составляет 100-250 кг;

- уменьшение отрицательного влияния упругости механической передачи, с помощью электропривода;

- необходимость контроля и ограничения ускорения привода в пуско-тормозных режимах с целью снижения динамических нагрузок в его механической части.

Анализ показал, что в существующих СМ эти требования обеспечивают электроприводы с непрерывным управлением скоростью двигателя.

Исследования и опыт эксплуатации СМ показал, что на качество работы манипуляторов оказывает влияние наличие упругих связей в конструкции их механической части. Для манипуляторов с ЭП частота упругих колебаний электромеханической системы со у составляет от 20 до 60 рад/с, а коэффици-

ент соотношения масс у = =1,1^1,5, где /д - момент инерции

двигателя; ^ - момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя. Так как обычно то при возмущающих силовых воздействиях колеба-

ния грузового блока манипулятора существенно выше, чем колебания вала двигателя, что необходимо учитывать при реализации системы управления электропривода.

Использование в системах управления электроприводом СМ информации об усилии позволяет осуществлять уравновешивание статической нагрузки груза моментом, развиваемым электроприводом. Такие технические решения используются, например, при реализации систем компенсации силы тяжести обезвешиваемых объектов тренажных комплексов. В силокомпенси-рующих системах СМ эффект обезвешивания груза достигается благодаря созданию электродвигателем требуемого силового воздействия, компенсирующего силу тяжести и другие усилия, препятствующие перемещению груза рабочим.

Для улучшения работы манипуляторов, имеющих упругие связи, необходимо применять активные способы демпфирования колебаний в упругих механических передачах и конструкциях, благодаря созданию дополнительных силовых воздействий осуществляемых электроприводом.

При реализации таких систем, необходимо иметь информацию о реальных нагрузках в упругих элементах (УЭ) исполнительных механизмов манипулятора, что требует применения датчиков измерения усилий и реализации дополнительных обратных связей.

На основании выполненного анализа и результатов предварительных исследований сформулирована цель и определены задачи диссертационной работы.

Во втором разделе рассматриваются особенности математического описания СКСТ сбалансированного манипулятора. При разработке математического описания ЭМС СМ использовано ее поэлементное представление в виде механической, электрической и информационной частей.

Анализ кинематических и расчетных схем приводов сбалансированных манипуляторов показал, что наибольшее распространение получила кинематическая схема рычажного механизма на основе пантографа (рис. 1), которая может обеспечивать постоянную нагрузку на Рис. 1 — Кинематическая схема ис-привод от полезного груза независимо полнительного устройства и пере-от положения последнего в пределах зо- даточного механизма СМ ны обслуживания и возможность перемещения груза по необходимым траекториям в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

С учетом реальных значений резонансных частот механической части манипуляторов и требуемого быстродействия ЭП обоснована целесообразность использования при математическом описании упруго-диссипативных свойств механической части СКСТ СМ дискретных многомассовых расчетных схем.

Анализ особенностей реализации и реальных параметров механической части ЭМС СМ показал, что для корректного учета влияния упругости, зазоров и сил трения в механической передачи, целесообразно применеюпъ трехмассо-вые или четырехмассовые расчетные схемы для исследования реальных свойств механической части СКСТ груза сбалансированного манипулятора. Однако для упрощения решения задач анализа и синтеза СКСТ при принятии корректных допущений, при описании свойств СМ обоснована возможность применения линейной двухмассовой расчетной схемы.

Проанализировав особенности функционирования СМ и требования, предъявляемые к его СВП с ЭП постоянного тока, определена структура обобщенной системы регулирования усилия в СКСТ, приведенная на рис. 2, в которой учтены необходимые обратные связи, трение на валу двигателя, зазоры в механической передаче и где приняты следующие обозначения: Тд, Тм - механические постоянные времени инерционных масс двигателя и объекта манипулирования; Од, Ом, <рд, <рм - скорости и углы поворота двигателя и груза; А<р3 - эквивалентный зазор в передаточном устройстве ЭП, приведенный к валу двигателя; Еп, Ед - ЭДС преобразователя и двигателя; Мш - активная составляющая момента нагрузки; М„д - момент трения двигателя; Мд, Му - моменты двигателя и в упругом элементе; Тэ - электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя; кэ - коэффициент передачи двигателя; кЕ - коэффициент пропорциональности между скоростью и ЭДС двигателя; кдг- коэффициент передачи датчика тока (момента) двигателя; IVРТ (5) , ^(я) - передаточные функции регулятора тока, преобразователя, канала компенсации противоЭДС двигателя и канала положительной обратной связи (ПОС) по ускорению двигателя; , - переда-

точные функции регулятора и датчика усилия; иКЕ, иот, иоу, ис - сигналы канала компенсации противоЭДС двигателя, обратных связей по току, усилию и ускорению; изу - сигнал задания на усилие в подвеске груза. В приведенной математической модели все параметры и координаты ЭМС СМ приведены к валу двигателя.

Проанализировав условия функционирования и технические требования, предъявляемые к механизмам СМ с электроприводом были определены возможные параметры математической модели СКСТ манипуляторов.

Для выполнения комплекса исследований по изучению свойств объекта управления, уточнения математического описания, апробирования методов идентификации параметров объекта управления была создана физическая модель системы компенсации силы тяжести груза СМ, на которой были выполнены необходимые исследования и подтверждена адекватность предлагаемой математической модеш манипулятора.

В третьем разделе обоснована и исследована рациональная структура СКСТ СМ, разработана методика решения задачи синтеза регулятора усилия.

Анализ особенностей функционирования ЭМС СМ показал, что для обеспечения требуемого качества работы манипулятора приходится рассматривать сложный, с нелинейными характеристиками и переменными параметрами объект управления, обладающий колебательными свойствами и работающий в условиях случайных внешних воздействий, что крайне осложняет задачу синтеза таких систем. Поэтому синтез СКСТ СМ предложено осуществлять поэтапно, в следующей последовательности: обосновать структуру СКСТ СМ; осуществить выбор метода синтеза СКСТ; выполнить линеаризацию математической модели СКСТ СМ; решить задачу синтеза оптимального регулятора усилия; исследовать влияние изменения значений параметров ЭМС СМ, оценить влияние принятых допущений и сил трения на качество регулирования усилия; выполнить исследования на уточненной математической модели СКСТ СМ и определить достигнутые показатели качества работы манипулятора.

Анализ требований к реализации СКСТ СМ показал, что для регулирования усилия с погрешностью 1-2% и эффективного демпфирования колебания в упругих элементах механизма манипулятора, целесообразно использовать обратную связь по усилию в подвеске груза. Причем для удобства практической реализации такой системы, целесообразно использовать сигнал отклонения усилия от заданного веса груза. Такое техническое решение упрощает настройку СКСТ СМ и позволяет при исчезновении сигнала обратной связи по усилию осуществлять удержание груза на весу с помощью электропривода.

С учетом особенностей функционирования СМ и требований, предъявляемых к его СВП, определена рациональная структура системы регулирования усилия, в которой реализована главная обратная связь по усилию в исполнительном устройстве, положительная обратная связь по ускорению двигателя, влияние противоЭДС двигателя скомпенсировано введением положительной обратной связи по скорости двигателя, функции токоограничения и стабилизации момента обеспечивает отрицательная обратную связь по току двигателя.

Для решения задачи синтеза СКСТ, при учете возмущающих воздействий, была линеаризована математическая модель электропривода СВП сбалансированного манипулятора, которая представлена в виде структурной схемы на рис. 3, при учете следующих допущений:

- влияние ЭДС двигателя полностью скомпенсировано каналом с передаточной функцией (У^ (5) = кЕ)\Уп (5);

- свойства замкнутого контура регулирования тока аппроксимированы апериодическим звеном первого порядка И/жт (¿Г) = +1);

- каналы измерения усилия и ускорения безынерционные с передаточными функциями И'ду (5) = £ду, (5) = къ.

Т. В

1

Г 5 и

ч

Г,«

X

На рис. 3 введены обозначения : Тд = , Ти = - меха-

нические постоянные времени инерционных масс двигателя и груза;

Тс=с'1£2^1Мд, Тд =Ьс~' - постоянные времени, учитывающие эквивалентную жесткость и диссипативные свойства упругой механической передачи; Иц,Ми — номинальные значения скорости и момента двигателя; Рис. 3 Линеаризованная струк-ккт,Ткг - коэффициент усиления и турная схема СКС СМ

постоянная времени контура регулирования тока; кс,кду - коэффициенты передачи канала обратной связи по ускорению двигателя и датчика усилия; IV(Я) - передаточная функция регулятора усилия.

При решении задачи синтеза обратной связи по ускорению двигателя с использованием алгебраических условий устойчивости, было определено граничное значение коэффициента передачи кегр< Т;/кКГ.

Введение положительной обратной связи по ускорению двигателя в данном случае уменьшает эквивалентное значение постоянной времени двигателя Тдэ = Тд - кЕ кКТ, где ккт~ коэффициент передачи замкнутого контура тока, тем самым позволяет снижать ошибку регулирования усилия при движении груза.

Выполненный обзор и анализ существующих методов синтеза систем управления показал, что синтез регулятора усилия целесообразно выполнить с использованием методов оптимального управления, основанных на трудах профессора Ю.П. Петрова.

Для решения задачи синтеза оптимального регулятора усилия в рассматриваемой СКСТ СМ, в соответствии с требованиями её функционирования, предложено минимизировать средний квадрат (дисперсию) отклонения момента в упругом элементе в течение времени 1Р выполнения рабочим перемещения груза. При решении задачи минимизации момента АМУ в соответствии с правилами решения изопериметрических задач вариационного исчисления предложено учитывать ограничения, накладываемые на мощность управляющего воздействия и у, определяемые коэффициентом Лагранжа т. В этом случае минимизируемый функционал можно представить в виде:

J

= Нш — Ь о

Решение задачи синтеза с использованием предлагаемого подхода, позволило определить передаточную функцию оптимального регулятора усилия:

т ' РУ(Г35 + 1)(Г45 + 1)

и аналитические выражения для расчета его параметров:

_Уо_. х 2Уг

к?у -

Т2 =

• т =-

Т

■ Т

-> 1з ~ , _

Т7 Т 71 1Д1ЗН1У

где обозначено:

Уо=* + (8О-№Тдэ-82Тд;

У, =(Tíl+c^TKтit-g2Tд)+(gg-l)T¿TдT1CГ + {g1 -а -Г,)Г^Гда; Л = +82(-^[аГкт(тдэТ<1+ТктГдУтлэфГс-ё2)-81ТдТкг\, /= аТ^ГкрТд + ^ТсТдТдэ;/ = аТ^Т^Тд + рТСТД7^; = Т^Ц^-Ту;

^зн—ТуТдэ ¡ + ёз>Гд'> Р —

^дэ + ^м

Т., + Т., ; а = ——Г„ =

Тд Тм тс

Тдэ +

усилия с передаточной <

2а3

«3 = +ъТктТд; а, =Та+аТК7.

В математической системе МАРЬЕ V был реализован алгоритм расчета значений параметров синтезированного регулятора при конкретных значениях параметров СКСТ СМ, коэффициента Лагранжа и требуемого значения ошибки регулирования усилия 6У.

Дня исследования СКСТ выполнено моделирование при следующих параметрах ЭМС манипулятора: Гд=0,1с, Гм = 0,018 с, Та =0,008 с, Тс =0,145с, Гкт =0,001 с с синтезированным оптимальным регулятором

- /оч 1О„(0,0145 + 1)(0,00145 + 1)

функцией ^ОРУ(5) = 129У--г-

0PУV ' (0,0015+ 1)(0,0085'+ 1)

Проанализировано влияние коэффициента передачи обратной связи по ускорению кв на точность регулирования усилия, которое представлено в виде зависимости бу =/(Ле) (рис. 4). При кегр=0,1 ошибка регулирования Зу =0, однако СКСТ становится неустойчивой. Исследования показали, что с учетом устойчивости СКСТ, практически 0,02 0,04 о,о« 0,08 <>.<• реализуемое значение коэффициента Рис. 4 Зависимость ошибки ре- ксф< 0,5ксгр. Графики переходных процессов гулирования усилия от коэф- усилия АМУ при ступенчатом возмущаю-фициента положительной об- щем воздействии м показаны на рис. 5,

ратной связи по ускорению , ,

что подтверждает эффективность регулирования усилия и демпфирования упругих колебаний в замкнутой СКСТ СМ.

На рис. 5 графики 1 и 2 соответствуют СКСТ с пропорциональным регулятором усилия при к?у =129, а 3 и 4 - СКСТ с синтезированным оптимальным регулятором усилия при ¿РУ =129, Тх= 0,014 с, Т2= 0,0014 с, Г3= 0,001с, Г4 = 0,008 с.

а) б)

Рис. 5 Графики переходных процессов в разомкнутой (а) и замкнутой (б) СКСТ СМ

Анализируя представленные графики видно, что применение обратной связи по ускорению двигателя в структуре СКСТ СМ позволяет уменьшить значение ошибки регулирования усилия, при неизменном значении коэффициента крУ.

Методами математического моделирования было исследовано влияние принятых при синтезе допущений на динамические свойства СКСТ СМ, изменение жесткости механической передачи и массы груза, а также оценено влияние сил сухого трения на работу СМ. Выполненные исследования показали, что трение не оказывает заметного влияния на качественные показатели СКСТ СМ, если величина внешнего возмущающего воздействия значительно больше величины момента трогания в замкнутой системе {Мв >>МТ). В противном случае, возрастает ошибка регулирования усилия, значение которой может не удовлетворять предъявляемым требованиям. Поэтому, при реализации СКСТ манипулятора может потребоваться применять дополнительные средства, уменьшающие влияние силы трения при работе манипулятора.

В четвертой главе рассмотрены вопросы практической реализации СКСТ и представлены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие правильность теоретических положений.

Для проверки результатов синтеза и апробации предлагаемых технических решений, на кафедре «Электропривод и автоматика» ЮРГТУ (НПИ) был разработан макет СВП СМ, позволяющий осуществлять горизонтальные и вертикальные перемещения груза массой до 250 кг.

При создании макета СВП СМ упругодиссипативные свойства исполнительного устройства учитывлись с помощью канатной передачи, таким образом, это позволило реализовать реальные параметры сбалансиро-

ванного манипулятора. При реализации СКСТ СМ был использован высокомо-ментный двигатель постоянного тока серии 1ПИ 12.11-11-202М (Рт = 0,49 кВт;

Мдн = 4,7 Н-м; Г1ДН =104,7 рад/с; = 0,0054 кг-м2) с питанием от широт-но-импульсного преобразователя напряжения типа ЭШИМ1 (60 В, 8 А).

Вес груза определяется набором дисков массами по 10 и 20 кг. Передача усилия от вала двигателя к перемещаемому грузу, осуществлялась с помощью барабана (Ов =0,15 м) с встроенным редуктором (/^ = 36), канатной передачи и крюка с блоком полиспаста (¡п = 2). Измерение усилия выполнялось тензомегрическим датчиком типа «Урал Вес К-16-А».

С использованием методики многокритериального анализа было выбрано рациональное значение радиуса приведения рф=0.001 м.

На основании результатов исследований были разработаны рекомендации по реализации систем регулирования усилий СВП СМ.

На рис.6 представлены результаты экспериментальных исследований статических характеристик СКСТ СМ при массе груза 140 кг.

10« 200 300 400 к,,.

0,02 0,04 0,0« 0,08 0,1 с

б) в)

Рис.6 Графики зависимостей а) Ртрог'Мру); б) 6У =/(кРУ); в) 5У =/(кс).

Анализ зависимостей на рис.6 подтвердил расчетные значения коэффициентов регулятора усилия кРУ и канала обратной связи по ускорению ке, обес-

печивающих требуемые показатели качества работы СКСТ СМ. При этом необходимое значение силы трогания предлагается обеспечивать коэффициентом кРу, а ошибку регулирования усилия, изменением коэффициента ке.

Исследования динамики в разомкнутой и замкнутой системе регулирования усилий выполнялись при импульсном и ступенчатом возмущающем воздействии. На рис. 7 приведены графики в СКСТ СМ с пропорциональным РУ (а, г), с пропорциональным РУ и с ПОС по ускорению (б, д), с ПОС по ускорению и синтезированным РУ (в, е).

Анализ графиков переходных процессов на рис.7 позволяет сделать вывод, что применение в структуре СКСТ положительной обратной связи по ускорению двигателя позволило снизить значение ошибки регулирования усилия и при использовании синтезированного регулятора усилия.

г) 1,5 Н/кл; то-55 (рид'сУю!;; д) лъг-ПЗ 11/кл; Жо-43 (рад/сУкл;. е) Н/кл; яь-45 (рыЛУкл.

гпа1-5А1кл /гс.,7-5 Л/кл кл

Рис.7 Графики переходных процессов в замкнутой СКСТ СМ

При работе на макете СВП СМ с СКСТ груз массой 140 кг можно было перемещать с требуемыми скоростями до 0,3 м/с и ускорениями около 0,6 м/с2 усилиями не более 25 Н.

Выполнен анализ качества работы СКСТ, реализованной с использованием ЭП переменного тока с асинхронным электродвигателем, который показал, что при предлагаемой реализации системы управления СМ, возможно обеспечить необходимые показатели качества работы манипулятора.

В пятой главе проанализированы особенности применения электродвигателей постоянного и переменного тока и питающих их преобразователей при реализации СКСТ СМ. Определены перспективы применения и направления развития ЭМС СМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача создания активных силокомпенсирующих систем сбалансированных манипуляторов.

При выполнении исследований получены следующие выводы и результаты, имеющие научное и практическое значение:

1. Анализ различных подходов к реализации ЭМС СМ показал, что построение ее системы управления с использованием силокомпенсирующего способа, является наиболее перспективным, так как позволяет перемещать груз непосредственно незначительными усилиями рук оператора.

2. Разработанная обобщенная математическая модель ЭМС, позволяет адекватно описывать упруго-диссипативные свойства СКСТ СМ. Определены условия применения трех и двухмассовых расчетных схем механической части СМ, которые в зависимости от решаемых задач позволяют исследовать влияние сил сухого и вязкого трения, изменение жесткости механической передачи при перемещениях груза.

3. Предложена рациональная структура системы регулирования усилия с отрицательной обратной связи по току, каналом компенсации противоЭДС двигателя, положительной обратной связи по ускорению двигателя, главной отрицательной обратной связи по усилию в подвеске груза, нелинейного устройства, снижающего влияние сил трения, которая позволяет обеспечивать требуемые показатели качества функционирования манипулятора.

4. Выполнен синтез оптимального регулятора усилия для СКСТ СМ с положительной обратной связью по ускорению, определена структура и получены аналитические выражения параметров синтезированного регулятора вида

ш /"с\ г. + + 0

">у(у/ = кру(■р^'+Щт'з—^ и пРеДЛ0Жены рекомендации по его практической реализации, позволяющие обеспечить требуемое регулирование усилия, компенсирующего силу тяжести перемещаемого груза.

5. Определены условия применения упрощенного регулятора усилия с пе-

Т 5 + 1

редаточной функцией 1УУРУ (5) = кРУ ^^ + ^ • Практическая реализация такого регулятора экспериментально подтвердила возможность достижения заданных показателей функционирования СКСТ манипулятора.

6. Выполненные эксперимента реальной СКСТ подтвердили результаты теоретических исследований и эффективность предложенных технических решений. Трогание с места и перемещение груза массой 140 кг с требуемыми скоростями и ускорениями обеспечивалось силой не более 10 Н.

7. Проанализированы различные варианты реализации и определены области рационального применения СКСТ с ЭП постоянного и переменного тока в зависимости от требований к качеству функционирования сбалансированных манипуляторов.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК

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

2. Сухенко H.A. Совершенствование систем управления сбалансированных манипуляторов/ НА. Сухенко, ГЛ. Пятибратов // Изв. вузов. Электромеханика. - 2010. - №5. - С.77 - 81.

3. Пятибратов ГЛ. Применение электропривода переменного тока при создании систем сбалансированных манипуляторов/ ГЛ. Пятибратов, НА. Сухенко // Изв. вузов. Электромеханика. - 2011. — №1. - С. 37- 39.

Другие научные публикации по теме диссертации

4. Сухенко НА. Перспективы развития электромеханических систем сбалансированных манипуляторов / Сухенко НА. // Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. -Новочеркасск, 2010. - 19 с. - Деп. в ВИНИТИ 13.05.2010 №282 В2010.

5. Сухенко H.A. Исследование влияния нелинейностей на качество работы электромеханических систем с упругими механическими передачами / НА. Сухенко, ОА. Кравченко // Фундаментализация и гуманизация технических университетов: материалы 49-й науч.-техн. конф. студентов и аспирантов ЮРГТУ / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - С.54-55.

6. Сухенко НА. Особенности построения и реализации систем управления сбалансированных манипуляторов / НА. Сухенко // Студенческая научная весна - 2009: материалы Межрегион, науч.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых Южного федерального округа / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2009. - С.205-206.

7. Пятибратов ГЛ. Принципы построения и способы реализации электромеханических систем сбалансированных манипуляторов с упругими исполнительными механизмами / ГЛ. Пятибратов, И.В. Хасамбиев, НА. Сухенко // Труды V Междунар. (XVI Всерос.) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007, г. Санкт-Петербург, 18-21 сент. 2007 г. -СПб:2007.-С. 81-83.

8. Сухенко НА. Проблемы получения математических моделей сбалансированных манипуляторов / НА. Сухенко // Сборник статей и сообщений по материалам 57-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: 2008. - С. 150 -152.

9. Сухенко НА. Возможные пути повышения качества функционирования сбалансированных манипуляторов / НА. Сухенко // Результаты исследо-ваний-2009: материалы 58-й науч.-техн. конф. профессорско-

преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (ЮТИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: 2009. - С. 302 -303.

10. Сухенко НЛ. Применение принципа активной компенсации силы тяести в системах сбалансированных манипуляторов /НЛ. Сухенко, ГЛ. Пяти-братов // Студенческая научная весна - 2010: материалы науч.-техн. конф. студентов, аспирантов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: 2010. -С. 216-217.

11. Сухенко НА. Применение асинхронного электропривода с векторным управлением при реализации силокомпенсируюших систем сбалансированных манипуляторов / НА. Сухенко, ДВ. Барыльник // Студенческая научная весна-2011: материалы регион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ) - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. - С. 271 - 273 .

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат следующие результаты: [1] - анализ способов оптимизации структуры и особенности реализации электромеханических систем с упругими связями; [5]-математическое описание элементов и устройств электромеханических систем с упругими связями; [6], [7], [10]- обоснование структуры системы управления СВП СМ, при использовании принципа силокомпенсации; [2], [8], [9] - постановка и решение задачи синтеза регулятора усилия СКСТ СМ; [3], [4], [11] -обоснование способов реализации перспективных СКСТ груза сбалансированных манипуляторов.

Сухенко Николай Александрович

АКТИВНЫЕ СИЛОКОМПЕСИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ

Подписано в печать Об. 10.2011. Формат 60x84 Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ № 48-3517.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

ВВЕДЕНИЕ.".

1 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ.

1.1 Задачи и проблемы применения сбалансированных манипуляторов при автоматизации производственных процессов.

1.2 Системы электроприводов сбалансированных манипуляторов.

1.3 Особенности построения и реализация систем управлениясбалансированных манипуляторов при учете упругости их механических передач.

1.4 Сопоставление технических характеристик современных измерителей усилий в элементах механизмов сбалансированных манипуляторов.

1.5 Постановка задачи исследований.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ.

2.1 Силовые и кинематические взаимодействия в,сбалансированных манипуляторах.

2.2 Математическое описание механической части сбалансированных манипуляторов.

2.3 Математическое описание силовой части электроприводов сбалансированных манипуляторов.

2.4 Разработка обобщенной математической модели.системы вертикальных перемещений сбалансированного манипулятора.

2.5 Выбор параметров электропривода и определение эквивалентных параметров математической модели электромеханической силокомпенсирующей системы сбалансированного манипулятора.

2.6 Создание и исследование физической модели системы вертикальных перемещений сбалансированного манипулятора;.

Выводы. синтез И ОПТИМИЗАЦИЯ АКТИВНОЙ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ.

3.1 Анализ выбора методов синтеза силокомпенсирующей электромеханической системы сбалансированных манипуляторов.

3.2 Обоснование структуры силокомпенсирующей электромеханической системы сбалансированного манипулятора.

3.3 Синтез положительной обратной связи по ускорению в силокомпенсирующей электромеханической, системе сбалансированного манипулятора.

3.4 Постановка задачи* синтеза, оптимального управления усилиями в системе компенсации силы тяжести груза сбалансированного манипулятора и ее решение.•.

3.5 Оценка эффективности работы оптимального регулятора,усилия в системе вертикальных перемещений сбалансированного-манипулятора.

3.6 Исследование на ПЭВМ процессов регулирования усилий в синтезированной силокомпенсирующей системе сбалансированного манипулятора.

3.7 Влияние трения на работу системы регулирования усилия.

Выводы.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СБАЛАНСИРОВАННЫХ

МАНИПУЛЯТОРОВ.

4.1 Выбор элементов системы вертикальных перемещений сбалансированного манипулятора.

4.2 Создание макета сбалансированного манипулятора с электроприводом постоянного тока.

4.3 Построение и реализация электропривода макета системы вертикальных перемещений сбалансированного манипулятора.

4.4 Экспериментальное исследование динамических процессов в системе компенсации силы тяжести груза макета сбалансированного манипулятора.

Выводы.

5 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ.

5.1 Применение электроприводов постоянного тока в силокомпенсирующей системе сбалансированных манипуляторов.

5.2 Применение электроприводов переменного тока в силокомпенсирующей системе сбалансированных манипуляторов.

5.3 Определение областей рационального применения современных электроприводов при реализации силокомпенсирующей системы сбалансированных манипуляторов.

Выводы.

Развитие средств механизации производства привело к появлению нового класса машин - сбалансированных манипуляторов (СМ). Сбалансированные манипуляторы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными грузоподъемными машинами на операциях загрузки и разгрузки технологического оборудования, обеспечивают более высокую производительность труда и позволяют механизировать ряд основных технологических операций в литейных, механических. Сборочных и других производствах. СМ позволяют эффективно механизировать ручной труд на операциях, где традиционные средства применять невозможно или экономически не целесообразно. При этом они дополняют и расширяют области применения промышленных роботов, повышают эффективность автоматизации технологических процессов и комплексов с использованием микропроцессорных средств управлениям

В промышленности нашли применение СМ с электромеханическим, пневматическим и гидравлическим типом привода. Манипуляторы с пневматическим приводами используют для перемещения грузов массой до 150 кг. Для перемещения^ более тяжелых грузов (массой до 500s кг) применяются в основном манипуляторы с электроприводом, а для грузов массой до 2500 кг - преимущественно манипуляторы с гидравлическим приводом [1].

На практике, в различных отраслях промышленности, наибольшее распространение получили СМ с электроприводом, что обусловлено удобством их обслуживания и доступностью электрической энергии. Такие манипуляторы обычно применяются при работе с объектами массой от 100 до 500кг. Манипуляторы рассматриваемого вида также целесообразно применять для выполнения погрузочно-разгрузочных работ в сельском хозяйстве, строительстве, торговле и в сфере обслуживания.

Современные тенденции ресурсосбережения обуславливают необходимость создавать СМ облегчённой конструкции, что приводит к

-'■• 6 снижению жёсткости их конструкций и требует увеличения быстродействия электроприводов, но при этом возникает необходимость учёта упругих связей механизмов. Упругость механических передач и конструкций; СМ способствует увеличению динамических нагрузок и возрастанию колебаний; выходных координат особенно в механизме системы вертикальных перемещений (СВП) груза. Поэтому используемые в настоящее время типовые системы управления электроприводов СМ, часто не обеспечивают требуемой точности отработки скоростных режимов и позиционирования перемещаемых объектов из-за наличия упругих связей в механической части системы. Разработка и создание эффективных электромеханических систем позволяющих осуществлять регулирование усилий и демпфирование упругих колебаний исполнительных устройств СМ является важной и актуальной задачей.

Используемые типовые системы; управления электроприводов СМ, не позволяют обеспечить требуемой точности отработки задания скоростных режимов и позиционирования перемещаемых объектов при наличии;упругих связей в механической части системы, зазоров и кинематических погрешностей- зубчатых передач. Поэтому разработка, и; создание эффективных электромеханических систем, обеспечивающих уравновешивание грузов благодаря регулированию усилий; при демпфировании упругих колебаний исполнительных устройств. СМ, является важной и актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования сбалансированных манипуляторов, благодаря применению электромеханических систем регулирования, усилий^ обеспечивающих необходимую компенсацию силы тяжести-груза и активное демпфирование электроприводом колебаний в упругих механических передачах.

Для создания эффективных электромеханических систем СМ с применением принципа компенсации силы тяжести груза, позволяющих осуществлять регулирование усилий и демпфирование колебаний исполнительных устройств манипулятора требуется решить следующие задачи:

- определить требования к активным силокомпенсирующим системам СМ; используемых при механизации различных технологических процессов;

- определить рациональную' структуру системы регулирования усилия СМ при компенсации силы тяжести груза;

- выбрать элементы электромеханической системы СМ, позволяющей с требуемой точностью уравновешивать груз и обеспечивать активное демпфирование электроприводом упругих колебаний в механических передачах;

- разработатк математические модели электромеханической системы СМ, учитывающие силовые взаимодействия в механизмах вертикальных перемещений груза СМ, позволяющие решить задачи анализа и синтеза силокомпенсирующей системы;

- создать физическую » модель силокомпенсирующей системы СМ для исследований силовых и энергетических взаимодействий в ЭМС и подтверждения адекватности разработанного математического описания;

- осуществить синтез структуры и параметров регулятора усилия в системе компенсации силы тяжести груза СМ и определить условия его практической реализации;

- разработать технические решения по реализации системы управления компенсацией силы тяжести груза СМ и предложить рекомендации по ее практической настройке;

- определить перспективы развития электроприводов СМ и их систем (управления.

В результате проделанной работы получена следующая научная новизна:

- впервые научно обоснована целесообразность применения принципа силокомпенсации для заданной сбалансированности груза СМ с помощью электромеханической системы;

- обоснована структура системы компенсации силы тяжести (СКСТ) груза СМ, отличающаяся применением обратной- связи по ускорению приводного устройства, что обеспечивает уменьшение влияния механической инерционности приводного устройства на работу манипулятора;

- с использованием методов вариационного исчисления- выполнен оптимальный синтез регулятора усилий в предложенной структуре системы управления, позволяющий обеспечить требуемые показатели качества работы манипулятора и расширить их функциональные возможности;

- определены условия и оценена эффективность применения' активного ограничения динамических нагрузок в упругих элементах СКСТ СМ средствами ЭП;

- обоснованы области рационального применения современных ЭП для создания СКСТ перспективных СМ.

Практическая ценность выполненных исследований заключается в следующем:

- рекомендована рациональная структура СКСТ и получены аналитические выражения для расчета параметров оптимального регулятора усилия в системе с обратной связью по ускорению приводного устройства;

- реализован в математической системе МАРЬЕ V алгоритм практического определения значений параметров регулятора усилия, при изменении параметров ЭМС СМ;

- предложены инженерные рекомендации по настройке регулятора усилия, позволяющие реализовать качественное управление усилием в реальных условиях работы СМ при изменении параметров его механической части;

- создан универсальный стенд, позволяющий экспериментально исследовать ЭМС СМ и сопоставлять возможности существующей системы регулирования скорости8 электродвигателя и предложенной системы компенсации силььтяжести груза:

Таким образом к защите представляются следующие основные положения:

- структура системы» регулирования усилия в упругих механизмах СМ; обеспечивающаятребуемую сбалансированность груза манипулятора;

- обобщенная математическая модель, СКСТ, адекватно описывающая? электромагнитные т упругие силовые взаимодействия; в ЭМС с учетом-реальных свойств механических передач СМ;

- результаты теоретических' и экспериментальных исследований эффективности применения обратной связи;по ускорению электродвигателя;

- методика: и результаты синтеза" оптимального регулятора усилия в структуре СКСТ обратной связи по ускорению электродвигателя;

-результаты исследования?и сопоставления предложенных методов и способов реализации СКСТ СМ, определение области; рационального применения? современных; 31® ш перспективы; развития? предлагаемых СКСТ манипуляторов.

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Ш (25 октября 2002 г.) Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (г. Новочеркасск), V (18-21сент. 2007 г.) Международной (XVI Всероссийской) научной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП 2007» (г. Санкт-Петербург), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ЮРГТУ (НПИ) в 2003-2011 г.

Выводы

Анализ технических характеристик и требуемых функциональных возможностей систем управления современных СМ, позволяет наметить перспективы их развития- благодаря применению следующих технических решений:

1. Построение ЭМС СМ с применением принципа силокомпенсации и реализацией системы регулирования, усилий с использованием информации о фактическом весе груза для повышения качества функционирования манипулятора.

2. Увеличение быстродействия ЭП до 800рад/с для улучшения демпфирования упругих колебаний в механике СМ с СКСТ.

3. Использование частотно-регулируемых электроприводов переменного тока для повышения надежности.

41 Реализация системы управления СМ с возможностью автоматического вычисления и коррекции сигнала компенсации при изменении веса груза для расширения функциональных возможностей манипуляторов.

Учитывая высокую эффективность СКСТ СМ с электроприводом, в перспективе, возможно их широкое применение в приложениях, требующих повышенной грузоподъемности (до 500-1500кг). В этом диапазоне грузоподъемностей они могут успешно заменить сбалансированные манипуляторы с гидравлическим приводом, для чего потребуется увеличение мощности электропривода до 5-7кВт.

174

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача создания активных силокомпенсирующих систем сбалансированных манипуляторов. При выполнении исследований получены следующие выводы и результаты, имеющие научное и практическое значение:

1. Анализ различных подходов к реализации ЭМС СМ показал, что построение ее системы управления с использованием силокомпенсирующего способа, является наиболее перспективным, так как управление перемещениями груза осуществляется непосредственно усилиями рук рабочего.

2. Обоснованы обобщенные требования к силокомпенсирующим системам управления сбалансированных манипуляторов, обеспечивающие решение перспективных задач применения СМ.

3. Применение СКСТ в СМ требует реализации активного демпфирования колебаний в упругих элементах механической части манипулятора, что позволяет улучшить его работу и повысить производительность при снижении массогабаритных показателей.

4. Выбраны и обоснованы рациональная кинематическая, схема электропривода СКСТ СМ, отличается использованием высокомоментных электродвигателей постоянного тока, способных развивать номинальный момент при нулевой скорости, и широтно-импульсных преобразователей напряжения, обеспечивающих требуемое быстродействие ЭМС. Это позволило при практической реализации СВП СМ без наложения тормоза осуществить удержание груза на весу и применить активное демпфирование упругих колебаний электроприводом.

5. Разработанная обобщенная математическая модель СКСТ СМ, позволяет более точно описывать функционирование механической части манипулятора с учетом упруго-диссипативных свойств ЭМС. Обосновано применение двухмассовой модели механической части СМ, которая позволяет исследовать влияние сил сухого и вязкого трения, изменение жесткости канатной передачи при перемещениях груза.

6. Предложена рациональная структура системы регулирования усилия, содержащая отрицательную обратную связь по току, канал компенсации противоЭДС двигателя, положительную обратную связь по ускорению, главную обратную связь по усилию в подвеске груза, нелинейное устройство, снижающее влияние сил трения, которая позволила обеспечить требуемые показатели качества функционирования сбалансированного манипулятора.

7. Выполнены исследования влияния канала обратной связи по ускорению двигателя, которые позволили определить граничные значения коэффициента передачи с точки- зрения« устойчивости системы управления, а так же проанализирована возможность рассмотрения этого канала безынерционным при решении задачи синтеза.

8. Выполнен синтез оптимального регулятора усилия для СКСТ СМ с ПОС по ускорению, получены аналитические выражения для расчета параметров синтезированного регулятора и предложены рекомендации по практической его настройке; позволяющие обеспечить управление усилием с требуемой точностью.

9. Определены условия применения упрощенного регулятора усилия с

Т Б +1 передаточной^ функцией ^уру{8) = кру-1-. Практическая

Г6£ + 1 реализация такого регулятора подтвердила возможность достижения заданных качественных показателей функционирования СКСТ СМ. Ю.Выполненные экспериментальные исследования на созданном макете СКСТ СМ подтвердили возможность обеспечения требуемой ошибки регулирования усилия благодаря введению ПОС по ускорению. 11 .Проанализированы различные варианты реализации и определены области рационального применения ЭМС СМ с ЭП постоянного и переменного тока в зависимости от требований к качеству функционирования.

176

1. Сбалансированные манипуляторы /Под ред. П.И.Белянина - М.: Машиностроение, 1988.-264 с.

2. Кулешов B.C., Лакота Н:А. Динамика систем управления манипуляторами, М:, «Энергия», 1971, 3 04с.

3. Петров Б.А. Манипуляторы.— Л.: Машиностроение, 1984 — 238 с.

4. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Тиристорные системы электропривода с упругими связями: -Лі: Энергия^ Ленингрі отд-ние, 1979: 160с, ил.

5. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г.Автоматизированный электропривод с упругими связями:— 2-е изд. перераб. и дон-СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербург, отд-ние, 1992.-288 с::ил.

6. Башарин A.B., Новиков, В:А., Соколовский F.F. Управление электроприводами: Учебное пособие- для вузов- Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. 392с.

7. Пятибратов Г.Я. Комплексная методика: автоматизированного проектирования; следящих злектроприводові с упругими механическими, передачами: /Следящие электроприводы промышленных роботов и манипуляторов: Тез:.докл.Челябинск, 1986: С. 18.

8. Пятибратов Г. Я., Хасамбиев И. В: Оптимизация демпфирующей способности электроприводов сбалансированных манипуляторов при учете упругости их исполнительных механизмов //Изв. вузов: Электромеханика. 2007. №-3. С. 29-34.

9. Сухенко H.A., Кравченко O.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.

10. Пятибратов Г.Я. Принципы построения и реализации систем управленияусилиями в упругих передачах электромеханических комплексов //Изв. вузов. Электромеханика — 1998.—№ 5-6 С. 73-83.

11. Пятибратов Г. Я., Хасамбиев И. В. Активное демпфирование электроприводом упругих колебаний исполнительных механизмов сбалансированных манипуляторов//Изв. вузов. Электромеханика. 2007. № 4. С.55-61.

12. Кулешов B.C., Лакота H.A., Андрюнин В.В. и др. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы /Под общ. ред. Е.П.Попова.- М.: Машиностроение, 1986 328 с.

13. Сухенко H.A. Совершенствование систем управления сбалансированных манипуляторов/ H.A. Сухенко, Г.Я. Пятибратов // Изв. вузов. Электромеханика. 2010. - №5. - С.77 - 81.

14. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я. Проблемы выбора и реализации силоизмерительных устройств для систем управления усилиями в механических передачах технологических машин /Новочерк. гос. техн. ун-т.-Новочеркасск, 1997.-41 е.-Деп. в ВИНИТИ.

15. Бауман Э. Измерение сил электрическими методами /Пер. с нем. A.C. Вешнякова и С.Н. Герасимова-М.: Мир, 1978.- 380 с.

16. Полетика М.Ф. Приборы для измерения сил резания и крутящих моментов.-М.-Свердловск: Машгиз, 1962 108 с.

17. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин— М.: Энергия, 1976.- 104 с.

18. Конюхов М.Е. и др. Электромагнитные датчики механических величин — М.: Машиностроение, 1987.-256 с.

19. Эрлер В., Вальтер Л: Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами /Пер. с нем.- М.: Мир, 1974285 с.

20. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах: 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат, 1988.- 304 с.

21. Вайсон A.A. Подъемно-транспортные машины: Учебн. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1989 - 536 с.

22. Пятибратов Г.Я. Математические модели элементов и устройств автоматизированных электроприводов: Учеб. Пособие /Юж.-Рос. Гос. Техн. Ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.

23. Семенов М.В. Кинематические и динамические расчеты исполнительных механизмов. Л.:Машиностроение,1974 — 430с.

24. Кравченко O.A. Управление электроприводами при учете реальных свойств механических передач: учеб. пособие / O.A. Кравченко / Юж. Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2003. - 73 с.

25. Чиликин М.Г. Теория автоматизированного электропривода: учеб. пособие для вузов / М.Г. Чиликин, В.И. Юпочев, A.C. Сандлер. — М.: Энергия, 1979.-616 с.

26. Ключев В:И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия, 1971.-320с.

27. Экспериментальные исследования электромеханической системы вертикальных перемещений устройства обезвешивания с комбинированным способом компенсации силы тяжести: отчет о НИР / Юж.-Рос. гос.техн. ун-т, рук. ПятибратовTSL—Новочеркасск, 2002 63 с.

28. Ключев В.И. Теория электроприводам М.:Энергоатомиздат, 1985 560с.

29. Браславский И.Я., Зюзев A.M. Исследование частотных характеристик асинхронных трехфазных электродвигателей при различных способах параметрического управления //Изв. вузов. Электромеханика. 1982. № 3. С. 268-278.

30. Браславский И.Я., Зюзев A.M. Регулирование скорости тиристорных асинхронных электроприводов с параметрическим управлением //Электричество. 1985. № 1. С. 27-32.

31. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод: учебное пособие по курсу «Типовые решения и техника современного электропривода» / О.И. Осипов. М.: Изд-во МЭИ, 2004. - 80 с.

32. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений / F.F. Соколовский. М;: Изд. центр «Академия», 2006. - 272 с.

33. Терехов4 В.М. Элементы автоматизированного электроприводами Энергоатомиздат, 1987.-224с.

34. Пятибратов Г.Я. Экспериментальное исследование динамических характеристик и идентификация структуры. и параметров электромеханических систем: Учебное; пособие/Новочерк. гос. техн. унт—Новочеркасск, 1997.-94 с.

35. Гарнов В.К., Рабинович В.Б., Вишневецкий JliM. Унифицированные системы, автоуправления электроприводом' в металлургии: 2-е изд., перераб: и доп.-М.: Металлургия, 1977 —192 с:

36. Пятибратов Г.Я;, Кравченко O.A., Денисова A.A. Реализация систем регулирования усилий электромеханических комплексов с упругими, связями //Изв. вузов. Электромеханика:— 1997 — № 3 — С. 51—54.

37. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я. Создание систем оптимального управления усилиями в упругих передачах электромеханических комплексов/Новочерк. гос. техн. ун-т-Новочеркасск, 1997 — 107 е.—Деп. в ВИНИТИ.

38. Пятибратов Г.Я. Многокритериальный выбор , параметров электромеханических систем компенсации сил тяжестишриз вертикальных перемещениях объектов //Изв. вузов. Электромеханика.— 1993.— № 5.-С. 65-70 ^

39. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. /Под общ. ред. И.П.Копылова, Б.К.ЬСлокова. Т.1.- М.: Энергоатомиздат, 1988 456 с-Т.2.- М;: Энергоатомиздат, 1989 - 688 с.

40. Экспериментальное исследование системы регулирования усилий на физической модели стенда обезвешивания: Отчет о НИР /Новочерк. гос. техн. ун-т-Рук. Г.Я. Пятибратов.-Новочеркасск, 1998.-45 с.

41. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я. Проблемы выбора и реализации силоизмерительных устройств для систем управления усилиями в механических передачах технологических машин /Новочерк. гос. техн. ун-т-Новочеркасск, 1997.-41 е.-Деп. в ВИНИТИ.

42. Кравченко O.A., Никитенко A.F. Синтез-оптимального регулятора усилий //Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы, управления: Тез. докл. IV Всерос. конф. студентов и аспирантов (8-9 окт. 1998 г., г. Таганрог). Таганрог, 1998- С. 165-166.

43. Соколов Н.И. Аналитический метод синтеза линеаризованных систем автоматического регулирования — М.: Машгиз, 1966.-328 с.

44. Апхимюк B.JI. Теория автоматического управления: учеб. пособие для вузов-Минск: Вышэйная школа, 1979 -349 с.

45. Расчет автоматических систем: Учеб. пособие для вузов /Под ред. А.В.Фатеева.-М.: Высш. шк., 1973.-335 с.

46. Райцын Т.М. Синтез систем автоматического управления методами направленных графов — JL: Энергия, 1970.

47. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства М.: Машиностроение, 1976 — 184'с.

48. Летов A.M. Динамика полета и управление.— М.: Наука, 1969 360 с.

49. Абдулаев Н.Д., Петров Ю.П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов Л.: Энергоатомиздат, 1985 - 240 с.

50. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления-6-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергия, 1977 280 с.

51. Петров Ю.П. Синтез оптимальных систем управления при неполностью известных возмущающих силах — Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1987 292 с.

52. Белман Р. Динамическое программирование /Пер. с англ.— М.': Изд-во иностр. лит., 1960.-400 с.

53. Понтрягин Л.С. Принцип максимума в оптимальном управлении — М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989 — 64с.

54. Понтрягин Л.С., Болтянский B1F. и др. Математическая теория оптимальных процессов — М.—Л.: Физматгиз, 1961—391 с.

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

56. Дьконов' В.П. Математическая система MAPLE V R3/R4/R5. Москва.-Солон. 1998г. с. 400.

57. Создание, исследование и полномасштабные испытания электромеханической системы вертикального перемещения устройства обезвешивания тренажерных скафандров: Отчет о НИР /Новочерк. гос. техн. ун-т-Рук. Г.Я.Пятибратов — Новочеркасск, 1999.- 52 с.

58. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования-М.: Машиностроение, 1989. — 752с.

59. Воронин А.Н. О компенсации влияния нелинейностей типа сухого трения в электромеханических системах автоматического регулирования и управления //Электричество — 1966- № 9 — С. 50-54.

60. Чернорудский Г.С., Жабреев B.C., Подлинева Т.К. Компенсация сухого трения в автоматических системах //Изв. АН СССР. Техн. кибернетика-1976.-№6.-С. 187-192.

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

62. Экспериментальное исследование асинхронного» электропривода силокомпенсирующих систем: отчет, о НИР / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ); рук. Пятибратов Г.Я. Новочеркасск, 2004. - 97 е. -№ гр 02200406421.

63. Перспективы развития электромеханических систем сбалансированных манипуляторов / Сухенко H.A.; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).-Новочеркасск, 2010.- 19 с. Библиогр.: 12 назв.- Рус.г Деп. в ВИНИТИ:

64. Основы автоматизированного электропривода / M.F. Чиликин, М.М; Соколов, В.М. Терехов, A.B. Шинянский. — М.: Энергия, 1974. 568 с.

65. Рудаков В.В: Асинхронные электроприводы с векторным управлением 7 В .В. Рудаков, И.М; Столяров, В.А. Дартау. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. -136 с.