автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электромеханические системы стендов обезвешивания, обеспечивающих подготовку космонавтов к деятельности на поверхности планет с пониженной гравитацией

На правах рукописи

Киво Александр Михайлович

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СТЕНДОВ ОБЕЗВЕШИВАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОДГОТОВКУ КОСМОНАВТОВ К ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛАНЕТ С ПОНИЖЕННОЙ ГРАВИТАЦИЕЙ

05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск-2013

005545126

005545126

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Кравченко Олег Александрович доктор технических наук, профессор, профессор кафедры "Электромеханика и электрические аппараты" ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова

Щербаков Виктор Гаврилович

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры "Радиоэлектронные системы" ФГБОУ ВПО ИСОиП (филиал) ДГТУ Валюкевич Юрий Анатольевич федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет»

Защита состоится: 6 декабря 2013 г. в 13:00 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 диссертации размещён на официальном сайте ВАК www.ed.gov.nHi ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «_» 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. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.304.01,

д-р. техн. наук ЦС^ П.Г. Колпахчьян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современной космонавтики в ближайшие годы предусматривает осуществление полётов на другие планеты и астероиды солнечной системы. В числе первых планет, представляющих практический интерес для освоения, являются Луна и Марс, что предполагает широкую деятельность человека на их поверхности.

Используемые в настоящее время средства имитации невесомости такие, как самолёт-лаборатория, бассейн нейтральной плавучести, стенды обезвешивания (тренажёр «Выход-2»), не могут обеспечить нужные скорости, ускорения, точность обезвешивания космонавта в скафандре, тем самым не позволяя в полной мере решать задачи по обучению и тренировкам космонавтов в условиях пониженной гравитации планет. В соответствии с основными направлениями развития отечественной космонавтики, утвержденной Президентом РФ от 19.04.2013 г. №Пр-906, в Роскосмосе рассматриваются схемы перелета, проекты межпланетных комплексов, вопросы отбора, подготовки и медицинского обеспечения экипажей, принципы создания систем жизнеобеспечения. В процессе подготовки к выполнению программ межпланетных перелетов космонавты должны получить необходимые навыки и пройти обучение на созданных для этого тренажных комплексах. Поэтому разработка и создание стендов обезвешивания с электромеханическими силокомпенсирующими системами (СКС), позволяющих осуществлять обучение космонавтов элементам деятельности на поверхности планет при длительном пребывании в штатных скафандрах с различным оборудованием, являются важной и актуальной задачей.

Объектом исследования являются стенды обезвешивания, предназначенные для имитации деятельности космонавтов в гравитационных условиях планет.

Предметом исследования являются системы управления электроприводами, осуществляющими компенсацию см трения, гравитационных сил, сил терции присоединённых масс, используемые для построения стендов обезвешивания, позволяющих имитировать движения космонавтов в условиях пониженной гравитации.

Цель диссертационной работы: создание электромеханических систем стендов обезвешивания, обеспечивающих обучение космонавтов перемещению на поверхности планет с пониженной гравитацией.

Задачи диссертационной работы:

- сформулировать требования, предъявляемые к электромеханическим системам (ЭМС)стендов обезвешивания, предназначенным для имитации перемещений космонавтов на планетах с пониженной гравитацией;

- обосновать рациональную кинематическую схему и способ реализации силовой части электромеханических СКС стендов обезвешивания, обеспечивающих требования к имитации перемещений космонавтов в гравитационных условиях других планет;

- разработать методику рационального выбора элементов и устройств механической и электромеханических частей электроприводов СКС;

- обосновать рациональную структуру ЭМС стендов обезвешивания, обеспечивающих имитацию перемещений космонавтов в условиях пониженной гравитации;

- выполнить математическое и физическое моделирование электромеханических СКС в различных режимах работы;

- разработать технические решения по созданию ЭМС стендов обезвеши-вания для подготовки космонавтов к работе на планетах с пониженной гравитаци-

еи.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории систем автоматического управления, теории электропривода, физическое и математическое моделирование в частотной и временной областях с применением ПЭВМ.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, корректностью применения теоретических и экспериментальных методов исследования электромеханических систем, совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна представленной диссертационной работы заключаются в следующем:

- впервые научно обосновано применение прямоугольной системы координат для реализации стендов обезвешивания, предназначенных для имитации перемещений космонавтов в гравитационных условиях других планет;

- предложена методика выбора электроприводов и параметров механических передач стендов обезвешивания космонавтов, отличающаяся применением предельных нагрузочных диаграмм, характеризующих принцип имитации перемещений космонавтов на планетах с пониженной гравитацией;

- обоснована структура системы управления СКС, отличающаяся применением положительной и отрицательной обратных связей по ускорению для управления силами механической инерции, и определены параметры регуляторов и обратных связей с внешним контуром регулирования усилия, контуром регулирования тока и каналом компенсации противо ЭДС.

Практическое значение диссертационной работы:

- определены требования, предъявляемые к ЭМС стендов обезвешивания, позволяющие имитировать на Земле перемещения космонавтов в условиях пониженной гравитации Луны и Марса;

- предложены способы определения эквивалентных по нагреву и максимальных мометов электродвигателей систем вертикальных и горизонтальных перемещений с использованием обоснованных предельных энергетических и силовых характеристик стендов обезвешивания;

- разработаны технические решения по созданию ЭМС стендов обезвешивания и методика настройки управляющих устройств, позволяющие реализовать требования, предъявляемые к рассматриваемым стендам обезвешивания.

Положения выносимые на защиту:

1. Требования, параметры и рекомендации по реализации в прямоугольной системе координат ЭМС стендов обезвешивания для подготовки космонавтов к работе в гравитационных условиях других планет;

2. Способ построения и реализации систем управления усилиями ЭМС стендов обезвешивания, обеспечивающих имитацию движений космонавтов в условиях гравитации других планет;

3 Методика совместного определения параметров электродвигателей и механических передач стендов обезвешивания при комплексном учёте основных влияющих факторов, в том числе обеспечение допустимых тепловых и максимальных нагрузок и обеспечение режима стоянки под током (для системы вертикальных перемещений (СВП)).

4. Рекомендации по созданию стендов обезвешивания в прямоугольной системе координат, настройке регуляторов и каналов обратных связей электромеханических СКС, обеспечивающих имитацию движений космонавтов в гравитационных условиях других планет.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях. В том числе HaVII Международной (18 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Иваново, 2012 г.), Межрегиональных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области (г. Новочеркасск 2010-2013 гг.), научной конференции аспирантов и сотрудников ЮРГТУ (НИИ) (г. Новочеркасск, 2010 г.), Всероссийской научной молодежной конференции «Кибернетика энергетических систем» (г. Новочеркасск, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК и 1 монография.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основная часть изложена на 155 страницах машинописного текста. Работа содержит 40 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы, цель диссертационной работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены существующие подходы к имитации невесомости при отработке изделий космической техники и обучении космонавтов. Определены области рационального применения физических стендов и тренажёров.

Сопоставление возможностей и анализ существующих способов, используемых для имитации невесомости, реализованных с использованием методов свободного падения, нейтральной плавучести (гидроневесомости) и механического обезвешивания объектов, показали, что применение стендов обезвешивания с электромеханическими СКС является наиболее перспективным направлением для обучения космонавтов работе в условиях пониженной гравитации. На таких тренажёрах качество имитации движений космонавтов определяется точностью компенсации веса объекта, сил трения и инерции от дополнительно присоединённых к объекту обезвешивания масс. Выполнение этого условия с применением электромеханических СКС позволяет космонавту в скафандре перемещаться в рабочем пространстве тренажёра с необходимыми параметрами движения при приложении им мышечных устий.

Знакомство с материалами исследований американскими астронавтами лунной поверхности позволило определить основные способы перемещений космонавтов на поверхности Луны и Марса. Определен наиболее динамичный вид движения космонавта, которым является перемещение прыжками в гравитационных условиях Луны.

Выполненный анализ показал, что основным отличием стендов обезвешивания, обеспечивающих имитацию работ в гравитационных условиях планет является работа мышц ног космонавта, усилие которых может достигать 1800 Н, в то время как при имитации условий невесомости задействованы, в основном, мышцы

рук с усилиями 50—100 Н. Выполненные нами экспериментальные исследования в ФБГУ «НИИ ЦИК имени Ю.А. Гагарина» на существующем тренажёре «Выход-2» показали принципиальную возможность использования стендов с электромеханическими СКС для проведения тренировок космонавтов по лунной и марсианской программам. Однако его технические параметры не позволяют обеспечить решения перспективных задач подготовки космонавтов к полёту на Луну и Марс. Для их осуществления необходимо определить требования и способы реализации стендов с электромеханическими СКС.

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

Во второй главе определены основные технические требования к созданию электромеханических СКС стендов обезвешивания, определены принципы построения, разработаны способы реализации кинематических схем и метод выбора элементов силовой части электроприводов стендов обезвешивания космонавтов.

При создании стендов обезвешивания требуется обеспечить необходимое число степеней подвижности космонавтов, что возможно реализацией перемещений в цилиндрической или прямоугольной системах координат (см. рис. 1), а так же вращения и качания космонавта в скафандре в специальном карданном подвесе. Исследования показали, что поступательные движения космонавта целесообразно реализовывать активными, с использованием электроприводов, а вращательные - пассивными. На основании проведенного анализа сформулированы достоинства и недостатки реализации стендов обезвешивания в цилиндрической и прямоугольной системах координат.

Основными достоинствами реализации стендов обезвешивания в цилиндрической системах являются простота подвода силовых и информационных кабелей и простота размещения приводных электродвигателей, а основной недостаток -ограничение рабочей зоны.

Основными преимуществами стендов обезвешивания, реализованных в прямоугольной системе координат, являются: рациональное использование полезной площади; возможность увеличения рабочей зоны; отсутствие влияния нежелательных силовых воздействий. Однако такая реализация имеет и несколько недостатков: перекосы и заклинивание мостов; сложность подвода энергии к приводным электродвигателям.

а) б)

Рисунок 1 - Реализация стендов обезвешивания: а) - в цилиндрической системе координат; б) — в прямоугольной системе координат

; и"-- > у'-

При одиночных прыжках значение ускорения при отталкивании а0, скорость в момент отрыва от поверхности у0 (см. рис. 2) и их проекции на вертикальную йТ и горизонтальную ОХ оси на участке отталкивания можно определить по формулам:

ао = л/аол2 +аох2 ; у0 =Л/2Дсо8(Р-а)-а0 ;

аог = $т(0-а)-то8п)/1По; У07 =д/2Дсо5(Р-а)8та-оо2 ; аа*г = Ло соэ([3-а)/т0 ; у^ = 72Дсоз(р-а)созсх-аоХ ,

где gп —ускорение свободного падения на поверхности планеты (спутника); а -угол вылета; р - угол наклона тела космонавта; т0 - масса космонавта и скафандра; Л'о = 1800 Н- наибольшее среднестатистическое усилие ног человека при отталкивании; А- перемещение центра масс при подседаниикосмонавта перед прыжком. г

Расчёты параметров прыжка кос- —,......./ _

монавта в гравитационных условиях Лу- —I /

ны позволили определить следующие /1?7У-И"-----------х | / Тг)

основные требования к созданию таких / | У^'Х \

стендов обезвешивания: .....*7ши»

• не менее пяти степеней подвиж- ') * \\ \ \ ¡^ / /\*££. ности; ¡/Лп,1! \ \\\!///

•частичное обезвешивание кос- /уд ' , монавта в скафандре массой до 200 кг; .......■ .........................................^....дВ.,-!........................

•максимальные значения линей- Рисунок 2 - Прыжок космонавта

ных скорости и ускорения в вертикальной плоскости К0г= 1,8 м/с = 5,8 м/с2; в горизонтальной плоскости Уцх =2,1 м/с, = 7,4 м/с2;

• степень обезвешивания £0= gn/gз(для Луны £о=0,165, для Марса Ао=0,393).

Проведенныеисследования реализации стендов обезвешивания с разделением сложного движения центра масс обезвешиваемого объекта на составляющие в цилиндрическойсистеме координатпоказали, что увеличениескоростей и ускорений движения космонавтов с 0,2 м/с и 0,1 м/с2, необходимых для имитации невесомости, до 2,1 м/с и 7,4 м/с2- для моделирования гравитационных условий планет, приводит к появлению существенных дополнительных внешних усилий, вызванных кориолисовыми и центробежными силами.

Оценка влияния сил инерции, действующих в системе горизонтальных перемещений (СГП), реализованной в полярной системе координат, осуществлена согласно расчетной схемы, показанной на рисунке 3, при исследовании траектории перемещения космонавта по хорде наибольшей длинны из начальной точки ь^ в конечную точку Ьк. При реализации такого перемещения опорное колесо моста движется по эстакаде радиуса Дм, а тележка перемещается по мосту в допустимом для рассматриваемой траектории движения космонавта диапазоне, определяемом значениями радиусов Я и г. В каждый момент времени положение космонавта в рассматриваемой СГП характеризуется текущим значением угла поворота моста относительно оси ординат ф(/) и расстоянием до оси его вращения гк(1).

При движении космонавта по хорде минимального радиуса из точки ¿о в точку Ьк на тележку будет действовать центробежная Рт и кориоли-сова Fla силы инерции, которые будут влиять на её движение.

Исследования показали, что придвижении космонавта в скафандре массой гак=200кг, при массе тележки пц = 100 кг по хорде минимального рас линейной скоростью У0— 2,1 м/с, при Я = 8м и г = 3,5 м, центробежная и кориолисова силы инерции, при их совместном действии Г?, на тележку, будут изменяться в виде зависимостей, приведенных на рисунке 4. Расчёты показывают, что при принятых параметрах расчета силы инерции, действующие на тележку, достигают значений ^цгтах=92,4 Н; /Г1Ш1ИХ= 71,2 Н; ^эттах= 92,8 Н, превысив допустимую ошибку регулирования усилия в несколько раз.

Выполненные исследования показали, что даже при движении космонавта по прямолинейной траектории с постоянной скоростью центробежная и кориолисова силы инерции изменяются по сложным законам. Поэтому при создании тренажёров для лунных и марсианских программ применять СГП, реализованные в по-

^ -. /,. Тележка/ ............. . Мосг ........................

.....................^ Опорное колесо моста диуса

Рисунок 3 - Расчётная схема СГП тренажёра, реализованной в полярной системе координат

Г.Ы

Ф.град

Рисунок 4 -Воздействие сил инерции

лярной системе координат, нецелесообразно. Анализ достоинств и недостатков по казывает, что имитацию движений космонавтов в гравитационных условиях других планет наиболее целесообразно осуществлять на стендах обезвешивания, реализованных в прямоугольной системе координат.

При разработке стендов обезвешивания важнейшей задачей является определение требуемых мощностей, моментов и скоростей электродвигателей, а также параметров механических передач: редукторов, полиспаста, радиуса барабана, радиусов приводных колес, способных обеспечить согласование параметров движений приводов и параметров движения космонавта в вертикальной и горизонтальной плоскостях при учёте условий:

- согласования скоростей перемещения космонавта и электродвигателя;

- обеспечения допустимых тепловых и максимальных нагрузок электродвигателей;

- обеспечения режима стоянки под током (для СВП).

Максимальные скорости двигателей по соответствующим координатам для СВП и СГП будут равны: = Уо2 /р2, ПДХ=У0Х/РХ, где рг, Рдг- радиусы приведения в электроприводах СВП и СГП.

Для определения допустимых тепловых нагрузок электродвигателей стенда обезвешивания при обезвешивании космонавта в скафандре определены тахо-граммы и нагрузочные диаграммы СВП и СГП по соответствующим координатам с учётом разделения усилий, возникающих на всех стадиях прыжка космонавта,

как по времени, так и по величине на участки: отталкивание, полет и приземление. Такие тахограммы и нагрузочные диаграммы соответствуют наиболее тяжелым условиям работы электроприводов, при которых достигается наибольший нагрев двигателя (см. рисунок 5).

Перемещения в горизонтальной плоскости осуществляются по двум координатам. Однако при выборе электроприводов СГП целесообразно рассматривать наиболее тяжёлый случай, когда перемещения в горизонтальной плоскости осуществляются только по одной из координат, а параметры движения по другой координате отсутствуют, и наоборот. Анализ данных показал, что тахограмму и нагрузочные диаграммы при определении допустимых тепловых перегрузок для электропривода СГП необходимо определять для серии длинных прыжков под углом а = 45°.

На рисунке 5 обозначено : M"z = ((g, - gn К, + m„g, X1 + f,<a )Pz.

M°C7. ={(8,-8п)тс+тп8з)(1-/т7.)рг> McX = К + mn + mx )Я3/тпЛ'Р x~ статические моменты нагрузки подъёма и спуска соответственно, и при горизонтальных перемещениях; М"^ = j£Zf2oZ/iT , = /{щ>- динамические моменты на

участках отталкивания и приземления СВП; M^ = -/xz^oz/'max ~ динамический момент электропривода СВП во время полета космонавта; = JДтс >

= J-^x^aX/{прс -динамические моменты электроприводов СГП; ¡Y.2 > J*LX~ суммарные моменты инерции электроприводов СВП и СГП; QoZ = VoZ /pz , CîoX =VoX/px - частоты вращения электродвигателей СВП и СГП; /шг, f-щх-коэффициенты трения в СВП и СГП; тп,тх- масса подвески и суммарная масса тележки (моста с тележкой) и установленных на неё механизмов; g3=9,81 м/с2-ускорение свободного падения на Земле.

£3.рад/<з п.

М, Нм

...

О

Л/сГ -Л/3

'w+2'ш

а)

б)

М.Нм

M«

Рисунок 5 -Тахограммы и нагрузочные диаграммы электроприводов СВП а) и СГП б)

По полученным предельным тахограммам и нагрузочным диаграммам можно определить эквивалентные моменты электродвигателей СВП и СГП.

Максимальные моменты, которые должны развивать электродвигатели соответствующих координат, следует определять для одиночных прыжков в гравитационных условиях Луны при массе т0 = 200 кг для СВП, когда угол вылета

а = 903, а для СГП - при минимальном угле вылета а = 12,6°, который определяет ускорения аа1 и аоХ. Эти моменты можно определить как

= К(8,а](1+А,г)рг + +и"р|Кг.

Рг

-хГп- '=<«. + ^/шАР, .

м.

P.V

Требуемый момент двигателя при его стоянке под током с учетом различной степени обезвешивания к0 может быть определен по выражению

MaZ = К(1" к0)+ тп )(1 - /mZ) g3 pz.

На начальных стадиях проектирования стендов с частичным обезвешивани-ем приходится решать задачи по согласованию параметров перемещения космонавта, механических передач и вращения электродвигателей. В проектной практике конструирования СКС в качестве такого обобщенного параметра целесообразно принять требуемый радиус приведения Ртр, который позволяет связать параметры движения двигателя и обезвешиваемого объекта с кинематическими параметрами механических передач. Исследования показали, что условия обеспечения допустимых тепловых и максимальных нагрузок имеют по два ограничения требуемого радиуса приведения, которые обусловлены резким возрастанием динамической слева, а справа - статическими составляющими момента нагрузки. Получены выражения для определения р„, рэ2, РдтахЬ Pjiotn2> Рст. Тогда условия согласования скоростей перемещения космонавта и электродвигателя Ртр > ра, обеспечения допустимых тепловых p3i < Ртр< Рэ2 и максимальных нагрузок pOTaxi < Ртр < рдтах2 электродвигателей, обеспечения режима стоянки под током (для СВП) р^ри будут определять область возможных значений ртр (см. рис. 6).

Область возможных значений /> ¡р

м \ ш.

, \ о! . - ж

I 5.

Рисунок 6 - Области возможных значений требуемого радиуса приведения

В третьей главе рассматриваются особенности создания и исследования системы управления усилиями в режимах имитации деятельности космонавтов в гравитационных условиях других планет.

Анализ кинематической схемы стендов обезвешивания, реализуемых в прямоугольной системе координат с активными СКС, с синхронными двигателями, с постоянными магнитами показал, что математическое описание координат допустимо осуществлять, используя обобщенную двухмассовую расчётную схему с упругой механической связью, обусловленной наличием протяжённой канатной передачи и трением на первой массе.

Существующая структура системы управления с активными СКС, используемая для реализации СВП на тренажёре «Выход-2», включает в себя следующие обратные связи:

- отрицательная обратная связь по составляющей тока, определяющая

электромагнитный момент двигателя. Используется для реализации функций то-коограничения и стабилизации электромагнитного момента двигателя при действии различных параметрических возмущений;

- главная отрицательная обратная связь по усилию в подвеске скафандра с космонавтом, которая обеспечивает получение заданных статических и динамических показателей работы СКС.

Если динамические свойства замкнутого контура регулирования тока аппроксимировать апериодическим звеном, тогда математическая модель координаты стенда обезвешивания будет иметь вид, приведённый на рис. 7, где приняты следующие обозначения: и, - сигнал задания момента, пропорциональный весу космонавта в скафандре с учётом требуемой степени обезвешивания (с/,=0 -для системы горизонтальных перемещений); С/к - сигнал, пропорциональный 1/г; О0 - скорости первой (двигатель, редуктор, тележка, мост) и второй (объект обезвешивания и подвеска, к которой он крепится) масс; Ма = т0§р

- постоянная составляющая момента для системы вертикальных перемещений; т

- масса космонавта в скафандре; ^ = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; р -радиус приведения; Ма = О - постоянная составляющая момента для системы горизонтальных перемещений; Мв = Рвр - момент, пропорциональный внешней силе Гв, прикладываемой космонавтом; Мд, Му - моменты двигателя и в упругом элементе; М^ - момент сил трения; Tд=JaCl0M~l, Т0 =J0Si0M~l - механические постоянные времени приводного устройства и объекта, разделенных упругим элементом; тс = с~'аоМ„, Т<1 = Ьус~1 - постоянные времени жёсткости и диссипа-тивных сил; су - жесткость канатной передачи для СВП, обеспечивающей вертикальные перемещения груза; су = ;и0£ / / - для системы горизонтальных перемещений определяется параметрами раскачивания груза, подвешенного на канате, где / -длина каната; Ьу - коэффициент демпфирования, характеризующий затухание колебаний; ка, ка - коэффициенты передачи приводного устройства и космонавта по возмущающему воздействию; к^ - коэффициент передачи датчика усилия, который приведен к валу двигателя; кру, Г,, Т2 - коэффициент усиления и

постоянные времени регулятора усилия; НЭ - нелинейное звено, учитывающее силы эквивалентного сухого и вязкого трения, приложенные на первой массе.

Эксперименты, проведенные на тренажёре «Выход-2», показали влияние на перемещение космонавта различных по величине сил инерции координат. При создании стендов обезвешивания, обеспечивающих качественное управление усилиями, предназначенных для имитации деятельности космонавтов в гравитационных условиях других планет, необходимо обеспечить одинаковые по величине силы

Рисунок 7 - Математическая модель координаты стенда обезвешивания

инерции активных поступательных координат. Исследования показали, что возможно обеспечивать одинаковую ошибку регулированияусилия по трём поступательным координатам тренажёра, тем самым выравнивая инерциальные характеристики приводных устройств. Для этого в систему управления СКС предлагается ввести обратные связи по ускорению по каждой из поступательных координат. Основными критериями оценки работы СКС является относительная ошибка регулирования усилия 8у и чувствительность, которые будут определяться следующим формулами:

_ АМу ^ 1/А. + р ■ М-др ! Мв р _А/тр/ р у Мв 1 + р-£эч ' 4 1 + £эч ' 1

т

где р = ° , кэч=к к ккк, п = ккмкЕ/Тд, коэффициент усиления Гд(1 ~п) + Т0

электрической части СКС.

Исследования показали, что на ошибку регулирования усилия Зу (<) влияет величина к„ и соотношение инерционности приводного устройства и объекта обезвешивания Гд/Г0, которое различно для каждой из поступательных координат. Как показывают исследования, изменяя кт, невозможно обеспечить одинаковые чувствительность и ошибку по усилию Зу (/) для активных координат стенда обез-вешиания. Соотношение Тд/Т0 возможно изменять выбором различных электродвигателей и величины радиуса приведения р. Однако такой подход позволяет обеспечить изменение Тл/Т0 только с определенной дискретностью.

Для определения влияния обратных связей (ОС) по ускорению системы при изменении эквивалентных свойств электромеханических СКС построены частотные характеристики объекта управления с учётом обратной связи по ускорению. Анализ частотных характеристик объекта управления с учетом обратной связи по ускорению позволил сделать следующие выводы:

1. Устойчивость системы управления при введении отрицательной ОС по ускорению сохраняется при любых значениях п.

2. Устойчивость системы управления при введении положительной ОС по

ускорению ограничивается значением игр Причем п<п =—-}[—\ - — , где

2а \\2aJ а

+ + 7 с Т173 (Т«+Ъ)Г„

2а 2Т0ТС 2Та ' а ТМТС

3. При введении положительной ОС по ускорению ухудшается, а при отрицательной - улучшается демпфирование колебаний в упругой механической передаче.

4. Основное влияние ОС по ускорению проявляется во внешнем контуре в изменении полосы пропускания канала регулирования усилия.

5. Применение отрицательной ОС по ускорению позволяет перераспределять функции коррекции СКС между внешним и внутренним контуром, обеспечивая расширение полосы пропускания внешнего контура регулирования, что позволяет использовать более медленные электроприводы.

6. Стремление к получению высоких качественных показателей СКС применением положительной ОС по ускорению приводит к необходимости использования электроприводов с предельно возможным быстродействием.

J

Методику настройки системы управления СКС с внешним контуром регулирования усилия и контуром регулирования тока для каждой из поступательных координат необходимо выполнять в соответствии со следующим алгоритмом:

1. Исходя из условия обеспечения одинаковой величины чувствительности ^ч. которую рекомендуется выбирать в диапазоне = 50-100 Н, определяется

, , М ■ р) — 1 коэффициент регулирования усилия кру = —_.

^'ду^км

2. Для обеспечения одинакового влияния сил инерции по каждой координате необходимо, задавшись одинаковой величиной ошибки регулирования усилия 5у по каждой координате, определить требуемый коэффициент усиления обрат-

Гм/Гд15у

ной связи по ускорению кЕ = пТ„ /кш, где п = -

иу ^тр ,

5у — 1

- + 1

при условии п < (0,8 + 0,9)«^.

3. Определить параметры регулятора усилия ЕГру1 (£) = кру + +

РУ (Тг^ + + О

по полученным без учёта обратных связей по ускорению аналитическим выражениям, заменив Гет на Гкт/(1-и) и Гд на Та(\-п).

4. Определить возможность упрощения регулятора усилия. Применить ре-

+1

гулятор ^ру2(5) = £ру О— при Ги/(1-«) < 2Т„. 1 + I

71^ + 1

5. Регулятор №ру3(5) = кру -}-— при п <

/¿¿ + 1

6. Для повышения качества функционирования СКС при введении положительной ОС по ускорению контур регулирования тока рекомендуется настраивать на повышенное быстродействие с перерегулированием а = 10^15 %.

Для исследования эффективности предложенного похода к выравниванию сил инерции для координат стенда обезвешивания были смоделированы траектории прыжка космонавта при угле вылета 45° и при приложении усилия 1800 Н, приведенные на рисунке 8, с работающими СВП и СГП моста.

Как видно из рисунка 8, при отсутствии обратных связей по ускорению

прыжок космонавта выполняется по несимметричной параболе с более пологой восходящей ветвью и более резко спадающей нисходящей ветвью, в отличие от расчётной параболы, которая имеет симметричные ветви. Применение обратных связей по ускорению при построении системы управления координатами стендов обезвешивания позволило увеличить дальность полета, приблизив о.2 о.4 о.б о.» ¡.о 1.2 и 1.6 1.8 2,0 у,„ точку приземления к расчётной.

Рис.8.Расчетные траектории прыжка Таким обРазом> выполненные ис-

следования по взаимосвязанной работе СВП и СГП стенда обезвешивания в режимах воспроизведения сложных траекто-

На стенде с ОС по ускорению

рий показали целесообразность использования обратных связей по ускорению для выравнивания инерциальных характеристик активных координат. Такой поход к построению системы управления стендов обезвешивания позволит снизить погрешности имитации движений космонавта при его пространственных перемещениях на тренажёре.

В четвертой главе рассмотрены экспериментальные исследования на физической модели и вопросы создания стенда обезвешивания, предназначенного для имитации движений космонавтов в условиях пониженной гравитации планет с использованием активных СКС.

Для проверки методики настройки системы управления и апробации предлагаемых технических решений выполнены исследования на макете электромеханической СКС на кафедре «Электропривод и автоматика» ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова. Экспериментальные исследования выполнены во временной области в замкнутой системе регулирования усилий с положительной ОС по ускорению при импульсном и ступенчатом возмущающих воздействиях. Результаты исследований приведены на рисунке 9.

О 0,5 1,0 1,5 2,0 г, с 1,5 Н/кл; етд=45 (рад/с)/кл

0 0,1 0,2 0,3 0,4 I,С 6)>т^-11,5 Н/кл; тп=45 (рад/с)/кл .т^-5 А/кл

0 0,5 1,0 1,5 2,0 I, С б)/иде=11,5 Н/кл; лгп= 45 (рад/с)/кл

"Д Г

0 0,1 0,2 0,3 0,4 1,С г)тдс=11,5 Н/кл; та=45 (рад/с)/кл;т^=5 А!кл

Рисунок 9 — Графики переходных процессов в СВП стенда обезвешивания при приложении импульсного (а), (в) и ступенчатого воздействия (б), (г), с существующей (а), (б) и с предложенной методикой настройки системы управления (в), (г)

Экспериментальные исследования показали, что в замкнутой СКС стенда обезвешивания с положительной ОС по ускорению с пропорциональным регулятором усилия ошибка регулирования усилия <5у=5,8%, логарифмический декре-

мент затухания Я=1, а при настройке системы управления, согласно приведенным рекомендациям, ошибка регулирования усилия <5V=5,8%, логарифмический декремент затухания Л = 1,4. Таким образом, точность регулирования усилия при перемещениях груза осталось неизменной, а логарифмический декремент затухания X увеличился в 1,4 раза. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили эффективность предложенной методики и показали возможность управления силами инерции и повышения точности имитации движений космонавта в гравитационных условиях других планет.

На основании сформулированных требований был разработан проект стенда обезвешивания для подготовки космонавтов к работе на планетах с пониженной гравитацией, конструкция которого приведена на рисунке 10. На разработанном стенде обезвешивания масса космонавта в скафандре может изменяться от 150 до 200 кг, размер рабочего пространства 15мх7мх5м, максимальные скорости перемещения 2,1 м/с и ускорения 7,4 м/с2, степень обезвешивания ко=0,16-Ю,4.

Управление стендом обезвешивания обеспечивается системой управления движением Simotion Р320-3, модулями управления электродвигателями преобразователями частоты типа SINAMICS-S120. Электроприводы СВП и СГП реализованы с мотор-редукторами с трёхфазными малоинерционными синхронными серводвигателями, со встроенными стояночными тормозами: два двигателя для механизма перемещения моста 1FK7061-7AF71-IFH5-ZJ05 (1,7 кВт,5,4 Нм, 3000 об/мин) с планетарными редукторами SP lOOS-MFlc передаточными числами 7, для механизма перемещения тележки 1FK7044-7AF71-1FH5-ZJ05 (1,1 кВт, 3,4 Нм, 3000 об/мин) с планетарным редуктором SP 075S-MFlc передаточным числом 7, для механизма подъема 1FK7086-7AF71-1FH5 ZJ03 (3,77 кВт, 18 Нм, 3000 об/мин) с планетарным редуктором SP 140S-MF1 с передаточным числом 5.

К выходному валу мотор-редуктора механизма подъёма с помощью втулоч-но-пальцевой муфты присоединён барабан диаметром 180 мм, осуществляющий навивку канатов в две ветви. К противоположной стороне барабана присоединён дисковый сдвоенный тормоз фирмы КЕВ. Канатная передача реализована с кратностью полиспаста ;п= 2. Выходные валы мотор-редукторов механизма перемещения моста и тележки приводят в движение колеса диаметром 80 мм, которые имеют обрезиненные ободы.

Система информационного обеспечения стенда обезвешивания осуществляет измерение всех регулируемых переменных и состоит из датчиков горизонтальных перемещений типа ЛИР-237А, (sin/cos lVpp, 2500 имп/об, 5 В), датчика усилия типа РАДОН ДС-250 (2500 Н, 4-20 мА), абсолютных датчиков (многооборотные, EnDat 2048 имп/об с интерфейсом DriveCliq, с инкрементальными дорожками 512 имп/об, sin/cos lVpp), встроенных в каждый электродвигатель.

разработанного стенда

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача создания ЭМС стендов обезвешивания, обеспечивающих имитацию движения космонавтов в условиях пониженной гравитации планет. Получены следующие выводы и результаты, имеющие научное и практическое значение:

1. Сформулированы требования, предъявляемые к стендам обезвешивания, предназначенным для перемещений космонавтов на планетах с пониженной гравитацией, позволяющие производить расчёты по определению элементной базы тренажёра.

2. Обоснована реализация в прямоугольной системе координат стендов обезвешивания, предназначенных для имитации перемещений космонавтов на планетах с пониженной гравитацией.

3. Разработана методика для определения мощности электроприводов и параметров механических передач с учётом требований согласования скоростей космонавта и двигателя, обеспечения допустимых тепловых и максимальных нагрузок, обеспечения режима стоянки под током (для СВП).

4. Для построения стендов обезвешивания, предназначенных для имитации деятельности космонавтов в условиях гравитации других планет, обоснована необходимость применения обратных связей по ускорению в системе управления каждой из активных координат, которые позволяют обеспечить выравнивание сил инерции и обеспечить одинаковую ошибку регулирования усилия по каждой из поступательных координат.

5. Выполненные исследования электромеханических СКС в различных режимах работы с применением методов математического и физического моделирования показали возможность управления силами инерции и снижения ошибок имитации перемещений.

6. Разработаны технические решения по реализации трех координат стенда обезвешивания в прямоугольной системе координат с синхронными двигателями и цифровой системой управления.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВА.К

1. Киво А. М. Определение энергетических характеристик электроприводов специальных стендов обеспечивающих отработку космонавтами перемещений на планетах с пониженной гравитацией / А.М.Киво, О.А.Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. -2012,- №3,-С.45-50.

2. Пятибратов Г.Я. Особенности создания силокомпенсирующих систем при реализации сложных пространственных перемещений объектов / Г.Я.Пятибратов, А.М.Киво, О.А.Кравченко, Н.А.Сухенко // Изв. вузов. Электромеханика. - 2013. -№ 5,- С. 39-43.

3. Пятибратов Г. Я. Анализ влияния центробежных сил инерции на работу силокомпенсирующих систем / Г. Я. Пятибратов, А. М. Киво, О. А. Кравченко, C.B. Папирняк // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки. - 2013. - № 5. -С. 9-13.

Другие публикации по теме диссертационных исследований

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

5. Киво A.M. Проблемы и перспективы создания тренажеров с частичным обезвешиванием космонавтов для Лунной и Марсианской программ / А.М.Киво, OA Кравченко; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск, 2010. - 18с.-Деп. в ВИНИТИ 18.06.10, № 380-В2010. - Аннот. в БУ Деп. науч. работы / ВИНИТИ РАН. - 2010. - № 8. - б/о 104.

6. Киво A.M. Определение параметров движения и силовых характеристик электромеханических стендов с частичным обезвешиванием космонавтов / А.М.Киво, O.A. Кравченко; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск, 2011,- 18 с. - Деп. в ВИНИТИ 24.01.2011, № 17-В2011.

7. Киво A.M. Способы моделирования частичной невесомости в гравитационных условиях земли / A.M. Киво // Студенческая научная весна - 2010 : материалы регион, науч.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых Рост. обл. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2010. -С. 199.

8. Киво А. М. Определение требуемых энергетических параметров электропривода системы вертикальных перемещений стендов с частичным обезвешва-нием объектов / А. М. Киво, О. А. Кравченко // Результаты исследований - 2010 : материалы 59-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2010. - С. 236-238.

9. Киво A.M. Способы реализации горизонтальных перемещении космонавтов в условиях Земли при их частичном обезвешивании / A.M. Киво // - 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. 240-241.

10. Киво A.M. Определение энергетических характеристик электропривода системы вертикальных перемещений стендов с частичным обезвешиванием объектов / А М.Киво, O.A. Кравченко // Кибернетика энергетических систем : материалы Всерос. науч. молодеж. конф., Новочеркасск, 18-19 окт. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЛИК, 2011. - С. 47-50.

11. Пятибратов Г. Я. Электромеханические системы специальных тренажёров обеспечивающих отработку космонавтами перемещений на планетах с пониженной гравитацией / Г. Я. Пятибратов, А. М. Киво, O.A. Кравченко И АЭП-2012 : тр. VII Междунар. (XVII Всерос.) конф. по автоматизированному электроприводу, 2-4 окт. 2012 г. / Иванов.гос. энергет. ун-т им. В.И. Ленина. - Иваново, 2012. - С. 612-616.

12. Киво А. М. Модернизация лабораторного стенда с силокомпенсирующими системами вертикальных и горизонтальных перемещений / А. М. Киво // Студенческая научная весна - 2013 : материалы регион, науч.-техн. конф. (конкурса науч.-техн. работ) студентов, аспираотов и молодых ученых вузов Рост, обл., 25-26 апр. 2013 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2013. - С. 142-144.

13. Киво A.M. Необходимость использования обратных связей по ускорению в многокоординатных силокомпенсирующих системах / А.М.Киво, Н.А.Сухенко // Студенческая научная весна - 2013 : материалы регион, науч.-техн.

конф. (конкурса науч.-техн. работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Рост, обл., 25-26 апр. 2013 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск • ЮРГТУ, 2013.-С. 141-142.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат следующие научные результаты (в квадратных скобках указаны номера работ, представленных выше): решение задачи [1, 2, 3, 8, 10], экспериментальные исследования и результаты их обработки [5, 6, 11], разработка практических рекомендаций и инженерных методик [4, 13].

Научные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по гранту №2012-1.2.2-12-000-4001-040 «Развитие теории и практики создания космических тренажёров с силокомпенсирующими системами».

Кнво Александр Михайлович

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СТЕНДОВ ОБЕЗВЕШИВАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОДГОТОВКУ КОСМОНАВТОВ К ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛАНЕТ С ПОНИЖЕННОЙ ГРАВИТАЦИЕЙ

Автореферат

Подписано в печать 24.10.2013 Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 46-1123.

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

04201451 186

Киво Александр Михайлович

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СТЕНДОВ ОБЕЗВЕШИВАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОДГОТОВКУ КОСМОНАВТОВ К ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛАНЕТ С ПОНИЖЕННОЙ

ГРАВИТАЦИЕЙ

05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Кравченко О.А.

Новочеркасск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ УСИЛИЯМИ ПРИ КОМПЕНСАЦИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ ТРЕНАЖЁРНЫХ КОМПЛЕКСОВ..........................................................................10

1.1 Подходы и способы имитации движений космонавтов в условиях невесомости и пониженной гравитации...........................................................10

1.1.1 Имитация пониженной гравитации в земных условиях.........................10

1.1.2 Моделирование невесомости в СЛ...........................................................13

1.1.3 Моделирование невесомости в гидролабораториях...............................15

1.1.4 Моделирование невесомости с использованием электромеханических стендов обезвешивания.......................................18

1.2 Особенности построения и реализации электромеханических

систем компенсации силы тяжести космонавтов............................................27

1.3 Сопоставление возможностей различных

электроприводов для реализации систем перемещения космонавтов...........30

1.4 Постановка задачи исследования.......................................................................33

2 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СТЕНДОВ

ОБЕЗВЕШИВАНИЯ КОСМОНАВТОВ..................................................................35

2.1 Определение требований к стендам частичного

обезвешивания космонавтов...............................................................................35

2.2 Способы реализации систем пространственных

перемещений космонавтов в рабочем поле тренажёра....................................42

2.2.1 Основные подходы к реализации стендов

обезвешивания космонавтов....................................................................42

2.2.2 Анализ силовых взаимодействий при реализации горизонтальных перемещений космонавтов в полярной

и декартовой системах координат...........................................................45

2.3 Определение силовой части

электромеханических силокомпенсирующих систем......................................51

2.3.1 Обоснование предельных типовых нагрузочных

диаграмм электроприводов......................................................................51

2.3.2 Методика определения рациональных параметров силовых каналов электроприводов стендов с частичным

обезвешиванием космонавтов..................................................................60

3 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОКООРДИНАТНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

УСИЛИЯМИ СТЕНДОВ ОБЕЗВЕШИВАНИЯ......................................................65

3.1 Обоснование структуры и параметров

управляющего устройства стендов обезвешивания........................................65

3.1.1 Структура управления стендов обезвешивания......................................65

3.1.2 Обоснование применения обратных связей по ускорению двигателей в стендах с частичным обезвешиванием космонавтов......72

3.2 Исследование влияния обратных связей по ускорению на инерционные свойства электромеханических систем

вертикальных и горизонтальных перемещений космонавтов........................80

3.2.1 Определение границ применения обратных связей по ускорению......80

3.2.2 Исследование влияния параметров электромеханической силокомпенсирующей системы на эффективность

обратной связи по ускорению..................................................................84

3.3 Оценка влияния обратных связей по ускорению

на работу систем вертикальных и горизонтальных перемещений................93

3.3.1 Получение обобщённого математического

описания силокомпенсирующей системы..............................................93

3.3.2 Исследование частотных характеристик силокомпенсирующей системы при ведении обратных связей по ускорению..........................96

3.4 Особенности настройки управляющих

устройств в силокомпенсирующих системах...................................................99

3.4.1 Особенности настройки регулятора усилия............................................99

3.4.2 Особенности настройки регулятора тока..............................................101

3.5. Исследование одновременной работы СВП и СГП

космонавтов в рабочем пространстве тренажёра...........................................107

4 СОЗДАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО ТРЕНАЖЁРА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ КОСМОНАВТОВ К РАБОТЕ

В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННОЙ ГРАВИТАЦИИ................................................112

4.1 Конструктивные решения по реализации

перспективного тренажёра...............................................................................112

4.2 Выбор силовой части системы управления

усилиями перспективного тренажёра.............................................................114

4.2.1. Выбор элементов силовой части СВП

перспективного тренажёра.....................................................................114

4.2.2. Выбор элементов силовой части СГП

перспективного тренажёра.....................................................................119

4.3 Выбор управляющей части системы управления

усилиями перспективного тренажёра.............................................................124

4.4 Экспериментальное исследование

динамических процессов в СКС стенда обезвешивания...............................127

4.5 Перспективы расширения функциональных

возможностей стендов обезвешивания...........................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................132

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

В обозримой перспективе пилотируемые программы предусматривают полёты человека к различным планетам солнечной системы. В числе первых планет, представляющих наибольший интерес для изучения, являются Луна и Марс. Освоение планет предполагает деятельность человека, связанную с работой на их поверхности. Решающую роль в успешном выполнении работы в открытом космосе играет подготовка экипажа на Земле. Эффективность подготовки будет тем выше, чем реальнее в наземных условиях будут смоделированы факторы, воздействующие на космонавта на поверхности других планет.

Опыт пилотируемой космонавтики показывает, что наиболее эффективным средством подготовки космонавтов к полётам на пилотируемых космических аппаратах являются тренажёры [1], что ставит вопросы их создания и совершенствования в число актуальных задач, особенно в настоящее время, когда Россия всерьёз рассматривает реализацию пилотируемых программ по экспедициям на Луну и Марс.

В зависимости от целей и задач тренировок космонавтов требуется воспроизведение полной или частичной невесомости, когда параметры движения, влияния внешней среды, психофизиологические и другие факторы соответствуют реальным, или реализации безопорного пространства, когда испытуемый объект имеет возможность перемещаться в любую точку рабочего пространства под действием мышечных усилий [2].

Используемые в настоящее время средства имитации невесомости, такие как самолёт-лаборатория, бассейн нейтральной плавучести, стенды обезвешива-ния (тренажёр «Выход-2»), не могут обеспечить нужные скорости, ускорения, точность обезвешивания космонавта в скафандре, тем самым не позволяя в полной мере решать задачи по обучению и тренировкам космонавтов в условиях пониженной гравитации планет. В соответствии с основными направлениями развития отечественной космонавтики, утвержденной Президентом РФ от 19.04.2013 г. №Пр-906, в Роскосмосе рассматриваются схемы перелета, проекты межпланет-

ных комплексов, вопросы отбора, подготовки и медицинское обеспечение экипажей, принципы создания систем жизнеобеспечения. В процессе подготовки к выполнению программ межпланетных перелетов космонавты должны получить необходимые навыки и пройти обучение на созданных для этого тренажных комплексах. Поэтому разработка и создание стендов обезвешивания с электромеханическими силокомпенсирующими системами (СКС), позволяющих осуществлять обучение космонавтов элементам деятельности на поверхности планет при длительном пребывании в штатных скафандрах с различным оборудованием, являются важной и актуальной задачей.

Объектом исследования являются стенды обезвешивания, предназначенные для имитации деятельности космонавтов в гравитационных условиях планет.

Предметом исследования являются системы управления электроприводами, осуществляющими компенсацию сил трения, гравитационных сил, сил инерции присоединенных масс, используемые для построения стендов обезвешивания, позволяющих имитировать движения космонавтов в условиях пониженной гравитации.

Цель диссертационной работы: создание электромеханических систем стендов обезвешивания, обеспечивающих обучение космонавтов перемещению на поверхности планет с пониженной гравитацией.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

- сформулировать требования, предъявляемые к электромеханическим системам (ЭМС) стендов обезвешивания, предназначенных для имитации перемещений космонавтов на планетах с пониженной гравитацией;

- обосновать рациональную кинематическую схему и способ реализации силовой части электромеханических СКС стендов обезвешивания, обеспечивающих требования по имитации перемещений космонавтов в гравитационных условиях других планет;

- разработать методику рационального выбора элементов и устройств механической и электромеханических частей электроприводов СКС;

- обосновать рациональную структуру ЭМС стендов обезвешивания, обеспечивающих имитацию перемещений космонавтов в условиях пониженной гравитации;

- выполнить математическое и физическое моделирование электромеханических СКС в различных режимах работы;

- разработать технические решения по созданию ЭМС стендов обезвешивания для подготовки космонавтов к работе на планетах с пониженной гравитацией.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории систем автоматического управления, теории электропривода, 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 электромеханических систем, совпадений результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна представленной диссертационной работы заключается в следующем:

- впервые научно обосновано применение прямоугольной системы координат для реализации стендов обезвешивания, предназначенных для имитации перемещений космонавтов в гравитационных условиях других планет;

- предложена методика выбора электроприводов и параметров механических передач стендов обезвешивания космонавтов, отличающаяся применением предельных нагрузочных диаграмм, характеризующих принцип имитации перемещений космонавтов на планетах с пониженной гравитацией;

- обоснована структура системы управления СКС, отличающаяся применением положительной и отрицательной обратной связи по ускорению для управления силами механической инерции, и определены параметры регуляторов и обратных связей с внешним контуром регулирования усилия, контуром регулирования тока, каналом компенсации противоЭДС.

Практическое значение диссертационной работы:

- определены требования, предъявляемые к ЭМС стендов обезвешивания, позволяющим имитировать на Земле перемещения космонавтов в условиях пониженной гравитации Луны и Марса;

- предложены способы определения эквивалентных по нагреву и максимальных моментов электродвигателей систем вертикальных и горизонтальных перемещений, с использованием обоснованных предельных энергетических и силовых характеристик стендов обезвешивания;

- разработаны технические решения по созданию ЭМС стендов обезвешивания и методика настройки управляющих устройств, позволяющие реализовать требования, предъявляемые к рассматриваемым стендам обезвешивания.

К защите представляются:

1. Требования, параметры и рекомендации по реализации в прямоугольной системе координат ЭМС стендов обезвешивания для подготовки космонавтов к работе в гравитационных условиях других планет.

2. Способ построения и реализации систем управления усилиями ЭМС стендов обезвешивания, обеспечивающих имитацию движений космонавтов в условиях гравитации других планет.

3. Методика совместного определения параметров электродвигателей и механических передач стендов обезвешивания при комплексном учёте основных влияющих факторов, в том числе - обеспечение допустимых тепловых и максимальных нагрузок и обеспечение режима стоянки под током (для системы вертикальных перемещений (СВП)).

4. Рекомендации по созданию стендов обезвешивания в прямоугольной системе координат, настройке регуляторов и каналов обратных связей электромеханических СКС, обеспечивающих имитацию движений космонавтов в гравитационных условиях других планет.

Использование результатов диссертационной работы. Научные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки

России в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по гранту №2012-1.2.2-12-000-4001-040 «Развитие теории и практики создания космических тренажёров с силокомпенси-рующими системами».

Результаты диссертационных исследований использовались в 2011-2013 гг. при разработке для ОАО РКК «Энергия» (г. Королев, Московская обл.) проектно-конструкторской документации на создание перспективного тренажёра для подготовки космонавтов в условиях невесомости и гравитационных условиях других планет.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях, в том числе на VII Международной (18 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Иваново, 2012 г.), Межрегиональных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области (г. Новочеркасск, 2010-2013 гг.), научной конференции аспирантов и сотрудников ЮРГТУ(НПИ) (г.Новочеркасск, 2010г.), Всероссийской научной молодежной конференции «Кибернетика энергетических систем» (г. Новочеркасск, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе: 3 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК, и 1 монография.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Основная часть изложена на 138 страницах машинописного текста. Работа содержит рисунков и таблиц.

В диссертационной работе обобщены научные исследования, проводимые автором во время обучения в очной аспирантуре ЮРГТУ (НПИ), в период с 2009 по 2012 гг., и работы на должности ассистента кафедры «Электропривод и автоматика», в период с 2012 г. и по настоящее время.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ УСИЛИЯМИ ПРИ КОМПЕНСАЦИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ ТРЕНАЖЁРНЫХ КОМПЛЕКСОВ

1.1 Подходы и способы имитации движений космонавтов в условиях невесомости и пониженной гравитации

1.1.1 Имитация пониженной гравитации в земных условиях Развитие современной космонавтики в ближайшие годы предусматривает осуществление полётов на другие планеты и астероиды солнечной системы. В числе первых планет, представляющих практический интерес для освоения, являются Луна и Марс, что предполагает широкую деятельность человека на их поверхности. Однако атмосфера на Марсе непригодна для дыхания человека, а на Луне - полностью отсутствует, поэтому космонавты находясь за пределами станций вынуждены будут работать в специальных скафандрах, обеспечивающих их жизнедеятельность в условиях конкретной планеты [1].

Анализ пилотируемых полетов в космос показывает, что их эффективность и возможность успешного выполнения заданных программ во многом определяется качеством наземной подготовки космонавтов.

Очевидно, что в условиях земного притяжения задача воспроизведения физиологических ощущений космонавта при выполнении им действий в условиях невесомости и при действии гравитационных сил Луны и Марса, может быть решена только за счёт частичной компенсации силы притяжения космонавта в скафандре, причём без компенсации сил притяжения отдельных конечностей, а также приборов и инструментов, которыми он манипулирует при выполнении тренировочного задания. Поэтому при выборе моделируемых на тренажёре движений космонавта в скафандре необходимо проанализировать его типовые действия в условиях частичной невесомости.

Для формирования и развития навыков выполнения различных действий космонавтов в условиях частичной невесомости необходимо име