автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация процессов в электроуправляемых волоконно-сорбционных мышцах

Санкт-Петербургский государстве.чяыЦ технический университет

На правах рукописи

КИЗИЛОВ Андрей Борисович

моделирозаике и оптидадия процессов В а^кггоуправтяе.ш ВОЛОКОННО-сорщиопеьк кьецах

05.09.03 - Еяекгротехннческае компхэии я система, вглючая их управление п регулирование

' а. я т о р в 5 2 р л т дпссергацкц па сэисханяе у~еноЗ степени етщдет'а тсхпгл?сгта: наук

Работа вылолнена на 'кафедре «Техническая кибернетика" Санкт-Петербургского государственного технического университета .

Научные руководители: доктор технических наук профессор А.А.ГОРОНЛН, кандидат технических наук доцент Ю.К.ЕГОРОВ

"Официальные оппоненты: Доктор технических наук

профессор Бор-Раменский А.Е. кандидат технических наук доцен? Романов П.И.

Ведущее предприятие - ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург

Заашта состоится ..II " Июня 1992 г. в_часов на заседании. специализированного Совета К 063.38,25 Саякт-Петербург-ского государственного технического университета по адрес у:-195251, г.Санят-Петербург,-.ул. Ла^стехнгчесгкаа. 29.

С диссертацией можно ознакомиться .в гби&шдае^е университета.

' Автореферат разослан п " ■ 19§2 г..

Ученый .рдкре.тзрз специализированного ..совета 6 Ж кендидат .тедяичбрких-щук Шд. >.Н. КРИВЦОВ

011-ля харшер^кл работы

' Актуальность проб таи. Золококко-сорбцкошня мыта, разработанная в 19&3 году з Санкт-Петербургском государственном техническом университете, представляет собой электроуггравляешц двигатель нового типа. При пропускалки электрического тока через нагреватель, расположенный внутри адсорбента,Слышна сокращается кз-эа десорбция здсорбата из адсорбента. Теоретические разработки, содерадзо т?е,а?ичесяув коде ль действия мыицн и синтез законов управления ев, в литературе отсутствовали.

Малке массо-габаритные показатели двигателя указшзают на воз-ксгяио его применения. Это робототехника, протезирование, устройства с кудтаки, шшш, зааюнчаки л т.д. 3 настоящее вре-!.гя ведется работа по еннкеншэ тепло вол инерционности мши,, увеличению ах к.п.д.

Цель работы. Целью данной работы является создание математической модеяя действия злектроуправляемой волокенно-сорбциошюп ■ ьнищы и оптимизация ее состояний и законов управления ею.

Метода исследования. При создания математической модели действия шшцц использованы методы, термодинамики, теоретической механики, теории адсорбции, теории тештомассобмена. Оптимизация процессов, протекавших в элзктроуправляемой мышце, осуществлена с пемоцыз вариационного метода синтеза олткмальннх соотношений . фазовмх координат объекта управления. Математическая модель действия кьа;ци проверена экспериментально.

Научная новизна получению: результатов заключается в следуя-

цем: .

1. Создана математическая модель действия золокошю-сорбци-^ ОЯНОЗ МК1ЩЫ.

2. Установлены способн у^еялчевяя сохранения иипи и Повышения ое быстродействия, Свдз относятся уменьшение начального уг~

~ла плетения нкгай анизотропной оболочки а замена материалов компонентов г.навд.

о. Расчетом и в экспе^якоате ссредеяея характер переходных прогессоз сокращения кшда при варьяровакйи ъеяачят сигнала управления, а такгс кагрушгецеХ сага.

4. Сиптезквог.ан заксн оатг.т.'алького управления кыацеК з резюме отработка заданной позпиеп (сокращения).

5. Осуществлен переход от оптимального управления з позпцч-

ояном резюме к упратзлгки», соответствующему замене температур:.; .■/лиди, гаксул-лльно допустимо?. температурой, что обеспечивает отработку позади: га несколько секунд.

6. Получен закон управления кшддей в рекиме отработка заданной смн.

Практическая ценность работы. Созданная математическая кодель выявила пути согортеяствсвакля суцестауЕзих образдсв золоконно-сорбцяоиншс иащ за счет замены материалов а веществ. Рабочий ход развнЗаемое усилие ;логут быть увеличены в 2;-5 раза. .

Полученные закона управления позволяет перейти к разработке структур систем автоматического управления шгдаш, обосновав ггг.едэар'лтельяо упроченную модель,ее действия.

ррохиеаг&я результатов паботк. Результаты лссяедонаниГ: ис-польэозЕши в разработках И10 ИНХ (¡.¡НТК »Робот"): работа по . давно;: тс;-.:е выполнялась по заказу Г'КТ СССР.

Апробация работа. Полученные резулматк исследований докладывались к обсуждались ка 1-ои иоздувародвш учредительном научно-коммерческой сглложуке П2олоко,чпкй--£0" (Суздаль, 1590), Местом Зсгсоюзком симпозиуме по пксвлатическим (газозим) призер дам 1; системам управления (с международный участием, Тула,16Ы) и на научное секлнарах кафедры .-Техническая кибернетика" Санкт-Петербургского государственного технического университета (19881991).

Публикация. Основное содержанпе работы опубликовано в-б печатных работах, в числе которых авторское свидетельство ка изобретение.

Структура к объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, излогенках на 122 а. машинописного текста и содержат 6 приложений, 5 таблзд и 43 рисунка; список, яктературк включает 52 наименования, в том числе 14 иностранянх.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАЕ0ТИ .

Во внедрим обоснована актуальность работа, определена ее цель, отражена научная новизна и практическая ценность, призе-др;ш структура а краткое содержание работа по главам,

Пьурая глава содержит аналитический обзор робояотехническях :: бхошюядапдог иргшодных-устроИств. Указаио на недостатки :иаос::чгс2г;;< .тапоп яшводов, что усложняет их включение в ан-тро;;о.мореьие конструкции.

Анализ публикаций но pacci.arpimaef.ioii тематике выявил следующие основные направления в разработке'нетрадиционных робототех- ■ ничеекпх и бдош.итациошшх прдводных устройств:

1. Устройства с тросози.'я передачами.,

2. Мускулоподобше првводние устройства.

5. Электростатический, электромагнитный и олектрорэояогичес-ккч приводя.

4. Приводы с тепловзг.а двигателями.

5. Технические киадн.

Конструкции с ккисмагическгш цепш.:и, соедияешпа с технически.::! г-а-:пщгл1'л л:бо тросовикц передаиграющий роль сухо-

являются конструкция.::; бкокг-.итацконлого типа. Трооовие ногедзчз (п:Скзе тяга) применяются в сочгтшш с классически.:;; тишея прдзодов. Псйоогпткй устройств с тросов:;;;:', передача:.;;; к привода1.;;; классически ткиоз одроаддачт целесообразность поаска вовнх вадов приводов, в частности, ;.:ускудопэдоб/:кх.

Наиболшое распросграискке сред;; «усжудсподобдцх г.риводшк: устройств яор.учдд; акал«;; биологическое сод, работа"?;:;;а на сокращенно ирк подаче в их внутреннее обгсга под «авлзяпем раоочей гхдкости. к» газа. Замена в даннод варианте днеьдо-гддроцуивод.а трдддшюнинх цилиндров на легязс дсоорпкруегдае оболочки даст «у-;;ест-зс:1}ша1 вкигрьа в уделайой газоста, Сокращение мшда иотко ойесаечшь аш:зотроаа«*.а сэоЬскиаиа ;.:атер:;ала ее сбслочк;:.

Персгтекткви разввгая сиекддгадцэкндх устройств связаны с ле-подьгпзапг.еч единого онзрганоедгеля - олоктрг.ческого тока, ¿то' деззодяет отказаться от громоздких дорогостоящее гддроаташшГ., т:сгл0::сй.йресс0рс2, рзгул.рукйсГ. и расдределдально:: аппаратур:; к труСопрсзадся, Способа пг,во<:р,:зов;н;:п елег.трг.чесно;: оперт! в :,ддан;;час.ку.а баапруютел па всздсдстг;:;: ?дсч:тр:;ч<"сгбго ::

кагнлткого доле::, реакц;!:: раадвгкчосаоа лдкоста на врд додана;; к рок сдактгдчсскд;; ватвацдад, на о': дт::::о;; :;:п;:г::сско;: рсактдо игл: прзвра";о.чкк э.г.сктр;;чосго" оч;ргл:: в •¡сл.тову» (::с::ольЕдва.чпе эдикта »памяти «;ор;.:ч" кетадла).

Лс.'.ствкс зохекоппо-еорбцвогпо;: ссндевно ка оерлтгдо.'»:

явааг:::: адоор;дд..--десор;д:л;:, .ддохднд - провеса пог.":о::дндя г.о-■дпедвд ;::: к.собод ?д1гс,'', сгр» XI- погсгхпсстюгл слоем твердого вс...с-с.->л 'адссрС.он"а). РосорО'а'а - с'катк;;:. процесс. При пропускана.; олеат;:::чсс;:о;'о -;сч;а через- :-одо::в!Г:и:-. утолвньа: адсароа>":г, сада;-д дД.ся в гч. да, ;:ослсднп:: р.-зо;а,евасаоя д дссасснрует ра~

ног поглощенное веззстэо. йрозсходэт сохраденко аапш.

Вагоконяо сорбшонйую шлсу отлич^вт Macco-raíap;:iiajc

показателя к болтая удельная сила. ¡.¡асса одного кз образцов составила 2 г, длина - 150 их>, раззивае.мая сива 5И. Дальнейяее со-вердепстБозакне 1.:ышдн связано, во-перных, с созданием ¡.«тематической модели es действия. Вэ-Етоуых, перспектквкк:.! является ис-следозаапе осхокта «холодной десорбция".

Вторая глава посяя^бва создана» математической кодеж действия ш-гш, содержащей анизотропную оболочку, внутри которой, fia— ходатся элас1о:лерная оболочка. 3 восяедпвз помаде ни адсорбекткий и адсорбатка*. заполнителе. Сокращение щкцк происходит при пропускании эдеятрдчоского тока через адсорбент из-зь ее яагреза я натяжения вовэрачквашш кед'дуузллй ршбкческях ячеек оплетки (аапзотропнок оболочка).

Поочередно рссскотрекы связи геометрических параметров ободочек, энергетические,к сдловке сооткоивюш, теркодгкамачоский ;; сорбп.;:он.Ч1:.г! процессы теплообмен с внешне 2 средэ". «ссояьзо-ваш! законы в ;.:етоды сопротивления материалов,, теоретической ¡.схакккк, 7ер.»динакккк; теории тешюиассообйена к те орда ад-*> ссрбпдп. ^тематические' описания отдельных процессов связаны з единую систему уравнений закояо.м сохранения экер геи, записанном в йорьяг 'баланса шалостей. Полученная математическая модаяь представляет собой систему 2Б уравнении, где 5 уравнений - дифференциальные. Настоящая система уравнений представлена'в таблице I.

Здесь обозначено;

/4, - электрическая мощность, • '

AÍ, - мощность, пдушдя на нагрев, °

- мощность конвекционного процесса теплообмена,

- шцность лучевого процесса теплообмена, •

- моаность Сорбцю иного процесса,

К, - механическая мощность,

и - напряженке электропитания,

Ям - электрическое сопротивление мышцы,

Гл - температура мышца,

Тс - температура среды,. -

ь - время,

с* - теплоемкость мышцы,

¿ - длпна активно! часта шшцы.

е

ТаОлиц.ч

N н/п

Ур.чпиение

1

2

, 3

Ч

10

Мэл

N,„ = U2 /&„

R„ =

N„ ♦ N„ * Ne + Г1„

Í

N. ^

■N„ =

Л-„

рд;, -

Р.о (1 + %{Т„ - Та„)) (1Т„

Q Г ^ "

2sri(T„ - ТСР)

in

-i-öl л Э Z i

■з -П,

V с„ a¿„

1

-- + —

г i а Л*

• 21

г г 1 — + - 1

in

Л П 2 2

£(Т„ - Т„)

■Г,, = i'„ àuW ♦ 2zi

i.10

ат

5.10

tXT :

'3 < Р/>г < 5. to2 ; м=0; т т

If' Ici.

- Al

< P,Gr < 2.10 7 ; С -0;

б

11

12 13

I'i

15

16 .

I/ 18

19

20

21

22

23

21

гь

26

27

24

г РД-Тгло7' ; tí=ö

i = Aj(T„ - Тер)

¿/3

ат = 0,67v ;2/3 a'J/1 и1/2 Г1; ш>0 N, = S„SniO-° СП - Т2..)

S„ = 2зт ь С £п + г3)

м = U„ 8гар('Х(Т„ - Тср

Не, ат

U - и т У±

" Vi»«- pcaJ dT„

Vc„ = SÍ[Z\Í - 2 íoto)

Рс„ = РсЕФ(И1- U!

mc„ = ra coO (i - ЮР(8(Т„ - Te«))

■н-.р^-. ;

P„ = n-¿l0(í - 3 ítoó2a) (i - ч5)Аш2а

n„,toÄ = P„ --P ат ,,

I . t, lú I \ 2,

♦ 2ho гso (2 - i)1 ♦ 2í,Jio (h - i)2>

Meíib

't-l - % 20% í '¿ "

V 1 - <! "¿i-fl 2CX o

сола0 ,Vi - iWa«,

óma0 ¿moto

h 3 • h 3<jl y ; h s - , , ;; г___ г„

íV i - i C06 Cío Z¡ Z2 - h 3 ; "¿3 - Z j • h„„

i'n - i * ti

А

г,

г3

Ь

К И

Ь

9

1)9

Ъ

ч >

1п

Ь

V

«г

V

Иг ,

>4

1м

V

V* Ч*

Пи,

г д«

т;.

9» Я,

от,

£

¿г

'•V

- внутренний радиус мышцы,

- нарукшп радаус эласгомерноЙ оболочки,

- тружкый радиус плетеной оболочка,

- теплопроводность эластомерной оболочки,

- теплопроводность плетеной оболочка,

- теплопроводность стенки шшци в целом,

- критерий Прандтля,

- критерий Грасгофа,

- ускорение свободного падения,

- о14ектлзная длина кшци,

- вязкость среди,

- коэффициент температуропроводности среды,

- коэффициент объемного расширения среда,

- полная длина мышцы,

- длина заделок мышцы, „

- угол наклона мкшы к горизонту,

- жоаДпииеят теплопередачи,

- скорость потока принудительного обдува мышцы,

йу - таблтне етэйишенты, характеризующие среду,

- луч г вой коэффициент теплоотдачи,

- степень черноты,

- площадь поверхности мышцы,

- гасса сорбата,

- молярная пасса сорбата,

~ иольвая анархия десорбции,

- термически,! юэйициент десорбции, •

- объем, занимаемой адсорбтявом,

- касса здсорбтава,

- избыточнее давление,

- плотность адссрбата,

- температура кипекяя едсорйатз,

- начальный угол трепня оболочки,

- избыточное давление, кошемирук:;?© ущ>угез сопротивление обмочил,

- усилие, развиваемое шгш.ей,

- сила внешнего сопротивления,

- приведенная масса,

- модуль упругосга адастомерноС о<5слочкя,

- терлачесхяй жоэК-иняент сопротивления нагревателя,

v

h, - толщина эластомерноЛ оболочки, hu - толщина оплетки. Индексы:

( - исходное значение переменной (~) - безразмерная форма переменной, например: £ ~ 4-

Со

Релив систему уравнений, находим для каждого момента времени геометрические параметры, температуру, скорость к ускорение, давление во внутренней полости п развиваемое усилие. Для проведения расчетов была разработана программа на языке БЭ;1"С;£С. Пр:; ступенчатои воздействии управления установлен экспоненциалькик характер переходного процесса сокращения иищы и выявлено наличие зоны нечувствительности. Лдительпость переходных процессов не превышает 100 с. Уменьшение начального угла плетения нитей анизотропно;! оболочки позволяет получить максимальное сокращение ныицы, со-ставлаоузе 427' начальной длины.

Выявлены пути совершенствования мьгпд. сто пезшненне прочности и егкште жесткости -.оболочек, увеличение коэффициента предельно;» адсорбции' .

Третья глава поовядена экспериментальной проверке математической модели действия мышцы, Параллельно выполнялась сертификация имеющихся образцов. Сертификация включала в себя оценку величия' с^гращония мьшц и длителвносги переходных процессов. Экспери.мея-ты проводились на специально созданно-.; автоматизировапко" стенде, слектронная часть стенда содержит управляющую млкро-ЭЗМ "Электроемка VC 0507.02" (ДЗК-З.0 и нптep^efic для ввода елггалоз, выполненный в стандарте КАМАК.

От опыта к опыту устанавливались различные напряжения электропитания MiL'np и нагружающие силы.

Сравнение результатов эксперимента и расчета, проведенное с покодьэ "правила трех сихм", показало удовлетворительное соответствие математической модели действительному процессу. Расхождение процессов не превышает 16^. Зона нечувствительности мыпцы по управлению зависит от величины внешней нагрузки и составляет 4D-6B. Кривые переходных процессов являются плавинми дункцикли, лриблгкаь-лгн.'.ися к экспонентам. Постоянная временя вксповей? равна 20с для первого варианта мыгщы и С5с - для второго варианта.

Установившаяся длина мыидн зависит от напряжения электропитания и внешней нагрузки и не зависит от предыдущей позиции и способа перехода в новое состояние. Максимальный коэффициент жесткости г.кщы равен 1632 П/м. Отношение развиваемого усилия к пассе мип-цы составило 500 Н/кг.

3 четвертой главе произведен синтез законов управления мышцей вариационным методом. Фазовые координаты и управление изменяются в открытой области. Оптимизации управлений предшествует выбор критериев качества процессов. Позиционному регдалу соответствует критерий качества ?

где £ - текупдя приведенная длина мышцы, - приведенная заданная дана мнзиы.®

Составлен вспомогательный функционал ,в который вошш уравнения связи из модели действия мшщц к неопределенные множители Лаграака.

Поочередное варьирование функций у. позволило записать из системы уравнений Зйлера-Пуассона условие оптимальности процесса

1и 1-(шсы~шСим-тси)-пк1 -у- £< ^

Ла / - Я Тн

где • з - плотность адсорбтива.

Усц '

Оцтикалышй процесс имеет экспоненциальный характер. В любой момент мозгно прекратить рост напряжения и поддерживать его на достигнутом урозяе. Ыыща перестанет сокращаться и ее длина сохранится в качестве новой заданной дайны.

Вопрос ограничения управления и функций состояния мышцы' в решенной задаче оказался неактуальным.

Режиму отработки гадзяной силы соответствует критерий качест-

(з)

Получена выршвдная спстегл уравнений С'йлера-Луассона. Отдельно рассмотрена структура систем: регулирования сипы, в которой

электрическое напряжение на адсорбанте ¡жцы изменяется по формуле

У'-Ъ'*,■(*.-/>„,) (4)

/

где - коэффициент пропорциональности,

Ц, - конечный уровень валрякония, соответствующий достижению мышцей заданного усилия. Яри ступенчато поданном гадании ■ напряжение V сначала

уменьшается. Но затем деформация зластомерной оболочки приводит к росту упругого сопротивления, что требует аозишенкя напряжения для его компенсации.

Рассмотрена задача о предельном быстродействии в процессе отработки кышдей заданного сокращения.

Из математической т.гаделп действия глады следует, что шгтексиз-ность выделения адсорбтива пропорциональна скорости нагрева маь-цы:

П1а = - ¿-. • гхр (Г- (Т„ - Тс ))-Т„ (5)

Дзат расчета загона упревшая бис цепояьзовака прог^ка, разрабошшая для позиционного региг.а, с заменой оятжгдьзой температур:»', 1:оторая рассчитывается на качдоа ваге, па максимально допустимую температуру Т)ео . Полеченное время полного рабочего хода умзккпллось до нескольких секунд. При достижении га^и.гск задание;: позиции необходимо аерешочкть напряжение на уровень, со-отвзтетвугаяй оптимальному закону упразйзнгя по позиционному критерию качества,

£,анно,\'.у регаиу соответствуют тяхеккзе энергозатраты.

Приловения содержат фотоматериалы, тексты программ расчетов и автоматизации зкекеряментг, а такге кахероазг, относился к внедрению результатов работы.

ВЫШДЗ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ;

1. Из обзора приводных устройств следует, что волоконно-сорб-ционкые кищн по сракченип с другими дзшиеяош« гаракгергзуих-ся. иглмепыпикя шссо-габарлтш.'.'и показателя,*.® и юйболшы отио-венкеы рагакмвкой сипа к кассе,

2. Получела митоиггачесг.ал модель действия вслоконио-еорбп.и-

нной мдкш, представляющей собой нелинейное инерционнее звено.

3. Выявлены способы увеличения сокращения и разливаемой силы олокошю-сорбционно?. мшгци, включакще замену ее материалов я егцестз, При сохранении габаритов можно увеличить быстродействие, извиваемую силу и максимальный рабочий ход в 2*3 раза по срав-:еняю с исследованными образцами.

4. Экспериментально подтверждено удовлетворительное соответствие математической модели действительным процессам, протекаю-км в мыецз. Расхождение между теоретическими и экспериментальна-!и процессами не превысило 16%.

5. Экспериментально подтвержден экспоненциальный характер ¡ереходяпх процессов сокращения шецм при варьировании величины идоша управления и нагру:--.аюден с ты. Постоянная времени для жепоненциального процесса составляет ¿0*30 секунд.

6. Синтезирован закон оптимального управления мыдцей в режиме зтработки заданной позиции.

7. Осуществлен переход от оптимального управления в позицион-io.M релаше к управления, соответствующему замене температуры мьш-щ максимально допустимой темлературой, что обеспечивает отработку позиции за несколько секунд.

8. Волокояно-сорбционные мыецы мог/т быть применены в робототехнике, протезировании и з устройствах с муфтами, клапанами, заслонками и т.д.

9. С целью преодоления тепловой инерционности м:шц целесообразно проведение исследовании о#зкта "холодной десорбции".

По материалам диссертация опубликованы следующие работы: .

1. Аграновский С.Г., Глзллов А.Б,, Морозов В.И. Искусственная мшэда / Труда ЛЛИ. - 19£8.- й Ш,- С.£6-93.

2. Авторское свидетельство И 1406670. Зоднозой злектрогидрав-ллчесхий исполнительная механизм // Аграновский С.Г., Голубев Н.Л., Кизилов А.Б., Королев В.А, - эарегистр. 8 марта 1988 г.

3. Аграновский С.Г., Воронин A.A., Киззлоп А .Б. Исследование основных характеристик оболочек технических мгац // I-ät Мегду-няродный учредительный ааучяо-кокмзрчесхий, симпозиум "Золохони-ка-ЬО".- Суздаль, 1990.- С.23-24.. •

4. Аграновский С.Г., дпзилоз А.В, Теоретические основы микромеханизма холодной десорбции // 1-й МеядукароашЛ учредительный

научпэ-комюрчески: си.лозяуи «Водоконика-ЭО".- Суздаль, 1930. - С. 10-13.

5. Управляем;": модуль па волоконЕО-сорбциошшх электронных мыщах / Аграновский С.Г.Дгоров Ю.Н., Болотин И.В., Кизилоз А.Б, Муразко С.К. // Известия вузов. Приборостроение.- Л., 1990. -

.й 10.- С.78-86. -

6. Кязллов А.Б. Газовые приводные элементы типа волокопно-сорсциокннх мышц //Шестой всесоюзный сймпозиу1М по пневматически!,! (газсвкм) приводам и системам управления (с кекдукародшаы участием): Тезисы докладов.- Тула, 1991.- С.45.

Подписано к печати Ту.раж 100 зкг

Заказ Бесплатно

Отпечатано на ротапринте СПОРТУ

195251, Сеидст-Петербург, Политехническая ул. 29