автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов управления системой обезвешивания для наземных испытаний средств космической робототехники

Р Г б Ой На правах рукописи

13ШЛ

ИГНАТОВА ЕЛЕНА ИВАНОВНА

• РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЙ СИСТЕМОЙ ОБЕЗВЕШИВАНИЯ ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ СРЕДСТВ КОСМИЧЕСКОЙ РОБОТОТЕХНИКИ

05.13.01. "Управление в технических системах"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1936

- г -

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете на кафедре "Робототехника и техническая кибернетика".

Научный руководитель:

д. т.' н., проф. . Юревич Е. И.

Официальные оппоненты:

д.т.н.,проф.,заслуженный деятель науки РФ Потапов A.M. к. т.н., доц. Куприянов В.Е.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт автоматизации производственных процессов при МГТУ им.Н.Э.Баумана

Занята состоится 1996 года, в Ж часов на

заседании диссертационного совета Д 063.38.04 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: 195251/ С-Петербург, Политехническая ул. 29. и /С

С диссертацией моано ознакомиться в .библиотеки Санкт-Петербургского государственного технического университета;

Автореферат разослан V ^ : ^^ 1996г.

Ученый секретарь совета д.т.н.; проф : ' . :

Дурандин К. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Объект исследования диссертационной работы -¡лтитирующие невесомость системы обезвешивания для испытательных cjfwifiOB космической робототехники, развитие которых является необходимой предпосылкой дальнейшего развития этого раздела робототехники.

' Цель работы - разработка принципов и конкретных научно-технических решений прежде всего в сфере управления для создания этих систем обезвешивания на'базе объемного стенда ЦНИИ РТК, ориентированных на средства космической робототехники следующего поколения.

Состояние проблемы и задачи исследования. Проведенный в работе анализ состояния рассматриваемой проблемы показывает, что, насколько можно судить по литературным и другим источникам, объемный стенд ЦНИИ РТК является сегодня одним из лучших по своим функциональным, возможностям специализированным стендом в мире. Неизвестны какие-либо научно-технические проработки и тем более практические реализации более универсальных и более быстродействующ и точных стендов, соответствующих перспективным потребностям космической робототехники.

Вместе с тем существующий стенд ЦНИИ РТК не соответствует быстрорастущим требованиям, предъявляемым перспективным системам космической робототехники.

На основании изложенного задачи, которые должны быть решены в рамках рассматриваемой проблемы заключаются в следующем:

1. Проведение сравнительного анализа известных способов обезвешивания с целью определения наиболее перспективных из них для решения сформулированной выше проблемы.

2. Экспериментальное исследование объемного стенда ЦНИИ РТК с целью определения его предельных возможностей, а также характеристик для разработки математического описания.

3. Разработка математической модели системы активного типа обезвешивания используемой в стенде ЦНИИ РТК и проведение теоретического исследования динамики таких систем, включая синтез алгоритмов их управления.

4. Создание компьютерной модели этих систем обезвешивания и исследование на ней теоретически предельных возможностей систем обезвешивания данного типа.

15. Разработка предложений по развитию систем активного обез-

- < - ;

и

веш-шания с целы» создания на их основе универсального стенда (<ос-мичесхой .робототехники.

-Научная новизна работы заключается в следующем:

!. Предложен критерий качества систем обезвешивния и выведены соответствующие аналитические выражения для него применительно к рассматриваемым тросовым системам активного обезвешивания.

2. Предложена классификация и проведен систематизация и срав- 1 нительный анализ способов обезвешивания и возможностей их комплек- ( сирования.

3. Разработаны математическая ш компьютерная модели тросовых систем активного обезвешивания и методика обеспечения • адекватного | подобия моделей этого типа многомерных электромеханических систем

с позиционно-силовым управлением.

4. С помощью этих моделей исследованы и определены теоретически предельные возможности систем обезвешивания этого типа.

5. Разработаны алгоритмы оптимального двухуровневого управления системы обезвешивания рассматриваемого типа, позволяющие на порядок повысить их точность и расширить функциональные возможности.

Ь. Предложены принципы комплексирования динамических испытательных стендов их компьютерными моделями, создающие принципиальна новые возможности' их применения.

Практическая ценность результатов работы:

1. Показаны возможность й конкретные пути создания на базе существующего объемного стенда ЦНИИ РТК универсального стенда для исследования перспективных систем космической робототехники.

2. Разработана поэтапная последовательность реализации этих предложений, которая позволяет постепенно совершенствовать стенд ЦНИИ РТК без прекращения его эксплуатации.

3. В частности, созданная компьютерная модель системы обезвешивания при ее использовании совместно с этим стендом позволяет на порядок повысить его производительность и достоверность получаемых. результатов,

4. Пркаэкеняе в системе управления существующего стенда предложенный в работе алгоритмов дает возможность выполнять на стенде различные контактные операции, являющиеся наиболее типовыми и важными для систем космической робототехники, и таким образом сущест- , венно расширить функциональные возможности такого типа стендов.

5. Разработанные алгоритмы управления шгут быть применены создания пространственных динамических разгрукателей различного: Назначения.

Реализация результатов работы частично осуществлена на объем-Ййг стенде ЦНИИ РТК и планируется в дальнейшем в ходе его модернизации. Разработанная компьютерная модель системы обезвешивания стенда будет использована в качестве обновы его математического обеспечения.

Апробация работы. Результаты работы по мере ее выполнения обсуждались на трех международных конференциях "Робототехника для экстремальных условий".

Разделы работы, касающийся математического и компьютерного моделирования систем обезвешивания, входят в межвузовскую научно-техническую программу "Робототехника для экстремальный условий" Госкомвуза РФ 1993-1996 гг. и приняты Научно-техническим советом программы. Результаты исследования динамики и синтеза алгоритмов управления докладывались также на 13 научно-техническом семинаре "Многопроцессорные вычислительные системы", Геленджик, 23-28 сентября 1995 года.

Публикации. Результаты работы изложены в 16 трудах, в том числе в 7 печатных.

Личный вклад автора. Все научные результаты работы получены лично автором самостоятельно. Экспериментальное исследование объемного стенда ЦНИИ РТК и отработка компьютерной модели выполнялись группами сотрудников ЦНИИ РТК при участии и в основной части этих работ под руководством автора [4,9,10,11].

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

! V Введение содержит описание направлений и тенденций развития : систем космической робототехники и роль при этом средств наземной

отработки этих систем [1,?, 3).

- '

, I ГЛАВА 1. Анализ существующих систем обезвешивания [3,4,51

На рис. 1 приведена предложенная автором классификация спосо-боа обезвешивания [31. При обезвешивании с помощью управляемого по , силе манипулятора от него к испытываемому объекту прикладывается ¡'си1ла, равная весу объекта. Система управления манипулятора обеспе-

bte.ï - Классифпжлцет Способом сбазжшяоатзсяя

Яйвает слежение его схватои, удерживающим объект, за перемещением Последнего и поддержание при этом постоянства направленной вверх вилы, уравновешивающей вес объекта.

Активный способ обезвешивания с помощь» уравновешивающего двигателя заключается в подвешивании испытываемого объекта на тро-1 сила

натяжения которого поддерживается двигателем равной весу объекта.

Из приведенных на рис. í способов в стендах космической робототехники нашли применение уравновешивание двигателем через тросовый подвес, воздушная подушка и уравновешивание грузом Ш.

Проведенный сравнительный анализ перечисленных способов обезвешивания показывает, что наиболее перспективной является тросозая система активного обезвешивания с двигателями. Однако к она яе позволяет полностью решить проблему создания достаточно универсального динамического стенда для перспективных средств космической робототехники [43. Поэтому в работе обсуждается идея комплек-сирования нескольких способов обезвешивания, которая делает реальным решение проблемы создания стендов испытаний перспективны)! средств космической робототехники [53.

ГЛАВА 2 Разработка математической модели тросовой системы ач-тизного обезвешивания [6,7,8,93

На рис.2 показано устройство этой системы. Она включает мое? 1, перемещающийся перпендикулярно плоскости рисунка, тележку 2. перемещающуюся вдоль моста, и расположенный на ней барабан 3 с тросом 4. к которому прикреплен обезвешиваемый объект 5. Мост тр-леяка и барабан имеют электрические поиводы. Приводы моста к -г-лекки обеспечивает вертикальность троса, отслеживая поромокс-.чио объекта обеэиешивания в горизонтальной плоскости с помочь».- датчиков о уклонения троса от вертикали. Привод барабана поддаожигзаэт величину усилит натяжения троса оавной силе тяжести объекта с помощь« датчика катяяс-мкя ;рсс?..

На оис. 3 призе'/:»:.--« функциональна.» схема систсиь- ¡/правления раса'."т:'.;шгсм^;> счет-;-.-* обеаденквай-я. в которой у«?ен» тс аред-лояеннкс а оаботс н г'-сашм? чижп алгоритм;.. •/гтрай.,ч;:<иг< ь "ЛОТ-ветствии с-этой ски-сч ^лтсиатегчггяоо описав? зтей сист состоит из пя'» --о^чени:' Г6,''].

Рис. 2 Прдавдто. действия ose®«»« об«э»еш®акии сттняя ЦШИ ВТК; 1 - кос« ; Z - ?аяекк£ ; 3 - бярл&ля ; 4 - врос ; 3 - о0е^зжпе.»ккй o6'«ext? - каихоудвяор - ; б - кровивоивс

>foa, Xaa.^oa)

Рис. 3 функциональна« схема сиетеки управления системой обеэвеиивания с обезвешкваеннн сбитом: Пк, Я«, Пб ~ привода» моста, тележки и барабана ; МСм, МСт, МСв - механкчесжая смствмз ; КУкс КУ», КУв - юоеяедопателъкше корректируйте устройства г ДВм, ДВт - датчикк вертки алк ; ИМ - идентификатор масаг ойсзпстидаемояо объекта г у КЗ - устройство корреащиж задают; КЗ, - корректор усодвк*« Гтр по <Хгл и ОСл* ;

Ьшиш «оррмцня: 1 ■ оо Хся, г - СЫ ,ОСт, 3 - по Раса, 4 - na каипвкиа массы Шо

Хв - Аы

Х= » А, (Ц,,).

- Ав (Ц,й). (1)

Хо * (Х08.,?зР,РЯ0),

^^я.^.Цц^ - Ау <с^,сЦ.йР,р).

Здесь первое уравнение ~ уравнение его механическом системы

шета с приводом, далее следу»? уравнения тележки, барабана, обеэ-зеяшаазмого объекта и общесистемного управляющего устройства. Соответственно Аз, А*, А0, ^ - их операторы;

- координаты моста и телеаки соответственно; •ц,-, Й5 - углы отклонения троса от вертикали соответственно в плоскости перемещения «оста и телеаки;

р, - сила натяаения троса .и ее отклонение от заданного значения, которым является величина силы тяжести обезвешиваемого объекта:

Рвс, ~ вектор силового воздействия на обезвешиваемь® объект со стороны объектов внешней среды;

Ц, (ЦиРив.г,Ц,б) - вектор входных управляющих воздействий на

привод«:

Хо, - вектор координат обезвешиваемого объекта в системе координат системы'обезвешивания, и вектор их заданного значения; Ис - аасса обезвешиваемого объекта.

Привода системы обезвешивания существующего объемного стенда ЦНИИ РТН имеют типовую структуру и включает двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, силовой широтно-импульсный преобразователь, обратные связи по току и скорости, редуктор.

Системе (!) соответствует следующая система векторно-матрич-ных уравнений системы обезвешивания:

АХ ♦ Ь(Х,Х) + с(Х) - Ц, - ч

- А,, (Ц,), ! • ■ (2) - ;

Ц, « АуЧ.^^р), '

и обезвешиваешго объекта

- и -

Аоаи& ♦ М^.Х,) ♦ сОС.) - + Ров - Р,

о " ^по (Цао ^ ( и, - ^ (Хоэ). -

I Здесь Мд (Мдм»¥, Мяв)» МЦи,Л*.Ив>. Щ«.Ц«Лв>.

Х0(ХОК,ХОГ»Х0,Р) - зекторы, введенные ранее;

''яри ,0 0

А - 0 ^Яр* 0 - матрица приведенных моментов

0 0 ''прв

инерции приводов;

Ьй (X,¿Х^Х^^Х^) Ьт (X, X0f)

^в ^ТрБ- Хот к вязкого трения на валу

тросе;

• вектор моментов сил сухого й'и составляющих этих моментов в

с '

Св (ХТрЕ,Хотр; Х^, Х^и; , Хот)

вектор моментов силы

натяжения троса,

Обезвешиваеиый объект шлет представлять собой массивное твердое тело, манипулятор или другое средство космической робототехники. В работе приведены уравнения Сз) дпя обезвешиваемого объекта в виде твердого тела и манипулятора типа манипулятора космического корабля "Буран", для которого первоначально бьш создан стенд ЦНИИ РТК [8, 93.

Приведенное математическое описание рассматриваемой системы обезвешивания имает общий порядок 36 и вклвчает 18 нелинейностей и 3 гибких звена»

Глаза 3 Теоретическое исследование тросовой системы активного обезвешивания 113,34.15.163

В задачу теоретического исследования входят;

- определение критериев качества систем обезвешивания, на основе которых может проводится их оценка и синтез систем управления;

- синтез алгоритмов управления системой обезвешивания.

Дадим в начале постановку задачи синтеза. Имеются математические модели рассматриваемой системы обезвешивания и обезвешивае-юго ею объекта в виде системы уравнений (2) к (3) [133:

А(Х)Х" + b(X,X) ♦ С(Х) - AntAyt^.aj.AFjp.UKop)] - Мн/

« U)

ММ^о* UotXo.Xo) + с(Хо) - Аяо1Ау0(Х03)] - Fso.

В правую часть лервого уравнения здесь введена новая переменно Цхор " вектор корректирующих воздействий, которые как и алгоритмы управлений по ним деланы быть определены з результате синтеза.

Задача синтеза включает определение операторов первого уровня управления системой приводов { Ап я второго уровня общесистемного управления ¿Ц, обеспечивающих оптимум определенного критерия качества системы обезвешивания в целом. Операторы А„ и Ау в совокупности определяют искомую систему алгоритмов управления системой обезвешивания. В общем случае они взаимосвязаны, т. е. до/ты определятся совместно. Однако при решении этой задачи возможны следующие декомпозиционные шаги [U3:

1. Синтез операторов Ав системы приводов может быть выполнен . автономно до синтеза оператора Ау общесистемного управления, потому что исходя из самого принципа действия системы обезвешивания, от приводов как исполнительных устройств этой системы требуется правд- всего предельное быстродействие. ■

2. Синтез операторов А„ в свою очередь может быть разбит на синтез операторов управления отдельных приводов моста Апи, тележки

и барабана А„в при условии введения компенсации их взаимовлияний. Последнее, ка-r будет показано далее, способствует повышению качества управления системой обезвешивания и поэтому целесообразно

^же из этих соображений.

3. Оператор Ау общесистемного уровня управления может быть 4>Цбит на следующие независимо синтезируемые алгоритмы:

' - Алгоритм, реализующий основной принцип действия системы сбёзвешивания в виде поддержания вектора силы, приложенной через т|юс к обезвешиваемому объекту, по зеличине равного силе тяжести этого объекта, а по направлению - направленного вертикально вверх,

- Алгоритм парирования основных возмущающих воздействий на систему обезвешивания. Прежде всего это воздействия, приложенные к обезвешиваемому объекту, а именно

- Управляющее воздействие на объект, которое задает его движение, и

- Силовое воздействие на этот объект со стороны объектов внешней среды, возникающие при взаимодействии объекта с этой средой.

Затем - это изменение массы обезвешиваемого объекта и, наконец, упомянутое выше взаимовлияние приводов через общую нагрузку в виде этого объекта. В функциональной схеме на рис, 3 показаны все перечисленные выше каналы управления.

При выборе критерия качества системы обезвешивания необходимо в соответствии с ее назначением исходить из точности компенсации силы тяжести обезвешиваемого объекта и возможных возмущающих воздействий на объект, создаваемых системой обезвешивания [153,

• Абсолютная погрешность системы обезвешивания может быть определена величиной

№ ' ^р- f0 . <6)

где, FTp - вектор силы натяжения троса, направленной вдоль последнего, и действующей на обезвешиваемый объект;

F„ - вектор силы тяжести обезвешиваемого объекта.

Если разложить вектор FTp на вертикальную FTpB и горизонтально FTpr составляющие, эту погрешность соответственно можно представить двумя составляющими: 1 вертикальной

I " Ftp» <в> - F0 * FTpCos8 - F0 (7) ,

и горизонтальной | AFr * FTpr (6! - Ftpswe (8)

г - или о относительных единицах

¿р Р

А--юога - —(со50 - 1)1.00КЗ (Й

Ро Ро

др. р.п

и Д, . 1001Х] - (—£1пв) 100Е36] , (30)

п Ро

где 8 угол отклонения троса от вертикали. Последнюю составляющую погрешности в свою очередь целесообразно разделить на две составляющие по направлениям движения моста и тележки,

Р.

р

?0

sin cg, (И)

F

- sin d,. (12)

Здесь и u, - углы отклонения троса от вертикали соответственно в плоскости моста и тележки.

Приведенные погрешности обеэвешивания представляют собой возмущающие силы, которые,действуют на обезвешиваемый объект со стороны системы обеэвешивания. В работе показано, что для того, чтобы эти силы несущественно нагружали приводы управляемых обезвешивае-мых объектов, допускаемая абсолютная погрешность обеэвешивания в среднем должна иметь порядок 10 Н. Зто соответствует предельно допустимому углу отклонения троса от вертикали порядка нескольких угловых минут при длине троса 20-т25 метров [151. На основании описанной выше процедуры декомпозиции, рассматриваемой двухуровневой системы управления и предложенного критерия качества системы обеэвешивания выполнен последовательный синтез перечисленных выше и представленных на схеме на рис. 1 алгоритмов управления С161. Они включают; . .

- позиционное ПНИ управление приводами моста, тележки и барабана с релейной приставкой, обеспечивающей оптимальное по быстродействию парирование значительных по величине возмущений и с компенсацией моментов сухого трения и зон нечувствительности;

- последовательная .коррекция этих приводов моста по управляющему воздействию на обезвешиваемый объект Ц,- кк{У^9):

сглаживающая коррекция этого управляющего воздействия;, , ; .

- компенсаций влияния на систему обеэвешивания вертикальной

составляющей внешних сил Гвов, действующих, на обезвешиваемый объект со стороны объектов окружающей среды;

- коррекция уставки силы натяжения троса Р1р по изменению массы обезвешиваемого объекта Шо ;

- коррекция этой уставки по отклонении троса от вертикали.

Проиллюстрируем процедуру такого синтеза на синтезе алгоритма

управления по управляющему воздействию на обезвешиваемый объект. Для этого представим уравнения (2) и (3), описывающие систему обезвешивания и обезвешиваемый управляемый обезвешиваемый объект, в виде: ' .

А(Х)Х' + Ь(Х,Х) + С(Х) - Мд,

Ц'-МЦД. •}

ИМ^.Х,,) С«,) - М,0, ч

Иол ' ^„«и). 1 ' (И)

Ц,„ - Ауо(Хо8). >

Здесь Ав, Апо - операторы системы приводов системы обезвешивания и обезвешиваемого объекта, Ау0 - оператор управляющего устройства обезвешиваемого объекта. А* - искомый оператор корректирующего устройства.

Подставим в (3) Х - Хо, выразив Хо из (4): X ■ (ХоНАдоСАуо(Х011)3-Ь0(Х„, ХцЗ-с,,(Хо)). В результате получаем: М, - Ая(Цп) » А(Х)А0-1(Х0){АпоСАуо(Х03)Т-Ь0 (Х0.Х0)-с0(Х0)1. (5)

Это выражение определяет алгоритм последовательной коррекции управления системой обезвешивания по Х^.

ГЛАВА 4 Компьютерное исследование тросовой системы активного обезвешивглия [10,11.123.

В начале главы на основе сравнительного анализа различных методов численного интегрирования выбирается метод Рунге-Кутты-Мер-сона с автоматическим выбором шага интегрирования [103. Затем описываются разработанные на его основе две модели рассматриваемой системы обезвешивания на компьютере типа IBM PC.

Перзая модель предназначена главным образом,для проведения достаточной точности численных расчетов при фиксированных параметрах системы [113, а вторая для исследования влияния вариаций этих параметров и самой структуры системы [123.

На этих моделях были проведены исследования системы обезвешивания существующего объемного стенда ЦНИИ РТК, а затем предложенные в работе алгоритмы управления системами обезвешивания этого типа СИЗ. В задачу первого этапа исследования входило, во первых, подтверждение правильности математического описания исследуемой системы путем доказательства адекватности созданной компьютерной ¡додели реальной системе обезвешивания, а, во вторых, исследование технических характеристик этой системы,- как исходной для последующего компьютерного исследования намеченных выше путей развития систем обезвешивания этого типа.

Первая задача резалась в такой последовательности. Прежде всего описанная выше компьютерная модель была отработана при численных значениях ее параметров, соответствующих реальной системе обезвешивания. При этом для параметров, которые не поддаются расчету ила экспериментальному определению на стенде с требуемой точностью, были расчотно или экспериментально оценены диапазоны (пределы) их возможные значений и в модель введены их средне значения. К таким параметром относятся вязкое и сухое трение в движущихся частях механической системы и двигателей, а так же постоянные времени, коэффициенты передачи и нелинейности некоторых промежуточных звеньев цепей управления, включая корректирующие звенья.

На этапе окончательной настройки модели на соответствие реальному стенду последняя осуществлялось именно уточнением значений этих параметров так, чтобы добиться совпадения воспроизводимых на модели статических и динамических характеристик с характеристиками, снятыми на стенде.

Исследование на компьютерной модели предложенных алгоритмов

управления проводились в той же последовательности, что и описанная настройка модели на адекватность стенду ЦНИИ РТК, начиная с алгоритмов управления отдельными приводами с последующим переходом к общесистемным алгоритмам, В качестве примера на рис. 4 и 5 приведены графики процессов управления, показывающие эффективность корректирующих воздействий по управляющему воздействии на обезвеиива-емый объект и по приложенной к нему внешней силе,

В целом проведенное исследование подтвердило эффективность предложенных принципов и алгоритмов управления., которые позволяют более чем на порядок повысить точность обезвешивания и делают возможным- исследовать на стенде операций типа контактных [32.1.

В заключении главы четвертой сформулированы предложения по развитию тросовых систем обезвешивания, охватывающие систему управления, электромеханическую систему и предложение по комплекс«-рованию стенда компьютерной моделью,

Основные функции такой модели при этом заключаются в следующем:

1. Отработка программы натурных исследований и ¡методики этик исследований.

2. Замена части натурных исследований компьютерном экспериментом.

3. Сопровождение натурных испытаний компьютерным тделировашем э реальном масштабе времени с целью контроля правильнойи функционирования стенда и точности получаемых результатов с возможностью подстройки системы управления системы обеззешивз.ии.я, э также повторения сомнительных из них.

4. Контроль (оценка ) технического состояния стенда, диагностика неисправностей и сопровождение ремонтных и наладочных работ.

5. Обучение и тренировка операторов для управления испмтызае-мыми объектами.

Проведенное исследование, подтверждает возможность создания на базе существующего объемного стенда ЦНИИ РТК универсального стенда для исследований перспективных систем космической робототехники, отработки полетных программ для них, тренировки космонавтов - операторов и наземного сопровождения этих систем при их /шнэд испытаниях.

Рмс. 4 Переходные процессы а приводах моста и тележки при движении обезвешиваемого объекта с постоянной скоростью 0,01 м/с без корректирующего воздействия по скорости (а) и с корректирующим действием (б): 1-Хом, 2-Хм, З-Ргм, 4-Хот, 5-Хт,6-Ргг, Наибольшие значения переменных: а) Хои=0.15м, Хм=0.95м, Ргм=11.6Н, Хот=0.15м, Хт=0.13м, Ргг»5.8Н. б) Хои=0.15м. Хм»0.146м, Рпи=1.0Н, Хот=0.15м. Хт=0.151м. Ргт=1.5Н.

o.o ?e.ó т. гч.ч

— S -

к - 1

» afiÜtóSa

iífeJL« pz

н «

i 2 -

ъх> ао.о «о ао.е

Рис. 5 Переходные процессы в приводе барабана при воэдайствим

внешней силы в 25 Н без корректирующего воздействия по атой силе на устввку усилия натяжения троса (а) и при наличии такого воздействия (б): 1-Fe, 2-Хотр, З-Хтрб, 4-Ртрв, 5-идб, £-Хтрб;

а) Fb=25H, Хотр»0.008м, Хтрб=0.008м, идб=37В, *тр5=О.СЮОЗм/«;

б) Fe=25H, Хотр=0.009м, Хтр&=0.001 м, идб=26В, Хтрб=0.0006м/с.

Глава 5 Экспериментальное исследование тросовой системы активного обозвешивания [12,14,16!.

Основные цели этого исследования:

- структурная и параметрическая идентификация системы обезве-шизачия;

- экспериментальное исследование качества обезвешивания и предельных возможностей стенда;

- проверка сделанных предложений по совершенствованию этого стенда. - .

При выполнении этих исследований была применена компьютерная система централизованной регистрации и обработки данных на базе персонального компьютера [12 ]. В программные средства этой системы входят:

- программа регистрации первичных данных, включая опрос датчиков и запоминание полученных данных;

- программа усреднения (в среднем за 10 с) первичных результатов измерений с целью освобождения от флуктуаций сигналов датчиков и иумоз;

- преобразователи аналоговых данных в цифровую ферму.

Основными проблемами при решении задачи структурной идентификации было выявление звеньев с существенными нелинейностями типа зон нечувствительности, люфтов, насыщения, сухого трения и с различными нстиповыми функциональными зависимостями, а также звеньев с упругими деформациями [121. ' ^

Параметрическая идентификация потребовала выполнения объемной работы по определению численных значений около 250 механических и электрических параметров звеньев системы [14].

-В ходе эксперимента были определены значения возмущающих воздействий со стороны системы обозвешивания на обезвешиваемые объекты, которые составляют до 30 Н, и предельные скорости движения этих объектов, допускаемые стендом, которые равны 0,35-0,5 м/с 116).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы следующие:

1. Проведенная систематизация и сравнительный анализ известных способов обезвешивания показали целесообразность комбинированного применения этих способов и перспективность тросовых систем

активного обезвешивания для создания универсальных динамических стендов космической робототехники.

2. На основе экспериментальных исследований объемного стенда ЦНИИ РТК разработана математическая и компьютерная модели тросовых систем активного обезвешивания, ■ которые представляют собой многомерные, существенно нелинейные и гибкие системы высокого порядка. Отработана методика обеспечения их адекватности реальным системам.

3. С помощью этих моделей и предложенных критериев качества систем обезвешивания выполнено исследование динамики тросовых системы активного обезвешивания, определены их предельные возможности и пути совершенствования.

i. Проведен синтез, отработка на компьютерной модели и экспериментальная проверка на стенде предложенных алгоритмов двухуровневого управления рассматриваемой системы обезвешивания. Их применение на порядок повышает статическую и динамическую точности системы обезвешивания и впервые создает возможность реализовать на стенде контактные операции, являющиеся важнейшими для систем космической робототехники, без ограничения их длительности.

5. Предложены принципы комплексирования динамического стенда и созданной компьютерной модели, Что существенно расширяет возможности стенда в отношении исследуемых технологических операции и диапазонов варьирования ик параметров, повышает точность, достоверность результатов и производительность стенда.

6. По результатам выполненной работы сформулированы предложения по развитие объемного стенда ЦНИИ РТК, включающие систему управления, . электромеханическую и механическую системы и позволяющие создать на базе этого, специализированного стенда, первоначально предназначенного для манипуляторов космического корабля "Буран",

. универсального стенда для исследований средств космической робототехники следующего поколения.

7. Следующие результаты работы могут представить интерес помимо рассматриваемой проблемы;

г методы компьютерного моделирования и исследования многомерных электромеханических систем с ггозиционно-силовым управлением;

- предложенные способы и алгоритмы повышения точности и быстродействия аналогичного типа тросовых подъемно-транспортных машин:

- разработанные алгоритмы управления для (»здания пространственных динамических разгружателей, первыми представителями, кото-

рык являются рассмотренные системы обеэвешивания;

- принципы комгшексирования натурных и компьютерных исследований технических систем аналогичного типа.

ОСНОВНЫЕ ТРУДЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. ВяххиИ. 3., Игнатова Е. И., Прядко А.И., Юревич £.И. Разработка и' испытание транспортных систем (перемещение полезных грузов н космонавтов) для обслуживания долговременных орбитальных станций. // отчет о НИР, ЦНИИ РТК. СПб. 1994.

2. Игнатова Е, И., Юревич Е. И., и др. Исследование к создание интеллектуальных роботов с техническим зрением. // отчет о НИР, ЦНИИ РТК, СПб. 1994.

3. Игнатова Е. И. Системы обеэвешивания в задаче имитации невесомости, при испытаниях средств космической робототехники.// В сб.: Вычислительные, измерительные и управляющие системы. СПб.: Труды СПбГТУ N 449, 1994.

4. Игнатова Е. И., Юревич Е.И. Анализ систем обезвоживания для имитации эффекта невесомости. //Научно-исследовательский отчет ЦНИИ РТК. СПб. 1994.

5. Игнатова Е. И. Перспективы развития систем сбезвешивания как основы динамических стендов для наземных испытаний космической робототехники. //Труды Международной научно-технической конференции "Робототехника для экстремальных условий", СПб. 1995.

6. Игнатова Е.И. Математическая модель системы обеэвешивания (К проблеме обеэвешивания средств космической робототехники при испытании в земных условиях).// Труды Международной научно-технической конференции "Роботы и АСУТП". СПб. 5994.

?. Игнатова Е.И., Макарычев В.П., Юревич Е.И. Особенности математического моделирования манипуляторов. // Труды СПбГТУ N__

1995.

8. Игнатова Е.И., Ростов Н, В., Юревич Е.И. Разработка и исследование математической модели гибкого манипулятор и алгоритмов его /правления. // отчет о НИР. СПбГТУ. СПб .1994

9. Игнатова Е. И., Юревич Е.И. Разработка матемлтшсасих моделей систем обеэвешивания стендов космической'- робототс.чнмчь //Отчет о НИР, СПбГТУ. СПб. 1995. '

50. Юдин В. И., Вяххи И.З.. Леонтьев В. А.. '."«м»;.:«?* Б. И.. Прядко А.И и др.. Создание методов и программных ср расчетов

и моделирования манипуляционных систем. // „Отчет о НИР, ЦНИИ РТК. 1995.

11. Игнатова Е. И., Ростов Н. В. Методика компьютерного исследования динамики существенно гибких многомерных электромеханических систем. //Труды Международной научно-технической конференции "Робототехника для экстремальных условий". СПб. 1995.

12. Макарычев В.П., Васильев И.Д.» Ростов Н.В., Игнатова Е. И., Шепелева А.В., Индиенко Н.Г., Подминогин А.Д. Макетирование системы управления универсального динамического стенда. // Отчет о НИР, ЦНИИ РТК. 1995.

13. Игнатова Е. И. Теория пространственных динамических разг-ружателей для испытательных стендов. // Научно-исследовательский отчет. ЦНИИ РТК. 1995.

14. Игнатова Е.И., Н.В.Ростов. Юревич Е.И. Синтез и исследования алгоритмов управления тросовой системой активного обеэвеаи-вания объемного стенда космической робототехники.// Отчет о НИР, ЦНИИ РТК. 1996. _

15. Игнатова Е.И. Критерии оценки качества пространственны?? динамических раэгружателей стендов космической робототехники. //Труда Международной научно-технической конференции Экстремальная робототехника". СПб. 1996.,

16. Игнатова Е.И. Алгоритмы управления динамических стендов для наземных испытаний космической робототехники. /Яруда Международной научно-технической конференции "Экстремальная робототехника" СПб. 1996.