автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Создание и исследование электромеханических систем регулирования усилий стендов имитации невесомости

ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)

На правах рукописи

КРАВЧЕНКО Олег Александрович

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ УСИЛИЙ СТЕНДОВ ИМИТАЦИИ НЕВЕСОМОСТИ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук,

профессор [Никитенко А.Г.

кандидат технических наук, доцент Пятибратов Г.Я.

НОВОЧЕРКАССК 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................... 4

1. ВОЗМОЖНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

ИМИТАЦИИ НЕВЕСОМОСТИ В ЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ................ 10

1.1. Подходы и способы имитации невесомости в земных условиях.......... 10

1.2. Электромеханические системы компенсации силы тяжести............. 17

1.3. Обзор существующих подходов к построению систем регулирования усилий в механических передачах электроприводов................... 21

1.4. Силоизмерительные устройства в системах регулирования усилий....... 31

1.5. Постановка задачи исследований................................... 38

2. ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ И ИССЛЕДОВАНИЮ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ОБЕЗВЕШИВАНИЯ......................41

2.1. Определение показателей имитации невесомости

при реализации силокомпенсирующих систем........................ 41

2.2. Определение рациональной силовой части электропривода

системы вертикального перемещения................................45

2.3. Особенности построения и математического описания

систем регулирования усилия при компенсации силы тяжести.......... 50

2.4. Создание и исследование физической модели системы

вертикального перемещения....................................... 59

2.5. Определение параметров обобщенной математической модели

системы вертикального перемещения............................... 73

Выводы........................................................ 77

3. СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ УСИЛИЯМИ

В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ КОМПЕНСАЦИИ

СИЛЫ ТЯЖЕСТИ................................................... 79

3.1. Определение подходов и выбор метода синтеза исследуемой системы .... 79

3.2. Постановка и решение задачи синтеза оптимального управления усилиями в электромеханических системах компенсации силы тяжести ... 83

3.3. Синтез оптимального канала управления усилиями в упругих

передачах электромеханических систем..............................93

3.4. Математическое моделирование процессов регулирования усилий

в системах компенсации силы тяжести.............................. 104

3.5. Исследование возможности компенсации сил трения в системах

вертикального перемещения тренажерного стенда.................... 113

Выводы........................................................ 125

4. РЕАЛИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ УСТРОЙСТВА ОБЕЗВЕШИВАНИЯ СКАФАНДРОВ..... 127

4.1. Конструктивное исполнение и функционирование устройства обезвешивания скафандров........................................127

4.2. Выбор элементов системы вертикального перемещения

и определение параметров её математической модели................. 129

4.3. Реализация канала оптимального регулирования усилия

в системе вертикального перемещения.............................. 137

4.4. Построение и реализация электропривода системы

вертикального перемещения....................................... 140

4.5. Статические показатели функционирования системы

вертикального перемещения....................................... 143

4.6. Экспериментальное исследование динамических процессов

в системе вертикального перемещения.............................. 149

Выводы........................................................ 153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 155

ЛИТЕРАТУРА...................................................... 158

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................... 165

ВВЕДЕНИЕ

Наземная отработка динамики космических манипуляторов, кинетики процессов стыковки, раскрытия и сборки крупногабаритных космических конструкций (КГКК), предназначенных для работы в условиях частичной или полной невесомости, обучение космонавтов выполнению работ на космических станциях становятся всё более ответственным, трудоёмким и дорогостоящим этапом создания космической техники.

Опыт пилотируемой космонавтики показывает, что наиболее эффективным средством подготовки космонавтов к полётам на пилотируемых космических аппаратах являются тренажеры [1, с. 184-185]. Данное обстоятельство ставит вопросы их развития в число актуальных проблем, особенно в настоящее время, когда происходит переход к использованию для освоения космического пространства многосегментных орбитальных пилотируемых станций нового поколения. Такой станцией является создаваемая к 2002 году на основе национальных программ России, США и других стран международная космическая станция (МКС) "Альфа".

Повышение надежности космической техники определяет необходимость проверки её работоспособности в земных условиях [2]. Для этой цели необходимо создавать специальные стенды, которые позволяли бы воспроизводить динамику манипуляторов и КГКК с параметрами, близкими к работе в условиях невесомости [3].

Сложный процесс создания и развертывания МКС требует внесения корректив в существующие процессы подготовки космонавтов. Так, при сборке МКС необходимо будет осуществить большое количество работ на внешней поверхности станции - в открытом космосе - на удаление от нее, выполняемых непосредственно с участием космонавтов. Поэтому обучение космонавтов элементам внекорабельной деятельности (ВКД) в земных условиях с применением штатного технологического оборудования и скафандров при моделировании различных нештатных ситуаций является важной и актуальной задачей [1, с. 89-91].

Высокие требования к космической технике, необходимость повышения её управляемости при усложнении решаемых задач обуславливают необходимость разработки новой концепции её испытаний и совершенствования тренажерной базы подготовки космонавтов, способной обеспечить получение устойчивых навыков при ком-

плексной наземной отработке различных операций ВКД. Все это предопределяет необходимость освоения новых подходов к имитации невесомости в земных условиях.

В зависимости от целей и задач тренировок требуется воспроизведение полной или частичной невесомости объектов, когда параметры движения, влияния внешней среды, психофизиологические и другие факторы соответствуют реальным, или реализация безопорного пространства, когда испытуемый объект имеет возможность перемещаться в любую точку рабочего пространства под действием незначительных усилий [4].

Рассмотрение различных подходов, методов и способов имитации невесомости показывает [1, 3, 4], что решение изложенных выше задач целесообразно осуществлять с применением метода обезвешивания, который можно реализовать с использованием активных силокомпенсирующих способов, разделяя сложные пространственные перемещения объекта на составляющие в плоскостях - горизонтальной и вертикальной, вращения и качания объекта относительно его центра масс - и компенсации влияния гравитационных и других сил, препятствующих движению по всем степеням свободы.

Созданный в конце 90-х годов в Российском государственном научно-исследовательском испытательном центре подготовки космонавтов (РГНИИЦПК) им. Ю.А.Гагарина с использованием пассивных способов обезвешивания тренажер "Выход" не удовлетворяет на сегодняшний день уровню тренировок по современным пилотируемым программам полетов, так как позволяет осуществлять перемещение только по трем координатам и с большой ошибкой воспроизводит динамику поведения объекта в условиях невесомости. Для улучшения технических характеристик и расширения функциональных возможностей подобных тренажеров предлагается использовать активные силокомпенсирующие системы, реализованные с помощью электроприводов и системы регулирования усилия. Наиболее сложные задачи здесь необходимо решать при создании системы вертикального перемещения (СВП) обезвешиваемого объекта, которая должна осуществлять компенсацию сил тяжести, трения и устранять влияние дополнительно присоединенных масс механики стенда. Создание эффективных электромеханических систем (ЭМС) регулирования усилия для СВП перспективных тренажеров является важной, актуальной задачей, требующей теоретических и экспери-

ментальных исследований. Для создания таких стендов имитации невесомости требуется решить следующие задачи:

- обосновать основные показатели качества имитации невесомости при использовании метода обезвешивания и определить их взаимосвязь с параметрами активной силокомпенсирующей ЭМС регулирования усилия;

- выбрать и обосновать рациональную кинематическую схему и силовую часть электропривода СВП, которые обеспечивали бы требуемые показатели качества имитации невесомости;

- реализовать информационное обеспечение электропривода и рабочей зоны стенда, необходимое для достижения требуемых функциональных возможностей СВП;

- определить рациональную структуру ЭМС регулирования усилия в подвеске обезвешиваемого объекта;

- составить математическую модель СВП и определить её параметры;

- синтезировать регулятор усилия, обеспечивающий требуемые качественные показатели работы СВП;

- выполнить исследования СВП в статических и динамических режимах работы;

- предложить рекомендации и методы практической настройки ЭМС регулирования усилия;

- проработать вопросы безопасного функционирования СВП в составе тренажерного комплекса;

- разработать функциональные и принципиальные схемы системы управления

СВП;

- реализовать СВП и выполнить экспериментальные исследования в различных режимах работы.

В результате проделанной работы получена следующая научная новизна:

- на основе анализа существующих способов имитации невесомости в земных условиях определена область рационального применения для этих целей активных си-локомпенсирующих систем;

- определены показатели качества имитации невесомости и установлена их взаимосвязь с параметрами активной силокомпенсирующей системы, реализованной с

помощью ЭМС регулирования усилия;

- предложена рациональная структура системы регулирования усилия в упругих элементах ЭМС, отличающаяся от существующих наличием канала компенсации противоЭДС двигателя и применением в ней нелинейного управления, осуществляющего компенсацию влияния трения в механике СВП;

- показана целесообразность представления обобщенной математической модели СВП в виде двухмассовой электромеханической системы с учетом трения на первой массе, реализацией системы управления с каналом компенсации противоЭДС, контурами регулирования тока двигателя и усилия в механической передаче;

- впервые решена задача оптимального синтеза регулятора усилия в ЭМС с упругими связями (УС), предназначенной для компенсации силы тяжести с учетом наиболее неблагоприятных возмущений и ограничений, накладываемых на мощность управляющего воздействия при достижении требуемых качественных показателей функционирования СВП;

- определены условия и области целесообразного применения в СВП упрощенного регулятора усилия, синтезированного с использованием методов оптимального управления.

Практическая ценность выполненных исследований заключается в следующем:

- предложены рекомендации по выбору рациональных кинематических схем и элементов силовой части электропривода;

- создана физическая модель системы компенсации силы тяжести, которая позволяет экспериментально исследовать возможности различных технических решений;

- предложены рекомендации по выбору датчика усилия, встройке его в силоиз-мерительную цепь и сопряжению с системой управления;

- предложены способы экспериментального определения параметров двухмассовой электромеханической модели, разработаны методы настройки канала компенсации противоЭДС и нелинейного управления в системе регулирования усилия;

- разработаны технические предложения и схемные решения, повышающие безопасность функционирования СВП тренажеров по обучению космонавтов.

Таким образом к защите представляются следующие основные положения:

- методика оценки количественных показателей имитации невесомости в зависимости от параметров неизменяемой части СВП и точности ЭМС регулирования усилия;

- структура системы регулирования усилия, обеспечивающая требуемую точность компенсации силы тяжести;

- рекомендации по определению структуры и параметров оптимального регулятора усилия при использовании многофакторного подхода и практической реализуемости при изменении параметров объекта управления при работе СВП;

- условия применения упрощенного регулятора усилия, полученного методами оптимального управления;

- методы и способы практической идентификации параметров механизма СВП и настройки ЭМС регулирования усилия при компенсации силы тяжести.

Данные исследования проводились в соответствии с государственным контрактом № 041-8543/97 от 10.04.97 между Российским космическим агентством и РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина. В результате хоздоговорных работ между центром тренажёростроения (Москва) и Новочеркасским государственным техническим университетом (НГТУ) (г. Новочеркасск) по Госконтракту № 041-8543-9.1-52-236.96 были получены следующие результаты:

- разработана и реализована штатная СВП в составе полномасштабного макета устройства обезвешивания скафандров "Орлан-МТ" тренажёра "Выход";

- проведены полномасштабные испытания устройства обезвешивания скафандров "Орлан-МТ" тренажёра "Выход", которые позволили сделать заключение о правильности принятых технических решений (техническое решение № ЦТ-25.03.97/9.1);

- разработана и передана заказчику конструкторская документация на СВП устройства обезвешивания скафандров "Орлан-МТ" тренажёра "Выход".

В НГТУ на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов" (ЭАПУиТК) создан лабораторный стенд по физическому моделированию и исследованию электромеханических систем регулирования усилий в упругих передачах. На основании разработанных методик по исследованию и идентификации параметров поставлены и внедрены в учебный процесс лабораторные

работы "Идентификация параметров электромеханической системы с упругими связями" и "Физическое моделирование системы регулирования усилий в упругих механических передачах" по дисциплине "Моделирование электромеханических систем" для студентов специальности 1804. Для выполнения этих лабораторных работ написаны и опубликованы методические указания [5]. Кроме этого, результаты работы использовались на кафедре ЭАПУиТК НГТУ при выполнении студентами учебно-исследовательских работ и дипломных проектов.

Основные положения работы доложены и обсуждены на II международной конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава" (4-6 июня 1997 г., ВЭлНИИ, г. Новочеркасск), III международной научно-практической конференции "Пилотируемые полёты в космос" (11-12 ноября 1997 г., РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина, Звёздный городок), IV Российской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (8-9 октября 1998 г., ТРТУ, г. Таганрог), Российском научно-практическом семинаре "Технические средства и технологии для построения тренажёров" (3-4 апреля 1996 г., РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина, Звёздный городок), XIX сессии Российского семинара "Кибернетика электрических систем" (8-9 октября 1997 г., НГТУ, г. Новочеркасск), научно-технических конференциях НГТУ, кафедр ЭАПУиТК и электрических, электронных и микропроцессорных аппаратов 1995-1999 г.г., объединенном заседании кафедр электроснабжения промышленных предприятий и теоретической электротехники КубГТУ (г. Краснодар).

1. ВОЗМОЖНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИМИТАЦИИ НЕВЕСОМОСТИ В ЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

1.1. Подходы и способы имитации невесомости в земных условиях

В настоящее время обучение космонавтов работе на орбитальных станциях и в открытом космосе с использованием различных систем и приборов, отработку образцов космической^техники, функционирующей в условиях невесомости, выполняют на Земле с использованием различных подходов. Для выявления их достоинств и недостатков, возможных областей применения рассмотрим методы и способы реализации процесса имитации невесомости в земных условиях.

Развитие вычислительной техники - ЦЭВМ, графических станций и средств мультимедиа - позволяет создавать элементы виртуальной реальности (такие как стереоизображение, стереозвук, обратная тактильная связь и др.), моделировать динамику сложных КГКК и манипуляторов. Это предопределяет одно из направлений развития перспективных тренажеров и комплексов, предназначенных для подготовки операторов по управлению сложными динамическими объектами. Особую актуальность данная проблема при�