Введение к работе
Актуальность. Наземная отработка динамики космических манипуляторов, кинетики процессов стыковки, раскрытия и сборки крупногабаритных космических конструкций, предназначенных для работы в условиях невесомости, обучение космонавтов выполнению работ на космических станциях становится всё более ответственным, трудоёмким и дорогостоящим этапом создания и освоения космической техники. Особенно ответственными с точки зрения обеспечения безопасности являются задачи обучения космонавтов. Используемые в настоящее время средства имитации невесомости на Земле, такие как самолёт-лаборатория и бассейн нейтральной плавучести, не позволяют в полной мере решать задачи обучения космонавтов в штатных скафандрах. Существующие на данный момент тренажеры с электромеханическими системами компенсации силы тяжести (СКСТ), выполненные на базе электроприводов (ЭП) постоянного тока, требуют улучшения технических параметров и расширения функциональных возможностей. Для решения перспективных задач подготовки космонавтов необходимы тренажеры с более высокими качественными характеристиками и интеллектуальными возможностями, которые могут быть обеспечены с применением микропроцессорного ЭП переменного тока. Дальнейшее повышение эффективности работы тренажеров с электромеханическими системами компенсации силы тяжести являются важной и актуальной задачей. Тема диссертационной работы соответствует научному направлению ЮРГТУ (НПИ) «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы, комплексы».
Объектом исследования являются электромеханические системы (ЭМС) с повышенными колебательными свойствами, способные обеспечить качественное управление усилиями в упругих механических передачах.
Предметом исследования является система регулирования усилия, осуществляющая имитацию в земных условиях движения объекта в невесомости путем компенсации силы тяжести обезвешиваемого объекта и других сил сопротивления его движению.
Цель диссертационной работы: создание электромеханической системы регулирования усилий с использованием асинхронного частотно-регулируемого электропривода, обеспечивающей повышение качества, надежности и безопасности функционирования тренажерных комплексов, осуществляющих на Земле подготовку космонавтов к работе в невесомости.
Задачи диссертационной работы:
обосновать выбор электропривода СКСТ, который обеспечит требуемые показатели качества имитации невесомости в земных условиях;
разработать обобщенную математическую модель, адекватно описывающую силовые взаимодействия в СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП с учетом реальных свойств механических передач (упругости связей, зазоров, сил трения и т.д.);
обосновать рациональную структуру ЭМС регулирования усилия при использовании современного асинхронного ЭП;
выполнить синтез управляющего устройства, обеспечивающего требуемые статические и динамические показатели работы СКСТ с асинхронным ЭП;
выполнить моделирование синтезированной СКСТ при изменении ее параметров;
реализовать СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, выполнить ее экспериментальное исследование, определить достигнутые показатели качества имитации невесомости и пути дальнейшего совершенствования СКСТ;
разработать технические решения и рекомендации по созданию СКСТ тренажера «Выход» на базе ЭП переменного тока.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы операционное и вариационное исчисления, методы активной идентификации, физического и математического моделирования в частотной и временной областях с применением ПЭВМ, теория синтеза дискретно-непрерывных систем управления, теория оптимального управления.
Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, корректным применением методов теории автоматического управления, адекватностью используемых при исследованиях математических моделей и экспериментальным подтверждением основных полученных результатов.
Научная новизна диссертационной работы:
впервые научно обоснована целесообразность использования для построения СКСТ перспективных тренажерных комплексов по подготовки космонавтов асинхронного частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением;
разработана математическая модель СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, отличающаяся тем, что позволяет адекватно описывать электромагнитные и упругие силовые взаимодействия в ЭМС при учете сил трения и кинематических погрешностей механических передач;
обоснована рациональная структура СКСТ с контуром регулирования усилия, отличающаяся наличием дополнительных каналов адаптации системы регулирования усилия к весу обезвешиваемого объекта, компенсации сил сухого и вязкого трения, ограничения на заданном уровне скорости и положение объекта при его перемещениях в рабочем пространстве тренажера;
предложена методика синтеза оптимального регулятора усилия СКСТ, отличающаяся возможностью ее применения к дискретно-непрерывной системе управления асинхронным ЭП при учете реальных свойств механических передач;
впервые обоснована минимально необходимая дискретность цифрового контура регулирования усилия, обеспечивающая требуемые статические и динамические свойства СКСТ.
Практическая ценность диссертационной работы:
- реализована компьютерная модель СКСТ с асинхронным частотно-
регулируемым ЭП, которая позволяет исследовать ее работу в различных ре
жимах с учетом свойств механических передач (упругих связей, сил трения,
зазоров, кинематических погрешностей) и реальном изменении параметров
ЭМС;
предложены рекомендации по определению структуры и аналитические выражения для расчета параметров оптимального регулятора усилия в СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП;
получено аналитическое выражение, позволяющее определить требуемое быстродействие и период квантования микропроцессорной системы управления ЭП, при которых обеспечивается требуемое качество переходных процессов в СКСТ с упругими механическими передачами;
получено аналитическое выражение, позволяющее с учетом требуемых свойств замкнутой СКСТ определить минимально необходимую дискретность по уровню цифрового контура регулирования усилия;
предложены рекомендации по практической настройке регулятора усилия, позволяющие реализовать качественное управление усилием в условиях изменяющихся параметров электромеханической части СКСТ;
разработана структура СКСТ, обеспечивающая автоматическую настройку системы регулирования усилия на вес обезвешиваемого объекта, эффективную компенсацию сил сухого и вязкого трения, ограничение скорости и положения объекта при его перемещениях на заданном уровне.
К защите представляются следующие основные положения:
обобщенная математическая модель СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, адекватно описывающая электромагнитные и упругие силовые взаимодействия в ЭМС с учетом реальных свойств механических передач;
структура СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, обеспечивающая требуемые показатели качества имитации невесомости;
методика и результаты синтеза оптимального регулятора усилия для дискретно-непрерывной СКСТ с асинхронным ЭП;
рекомендации по определению областей рационального применения предлагаемой методики синтеза регулятора усилия в дискретно-непрерывной СКСТ;
результаты теоретического и экспериментального сопоставления возможностей СКСТ с ЭП постоянного и переменного тока;
Использование результатов диссертационной работы. Исследования выполнены в соответствии с государственным контрактом №041-8543/97 от 10.04.97 между Российским космическим агентством и РГНИИЦПК им. Ю. А.Гагарина. Разработаны и переданы в Донской филиал центра тренажеростроения (г. Новочеркасск) предложения по модернизации системы вертикального перемещения существующего тренажера «Выход-2» (Звездный городок, Московская обл.). Результаты исследований и рекомендации использованы при разработке проекта и создании комплекса имитации деятельности космонавта в открытом космосе, вьтолняемого по заданию Мемориального музея космонавтики (г. Москва). Результаты теоретических и экспериментальных исследований частично были использованы при разработке проекта и наладке ЭП намоточного станка РПН380. Результаты диссертационной работы используются в ЮРГТУ (НПИ) при обучении студентов специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на III (30 мая - 10 июня 2003 г.) Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы управления ими» (г. Новочеркасск), V (13-14 октября 2004 г) научно-техническом семинаре «Технические средства и технология для построения тренажёров» (г. Москва), 13-ой (14-18 марта 2005 г.) Международной научно-технической конференции «ЭППТ-05» (г. Екатеринбург), V (18-21 сентября 2007 г.) Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007» (г. Санкт-Петербург), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ЮРГТУ (НГШ) в 2003-2008 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований всего опубликовано 11 печатных работ общим объемом 12,6 п.л., в том числе монография, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, результаты экспериментальных исследовании отражены в отчете о НИР.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации: 178 страниц основного текста, 64 рисунка, 7 таблиц, 9 страниц списка используемой литературы из 87 наименований, 2 страницы приложений.
Похожие диссертации на Электромеханическая система компенсации силы тяжести с асинхронным частотно-регулируемым электроприводом
