Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор систем перемещений объектов на гибком подвесе 13
1.1 Обзор различных тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к работе в условиях невесомости 13
1.1.1 Самолет-лаборатория 13
1.1.2 Гидролаборатория 15
1.1.3 Тренажерные комплексы с системами перемещения объектов на гибком подвесе 16
1.2 Особенности использования систем перемещения объектов на гибком подвесе в промышленности и медицине 21
1.2.1 Грузоподъемные краны 21
1.2.2 Промышленные манипуляторы 23
1.2.3 Медицинские тренажеры для реабилитации пациентов
1.3 Особенности функционирования и способы построения систем перемещений объектов с управлением от внешних силовых воздействий 29
1.4 Существующие проблемы при реализации систем горизонтального перемещения объектов в рабочем пространстве тренажерных комплексов 34
1.5 Постановка задачи исследования 35
2 Обоснование рациональной конструкции и выбор электроприводов тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к действиям в условиях невсомости и пониженной гравитации 37
2.1 Постановка задачи 37
2.2 Методика совместного выбора рациональных параметров электроприводов и механизмов системы перемещения объектов 39
2.2.1 Особенности определения рациональных параметров электропривода вертикальных перемещений 40
2.1.1 Особенности определения рациональных параметров электропривода тележки 44
2.1.2 Особенности определения рациональных параметров электропривода моста 2.2 Выбор рациональной кинематической схемы системы вертикальных перемещений 52
2.3 Выбор рациональной кинематической схемы системы горизонтальных перемещений тележки 58
2.4 Выбор рациональной кинематической схемы системы горизонтальных перемещений моста 61
Выводы 65
3 Построение математической модели электромеханической системы перемещения объектов с упругими механическими передачами 66
3.1 Постановка задачи 66
3.2 Математическое описание электромеханических систем перемещения объектов с упругими механическими передачами
3.2.1 Обзор подходов и выбор способа получения математического описания электромеханических систем 67
3.2.2 Особенности структурного описания систем 69
3.3 Разработка математической модели механической части системы перемещения объектов с упругими механическими передачами 71
3.3.1 Принятые допущения 71
3.3.2 Математическое описание механической части системы перемещения объектов с упругими механическими передачами 72
3.3.3 Линеаризация математического описания механической части системы перемещения объектов с упругими механическими передачами 3.4 Разработка обобщенной математической модели системы перемещения объектов с упругими механическими передачами 91
3.5 Создание и исследование системы перемещения объектов с упругими механическими передачами физической модели перспективного тренажерного комплекса 3.5.1 Описание системы перемещения объектов физической модели 98
3.5.2 Выбор элементов и устройств двухкоординатной системы перемещения объектов физической модели 101
3.5.3 Определение сил и характеристик трения в механических передачах двухкоординатной физической модели 104
3.5.4 Определение упруго-диссипативных свойств механических передач двухкоординатной физической модели 109
3.6 Математическая модель системы перемещения объектов перспективного
тренажерного комплекса для подготовки космонавтов 116
3.6.1 Описание системы перемещения объектов с упругими механическими передачами перспективного тренажерного комплекса 116
3.6.2 Особенности упругого взаимодействия в механических передачах системы горизонтальных перемещений 119
3.6.3 Обобщенная структурная схема математической модели системы перемещения объектов перспективного тренажерного комплекса 126
Выводы 130
4 Синтез управления электромеханической системой перемещения объектов с упругими передачами 131
4.1 Постановка задачи синтеза системы управления перемещениями объектов на гибком подвесе 131
4.2 Обзор подходов и выбор метода синтеза исследуемой системы 133
4.3 Синтез структуры и параметров системы управления горизонтальными перемещениями объекта обезвешивания в рабочем пространстве перспективного тренажерного комплекса 136
4.3.1 Обоснование рациональной структуры системы управления перемещениями объектов на гибком подвесе 136
4.3.2 Методика синтеза корректирующих устройств по усилию в ременной передаче электроприводов горизонтального перемещения тележки и моста 140
4.3.3 Методика синтеза корректирующих устройств по углу отклонения канатного подвеса от вертикали при горизонтальном перемещении объекта обезвешивания 145
4.4 Математическое моделирование процессов управления в системе горизонтальных перемещений тележки и моста 153
4.4.1 Результаты синтеза регуляторов тока электродвигателей тележки и моста 153
4.4.2 Результаты синтеза корректирующих устройств по усилию в ременной передаче электроприводов тележки и моста 154
4.4.3 Результаты синтеза корректирующего устройства по углу отклонения канатного подвеса от вертикали 158
4.5 Ошибка воспроизведения ускорения при горизонтальных перемещениях космонавта в рабочем пространстве перспективного тренажерного комплекса 162
Выводы 163
5 Реализация и исследование электромеханической системы перемещения объектов на гибком подвесе 165
5.1 Конструктивное исполнение системы перемещения объектов перспективного тренажерного комплекса для подготовки космонавтов 165
5.2 Рекомендации и выбор элементов системы перемещения объектов перспективного тренажерного комплекса для подготовки космонавтов 169
5.3 Построение и реализация системы управления горизонтальными перемещениями космонавтов в рабочем пространстве перспективного тренажерного 176
5.4 Экспериментальное исследование динамических процессов в системе перемещения объектов на гибком подвесе 181
Выводы 185
Заключение 187
Список сокращений и условных обозначений 189
Список литературы 190
- Особенности использования систем перемещения объектов на гибком подвесе в промышленности и медицине
- Особенности определения рациональных параметров электропривода вертикальных перемещений
- Разработка математической модели механической части системы перемещения объектов с упругими механическими передачами
- Методика синтеза корректирующих устройств по усилию в ременной передаче электроприводов горизонтального перемещения тележки и моста
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В соответствии с «Основными
положениями Основ государственной политики Российской Федерации в области
космической деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу»,
утвержденными Президентом Российской Федерации от 19 апреля 2013 г. № Пр-
906 определены главные цели и приоритеты развития космической деятельности.
Среди них создание научно-технического и технологического потенциалов с
целью обеспечения готовности и реализации масштабных космических проектов
по углубленному изучению Солнечной системы (окололунного пространства,
Луны и Марса). В связи с этим Федеральным космическим агентством
(Роскосмос) рассматриваются проекты создания межпланетных комплексов,
вопросы отбора, подготовки и медицинского обеспечения экипажей. В процессе
подготовки к выполнению программ межпланетных перелетов и освоения других
планет космонавты должны пройти обучение на созданных для этого
специальных тренажерных комплексах и получить необходимые навыки. Для
повышения уровня подготовки космонавтов необходимы тренажеры с высокими
качественными характеристиками и широкими функциональными
возможностями.
Одним из наиболее перспективных способов совершенствования тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к выполнению работ по внекорабельной деятельности в условиях невесомости и пониженной гравитации Луны и Марса является их реализация с применением электромеханических силокомпенсирующих систем (СКС) перемещения объектов на гибком подвесе. Разработка и создание электромеханических систем перемещения объектов (СПО), позволяющих осуществлять обучение космонавтов внекорабельной деятельности (ВКД), которая представляет собой выполнение работ в открытом космосе или на планетах с пониженной гравитацией при длительном пребывании в штатных скафандрах и работе с различным оборудованием, является важной и актуальной задачей, имеющее большое научное и практическое значение.
Степень разработанности темы исследования. Разработкой и созданием рассматриваемых систем в интересах отечественной космонавтики в разные годы занимались научные коллективы: ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина» (Звездный городок, Московская область); ОАО РКК «Энергия» имени С. П. Королева (г. Королев, Московская область); ЦНИИ РТК (г. Санкт-Петербург); ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) (г. Новочеркасск, Ростовская область); ООО ЦТиПП (г. Москва).
Существенный вклад в развитие теории и практики создания и совершенствования тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к ВКД внесли: Алтунин А. А., Барыльник Д. В., Кравченко О. А., Крючков Б. И., Наумов Б. А., Пятибратов Г. Я.
Разработке и исследованию электромеханических систем (ЭМС) с упругими передачами осуществляющих перемещение объектов на гибком подвесе,
посвящены работы таких ученых, как Богославский Е. М., Валюкевич Ю. А., Волков Д. П., Герасимяк Р. П., Мещеряков В. Н. Однако в этих работах рассмотрены другие объекты, такие как экскаваторы, крановые системы и робототехнические устройства, в которых управление перемещением объекта осуществляется по управляющему воздействию.
В настоящее время в ФГБОУ «НИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина» для подготовки космонавтов используются тренажерные комплексы с СПО:
-
Устройство обезвешивания скафандра (УОС), которое используется для обучения космонавтов работе с тренажером-манипулятором «Дон-ERA»;
-
Специализированный тренажер «Выход-2», который используется для отработки программ шлюзования при выходе в открытый космос, а также для практического изучения скафандров типа «Орлан-МТ» для имитации движений космонавтов в условиях невесомости.
Объектом исследования являются электромеханические СПО на гибком подвесе тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к ВКД.
Предметом исследования являются электромеханические системы горизонтальных перемещений космонавтов в рабочем пространстве тренажерных комплексов, построенные с использованием СКС.
Целью диссертационной работы является создание и исследование активных электромеханических систем перемещения объектов с применением ременных передач и на гибком подвесе в рабочем пространстве перспективных тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к внекорабельной деятельности в условиях невесомости и пониженной гравитации.
Задачи диссертационной работы:
-
сформулировать требования, предъявляемые к СПО тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к работе в условиях невесомости и пониженной гравитации Луны и Марса;
-
обосновать рациональные кинематические схемы и компоновку систем горизонтального и вертикального перемещений (СГП и СВП), которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым к перспективным тренажерным комплексам;
-
разработать математическую модель электромеханической СПО с применением ременных передач и на гибком подвесе в рабочем пространстве тренажерных комплексов для подготовки космонавтов;
-
обосновать рациональную структуру системы управления горизонтальными перемещениями объектов в рабочем пространстве перспективного тренажера;
-
выполнить синтез регуляторов системы управления горизонтальными перемещениями объектов на гибком подвесе;
-
разработать рекомендации по созданию электромеханических СПО перспективных тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к работе в условиях невесомости и пониженной гравитации.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
– впервые научно обоснована целесообразность применения ременной передачи при создании СГП тренажерных комплексов для подготовки космонавтов;
– предложена методика многофакторного определения рациональных параметров СПО по критерию минимизации дополнительно присоединенных к объекту обезвешивания инерционных масс, отличающаяся тем, что обеспечивает комплексный совместный выбор электроприводов (ЭП) с упругими передачами при обеспечении требуемых параметров движения обезвешиваемого объекта;
– разработана математическая модель электромеханической СПО
отличающаяся тем, что позволяет исследовать процессы с учетом упругих свойств ременной передачи и качаний объекта на гибком подвесе;
– предложена структура системы управления горизонтальными
перемещениями космонавта в рабочем пространстве перспективного
тренажерного комплекса, отличающаяся тем, что для обеспечения требуемых параметров движения применены основные обратные связи по току ЭД, усилию в ременной передаче и углу отклонения канатного подвеса СВП от вертикали;
– разработана методика синтеза системы управления горизонтальными перемещениями космонавта, отличающаяся тем, что одновременно решает задачи демпфирования ЭП упругих колебания усилия в ременной передаче и уменьшения до требуемых значений объекта обезвешивания на канатном подвесе;
– впервые определены структура и параметры управляющих устройств СПО, которые обеспечивают адаптивное управление СГП при значительных изменениях упруго-диссипативных свойств механических передач.
Теоретическая значимость диссертационной работы:
– обоснована целесообразность применения в СГП гибких механических передач для уменьшения влияния дополнительно присоединенных к объекту обезвешивания масс на работу СГП перспективных тренажеров;
– разработана методика совместного выбора параметров механических передач и электроприводов СГП, которая позволяет определить требуемую мощность электродвигателя (ЭД) при уменьшении влияния дополнительно присоединенных к объекту обезвешивания инерционных масс;
– определена структура системы управления горизонтальными
перемещениями космонавта и синтезированы управляющие устройства, которые одновременно обеспечивают активное демпфирование упругих колебаний в ременной передаче СГП и позволяют минимизировать качания объекта обезвешивания на канатном подвесе СВП.
Практическая значимость диссертационной работы:
– разработаны предложения по выбору и реализации рациональных кинематических схем СГП тележки и моста с ременными передачами;
– предложены рекомендации по выбору жесткости зубчатых ремней, используемых при построении ЭП с ременной передачей СГП тележки и моста;
– разработаны рекомендации по практической реализации управляющих устройств СПО перспективных тренажерных комплексов;
– разработаны технические решения по созданию электромеханических СПО тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к ВКД в условиях невесомости и пониженной гравитации Луны и Марса;
– результаты диссертационной работы используются в ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина» (Звездный городок, Московская область) при выполнении работ по модернизации тренажерного комплекса для подготовки космонавтов к работе в условиях невесомости и на планетах Солнечной системы, силы гравитации на которых меньше сил гравитации Земли;
– результаты диссертационной работы могут быть использованы при обучения магистров по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Методология и методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы методы: теории автоматического управления; теории электропривода; физическое и математическое моделирование на ПЭВМ; частотные методы исследования с применением обратных логарифмических характеристик; инструменты программного продукта MATLAB.
Положения, выносимые на защиту:
-
целесообразность применения ременной передачи при построении систем горизонтального перемещения объектов в рабочем пространстве тренажерных комплексов для подготовки космонавтов;
-
математическая модель электромеханической СПО, реализованная с применением ременных передач и гибкого подвеса объекта обезвешивания перспективного тренажерного комплекса;
-
методика определения структуры и результаты синтеза системы управления горизонтальными перемещениями объектов в рабочем пространстве тренажерных комплексов для подготовки космонавтов;
-
рекомендации по созданию электромеханических СПО тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к ВКД в условиях невесомости и пониженной гравитации других планет.
Степень достоверности полученных результатов обеспечивается корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, подтверждением результатами теоретических и экспериментальных исследований ЭМС с упругими передачами, результатами экспериментальных исследований опытных образцов СПО.
Апробация полученных результатов. Основные положения и научные
результаты диссертации излагались на научно-технических конференциях,
семинарах, совещаниях: региональных научно-технических конференциях
студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области
(г. Новочеркасск, 2011 и 2013 гг.); Всероссийской научной школы
«Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы»
(г. Новочеркасск, 2011 и 2013 гг.); X Международной научно-практической
конференции «Пилотируемые полеты в космос» (Звездный городок, Московская
область, 2013 г.); VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по
автоматизированному электроприводу АЭП-2014 (г. Саранск, 2014 г.);
XI Международной IEEE-Сибирской конференции по управлению и связи «SIBCON–2015» (г. Омск, 2015 г.).
Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в 13 научных работах общим объёмом 4,64 п.л., вклад соискателя 1,71 п.л., из них 3 публикации, опубликованных в рецензируемых научных журналах (из перечня ВАК); 1 публикация в научном журнале, включенном в международную базу цитирования SCOPUS; 1 патент РФ.
Личный вклад автора состоит в формулировании и доказательстве основных научных положений, непосредственном участии на всех этапах исследований, получении теоретических и экспериментальных данных, разработке физического макета СПО тренажера и проведении лабораторных испытаний.
Соответствие научной специальности. Исследования, выполненные в диссертационной работе, соответствуют формуле и пунктам 1, 3 и 4 паспорта специальности 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»:
пункт 1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем,
изучение системных свойств и связей, физическое, математическое,
имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем.
пункт 3. Разработка, структурный и параметрический синтез
электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления.
пункт 4. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации: 196 страниц основного текста, 84 рисунка, 26 таблиц, 7 страниц списка используемой литературы из 72 наименований.
Результаты диссертационной работы получены при поддержке проекта № 2878 «Развитие теории и практики создания электромеханических систем тренажерных комплексов и мобильных объектов» выполненной в рамках базовой части государственного задания № 2014/143.
Особенности использования систем перемещения объектов на гибком подвесе в промышленности и медицине
Для подготовки космонавтов также применяются специальные тренажерные комплексы [2], в которых системы перемещения объектов на гибком подвесе позволяют имитировать движения космонавта в скафандре в условиях невесомости и пониженной гравитации. Соответствие процесса обучения реальным условиям обеспечивается применением специальных декораций в виде макетов шлюзовых отсеков, элементов космической станции, неровностей рельефа. В процессе выполнения космонавтами программ подготовки задействованы наземная система обеспечения жизнедеятельности, система моделирования светотеневой обстановки, вычислительная система и системы связи, телевизионного и медицинского контроля.
Под системами перемещения объектов на гибком подвесе следует понимать механизмы подъемно-транспортного типа, в которые обеспечивают требуемую степень подвижности объекта посредством полной или частичной компенсация его веса (силы тяжести), сил трения и сил инерции. Реализация сложного поступательного перемещения объекта в пространстве, которое раскладывается на вертикальную и две горизонтальные составляющие, осуществляется посредством совместной работы систем вертикального и горизонтального перемещений.
Тренажерные комплексы с СПО позволяют обучить космонавтов элементам внекорабельной деятельности (ВКД) при длительном пребывании в штатных скафандрах с использованием различного оборудования, предназначенного для работы в космосе или на планетах (астероидах), силы гравитации на которых меньше сил гравитации на Земле.
Рассмотрим наиболее интересные, с точки зрения реализации и построения, модели тренажерных комплексов для подготовки космонавтов.
Специализированный тренажер «Выход-2» [3, 4], РФ, внешний вид которого показан на рисунке 1.3 а, разработан сотрудниками ЮРГПУ (НПИ) и с 2002 г. эксплуатируется в ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина» (Звездный городок, Московская область). Комплекс предназначен для отработки космонавтами отдельных операций из общей циклограммы работ по внекорабельной деятельности в условиях невесомости, а также для осуществления работ по управлению системами скафандра в штатных и нештатных ситуациях. В состав комплекса входят две независимо работающих СПО радиальной мостовой конструкции, в которых каждая СВП реализована активной посредством использования частотно-регулируемого ЭП с синхронным электродвигателем с постоянными магнитами (СДПМ), а СГП тележки и моста – пассивными с применением пневматических опор на воздушной подушке для уменьшения сил трогания при горизонтальном движении космонавта. Комплекс «Сармат» [2], РФ, внешний вид которого показан на рисунке 1.3 б, разработан сотрудниками ЮРГПУ (НПИ) совместно с Донским филиалом центра тренажёростроения (г. Новочеркасск). В 2007 г. передан Мемориальному музею космонавтики (г. Москва). Данный комплекс позволяет имитировать перемещения обезвешиваемого объекта в условиях невесомости. В состав комплекса входят СПО радиальной мостовой конструкции, в которой СВП и СГП моста реализованы активными с использованием электроприводов с СДПМ, а СГП тележки – пассивной. Активная СГП моста с ЭП позволяет минимизировать силы трения приводных механизмов и устранить влияние инерционности моста на параметры движения обезвешиваемого объекта.
Устройство обезвешивания скафандра [1, 5], РФ, внешний вид которого показан на рисунке 1.3 в, входит в состав тренажера-манипулятора «Дон-ERA», разработано сотрудниками ЮРГПУ (НПИ) и с 2008 г. эксплуатируется в ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина» (Звездный городок, Московская область). Применяется для выполнения статических операций с целью контроля состояния оператора в скафандре и отображение визуальной обстановки. В состав входит одна СПО прямоугольной мостовой конструкции, в которой все системы перемещения (СВП и СГП) выполнены полностью пассивными, а обезвешивание космонавта в скафандре происходит с помощью противовесов.
Комплекс «ARGOS» второго поколения [6], США, внешний вид которого показан на рисунке 1.3 г, разработан NASA для отработки динамических перемещений, таких как ходьба, бег или прыжки, в условиях невесомости и пониженной гравитации Луны, Марса или астероида. В настоящее время проходит тестирование, несмотря на то, что аналогичный комплекс первого поколения уже был протестирован и исследован в течение 2 лет и в 2012 г. был демонтирован. Включает в себя одну СПО прямоугольной мостовой конструкции, в которой все системы перемещения (СВП и СГП) выполнены полностью активными.
Внешний вид тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к работе в условиях невесомости Выполненный анализ показал, что существующие тренажерные комплексы для подготовки космонавтов не позволяют адекватно воспроизводить сложные динамические перемещения в условиях пониженной гравитации, такие как бег или прыжки. Также существуют трудности при реализации вращательных перемещений космонавта по причине несовершенства конструкции подвесного механизма.
Особенности определения рациональных параметров электропривода вертикальных перемещений
Данная методика основана на подходах, предложенных в работах [29, 30], которые были приспособлены для решения поставленной задачи.
Совместный выбор параметров механизмов СПО и ЭП предлагается начать с определения требуемой мощности ЭП СВП и рациональной кинематической схемы в следующей последовательности: а) Определить требуемую мощность электропривода СВП ориентировочно без учета момента инерции электромеханического модуля (двигатель, редуктор, барабан) по формуле (2.1). Paz=kpz\{yn0+ynn)-g3-m0-gjI)\l±fTPZ)+mn-a0Z\v0Z, (2.1) где Рдг - требуемая мощность ЭД СВП, Вт; кР z– коэффициент поправки при определении мощности ЭП, о.е.; т0 - масса космонавта в скафандре, кг; тп - масса подвески скафандра, кг; Vo_z - предельная скорость вертикальных перемещений космонавта, м/с; а о z - предельное ускорение вертикальных перемещений космонавта, м/с2; fTP_z - коэффициент трения в механизмах привода СВП; g3 - ускорение свободного падения тел на Земле, м/с2; gn - ускорение свободного падения тел на Луне, м/с2.
Для определения требуемой мощности электропривода при движении вверх в выражении 2.1 следует принимать знак «плюс», а при движении вниз - знак «минус». Однако чтобы в полной мере обеспечить обезвешивание объекта и его вертикальные перемещения, расчет и выбор электродвигателя СВП необходимо производить по формуле 2.1 со знаком «плюс». б) Выбрать электродвигатель для СВП, имеющий такое сочетание номинального момента Мдн z и номинальной скорости содн z, которое обеспечит значение мощности не менее Рд_г. При этом, в зависимости от выбранных критериев, для снижения соотношения моментов инерции ЭП и объекта, как правило, следует применять тихоходные электродвигатели, а для минимизации массы электромеханического модуля (ЭММ) - высокооборотные. где kT - коэффициент, который определяет вид тахограммы движения космонавта. Согласно рекомендациям, приведенным [30], принимаем кТ = 0,114. д) Определить области допустимых значений радиуса приведения СВП с учетом выполнения всех рассматриваемых условий. тах{ра _г Рдмі_г Рэ1_г) PTP_Z min(p0Z,PaM2Z,рЭ2_2). (2.9)
Если условие (2.9) не выполняется, то вернуться к п. «б» и выбрать другой электродвигатель, удовлетворяющий рассматриваемому условию. е) Рассчитать параметры механических передач СВП и осуществить рациональный выбор редуктора, барабана и блоков канатной передачи (при наличии) из возможного их дискретного множества. Определить фактический радиус приведения механизма. ж) Уточнить граничные значения радиуса приведения СВП с учетом реальных параметров механических передач. Если полученный радиус приведения находится вне диапазона допустимых значений, то необходимо выполнить анализ и выбрать другой электродвигатель с параметрами, удовлетворяющими всем критериям, и повторить расчёты, начиная с п. «г». з) После выбора электродвигателя СВП и элементов реальных кинематических передач выполнить проверку ЭД по условиям нагрева и перегрузочной способности с учетом тахограмм движения космонавта в реальных условиях. и) Определить значения моментов инерции механизмов СВП. 1) Момент инерции ЭММ JZ, который включает в себя двигатель, редуктор и барабан, определяется по формуле (2.10). л) Выполнить анализ возможности изменения в необходимом направлении моментов инерции механизмов СВП. При необходимости минимизацию соотношения моментов инерции ЭП СВП и объекта можно осуществить путем уменьшения суммарного момента инерции привода J z или путем увеличения радиуса приведения pz.
Определение рациональной кинематической схемы СГП тележки предлагается осуществлять в следующей последовательности: а) Определить требуемую мощность электропривода без учета момента инерции электромеханического модуля СГП по формуле (2.14). Рдх=крхі/трхіЩ+тп + ттУ3+(тп + ттУа0Х)-0Х, (2.14) где Рд_х - требуемая мощность ЭД СГП тележки, Вт; кр_х- коэффициент поправки при определении мощности ЭД, о.е.; тт - масса тележки, кг; Vo х- предельная скорость горизонтальных перемещений космонавта, м/с; а0 х- предельное ускорение горизонтальных перемещений космонавта, м/с2; /ТР х - коэффициент трения в механизмах привода СГП тележки, о.е. б) Выбрать электродвигатель для СГП тележки, имеющий такое сочетание номинального момента Мдн х и номинальной скорости содн х, которое обеспечит значение мощности не менее Рдх. При этом, в зависимости от выбранных критериев, для снижения соотношения моментов инерции ЭП и объекта, следует применять тихоходные электродвигатели, а для минимизации массы электромеханического модуля - высокооборотные. в) Предварительно определить массы и моменты инерции элементов механических передач СГП тележки: редуктора и колес (шестерней). г) Определить граничные значения требуемого радиуса приведения ртр_х СГП тележки согласно [29, 30] с учетом обеспечения следующих условий: 1) Для согласования скорости горизонтальных перемещений объекта Vox и скорости вращения вала ЭД тележки соднх необходимо определить радиус приведения раХ по формуле (2.15).
Разработка математической модели механической части системы перемещения объектов с упругими механическими передачами
Коэффициенты внутреннего вязкого трения упругого элемента Ъ приводятся к валу двигателя так же, как и коэффициенты жесткости с. Однако если последние, как и моменты инерции, зависят от материала изделия, его формы и размеров и рассчитываются аналитически, то коэффициенты вязкого трения b изменяются по сложным законам, поэтому их целесообразно определять экспериментально [44].
Предварительно определив число степеней свободы ЭМС перспективного тренажерного комплекса, его кинетическую и потенциальную энергии, а также все действующие в системе силы, с помощью уравнений Лагранжа второго рода, получим систему уравнения движения механической части СПО упругими механическими передачами (3.20). При этом дифференциальные уравнения следует записать так, чтобы выходная величина и ее производные находились в левой части уравнения, а входные величины и все остальные члены - в правой
При наличии в ЭМС элементов с существенными нелинейными характеристиками (насыщение регулятора скорости, зона нечувствительности управляемого преобразователя, трение покоя, зазор в механических передачах), их влияние учитывают путем использования нелинейных уравнений. Выполненные исследования показали, что ЭД создает дополнительное приращение усилия в упругой передаче только после прохождения его валом зазора, наибольшее значение которого сосредоточено в редукторе. С учетом зазоров механических передач реактивные моменты сил упругого взаимодействия и внутреннего трения в упругих элементах ЭМС определяются где Асрз_х, Д РЗ_Ї, Д Рз_г - эквивалентные зазоры в механических передачах, приведенные к валам роторов соответствующих ЭД.
Наличие сил сухого и вязкого трения в механизмах СПО существенным образом сказывается на энергетических показателях работы ЭМС с упругими связями, поэтому в математической модели СПО перспективного тренажерного комплекса необходимо учесть их влияние [45], используя выражение (3.22), в котором используются следующие обозначения: МТРШ х, МТРШ у, МТРП z - моменты сил трения покоя только в механизмах электромеханических модулей СПО; fwm_x, /ТРШ_Г, fTpn_z – коэффициенты трения покоя только в механизмах электромеханических модулей СПО; MТРП2_X, MТРП2_Y – моменты сил трения покоя только в механизмах перемещения тележки и моста; fТРП2_X, fТРП2_Y – коэффициенты трения покоя только в механизмах ходовой части тележки и моста; MТРД1_X, MТРД1_Y, MТРД_Z – моменты сил трения движения только в механизмах электромеханических модулей СПО; fВТ1_X, fВТ1_Y, fВТ_Z – коэффициенты сил вязкого трения только в механизмах электромеханических модулей СПО; MТРД2_X, MТРД2_Y – моменты сил трения движения только в механизмах перемещения тележки и моста; fВТ2_X, fВТ2_Y – коэффициенты силы вязкого трения только в механизмах ходовой части тележки и моста.
Для решения задач синтеза структуры и параметров управляющего устройства целесообразно упростить математическую модель СПО и представить её с применением относительных единиц, что позволит обобщить результаты исследования, абстрагироваться от частных параметров модели и сократить число коэффициентов.
Анализ показал, что при использовании планетарных редукторов с малыми зазорами и массой космонавта в скафандре от 200 до 250 кг обеспечивается постоянное натяжение в кинематической цепи СВП, поэтому раскрытие зазоров в редукторе практически исключается. При этом редукторы, применяемые для реализации СГП, имеют зазоры от 4 до 6 угловых минуты, поэтому можно сделать допущение об отсутствии зазоров.
Выполненные исследования [46] по влиянию сил трения на процессы в ЭМС показали, что наличие сил статического трения (трения покоя) существенным образом влияет на энергетические показатели работы системы, но при этом оказывает малое влияние на качественные показатели переходных процессов в ЭМС. Поэтому на начальных этапах при выполнении исследований динамики СПО трение можно не учитывать.
С целью получения обобщенной математической модели СПО с упругими механическими передачами математическое описание механической части можно унифицировать, используя относительные единицы, поэтому необходимо все величины привести к базовым значениям. В связи с этим в ЭМС рекомендуется все скорости отн ести к скорости холостого ход а СОдо соответствующего ЭД, а все моменты и силы - к номинальному моменту Мщ, что позволяет упростить исследования и получить обобщенные результаты. Для определения значений базовых величин аБ_х и рБ_у с целью приведения углов отклонения каната а и /? к относительным единицам рекомендуется использовать формулы (3.26) и (3.27). В свою очередь для обозначения относительных значений входных и выходных величин будем использовать знак «Л». Таким образом, получим: МЛ - моменты, отнесенные к номинальным моментам соответствующих ЭД; а/ - скорости, отнесенные к скоростям идеального холостого хода соответствующих ЭД; аЛ и /Г - углы отклонения каната, отнесенные к базовым значениям; F\ - сила натяжения в канатной передаче на участке с полиспастом, отнесенная к номинальному моменту электродвигателя СВП.
Методика синтеза корректирующих устройств по усилию в ременной передаче электроприводов горизонтального перемещения тележки и моста
Методы частотного синтеза регуляторов, основанные на построении желаемых логарифмических амплитудно-фазных частотных характеристик (ЛАФЧХ), также известных как диаграмма Боде. При этом различают методы прямых [40] и обратных [65] логарифмических амплитудно-частотных характеристик (ЛАЧХ). Такие методы позволяют синтезировать регуляторы при управляющем и возмущающем воздействиях, достаточно просты, обладают наибольшей наглядностью и наиболее полно разработаны. Однако при использовании метода прямых ЛАЧХ необходимо привести систему к виду с единичной обратной связью путем её размыкания на выходе регулятора усилия, что ухудшает качество её регулирования, чего не требуется при синтезе корректирующего устройства метод обратных ЛАЧХ.
Метод синтеза регуляторов с использованием инструментов, входящих в состав программного пакета MATLAB [66]. Одним из таких инструментов является «Simulink Control Design», который позволяет выполнить поиск рабочих точек системы и точную линеаризацию моделей из Simulink при различных рабочих условиях, а также настраивать коэффициенты регуляторов (ПИД, ПИ, ПД) для удовлетворения требованиям к работе системы. Анализ достоинств и недостатков рассмотренных методов синтеза управляющих устройств в ЭМС, рекомендуется выполнить синтез регуляторов для системы управления перемещениями космонавтов в рабочем пространстве перспективного тренажерного комплекса с использованием методов подчиненного регулирования (контур регулирования тока), инструментов «Simulink Control Design» и обратных ЛАЧХ.
Проблема структурного синтеза систем автоматического управления сложна и в настоящее время не имеет общего решения. Поэтому определение структуры СГП и обоснование необходимых обратных связей выполним с учётом их функционального назначения и возможностей практической реализации. Для этого рассмотрим особенности применения и назначение следующих обратных связей в ЭМС перспективного тренажерного комплекса:
1) Отрицательная обратная связь (ОС) по составляющей тока ЭД обеспечивает стабилизацию электромагнитного момента двигателя и реализацию функций токоограничения, а также служит для ослабления нежелательного влияния противоЭДС и уменьшения влияния электромагнитной инерционности ЭП при действии различных параметрических возмущений. Согласно [67] для возможности активного демпфирования упругих колебаний в ремённой передаче рекомендуется использовать пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) тока ЭД, обеспечивающий необходимое быстродействие ЭП.
2) Отрицательная обратная связь по усилию позволяет уменьшить влияние упругих колебаний усилия в ремённой передаче на параметры движения объекта обезвешивания, что позволяет повысить надёжность и долговечность работы механизма перемещения тележки (моста). Выбор структуры и параметров корректирующего устройства (КУ) рекомендуется определять в соответствии с рекомендациями, приведенными в работе [68].
3) Отрицательная обратная связь по углу обеспечивает демпфирование колебаний при качании канатного подвеса, что способствует уменьшению их влияния на параметры движения объекта обезвешивания, а также получению заданных статических и динамических показателей работы СГП тележки и моста. Синтез коррекции с использованием фактических значений угла рекомендуется выполнять с применением графоаналитических методов и обратных частотных характеристик по методике, приведенной в работе [69] или с использованием методов оптимального управления, рассмотренных в работе [70]. 4) Положительная обратная связь (ПОС) по скорости вращения ротора ЭД обеспечивает компенсацию нежелательного влияния противоЭДС двигателя [69] и сил вязкого трения приводных механизмов на процессы управления в СГП [70]. При использовании обратных связей по скорости для уменьшения сил сухого трения предлагается применять нелинейное управление с переключающейся структурой. Рекомендации по реализации и настройке систем при необходимости компенсации сил трения в механических передачах приведены в работе [71]. 5) Обратная связь по ускорению ротора ЭД [70] позволяет изменять влияние инерционности приводных механизмов, обеспечивает выравнивание ошибок по ускорению для всех координат системы при перемещении объекта обезвешивания и идентичность параметров движения космонавта в рабочем пространстве тренажёра по разным направлениям, реализуемых электроприводами горизонтальных перемещений тележки и моста. 6) Обратная связь по положению ротора ЭД позволяет обеспечить безопасность космонавта за счет ограничения области его перемещений в рабочем пространстве тренажерного комплекса. Для того чтобы космонавт имел возможность самостоятельно, без посторонней помощи, вернуться в рабочую зону тренажера, границы которой должны настраиваться индивидуально под каждую программу тренировки, синтез системы ограничения координат рекомендуется выполнять согласно [72].
Из перечисленных обратных связей основными, которые обеспечивают требуемые параметры движения, являются ООС по току, ООС по усилию в ременной передаче и ООС по углу отклонения канатного подвеса, а вспомогательными, которые обеспечивают безопасность и расширение функциональных возможностей СГП, – ОС по положению, ОС по скорости и ОС по ускорению. Каждая из перечисленных координат и обратных связей отслеживается системой управления верхнего уровня, которая обеспечивает совместную работу систем вертикального и горизонтального перемещения объекта в рабочем пространстве перспективного тренажерного комплекса для подготовки космонавтов к действиям в условиях невесомости и пониженной гравитации.