Введение к работе
Актуальность темы. Сложные процессы создания и развёртывания орбитальных космических станций приводят к большому количеству работ в открытом космосе на внешней поверхности станции и на удаление от неё, выполняемых непосредственно с участием космонавтов. Поэтому в земных условиях необходимо обеспечивать обучение космонавтов элементам внеко-рабельной деятельности с применением штатного технологического оборудования и скафандров при моделировании различных нештатных ситуаций. При реализации перспективных программ по освоению Луны и Марса важным этапом подготовки космонавтов является формирование навыков их перемещения и работы в условиях пониженной гравитации. Опыт пилотируемой космонавтики показывает, что наиболее эффективным средством подготовки космонавтов являются тренажёры. Разработка и создание специальных тренажёров со стендами обезвешивания, позволяющих в пространстве имитировать движения в невесомости и в условиях пониженной гравитации, является важной и актуальной задачей.
Аналогичные по функциям технические системы могут применяться при создании стендов, предназначенных для проверки функционирования изделий космической техники в земных условиях; для построения сбалансированных манипуляторов и специальных грузоподъемных устройств, используемых для автоматизации ручного труда при перемещении грузов значительной массы; в медицинских тренажёрах, которые используются для восстановления нарушенных функций опорно-двигательного аппарата пациентов и ускорения их реабилитации при ходьбе.
Анализ различных подходов, применяемых для реализации пространственных перемещений космонавтов, показал, что для построения таких стендов необходимо скомпенсировать все силы, действующие на объект: силы трения, гравитационные силы, силы инерции присоединённых масс. При выполнении этого условия космонавт будет двигаться под действием внешних усилий с требуемыми параметрами движения как в невесомости, так и в условиях пониженной гравитации. Анализ показал, что построение стендов обезвешивания необходимо осуществлять с помощью многокоординатных силокомпенсирую-щих систем (СКС), обеспечивающих до шести степеней подвижности объекта, реализацию составляющих движения которых можно осуществлять в прямоугольных или цилиндрических координатах. Тогда сложные пространственные перемещения будут обеспечены благодаря разделению пространственных перемещений объекта на составляющие в горизонтальной и вертикальной плоскостях, вращение и качание объекта относительно его центра масс. Высокоточную компенсацию усилий, препятствующих движению космонавта в системе вертикальных (СВП) и системе горизонтальных перемещений (СГП), можно обеспечить с помощью регулируемых электроприводов. В этом случае при приложении к объекту незначительных внешних усилий космонавт будет осуществлять движение с параметрами (ускорение, скорость, перемещение), определяемыми значением и временем приложения силового воздействия.
Разработкой и созданием рассматриваемых стендов в интересах отечественной космонавтики в разные годы занимались научные коллективы: РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина (Звездный городок, Московская область), РКК «Энергия» им. СП. Королева (г. Королев, Московская область), ЦНИИ РТК (г. Санкт-Петербург), ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск), ЦТиПП (г. Москва).
Повышение уровня требований к подготовке космонавтов приводит к необходимости создания перспективных тренажёров, что определяет важность, научную и практическую значимость выбранной темы исследований.
Объектом исследования являются электромеханические системы (ЭМС) и комплексы с упругими механическими передачами, повышенными колебательными свойствами, требуемые параметры движения исполнительного органа в которых определяются приложением внешних воздействий.
Предметом исследования является многокоординатная СКС, осуществляющая путём высокоточного регулирования усилий компенсацию сил трения, гравитационных сил, сил инерции присоединённых масс, используемая для построения стендов обезвешивания, позволяющих имитировать в пространстве движения объектов в условиях пониженной гравитации и невесомости.
Цель диссертационной работы: развитие теории и практики создания многокоординатных СКС стендов обезвешивания тренажёров, обеспечивающих имитацию движения космонавтов в невесомости и на поверхности планет с пониженной гравитацией.
Для достижения цели были решены следующие задачи:
обоснованы технические критерии оценки качества работы тренажёров и определена их взаимосвязь с показателями СКС;
сформулированы требования, предъявляемые к стендам обезвешивания, обеспечивающим имитацию движения космонавтов в невесомости и их перемещений на планетах с пониженной гравитацией;
обоснованы рациональные кинематические схемы и разработана методика выбора силовой части электроприводов стендов обезвешивания, способных энергетически обеспечить требуемое качество имитации движений космонавтов;
обоснованы обобщенные математические модели СКС, позволяющие решать задачи комплексных исследований, анализа статических, динамических и энергетических показателей работы стендов обезвешивания, структурно-параметрического синтеза системы управления, а также разработаны методики по определению их реальных параметров;
определена рациональная структура системы управления и выполнен синтез регуляторов, обеспечивающих требуемые статические и динамические показатели работы СКС;
разработаны рекомендации по рациональному выбору элементов и устройств механической и электромеханической частей СКС, информацион-
но-измерительной системы для достижения заданных характеристик функционирования стендов обезвешивания;
- разработаны технические решения и рекомендации по созданию
СКС тренажёров подготовки космонавтов, решены вопросы безопасного
функционирования стендов обезвешивания, которые экспериментально под
тверждены на практике в условиях реальной эксплуатации.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались математическое моделирование, структурно-топологические методы, операционное и вариационное исчисления, частотные методы исследования автоматических систем, теория нечёткой логики. При выполнении экспериментальных исследований применялись методы физического моделирования, активной идентификации параметров объектов управления.
Достоверность полученных результатов работы определяется корректностью и обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемых математических моделей исследуемым процессам, подтверждается хорошей сходимостью результатов аналитических расчётов и математического моделирования с экспериментальными данными. Обоснованность основных выводов и рекомендаций подтверждена промышленными испытаниями и внедрением предложенных технических решений при создании стендов обезвешивания, позволяющих имитировать в рабочем пространстве тренажёра движения космонавтов в условиях невесомости.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснованы технические критерии, позволяющие определять качество имитации движения в невесомости и гравитационных условиях других планет, и впервые установлена их взаимосвязь с показателями функционирования многокоординатных СКС тренажёров;
для имитации пространственных перемещений космонавтов в невесомости и гравитационных условиях других планет впервые определены области применения кинематических схем стендов обезвешивания в виде цилиндрической или прямоугольной системы координат и обоснованы способы построения активных, пассивных или комбинированных СКС;
разработана методика многофакторного определения требуемых параметров силовой части электропривода, позволяющая осуществлять одновременный выбор рациональных параметров механической части и электродвигателя, отличающаяся применением предельных нагрузочных диаграмм проверки двигателей по нагреву и использовании критериев, обеспечивающих минимизацию соотношения моментов инерции двигателя и объекта обезвешивания или минимизацию массы электромеханического модуля при выполнении полной и частичной компенсации гравитационных сил;
разработана математическая модель стендов обезвешивания с учётом упруго-силовых взаимодействий, сил трения и ограничений координат электропривода, отличающаяся представлением её для СГП и СВП обобщенно в виде двухмассовой ЭМС с упругой связью для решения задач исследования и синтеза многокоординатных СКС;
обоснована рациональная структура системы управления СКС с внешним контуром регулирования усилия, отличающаяся применением нелинейного управления, обеспечивающего компенсацию сил сухого и вязкого трения, использованием обратной связи по ускорению двигателя для управления силами механической инерции, реализации задержанных обратных связей для ограничения на заданном уровне скорости и положения обезве-шиваемого объекта;
впервые выполнен структурно-параметрический синтез оптимального регулятора усилия СКС при учёте упругих связей и действии наиболее неблагоприятных возмущений;
обоснован способ выравнивания характеристик движения в многокоординатных СКС за счёт изменения влияния сил механической инерции механизмов, отличающийся применением обратных связей по ускорению электродвигателя.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
определены требования, предъявляемые к СКС тренажёров, позволяющие космонавтам при работе имитировать движения в условиях пониженной гравитации и невесомости при их подготовке к решению задач внекорабельной деятельности и работе в условиях других планет;
предложены способы активной идентификации параметров математической модели стендов обезвешивания и разработаны рекомендации по практической настройке систем управления усилием в условиях изменяющихся параметров механической части СКС;
определены требования, предъявляемые к информационно-измерительной системе СКС, и разработаны рекомендации по практической реализации каналов измерения её усилий в СВП и СГП, обеспечивающих минимизацию суммарной абсолютной погрешности измерения;
разработаны технические предложения и схемные решения, повышающие уровень безопасности обучения космонавтов путём реализации питания электрооборудования от ГТ-сети, использования режима динамического торможения и применения задержанной обратной связи по положению объекта обезвешивания;
предложены способы и технические средства создания СКС тренажёров для подготовки космонавтов, обеспечивающие задание и автоматическую настройку системы регулирования усилия на его вес.
К защите представляются:
методика определения точности системы регулирования усилия и параметров неизменяемой части СКС в зависимости от требуемых показателей качества имитации движений космонавтов на тренажёрах;
метод выбора и способы реализации СКС, позволяющие определять рациональную кинематическую схему стендов обезвешивания, параметры механических передач, электродвигателя и преобразователя при создании тренажёров, обеспечивающих требуемую имитацию движения космонавтов в условиях пониженной гравитации и невесомости;
математические модели стендов обезвешивания для решения задач анализа упруго-силовых взаимодействий в ЭМС, обоснования рациональной структуры системы управления усилиями и синтеза локальных регуляторов СКС;
структура системы регулирования, обеспечивающая получение требуемых статических и динамических характеристик СКС, с учётом реализации активного демпфирования упругих колебаний механизмов, компенсации сил трения и гравитационных сил, выполнения требований по безопасности функционирования;
результаты структурно-параметрического синтеза оптимального регулятора усилий, рекомендации по его реализации и настройке при изменяющихся параметрах СКС;
способы реализации каналов измерения усилий в СКС стендов обезвешивания, обеспечивающих обработку информации с использованием нечёткой логики;
методы и средства создания многокоординатных СКС, результаты экспериментальных исследований и внедрения тренажёров по обучению космонавтов внекорабельной деятельности в условиях полной и частичной невесомости.
Реализация результатов работы. Основные научные положения, инженерные методики и рекомендации диссертационной работы внедрены в научно-исследовательских институтах, на предприятиях, а также в учебном процессе высших учебных заведений:
в 2000 г. для РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина (Звездный городок, Московская обл.) разработаны и реализованы СВП на базе электропривода постоянного тока в составе устройства обезвешивания скафандров «Орлан-МТ» тренажёра «Выход-2», используемого для подготовки космонавтов и астронавтов к работе в невесомости;
в 2007 г. для Центра тренажёростроения и подготовки персонала (г. Москва) выполнены исследования, разработана проектно-конструкторская документация и реализованы с использованием вентильного электропривода переменного тока СГП и СВП тренажёра-аттракциона имитации деятельности космонавтов в открытом космосе «Сармат»;
в 2010 г. для ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина» (Звездный городок, Московская обл.) выполнена глубокая модернизация устройства обезвешивания под интеграцию со скафандром «Орлан-МКТ» в процессе которой разработаны и внедрены СВП на базе вентильного электропривода переменного тока и СГП моста на базе асинхронного электропривода с цифровой системой управления;
в 2011-2013 гг. для ОАО РКК «Энергия» (г. Королев, Московская обл.) выполнены исследования, разработана проектно-конструкторская документация на создание перспективного тренажёра с системами трёхкоорди-натного перемещения двух операторов и полезного груза с единой цифровой системой управления, обеспечивающих подготовку космонавтов к работе в
невесомости и гравитационных условиях других планет;
- практическими результатами работы, внедренным в учебный процесс, является отражение ряда теоретических и методических положений диссертации в учебно-методические указаниях и пособиях, а также в создании лабораторного стенда, предназначенного для изучения электромеханических систем регулирования усилий в упругих механических передачах.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на IV-VII Международных (XV-IX Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу (Магнитогорск, 2004 г., Санкт-Петербург, 2007 г., Тула, 2010 г., Иваново, 2012 г.); Международных научно-практических конференциях «Пилотируемые полеты в космос» (Звездный городок, Московская область, 1997 г., 2000 г., 2003 г., 2005 г., 2007 г., 2009 г.); 13-й Международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (г. Екатеринбург, 2005 г.); II, III, VII Международных научно-технических конференций «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 1999 г., 2000 г., 2004 г.,); III Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (г. Новочеркасск,
-
г.); Всероссийском научно-техническом семинаре «Технические средства и технологии построения тренажёров» (Звёздный городок, 1996 г.,
-
г.); на ежегодных научно-технических конференциях Новочеркасского государственного технического университета 1996-1998 гг., Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) 1999-2012 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 71 работа, в числе которых 5 монографий, 16 - в журналах, рекомендованных ВАК, 4 патента, 2 учебно-методических пособия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 380 страницах машинописного текста, и содержит 169 рисунков, 14 таблиц и приложения.
