Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям Pages:     ||

На правах рукописи

Барыльник Дмитрий Владимирович

Электромеханическая система компенсации
силы тяжести с асинхронным частотно-
регулируемым электроприводом

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2009 г.

Работа выполнена в Государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Пятибратов Георгий Яковлевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гайтов Багаудин Хамидович

кандидат технических наук, профессор Валюкевич Юрий Анатольевич

Ведущая организация:

Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск)

Защита диссертации состоится 30 июня 2009аг. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Да212.304.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) в 309 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), с авторефератом - на сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан ___ мая 2009аг.

Ученый секретарь

диссертационного совета Колпахчьян П.Г.

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 режимах 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 №а041-8543/97 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, выполняемого 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 2003аг.) Международной научно-практической конференции Современные энергетические системы и комплексы управления ими (г.аНовочеркасск), V (13-14 октября 2004аг) научно-техническом семинаре Технические средства и технология для построения тренажёров (г. Москва), 13-ой (14-18 марта 2005аг.) Международной научно-технической конференции ЭППТ-05 (г.аЕкатеринбург), V (18-21 сентября 2007 г.) Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 (г.аСанкт-Петербург), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ЮРГТУ (НПИ) в 20032008аг.

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель исследований, представлена их научная новизна и практическая значимость. Сформулированы основные результаты, выносимые на защиту. Показаны перспективы развития исследований по теме диссертации.

В первом разделе диссертационной работы рассмотрены существующие подходы к имитации невесомости при отработке изделий космической техники и обучении космонавтов.

Рис.1 Активная СКСТ.

В настоящее время для решения поставленных задач наиболее универсальными и перспективными являются активные СКСТ (см. рис.а1), которые под действием внешних силовых воздействий должны обеспечивать движение центра масс обезвешиваемого объекта с параметрами близкими к движению в невесомости. Такие СКСТ позволяют решать многие задачи обучения космонавтов элементам внекорабельной деятельности при длительном пребывании в штатных скафандрах с различным оборудованием, предназначенным для работы в космосе. В активных СКСТ необходимая для обезвешивания объекта сила, создается электродвигателем М, управление которым осуществляется в замкнутой системе регулирования усилия. Усилие от двигателя, через редуктор Y и барабан, передается к обезвешиваемому объекту с весом, где измеряется с помощью датчика усилия BQ, установленного в точке подвеса. В этом случае, при приложении внешнего воздействия, должно быть обеспечено движение обезвешиваемого объекта с параметрами близкими к его движению в невесомости. Перемещения в горизонтальной плоскости, с целью уменьшения сил трения, обеспечиваются с помощью опор на воздушной пленке.

Существующий в настоящее время тренажер "Выход-2" с активной СКСТ, созданный в 2002 году в РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина, обеспечивает силу трогания 50аН, что составляет 2,0а% от веса объекта обезвешивания и ошибку воспроизведения ускорения 510а%.

На основании анализа перспективных задач подготовки космонавтов были сформулированы основные требования, предъявляемые к тренажерам:

Pages:     ||    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям