CC BY
115
формации о всех технических режимах работы и возможных аварийных ситуациях при работе электроприводов резиносмесителей линий МХ-1 и МХ-2.
G. Ivanov, O. Osipov, D. Melnicov, K. Kuzin
Videodisplay terminal of electric drive of a rubber mixer
An alternative design of video terminal for diagnosis of inductive friquency-controlled electric drives for rubbermixer is offered.
Keywords: videodisplay terminal, electric drive.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
О.А. Кравченко, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, (8635) 25-52-10, kravch@newmail.ru (Россия, Новочеркасск, ЮРГТУ(НПИ))
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТРЕНАЖЕРОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНУЮ ПОДГОТОВКУ КОСМОНАВТОВ
Рассмотрены принципы построения и области применения силокомпенсирую-щих электромеханических систем. Описаны особенности реализации таких систем на примере стендов имитации невесомости и тренажеров для подготовки космонавтов. Указаны проблемы и пути совершенствования силокомпенсирующих систем с применением приводов переменного тока.
Ключевые слова: силокомпенсирующие электромеханические системы, стенды имитации невесомости, приводы переменного тока.
Многофункциональная подготовка космонавтов для работы в условиях невесомости осуществляется с использованием комплекса тренажеров в который входит: самолет лаборатория, гидролабаратория и стенды обезвешивания [1]. Подготовка с применением стендов обезвешивания позволяет снизить затраты на подготовку и обеспечить длительные тренировки в штатных скафандрах. Наибольшую адекватность при моделировании невесомости удается обеспечить с использованием активных -электромеханических стендов обезвешивания реализуемых с применением электроприводов.
Стенд «Селен», внешний вид которого приведен на рис. 1, был разработан и построен в РКК «Энергия» (тогда ЦКБЭМ) во 2-й половине 1960-х годов для комплексных экспериментов по передвижению космонавтов в скафандре «Кречет» с моделированием лунной тяжести. На стенде воспроизводились грунт, освещение и характерные для Луны особенности небесного свода, а также имитировалось лунное тяготение для объектов массой до 400 кг. Это позволяло отрабатывать выход испытателя
в скафандре из посадочной ступени лунного корабля и работу в его окрестностях с учетом многих факторов.
Рис. 1. Стенд «Селен»
Позже работы по созданию электромеханических систем для обез-вешивания объектов космической техники массой 400...1500 кг, проводились в ЦНИИРТК (г. Санкт-Петербург) по программе "Буран". В результате был создан стенд для испытаний бортового мнипулятора, внешний вид которого приведен на рис. 2.
Рис. 2. Стенд в ЦНИИРТК
Управление перемещениями на таких стендах в горизонтальной плоскости осуществляется следящей системой управления, на вход которой подается сигнал от датчика отклонения положения космонавта от вертикальной оси, а вертикальной плоскости системы управления с обратной связью по скорости задание на которую подается от датчика усилия в вертикальной плоскости. Опыт эксплуатации таких стендов показал, что заложенные в них принципы управления не позволяют скомпенсировать силовые и инерциальные воздействия на перемещаемый на стендах объект обезвешивания. Существенным недостатком указанных стендов является применение в них электромагнитного тормоза для удержания обезвеши-ваемых объектов на весу, что при завершении или начале движения приво-
дит к рывкам при его срабатывании, что затрудняет работу таких систем на низких скоростях. Следовательно для повышения эффективности их работы следует развивать теоритическую базу способствующую их построению.
В 1990-х годах в Южно-Российском государственном техническом университете (г.Новочеркасск) начались работы по разработке электромеханических устройств обезвешивания нового поколения. Для реализации пространственных перемещений в них предложено скомпенсировать все силы, которые действуют на объект: силы трения, гравитационные силы, силы инерции присоединенных масс тогда объект будет двигаться под действием внешних усилий, с требуемыми параметрами движения. Реализацию рассмотренных систем необходимо осуществлять с помощью многокоординатных силокомпенсирующих систем (СКС) обеспечивающих, в общем случае, количество степеней подвижности р = 6. Сложные пространственных перемещения рассматриваемых устройств можно обеспечить путем разделения пространственных перемещений объекта на составляющие в плоскостях - горизонтальной, вертикальной, вращение и качание объекта относительно его центра масс. Причем ошибки регулирования усилий по всем координатам должны быть одинаковыми [3], чтобы составляющие сложных пространственных перемещений воспроизводились с одинаковыми параметрами согласно соответствующих составляющих вектора внешнего силового воздействия. При комплексном решении задачи реализации многокоординатных СКС необходимо учитывать взаимное влияние координат путем учета эквивалентных дополнительных внешних сил. Чтобы построение системы управления по каждой координате можно было рассматривать независимо от других координат необходимо введение каналов компенсирующих влияние координат друг на друга.
В результате в 2002 г. в РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина был создан тренажер "Выход-2", внешний вид которого приведен на рис. 3, который в настоящее время используется для подготовки космонавтов (астронавтов) по программе МКС [2]. При построении тренажера "Выход-2" система вертикального перемещения обеспечивает удержание объекта обезвешива-ния на весу с помощью электродвигателя без применения электромагнитного тормоза, а система управления реализована по силокомпенсирующе-му принципу [2].
Опыт эксплуатации тренажера «Выход-2»(рис. 3) показал необходимость повышения стабильности работы силоизмерительных каналов, применения алгоритмов обеспечивающих автоматическую настройку системы управления и использования адаптивного управления. Анализ различных перспективных задач развития пилотируемой космонавтики, показал необходимость совершенствования тренажной базы для подготовки космонавтов по лунной и марсианской программе. Однако выполненные нами расчеты показали, что в этом случае скорости и ускорения при пере-
мещениях космонавтов на тренажере должны увеличиться в несколько раз. Это потребует интенсификации переходных процессов в системах локальных СКС и ставит задачу совершенствования структуры их системы управления. Для решения указанных проблем разработана система управления локальной СКС функциональная схема приведена на рис. 4.
Рис. 3. Тренажер «Выход-2»
На рис. 4 задающее устройство 1 формирует сигнал иу тр определяющий величину усилия в исполнительном механизме. Анализ внешних силовых взаимодействий в многокоординатной СКС показал, что сигнал задания для вращательных степеней подвижности и линейных в горизонтальной плоскости должны быть равны нулю. При движении объекта в вертикальной плоскости усилие равно силе тяжести Ро, следовательно иу тр = ^у = Ро.
Для реализации функций токоограничения и стабилизации электромагнитного момента двигателя при действии различных параметрических возмущений используется отрицательная обратная связь по составляющей тока определяющей электромагнитный момент двигателя. Обычно регулятор 3 реализуется пропорционально-интегральным, настройка которого осуществляется с целью требуемой компенсации электромагнитной инерционности электропривода, иногда он выполняется релейным или работающим в скользящих режимах.
Отличительная особенность работы СКС заключается в том, что частота вращения двигателя может изменяться от нуля до максимальной при необходимости высокоточного поддержания силокомпенсирующего усилия. Поэтому в СКС существенное влияние на процессы регулирования
55
усилия оказывает его противоЭДС двигателя, которая является основным возмущающим воздействием для контура регулирования электромагнитного момента электродвигателя. Негативное действие противоЭДС двигателя на точность стабилизации электромагнитного момента (тока) может проявляться в снижении устанавивщегося значения электромагнитного момента (тока) по сравнению с заданным, что даже в системе с ПИ регулятором приводит к ошибки регулирования момента (тока). Сопоставление различных способов компенсации противоЭДС показало, что для СКС наилучший способ заключается в введении компенсирующего положительного сигнала по скорости двигателя. Для реализации этого способа удобно использовать сигнал с датчика скорости двигателя 15, заводя его внутрь замкнутого контура регулирования электромагнитного момента (тока) электродвигателя через устройство 9, определяющего уровень компенсации противоЭДС.
Рис. 4. Функциональная схема обобщённой электромеханической силокомпенсирующей системы
Для стабилизации силокомпенсирующего усилия в объекте регулирования, обеспечения требуемых динамических показателей электропривода следует использовать главную отрицательную обратную связь по усилию с регулятором 2. Синтез регулятора 2 рекомендуется выполнять методами вариационного исчисления согласно методики подробно изложенной нами в [4].
Исследования показали, что в объекте регулирования 6 и приводном устройстве 5 имеются существенные по величине силы сухого трения составляющее (0,3 ... 0,5)Ро. Поэтому в устройстве 17 обеспечивающим с высокой точностью измерение усилия необходимо применять датчики непосредственного измерения и осуществлять коррекцию его показаний с помощью специальных методов интеллектуального управления.
Для компенсации влияния сил трения в электроприводе и объекте управления применяется устройство 13. Компенсация влияния: сухого трения - осуществляется с использованием релейных переключаемых структур, а вязкого трения - применением положительной обратной связи по скорости электродвигателя, используя сигнал с датчика скорости двигателя 15. Уменьшение влияния кинематических погрешностей в передаточном устройстве приводящих к периодическому изменению возмущающих сил в функции датчика положения 16.
Устройство 10, показанное на рис. 4, обеспечивает частичную компенсацию эквивалентных сил инерции дополнительно присоединенных масс приводного устройства 5 (инерционность электродвигателя, передаточного устройства, тормоза) или осуществляет управление значением инерциальных сил от присоединенных масс для имитации массы объекта. Для компенсации сил инерции целесообразно использовать положительную обратную связь по ускорению электродвигателя с использованием датчика 14 или дифференцируя сигнал с датчика 15.
Для обеспечения безопасности функционирования СКС в системе управления предусмотрено ограничения максимальных значений координат перемещаемого объекта. Ограничение по ускорению целесообразно осуществлять путем соответствующей настройки блока токоограничения или используя информацию от датчика 14. Для ограничения ускорения, скорости и перемещения объекта предлагается применять устройство 11 которое может реализовать задержанные отрицательные обратные связи по ускорению, скорости и положению работающие аналогично токовой обратной связи с отсечкой.
Так как масса то может существенно изменяться в процессе эксплуатации рассматриваемых систем, а в процессе работы СКС могут изменяться реальные параметры приводного устройства 5 и объекта управления 6. Поэтому при построении СКС рекомендуется использовать устройство 12, которое обеспечивает: настройку сигнала задания иу тр для координаты СКС обеспечивающей перемещение объекта обезвешивания в
вертикальной плоскости; настройку параметров регулятора 2 при существенных изменениях параметров объекта регулирования 6.
Для устранения влияния перекрестных связей при реализации многокоординатной системы управления предусмотрены компенсирующие каналы 7 исключающие влияние других координат на работу СКС соответствующей координаты.
В настоящее время осуществляется модернизация тренажера «Вы-ход-2». При этом используется система управления движением Simotion D425 фирмы Siemens. Такой подход позволяет обеспечить высокое быстродействие при управлении координатами тренажера благодаря использования в Simotion D425 платформы сервоприводов Sinamics S120 и реализовать все локальные системы управления в едином модуле, что упрощает реализацию перекрестных связей между координатами.
Список литературы
1. Г.Я.Пятибратов [и др.] Состояние, проблемы и пути совершенствования систем имитации невесомости для наземной отработки изделий космической техники// Изв. вузов Сев. - Кавказ. региона. Технические науки. 1995. №3-4. С. 39-49.
2.Кравченко О.А., Пятибратов Г.Я. Создание и опыт эксплуатации силокомпенсирующих систем, обеспечивающих многофункциональную подготовку космонавтов к работе в невесомости// Изв. вузов. Электромеханика. 2008. № 2. С. 42-47.
3.Кравченко О. А. Определение качества функционирования электромеханических стендов имитации невесомости // Изв. вузов. Электромеханика. 2002. № 3. С. 50-55.
4.Кравченко О.А., Пятибратов Г.Я. Создание систем оптимального управления усилиями в упругих передачах электромеханических комплексов: монография / Новочеркасск: Новочерк. гос. техн. ун-т. 1999. 107 с. Деп. в ВИНИТИ 03.03.99, № 637-В99.
O. Kravchenko
Electromechanical systems of trainers providing multifunctional trainings of cosmonauts
The operations principles and applications areas of the electromechanical force compensation systems are considered. Implementation features of the electromechanical force compensation systems for the weightlessness imitation stands and the simulators for training the cosmonauts are described. Problems and ways of perfection of the force compensation systems with the AC drives application are proposed.
Keywords: force compensating electromechanical systems, zero-gravity simulation stands, alternating current drives.
Получено 06.07.10
