CC BY
17
УДК 62-83
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
© 2010 г. О.А. Кравченко
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Предложена структура информационно-измерительной и управляющей систем силокомпенсирую-щих электромеханических комплексов. Изложены принципы построения подсистемы косвенной оценки внешних силовых возмущающих воздействий. Сформулированы требования к каналам измерения усилий и разработаны рекомендации по их практической реализации с учётом требований к погрешности измерений. Приведены результаты экспериментальных исследований каналов измерения усилий.
Ключевые слова: информационно-измерительная система; датчик; силокомпенсирующая система; обезвешивание.
Structure of information-measurement and control system for force-balance electromechanical complexes is proposef. Design principles of external interference forces indirect estimation subsystem are described. Requirements to force measurement channels are formulated and recommendations for their practices usage with due consideration of measurement accuracy are worked out. Experimental results of force measurement channels research are presented.
Keywords: information-measurement system; sensor; force-balance system; weight relief.
Среди различных электротехнических устройств и комплексов можно выделить класс электромеханических силокомпенсирующих систем (СКС). Такие системы могут применяться в устройствах сбалансированных манипуляторов [1], используемых для механизации ручного труда при перемещении грузов значительной массы, в специальных грузоподъёмных механизмах, применяемых на подъёмно-транспортных работах при автоматизации монтажа строительных конструкций с использованием унифицированных строительных элементов [2], в медицинских тренажёрах [3, 4], которые используются для восстановления нарушенных функций опорно-двигательного аппарата пациентов и ускорения их реабилитации при ходьбе, СКС позволят регулировать нагрузку при постепенном увеличении активной составляющей веса человека. Высокоточные СКС применяются для создания стендов-тренажеров по обучению космонавтов, астронавтов работе в условиях невесомости [5], а также стендов, предназначенных для проверки функционирования изделий космической техники в земных условиях [6].
Упомянутые системы в общем случае должны обеспечивать пространственные перемещения объектов с заданными характеристиками при действии внешних усилий. При этом для реализации требуемых пространственных перемещений необходимо с требуемой точностью скомпенсировать все возмущающие силы, которые действуют в системе: силы трения, гравитационные силы, силы инерции дополнительно присоединенных масс и двигательных устройств, тогда объект будет двигаться под действием внешних усилий с требуемыми параметрами движения. Реализацию рассмотренных систем целесообразно осущест-
влять с помощью многокоординатных СКС, обеспечивающих, в общем случае, шесть степеней подвижности. Сложные пространственные перемещения можно обеспечить путем разделения пространственных перемещений объекта на составляющие в горизонтальной и вертикальной плоскостях, вращение и качание объекта относительно его центра масс.
Выполненные ранее исследования показали [7, 8], что при комплексном решении задачи реализации многокоординатных СКС часто можно рассматривать их работу по каждой координате отдельно, для чего иногда необходимо вводить дополнительные каналы, компенсирующие влияние координат друг на друга. Такой подход позволяет рассматривать общие принципы построения и особенности реализации СКС, обеспечивающих движение объекта по каждой координате. Анализ технических требований, предъявляемых к СКС [7], показал целесообразность реализации их в соответствии с обобщенной функциональной схемой, приведенной на рис. 1.
Сигнал ^ ТР, формируемый задающим устройством, определяет требуемое значение усилия Fy в исполнительном механизме. Для вращательных степеней подвижности и линейных в горизонтальной плоскости они должны быть равны нулю, а в вертикальной плоскости усилие Fy должно быть равно силе тяжести, следовательно, UУТР = Fy = PО. Подробно описание
функциональной схемы рис. 1 приведено в работе [7].
Для реализации качественного управления в СКС необходимо, в соответствии с функциональной схемой, приведенной на рис. 1, иметь достоверную информацию о различных координатах приводного устройства и объекта управления.
Компенсация
влияния других координат Uk 1 (±)
Задающее устройство
Uy
=0
Uy
о
£
я л и
£
св W 5S о л н о св
я
Uy
Регулятор усилия
(-)
Uy
CS Л о
й
ч &
<u Л
m о ft н <u 5!
CS
&
и ts w
5S о о,
H о es
я
UT (-)
Датчик тока
(+)
UTP
Регулятор электромагнитного момента
(-)
Uc
(±)
Uи
(+)
U-Э
Преобразователь
Приводное устройство
Устройство компенсации ПЭДС
Устройство компенсации сил инерции
Устройство ограничения координат объекта
Устройство адаптации к изменяемым параметрам
Устройство компенсации сил трения
Канал измерения ускорения
Канал измерения скорости
Канал измерения положения
Объект регулирования
Канал измерения усилия
«
s
к <ц
ч m
CS Л И
Рис. 1. Функциональная схема обобщённой электромеханической силокомпенсирующей системы
Особенностью функционирования СКС является то, что масса объекта обезвешивания может существенно изменяться в процессе эксплуатации рассматриваемых систем. Так же в процессе работы СКС могут изменяться реальные параметры управляющего и приводного устройств. Следовательно, возникает проблема идентификации параметров объекта управления в процессе работы СКС с целью построения адаптивного управления.
Одним из основных требований, предъявляемых к тренажерам, является безопасность их функционирования. Для работы систем и устройств безопасности необходимо постоянно осуществлять контроль за положением объекта обезвешивания в пространстве, чтобы исключить выход его за пределы рабочей зоны тренажера, а также контролировать и ограничивать скорости перемещения объекта, исключая его падение при выходе из строя системы управления.
В связи с тем что СКС имеет сложную разветвленную структуру с высокими требованиями к надежности при эксплуатации, в процессе работы следует обеспечивать диагностику состояния электрического и электромеханического оборудования, для чего также необходимы контроль и идентификация параметров СКС.
Выполненные исследования показали, что для решения указанных задач при построении многокоординатной СКС в общем случае необходимо иметь информацию об изменении следующих основных координат: тока, ускорения, скорости, положения и усилия.
Для реализации каналов измерения тока, ускорения, скорости и положения обычно используют известные способы [9, 10], а проблемы возникают с построением канала косвенной оценки внешних силовых воздействий. Решение таких проблем возможно путём применения принципа косвенной оценки внешних силовых воздействий, иллюстрируемого на рис. 2.
На основании требований, предъявляемых к системам имитации невесомости, и показателей, характеризующих качество их работы, разработана методика, позволяющая определять следующие основные технические требования к каналам измерения усилия в информационно-измерительной системе (ИИС):
- диапазон измерения усилия или диапазон измерения угла отклонения объекта от вертикальной оси;
- предельная абсолютная погрешность канала измерения усилия;
- период опроса или полоса пропускания канала измерения усилия;
- тип интерфейса выходного сигнала;
- габариты, вес, стоимость приобретения и обслуживания.
Исследования показали, что для удовлетворения указанных требований в системе вертикальных перемещений целесообразно использовать тензометриче-ские датчики усилия [11], имеющие аналоговый выход с диапазоном изменения тока 4 - 20 мА. В системе горизонтальных перемещений измерение усилия целесообразно осуществлять косвенным способом по углу отклонения каната от вертикальной оси, применяя фотоэлектрические инкрементальные датчики измерения угла [12], имеющие выходной сигнал sin/cos 1 VPP или парафазный (RS 422) прямоугольный импульсный сигнал. Выбор таких выходных сигналов в каналах измерения усилия обусловлен наличием соответствующих интерфейсов в электроприводах, рекомендуемых нами для использования в СКС [13].
Предельная абсолютная погрешность каналов измерения усилия в ИИС определяется в соответствии со схемой, приведенной на рис. 3.
Основными составляющими предельной абсолютной погрешности Ад канала измерения усилия являются взаимно независимые погрешности: погрешность преобразования усилия или угла в электрический сигнал Адл, погрешность квантования по уровню Адкв при аналого-цифровом преобразовании и погрешность узла согласования Адм. Инструментальная погрешность и погрешность от влияния внешних помех не рассматриваются, поскольку являются неосновными. Анализ указанных погрешностей показал, что существенные проблемы при проектировании СКС приходится решать при разработке узлов, обеспечивающих минимизацию Адм при встраивании датчиков в измерительную цепь.
Верхние направляющие блоки
U„,
U
уз
U
а б
Рис. 2. Построение подсистемы косвенной оценки внешних силовых воздействий
О
и
о ^
я я
а с
н о я о
И
>5
Усилие от объекта
J | J \ П0МеХИ | | J \
г 1
Канал измерения усилия I
Ддм ■\/Ддп + АДКВ j
Узел
согласования,
обеспечивающий Датчик усилия
встраивание — или угла
датчика
в измерительную
цепь
В систему управления
Рис. 3. Схема распределения погрешностей в канале измерения усилия
Исследования показали, что погрешность узла согласования Адм складывается:
- для каналов измерения усилия в горизонтальной плоскости из погрешности от несоосности вала преобразователя угловых перемещений и точки схода каната с верхнего направляющего блока подвески груза Адмн (рис. 4) и погрешности от закручивания груза вокруг вертикальной оси (см. рис. 2, а) подвески Адмз, поскольку указанные погрешности взаимно независимы, то результирующая погрешность будет определяться в виде геометрической суммы
Arn, = л/Д
+д 2
1
Точка схода каната
ный на рис. 5. Угол отклонения груза от вертикальной оси по каждой координате горизонтального перемещения необходимо вычислять как среднее арифметическое от результатов измерения, полученных от двух датчиков.
Uz
ЛДМ _ V ДМН ^ "ДМЗ ,
- для канала измерения усилия в вертикальной плоскости из погрешностей силораспределения Адм, которые вызываются изменением точки введения силы или неравномерным распределением измеряемой силы по силовоспринимающей поверхности.
Для минимизации погрешности Адмн при измерении угла отклонения груза от вертикальной оси необходимо полное совпадение оси вала преобразователя угловых перемещений и оси качания груза, выполненное, например, с помощью механизма, изображенного на рис. 4.
Uz
I
Рис. 5. Схема размещения преобразователей угловых перемещений в каналах измерения усилия в горизонтальной плоскости
Как показали исследования [11], для стабилизации силокомпенсирующего усилия в системе вертикальных перемещений целесообразно использовать тензо-метрические датчики усилия, встраиваемые в силоиз-мерительную цепь с помощью силовводящих деталей типа шарнирная петля, внешний вид которой приведен на рис. 6. В этом случае, если обе стороны датчика снабжены силовводящими деталями, при растягивающей нагрузке неизбежно произойдет самоустановка датчика в направлении измеряемой силы. Это позволяет исключить влияние на показания датчика внешних моментов и поперечных сил, тем самым минимизировать погрешности силораспределения Адм при измерении усилия.
Рис. 4. Схема механизма совмещения оси вала преобразователя угловых перемещений с осью качания груза
На рис. 4 горизонтальное перемещение каната 1, проходящего через верхний направляющий блок 2, с помощью зажимных роликов 3 передается через состоящее из подвижных рычагов 4 водило, связанное жесткой муфтой 5 с валом преобразователя угловых перемещений 6. Вал преобразователя угловых перемещений и первый рычаг водила закреплены с помощью кронштейна 7 и опоры 8 таким образом, чтобы на вал преобразователя угловых перемещений передавалось только отклонение каната в плоскости верхнего направляющего блока, а возникающие при этом осевые и радиальные нагрузки на вал преобразователя угловых перемещений не передавались.
Для уменьшения погрешности Адмз каналы измерения усилия в горизонтальной плоскости в направлении, перпендикулярном продольной оси моста г, и в направлении длины моста х должны содержать по два преобразователя угловых перемещений на каждую координату измерения.
Схема расположения преобразователей угловых перемещений Пх и П при этом имеет вид, приведен-
Рис. 6. Шарнирная петля
На рис. 6 деталь 1 может поворачиваться в детали 2 относительно оси симметрии. Как правило, для этих целей применяются сферические подшипники.
Диапазон измерения усилия будет зависеть от значения максимального прилагаемого к объекту внешнего усилия ГВтях и значения силы статического сопротивления движению при перемещении объекта Тогда, задаваясь абсолютной погрешностью канала измерения усилия ДС = 0,1Рс , диапазон измерения
усилия будет составлять от ^тт = - Дд до ^тах = Рвтах + Дд . Диапазон измерения углов определяется аналогично, исходя из минимально и макси-
3
1
2
мально возможных углов отклонения объекта от вертикальной оси, при усилиях Fc и ^втах, вычисляемых при максимально и минимально возможных массах объекта соответственно.
Важной характеристикой ИИС является период опроса каналов измерений усилий. Анализ силовых и упругих взаимодействий в СКС показал, что математическое описание объекта управления в системах горизонтального и вертикального перемещений может быть представлено в виде двухмассовой электромеханической системы. При управлении такими системами следует обеспечить активное демпфирование упругих колебаний в механической передачи. Выполненные исследования показали, что для этого необходимо, чтобы период опроса сигнала по усилию в СКС не превышал 1/8 периода колебаний на резонансной частоте замкнутой СКС.
для иллюстрации эффективности работы спроектированной подсистемы измерения внешних силовых воздействий были получены осциллограммы работы системы горизонтальных и вертикальных перемещений, приведенные на рис. 7 и рис. 8.
Как видно из рис. 7, при закручивании канатов отсутствует перемещение по рассматриваемой координате, а при перемещении груза скорость движения ^ увеличивается до максимального значения. Причём, эффективность работы дифференциальной схемы измерения усилия в горизонтальной плоскости очевидна, если сопоставить участки осциллограмм при вращении груза в момент времени 5,0...7,5 с и перемещении груза в момент времени 15,5.17,5 с. Очевидно, что на указанных участках сигналы ф1 и ф2 с преобразователей угловых перемещений соизмеримы.
град 2,52,01,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0т -1,5 -2,0т -2,5
рад/с 305 262 -218 174 131 87 44 0 -44 -87 -131 -174 -218 -262
2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 Рис. 7. Перемещение груза в системе горизонтальных перемещений
22,5
с
Рис. 8. Перемещение груза в системе вертикальных перемещений
Однако на участках от 5,0 до 7,5 с отсутствует скорость движения моста (Q = 0), а на участке от 15,5 до 17,5 с скорость движения моста Q достигает 170 рад/с.
Как видно из рис. 8, при приложении к объекту обезвешивания усилия Fß = 100Н оно вызывает движение объекта вниз с постоянно возрастающей скоростью. Для исключения сильного удара объекта обезвешивания о жёсткое основание на высоте 0,5 м объект останавливался путем перевода при t = 4,5 c двигателей в режим динамического торможения.
Таким образом, выполненные исследования позволили получить следующие результаты:
- впервые для СКС сформулирована совокупность взаимообусловленных требований к статическим и динамическим характеристикам подсистемы косвенной оценки внешних силовых воздействий, входящей в ИИС;
- для обеспечения эффективной эксплуатации СКС разработаны каналы косвенной оценки внешних силовых воздействий в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Литература
1. Сбалансированные манипуляторы / И.П. Владов [и др.]: под ред. П.Н. Белянкина. М., 1988. 216 с.
2. Паршин Д.Я. Автоматизация и роботизация строительно-монтажных операций. Новочеркасск, 1988.
3. Пат. 2004230, приоритет от 26.12.91. Устройство-тренажёр передвижной восстановления функций опорно-двигательного аппарата при помощи ходьбы с регулируемой нагрузкой (Турист).
4. Тренажёр Гросса. URL: www.t-gross.ru.
Поступила в редакцию
5. 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.
6. Состояние, проблемы и пути совершенствования систем имитации невесомости для наземной отработки изделий космической техники / Г.Я. Пятибратов [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1995. № 3 - 4. С. 39-49.
7. Кравченко О.А. Принципы построения многофункциональных силокомпенсирующих систем // Изв. вузов. Электромеханика. 2008. № 3. С. 43-47.
8. Кравченко О.А., Пятибратов Г.Я. Создание систем оптимального управления усилиями в упругих передачах электромеханических комплексов. Новочеркасск. 1999. 107 с. Деп. в ВИНИТИ 03.03.99, № 637-В99.
9. Кравченко О.А. Управление электроприводами при учете реальных свойств механических передач. Новочеркасск, 2003. 73 с.
10. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. М., 1987. 224 с.
11. Кравченко О.А., Пятибратов Г.Я. Проблемы выбора и реализации силоизмерительных устройств для систем управления усилиями в механических передачах технологических машин. Новочеркасск, 1997. 41 с. Деп. в ВИНИТИ 11.12.97, № 3611-В97.
12. Кравченко О.А., Твердохлебов Н.Ф. Система автоматического контроля и регулирования силокомпенсирующих электромеханических комплексов. Новочеркасск. 2009. 79 с. Деп. в ВИНИТИ. 19.10.09, № 631-В2009.
13. Барылъник Д.В., Кравченко О.А. Проблемы и перспективы применения асинхронных электроприводов в системах регулирования усилий исполнительных механизмов // Изв. вузов. Электромеханика. 2008. № 3. С. 48 - 50.
13 января 2010 г.
Кравченко Олег Александрович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-10. E-mail: kravch@newmail.ru
Kravchenko Oleg Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Electric Drive and Automatic Equipment», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-10. E-mail: kravch@newmail.ru_
