Создание и исследование электромеханических систем регулирования усилий стендов имитации невесомости

Наземная отработка динамики космических манипуляторов, кинетики процессов стыковки, раскрытия и сборки крупногабаритных космических конструкций (КГКК), предназначенных для работы в условиях частичной или полной невесомости, обучение космонавтов выполнению работ на космических станциях становятся всё более ответственным, трудоёмким и дорогостоящим этапом создания космической техники.

Опыт пилотируемой космонавтики показывает, что наиболее эффективным средством подготовки космонавтов к полётам на пилотируемых космических аппаратах являются тренажеры [1, с. 184−185]. Данное обстоятельство ставит вопросы их развития в число актуальных проблем, особенно в настоящее время, когда происходит переход к использованию для освоения космического пространства многосегментных орбитальных пилотируемых станций нового поколения. Такой станцией является создаваемая к 2002 году на основе национальных программ России, США и других стран международная космическая станция (МКС) «Альфа» .

Повышение надежности космической техники определяет необходимость проверки её работоспособности в земных условиях [2]. Для этой цели необходимо создавать специальные стенды, которые позволяли бы воспроизводить динамику манипуляторов и КГКК с параметрами, близкими к работе в условиях невесомости [3].

Сложный процесс создания и развертывания МКС требует внесения корректив в существующие процессы подготовки космонавтов. Так, при сборке МКС необходимо будет осуществить большое количество работ на внешней поверхности станции — в открытом космосе — на удаление от нее, выполняемых непосредственно с участием космонавтов. Поэтому обучение космонавтов элементам внекорабельной деятельности (ВКД) в земных условиях с применением штатного технологического оборудования и скафандров при моделировании различных нештатных ситуаций является важной и актуальной задачей [1, с. 89−91].

Высокие требования к космической технике, необходимость повышения её управляемости при усложнении решаемых задач обуславливают необходимость разработки новой концепции её испытаний и совершенствования тренажерной базы подготовки космонавтов, способной обеспечить получение устойчивых навыков при комплексной наземной отработке различных операций ВКД. Все это предопределяет необходимость освоения новых подходов к имитации невесомости в земных условиях.

В зависимости от целей и задач тренировок требуется воспроизведение полной или частичной невесомости объектов, когда параметры движения, влияния внешней среды, психофизиологические и другие факторы соответствуют реальным, или реализация безопорного пространства, когда испытуемый объект имеет возможность перемещаться в любую точку рабочего пространства под действием незначительных усилий [4].

Рассмотрение различных подходов, методов и способов имитации невесомости показывает [1, 3, 4], что решение изложенных выше задач целесообразно осуществлять с применением метода обезвешивания, который можно реализовать с использованием активных силокомпенсирующих способов, разделяя сложные пространственные перемещения объекта на составляющие в плоскостях — горизонтальной и вертикальной, вращения и качания объекта относительно его центра масс — и компенсации влияния гравитационных и других сил, препятствующих движению по всем степеням свободы.

Созданный в конце 90-х годов в Российском государственном научно-исследовательском испытательном центре подготовки космонавтов (РГНИИЦПК) им. Ю. А. Гагарина с использованием пассивных способов обезвешивания тренажер «Выход» не удовлетворяет на сегодняшний день уровню тренировок по современным пилотируемым программам полетов, так как позволяет осуществлять перемещение только по трем координатам и с большой ошибкой воспроизводит динамику поведения объекта в условиях невесомости. Для улучшения технических характеристик и расширения функциональных возможностей подобных тренажеров предлагается использовать активные силокомпенсирующие системы, реализованные с помощью электроприводов и системы регулирования усилия. Наиболее сложные задачи здесь необходимо решать при создании системы вертикального перемещения (СВП) обезвешиваемого объекта, которая должна осуществлять компенсацию сил тяжести, трения и устранять влияние дополнительно присоединенных масс механики стенда. Создание эффективных электромеханических систем (ЭМС) регулирования усилия для СВП перспективных тренажеров является важной, актуальной задачей, требующей теоретических и экспериментальных исследований. Для создания таких стендов имитации невесомости требуется решить следующие задачи:

— обосновать основные показатели качества имитации невесомости при использовании метода обезвешивания и определить их взаимосвязь с параметрами активной силокомпенсирующей ЭМС регулирования усилия;

— выбрать и обосновать рациональную кинематическую схему и силовую часть электропривода СВП, которые обеспечивали бы требуемые показатели качества имитации невесомости;

— реализовать информационное обеспечение электропривода и рабочей зоны стенда, необходимое для достижения требуемых функциональных возможностей СВП;

— определить рациональную структуру ЭМС регулирования усилия в подвеске обезвешиваемого объекта;

— составить математическую модель СВП и определить её параметры;

— синтезировать регулятор усилия, обеспечивающий требуемые качественные показатели работы СВП;

— выполнить исследования СВП в статических и динамических режимах работы;

— предложить рекомендации и методы практической настройки ЭМС регулирования усилия;

— проработать вопросы безопасного функционирования СВП в составе тренажерного комплекса;

— разработать функциональные и принципиальные схемы системы управления.

СВП;

— реализовать СВП и выполнить экспериментальные исследования в различных режимах работы.

В результате проделанной работы получена следующая научная новизна:

— на основе анализа существующих способов имитации невесомости в земных условиях определена область рационального применения для этих целей активных си-локомпенсирующих систем;

— определены показатели качества имитации невесомости и установлена их взаимосвязь с параметрами активной силокомпенсирующей системы, реализованной с помощью ЭМС регулирования усилия;

— предложена рациональная структура системы регулирования усилия в упругих элементах ЭМС, отличающаяся от существующих наличием канала компенсации противоЭДС двигателя и применением в ней нелинейного управления, осуществляющего компенсацию влияния трения в механике СВП;

— показана целесообразность представления обобщенной математической модели СВП в виде двухмассовой электромеханической системы с учетом трения на первой массе, реализацией системы управления с каналом компенсации противоЭДС, контурами регулирования тока двигателя и усилия в механической передаче;

— впервые решена задача оптимального синтеза регулятора усилия в ЭМС с упругими связями (УС), предназначенной для компенсации силы тяжести с учетом наиболее неблагоприятных возмущений и ограничений, накладываемых на мощность управляющего воздействия при достижении требуемых качественных показателей функционирования СВП;

— определены условия и области целесообразного применения в СВП упрощенного регулятора усилия, синтезированного с использованием методов оптимального управления.

Практическая ценность выполненных исследований заключается в следующем:

— предложены рекомендации по выбору рациональных кинематических схем и элементов силовой части электропривода;

— создана физическая модель системы компенсации силы тяжести, которая позволяет экспериментально исследовать возможности различных технических решений;

— предложены рекомендации по выбору датчика усилия, встройке его в силоиз-мерительную цепь и сопряжению с системой управления;

— предложены способы экспериментального определения параметров двухмассовой электромеханической модели, разработаны методы настройки канала компенсации противоЭДС и нелинейного управления в системе регулирования усилия;

— разработаны технические предложения и схемные решения, повышающие безопасность функционирования СВП тренажеров по обучению космонавтов.

Таким образом к защите представляются следующие основные положения:

— методика оценки количественных показателей имитации невесомости в зависимости от параметров неизменяемой части СВП и точности ЭМС регулирования усилия;

— структура системы регулирования усилия, обеспечивающая требуемую точность компенсации силы тяжести;

— рекомендации по определению структуры и параметров оптимального регулятора усилия при использовании многофакторного подхода и практической реализуемости при изменении параметров объекта управления при работе СВП;

— условия применения упрощенного регулятора усилия, полученного методами оптимального управления;

— методы и способы практической идентификации параметров механизма СВП и настройки ЭМС регулирования усилия при компенсации силы тяжести.

Данные исследования проводились в соответствии с государственным контрактом № 041−8543/97 от 10.04.97 между Российским космическим агентством и РГНИИЦПК им. Ю. А. Гагарина. В результате хоздоговорных работ между центром тренажёростроения (Москва) и Новочеркасским государственным техническим университетом (НГТУ) (г. Новочеркасск) по Госконтракту № 041−8543−9.1−52−236.96 были получены следующие результаты:

— разработана и реализована штатная СВП в составе полномасштабного макета устройства обезвешивания скафандров «Орлан-МТ» тренажёра «Выход» ;

— проведены полномасштабные испытания устройства обезвешивания скафандров «Орлан-МТ» тренажёра «Выход», которые позволили сделать заключение о правильности принятых технических решений (техническое решение № ЦТ-25.03.97/9.1);

— разработана и передана заказчику конструкторская документация на СВП устройства обезвешивания скафандров «Орлан-МТ» тренажёра «Выход» .

В НГТУ на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭАПУиТК) создан лабораторный стенд по физическому моделированию и исследованию электромеханических систем регулирования усилий в упругих передачах. На основании разработанных методик по исследованию и идентификации параметров поставлены и внедрены в учебный процесс лабораторные работы «Идентификация параметров электромеханической системы с упругими связями» и «Физическое моделирование системы регулирования усилий в упругих механических передачах» по дисциплине «Моделирование электромеханических систем» для студентов специальности 1804. Для выполнения этих лабораторных работ написаны и опубликованы методические указания [5]. Кроме этого, результаты работы использовались на кафедре ЭАПУиТК НГТУ при выполнении студентами учебно-исследовательских работ и дипломных проектов.

Основные положения работы доложены и обсуждены на II международной конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (4−6 июня 1997 г., ВЭлНИИ, г. Новочеркасск), III международной научно-практической конференции «Пилотируемые полёты в космос» (11−12 ноября 1997 г., РГНИИЦПК им. Ю. А. Гагарина, Звёздный городок), IV Российской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (8−9 октября 1998 г., ТРТУ, г. Таганрог), Российском научно-практическом семинаре «Технические средства и технологии для построения тренажёров» (3−4 апреля 1996 г., РГНИИЦПК им. Ю. А. Гагарина, Звёздный городок), XIX сессии Российского семинара «Кибернетика электрических систем» (8−9 октября 1997 г., НГТУ, г. Новочеркасск), научно-технических конференциях НГТУ, кафедр ЭАПУиТК и электрических, электронных и микропроцессорных аппаратов 1995;1999 г. г., объединенном заседании кафедр электроснабжения промышленных предприятий и теоретической электротехники КубГТУ (г. Краснодар).

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований по созданию ЭМС регулирования усилия стендов имитации невесомости заключаются в следующем.

1. Анализ различных подходов к имитации невесомости показал, что применение метода обезвешивания, выполненного с использованием силокомпенсирующего способа, является наиболее перспективным при подготовке и обучении космонавтов различным задачам ВКД, связанным с длительным использованием аналогов штатных скафандров и различного электрического оборудования на натурных моделях космической техники.

2. Обоснована необходимость модернизации имеющегося в РГНИИЦПК им. Ю. А. Гагарина тренажера «Выход» путем повышения его технических показателей и реализации сложных пространственных перемещений с шестью степенями подвижности. Показано, что создание СВП целесообразно осуществлять с помощью системы регулирования усилия.

3. Предложено оценивать степень имитации невесомости по ошибкам воспроизведения движения и величине силы трогания. Получены выражения, определяющие взаимосвязь этих ошибок с параметрами ЭМС регулирования усилия, показано, что основным реально возможным направлением для их уменьшения является построение высокоточных систем регулирования усилия.

4. Выбраны и обоснованы рациональная кинематическая схема и силовая часть электропривода СВП с использованием высокомоментных электродвигателей постоянного тока, способных развивать номинальный момент при нулевой скорости, и ши-ротно-импульсных преобразователей напряжения, обеспечивающих требуемое быстродействие ЭМС. Это позволило при практической реализации СВП осуществить удержание объекта на весу при эффективном демпфировании упругих колебаний.

5. Теоретические и экспериментальные исследования на физической модели СВП показали возможность использования математической модели СВП в виде двух-массовой электромеханической системы при учете трения только на первой массе.

6. Предложена рациональная структура системы регулирования усилия, состоящая из отрицательной обратной связи по току, канала компенсации противоЭДС двигателя, главной обратной связи по усилию в подвеске обезвешиваемого объекта, нелинейного устройства, снижающего влияние сил трения.

7. Выполнен синтез оптимального регулятора усилия по критерию среднеквадратичной ошибки с учетом наиболее неблагоприятных возмущающих воздействий и возможностей практической реализации. Получены аналитические выражения парата /оЧ, (Т13 + 1)(ТКТ$ + 1) тг метров синтезированного регулятора вида ЖРу (8)=кру~гА—^. Предло.

Т28+1)(Та8 + 1) жена и практически апробирована методика определения его параметров с учетом требуемой полосы пропускания частот ЭМС, заданной ошибки регулирования усилия, реального быстродействия’элементов системы управления и максимально возможной мощности управляющего воздействия.

8. Определены границы применимости синтезированного регулятора усилия в СВП тренажерных комплексов. В частности, показано, что контур регулирования тока двигателя должен иметь полосу пропускания частот не менее (оКТ =200−280 рад/с и перерегулирование сг=5−15%- датчик измерения усилия должен иметь полосу пропускания частот по крайней мере в два раза шире, чем частота среза контура регулирования усилия, при реальных изменениях параметров объекта регулирования нет необходимости в применении адаптивного управления.

9. Показано, что при мало различающихся постоянных времени демпфирования Т^ и замкнутого контура регулирования тока Ткт возможно применение упро.

Т 8 + 1 щенного регулятора усилия с передаточной функцией 1¥-уру (3) = кру —-. Прак.

Т28 + 1 тическая реализация такого регулятора подтвердила возможность достижения заданных качественных показателей функционирования СВП.

10. Разработаны и апробированы на практике технические решения и мероприятия, повышающие безопасность функционирования СВП, которые заключаются в необходимости:

— иметь канатную передачу в две ветви с балансиром, что позволит удерживать скафандр с космонавтом на весу в случае обрыва одной из них;

— применять электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов для обеспечения возможности реализации динамического торможения;

— обеспечить режим динамического торможения двигателя для получения безопасной скорости опускания скафандра при срабатывании любой из защит или отключении питания;

— использовать электромагнитный тормоз для удержания объекта на весу при выходе из строя электродвигателей или цепи динамического торможения;

— установить концевые выключатели, обеспечивающие прекращение функционирования СВП при выходе космонавта за границу рабочей зоны;

— реализовать защиты от потери управления, при исчезновении сигнала задания на усилие в канатах, превышения максимально допустимой скорости, исчезновения сигналов с датчиков тока и усилия;

— обеспечивать перевод двигателя в режим динамического торможения при срабатывании любой из существующих защит преобразователя.

11. Выполненные экспериментальные исследования штатной СВП подтвердили теоретические положения и показали правильность предложенных технических решений, позволивших получить ошибку регулирования усилия 8У =5,9%, величину силы трогания Рт =2,8 Н.

12. Результаты, полученные в процессе проделанной работы:

— позволили создать штатную СВП, соответствующую техническим требованиям, предъявляемым РГНИИЦПК им. Ю. А. Гагарина;

— использованы при разработке рабочей конструкторской документации на устройство обезвешивания тренажерных скафандров типа «Орлан-МТ» ;

— внедрены в учебный процесс кафедры ЭАПУиТК ЮРГТУ (НПИ) в виде лабораторного стенда для экспериментальных исследований электромеханических системы с упругими механическими передачами и методических указаний к лабораторному практикуму [5], рекомендованы рабочей программой дисциплины «Моделирование электроприводов» для использования студентами специальности 180 400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.