WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|
  • обезвешивание оператора в скафандре общей массой до 200–250 кг;
  • перемещение по шести координатам в любую точку рабочего пространства в горизонтальной плоскости 5-30 м, в вертикальной плоскости 0,5-10 м;
  • сила трогания не более 1 % от действующей силы тяжести оператора;
  • сопротивление перемещению операторов не более 2 % от действующей силы тяжести;
  • перемещение обезвешиваемого объекта в любом направлении с линейной скоростью до 0,4 м/с и максимальным ускорением до 0,2 м/с2;
  • относительная ошибка воспроизведения требуемых ускорений не более 5 %;
  • одновременное проведение тренировок для двух операторов в скафандрах;
  • время сеанса моделирования невесомости до 4 часов.
  • высокая надежность, безопасность эксплуатации, удобство управления и обслуживания.

Анализ показал, что для повышения качества имитации невесомости и повышения эффективности функционирования тренажерных комплексов по подготовке космонавтов, их СКСТ целесообразно реализовывать на базе асинхронных частотно-регулируемых ЭП с векторным управлением моментом двигателя.

На основании выполненного анализа и результатов предварительных исследований обоснована цель и сформулированы задачи диссертационной работы.

Во втором разделе рассматриваются особенности математического описания СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП. При разработке математического описания СКСТ использовано ее поэлементное представление в виде механической, электрической и информационной частей.

С учетом реальных значений резонансных частот ЭМС и требуемого быстродействия ЭП обоснована целесообразность использования дискретных много массовых моделей при математическом описании упруго-диссипативных свойств механической части СКСТ.

Для корректного учета влияния упругости, зазоров и сил трения в механической передачи обоснована целесообразность применения трехмассовой расчетной схемы для исследования реальных свойств механической части СКСТ.

Исследования показали, что при использовании асинхронного двигателя (АД) основное действие сил трения сосредоточено в редукторе и составляет 1020 % от веса объекта, что необходимо учитывать в математической модели СКСТ.

Жесткость канатной передачи при перемещениях обезвешиваемого объекта не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от его длины в широких пределах, поэтому модель механической части СКСТ была дополнена выражением, позволяющим учесть влияние этого фактора.

При использовании в СКСТ современных частотно-регулируемых ЭП, реализующих векторное управление моментом с ориентацией по потокосцеплению ротора, систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные переходные процессы в АД с короткозамкнутым ротором, рекомендовано записывать в проекциях на оси системы координат (), вращающейся с электрической частотой поля статора, а вычисление электромагнитного момента АД осуществлять по выражению:, где, - коэффициент электромагнитной связи ротора; - число пар полюсов АД;, - проекции тока статора и потокосцепления ротора на соответствующие оси вращающейся системы координат ().

На основании выполненных исследований с учетом общепринятых допущений получена обобщенная математическая модель СКСТ в виде структурной схемы, показанной на рис. 2, где приняты следующие обозначения:,, – моменты инерции двигателя, барабана и объекта обезвешивания, разделенных упругими элементами;,,, – коэффициенты жесткости и демпфирования, учитывающие эквивалентные упругодиссипативные свойства механических передач; – минимальная жесткость канатной передачи при максимальной ее длине ;,, – скорости двигателя, барабана и объекта обезвешивания;,, – угловые положения вала двигателя, барабана и объекта обезвешивания; – эквивалентный зазор в приводном устройстве;, – приведенные к валу двигателя кинематические погрешности; – начальное значение углового положения вала двигателя, соответствующее длине канатной передачи ;, – электромагнитный момент двигателя и момент в упругой канатной передаче; – момент в упругом элементе между двигателем и барабаном;, – моменты создаваемые внешним возмущающим воздействием и весом обезвешиваемого объекта; – моменты сил трения; – электромагнитная постоянная времени статора АД; – электромагнитная постоянная времени ротора АД; эквивалентное активное сопротивление двигателя; – активное сопротивление обмотки статора; – активное сопротивление обмотки ротора; - коэффициент электромагнитной связи ротора;,, – полные индуктивности обмоток статора, ротора и цепи намагничивания; – общий коэффициент рассеяния двигателя;,, – электрическая частота вращения поля статора, ротора и вала двигателя;

, – передаточные функции регуляторов тока и потокосцепления;, – передаточные функции преобразователя при регулировании напряжения и частоты;, и – передаточные функции обратных связей по потокосцеплению ротора, току статора и канала измерения скорости; – сигнал задания, пропорциональный моменту. В приведенной математической модели все параметры и координаты ЭМС с упругими связями приведены к валу двигателя. На специально созданном стенде была выполнена активная идентификация параметров математической модели и экспериментально подтверждена ее адекватность реальным процессам в СКСТ.

В третьем разделе предложена и исследована рациональная структура ЭМС регулирования усилия при использовании асинхронного ЭП с векторным управлением, обоснована методика и решена задача синтеза управляющего устройства для СКСТ, реализуемых на базе цифровых ЭП.

В виду сложности исходной математической модели СКСТ решение задачи синтеза регулятора усилия предложено осуществлять поэтапно.

Был выполнен обзор и анализ существующих методов синтеза непрерывных и дискретно-непрерывных систем управления по возмущающему воздействию, в результате которого обоснован подход к синтезу регулятора усилия, включающий следующие этапы:

 определить структуру и параметры непрерывного регулятора усилия в линеаризованной СКСТ с использованием метода оптимального синтеза, основанного на трудах профессора Ю.П. Петрова;

Рис. 3 Частотные характеристики электроприводов.

 используя преобразование Тастина, получить дискретную передаточную функцию регулятора усилия;

 выполнить исследование влияния дискретности управления на показатели качества работы СКСТ и определить область рационального применения предлагаемой методики синтеза.

Анализ параметров механической части СКСТ с АД, применительно к тренажеру «Выход-2» показал, что при малых значениях отклонения координат для математического описания СКСТ допустимо использовать двухмассовую расчетную схему.

Экспериментальные исследования частотных характеристик замкнутого контура регулирования момента (см. рис.3) и тензометрического датчика усилия показали, что их динамические свойства могут быть аппроксимированы апериодическими звеньями вида:,.

Полагая действие момента от составляющей веса объекта скомпенсированным работой контура регулирования момента двигателя, структурную схему замкнутой системы регулирования усилия можно представить в приращениях в виде линейной математической модели, показанной на рис. 4. Обозначено: – радиус приведения;, – механические постоянные времени инерционных масс двигателя и объекта;, – постоянные времени, учитывающие эквивалентную жесткость и диссипативные свойства упругой канатной передачи;, - номинальные значения скорости и момента двигателя;, - коэффициент усиления и постоянная времени замкнутого контура регулирования момента;, - коэффициент усиления и постоянная времени датчика усилия; - передаточная функция регулятора усилия.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к тренажерным комплексам и полученными результатами экспериментальных исследований СКСТ, определены диапазоны возможного изменения параметров математической модели: 0,0340,039 с; 0,0290,073 с; 0,0760,461 с; 0,0010,002 с; 0,00040,001 с; 0,0020,003 с;, обобщенные коэффициенты;, постоянная времени и коэффициент демпфирования колебаний в упругой канатной передаче.

Анализ реальных параметров СКСТ с асинхронным ЭП показал, что постоянная времени датчика усилия. Это позволяет аппроксимировать динамические свойства канала обратной связи по усилию и замкнутого контура регулирования момента эквивалентной передаточной функцией вида:, где.

Для решения задачи синтеза оптимального регулятора усилия в рассматриваемой СКСТ, в соответствии с требованиями её функционирования, предложено минимизировать средний квадрат (дисперсию) отклонения момента в упругом элементе в течение времени выполнения оператором тренировочного задания. При решении задачи минимизации момента в соответствии с правилами решения изопериметрических задач вариационного исчисления предложено учитывать ограничения, накладываемые на мощность управляющего воздействия, определяемые коэффициентом Лагранжа m.

В этом случае минимизируемый функционал можно представить в виде:

При синтезе регулятора усилия необходимо учитывать свойства возмущающего воздействия, которые изменяются случайным образом. В случае использования частотных методов, влияние возмущающего воздействия удобно задавать в виде спектральной плотности мощности. При этом задачу синтеза оптимального регулятора усилия предлагается решать при действии на систему наиболее неблагоприятного воздействия, когда будет сосредоточена на резонансной частоте, на которой АЧХ замкнутой ЭМС имеет максимальное значение.

Исследования свойств рассматриваемой ЭМС с упругими связями, показали, что частота не постоянна, а существенно зависит от параметров канала регулирования усилия. Причем с повышением точности регулирования усилия резонансная частота замкнутой СКСТ увеличивается.

Поэтому синтез оптимального регулятора усилия был выполнен при внешнем воздействии, спектральная плотность мощности которого равномерно распределена по всем частотам полосы пропускания ЭМС (), что характерно для воздействия в виде «белого шума».

При решении задачи синтеза с использованием предлагаемого подхода, определена передаточная функция оптимального регулятора усилия:

и аналитические выражения для расчета его параметров:

; ; где обозначено:

; ; ;, ; ;,, ;,,.

Для исследования влияния дискретности управления на показатели качества работы СКСТ и определения области допустимого применения предлагаемой методики синтеза, с использованием преобразования Тастина, путем подстановки, была получена дискретная передаточная функция регулятора усилия:

где ; ; ; ; ;.

При исследовании дискретно-непрерывной модели системы регулирования усилия в канале обратной связи по усилию учитывались свойства квантователя по времени, расположенного после звена. Для согласования дискретной и непрерывной части системы, между звеньями и, использовался экстраполятор нулевого порядка с передаточной функцией.

Результаты исследований, полученные в виде зависимостей и, позволяют определить область рационального применения синтезированного регулятора усилия в цифровой СКСТ. Обозначено:, - частота Найквиста, - полоса частот пропускания замкнутой системы регулирования усилия; - период квантования в системе.

Табл.1 Параметры оптимального регулятора

, %

, рад/с

, с

, с

2,5

122,93

34,15

0,0153

0,0022

9,6

56,12

7,52

0,0327

0,0027

17,2

40,17

3,34

0,0494

0,0029

Моделирование СКСТ выполнялось при следующих параметрах: с; с; с; с; с; с; ; с; с; рад/с; ; ;. Параметры оптимальных регуляторов усилия, представлены в табл.1 при различных значениях ошибки регулирования усилия, рассчитываемой по выражению:. Для вычисления частоты, использовалось аналитическое выражение:, где ;,,.

Для примера, на рис.5 показаны графики переходных процессов усилия при ступенчатом возмущающем воздействии в СКСТ, обеспечивающей ошибку регулирования усилия %.

Анализ результатов исследований позволил оценить влияние дискретности управления на динамические свойства замкнутой системы регулирования усилия и определить область рационального применения предлагаемой методики синтеза регулятора усилия в дискретно-непрерывной СКСТ:

  • при цифровая система регулирования усилия практически соответствует свойствам непрерывной системы, поэтому применение разработанной методики синтеза обеспечит требуемые показатели качества переходных процессов с перерегулированием по усилию не более 8 %;
  • при применение разработанной методики синтеза допустимо, однако из-за дискретности управления возможно увеличение перерегулирования по усилию до 1215 %;
  • при предлагаемый подход к синтезу регулятора усилия применять не рекомендуется.

а) б)

Рис.5 Графики переходных процессов в разомкнутой (а)
и замкнутой (б) системе регулирования усилия.

При реализации СКСТ с использованием современного ЭП переменного тока, подключение аналогового датчика усилия к микропроцессорной системе управления необходимо осуществлять через аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который имеет нелинейную характеристику, осуществляя квантование входного сигнала по уровню. Определено, что при разрядности АЦП выше 15 бит, квантование по уровню не оказывает существенного влияние на качество регулирования усилия и его можно не учитывать.

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.