WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Активные силокомпесирующие электромеханическ ие систем ы сбалансированных манипуляторов

На правах рукописи

Сухенко Николай Александрович

АКТИВНЫЕ СИЛОКОМПЕСИРУЮЩИЕ
ЭлектромеханическИЕ системЫ
СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ

05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2011

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматика» в федеральном государственном бюджетном образовательном 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 Птах Геннадий Константинович,

кандидат технических наук, профессор Валюкевич Юрий Анатольевич.

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 11 ноября 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ВАК http://www.ed.gov.ru и ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан _10__ октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета П.Г. Колпахчьян

Актуальность работы. Применение сбалансированных манипуляторов (СМ) для механизации ручного труда, позволяет повысить эффективность выполнения основных и вспомогательных технологических операций литейных, механических, сборочных и других производств. В существующих СМ позиционирование исполнительного органа осуществляется рабочим посредством воздействия на рукоятку задатчика скорости в системе управления электропривода (ЭП), осуществляющей с требуемой точностью регулирование частоты вращения электродвигателя. Стремление уменьшить материалоемкость и энергопотребление обуславливает необходимость создания СМ облегчённой конструкции приводит к снижению жёсткости их конструкций, что обуславливает влияние упругостей механизмов на их работу, так как резонансные частоты механических колебаний попадают в полосу пропускания электропривода. Упругость механических передач и конструкций СМ приводит к повышению колебательности скорости, что способствует увеличению динамических нагрузок и ухудшению работы манипулятора. Повышение производительности работы СМ требует увеличения необходимого быстродействия их электроприводов.

Используемые типовые системы управления электроприводов СМ, не позволяют обеспечить требуемой точности отработки задания скоростных режимов и позиционирования перемещаемых объектов при наличии упругих связей в механической части системы, зазоров и кинематических погрешностей зубчатых передач. Поэтому разработка и создание эффективных электромеханических систем, обеспечивающих уравновешивание грузов благодаря регулированию усилий при демпфировании упругих колебаний исполнительных устройств СМ, является важной и актуальной задачей. Тема диссертационной работы соответствует научному направлению Южно–Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) / «ЮРГТУ (НПИ)»/ «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы, комплексы».

Объектом исследования является силокомпенсирующие электромеханические системы с повышенными колебательными свойствами, обусловленными упругостью механических передач.

Предметом исследования является система регулирования усилия в исполнительном механизме сбалансированных манипуляторов, осуществляющая заданную компенсацию силы тяжести груза и других сил сопротивления движению.

Цель диссертационной работы: повышение эффективности функционирования сбалансированных манипуляторов, благодаря применению электромеханических систем регулирования усилий, обеспечивающих необходимую компенсацию силы тяжести груза и активное демпфирование электроприводом колебаний в упругих механических передачах.

Задачи диссертационной работы:

  • определить требования к активным силокомпенсирующим системам СМ, используемых при механизации различных технологических процессов;
  • определить рациональную структуру системы регулирования усилия СМ при компенсации силы тяжести груза;
  • выбрать элементы электромеханической системы СМ, позволяющей с требуемой точностью уравновешивать груз и обеспечивать активное демпфирование электроприводом упругих колебаний в механических передачах;
  • разработать математические модели электромеханической системы СМ, учитывающие силовые взаимодействия в механизмах вертикальных перемещений груза СМ, позволяющие решить задачи анализа и синтеза силокомпенсирующей системы;
  • создать физическую модель силокомпенсирующей системы СМ для исследований силовых взаимодействий в ЭМС и подтверждения адекватности разработанного математического описания;
  • осуществить синтез структуры и параметров регулятора усилия в системе компенсации силы тяжести груза СМ и определить условия его практической реализации;
  • разработать технические решения по реализации системы управления компенсацией силы тяжести груза СМ и предложить рекомендации по ее практической настройке;
  • определить перспективы развития электроприводов СМ и их систем управления.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы теория электропривода, теория автоматического управления, операционное и вариационное исчисления, методы активной идентификации параметров систем управления, физическое и математическое моделирование в частотной и временной областях с применением ПЭВМ.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, корректным применением теоретических и экспериментальных методов исследования ЭМС, адекватностью используемых при исследованиях математических моделей и экспериментальным подтверждением основных полученных результатов.

Научная новизна диссертационной работы:

  • впервые научно обоснована целесообразность применения принципа силокомпенсации для заданной сбалансированности груза СМ с помощью электромеханической системы;
  • обоснована структура системы компенсации силы тяжести (СКСТ) груза СМ, отличающаяся применением обратной связи по ускорению приводного устройства, что обеспечивает уменьшение влияния механической инерционности приводного устройства на работу манипулятора;
  • с использованием методов вариационного исчисления выполнен оптимальный синтез регулятора усилий в предложенной структуре системы управления, позволяющий обеспечить требуемые показатели качества работы манипулятора и расширить их функциональные возможности;
  • определены условия и оценена эффективность применения активного ограничения динамических нагрузок в упругих элементах СКСТ СМ средствами ЭП;
  • обоснованы области рационального применения современных ЭП для создания СКСТ перспективных СМ.

Практическое значение диссертационной работы:

  • рекомендована рациональная структура СКСТ и получены аналитические выражения для расчета параметров оптимального регулятора усилия в системе с обратной связью по ускорению приводного устройства;
  • реализован в математической системе MAPLE V алгоритм практического определения значений параметров регулятора усилия, при изменении параметров ЭМС СМ;
  • предложены инженерные рекомендации по настройке регулятора усилия, позволяющие реализовать качественное управление усилием в реальных условиях работы СМ при изменении параметров механической части СМ;
  • создан универсальный стенд, позволяющий экспериментально исследовать ЭМС СМ и сопоставлять возможности существующей системы регулирования скорости электродвигателя и предложенной системы компенсации силы тяжести груза.

К защите представляются следующие основные положения:

  • структура системы регулирования усилия в упругих механизмах СМ, обеспечивающая требуемое уравновешивание груза манипулятора;
  • обобщенная математическая модель СКСТ, адекватно описывающая электромагнитные и упругие силовые взаимодействия в ЭМС с учетом реальных свойств механических передач СМ;
  • результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективности применения обратной связи по ускорению электродвигателя;
  • методика и результаты синтеза оптимального регулятора усилия в структуре СКСТ обратной связи по ускорению электродвигателя;
  • результаты исследования предложенных методов и способов реализации СКСТ СМ, определение области рационального применения современных ЭП и перспективы развития предлагаемых СКСТ манипуляторов.

Использование результатов диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы использованы при создании СКСТ грузоподъемных механизмов и при обучении студентов «ЮРГТУ (НПИ)» по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на III (25 октября 2002 г.) Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (г. Новочеркасск), V (18–21сент. 2007 г.) Международной (XVI Всероссийской) научной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП 2007» (г. Санкт–Петербург), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ЮРГТУ (НПИ) в 20032011 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано одиннадцать печатных работ общим объемом 5п.л., в том числе три статьи в журналах, рекомендованных ВАК, одна депонированная научная статья.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации: 184 страниц основного текста, 51 рисунка, 8 таблиц, 8 страниц списка используемой литературы из 81 наименования, 1 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.

В первом разделе диссертационной работы рассмотрены различные конструкции, принцип действия, основные технические характеристики и области применения СМ.

Особенность функционирования существующих сбалансированных манипуляторов заключается в том, что перемещение и позиционирование груза осуществляется рабочим при изменении задающего воздействия на вход контура регулирования скорости ЭП.

Выполненный нами анализ показал, что наибольшее распространение получили манипуляторы с электроприводом системы вертикальных перемещений (СВП) и пассивной системой горизонтальных перемещений груза. Для обеспечения высоких технических характеристик СМ необходимо реализовать следующие требования к исполнительному приводу СВП:

  • исходя из необходимости контроля положения перемещаемого объекта рабочим, привод механизма СВП манипулятора должен обеспечивать вертикальные перемещения груза с допустимыми скоростями и ускорениями и его фиксацию с высокой точностью;
  • работа манипулятора с хрупкими и крупногабаритными изделиями в ограниченных рабочих местах обуславливает необходимость плавного изменения скорости манипулятора без рывков, вибраций и просадок груза;
  • максимальная скорость вертикального перемещения vmах зависит от высоты зоны обслуживания и условий безопасной работы;
  • время переходного процесса tп при реализации рабочего цикла манипулятора не должно превышать 1,0…2,0 с;
  • грузоподъемность СМ с электроприводом составляет 100–250 кг;
  • уменьшение отрицательного влияния упругости механической передачи, с помощью электропривода;
  • необходимость контроля и ограничения ускорения привода в пуско–тормозных режимах с целью снижения динамических нагрузок в его механической части.

Анализ показал, что в существующих СМ эти требования обеспечивают электроприводы с непрерывным управлением скоростью двигателя.

Исследования и опыт эксплуатации СМ показал, что на качество работы манипуляторов оказывает влияние наличие упругих связей в конструкции их механической части. Для манипуляторов с ЭП частота упругих колебаний электромеханической системы У составляет от 20 до 60 рад/с, а коэффициент соотношения масс = (JД +JМ)/ JД =1,11,5, где JД  – момент инерции двигателя; JМ - момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя. Так как обычно JД > JМ, то при возмущающих силовых воздействиях колебания грузового блока манипулятора существенно выше, чем колебания вала двигателя, что необходимо учитывать при реализации системы управления электропривода.

Использование в системах управления электроприводом СМ информации об усилии позволяет осуществлять уравновешивание статической нагрузки груза моментом, развиваемым электроприводом. Такие технические решения используются, например, при реализации систем компенсации силы тяжести обезвешиваемых объектов тренажных комплексов. В силокомпенсирующих системах СМ эффект обезвешивания груза достигается благодаря созданию электродвигателем требуемого силового воздействия, компенсирующего силу тяжести и другие усилия, препятствующие перемещению груза рабочим.

Для улучшения работы манипуляторов, имеющих упругие связи, необходимо применять активные способы демпфирования колебаний в упругих механических передачах и конструкциях, благодаря созданию дополнительных силовых воздействий осуществляемых электроприводом.

При реализации таких систем, необходимо иметь информацию о реальных нагрузках в упругих элементах (УЭ) исполнительных механизмов манипулятора, что требует применения датчиков измерения усилий и реализации дополнительных обратных связей.

На основании выполненного анализа и результатов предварительных исследований сформулирована цель и определены задачи диссертационной работы.

Во втором разделе рассматриваются особенности математического описания СКСТ сбалансированного манипулятора. При разработке математического описания ЭМС СМ использовано ее поэлементное представление в виде механической, электрической и информационной частей.

Рис. 1 – Кинематическая схема исполнительного устройства и передаточного механизма СМ

Анализ кинематических и расчетных схем приводов сбалансированных манипуляторов показал, что наибольшее распространение получила кинематическая схема рычажного механизма на основе пантографа (рис. 1), которая может обеспечивать постоянную нагрузку на привод от полезного груза независимо от положения последнего в пределах зоны обслуживания и возможность перемещения груза по необходимым траекториям в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

С учетом реальных значений резонансных частот механической части манипуляторов и требуемого быстродействия ЭП обоснована целесообразность использования при математическом описании упруго-диссипативных свойств механической части СКСТ СМ дискретных многомассовых расчетных схем.

Анализ особенностей реализации и реальных параметров механической части ЭМС СМ показал, что для корректного учета влияния упругости, зазоров и сил трения в механической передачи, целесообразно примененять трехмассовые или четырехмассовые расчетные схемы для исследования реальных свойств механической части СКСТ груза сбалансированного манипулятора. Однако для упрощения решения задач анализа и синтеза СКСТ при принятии корректных допущений, при описании свойств СМ обоснована возможность применения линейной двухмассовой расчетной схемы.

Проанализировав особенности функционирования СМ и требования, предъявляемые к его СВП с ЭП постоянного тока, определена структура обобщенной системы регулирования усилия в СКСТ, приведенная на рис. 2, в которой учтены необходимые обратные связи, трение на валу двигателя, зазоры в механической передаче и где приняты следующие обозначения:, – механические постоянные времени инерционных масс двигателя и объекта манипулирования;,,, – скорости и углы поворота двигателя и груза; – эквивалентный зазор в передаточном устройстве ЭП, приведенный к валу двигателя;,  – ЭДС преобразователя и двигателя; – активная составляющая момента нагрузки; – момент трения двигателя;, – моменты двигателя и в упругом элементе; – электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя; – коэффициент передачи двигателя; – коэффициент пропорциональности между скоростью и ЭДС двигателя; – коэффициент передачи датчика тока (момента) двигателя;,,, – передаточные функции регулятора тока, преобразователя, канала компенсации противоЭДС двигателя и канала положительной обратной связи (ПОС) по ускорению двигателя;, – передаточные функции регулятора и датчика усилия;,,, – сигналы канала компенсации противоЭДС двигателя, обратных связей по току, усилию и ускорению; – сигнал задания на усилие в подвеске груза. В приведенной математической модели все параметры и координаты ЭМС СМ приведены к валу двигателя.

Проанализировав условия функционирования и технические требования, предъявляемые к механизмам СМ с электроприводом были определены возможные параметры математической модели СКСТ манипуляторов.

Для выполнения комплекса исследований по изучению свойств объекта управления, уточнения математического описания, апробирования методов идентификации параметров объекта управления была создана физическая модель системы компенсации силы тяжести груза СМ, на которой были выполнены необходимые исследования и подтверждена адекватность предлагаемой математической модели манипулятора.

В третьем разделе обоснована и исследована рациональная структура СКСТ СМ, разработана методика решения задачи синтеза регулятора усилия.

Анализ особенностей функционирования ЭМС СМ показал, что для обеспечения требуемого качества работы манипулятора приходится рассматривать сложный, с нелинейными характеристиками и переменными параметрами объект управления, обладающий колебательными свойствами и работающий в условиях случайных внешних воздействий, что крайне осложняет задачу синтеза таких систем. Поэтому синтез СКСТ СМ предложено осуществлять поэтапно, в следующей последовательности: обосновать структуру СКСТ СМ; осуществить выбор метода синтеза СКСТ; выполнить линеаризацию математической модели СКСТ СМ; решить задачу синтеза оптимального регулятора усилия; исследовать влияние изменения значений параметров ЭМС СМ, оценить влияние принятых допущений и сил трения на качество регулирования усилия; выполнить исследования на уточненной математической модели СКСТ СМ и определить достигнутые показатели качества работы манипулятора.

Анализ требований к реализации СКСТ СМ показал, что для регулирования усилия с погрешностью 1-2% и эффективного демпфирования колебания в упругих элементах механизма манипулятора, целесообразно использовать обратную связь по усилию в подвеске груза. Причем для удобства практической реализации такой системы, целесообразно использовать сигнал отклонения усилия от заданного веса груза. Такое техническое решение упрощает настройку СКСТ СМ и позволяет при исчезновении сигнала обратной связи по усилию осуществлять удержание груза на весу с помощью электропривода.

С учетом особенностей функционирования СМ и требований, предъявляемых к его СВП, определена рациональная структура системы регулирования усилия, в которой реализована главная обратная связь по усилию в исполнительном устройстве, положительная обратная связь по ускорению двигателя, влияние противоЭДС двигателя скомпенсировано введением положительной обратной связи по скорости двигателя, функции токоограничения и стабилизации момента обеспечивает отрицательная обратную связь по току двигателя.

Для решения задачи синтеза СКСТ, при учете возмущающих воздействий, была линеаризована математическая модель электропривода СВП сбалансированного манипулятора, которая представлена в виде структурной схемы на рис. 3, при учете следующих допущений:

  • влияние ЭДС двигателя полностью скомпенсировано каналом с передаточной функцией ;
  • свойства замкнутого контура регулирования тока аппроксимированы апериодическим звеном первого порядка ;
  • каналы измерения усилия и ускорения безынерционные с передаточными функциями,.

Рис. 3 Линеаризованная структурная схема СКС СМ

На рис. 3 введены обозначения :, – механические постоянные времени инерционных масс двигателя и груза;, – постоянные времени, учитывающие эквивалентную жесткость и диссипативные свойства упругой механической передачи; – номинальные значения скорости и момента двигателя; – коэффициент усиления и постоянная времени контура регулирования тока; – коэффициенты передачи канала обратной связи по ускорению двигателя и датчика усилия; – передаточная функция регулятора усилия.

При решении задачи синтеза обратной связи по ускорению двигателя с использованием алгебраических условий устойчивости, было определено граничное значение коэффициента передачи k гр ТД/ kКТ.

Введение положительной обратной связи по ускорению двигателя в данном случае уменьшает эквивалентное значение постоянной времени двигателя ТДЭ = ТД – k kКТ, где kКТ – коэффициент передачи замкнутого контура тока, тем самым позволяет снижать ошибку регулирования усилия при движении груза.

Выполненный обзор и анализ существующих методов синтеза систем управления показал, что синтез регулятора усилия целесообразно выполнить с использованием методов оптимального управления, основанных на трудах профессора Ю.П. Петрова.

Для решения задачи синтеза оптимального регулятора усилия в рассматриваемой СКСТ СМ, в соответствии с требованиями её функционирования, предложено минимизировать средний квадрат (дисперсию) отклонения момента в упругом элементе в течение времени выполнения рабочим перемещения груза. При решении задачи минимизации момента в соответствии с правилами решения изопериметрических задач вариационного исчисления предложено учитывать ограничения, накладываемые на мощность управляющего воздействия Uу, определяемые коэффициентом Лагранжа m. В этом случае минимизируемый функционал можно представить в виде:

Решение задачи синтеза с использованием предлагаемого подхода, позволило определить передаточную функцию оптимального регулятора усилия:

и аналитические выражения для расчета его параметров:

; ; ; ;,

где обозначено:

; ; ; ;; ;

; ; ; ;

; ; ;, ;

; ;.

В математической системе MAPLE V был реализован алгоритм расчета значений параметров синтезированного регулятора при конкретных значениях параметров СКСТ СМ, коэффициента Лагранжа и требуемого значения ошибки регулирования усилия.

Рис. 4 Зависимость ошибки регулирования усилия от коэффициента положительной обратной связи по ускорению

Для исследования СКСТ выполнено моделирование при следующих параметрах ЭМС манипулятора:,,,, с синтезированным оптимальным регулятором усилия с передаточной функцией.

Проанализировано влияние коэффициента передачи обратной связи по ускорению на точность регулирования усилия, которое представлено в виде зависимости (рис. 4). При k гр=0,1 ошибка регулирования у =0, однако СКСТ становится неустойчивой. Исследования показали, что с учетом устойчивости СКСТ, практически реализуемое значение коэффициента k ф  0,5k гр. Графики переходных процессов усилия при ступенчатом возмущающем воздействии показаны на рис. 5, что подтверждает эффективность регулирования усилия и демпфирования упругих колебаний в замкнутой СКСТ СМ. На рис. 5 графики 1 и 2 соответствуют СКСТ с пропорциональным регулятором усилия при, а 3 и 4 – СКСТ с синтезированным оптимальным регулятором усилия при, Т1= 0,014 с, Т2= 0,0014 с, Т3= 0,001 с, Т4 = 0,008 с.

а) б)

Рис. 5 Графики переходных процессов в разомкнутой (а) и замкнутой (б) СКСТ СМ

Анализируя представленные графики видно, что применение обратной связи по ускорению двигателя в структуре СКСТ СМ позволяет уменьшить значение ошибки регулирования усилия, при неизменном значении коэффициента kРУ.

Методами математического моделирования было исследовано влияние принятых при синтезе допущений на динамические свойства СКСТ СМ, изменение жесткости механической передачи и массы груза, а также оценено влияние сил сухого трения на работу СМ. Выполненные исследования показали, что трение не оказывает заметного влияния на качественные показатели СКСТ СМ, если величина внешнего возмущающего воздействия значительно больше величины момента трогания в замкнутой системе (). В противном случае, возрастает ошибка регулирования усилия, значение которой может не удовлетворять предъявляемым требованиям. Поэтому, при реализации СКСТ манипулятора может потребоваться применять дополнительные средства, уменьшающие влияние силы трения при работе манипулятора.

В четвертой главе рассмотрены вопросы практической реализации СКСТ и представлены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие правильность теоретических положений.

Для проверки результатов синтеза и апробации предлагаемых технических решений, на кафедре «Электропривод и автоматика» ЮРГТУ (НПИ) был разработан макет СВП СМ, позволяющий осуществлять горизонтальные и вертикальные перемещения груза массой до 250 кг.

При создании макета СВП СМ упругодиссипативные свойства исполнительного устройства учитывлись с помощью канатной передачи, таким образом, это позволило реализовать реальные параметры сбалансированного манипулятора. При реализации СКСТ СМ был использован высокомоментный двигатель постоянного тока серии 1ПИ 12.11-11-202М (кВт; Нм; рад/с; кгм2) с питанием от широтно-импульсного преобразователя напряжения типа ЭШИМ1 (60 В, 8 А).

Вес груза определяется набором дисков массами по 10 и 20 кг. Передача усилия от вала двигателя к перемещаемому грузу, осуществлялась с помощью барабана () с встроенным редуктором (), канатной передачи и крюка с блоком полиспаста (). Измерение усилия выполнялось тензометрическим датчиком типа «Урал Вес К-16-А».

С использованием методики многокритериального анализа было выбрано рациональное значение радиуса приведения.

На основании результатов исследований были разработаны рекомендации по реализации систем регулирования усилий СВП СМ.

На рис.6 представлены результаты экспериментальных исследований статических характеристик СКСТ СМ при массе груза 140 кг.

а)

б) в)

Рис.6 Графики зависимостей а) FТРОГ=f(kРУ); б) У =f(kРУ); в) У =f(k).

Анализ зависимостей на рис.6 подтвердил расчетные значения коэффициентов регулятора усилия kРУ и канала обратной связи по ускорению k, обеспечивающих требуемые показатели качества работы СКСТ СМ. При этом необходимое значение силы трогания предлагается обеспечивать коэффициентом kРУ, а ошибку регулирования усилия, изменением коэффициента k.

Исследования динамики в разомкнутой и замкнутой системе регулирования усилий выполнялись при импульсном и ступенчатом возмущающем воздействии. На рис. 7 приведены графики в СКСТ СМ с пропорциональным РУ (а, г), с пропорциональным РУ и с ПОС по ускорению (б, д), с ПОС по ускорению и синтезированным РУ (в, е).

Анализ графиков переходных процессов на рис.7 позволяет сделать вывод, что применение в структуре СКСТ положительной обратной связи по ускорению двигателя позволило снизить значение ошибки регулирования усилия и при использовании синтезированного регулятора усилия.

а) mF=11,5 Н/кл; m=55 (рад/с)/кл; б) mF=11,5 Н/кл; m=45 (рад/с)/кл; в) mF=11,6 Н/кл; m=55 (рад/с)/кл;

г) mF=11,5 Н/кл; m=55 (рад/с)/кл;; д) mF=11,5 Н/кл; m=45 (рад/с)/кл;. е) mF=11,5 Н/кл; m=45 (рад/с)/кл.

mF=А/кл mF=А/кл mF=А/кл

Рис.7 Графики переходных процессов в замкнутой СКСТ СМ

При работе на макете СВП СМ с СКСТ груз массой 140 кг можно было перемещать с требуемыми скоростями до 0,3 м/с и ускорениями около 0,6 м/с2 усилиями не более 25 Н.

Выполнен анализ качества работы СКСТ, реализованной с использованием ЭП переменного тока с асинхронным электродвигателем, который показал, что при предлагаемой реализации системы управления СМ, возможно обеспечить необходимые показатели качества работы манипулятора.

В пятой главе проанализированы особенности применения электродвигателей постоянного и переменного тока и питающих их преобразователей при реализации СКСТ СМ. Определены перспективы применения и направления развития ЭМС СМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача создания активных силокомпенсирующих систем сбалансированных манипуляторов.

При выполнении исследований получены следующие выводы и результаты, имеющие научное и практическое значение:

  1. Анализ различных подходов к реализации ЭМС СМ показал, что построение ее системы управления с использованием силокомпенсирующего способа, является наиболее перспективным, так как позволяет перемещать груз непосредственно незначительными усилиями рук оператора.
  2. Разработанная обобщенная математическая модель ЭМС, позволяет адекватно описывать упруго-диссипативные свойства СКСТ СМ. Определены условия применения трех и двухмассовых расчетных схем механической части СМ, которые в зависимости от решаемых задач позволяют исследовать влияние сил сухого и вязкого трения, изменение жесткости механической передачи при перемещениях груза.
  3. Предложена рациональная структура системы регулирования усилия с отрицательной обратной связи по току, каналом компенсации противоЭДС двигателя, положительной обратной связи по ускорению двигателя, главной отрицательной обратной связи по усилию в подвеске груза, нелинейного устройства, снижающего влияние сил трения, которая позволяет обеспечивать требуемые показатели качества функционирования манипулятора.
  4. Выполнен синтез оптимального регулятора усилия для СКСТ СМ с положительной обратной связью по ускорению, определена структура и получены аналитические выражения параметров синтезированного регулятора вида и предложены рекомендации по его практической реализации, позволяющие обеспечить требуемое регулирование усилия, компенсирующего силу тяжести перемещаемого груза.
  5. Определены условия применения упрощенного регулятора усилия с передаточной функцией. Практическая реализация такого регулятора экспериментально подтвердила возможность достижения заданных показателей функционирования СКСТ манипулятора.
  6. Выполненные эксперименты реальной СКСТ подтвердили результаты теоретических исследований и эффективность предложенных технических решений. Трогание с места и перемещение груза массой 140 кг с требуемыми скоростями и ускорениями обеспечивалось силой не более 10 Н.
  7. Проанализированы различные варианты реализации и определены области рационального применения СКСТ с ЭП постоянного и переменного тока в зависимости от требований к качеству функционирования сбалансированных манипуляторов.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях,
рекомендованных ВАК

  1. Сухенко Н.А. Пути и способы оптимизации структуры и параметров электромеханических систем компенсации силы тяжести/ Н.А. Сухенко, О.А. Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. – 2003. – №5. – С.30 – 36.
  2. Сухенко Н.А. Совершенствование систем управления сбалансированных манипуляторов/ Н.А. Сухенко, Г.Я. Пятибратов // Изв. вузов. Электромеханика. – 2010. – №5. – С.77 – 81.
  3. Пятибратов Г.Я. Применение электропривода переменного тока при создании систем сбалансированных манипуляторов/ Г.Я. Пятибратов, Н.А. Сухенко // Изв. вузов. Электромеханика. – 2011. – №1. – С. 37– 39.

Другие научные публикации по теме диссертации

  1. Сухенко Н.А. Перспективы развития электромеханических систем сбалансированных манипуляторов / Сухенко Н.А. // Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск, 2010. – 19 с. – Деп. в ВИНИТИ 13.05.2010 №282 В2010.
  2. Сухенко Н.А. Исследование влияния нелинейностей на качество работы электромеханических систем с упругими механическими передачами / Н.А. Сухенко, О.А. Кравченко // Фундаментализация и гуманизация технических университетов: материалы 49-й науч.-техн. конф. студентов и аспирантов ЮРГТУ / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. – С.54-55.
  3. Сухенко Н.А. Особенности построения и реализации систем управления сбалансированных манипуляторов / Н.А. Сухенко // Студенческая научная весна – 2009: материалы Межрегион. науч.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых Южного федерального округа / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2009. – С.205-206.
  4. Пятибратов Г.Я. Принципы построения и способы реализации электромеханических систем сбалансированных манипуляторов с упругими исполнительными механизмами / Г.Я. Пятибратов, И.В. Хасамбиев, Н.А. Сухенко // Труды V Междунар. (XVI Всерос.) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007, г. Санкт-Петербург, 18-21 сент. 2007 г. - СПб: 2007. – С. 81 – 83.
  5. Сухенко Н.А. Проблемы получения математических моделей сбалансированных манипуляторов / Н.А. Сухенко // Сборник статей и сообщений по материалам 57-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ(НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: 2008. – С. 150 – 152.
  6. Сухенко Н.А. Возможные пути повышения качества функционирования сбалансированных манипуляторов / Н.А. Сухенко // Результаты исследований–2009: материалы 58-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: 2009. – С. 302 – 303.
  7. Сухенко Н.А. Применение принципа активной компенсации силы тяести в системах сбалансированных манипуляторов /Н.А. Сухенко, Г.Я. Пятибратов // Студенческая научная весна – 2010: материалы науч.-техн. конф. студентов, аспирантов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: 2010. – С. 216 – 217.
  8. Сухенко Н.А. Применение асинхронного электропривода с векторным управлением при реализации силокомпенсирующих систем сбалансированных манипуляторов / Н.А. Сухенко, Д.В. Барыльник // Студенческая научная весна – 2011: материалы регион. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ) Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. – С. 271 – 273.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат следующие результаты: [1] – анализ способов оптимизации структуры и особенности реализации электромеханических систем с упругими связями; [5] –математическое описание элементов и устройств электромеханических систем с упругими связями; [6], [7], [10] – обоснование структуры системы управления СВП СМ, при использовании принципа силокомпенсации; [2], [8], [9] – постановка и решение задачи синтеза регулятора усилия СКСТ СМ; [3], [4], [11] –обоснование способов реализации перспективных СКСТ груза сбалансированных манипуляторов.

Сухенко Николай Александрович

АКТИВНЫЕ СИЛОКОМПЕСИРУЮЩИЕ
ЭлектромеханическИЕ системЫ
СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ

Подписано в печать 06.10.2011. Формат 6084 1/16.

Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ № 48-3517.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

Отпечатано в ИД «Политехник»

346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132



 
Похожие работы:

«НОЯБРЬ А А 471 Алексеев, Александр Сергеевич. Самонастройка регуляторов исполнительных подсистем мехатронных устройств : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. 05.13.01 / А. С. Алексеев ; науч. рук. В. И. Гончаров ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - Томск, 2010. - 20, [1] с : ил. - Библиогр.: с. 19-20 Экземпляры всего: 1 счз1 (1) А А 810 Аринова, Наталья Владимировна. Автоматизация технологического процесса дозирования...»

«Корнеев Константин Викторович Переходные процессы в специальных асинхронных двигателях Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2011 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет Научный руководитель: кандидат технических наук,...»






 
2014 www.avtoreferat.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты диссертаций»

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.