WWW.DISS.SELUK.RU

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

 

Электромеханическая система компенсации силы тяжести с асинхронным частотно- регулируемым электроприводом

На правах рукописи

Барыльник Дмитрий Владимирович

Электромеханическая система компенсации
силы тяжести с асинхронным частотно-
регулируемым электроприводом

05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2009 г.

Работа выполнена в Государственном общеобразовательном 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 Гайтов Багаудин Хамидович

кандидат технических наук, профессор Валюкевич Юрий Анатольевич

Ведущая организация:

Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск)

Защита диссертации состоится 30 июня 2009 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 309 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», с авторефератом – на сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан ___ мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Колпахчьян П.Г.

Актуальность. Наземная отработка динамики космических манипуляторов, кинетики процессов стыковки, раскрытия и сборки крупногабаритных космических конструкций, предназначенных для работы в условиях невесомости, обучение космонавтов выполнению работ на космических станциях становится всё более ответственным, трудоёмким и дорогостоящим этапом создания и освоения космической техники. Особенно ответственными с точки зрения обеспечения безопасности являются задачи обучения космонавтов. Используемые в настоящее время средства имитации невесомости на Земле, такие как самолёт-лаборатория и бассейн нейтральной плавучести, не позволяют в полной мере решать задачи обучения космонавтов в штатных скафандрах. Существующие на данный момент тренажеры с электромеханическими системами компенсации силы тяжести (СКСТ), выполненные на базе электроприводов (ЭП) постоянного тока, требуют улучшения технических параметров и расширения функциональных возможностей. Для решения перспективных задач подготовки космонавтов необходимы тренажеры с более высокими качественными характеристиками и интеллектуальными возможностями, которые могут быть обеспечены с применением микропроцессорного ЭП переменного тока. Дальнейшее повышение эффективности работы тренажеров с электромеханическими системами компенсации силы тяжести являются важной и актуальной задачей. Тема диссертационной работы соответствует научному направлению ЮРГТУ (НПИ) «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы, комплексы».

Объектом исследования являются электромеханические системы (ЭМС) с повышенными колебательными свойствами, способные обеспечить качественное управление усилиями в упругих механических передачах.

Предметом исследования является система регулирования усилия, осуществляющая имитацию в земных условиях движения объекта в невесомости путем компенсации силы тяжести обезвешиваемого объекта и других сил сопротивления его движению.

Цель диссертационной работы: создание электромеханической системы регулирования усилий с использованием асинхронного частотно-регулируемого электропривода, обеспечивающей повышение качества, надежности и безопасности функционирования тренажерных комплексов, осуществляющих на Земле подготовку космонавтов к работе в невесомости.

Задачи диссертационной работы:

  • обосновать выбор электропривода СКСТ, который обеспечит требуемые показатели качества имитации невесомости в земных условиях;
  • разработать обобщенную математическую модель, адекватно описывающую силовые взаимодействия в СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП с учетом реальных свойств механических передач (упругости связей, зазоров, сил трения и т.д.);
  • обосновать рациональную структуру ЭМС регулирования усилия при использовании современного асинхронного ЭП;
  • выполнить синтез управляющего устройства, обеспечивающего требуемые статические и динамические показатели работы СКСТ с асинхронным ЭП;
  • выполнить моделирование синтезированной СКСТ при изменении ее параметров;
  • реализовать СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, выполнить ее экспериментальное исследование, определить достигнутые показатели качества имитации невесомости и пути дальнейшего совершенствования СКСТ;
  • разработать технические решения и рекомендации по созданию СКСТ тренажера «Выход» на базе ЭП переменного тока.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы операционное и вариационное исчисления, методы активной идентификации, физического и математического моделирования в частотной и временной областях с применением ПЭВМ, теория синтеза дискретно-непрерывных систем управления, теория оптимального управления.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, корректным применением методов теории автоматического управления, адекватностью используемых при исследованиях математических моделей и экспериментальным подтверждением основных полученных результатов.

Научная новизна диссертационной работы:

  • впервые научно обоснована целесообразность использования для построения СКСТ перспективных тренажерных комплексов по подготовки космонавтов асинхронного частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением;
  • разработана математическая модель СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, отличающаяся тем, что позволяет адекватно описывать электромагнитные и упругие силовые взаимодействия в ЭМС при учете сил трения и кинематических погрешностей механических передач;
  • обоснована рациональная структура СКСТ с контуром регулирования усилия, отличающаяся наличием дополнительных каналов адаптации системы регулирования усилия к весу обезвешиваемого объекта, компенсации сил сухого и вязкого трения, ограничения на заданном уровне скорости и положение объекта при его перемещениях в рабочем пространстве тренажера;
  • предложена методика синтеза оптимального регулятора усилия СКСТ, отличающаяся возможностью ее применения к дискретно-непрерывной системе управления асинхронным ЭП при учете реальных свойств механических передач;
  • впервые обоснована минимально необходимая дискретность цифрового контура регулирования усилия, обеспечивающая требуемые статические и динамические свойства СКСТ.

Практическая ценность диссертационной работы:

  • реализована компьютерная модель СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, которая позволяет исследовать ее работу в различных режимах с учетом свойств механических передач (упругих связей, сил трения, зазоров, кинематических погрешностей) и реальном изменении параметров ЭМС;
  • предложены рекомендации по определению структуры и аналитические выражения для расчета параметров оптимального регулятора усилия в СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП;
  • получено аналитическое выражение, позволяющее определить требуемое быстродействие и период квантования микропроцессорной системы управления ЭП, при которых обеспечивается требуемое качество переходных процессов в СКСТ с упругими механическими передачами;
  • получено аналитическое выражение, позволяющее с учетом требуемых свойств замкнутой СКСТ определить минимально необходимую дискретность по уровню цифрового контура регулирования усилия;
  • предложены рекомендации по практической настройке регулятора усилия, позволяющие реализовать качественное управление усилием в условиях изменяющихся параметров электромеханической части СКСТ;
  • разработана структура СКСТ, обеспечивающая автоматическую настройку системы регулирования усилия на вес обезвешиваемого объекта, эффективную компенсацию сил сухого и вязкого трения, ограничение скорости и положения объекта при его перемещениях на заданном уровне.

К защите представляются следующие основные положения:

  • обобщенная математическая модель СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, адекватно описывающая электромагнитные и упругие силовые взаимодействия в ЭМС с учетом реальных свойств механических передач;
  • структура СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, обеспечивающая требуемые показатели качества имитации невесомости;
  • методика и результаты синтеза оптимального регулятора усилия для дискретно-непрерывной СКСТ с асинхронным ЭП;
  • рекомендации по определению областей рационального применения предлагаемой методики синтеза регулятора усилия в дискретно-непрерывной СКСТ;
  • результаты теоретического и экспериментального сопоставления возможностей СКСТ с ЭП постоянного и переменного тока;

Использование результатов диссертационной работы. Исследования выполнены в соответствии с государственным контрактом № 041-8543/97 от 10.04.97 между Российским космическим агентством и РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина. Разработаны и переданы в Донской филиал центра тренажеростроения (г. Новочеркасск) предложения по модернизации системы вертикального перемещения существующего тренажера «Выход-2» (Звездный городок, Московская обл.). Результаты исследований и рекомендации использованы при разработке проекта и создании комплекса имитации деятельности космонавта в открытом космосе, выполняемого по заданию Мемориального музея космонавтики (г. Москва). Результаты теоретических и экспериментальных исследований частично были использованы при разработке проекта и наладке ЭП намоточного станка РПН380. Результаты диссертационной работы используются в ЮРГТУ (НПИ) при обучении студентов специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на III (30 мая – 10 июня 2003 г.) Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы управления ими» (г. Новочеркасск), V (13-14 октября 2004 г) научно-техническом семинаре «Технические средства и технология для построения тренажёров» (г. Москва), 13-ой (14-18 марта 2005 г.) Международной научно-технической конференции «ЭППТ-05» (г. Екатеринбург), V (18-21 сентября 2007 г.) Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007» (г. Санкт-Петербург), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ЮРГТУ (НПИ) в 20032008 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований всего опубликовано 11 печатных работ общим объемом 12,6 п.л., в том числе монография, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, результаты экспериментальных исследовании отражены в отчете о НИР.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации: 178 страниц основного текста, 64 рисунка, 7 таблиц, 9 страниц списка используемой литературы из 87 наименований, 2 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. Показаны перспективы развития исследований по теме диссертации.

В первом разделе диссертационной работы рассмотрены существующие подходы к имитации невесомости при отработке изделий космической техники и обучении космонавтов.

Рис.1 Активная СКСТ.

В настоящее время для решения поставленных задач наиболее универсальными и перспективными являются активные СКСТ (см. рис. 1), которые под действием внешних силовых воздействий должны обеспечивать движение центра масс обезвешиваемого объекта с параметрами близкими к движению в невесомости. Такие СКСТ позволяют решать многие задачи обучения космонавтов элементам внекорабельной деятельности при длительном пребывании в штатных скафандрах с различным оборудованием, предназначенным для работы в космосе. В активных СКСТ необходимая для обезвешивания объекта сила, создается электродвигателем М, управление которым осуществляется в замкнутой системе регулирования усилия. Усилие от двигателя, через редуктор Y и барабан, передается к обезвешиваемому объекту с весом, где измеряется с помощью датчика усилия BQ, установленного в точке подвеса. В этом случае, при приложении внешнего воздействия, должно быть обеспечено движение обезвешиваемого объекта с параметрами близкими к его движению в невесомости. Перемещения в горизонтальной плоскости, с целью уменьшения сил трения, обеспечиваются с помощью опор на воздушной пленке.

Существующий в настоящее время тренажер "Выход-2" с активной СКСТ, созданный в 2002 году в РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина, обеспечивает силу трогания 50 Н, что составляет 2,0 % от веса объекта обезвешивания и ошибку воспроизведения ускорения 510 %.

На основании анализа перспективных задач подготовки космонавтов были сформулированы основные требования, предъявляемые к тренажерам:

  • 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.

Методами математического моделирования были исследованы динамические свойства замкнутой системы регулирования при реальном изменении жесткости канатной передачи и массы обезвешиваемого объекта. Определено, что увеличение жесткости канатной передачи и массы обезвешиваемого объекта приводит к уменьшению перерегулирования по усилию в замкнутой СКСТ. Поэтому для получения качественных переходных процессов при изменении параметров механической части СКСТ, настройку регулятора усилия рекомендуется осуществлять при минимальных значениях жесткости канатной передачи и массе обезвешиваемого объекта.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие правильность принятых решений и рассмотрены вопросы практической реализации СКСТ на базе ЭП переменного тока.

Для проверки результатов синтеза и апробации предлагаемых технических решений, на кафедре ЭПА ЮРГТУ (НПИ) был разработан экспериментальный стенд СКСТ, который позволяет корректно, в идентичных условиях, сопоставить работу СКСТ с ЭП постоянного и переменного токов.

При исследовании СКСТ с ЭП постоянного тока на экспериментальном стенде были использованы высокомоментные ДПТ серии 1ПИ 12.11-11-202М (кВт; Нм; рад/с; кгм2) с питанием от широтно-импульсного преобразователя напряжения типа ЭШИМ1 (60 В, 8 А). При реализации ЭП переменного тока был применен АД марки: АИР71В4 (кВт, Нм, рад/с, кгм2), на валу которого был установлен инкрементальный датчик марки ЛИР158А (2048 имп./об). Управление АД осуществляется от преобразователь частоты (ПЧ) с векторным управлением, серии Simovert Masterdrive MC Plus (кВт), на базе которого была реализована система регулирования усилия. Настройка ПЧ и осциллографирование необходимых сигналов выполнялось с помощью программного обеспечения Drive Monitor (Siemens), установленного на персональный компьютер.

Обезвешиваемый объект, максимальная масса которого может составлять 250 кг, моделируется набором грузов массами по 10 и 20 кг. Передача усилия от вала двигателя к обезвешиваемому объекту, осуществлялась с помощью редуктора и канатной передачи при = 0,001 м/рад. Измерение усилия выполнялось тензометрическим датчиком типа «Тензо-М С2-500».

Табл.2 Параметры физической модели СКСТ

Масса обезвешиваемого объекта 140 кг
Параметр Ед.изм. АД ДПТ
с 0,038 0,121
с 0,004 0,0034
- 0,095 0,027
с 0,0010,002 0,0010,002
с 0,0480,146 0,0580,175
с 0,0130,023 0,0140,024
рад/с 4377 4272

Анализ параметров механической части СКСТ с АД и ДПТ (см. табл.2), показал более чем 3 кратное увеличение параметра, что позволяет обеспечить требуемую ошибку регулирования усилия при меньших коэффициентах усиления регулятора.

Рис.6 Зависимость.

На рис.6, рис.7 представлены результаты экспериментальных исследований статических и динамических характеристик СКСТ с ЭП постоянного и переменного тока при массе обезвешиваемого объекта 140 кг.

Анализ зависимостей (см. рис.6) позволяет сделать вывод, что использование асинхронного ЭП обеспечило уменьшение силы трогания до значений менее 1 % от веса объекта.

Также улучшились основные динамические показатели СКСТ (см. рис.7). Исследования динамики СКСТ выполнялись, когда замкнутый контур регулирования усилия обеспечивал требуемую точность при необходимом демпфировании упругих колебаний.

Табл.3 Характеристики СКСТ с ЭП
постоянного и переменного токов.

Параметр Ед.изм. АД ДПТ
% 3,5 5,8
% 4,6 6,4
- 1,3 0,64

Точность регулирования усилия и воспроизведения ускорения при перемещениях обезвешиваемого объекта увеличилась в 1,6 и 1,4 раза соответственно, а логарифмический декремент затухания вырос в 2 раза (см. табл.3).

а) mF=165 Н/кл; m=23,5 (рад/с)/кл; б) mF=165 Н/кл; m=23,5 (рад/с)/кл; в) mF=10,3 Н/кл; m=94 (рад/с)/кл;

г) mF=183 Н/кл; m=28,3 (рад/с)/кл; д) mF=183 Н/кл; m=28,3 (рад/с)/кл; е) mF=11,4 Н/кл; m=141 (рад/с)/кл;

Рис. 7 Графики переходных процессов в СКСТ с ЭП постоянного и переменного тока: а), г) в разомкнутой системе; б), д) в замкнутой системе при импульсном возмущающем воздействии; в), е) в замкнутой системе при
ступенчатом возмущающем воздействии.

Улучшение основных показателей качества имитации невесомости в предлагаемой СКСТ стало возможным благодаря увеличению в 3,5 раза значения параметра, применению асинхронного ЭП с быстродействием, в 3 раза превышающим быстродействие ЭП постоянного тока, а также уменьшению в 23 раза сил трения в механической части СКСТ.

С учетом полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований системы регулирования усилия, была разработана, реализована и экспериментально опробована СКСТ с ЭП переменного тока. Спроектированная СКСТ позволяет обеспечить требуемую точность регулирования усилия, повышает качество имитации невесомости и расширяет функциональные возможности перспективных тренажерных комплексов.

Работа спроектированной СКСТ может выполняться в двух режимах: перемещения и обезвешивания. Перемещение осуществляется в замкнутой системе регулирования скорости и используется для реализации вспомогательных операций, например, установки объекта в исходное положение. Режим обезвешивания объекта является основным и осуществляется в замкнутой системе регулирования усилия. При этом возможна автоматическая настройка СКСТ на фактический вес объекта, определение и компенсация реальных сил трения. Реализация дополнительных каналов регулирования, осуществляющих ограничение скорости движения и перемещения обезвешиваемого объекта, позволила обеспечить высокий уровень безопасности обучаемого персонала при эксплуатации СКСТ. Для целей безопасности, в случае отключения силового питания или выхода из строя ЭП, на выходном валу редуктора было установлено тормозное устройство.

Практическая реализация и исследования предложенной СКСТ показали правильность принятых технических решений. Была отмечена высокая эффективность работы СКСТ при обезвешивании объектов с различными массами, удобство эксплуатации и высокий уровень безопасности. Выполненные экспериментальные исследования показали возможность уменьшения ошибки регулирования усилия до 2% и воспроизведения ускорения до 4 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основании теоретических и экспериментальным исследований решена актуальная научно-техническая задача создания активных СКСТ с ЭП переменного тока для перспективных тренажерных комплексов по подготовке космонавтов к работе в невесомости. В ходе выполненных исследований получены следующие выводы и результаты, имеющие научное и практическое значение:

  1. Обоснованы обобщенные требования к СКСТ тренажерных комплексов, обеспечивающие решение перспективных задач подготовки космонавтов к работе в невесомости.
  2. Анализ функционирования активных СКСТ показал, что для расширения решаемых задач подготовки космонавтов и улучшения основных показателей качества имитации невесомости, при их реализации целесообразно использовать современные асинхронные частотно-регулируемый ЭП.
  3. Разработанная обобщенная математическая модель СКСТ, позволяет адекватно описывать упруго-диссипативные свойства ЭМС при векторном управлении моментом асинхронного двигателя. Использование трехмассовой модели механической части СКСТ, позволяет корректно учитывать влияние сил сухого и вязкого трения, изменение жесткости канатной передачи при перемещениях обезвешиваемого объекта, а также кинематических погрешностей механических передач.
  4. Предложенная структура ЭМС регулирования усилия при использовании асинхронного ЭП с векторным управлением, позволяет обеспечить требуемые показатели качества имитации невесомости при создании СКСТ.
  5. Выполнен синтез оптимального регулятора усилия для СКСТ с асинхронным ЭП, получены аналитические выражения для расчета его параметров и предложены рекомендации по практической его настройке, позволяющие реализовать качественное управление усилием в условиях изменяющихся параметров механической части СКСТ.
  6. Определены условия и область целесообразного применения предлагаемой методики синтеза регулятора усилия, при реализации СКСТ на базе микропроцессорного ЭП переменного тока. Получено аналитическое выражение, позволяющее определить требуемое быстродействие и период квантования микропроцессорной системы управления ЭП, при которых обеспечивается требуемое качество переходных процессов в СКСТ с упругими механическими передачами.
  7. Получено аналитическое выражение, позволяющее с учетом требуемых свойств замкнутой СКСТ определить минимально необходимую дискретность по уровню цифрового контура регулирования усилия.
  8. На специально созданном экспериментальном стенде, в идентичных условиях, сопоставлены возможности и определены области рационального применения ЭП постоянного и переменного токов при реализации СКСТ тренажерных комплексов.
  9. Предложенные рекомендации и технические решения по реализации СКСТ с ЭП переменного тока, позволяют повысить качество имитации невесомости, безопасность и удобство эксплуатации тренажерных комплексов для подготовки космонавтов к работе в невесомости.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях,
рекомендованных ВАК

  1. Барыльник Д.В. Проблемы и перспективы применения асинхронных электроприводов в системах регулирования усилий исполнительных механизмов / Д.В. Барыльник, О.А. Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. – 2005. – №6. – С.33 – 36.
  2. Барыльник Д.В. Методика синтеза и результаты исследования цифровой системы регулирования усилия механизмов / Д.В. Барыльник // Изв. вузов. Электромеханика. – 2008. – №3. – С.48 – 50.

Другие научные публикации по теме диссертации

  1. Пятибратов Г.Я. Математическое описание и моделирование систем компенсации силы тяжести с асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами / Г.Я. Пятибратов, Д.В. Барыльник, О.А. Кравченко // Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск, 2006. – 154 с. – Деп. в ВИНИТИ 19.07.06, № 971-В2006. – Аннот. в БУ ВИНИТИ Деп. науч. работы. – 2006. - №9. – С.25. – Б.О. 187
  2. Барыльник Д.В. Возможность применения асинхронных электроприводов в системах регулирования усилия / Д.В. Барыльник, О.А. Кравченко,
    Г.Я. Пятибратов // Электроприводы переменного тока: Труды Междунар. 13-й науч.-техн. конф., г. Екатеринбург, 15-18 марта 2005 г. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. – С. 303306.
  3. Кравченко О.А. Состояние и перспективы совершенствования силокомпенсирующих электромеханических систем / О.А. Кравченко, Д.В. Барыльник // Труды V Междунар. (XVI Всерос.) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007, г. Санкт-Петербург, 18-21 сент. 2007 г. - СПб: 2007. – С. 298 – 301
  4. Кравченко О.А. Особенности применения асинхронных частотно-регулируемых электроприводов для реализации системы вертикальных перемещений тренажера «Выход-2» / О.А. Кравченко, Д.В. Барыльник, М.А. Рузаков // Технические средства и технологии для построения тренажеров: материалы науч.-техн. семинара, Звездный городок Моск. обл. РФ., 13-14 окт. 2004 г. М.: РГНИИЦПК, 2004. Вып. 5. – С. 149 150.
  5. Барыльник Д.В. Построение систем прямого регулирования усилиями с электроприводами переменного тока / Д.В. Барыльник, О.А. Кравченко // Современные энергетические системы и комплексы управления ими: материалы III Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 30 мая – 10 июня 2003 г.: в 3 ч. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. – Ч. 2. – С. 76–78.
  6. Барыльник Д.В. Исследование возможностей применения асинхронных электроприводов в системах регулирования усилий / Д.В. Барыльник, О.А. Кравченко // Студенческая научная весна – 2004: материалы 53-й науч.-техн. конф. студентов и аспирантов ЮРГТУ(НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ООО НПО "Темп", 2004. – С. 116 – 118.
  7. Барыльник Д.В. Проблемы и особенности математического описания систем компенсации силы тяжести с асинхронными электроприводами / Д.В. Барыльник // Студенческая научная весна – 2006: сб. науч. тр. аспирантов и студентов ЮРГТУ(НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. – С. 266 – 269.
  8. Барыльник Д.В. Принцип построения макета много-координатной системы обезвешивания объектов массой до 250 кг / Д.В. Барыльник, Соломатин Р.Ю. // Студенческая научная весна – 2008: материалы межрегион. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЛИК, 2008. – С. 406 – 407.
  9. Кухаренко В.В. Системы электроприводов сбалансированных манипуляторов / В.В. Кухаренко, Д.В. Барыльник, И.В. Хасамбиев // Новые технологии управления движением технических объектов: сб. ст. по материалам 8-й Междунар. науч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 14-16 дек. 2005 г. – Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2006. – Вып. 6 – С. 95 – 99.

Все основные положения диссертации разработаны автором. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат следующие результаты: [1], [4], [7], [8] – анализ проблем построения качественных СКСТ, обоснование целесообразности использования асинхронного электропривода с векторным управлением для улучшения технических характеристик СКСТ, формулирование требований к асинхронному электроприводу СКСТ; [3], [9] – постановка задачи разработки обобщенной математической модели СКСТ, обоснование подходов к математическому описанию механической части, асинхронного двигателя, информационно-измерительных и управляющих элементов систем

 
Похожие работы:

«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,...»

«ФИЛОНОВ Сергей Александрович ПОИСК РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С МАССИВНЫМ ЗУБЧАТЫМ РОТОРОМ Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Воронеж – 2010 Работа выполнена в НОУ ВПО “Международный институт компьютерных технологий” (г. Воронеж) Научный руководитель доктор технических наук, доцент Анненков Андрей Николаевич Официальные оппоненты:...»

«Сухенко Николай Александрович АКТИВНЫЕ СИЛОКОМПЕСИРУЮЩИЕ Электромеханическ ИЕ систем Ы 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...»

«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...»








 
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.