СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА

Силокомпенсирующая система применяется в системах регулирования усилий, не имеющих внутренних контуров регулирования скорости и положения, а также в тренажеростроении для проверки работоспособности изделий космической техники и подготовки экипажей по программам пилотируемых полетов в космос, осуществляя имитацию невесомости в земных условиях.
Известна «Система управления вертикальным перемещением обучаемого на тренажере выхода в космос», описанная в патенте РФ №2355039 кл. G09B 9/00 и опубликованная от 10.05.2009 Бюл. №13, содержащая последовательно соединенные: второй вход блока выделения разности усилий, подключенный к выходу задатчика веса груза, скафандр с обучаемым соединен с выходом передаточного устройства; вход индикатора нуля подключен к первому выходу первого блока коррекции, второй выход которого связан с четвертым входом блока выделения разности усилий; третий вход второго блока коррекции подключен к первому выходу первого блока коррекции; второй вход первого блока коррекции подключен к выходу датчика усилия; к валу электродвигателя подключены входы датчика скорости и датчика положения; к третьему выходу первого блока коррекции подключен индикатор отказа датчика усилия.
К недостаткам аналога относятся:
- угроза жизни обучаемого космонавта возможна при отсутствии ограничения положения и скорости перемещения обучаемого космонавта в режиме имитации невесомости;
- сложность эксплуатации тренажера возникает за счет того, что в процессе работы системы, обучаемый космонавт может выйти из рабочей зоны, что требует в дальнейшем принудительное возвращение в рабочую зону.
Известна система, взятая за прототип, описанная в журнале «Известия вузов. Электромеханика» от 1997 года (стр. 51-54), авторы статьи: Г.Я. Пятибратов, О.А. Кравченко, А.А. Денисов), содержащая последовательно соединенные: третий сумматор, регулятор тока, преобразователь, двигатель, передаточное устройство и груз; последовательно соединенные: датчик усилия, установленный между передаточным устройством и грузом, усилитель и четвертый сумматор, выходы которого соединены со входом релейного элемента и корректирующего устройства, выходы которых подсоединены ко второму и третьему входу сумматора два; блок задания усилия, выход которого соединен со вторым входом четвертого сумматора; последовательно соединенные: датчик скорости, включенный между двигателем и передаточным устройством, фильтр цепи обратной связи по скорости, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора; последовательно соединенные: шунт, включенный между преобразователем и двигателем, датчик тока, выход которого соединен с третьим входом третьего сумматора; блок задания веса, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого соединен со вторым выходом усилителя; выход первого сумматора соединен с входом регулятора усилия, выход которого соединен с первым входом второго сумматора. К недостаткам прототипа относятся:
- угроза жизни обучаемого космонавта возможна при отсутствии ограничения положения и скорости перемещения обучаемого космонавта в режиме имитации невесомости;
- сложность эксплуатации тренажера возникает за счет того, что в процессе работы системы, обучаемый космонавт может выйти из рабочей зоны, что требует в дальнейшем принудительное возвращение в рабочую зону.
Технической задачей полезной модели является: повышение безопасности жизни обучаемого космонавта за счет ограничения положения и скорости перемещения обучаемого космонавта в режиме имитации невесомости, облегчение эксплуатации стенда за счет обеспечения работы обучаемого космонавта в пределах рабочей зоны, которая имеет возможность настраиваться под каждую программу тренировки индивидуально.
Силокомпенсирующая система, содержит последовательно соединенные: третий сумматор, регулятор тока, преобразователь, двигатель, передаточное устройство и груз; последовательно соединенные: датчик скорости, включенный между двигателем и передаточным устройством, фильтр цепи обратной связи по скорости, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора; датчик тока, включенного между преобразователем и двигателем, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора; последовательно соединенные: датчик усилия, установленный между передаточным устройством и грузом, усилитель, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора; последовательно соединенные: четвертый сумматор, второй вход которого соединен с блоком задания усилия и регулятор усилия, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора; блок задания веса, выход которого соединен с первым входом первого сумматора; блок ограничения момента, расположенный между регулятором усилия, подключенным к первому входу блока ограничения момента и первым сумматором, а также блок ограничения скорости и положения, вход которого соединен с датчиком скорости, первый выход с третьим входом второго сумматора, а второй выход со вторым входом блока ограничения момента, причем блок ограничения момента содержит: первый блок ограничения, второй блок ограничения, третий блок ограничения, входы которых объединены и являются первым входом блока ограничения момента, а выходы первого блока ограничения, второго блока ограничения, третьего блока ограничения соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами первого ключа; первый релейный элемент, вход которого является вторым входом блока ограничения момента, а выход которого соединен с четвертым входом первого ключа; первый ключ, выход которого является выходом блока ограничения момента, а блок ограничения скорости и положения содержит: последовательно соединенные пятый сумматор, первый регулятор положения и четвертый блок ограничения; последовательно соединенные шестой сумматор, второй регулятор положения, пятый блок ограничения; блок задания максимального угла, выход которого соединен с первыми входами пятого и шестого сумматора; девятый сумматор, второй вход которого соединен с блоком задания среднего положения, а выход, которого соединен со вторыми входами пятого и шестого сумматора, и является вторым выходом блока ограничения скорости и положения; второго релейного элемента, вход которого соединен с выходом девятого сумматора, а выход соединен с третьим входом второго ключа; второго ключа, первый вход которого соединен с выходом четвертого блока ограничения, второй вход которого соединен с выходом пятого блока ограничения, а выход соединен с первым входом десятого сумматора; интегратора, вход которого соединен со входом блока ограничения скорости и положения, а выход соединен с первым входом девятого сумматора; последовательно соединенные: седьмой сумматор, первый регулятор скорости и шестой блок ограничения; последовательно соединенные: восьмой сумматор, второй регулятор скорости и седьмой блок ограничения; блок задания максимальной скорости, выход которого соединен с первыми входами седьмого и восьмого сумматора; третий релейный элемент, вход которого является входом блока ограничения скорости и положения и соединен со вторыми входами седьмого и восьмого сумматора, а выход которого соединен с третьим входом третьего ключа; третий ключ, первый вход которого соединен с выходом шестого блока ограничения, второй вход которого соединен с выходом седьмого блока ограничения, выход которого соединен со вторым входом десятого сумматора; десятого сумматора, выход которого является первым выходом блока ограничения скорости и положения.
На фиг. 1 представлена функциональная схема силокомпенсирующей системы.
На фиг. 2 представлена структура блока ограничения момента.
На фиг. 3 представлена структура блока ограничения скорости и положения.
Силокомпенсирующая система, содержит последовательно соединенные: третий сумматор 1, регулятор тока 2, преобразователь 3, двигатель 4, передаточное устройство5 и груз 6; последовательно соединенные: датчик скорости 7, включенный между двигателем 4 и передаточным устройством 5, фильтр цепи обратной связи по скорости 8, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора 9; датчика тока 10, включенного между преобразователем 3 и двигателем 4, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора 1; последовательно соединенные: датчик усилия 11, установленный между передаточным устройством 5 и грузом 6, усилитель 12, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора 13; последовательно соединенные: четвертый сумматор 13, второй вход которого соединен с блоком задания усилия 14 и регулятор усилия 15, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора 16; блок задания веса 17, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 16; блок ограничения момента 18, расположенный между регулятором усилия 15, подключенным к первому входу блока ограничения момента 18 и первым сумматором 16, а также блок ограничения скорости и положения 19, вход которого соединен с датчиком скорости 7, первый выход с третьим входом второго сумматора 9, а второй выход со вторым входом блока ограничения момента 18, причем блок ограничения момента 18 содержит: первый блок ограничения 20, второй блок ограничения 21, третий блок ограничения 22, входы которых объединены и являются первым входом блока ограничения момента 18, а выходы первого блока ограничения 20, второго блока ограничения 21, третьего блока ограничения 22 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами первого ключа 23; первый релейный элемент 24, вход которого является вторым входом блока ограничения момента 18, а выход которого соединен с четвертым входом первого ключа 23; первый ключ 23, выход которого является выходом блока ограничения момента 18, а блок ограничения скорости и положения 19 содержит: последовательно соединенные пятый сумматор 25, первый регулятор положения 26 и четвертый блок ограничения 27; последовательно соединенные шестой сумматор 28, второй регулятор положения 29, пятый блок ограничения 30; блок задания максимального угла 31, выход которого соединен с первыми входами пятого 25 и шестого сумматора 28; девятый сумматор 32, второй вход которого соединен с блоком задания среднего положения 33, а выход, которого соединен со вторыми входами пятого 25 и шестого сумматора 28, и является вторым выходом блока ограничения скорости и положения 19; второго релейного элемента 31, вход которого соединен с выходом девятого сумматора 32, а выход соединен с третьим входом второго ключа 35; второго ключа 35, первый вход которого соединен с выходом четвертого блока ограничения 27, второй вход которого соединен с выходом пятого блока ограничения 30, а выход соединен с первым входом десятого сумматора 36; интегратора 37, вход которого соединен со входом блока ограничения скорости и положения 19, а выход соединен с первым входом девятого сумматора 32; последовательно соединенные: седьмой сумматор 38, первый регулятор скорости 39 и шестой блок ограничения 40; последовательно соединенные: восьмой сумматор 41, второй регулятор скорости 42 и седьмой блок ограничения 43; блок задания максимальной скорости 44, выход которого соединен с первыми входами седьмого 38 и восьмого сумматора 41; третий релейный элемент 45, вход которого является входом блока ограничения скорости и положения 19 и соединен со вторыми входами седьмого 38 и восьмого сумматора 41, а выход которого соединен с третьим входом третьего ключа 46; третий ключ 46, первый вход которого соединен с выходом шестого блока ограничения 40, второй вход которого соединен с выходом седьмого блока ограничения 43, выход которого соединен со вторым входом десятого сумматора 36; десятого сумматора 36, выход которого является первым выходом блока ограничения скорости и положения 19.
В нормальном режиме силокомпенсирующей системы, когда момент, скорость и положение груза 6 имеют допустимые значения, блок ограничения момента 18 и блок ограничения скорости и положения 19 не влияют на работу силокомпенсирующей системы. При этом силокомпенсирующая система работает следующим образом: блок задания веса 17 подает сигнал пропорциональный весу груза 6 на первый вход первого сумматора 16, а на второй вычитающий вход первого сумматора 16 подается сигнал с регулятора усилия 15. На выходе первого сумматора 16 формируется задание на скорость двигателя 4, которое подается на первый вход второго сумматора 9. На выходе второго сумматора 9 формируется задание на ток двигателя 4, которое затем подается на первый вход третьего сумматора 1. Контур, состоящий из: третьего сумматора 1, регулятора тока 2, преобразователя 3 и датчика тока 10, обеспечивает создание тока в двигателе 4, соответствующее заданию на первом входе третьего сумматора 1. В свою очередь контур, состоящий из: второго сумматора 9, третьего сумматора 1, регулятора тока 2, преобразователя 3, двигателя 4, датчика скорости 7 и фильтр в цепи обратной связи по скорости 8, обеспечивает вращение вала двигателя 4 с требуемой скоростью, соответствующей сигналу задания скорости на первом входе второго сумматора 9. Двигатель 4 развивает на своем валу усилие, соответствующее току и передает его через передаточное устройство 5 грузу 6. Усиленный сигнал с датчика усилия 11 поступает на первый вход четвертого сумматора 13, а сигнал из блока задания усилия 14, пропорциональный весу груза 6, поступает на второй вход четвертого сумматора 13, в результате на выходе четвертого сумматора 13 получается сигнал пропорциональный разнице усилия, действующего на груз 6 со стороны передаточного устройства 5 и веса груза 6. В соответствии с сигналом с выхода четвертого сумматора 13, поступающего на вход регулятора усилия 15, на выходе регулятора усилия 15 вырабатывается задание на изменение усилия, таким образом, чтобы обеспечить требуемую динамику уменьшения разницы между усилием, действующим на груз 6 со стороны передаточного устройства 5, и весом груза 6, тем самым обеспечить компенсацию сил действующих на груз 6.
Блок ограничения скорости и положения 19 работает следующим образом.
Если двигатель 4 вращается в положительном направлении и его скорость превышает максимальную скорость, задаваемую в блоке задания максимальной скорости 44, то на выходе седьмого сумматора 38 получается сигнал с отрицательным значением, который сначала усиливается первым регулятором скорости 39, а потом проходит через шестой блок ограничения 40, причем если усиленный сигнал оказывается больше максимального отрицательного пропускного значения шестого блока ограничения 40, то он проходит без искажения на выход шестого блока ограничения 40, а если меньше, то на выходе шестого блока ограничения 40 формируется сигнал равный максимальному отрицательному пропускному значению шестого блока ограничения 40. Если скорость вращения двигателя 4 меньше максимальной скорости, установленной в блоке задания максимальной скорости 44, то на выходе седьмого сумматора 38 получается сигнал с положительным знаком, и шестой блок ограничения 40 его не пропускает, создавая на своем выходе нулевой сигнал. При вращении двигателя 4 в положительном направлении на выходе третьего релейного элемента 45 формируется сигнал, подаваемый на третий вход третьего ключа 46, который заставляет третий ключ 46 пропускать сигнал из его первого входа на его выход, при этом сигнал с выхода шестого блока ограничения 40 поступает на выход третьего ключа 46.
Когда двигатель 4 вращается в отрицательном направлении и его скорость по модулю превышает максимальную скорость, установленную в блоке задания максимальной скорости 44, то на выходе восьмого сумматора 41 получается сигнал с положительным значением, который сначала усиливается вторым регулятором скорости 42, а потом проходит через седьмой блок ограничения 43, причем если усиленный сигнал оказывается меньше максимального пропускного значения седьмого блока ограничения 43, то он проходит без искажения на выход седьмого блока ограничения 43, а если больше, то на выходе седьмого блока ограничения 43 формируется сигнал равный максимальному пропускному значению седьмого блока ограничения 43. Если скорость вращения двигателя 4 по модулю меньше максимальной скорости, установленной в блоке задания максимальной скорости 44, то на выходе восьмого сумматора 41 получается сигнал с отрицательным знаком и седьмой блок ограничения 43 его не пропускает, создавая на своем выходе нулевой сигнал. При вращении двигателя 4 в отрицательном направлении на выходе третьего релейного элемента 45 формируется сигнал, подаваемый на третий вход третьего ключа 46, который заставляет третий ключ 46 пропускать сигнал из его второго входа на его выход, при этом сигнал с выхода седьмого блока ограничения 43 поступает на выход третьего ключа 46.
Интегрирующее звено 37 интегрирует сигнал скорости вращения двигателя 4, подаваемый на его вход и выдает на своем выходе угол поворота вала двигателя 4 относительно исходного положения, который затем подается на первый вход девятого сумматора 32. На второй вычитающий вход девятого сумматора 32 подается значение угла поворота вала двигателя 4 относительно исходного состояния, соответствующее среднему положению груза 6 в рабочей зоне, заданное в блоке задания среднего положения 33. В результате сравнения сигналов на первом и втором входах девятого сумматора 32 на выходе девятого сумматора 32 получается сигнал равный углу поворота вала двигателя 4 относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне, которое затем подается на второй выход блока ограничения скорости и положения 19, а также на вторые входы пятого 25 и шестого 28 сумматоров.
Если значение угла поворота вала двигателя 4 относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне положительное, и больше максимального угла отклонения, установленного в блоке задания максимального угла 31, то на выходе пятого сумматора 25 получается сигнал с отрицательным значением, который сначала усиливается первым регулятором положения 26, а потом проходит через четвертый блок ограничения 27. Причем, если усиленный сигнал оказывается больше максимального отрицательного пропускного значения четвертого блока ограничения 27, то он проходит без искажения на выход четвертого блока ограничения 27, а если меньше, то на выходе четвертого блока ограничения 27формируется сигнал, равный максимальному отрицательному пропускному значению четвертого блока ограничения 27. Если значение поворота вала двигателя 4 относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне меньше максимального угла отклонения, установленного в блоке задания максимального угла 31, то на выходе пятого сумматора 25 получается сигнал с положительным знаком и четвертый блок ограничения 27 его не пропускает, создавая на своем выходе нулевой сигнал. Если значение угла поворота вала двигателя 4 относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне положительное, то на выходе второго релейного элемента 34 формируется сигнал, подаваемый на третий вход второго ключа 35, который заставляет второй ключ 35 пропускать сигнал из его первого входа на его выход, при этом сигнал с выхода четвертого блока ограничения 27 поступает на выход второго ключа 35.
Если значение угла поворота вала двигателя 4 относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне отрицательное, и больше по модулю максимального отрицательного угла отклонения, установленного в блоке задания максимального угла 31, то на выходе шестого сумматора 28 получается сигнал с положительным значением, который сначала усиливается вторым регулятором положения 29, а потом проходит через пятый блок ограничения 30. Однако, если усиленный сигнал оказывается меньше максимального пропускного значения пятого блока ограничения 30, то он проходит без искажения на выход пятого блока ограничения 30, а если больше, то на выходе пятого блока ограничения 30 формируется сигнал, равный максимальному пропускному значению пятого блока ограничения 30. Если значение угла поворота вала двигателя 4 относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне меньше по модулю максимального угла отклонения, установленного в блоке задания максимального угла 31, то на выходе седьмого сумматора 28 получается сигнал с отрицательным знаком и пятый блок ограничения 30 его не пропускает, создавая на своем выходе нулевой сигнал. Если значение угла поворота вала двигателя 4 относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне отрицательное, то на выходе второго релейного элемента 34 формируется сигнал, подаваемый на третий вход второго ключа 35, который заставляет второй ключ 35 пропускать сигнал из его второго входа на его выход, при этом сигнал с выхода пятого блока ограничения 30 поступает на выход второго ключа 35.
Таким образом, блок ограничения скорости и положения 19 работает следующим образом: при работе на скоростях, не превышающих максимально допустимых значений, задаваемых блоком задания максимальной скорости 44, выходной сигнал третьего ключа 46 равен нулю. Если скорость вращения двигателя 4 превысит максимально допустимую скорость, то на выходе третьего ключа 46 появится сигнал, отличный от нулевого, который ограничит скорость на заданном уровне. При нахождении груза 6 в рабочей зоне выходной сигнал второго ключа 35 равен нулю. Если груз 6 выходит за пределы рабочей зоны, то на выходе второго ключа 35 появится сигнал отличный от нулевого, который введет груз 6 в рабочую зону. Сигналы с выходов второго 35 и третьего 46 ключа суммируются на десятом сумматоре 36 и подаются на третий вход второго сумматора 9, изменяя сигнал задания тока двигателя 4.
Блок ограничения момента18 работает следующим образом.
Со второго входа блока ограничения скорости и момента 19 сигнал, значение которого равно углу поворота вала двигателя 4, относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне, подается на второй вход блока ограничения момента 18, а затем на вход первого релейного элемента 24. В зависимости от величины входного сигнала первого релейного элемента 24 на его выходе могут быть три различных сигнала, управляющих работой первого ключа 23, по средством воздействия на четвертый вход первого ключа 23. При угле поворота вала двигателя 4 относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне большем максимального угла отклонения, сигнал с выхода первого релейного элемента 24 заставляет пропускать первый ключ 23, сигнал с его первого входа на его выход; при угле поворота вала двигателя 4 относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне меньше максимального отрицательного отклонения, сигнал с выхода первого релейного элемента 24 заставляет пропускать первый ключ 23, сигнал с его третьего входа на его выход, при угле поворота вала двигателя 4, относительно положения, соответствующего среднему положению груза 6 в рабочей зоне, принимающем значения между максимальным и максимальным отрицательным углом отклонения, сигнал с выхода первого релейного элемента 24 заставляет пропускать первый ключ 23, сигнал с его второго входа на его выход.
Если первый ключ 23 пропускает сигал через свой первый вход, то сигнал с первого входа блока ограничения момента 18, являющийся заданием на изменение усилия, поступающий с выхода регулятора усилия 15 проходит через первый блок ограничения 20, при этом: если этот сигнал положительный, то на выходе первого блока ограничения 20 формируется нулевой сигнал; если сигнал отрицательный и больше максимального отрицательного пропускного значения, то сигнал проходит без искажения на выход первого блока ограничения 20; если сигнал меньше максимального отрицательного пропускного значения, то на выходе первого блока ограничения 20 формируется сигнал, равный максимальному отрицательному пропускному значению. Если первый ключ 23 пропускает сигнал через свой второй вход, то сигнал с первого входа блока ограничения момента 18, являющийся заданием на изменение усилия, поступающий с выхода регулятора усилия 15, проходит через второй блок ограничения 21, при этом: если сигнал больше максимального пропускного значения, то на выходе второго блока ограничения 21 формируется сигнал, равный максимальному пропускному значению; если этот сигнал меньше максимального пропускного значения и больше максимального отрицательного пропускного значения, то сигнал проходит без искажения на выход второго блока ограничения 21; если сигнал меньше максимального отрицательного пропускного значения, то на выходе второго блока ограничения 21 формируется сигнал, равный максимальному отрицательному пропускному значению. Если первый ключ 23 пропускает сигал через свой третий вход, то сигнал с первого входа блока ограничения момента 18, являющийся заданием на изменение усилия, поступающий с выхода регулятора усилия 15, проходит через третий блок ограничения 22, при этом: если этот сигнал отрицательный, то на выходе третьего блока ограничения 22 формируется нулевой сигнал; если сигнал положительный и меньше максимального пропускного значения, то сигнал проходит без искажения на выход третьего блока ограничения 22; если сигнал больше максимального пропускного значения, то на выходе третьего блока ограничения 22 формируется сигнал, равный максимальному пропускному значению.
Таким образом, при перемещении груза 6 в пределах рабочей зоны, работает второй блок ограничения 21, разрешая работу регулятора усилия 15 в обоих направлениях. В случае, если груз 6 выходит из рабочей зоны, включается первый блок ограничения 20 или третий блок ограничения 22, которые разрешают работу регулятора усилия 15, лишь в одном направлении движения груза 6, при котором возможен его возврат в рабочую зону. После входа в рабочую зону снова включается второй блок ограничения 21, разрешая работу регулятора усилия 15 в обоих направлениях движения груза 6. Благодаря, существованию максимального и максимального отрицательного пропускных значений, блок ограничения момента 18 ограничивает диапазон допустимых заданий на изменение усилия.