Принципы построения и реализация систем компенсации силы тяжести

УДК 62-83+681.515

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ КОМПЕНСАЦИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

© 2013 г. ОА. Кравченко, Г.Я. Пятибратов, НА. Сухенко, А.Б. Бекин

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Проанализированы способы создания и особенности функционирования тренажёров для обучения космонавтов работе в условиях невесомости. Рассмотрены принципы построения силокомпенсирующих систем, используемых в таких тренажерах. Приведены результаты эксплуатации существующих тренажеров и определены пути их дальнейшего развития.

Ключевые слова: тренажер, космонавт; компенсация силы тяжести; имитация перемещений; пониженная гравитация; Луна; Марс.

The development methods and operational features of simulators for training astronauts in conditions of weightlessness are analyzed. The construction principles of force compensating systems used in such simulators are considered. The results of operation of the existing simulators are cited and their future evolution is discussed.

Keywords: the simulator for astronauts; the indemnity of gravitation; the movement of astronaut on the Moon and Mars.

При рассмотрении различных электротехнических устройств и комплексов можно выделить электромеханические системы (ЭМС), у которых параметры движения определяются не управляющим, а внешним силовым воздействием. Регулируемый электропривод в таких ЭМС должен с высокой точностью управлять усилиями в исполнительном органе и компенсировать силы трения, гравитационные силы, силы инерции присоединённых масс, которые действуют на объект. Такие ЭМС можно выделить в класс силокомпенсирующих систем (СКС). При выполнении условия компенсации всех составляющих усилий, препятствующих движению объекта, при приложении к нему незначительных дополнительных усилий, он приходит в движение, параметры которого (ускорение, скорость, перемещение) должны определяться значением и временем приложения внешнего силового воздействия.

Анализ возможных областей применения рассматриваемых СКС показал, что их целесообразно использовать для:

- построения сбалансированных манипуляторов, используемых для автоматизации ручного труда при перемещении грузов значительной массы [1];

- в специальных грузоподъемных механизмах, применяемых при выполнении подъемно-транспортных работ, например при автоматизации монтажа строительных конструкций, на конвейерах по сборке автомобилей;

- в медицинских тренажёрах, которые используются для восстановления нарушенных функций

опорно-двигательного аппарата пациентов и ускорения их реабилитации при ходьбе (при этом нагрузки на опорно-двигательный аппарат человека могут регулироваться в широких пределах);

- создания специальных стендов отработки функционирования в земных условиях изделий космической техники;

- реализации тренажёров для обучения космонавтов выполнению действий в условиях невесомости или пониженной гравитации [2].

Анализ различных подходов к реализации пространственных перемещений объектов обезвешивания показал, что для построения рассматриваемых стендов необходимо применять многокоординатные СКС, обеспечивающие до шести степеней подвижности, реализацию которых можно осуществлять в прямоугольных или цилиндрических координатах. При этом сложные пространственные перемещения обеспечиваются путём разделения пространственных перемещений объекта на составляющие в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также на вращение и качание объекта относительно его центра масс. Создание необходимых компенсирующих усилий может быть обеспечено с использованием пассивных, активных и комбинированных СКС. Пассивные системы реализуются с помощью пружин и противовесов. В активных системах компенсация силы тяжести осуществляется специальными приводными устройствами, управляющими в функции изменения усилий. В комбинированных системах компенсация силы тяжести

выполняется противовесами, а силы трения и другие усилия, препятствующие требуемому движению объекта, - с помощью регулируемых приводов.

Развитие теории построения электромеханических СКС, разработка технических решений и инженерных методик проектирования тренажёров, позволяющих имитировать движения космонавтов в невесомости и условиях пониженной гравитации, являются в настоящее время наиболее актуальными задачами.

В настоящее время такие тренажёры создаются для подготовки космонавтов к выходу в открытый космос для отработки циклограммы шлюзования. Скорости перемещения космонавтов на них составляли до 0,2 м/с при ускорениях до 0,2 м/с2. Опыт эксплуатации тренажёров с СКС показал возможность их применения для отработки космонавтами задач вне-корабельной деятельности. Предельные значения скоростей в этом случае могут достигать 0,6 м/с и ускорения до 0,75 м/с2. Анализ различных действий космонавтов в условиях гравитационных сил других планет позволил определить максимальные скорости их перемещений в вертикальной плоскости до 1,8 м/с, в горизонтальной до 2,1 м/с и максимальные ускорения - в вертикальной плоскости до 5,8 м/с2, в горизонтальной плоскости до 7,4 м/с2 [3].

Исследования силовых взаимодействий при различных вариантах разделения пространственных перемещений космонавтов на тренажёрах показали, что имитация движений космонавтов в условиях пониженной гравитации при реализации СКС в цилиндрической системе координат приводит к большим значениям радиальных и кориолисовых сил, искажающих желаемую траекторию перемещения космонавта. Поэтому универсальной является компоновка тренажёра в прямоугольной системе координат. Однако в этом случае для перемещения моста необходимо использовать два синхронно работающих электропривода, расположенных на разных его концах.

Основная особенность в функционировании локальных координат СКС заключается в том, что задающее воздействие в системе вертикальных перемещений (СВП) пропорционально весу обезвешиваемо-го объекта, а в системе горизонтальных перемещений (СГП) оно равно нулю. Однако при применении математического описания СКС в приращениях координат вертикальная и две горизонтальные координаты могут быть исследованы с использованием обобщенной двухмассовой модели [4], что позволило разработать единую методологию решения задач анализа и синтеза для всех поступательных координат тренажёра.

Выполненные исследования показали эффективность применения следующих обратных связей [5]:

- главная отрицательная обратная связь по усилию в подвеске скафандра с космонавтом обеспечивает получение заданных статических и динамических показателей работы СКС;

- отрицательная обратная связь по составляющей тока, определяющая электромагнитный момент

двигателя, используется для реализации функций токоограничения и стабилизации электромагнитного момента двигателя при действии различных параметрических возмущений;

- положительная обратная связь по скорости электродвигателя позволяет компенсировать отрицательное влияние противоЭДС двигателя;

- задержанные обратные связи по скорости и положению обеспечивают безопасность функционирования тренажёра путем ограничения его перемещений в рабочем пространстве тренажёра;

- положительная и отрицательная обратные связи по ускорению двигателя позволяют обеспечить идентичность характеристик (силы трогания и ошибки воспроизведения ускорения) для всех координат многокоординатной СКС.

Высокие требования к качеству функционирования СКС определили необходимость синтеза локальных регуляторов усилий с использованием методов оптимального управления. Сравнение методов оптимального управления показало целесообразность применения вариационных методов, что позволило осуществить синтез регуляторов СКС по возмущению в условиях действий в системе случайных силовых воздействий при учёте ограничения, накладываемого на мощность двигателя и преобразователя, а также дало возможность практической реализации регулятора усилия. В качестве минимизируемого функционала использован квадратичный интегральный критерий качества управления в зависимости от ошибки регулирования усилия с учетом ограничений, накладываемых на мощность управляющего воздействия. В результате решения задачи синтеза получен оптимальный регулятор усилия, который имеет второй порядок и может быть реализован с использованием пропорционального, двух форсирующих и двух апериодических звеньев [6].

При реализации дискретно-непрерывной СКС были определены и обеспечены требования к периоду квантования цифрового контура регулирования усилия и минимальной разрядности АЦП, с помощью которого осуществляется подключение аналогового датчика усилия к цифровой системе регулирования.

Важным фактором при проектировании и реализации тренажёров является рациональный выбор силовой и информационной части СКС: электродвигателя, передаточного устройства, преобразователя, питающего электродвигатель, датчиков. Определение мощности электродвигателя и параметров передаточного устройства предложено осуществлять при выполнении условий:

- обеспечение стоянки нагруженного статическим моментом электродвигателя под током;

- обеспечение требуемых скоростей и ускорений при перемещениях космонавтов;

- демпфирование упругих колебаний в механических передачах средствами электропривода;

- обеспечение допустимых максимальных и тепловых нагрузок электродвигателя [3].

В процессе работы СКС возможно изменение массы обезвешиваемого объекта из-за использования при тренировках космонавтов различного по весу технологического оборудования. Вследствие этого в системе могут возникать самопроизвольные движения обезвешиваемого объекта даже при отсутствии внешнего силового воздействия. Анализ различных способов решения проблемы распознавания в сигнале датчика усилия информации о внешнем силовом воздействии показал целесообразность применения специальных методов обработки и коррекции показаний датчика усилия, основанных на нечёткой логике. Для этого в канал измерения усилия СВП предложено встречно-параллельно включать фаззи-регулятор, в котором входными лингвистическими переменными рекомендуется принять время и сигнал отклонения усилия относительно веса объекта, а в качестве выходной переменной - сигнал коррекции показаний датчика усилия [7].

Разработанные теоретические положения и предложенные технические решения были использованы при создании тренажёра «Выход-2» и комплекса «Сармат».

Тренажёр «Выход-2» предназначен для имитации движений в невесомости космонавта в скафандре общей массой до 250 кг. Внешний вид тренажёра приведен на рис. 1. СКС обеспечили значение силы трогания объекта обезвешивания не более 30 Н, ошибку воспроизведения ускорения 10^13 %, что позволило использовать тренажёр «Выход-2» для подготовки космонавтов и астронавтов по программе международной космической станции.

Рис. 1. Внешний вид тренажера «Выход-2»

Комплекс «Сармат» создан для имитации деятельности космонавта в невесомости при изменении массы объекта обезвешивания от 30 до 150 кг. Внешний вид комплекса «Сармат» приведен на рис. 2. Предложенные СКС обеспечили максимальную скорость перемещения 0,3 м/с, ускорение - не более 0,2 м/с2, сила трогания космонавта не превысила 20 Н.

Рис. 2. Внешний вид комплекса «Сармат»

В настоящее время актуальной задачей является создание тренажёров, предназначенных для имитации движения космонавтов в гравитационных условиях других планет солнечной системы. Такие тренажёры должны обеспечивать более динамичные перемещения космонавтов, иметь большую рабочую зону. Выполненные исследования свидетельствуют, что СКС таких тренажёров необходимо реализовать в системе прямоугольных координат. Их реализацию целессобразно осуществлять с применением вентильного электродвигателя переменного тока, системы управления Simotion P320-3, электроприводов Sinamics S120 фирмы Siemens. В настоящий момент ведется разработка рабочей конструкторской документации, необходимой для создания тренажёра, предназначенного для обучения космонавтов действиям в условиях пониженной гравитации Луны и Марса.

Результаты научных исследований, опубликованные в статье, выполнены по гранту №13В7.21.1826 Министерства образования и науки.

Литература

1. Сухенко Н.А., Пятибратов Г.Я. Совершенствование систем управления сбалансированных манипуляторов // Изв. вузов. Электромеханика. 2010. № 5. С. 77 - 81.

2. Пятибратов Г.Я., Кравченко О.А., Папирняк В.П. Способы реализации и направления совершенствования тренажёров для подготовки космонавтов к работе в невесомости // Изв. вузов. Электромеханика. 2010. № 5. С. 70 - 76.

3. Киво А.М., Кравченко О.А. Определение энергетических характеристик электроприводов специальных стендов, обеспечивающих отработку космонавтами перемещений на планетах с пониженной гравитацией // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. № 3.

4. Барыльник Д.В., Пятибратов Г.Я., Кравченко О.А. Сило-компенсирующие системы с электроприводами переменного тока тренажерных комплексов подготовки космонавтов / Южн.-Рос. гос. техн. ун-т.; ред. журн. «Изв. вузов. Электромеханика»; «Лик». Новочеркасск, 2012. 176 с.

5. Кравченко О.А. Принципы построения многокоординатных силокомпенсирующих систем // Изв. вузов. Электромеханика. 2008. № 3. С. 43 - 47.

Поступила в редакцию

6. Сухенко Н.А., Кравченко О.А. Пути и способы оптимизации структуры и параметров электромеханических систем компенсации силы тяжести // Изв. вузов. Электромеханика. 2003. № 5. С. 30 - 36.

7. Кравченко О.А., Хализева М.А. Повышение качества информационного обеспечения силокомпенсирующих систем применением фаззи-регулятора // Изв. вузов. Электромеханика. 2003. № 5. С. 37 - 41.

6 ноября 2012 г.

Кравченко Олег Александрович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-52-10. E-mail: kravch@newmail.ru

Пятибратов Георгий Яковлевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электропривод и автоматика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-52-10. E-mail: g.pyatibratov@mail.ru

Сухенко Николай Александрович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электропривод и автоматика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-52-10. E-mail: kolyt@mail.ru

Бекин Азамат Базарбаевич - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Kravchenko Oleg Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Electric Drive and Automatic Equipment», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechic Institute). Ph. (8635)25-52-10. E-mail: kravch@newmail.ru

Pyatibratov George Yakovlevich - Doctor of Technical Sciens, professor, department «Electric Drive and Automatic Equipment», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechic Institute). Ph. (8635)25-52-10. E-mail: g.pyatibratov@mail.ru

Sukhenko Nicolay Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electric Drive and Automatic Equipment», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechic Institute). Ph. (8635)25-52-10. E-mail: kolyt@mail.ru

Bekin Azamat Bazarbaevich - post-graduate student, department «Electric Drive and Automatic Equipment», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechic Institute). Ph. (8635)25-52-10.