авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Электромеханическая система компенсации силы тяжести с асинхронным частотно-регулируемым электроприводом

-- [ Страница 1 ] --

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 ().



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.