Теория и практика создания электромеханических силокомпенсирующих систем тренажёров для подготовки космонавтов

• Автор: Кравченко, Олег Александрович
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новочеркасск
• Количество страниц: 380 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИЛОКОМПЕСИРУЮЩИХ СИСТЕМ ТРЕНАЖЁРОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ КОСМОНАВТОВ
1.1 Существующие подходы к построению и особенности функционирования систем регулирования усилия

1.2 Анализ состояния и области применения силокомпенсирующих

электромеханических комплексов

1.2Л Особенности реализации специальных грузоподъёмных устройств

1.2.2 Способы построения и особенности реализации медицинских тренажёров для реабилитации опорно-двигательного аппарата

1.2.3 Применение стендов испытаний объектов космической техники

для работы в условиях невесомости

1.2.4 Способы и средства подготовки космонавтов с использованием силокомпенсирующих систем
1.3 Анализ проблем и возможных направлений их решения при создании современных силокомпенсирующих электромеханических комплексов
1.4 Критерии функционирования многокоординатных силокомпенсирующих
систем тренажёров для подготовки космонавтов
1.5 Определение требований к тренажёрам для подготовки космонавтов
в условиях полной и частичной невесомости
1.6 Сопоставление достоинств и недостатков вариантов реализации механической части силокомпенсирующих систем
1.6.1 Анализ подходов к построению стендов обезвешивания тренажёров
для подготовки космонавтов
1.6.2 Анализ и сопоставление пассивных, активных и комбинированных систем при построении системы вертикальных перемещений космонавтов
1.6.3 Анализ и сопоставление пассивных и активных систем при реализации системы горизонтальных перемещений космонавтов
1.7 Задачи развития теории и практики создания тренажёров для
подготовки космонавтов
2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ СИСТЕМ
2.1 Анализ и сопоставление подходов к получению математических моделей стендов обезвешивания
2.2 Разработка математических моделей механической части силокомпенсирующих систем
2.2.1 Составление расчётных схем элементов механической части
стендов обезвешивания
2.2.2 Анализ свойств механических передач стендов обезвешивания
2.2.3 Математическое описание стендов обезвешивания с учётом
свойств механических передач электроприводов СКС
2.3 Получение математических моделей электромеханических преобразователей для силокомпенсирующих систем
2.3.1 Математическое описание асинхронных электродвигателей
при частотном регулировании электромагнитного момента
2.3.2 Математическое описание синхронного электродвигателя с постоянными магнитами при частотном регулировании электромагнитного момента
2.3.3 Математическое описание электродвигателя постоянного тока
с независимым возбуждением
2.4 Разработка обобщенной математической модели
силокомпенсирующей системы
2.4.1 Математическое описание управляющих
и информационно-измерительных устройств
2.4.2 Получение обобщенной математической модели силокомпенсирующей системы
2.5 Проверка адекватности математической модели и разработка методов идентификации параметров силокомпенсирующих
электромеханических систем
2.5.1 Создание экспериментального стенда для комплексных
исследований силокомпенсирующих систем
2.5.2 Определение параметров нелинейных характеристик
механических передач

2.5.3 Идентификация параметров упруго-диссипативных
свойств механической передачи
2.5.4 Определение параметров управляющих устройств силокомпенсирующих систем
2.5.5 Проверка адекватности математической модели
3 СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТИ
СИЛОКОМПЕНСИРУЮЩИХ СИСТЕМ
3.1 Анализ и сопоставление возможных подходов к синтезу неизменяемой
части и локальных регуляторов
3.1.1 Обзор методов синтеза электромеханических систем с упругими связями
3.1.2 Обоснование предлагаемого подхода к синтезу системы
управления усилиями
3.2 Разработка структуры системы управления усилиями при построении силокомпенсирующих систем
3.3 Синтез оптимального регулятора усилия в силокомпенсирующих системах
3.3.1 Постановка задачи синтеза оптимального регулятора усилия
3.3.2 Определение структуры оптимального регулятора усилия
3.3.3 Проблемы учёта наиболее опасного случайного возмущающего воздействия при синтезе оптимального регулятора усилия
3.3.4 Решение задачи синтеза оптимального регулятора усилий
3.3.5 Исследование влияния коэффициента Лагранжа на функционирование силокомпенсирующих систем
3.4 Оценка влияния допущений, принятых при синтезе регулятора усилия на качественные показатели работы силокомпенсирующей системы
3.4.1 Влияние динамических свойств контура регулирования тока
3.4.2 Влияние быстродействия датчика усилия
3.5 Анализ особенностей реализации синтезированного регулятора
усилия при создании цифровых силокомпенсирующих систем
3.5.1 Исследование влияния квантования по времени
на качество регулирования усилия
3.5.2 Исследование влияния квантования по уровню
на качество регулирования усилия

лия выполнен с применением упругого чувствительного элемента в виде кольца и вторичного преобразователя, реализованного с использованием вращающегося трансформатора типа ВТ5. В автоматическом режиме СГП реализована по принципам следящей системы управления углом отклонения каната, задача которого сделать этот угол нулевым. Существенной проблемой при такой реализации является демпфирование раскачиваний объекта в горизонтальной плоскости при больших углах отклонения каната. Датчик отклонения каната в продольной и поперечной плоскости моста выполнен с применением двух вращающихся трансформаторов [33].
Обзор стендов, предназначенных для подготовки космонавтов к работе в условиях невесомости, показал, что они реализовывались на базе пассивного способа обезве-шивания, обеспечивая компенсацию веса объекта как с помощью противовеса [1, 32], так и активного способа, реализуемого с помощью электроприводов [34]. Пассивные способы обезвешивания позволяют получить силы трогания для начала перемещений 100-150 Н. Такие усилия приводят к существенным энергетическим затратам космонавтов при их перемещении на тренажёре. Применяемый в активных системах электродвигатель постоянного тока ПБСТ не позволяет длительно работать в режиме стоянки под током. Поэтому при удержании объекта обезвешивания на весу используется электромагнитный тормоз. Применение электромагнитного тормоза приводит к рывкам при его срабатывании в начале движения и при остановке обезвешиваемого объекта. СГП, реализованная по принципам следящей системы управления, обеспечивает управление скоростью моста и тележки для достижения угла отклонения каната равного нулю. Однако работа такой системы является эффективной только при приложении усилия в горизонтальной плоскости к обезвешиваемому объекту. После снятия внешнего воздействия и достижения угла отклонения равного нулю мост и тележка резко останавливаются, что приводит к остановке объекта обезвешивания. Реально в невесомости, после приложения усилия к объекту и снятию его, объект должен продолжить движение в направлении
т-гучуу , л Гуут лт, Т'лт^л тт /~>Т~'1~Г ТТУУТ! У/- (ч ттттг а1ттг й п
приложения силы. 1 акое построение ^ х г 1 приводит к иолыним погрешностям в имитации движений космонавтов на тренажёре.
Обзор существующих стендов обезвешивания показал, что они рассчитаны на имитацию деятельности космонавта в скафандре в невесомости общей массой 200-250 кг, скорость перемещений 0,2—0,4 м/с, ускорение 0,2 м/с2, усилием, которое космонавту необходимо приложить до начала перемещения, не более 100 Н.