| |||||||||||||
(54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ОБУЧАЕМОГО НА ТРЕНАЖЕРЕ ВЫХОДА В КОСМОС (57) Реферат: Изобретение относится к области тренажеростроения и может быть использовано для создания тренажера выхода в космос в виде скафандра с человеком, приобретающим навыки работы в открытом космосе. Система содержит скафандр с обучаемым, задатчик веса груза, последовательно соединенные задатчик момента электродвигателя, сумматор, устройство регулирования момента, электродвигатель, передаточное устройство, датчик усилия, блок выделения разности усилий и регулятор усилия. Второй вход блока выделения разности усилий подключен 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. Технический результат заключается в повышении точности управления вертикальным перемещением обучаемого на тренажере. 5 ил. Система относится к области космического тренажеростроения и предназначена для управления вертикальным перемещением скафандра с человеком, приобретающим навыки работы в открытом космосе. Известно устройство для обезвешивания вертикально перемещающейся маложесткой механической системы космического аппарата, описанное в патенте РФ Данное устройство не позволяет автоматически управлять процессом перемещения груза (маложесткой механической системы космического аппарата). Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому техническому эффекту к предлагаемому изобретению является система управления вертикальным перемещением обучаемым на тренажере выхода в космос (статья , Хализева качества информационного обеспечения силокомпенсационных систем применением фаззи-регулятора // Электромеханика Система управления вертикальным перемещением обучаемого на тренажере выхода в космос содержит груз (скафандр с обучаемым), задатчик веса груза, последовательно соединенные датчик времени и фаззи-регулятор, а также последовательно соединенные задатчик момента электродвигателя, сумматор, устройство регулирования момента (регулятор момента с управляемым преобразователем напряжения), электродвигатель, передаточное устройство (редуктор, барабан, канатная передача и направляющие блоки), датчик усилия, блок выделения разности усилий, регулятор усилия, выход которого соединен со вторым входом сумматора, причем второй вход блока выделения разности усилий подключен к выходу задатчика веса груза, третий вход блока выделения разности усилий подключен к выходу фаззи-регулятора, второй вход которого связан с выходом блока выделения разности усилий, а скафандр с обучаемым подключен к выходу передаточного устройства (к нижнему направляющему блоку). Данная система обеспечивает управление вертикальным перемещением обучаемого на тренажере выхода в космос, однако имеет низкую точность, поскольку не предусматривает автоматическую коррекцию показаний датчика усилия при изменении суммарного веса скафандра с обучаемым и при его перемещении по вертикали. Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности управления вертикальным перемещением обучаемого на тренажере выхода в открытый космос за счет автоматической коррекции показаний датчика усилия. Задача достигается тем, что система управления вертикальным перемещением обучаемого на тренажере выхода в космос содержит скафандр с обучаемым, задатчик веса груза, последовательно соединенные задатчик момента электродвигателя, сумматор, устройство регулирования момента, электродвигатель, передаточное устройство, датчик усилия, блок выделения разности усилий и регулятор усилия, второй вход блока выделения разности усилий подключен к выходу задатчика веса груза, скафандр с обучаемым соединен с выходом передаточного устройства, датчик положения, подключенный к выходу (к валу) электродвигателя, индикатор нуля, индикатор отказа датчика усилия, последовательно соединенные кнопка запуска коррекции, первый блок коррекции и ключ, второй вход которого подключен к выходу регулятора усилия, а выход связан со вторым входом сумматора, а также последовательно соединенные датчик скорости и второй блок коррекции, выход которого соединен с третьим входом блока выделения разности усилий, причем вход индикатора нуля соединен с первым выходом первого блока коррекции, второй выход которого связан с четвертым входом блока выделения разности усилий, выход датчика положения соединен со вторым входом второго блока коррекции, третий вход которого подключен к первому выходу первого блока коррекции, выход блока выделения разности усилий связан со вторым входом первого блока коррекции, к третьему выходу которого подключен индикатор отказа датчика усилия, третий вход первого блока коррекции подключен к выходу датчика усилия, а к валу электродвигателя подключен вход датчика скорости. На фиг.1 приведена функциональная схема системы управления вертикальным перемещением обучаемого на тренажере выхода в космос, фиг.2 поясняет конструкцию механической части тренажера выхода в космос, на фиг.3 приведена структурная схемы алгоритма работы первого блока коррекции, а на фиг.4 и фиг.5 приведена структурная схемы алгоритма работы второго блока коррекции. Система управления вертикальным перемещением обучаемого на тренажере выхода в космос (см. фиг.1) содержит скафандр с обучаемым 1, задатчик веса груза 2, датчик положения 3, индикатор нуля 4, индикатор отказа датчика усилия 5, последовательно соединенные задатчик момента электродвигателя 6, сумматор 7, устройство регулирования момента 8, электродвигатель 9, передаточное устройство 10, датчик усилия 11, блок выделения разности усилий 12, регулятор усилия 13, последовательно соединенные кнопка запуска коррекции 14, первый блок коррекции 15 и ключ 16, второй вход которого подключен к выходу регулятора усилия 13, а выход связан со вторым входом сумматора 7, а также последовательно соединенные датчик скорости 17 и второй блок коррекции 18, второй вход которого подключен к выходу датчика положения 3, причем второй вход блока выделения разности усилий 12 подключен к выходу задатчика веса груза 2, третий вход блока выделения разности усилий 12 подключен к выходу второго блока коррекции 18, скафандр с обучаемым 1 соединен с выходом передаточного устройства 10, вход индикатора нуля 4 подключен к первому выходу первого блока коррекции 15, второй выход которого связан с четвертым входом блока выделения разности усилий 12, третий вход второго блока коррекции 18 подключен к первому выходу первого блока коррекции 15, второй вход первого блока коррекции 15 подключен к выходу блока выделения разности усилий 12, третий вход первого блока коррекции 15 подключен к выходу датчика усилия 11, к валу электродвигателя 9 подключены входы датчика скорости 17 и датчика положения 3, а к третьему выходу первого блока коррекции 15 подключен индикатор отказа датчика усилия 5. Система работает следующим образом. При включении система переводится в исходное состояние, в котором на всех выходах первого блока коррекции 15 и выходе второго блока коррекции 18 сигналы равны нулю. Нулевые значения выходных сигналов первого блока коррекции 15 приводят к тому, что ключ 16 размыкает контур автоматического управления усилием, состоящий из задатчика веса груза 2, блока выделения разности усилий 12, регулятора усилия 13, ключа 16, задатчика момента электродвигателя 6, сумматора 7, устройства регулирования момента 8, электродвигателя 9, передаточного устройства 10 и датчика усилия 11. При этом индикатор нуля 4, индикатор отказа датчика усилия 5 и ключ 16 выключены, а система находится в режиме ручного управления, когда сигнал от задатчика момента электродвигателя 6 через сумматор 7 подается на вход устройства регулирования момента 8. Управление перемещением скафандра с обучаемым 1 по вертикали осуществляется оператором-методистом в ручном режиме с помощью задатчика момента электродвигаПри этом скафандр с обучаемым 1 выводится в исходную (например, среднюю) точку диапазона перемещения по вертикали, а скорость и ускорение движения скафандра с обучаемым 1 определяется задатчиком момента электродвигателя 6, по выходному сигналу которого посредством устройства регулирования момента 8 определяется момент на валу электродвигателя 9, соответствующий такому развиваемому электродвигателем 9 усилию, при котором он с помощью передаточного устройства 10 может удерживать скафандр с обучаемым 1 на весу и перемещать его по вертикали, преодолевая силу тяжести скафандра с обучаемым 1, а также вес и сопротивление механических элементов, входящих в состав передаточного устройства 10. После установки скафандра с обучаемым 1 в заданной точке диапазона перемещения по вертикали электродвигатель 9 останавливается с помощью задатчика момента электродвигателя 6 в таком положении, когда создаваемое им усилие полностью компенсирует не только вес скафандра с обучаемым, но вес и силу сопротивления элементов механической цепи, соединяющей электродвигатель 9 со скафандром с обучаемым 1. Сигнал с выхода задатчика веса груза 2, соответствующий среднему суммарному весу FCP скафандра с обучаемым 1, поступает на второй вход блока выделения разности усилий 12, на первый вход которого поступает выходной сигнал F датчика усилия 11, пропорциональный фактическому суммарному весу Р скафандра с обучаемым 1. В общем случае суммарный вес Р скафандра с обучаемым 1 не соответствует заранее установленному среднему значению FCP, поэтому в результате сравнения выходных сигналов задатчика веса груза 2 и датчика усилия 11 на выходе блока выделения разности усилий 12 формируется сигнал рассогласования усилий Автоматический режим соответствует штатной деятельности обучаемого в процессе выполнения тренировочного задания, когда он, опираясь на конструктивные элементы учебных стендов, прилагает усилия в вертикальном направлении. Эти усилия, в зависимости от их величины и продолжительности, а также инерционности электродвигателя 9 и сил трения в элементах передаточного устройства 10, приводят к соответствующему перемещению скафандра с обучаемым 1 в направлении, противоположном направлению прилагаемых усилий. Эти усилия вызывают пропорциональное их величине изменение показаний датчика усилия 11 на величину В процессе выполнения обучаемым тренировочного задания возможно искажение вызванного усилиями обучаемого рассогласования усилий Точность управления вертикальным перемещением оценивается по симметрии величины и скорости перемещения скафандра с обучаемым 1 вверх и вниз при приложении одинаковых усилий обучаемым в обоих направлениях. На точность вертикального перемещения скафандра с обучаемым 1 отрицательно влияет силовое воздействие жгута из трубопроводов и электрических кабелей системы жизнеобеспечения и контроля состояния обучаемого (обеспечения воздухом, водяного охлаждения, медико-биологического контроля и других). Силовое воздействие жгута изменяется приблизительно по линейному закону при движении скафандра с обучаемым 1 от нижней к верхней точке допустимого диапазона перемещения и вызывает искажения показаний датчика усилия 11. Компенсацию воздействия сопротивления жгута в системе осуществляет второй блок коррекции 18, который запускается поступающим на его третий вход сигналом признака окончания процесса обезвешивания, формируемым на первом выходе первого блока коррекции 15. По этому сигналу второй блок коррекции 18 анализирует поступающий на его первый вход сигнал от датчика скорости 17 и при превышении им минимального уровня скорости осуществляет коррекцию сигнала усилия, формируя на своем выходе сигнал коррекции, подаваемый на третий вход блока выделения разности усилий 12. При этом второй блок коррекции 18 анализирует поступающий на его второй вход выходной сигнал датчика положения 3 и при каждом изменении его показаний на выбранную единицу точности измерения перемещения в зависимости от направления движения увеличивает или уменьшает сигнал на своем выходе на соответствующую величину. Зависимость сопротивления жгута от положения скафандра с обучаемым 1 по вертикали между крайними точками диапазона перемещения имеет примерно линейный характер, поэтому величина приращения корректирующего сигнала на выходе второго блока коррекции 18 является постоянной, а коррекция выполняется в течение всей тренировки. Если в процессе тренировки обучаемого на второй вход второго блока коррекции 18 будут поступать сигналы от датчика положения 3 при отсутствии движения скафандра с обучаемым 1 (например, при выходе из строя датчика положения 3), то сигнал от датчика скорости 17 не превысит минимального значения, что сразу же обнаруживает второй блок коррекции 18, который прекращает дальнейшую корректировку показаний датчика усилия 11. При этом тренировка продолжается, но с пониженными показателями точности управления вертикальным перемещением скафандра с обучаемым 1. Механическая часть системы управления вертикальным перемещением с обучаемого на тренажере выхода в космос (см. фиг.2) содержит электродвигатель 9 с подключенными к его валу датчиком положения 3 и датчиком скорости 17 (на фиг.2 не показаны), который через редуктор 19 соединен барабаном 20 передаточного механизма 10. Кроме редуктора 19 и барабана 20, в состав передаточного механизма 10 входит выполненная в две ветви канатная передача 21, связанная через направляющие блоки 22, 23 и 24 с балансиром 25, который позволяет автоматически выравнивать длину ветвей канатов и удерживать скафандр с обучаемым 1 на весу даже в случае обрыва одной из ветвей канатной передачи. К нижнему блоку 24 подключен корпус датчика усилия 11, с которым соединен скафандр с обучаемым 1. К скафандру с обучаемым 1 подведен жгут из трубопроводов и электрических кабелей 26 с помощью нескольких пассивных тележек 27, которые позволяют удерживать жгут в подвешенном состоянии на раме 28 при горизонтальных перемещениях скафандра с обучаемым 1. Запасовка канатов канатной передачи 21 с помощью направляющих блоков 22, 23 и 24 осуществляется таким образом, чтобы при перемещении скафандра с обучаемым 1 в горизонтальной плоскости не изменялась высота его подвеса. Верхние направляющие блоки 23 подвешены к каретке 29, относящейся к системе горизонтального перемещения скафандра с обучаемым 1. Каретка 29 перемещается по мосту 30 с помощью четырех опор 31 на воздушной пленке. Угловые перемещения мост 30 совершает с помощью узла поворота 32. При этом мост 30 с помощью четырех опор 33 на воздушной пленке опирается на стойки 34 с платформами 35. Подвод воздуха к опорам 31 и 33 на воздушной пленке осуществляется по шлангам питания (на фиг.2 не показаны). Первый блок коррекции 15 легко реализуется на базе микроконтроллера небольшой вычислительной мощности, содержащего таймер, необходимые внутренние и внешние устройства ввода и вывода аналоговых (двухканальный АЦП, ЦАП) и дискретных сигналов и работающего по программе, структурная схема которой приведена на фиг.3. При пуске программы в блоке 1 осуществляется первоначальная установка в нулевое состояние и вывод на соответствующие выходы первого блока коррекции 15 сигналов коррекции К1, признака окончания коррекции ПОК и признака отказа датчика усилия ПОД. Затем в блоках 2 и 3 организовано сканирование сигнала КЗК состояния кнопки запуска коррекции 14, после нажатия которой в блоке 4 проверяется, впервые или повторно нажата данная кнопка. Если кнопка КЗК нажата впервые, то в блоках 5 и 6 осуществляется ввод (через соответствующий канал АЦП) и проверка на допустимые пределы изменения сигнала F от датчика усилия 11. Если датчик усилия 11 вышел из строя, то в блоке 10 признаку отказа датчика усилия ПОД присваивается значение логической единицы, и он выводится на индикатор отказа датчика усилия 5. При нормальной работе датчика усилия в блоках 7 и 8 организуется цикл запуска и ожидания срабатывания таймера. После отработки таймером требуемого периода времени в блоках 11 и 12 выполняется ввод (через соответствующий канал АЦП) и проверка на нулевое состояние сигнала от блока выделения разности усилий 12 Второй блок коррекции 18 так же легко реализуется на базе микроконтроллера небольшой вычислительной мощности, содержащего необходимые устройства ввода и вывода аналоговых (АЦП, ЦАП) и дискретных сигналов и работающего по программе, структурная схема которой приведена на фиг.4 и фиг.5. Алгоритм программы ориентирован на работу с датчиком положения 3, формирующим на своих выходах два сигнала: последовательность импульсов ИДП, число которых пропорционально величине перемещения скафандра с обучаемым 1 по вертикали, и признака направления перемещения СНП. При пуске второго блока коррекции 18 в блоке 1 программы осуществляется обнуление сигнала коррекции К2, суммы числителей К2 В общем случае величина приращения сигнала коррекции ± Вычисление начинается в блоке 15 с увеличения текущего значения накопленной суммы числителей К2 К2 Работа приведенного на фиг.5,а алгоритма иллюстрируется таблицей на фиг.5,б, составленной для примера вычисления При изменении направления движения скафандра с обучаемым 1 по вертикали на противоположное вычисление значения (- В качестве микроконтроллера, на базе которого могут быть реализованы первый 15 и второй 18 блоки коррекции, возможно использование микроконтроллера фирмы Motorola типа MC68HC908GP32, имеющего встроенный в него модуль восьмиразрядного восьмиканального АЦП. Совместно с микроконтроллером возможно использование двенадцатиразрядного ЦАП типа DAC813. Превышение разрядности ЦАП над разрядностью АЦП обеспечивает уменьшение при коррекции величины В качестве датчика положения 3 могут быть использованы резольвер совместно с измерительным преобразователем на базе микросхем типа AD2S90 и AD2S99. В качестве датчика усилия 11 может быть использован тензодатчик типа С2-500 (Тензо-М). В составе устройства регулирования момента 8 возможно использование транзисторного управляемого преобразователя напряжения типа ЭШИМ-1. Макет системы управления вертикальным перемещением обучаемого на тренажере выхода в космос прошел практическую апробацию на кафедре "Электропривод и автоматика" Южно-Россицского государственного технического университета (г. Новочеркасск), что подтвердило не только повышение точности управления вертикальным перемещением скафандра с обучаемым 1, но и возможность вынесения кнопки запуска коррекции 14, индикатора нуля 4 и индикатора отказа датчика усилия 5 в соседнее с тренажером помещение с размещением их на пульте дистанционного управления.
Система управления вертикальным перемещением обучаемого на тренажере выхода в космос, содержащая скафандр с обучаемым, задатчик веса груза, последовательно соединенные задатчик момента электродвигателя, сумматор, устройство регулирования момента, электродвигатель, передаточное устройство, датчик усилия, блок выделения разности усилий и регулятор усилия, второй вход блока выделения разности усилий подключен к выходу задатчика веса груза, а скафандр с обучаемым соединен с выходом передаточного устройства, отличающаяся тем, что в нее дополнительно установлены датчик положения, подключенный к валу электродвигателя, индикатор нуля, индикатор отказа датчика усилия, последовательно соединенные кнопка запуска коррекции, первый блок коррекции и ключ, второй вход которого подключен к выходу регулятора усилия, а выход связан со вторым входом сумматора, а также последовательно соединенные датчик скорости и второй блок коррекции, выход которого соединен с третьим входом блока выделения разности усилий, причем вход индикатора нуля соединен с первым выходом первого блока коррекции, второй выход которого связан с четвертым входом блока выделения разности усилий, выход датчика положения соединен со вторым входом второго блока коррекции, третий вход которого подключен к первому выходу первого блока коррекции, выход блока выделения разности усилий связан со вторым входом первого блока коррекции, к третьему выходу которого подключен индикатор отказа датчика усилия, третий вход первого блока коррекции подключен к выходу датчика усилия, а к валу электродвигателя подключен вход датчика скорости. РИСУНКИ
| |||||||||||||
Описание изобретения к патенту
5, с***** 2273592 С2, 10.04.2006. Технология сборки и испытаний космических аппаратов./Под общ. ред. проф. и проф. . - М.: Машиностроение, 1990. с.143-144. SU 1828261 А1, 20.09.1996.
F, пропорциональный разности (FCP-F) и отличающийся в общем случае от нулевого значения. Компенсация сигнала рассогласования усилий 
и инициализация 
НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?
