Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТОЧНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
|
Аннотация 2
Введение 6
Глава 1 Электромеханический исполнительный орган системы ориентации и стабилизации космического аппарата 14
1.1 Определение, принцип действия и особенности ЭМИО 14
1.2 Обзор отечественных и зарубежных ЭМИО 20
1.3 Способы управления динамическим моментом и точностные
характеристики ЭП ЭМИО 29
1.4 Выводы 38
Глава 2 Разработка имитационной модели ЭП ЭМИО 40
2.1 Моделирование электромеханических узлов и систем 40
2.2 Метод аналогий 42
2.3 Имитационная модель ЭП ЭМИО 48
2.4 Результаты моделир ов ания 61
2.5 Выводы 69
Глава 3 Синтез высокоточного регулятора ЭП ЭМИО по условию нулевой ошибки 71
3.1 Следящий регулятор тока с управлением по условию нулевой
ошибки 72
3.2 Управление ЭП ЭМИО с прогнозированием приращения тока
в силовой цепи 74
3.3 Регуляторы реверсивных ЭП ЭМИО 80
3.4 Модуляторы реверсивных ЭП ЭМИО 88
3.5 Выводы 93
Глава 4 Исследование высокоточного регулятора ЭП ЭМИО 95
4.1 Имитационная модель ЭП ЭМИО со следящим регулятором с
управлением по условию нулевой ошибки 95
4.2 Исследование имитационной модели ЭП ЭМИО со следящим
регулятором с управлением по условию нулевой ошибки 100
4.3 Исследование адекватности разработанных имитационных
моделей 109
4.4 Сравнительный анализ статических и динамических
характеристик ЭП ЭМИО 118
4.5 Выводы 130
Заключение 132
Литература 134
Приложение 148
Введение 6
Глава 1 Электромеханический исполнительный орган системы ориентации и стабилизации космического аппарата 14
1.1 Определение, принцип действия и особенности ЭМИО 14
1.2 Обзор отечественных и зарубежных ЭМИО 20
1.3 Способы управления динамическим моментом и точностные
характеристики ЭП ЭМИО 29
1.4 Выводы 38
Глава 2 Разработка имитационной модели ЭП ЭМИО 40
2.1 Моделирование электромеханических узлов и систем 40
2.2 Метод аналогий 42
2.3 Имитационная модель ЭП ЭМИО 48
2.4 Результаты моделир ов ания 61
2.5 Выводы 69
Глава 3 Синтез высокоточного регулятора ЭП ЭМИО по условию нулевой ошибки 71
3.1 Следящий регулятор тока с управлением по условию нулевой
ошибки 72
3.2 Управление ЭП ЭМИО с прогнозированием приращения тока
в силовой цепи 74
3.3 Регуляторы реверсивных ЭП ЭМИО 80
3.4 Модуляторы реверсивных ЭП ЭМИО 88
3.5 Выводы 93
Глава 4 Исследование высокоточного регулятора ЭП ЭМИО 95
4.1 Имитационная модель ЭП ЭМИО со следящим регулятором с
управлением по условию нулевой ошибки 95
4.2 Исследование имитационной модели ЭП ЭМИО со следящим
регулятором с управлением по условию нулевой ошибки 100
4.3 Исследование адекватности разработанных имитационных
моделей 109
4.4 Сравнительный анализ статических и динамических
характеристик ЭП ЭМИО 118
4.5 Выводы 130
Заключение 132
Литература 134
Приложение 148
Эффективность функционирования космического аппарата (КА) на орбите во многом зависит от точности и надежности работы его системы ориентации и стабилизации.
Управлением ориентацией КА называется осуществление заданного углового движения триэдра осей, жестко связанного с корпусом КА, относительно некоторой заданной системы одноименных осей, находящейся в пространстве. Начало триэдров находится в одной и той же точке корпуса КА, в которой движение вокруг центра масс не влияет на движение самого центра масс. В случае если повороты КА связаны с движением центра масс, то управление угловым положением КА называется угловой стабилизацией. Система, обеспечивающая это управление, называется системой ориентации и стабилизации КА [89].
Управление ориентацией КА является в большинстве случаев главным режимом управления его движением. Это следует из того, что управление ориентацией, как правило, происходит непрерывно, нередко продолжаясь многие месяцы, в то время как длительность других режимов - коррекции траектории, спуска, сближения - исчисляется десятками минут или секунд. Кроме того, ни коррекция траектории полета, ни маневр спуска с орбиты, ни наведение научной аппаратуры на заданные объекты исследования, ни наведение антенн на Землю или солнечных батарей на Солнце немыслимы без управления ориентацией КА.
Развитие многочисленных функциональных областей применения электромеханических систем для КА с первых дней освоения космического пространства сопровождалось интенсивными научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами как в условиях наземных испытаний отдельных электрических машин, приборов и различных систем для КА, так и особенно их отработки в космических условиях орбитального полета. Значительный вклад в решение задачи управления ориентацией КА внесли
ученые К.Б. Алексеев, А.А. Анчев, Г.Г. Бебенин, М.Л. Дертозос, И.В. Новожилов, Б.В. Раушенбах, Ж.К. Робердж, В.В. Румянцев,
А.В. Сорокин, Е.Н. Токарь, Н.Н. Шереметьевский.
Как известно, в 1957 году был запущен первый спутник Земли, а уже 13.04.1963 г. был осуществлен запуск космической электротехнической лаборатории «Омега» («Космос-14», «Космос-23»), созданной под руководством А.Г. Иосифьяна, на которой впервые была установлена электромеханическая система ориентации. В процессе летных испытаний спутников «Омега» подтверждена эффективность работы
электромеханической системы ориентации и правильность построения ее структуры, которая в своей основе сохранилась до настоящего времени.
В США аналогичная система ориентации была впервые испытана на спутнике «Нимбус» в августе 1964 года [111].
С появлением КА, предназначенных для длительного функционирования в космическом пространстве и требующих постоянной ориентации, для осуществления высокоточной угловой стабилизации и динамичных поворотов КА относительно центра масс, широко применяются системы ориентации и стабилизации с электромеханическими исполнительными органами (ЭМИО).
На КА «Космос-14» была установлена трехосная система ориентации и стабилизации, которая позволяла ориентировать данный КА и с помощью теплового пеленгатора (построителя местной вертикали) и одновременно на Солнце при применении соответствующих датчиков. В полете был исследован режим «закрутки» всего спутника вместе с раскрытыми солнечными батареями вокруг оси, ориентированной на Солнце с помощью двигателей-маховиков. При этом солнечные батареи были жестко закреплены относительно корпуса спутника.
На КА «Космос-23» проверялись оптимальные законы управления, исследовались динамические характеристики, т. е. регистрировались и передавались на Землю по телеметрии параметры угловых поворотов в функции времени системы ориентации с ЭМИО.
Исследование этих экспериментальных закономерностей в орбитальном полете дало возможность оценить отдельные компоненты сопротивления окружающей среды при движении спутника. Было установлено, что из всех внешних возмущающих сил: аэродинамических, гравитационных, светового давления, воздействия метеорной пыли, магнитных и плазменных воздействий наибольшее значение имеют силы аэродинамические и гравитационные [7, 10, 12].
Ориентация и стабилизация КА в пространстве относительно осей базовой системы отсчета достигается за счет использования стабилизирующих свойств некоторых внешних и внутренних вращающих моментов [48]. При этом внешние моменты обусловлены взаимодействием КА с окружающей средой. К таким моментам относятся аэродинамический, гравитационный, магнитный и момент от давления солнечных лучей. Внутренние моменты возникают в результате относительного движения отдельных частей КА, таких как шторки оборудования, двигатели-маховики, солнечные батареи, истечение с борта КА газов и жидкостей и т.д. В случае нежесткого КА появляется влияние упругих составляющих колебаний частей КА относительно друг дуга, например, колебания гравитационных штанг, солнечных батарей и других нежестких выносных конструкций.
Поэтому на использовании внешних моментов основываются пассивные методы ориентации, внутренних - активные, а на совместном использовании внешних и внутренних моментов - комбинированные (рис. 1).
Рисунок 1 - Классификация систем ориентации и стабилизации
Особенностью пассивных систем ориентации (или пассивных систем стабилизации) является их крайняя простота, отсутствие исполнительных органов для создания управляющих моментов и т.п. Однако очевидно, что пассивные системы пригодны только для поддержания некоторого режима ориентации КА, обусловленного характером используемых внешних моментов, и не могут осуществлять управления ориентацией, под которым понимается принципиальная возможность придать любое положение корпусу КА и, если надо, поддерживать положение в течение заданного времени.
Несмотря на то, что методы активной стабилизации требуют больших затрат энергии, они получили наибольшее распространение. По сравнению с пассивными методами они более эффективны при парировании внешних возмущений и более точны. Активная стабилизация КА может быть реализована либо с помощью реактивных двигателей ориентации, либо с помощью электромеханических систем. В работах К.Б. Алексеева, Г.Г. Бебенина и Б.В. Раушенбаха, Е.Н. Токаря [9, 89] подробно рассмотрены методы решения задачи управления ориентацией и первым и вторым способом, различные режимы процесса управления, указаны достоинства и недостатки обоих способов управления ориентацией, отмечено что, в отличие от систем, базирующихся на реактивных двигателях, использующих невосполнимые на борту запасы топлива или газа, требующих к тому же сложной системы его хранения и распределения в условиях космического полета, электромеханические системы используют электроэнергию, восполняемую солнечными батареями. Следовательно, управление осуществляется практически без затрат топлива. Это качественное отличие позволяет значительно увеличить эксплуатационный ресурс системы управления ориентацией КА. В настоящее время во всех электромеханических системах ориентации длительно существующих околоземных КА и орбитальных космических станций в качестве исполнительных органов используются силовые гироскопы и управляющие двигатели-маховики (УДМ). Это обусловлено экономией рабочего тела (топлива или газа) для микрореактивных двигателей на борту, как уже было отмечено выше, а также высокой точностью ориентации, надежностью, экологической чистотой и возможностью сохранения «прозрачной среды» вокруг объекта, необходимой для работы бортового оптического оборудования.
Управление ориентацией осуществляется с их помощью за счет перераспределения кинетического момента между исполнительным органом и корпусом КА. При этом стабилизация с помощью УДМ осуществляется изменением угловой скорости маховика, установленного по соответствующей оси КА, а изменение кинетического момента комплекса силовых гироскопов производится за счет изменения положения главных осей роторов с помощью активных моментных устройств, размещенных на осях карданова подвеса и включенных в регулирующие цепи систем ориентации.
Отличия в принципе действия УДМ и силовых гироскопов существенно не влияют на динамические характеристики системы ориентации. УДМ и силовые гироскопы имеют разные области применения.
В частности, силовые гироскопы применяют, если для управления ориентацией КА требуется реализовать большой кинетический момент и большие управляющие моменты. По этим причинам и ввиду конструктивной сложности силовые гироскопы более целесообразны для тяжелых орбитальных станций и больших космических структур [11, 110, 111].
УДМ применяются на автоматических КА (спутниках, предназначенных для исследования природных ресурсов и спутниках связи) и относительно легких орбитальных станциях. Маховичная система ориентации применена на спутниках «Омега», «Метеор», «Ресурс», «Глонасс» и других [30, 111].
Поскольку главными параметрами, определяющими эффективность работы УДМ в системах ориентации, являются развиваемый ими управляющий динамический и суммарный кинетический момент, а опыт разработки УДМ показывает, что погрешность реализации динамического момента достигает 20 %, и это при учете величины момента сопротивления вращению при задании входного сигнала, то актуальной задачей является разработка высокоточных регуляторов ЭМИО системы ориентации и стабилизации КА с погрешностью реализации динамического момента менее 5 % [115].
Объектом исследования является электропривод (ЭП) ЭМИО системы ориентации и стабилизации КА на базе двухфазного синхронного двигателя с постоянными магнитами.
Предметом исследования являются алгоритмы управления ЭП ЭМИО и его точностные характеристики.
Целью диссертационной работы является улучшение точностных характеристик контура формирования динамического момента ЭП ЭМИО синтезом высокоточных регуляторов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ существующих алгоритмов управления ЭП ЭМИО;
- создать имитационную модель ЭП ЭМИО для исследования его динамических характеристик;
- разработать алгоритмы управления ЭП ЭМИО и провести синтез высокоточных регуляторов, обеспечивающих работу ключевых элементов ЭП ЭМИО в различных режимах;
- исследовать динамические характеристики разработанной имитационной модели ЭП ЭМИО с высокоточным регулятором.
Методы исследования базируются на теории электрических машин и электрического привода, теории дискретных систем управления, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах, современных инструментальных системах и методах математического моделирования.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемой при исследовании математической модели, компьютерным моделированием, экспериментальной проверкой результатов, сравнительным анализом полученных результатов теоретического и экспериментального исследования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- создана структурированная модель ЭМИО, как элемента системы ориентации и стабилизации КА, позволяющая описать его работу в реальных электрических и механических координатах и определить эффективные стратегии управления;
- разработан закон управления ЭП ЭМИО с прогнозированием пульсирующей составляющей тока силовой цепи, обеспечивающий повышение точности управления динамическим моментом;
- предложены структуры и алгоритмы работы регуляторов, обеспечивающих высокую точность стабилизации динамического момента ЭМИО.
Практическая ценность работы:
- разработан моделирующий комплекс прибора «Агат-15М», позволяющий проводить исследования динамических и статических режимов работы ЭМИО;
- проведена схемная реализация высокоточных регуляторов ЭП ЭМИО, обеспечивающих улучшенные точностные характеристики.
Реализация результатов работы. Результаты исследований и разработанные имитационные модели использовались при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «НПЦ «Полюс» (г. Томск) по программе разработки ЭП на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами, использующихся в качестве ЭМИО систем ориентации и стабилизации КА (приборов типа «Агат»), с улучшенными массогабаритными, динамическими и ресурсными характеристиками.
На защиту выносятся:
- математическая модель ЭП ЭМИО на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами, состоящая из моделей его структурных звеньев, позволяющая описать его работу в реальных электрических и механических координатах и определить эффективные стратегии управления;
- метод синтеза высокоточного регулятора ЭП ЭМИО по условию нулевой ошибки на интервале после коммутации ключевого элемента;
- структуры и алгоритмы управления регуляторов и модуляторов, обеспечивающие повышение точности стабилизации динамического момента ЭП ЭМИО.
Управлением ориентацией КА называется осуществление заданного углового движения триэдра осей, жестко связанного с корпусом КА, относительно некоторой заданной системы одноименных осей, находящейся в пространстве. Начало триэдров находится в одной и той же точке корпуса КА, в которой движение вокруг центра масс не влияет на движение самого центра масс. В случае если повороты КА связаны с движением центра масс, то управление угловым положением КА называется угловой стабилизацией. Система, обеспечивающая это управление, называется системой ориентации и стабилизации КА [89].
Управление ориентацией КА является в большинстве случаев главным режимом управления его движением. Это следует из того, что управление ориентацией, как правило, происходит непрерывно, нередко продолжаясь многие месяцы, в то время как длительность других режимов - коррекции траектории, спуска, сближения - исчисляется десятками минут или секунд. Кроме того, ни коррекция траектории полета, ни маневр спуска с орбиты, ни наведение научной аппаратуры на заданные объекты исследования, ни наведение антенн на Землю или солнечных батарей на Солнце немыслимы без управления ориентацией КА.
Развитие многочисленных функциональных областей применения электромеханических систем для КА с первых дней освоения космического пространства сопровождалось интенсивными научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами как в условиях наземных испытаний отдельных электрических машин, приборов и различных систем для КА, так и особенно их отработки в космических условиях орбитального полета. Значительный вклад в решение задачи управления ориентацией КА внесли
ученые К.Б. Алексеев, А.А. Анчев, Г.Г. Бебенин, М.Л. Дертозос, И.В. Новожилов, Б.В. Раушенбах, Ж.К. Робердж, В.В. Румянцев,
А.В. Сорокин, Е.Н. Токарь, Н.Н. Шереметьевский.
Как известно, в 1957 году был запущен первый спутник Земли, а уже 13.04.1963 г. был осуществлен запуск космической электротехнической лаборатории «Омега» («Космос-14», «Космос-23»), созданной под руководством А.Г. Иосифьяна, на которой впервые была установлена электромеханическая система ориентации. В процессе летных испытаний спутников «Омега» подтверждена эффективность работы
электромеханической системы ориентации и правильность построения ее структуры, которая в своей основе сохранилась до настоящего времени.
В США аналогичная система ориентации была впервые испытана на спутнике «Нимбус» в августе 1964 года [111].
С появлением КА, предназначенных для длительного функционирования в космическом пространстве и требующих постоянной ориентации, для осуществления высокоточной угловой стабилизации и динамичных поворотов КА относительно центра масс, широко применяются системы ориентации и стабилизации с электромеханическими исполнительными органами (ЭМИО).
На КА «Космос-14» была установлена трехосная система ориентации и стабилизации, которая позволяла ориентировать данный КА и с помощью теплового пеленгатора (построителя местной вертикали) и одновременно на Солнце при применении соответствующих датчиков. В полете был исследован режим «закрутки» всего спутника вместе с раскрытыми солнечными батареями вокруг оси, ориентированной на Солнце с помощью двигателей-маховиков. При этом солнечные батареи были жестко закреплены относительно корпуса спутника.
На КА «Космос-23» проверялись оптимальные законы управления, исследовались динамические характеристики, т. е. регистрировались и передавались на Землю по телеметрии параметры угловых поворотов в функции времени системы ориентации с ЭМИО.
Исследование этих экспериментальных закономерностей в орбитальном полете дало возможность оценить отдельные компоненты сопротивления окружающей среды при движении спутника. Было установлено, что из всех внешних возмущающих сил: аэродинамических, гравитационных, светового давления, воздействия метеорной пыли, магнитных и плазменных воздействий наибольшее значение имеют силы аэродинамические и гравитационные [7, 10, 12].
Ориентация и стабилизация КА в пространстве относительно осей базовой системы отсчета достигается за счет использования стабилизирующих свойств некоторых внешних и внутренних вращающих моментов [48]. При этом внешние моменты обусловлены взаимодействием КА с окружающей средой. К таким моментам относятся аэродинамический, гравитационный, магнитный и момент от давления солнечных лучей. Внутренние моменты возникают в результате относительного движения отдельных частей КА, таких как шторки оборудования, двигатели-маховики, солнечные батареи, истечение с борта КА газов и жидкостей и т.д. В случае нежесткого КА появляется влияние упругих составляющих колебаний частей КА относительно друг дуга, например, колебания гравитационных штанг, солнечных батарей и других нежестких выносных конструкций.
Поэтому на использовании внешних моментов основываются пассивные методы ориентации, внутренних - активные, а на совместном использовании внешних и внутренних моментов - комбинированные (рис. 1).
Рисунок 1 - Классификация систем ориентации и стабилизации
Особенностью пассивных систем ориентации (или пассивных систем стабилизации) является их крайняя простота, отсутствие исполнительных органов для создания управляющих моментов и т.п. Однако очевидно, что пассивные системы пригодны только для поддержания некоторого режима ориентации КА, обусловленного характером используемых внешних моментов, и не могут осуществлять управления ориентацией, под которым понимается принципиальная возможность придать любое положение корпусу КА и, если надо, поддерживать положение в течение заданного времени.
Несмотря на то, что методы активной стабилизации требуют больших затрат энергии, они получили наибольшее распространение. По сравнению с пассивными методами они более эффективны при парировании внешних возмущений и более точны. Активная стабилизация КА может быть реализована либо с помощью реактивных двигателей ориентации, либо с помощью электромеханических систем. В работах К.Б. Алексеева, Г.Г. Бебенина и Б.В. Раушенбаха, Е.Н. Токаря [9, 89] подробно рассмотрены методы решения задачи управления ориентацией и первым и вторым способом, различные режимы процесса управления, указаны достоинства и недостатки обоих способов управления ориентацией, отмечено что, в отличие от систем, базирующихся на реактивных двигателях, использующих невосполнимые на борту запасы топлива или газа, требующих к тому же сложной системы его хранения и распределения в условиях космического полета, электромеханические системы используют электроэнергию, восполняемую солнечными батареями. Следовательно, управление осуществляется практически без затрат топлива. Это качественное отличие позволяет значительно увеличить эксплуатационный ресурс системы управления ориентацией КА. В настоящее время во всех электромеханических системах ориентации длительно существующих околоземных КА и орбитальных космических станций в качестве исполнительных органов используются силовые гироскопы и управляющие двигатели-маховики (УДМ). Это обусловлено экономией рабочего тела (топлива или газа) для микрореактивных двигателей на борту, как уже было отмечено выше, а также высокой точностью ориентации, надежностью, экологической чистотой и возможностью сохранения «прозрачной среды» вокруг объекта, необходимой для работы бортового оптического оборудования.
Управление ориентацией осуществляется с их помощью за счет перераспределения кинетического момента между исполнительным органом и корпусом КА. При этом стабилизация с помощью УДМ осуществляется изменением угловой скорости маховика, установленного по соответствующей оси КА, а изменение кинетического момента комплекса силовых гироскопов производится за счет изменения положения главных осей роторов с помощью активных моментных устройств, размещенных на осях карданова подвеса и включенных в регулирующие цепи систем ориентации.
Отличия в принципе действия УДМ и силовых гироскопов существенно не влияют на динамические характеристики системы ориентации. УДМ и силовые гироскопы имеют разные области применения.
В частности, силовые гироскопы применяют, если для управления ориентацией КА требуется реализовать большой кинетический момент и большие управляющие моменты. По этим причинам и ввиду конструктивной сложности силовые гироскопы более целесообразны для тяжелых орбитальных станций и больших космических структур [11, 110, 111].
УДМ применяются на автоматических КА (спутниках, предназначенных для исследования природных ресурсов и спутниках связи) и относительно легких орбитальных станциях. Маховичная система ориентации применена на спутниках «Омега», «Метеор», «Ресурс», «Глонасс» и других [30, 111].
Поскольку главными параметрами, определяющими эффективность работы УДМ в системах ориентации, являются развиваемый ими управляющий динамический и суммарный кинетический момент, а опыт разработки УДМ показывает, что погрешность реализации динамического момента достигает 20 %, и это при учете величины момента сопротивления вращению при задании входного сигнала, то актуальной задачей является разработка высокоточных регуляторов ЭМИО системы ориентации и стабилизации КА с погрешностью реализации динамического момента менее 5 % [115].
Объектом исследования является электропривод (ЭП) ЭМИО системы ориентации и стабилизации КА на базе двухфазного синхронного двигателя с постоянными магнитами.
Предметом исследования являются алгоритмы управления ЭП ЭМИО и его точностные характеристики.
Целью диссертационной работы является улучшение точностных характеристик контура формирования динамического момента ЭП ЭМИО синтезом высокоточных регуляторов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ существующих алгоритмов управления ЭП ЭМИО;
- создать имитационную модель ЭП ЭМИО для исследования его динамических характеристик;
- разработать алгоритмы управления ЭП ЭМИО и провести синтез высокоточных регуляторов, обеспечивающих работу ключевых элементов ЭП ЭМИО в различных режимах;
- исследовать динамические характеристики разработанной имитационной модели ЭП ЭМИО с высокоточным регулятором.
Методы исследования базируются на теории электрических машин и электрического привода, теории дискретных систем управления, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах, современных инструментальных системах и методах математического моделирования.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемой при исследовании математической модели, компьютерным моделированием, экспериментальной проверкой результатов, сравнительным анализом полученных результатов теоретического и экспериментального исследования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- создана структурированная модель ЭМИО, как элемента системы ориентации и стабилизации КА, позволяющая описать его работу в реальных электрических и механических координатах и определить эффективные стратегии управления;
- разработан закон управления ЭП ЭМИО с прогнозированием пульсирующей составляющей тока силовой цепи, обеспечивающий повышение точности управления динамическим моментом;
- предложены структуры и алгоритмы работы регуляторов, обеспечивающих высокую точность стабилизации динамического момента ЭМИО.
Практическая ценность работы:
- разработан моделирующий комплекс прибора «Агат-15М», позволяющий проводить исследования динамических и статических режимов работы ЭМИО;
- проведена схемная реализация высокоточных регуляторов ЭП ЭМИО, обеспечивающих улучшенные точностные характеристики.
Реализация результатов работы. Результаты исследований и разработанные имитационные модели использовались при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «НПЦ «Полюс» (г. Томск) по программе разработки ЭП на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами, использующихся в качестве ЭМИО систем ориентации и стабилизации КА (приборов типа «Агат»), с улучшенными массогабаритными, динамическими и ресурсными характеристиками.
На защиту выносятся:
- математическая модель ЭП ЭМИО на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами, состоящая из моделей его структурных звеньев, позволяющая описать его работу в реальных электрических и механических координатах и определить эффективные стратегии управления;
- метод синтеза высокоточного регулятора ЭП ЭМИО по условию нулевой ошибки на интервале после коммутации ключевого элемента;
- структуры и алгоритмы управления регуляторов и модуляторов, обеспечивающие повышение точности стабилизации динамического момента ЭП ЭМИО.
В диссертационной работе решена задача управления ЭП ЭМИО на базе СДПМ, обеспечивающая улучшение его точностных характеристик.
Основные результаты выполненного исследования заключаются в следующем:
1 Разработана имитационная модель ЭП ЭМИО на базе СДПМ, состоящая из структурных звеньев: регулятора, силовой электрической цепи, электромеханических преобразований в двигателе и механической части системы, реализованная на компонентном и частично функциональном уровне с использованием стандартных компонентов, что позволяет исследовать режимы работы любого узла ЭП ЭМИО в реальных электрических и механических координатах, при различных стратегиях управления.
2 Предложены законы управления и алгоритмы структурнопараметрического синтеза ЭП ЭМИО, основанные на прогнозировании приращения тока в силовой цепи, позволяющие создавать регуляторы, обеспечивающие высокую точность стабилизации динамического момента ЭМИО.
3 Разработаны блоки модуляции для односторонней и двухсторонней ШИМ обеспечивающие безопасное управление ключевыми элементами реверсивного ЭП в различных режимах работы.
4 Проведено исследование имитационных моделей ЭП ЭМИО с разработанным высокоточным следящим регулятором с управлением по условию нулевой ошибки, и сравнение его с ЭП ЭМИО с регулятором тока, реализующим частотно-токовый способ управления силовыми ключами инвертора. Установлено, что в ЭП ЭМИО с частотно-токовым способом управления погрешность реализации электромагнитного момента составляет 12 % и присутствует перерегулирование АМэм=17 %. В случае использования следящего регулятора с управлением по условию нулевой ошибки, максимальное отклонение тока в моменты коммутации от заданного опорного не превышает амплитуды пульсирующей составляющей, при этом среднее за период значение сигнала ошибки равно нулю. Разработанный регулятор позволяет формировать ток в фазах двигателя без провалов при переключении обмоток. Время переходного процесса в ЭП ЭМИО со следящим регулятором с управлением по условию нулевой ошибки в 10 раз меньше, чем в ЭП ЭМИО с регулятором тока, реализующим частотнотоковый способ. Кроме того, в разработанном регуляторе отсутствует перерегулирование, а погрешность реализации электромагнитного момента составляет 3 %, что в четыре раза меньше, чем в ЭП ЭМИО с регулятором тока, реализующим частотно-токовый способ. Таким образом, поставленная задача: улучшение точностных характеристик ЭП ЭМИО, выполнена.
5 Результаты экспериментальных исследований подтвердили адекватность разработанных имитационных моделей. Предложенные законы управления, алгоритмы структурно-параметрического синтеза ЭП ЭМИО и имитационные модели использовались в рамках создания аппаратнопрограммного моделирующего комплекса прибора «Агат-15М» и при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «НПЦ «Полюс» по программе разработки ЭМИО для систем ориентации и стабилизации КА (приборов типа «Агат»), с улучшенными массогабаритными, динамическими, точностными и ресурсными характеристиками и подтвердили эффективность работы электропривода по быстродействию и пульсациям момента в различных режимах.
Основные результаты выполненного исследования заключаются в следующем:
1 Разработана имитационная модель ЭП ЭМИО на базе СДПМ, состоящая из структурных звеньев: регулятора, силовой электрической цепи, электромеханических преобразований в двигателе и механической части системы, реализованная на компонентном и частично функциональном уровне с использованием стандартных компонентов, что позволяет исследовать режимы работы любого узла ЭП ЭМИО в реальных электрических и механических координатах, при различных стратегиях управления.
2 Предложены законы управления и алгоритмы структурнопараметрического синтеза ЭП ЭМИО, основанные на прогнозировании приращения тока в силовой цепи, позволяющие создавать регуляторы, обеспечивающие высокую точность стабилизации динамического момента ЭМИО.
3 Разработаны блоки модуляции для односторонней и двухсторонней ШИМ обеспечивающие безопасное управление ключевыми элементами реверсивного ЭП в различных режимах работы.
4 Проведено исследование имитационных моделей ЭП ЭМИО с разработанным высокоточным следящим регулятором с управлением по условию нулевой ошибки, и сравнение его с ЭП ЭМИО с регулятором тока, реализующим частотно-токовый способ управления силовыми ключами инвертора. Установлено, что в ЭП ЭМИО с частотно-токовым способом управления погрешность реализации электромагнитного момента составляет 12 % и присутствует перерегулирование АМэм=17 %. В случае использования следящего регулятора с управлением по условию нулевой ошибки, максимальное отклонение тока в моменты коммутации от заданного опорного не превышает амплитуды пульсирующей составляющей, при этом среднее за период значение сигнала ошибки равно нулю. Разработанный регулятор позволяет формировать ток в фазах двигателя без провалов при переключении обмоток. Время переходного процесса в ЭП ЭМИО со следящим регулятором с управлением по условию нулевой ошибки в 10 раз меньше, чем в ЭП ЭМИО с регулятором тока, реализующим частотнотоковый способ. Кроме того, в разработанном регуляторе отсутствует перерегулирование, а погрешность реализации электромагнитного момента составляет 3 %, что в четыре раза меньше, чем в ЭП ЭМИО с регулятором тока, реализующим частотно-токовый способ. Таким образом, поставленная задача: улучшение точностных характеристик ЭП ЭМИО, выполнена.
5 Результаты экспериментальных исследований подтвердили адекватность разработанных имитационных моделей. Предложенные законы управления, алгоритмы структурно-параметрического синтеза ЭП ЭМИО и имитационные модели использовались в рамках создания аппаратнопрограммного моделирующего комплекса прибора «Агат-15М» и при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «НПЦ «Полюс» по программе разработки ЭМИО для систем ориентации и стабилизации КА (приборов типа «Агат»), с улучшенными массогабаритными, динамическими, точностными и ресурсными характеристиками и подтвердили эффективность работы электропривода по быстродействию и пульсациям момента в различных режимах.