скачать На правах рукописи Якимовский Дмитрий Олегович УПРАВЛЕНИЕ БОРТОВЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ОСОБЫХ РЕЖИМАХ Специальность 05.13.01- Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2009 Работа выполнена на кафедре «Управление и информатика в технических системах» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП) ^ доктор технических наук, профессор Коновалов Александр Сергеевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Микеров Александр Геннадиевич кандидат технических наук, доцент Пономарёв Валерий Константинович ^ Институт проблем машиноведения Российской академии наук Защита диссертации состоится « » 2009г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67, ГУАП. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГУАП. Автореферат разослан « » 2009г. Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Л.А. Осипов ^ Актуальность работы. Эффективное управление космическим аппаратом (КА) одна из основных задач, которую необходимо решить при его создании и эксплуатации. Важная роль в ней отводится измерительным (командным) и силовым гироскопическим комплексам. Качество работы гироскопического прибора, его выходные параметры (точность, ресурс, энергопотребление, масса) во многом определяются типом используемого электропривода. Электропривод на базе бесконтактного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами является наиболее перспективным для использования в системах управления КА. Это связано с его высокими энергетическими характеристиками, широкими возможностями для управления скоростью и моментом. Схемы построения систем управления электроприводами для силовых и измерительных приборов во многом совпадают. Это даёт широкие возможности и потребности в унификации систем управления бортовыми электроприводами. Многие вопросы управления электроприводами на базе бесконтактного двигателя постоянного тока хорошо исследованы и проработаны. Однако существуют особые режимы работы электропривода, связанные со спецификой его работы в качестве привода гироскопа, которые требуют уточнения и изучения. Так для большинства гироскопов важно, чтобы управление фазными токами двигателя осуществлялось по сигналам ЭДС; в этом случае отпадает необходимость применения специального датчика для определения углового положения ротора. При этом ротор гироскопа должен быть предварительно разогнан по специальной программе. Режим программного разгона бесконтактного двигателя с постоянными магнитами, когда нагрузкой на валу являются только опоры ротора, и в частности газодинамические опоры, проработаны в недостаточной степени. В опубликованных работах не нашли отражение проблемы запуска ротора с газодинамическими опорами в условиях ограниченной мощности двигателя и нестабильного момента сопротивления в опоре. Основной режим работы электропривода двигателя-маховика – управление моментом (или ускорением). При этом разгон ротора и торможение являются равнозначными и осуществляются в широком диапазоне скоростей. В этом смысле управление двигателем-маховиком для традиционного электропривода является особым режимом, он практически не освещен в литературе и требуют проведения специальных исследований Таким образом, совершенствование электроприводов гироскопических приборов систем управления космическими аппаратами, является важной и актуальной задачей. Исследование особых режимов работы электроприводов – программного разгона и управления ускорением, служат важным резервом совершенствования теории и практики их применения. Цель работы. Разработка и исследование систем управления электропривода КА в особых режимах – программного разгона ротора гироскопа с газодинамической опорой и управления ускорением ротора двигателя-маховика. Достижение поставленных целей предполагает конкретизацию и решение следующих задач: -создание математических моделей электропривода в особых режимах; -определение критериев оценки эффективности работы электропривода в режиме программного разгона; -разработка методики оптимизации параметров программы разгона; -разработка алгоритма эффективного управления ускорением (торможением) ротора двигателя-маховика. Методы исследования. В работе использовались общие методы системного анализа, методы теории автоматического управления, оптимизации, компьютерное моделирование, эксперимент. Расчетные исследования выполнены в системе MATLAB и её приложении Simulink. ^ -разработана математическая модель программного движения ротора гироскопа с учетом работы газодинамической опоры в области скоростей меньших скорости всплытия; -предложены критерии оценки эффективности режима программного разгона, в основе которых лежит определение запасов устойчивой работы синхронного двигателя с учетом произвольного начального углового положения ротора; -предложена методика оптимизации параметров программного разгона ротора при условии ограничения мощности двигателя и нестабильности момента сопротивления в опорах; -разработан алгоритм управления ускорением ротора двигателя-маховика в широком диапазоне скоростей вращения, позволяющий обеспечить максимальную точность управления при пульсациях момента и времени переходного процесса не превышающих заданные. Практическая значимость и реализация результатов работы. Практическая ценность работы заключается в том, что в ней предложена методика оптимизации параметров запусков гироскопов с газодинамическими опорами, применение которой позволяет повысить надёжность разгона роторов при ограничении размера и мощности электропривода и существенной нестабильности момента сопротивления в опорах. Результаты исследований стали основой для создания систем управления гироскопами комплекса командных приборов системы управления разгонным блоком «Бриз-М», входящего в состав ракет-носителей «Протон-М». Применение методики повысило предельно допустимые значения момента сопротивления в опорах гироскопов гироинтеграторов линейных ускорений комплекса более чем в 2 раза. Разработан алгоритм управления двигателем-маховиком, обеспечивающий максимальную точность реализации управляющего момента и заданное временя установления при использовании в контуре обратной связи «грубого» датчика угла, без изменения аппаратной части электропривода. Результаты работ использованы при разработке эскизного проекта модернизированного комплекса управляющих двигателей-маховиков для системы управления спутником связи типа «Ямал», «Монитор», «KazSat». Подтверждаются актами о внедрении. Основные положения, выносимые на защиту: -математическая модель программного движения ротора гироскопа КА с газодинамическими опорами; -критерии оценки реализации режима программного разгона ротора гироскопа КА с газодинамическими опорами; - методика оптимизации параметров режима разгона ротора гироскопа КА с газодинамическими опорами; -алгоритм управления ускорением двигателя-маховика системы ориентации КА. Апробация роботы. Результаты диссертационной работы были представлены на:
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 статьях. Из них 2 работы опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 80 наименований и шести приложений. Объём основной части – 160страниц, 100 рисунков и 8 таблиц. ^ Во введении обоснована актуальность работы, изложены её цели и задачи, основные положения, выносимые на защиту. В первой главе рассматривается состояние и перспективы развития бортовых электроприводов космических аппаратов. На основании обзора литературы, выявленной по этой теме, сделан вывод, что электропривод на базе бесконтактного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами является наиболее перспективным для управления вращением ротора гироскопа. Вопросы теории и практики применения такого типа электроприводов проработаны и представлены в печати достаточно подробно. Однако, особые режимы, связанные со спецификой работы привода в составе бортовых систем управления КА, требуют дополнительного рассмотрения. К ним относятся режим программного разгона ротора гироскопа с газодинамической опорой и управление ускорением двигателя-маховика. Качество работы гироскопического прибора, его выходные параметры: точность, ресурс, энергопотребление, масса, во многом определяются конструкцией гироскопа и типом применённого электропривода. Использование в гироскопе газодинамических опор для крепления ротора и электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока даёт основу для получения приборов с высокой точностью и ресурсом. Такой привод (в сравнении с синхронно-гистерезисным или асинхронным приводами) обладает более высокой энергетикой, магнитные параметры двигателя стабильны во времени и от запуска к запуску, прост в управлении. Конструкция двигателя, благодаря использованию мощных постоянных магнитов, позволяет делать статор «стерильным», не выделяющим органических веществ, что позволяет обеспечить комфортные условия для работы газодинамической опоры. Для обеспечения работоспособности в состав привода должен входить датчик положения ротора – датчик угла. Датчик положения ротора («лишняя информационная машина») ухудшает габаритно-массовые параметры гироскопа и является дополнительным источником погрешностей. Во многих случаях создания миниатюрных приборов размещение специального датчика угла не возможно. Поэтому для управления фазными токами двигателя в приводе целесообразно использовать сигналы ЭДС, которые возникают в обмотках статора при вращении ротора. Чтобы обеспечить управление двигателем, ротор должен быть разогнан до определённой скорости по специальной программе. При этом привод работает в режиме шагового двигателя (частотный разгон синхронного двигателя). Процесс разгона гироскопа до номинальной скорости состоит из нескольких этапов (рис.1.): программный разгон ротора до определённой скорости, переключение в режим управления по ЭДС, разгон ротора до номинальной скорости, режим стабилизации скорости – номинальный режим работы прибора. ![]() Рисунок1. Изменения динамического момента ротора гироскопа в процессе разгона Динамика движения ротора по программе носит колебательный характер. Разгон ротора, как правило, происходит в условиях ограничения мощности приводного двигателя и нестабильности момента сопротивления в опоре – программное движение ротора во времени совпадает с процессом всплытия опор. Разгон синхронного двигателя до заданной скорости по программе (частотный разгон) хорошо изучен и освещен в литературе для случаев, когда моментом сопротивления в нагрузке можно пренебречь, когда момент сопротивления постоянен и когда нагрузка имеет вентиляционный характер. Разработанные рекомендации не подходят для случая частотного разгона ротора с газодинамическими опорами. Особое место в ряду гироскопических приводов занимают системы управления двигателями-маховиками (ДМ). Особенность заключается в том, что выходным параметром управляющего двигателя-маховика является ускорение ротора или динамический момент, приложенный инерционному ротору. К корпусу аппарата прикладывается управляющий момент численно равный и обратный по знаку динамическому моменту, развиваемому двигателем-маховиком. Наиболее распространена схема управления ДМ, в которой электромагнитный момент двигателя пропорционален входному сигналу – требуемому управляющему моменту. Погрешность реализации управляющего момента при этом определяется величиной момента сопротивления и точностью задания момента двигателя. Для ДМ, работающих на высоких скоростях вращения ротора, порядка (6-10)*103об/мин, погрешность управляющего момента составляет порядка 20% (при учете момента сопротивления при формировании управляющего сигнала). Режим стабилизации ускорения ротора в широком диапазоне скоростей вращения практически не освещен в литературе. Для повышения точности предлагается стабилизировать скорость вращения ротора относительно расчетной скорости вращения, которая получается в результате интегрирования входного сигнала. В этом случае погрешность управляющего момента в установившемся режиме получается достаточно высокой – (2-5)%. Время переходного процесса может достигать недопустимо высоких значений (10с и более), особенно в случае большого момента инерции ротора и грубого датчика скорости (или датчика угла), что обычно имеет место в системах управления ДМ. Вторая глава посвящена разработке математических моделей работы электропривода в особых режимах. При построении модели движения ротора электродвигатель гироскопа рассматривался как синхронный двигатель с постоянными магнитами. При построении моделей приняты следующие допущения: -кривая синхронизирующего момента двигателя, возникающего при рассогласовании осей полюсов (векторов магнитных полей) ротора и статора, симметрична относительно начала координат и аппроксимирована синусоидой; -силовые ключи электронного коммутатора – идеальные ключи; -постоянные времени контура регулирования тока двигателя пренебрежимо малы, переходные процессы в контуре не оказывают влияния на движение ротора. Математическая модель движения ротора с учетом принятых допущений имеет вид: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() где: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() В режиме программного разгона ток двигателя и, следовательно, максимальный момент двигателя ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Зависимость момента сопротивления в ГДО от скорости имеет два характерных участка (рис.2): - участок до всплытия (посадки) опоры, когда момент сопротивления снижается с увеличением скорости вращения ротора; - участок после всплытия (посадки) опоры – основная работа опоры, когда момент сопротивления растёт с увеличением скорости вращения. ![]() Рисунок 2. Зависимость момента сопротивления газодинамической опоры в процессе выбега Результаты исследований контрольной партии приборов с газодинамическими приборами позволили определить характер изменения момента сопротивления на участке всплытия. На рис. 3. приведены зависимости ![]() ![]() Рисунок3. Зависимости момента сопротивления газодинамических опор на участке скоростей близких скорости всплытия, полученные экспериментально В модели зависимость момента сопротивления представлена в виде выражения: ![]() где: ![]() ![]() ![]() Если известна область возможных изменений параметров: ![]() ![]() ![]() Рисунок4. Возможное изменение зависимости момента сопротивления в ГДО от скорости вращения в процессе эксплуатации Зависимость ![]() ![]() Особенность схемы управления ДМ состоит в том, что выходным параметром является ускорение ротора. Ускорение может отличаться по знаку от скорости вращения ротора, то есть привод работает как в режиме разгона, так и в режиме торможения. Скорости вращения могут достигать существенных значений ![]() Показано, что для управления электроприводом ДМ предпочтительна схема, позволяющая реализовать режим торможения противовключением. При этом алгоритмы управления ключами коммутатора и математическое описание работы привода в двигательном режиме и режиме торможения совпадают. Момент бесконтактного двигателя постоянного тока определяется выражениями (2). Система управления коммутацией фаз двигателя настроена так, чтобы обеспечить принципиальный сдвиг 90 электрических градусов между полями ротора и статора, ![]() Зависимость момента сопротивления от скорости вращения ротора определяется типом применяемых опор. В модели зависимость момента сопротивления можно представить в виде выражения: ![]() где: ![]() ![]() Третья глава посвящена исследованию программного разгона ротора гироскопа с газодинамической опорой. В этом режиме ротор, его магнитное поле, синхронно отслеживает равноускоренное вращение магнитного поля статора. Для количественной оценки динамики движения используется величина угла рассогласования магнитных полей ротора и статора Ө. Если угол рассогласования не выходит за пределы устойчивой работы двигателя (|Ө|<180 эл.град.), то ротор прошел программу разгона синхронно с полем статора и достиг нужной скорости. Таким образом, динамику можно оценить по величине максимального угла рассогласования полей в процессе частотного разгона ![]() ![]() ![]() Рисунок5. Зависимости ![]() ![]() Для количественной оценки эффективности работы программы разгона используются параметр ![]() ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() Параметр ![]() ![]() ![]() ![]() Программу разгона можно разделить на две части: режим приведения ротора в нулевое положение и частотный разгон ротора из нулевого положения до заданной скорости. Оптимизацию параметров режимов существенно проще проводить раздельно. В режиме частотного разгона на динамику движения ротора влияют следующие параметры: величина максимального момента двигателя ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() При выработке критерия оптимизации принято следующее: - ротор начинает ускоренное движение из положения покоя ( ![]() - скорость переключения есть величина из числа исходных данных, зависящая от чувствительности схемы измерения ЭДС; - «оптимальная» зависимость ![]() ![]() - произвольное положение ротора учитывается заданием начального угла рассогласования магнитных полей ![]() Критерий оптимальности принимает вид: ![]() В результате оптимизации определяется оптимальная зависимость ![]() ![]() ![]() Рисунок6. Оптимальная зависимость ![]() Если предположить, что ротор начинает ускоренное движение из некоторого нулевого положения, то есть ![]() ![]() Допустимые начальные угловые положения ротора (требования к точности реализации режима приведения)определяются по формулам: ![]() ![]() где φ-мах, φ+мах– допустимые значения ошибки; Ө1min, Ө1max – предельные значения углов Ө1, при которых обеспечивается разгон. Таким образом, определены все параметры частотной программы разгона и определены требования к точности приведения ротора в нулевое положение. Эффективность реализации режима приведения оценивается по величине угловой ошибки приведения ротора в нулевое положение ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рисунок7. Зависимости угловой ошибки приведения ротора в ноль от начального положения ротора ![]() Приведены результаты экспериментальных исследований, которые показали хорошую сходимость результатов моделирования с результатами экспериментов; подтвердили правильность принятых заключений и высокую эффективность применения методики оптимизации параметров. В четвёртой главе рассматриваются алгоритмы управления вращением ротора двигателя-маховика. Основная задача системы управления приводом ДМ – обеспечение вращения ротора с ускорением, пропорциональным входному сигналу с заданной точностью. Особенность заключается в том, что в качестве источника информации о параметрах вращения ротора используется датчик положения ротора – грубый дискретный датчик угла, входящий в структуру привода. Для получения минимальной ошибки в установившемся режиме в сигнале управления должен присутствовать интеграл от управляемой величины – скорости вращения ротора. Алгоритмы управления, основанные на стабилизации скорости вращения ротора ДМ относительно расчетной скорости, которая получается в результате интегрирования входного сигнала, обеспечивают высокую точность реализации управляющего момента в установившемся режиме. Но им присущ недостаток – время переходного процесса может достигать недопустимо высоких величин. Для управления вращением ротора ДМ предлагается использовать в цепи обратной связи контур с переменным коэффициентом усиления. Заданное ускорение обеспечивается в результате стабилизации разности расчетной ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Величина ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Зависимость ![]() ![]() Максимальное значение коэффициента усиления должно удовлетворять условию устойчивой работы системы: ![]() Приведены результаты моделирования и экспериментальных исследований, которые подтвердили эффективность предложенного алгоритма управления. В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. ^ Основные результаты диссертационной работы кратко можно представить в следующем виде: 1 Разработана математическая модель программного движения ротора гироскопа с газодинамической опорой, учитывающая дискретное вращение магнитного поля статора и зависимость момента сопротивления от скорости вращения ротора в опоре на участке скоростей меньших скорости всплытия опоры. 2 Предложены критерии оценки эффективности программного разгона, которые основаны на использовании максимального значения угла рассогласования магнитных полей ротора и статора ![]() Программа разгона включает два режима, действующие последовательно: режим приведения ротора в нулевое положение и режим частотного разгона ротора из нулевого положения до заданной скорости. Для оценки эффективности режима приведения используется величина угловой ошибки поворота ротора в нулевое положение. Для оценки эффективности программы частотного разгона используется величина минимума угла ![]() 3 Разработана методика оптимизации параметров режима частотного разгона в условиях ограниченной мощности электропривода ротора гироскопа и нестабильности момента сопротивления в газодинамических опорах ротора. 4 Предложен алгоритм управления ускорением ротора двигателя-маховика, обеспечивающий большую точность и быстродействие по сравнению с известными. В основе алгоритма положено определение изменения ошибки между расчетной и измеренной скоростями вращения ротора; при этом точность управления ускорением ротора обеспечивается использованием в контуре обратной связи сигнала ошибки по скорости, а быстродействие обеспечивается использованием переменного коэффициента усиления в контуре. 5 Теоретические исследования и выводы, полученные в результате компьютерного моделирования работы системы управления ДМ, подтверждены испытаниями действующего макета электропривода ДМ системы ориентации малых КА. Результаты исследования программного разгона ротора гироскопа с ГДО подтверждены лабораторными и лётными испытаниями, а также результатами эксплуатации комплексов командных приборов системы управления разгонным блоком «Бриз-М» ракеты-носителя «Протон-М». ^ 1. Коновалов А.С., Якимовский Д.О. Управление двигателем-маховиком / Материалы VIII Научной сессии, СПб, ГУАП//СПб.2005.С.402-403. 2. Якимовский Д.О. Электропривод управляющего двигателя-маховика / Материалы IX Научной сессии, СПб, ГУАП //СПб.2006.С.244-246. 3. Якимовский Д.О. Повышение быстродействия системы управления двигателем-маховиком / Материалы IX Научной сессии, СПб, ГУАП// СПб. 2006.С.246-248. 4. Якимовский Д.О. Управление движением ротора гироскопа с газодинамическими опорами / Завалишинские чтения: Сборник докладов. ГУАП.// СПб.,2007.С.242-247. 5. Якимовский Д.О. Идентификация параметров газодинамической опоры / Завалишинские чтения: Сборник докладов. ГУАП // СПб.,2008.С.185-189. 6. Якимовский Д.О. Оценка эффективности программы разгона ротра с газодинамическими опорами / Завалишинские чтения: Сборник докладов. ГУАП // СПб.,2008.С.189-193. 7. Якимовский Д.О. Повышение точности управления моментом двигателя-маховика/ Гироскопия и навигация. №3(62),2008.С.46-52. 8. Коновалов А.С., Якимовский Д.О. Управление электроприводами космических аппаратов в особых режимах/ Информационно-управляющие системы.№6(37),2008.С.26-31. ________________________________________________________________ Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № __________________________________________________________________ Отпечатано в редакционно-издательском центре ГУАП 190000, Санкт-Петербург,ул.Б.Морская,67 180>
|