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 |

Управление бортовыми электроприводами космических аппаратов в особых режимах

-- [ Страница 1 ] --

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)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коновалов Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Микеров Александр Геннадиевич

кандидат технических наук, доцент

Пономарёв Валерий Константинович

Ведущая организация: 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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

-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:

  1. 8-й научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, СПб, 2005г.;
  2. научной сессии ГУАП, посвященной Всемирному дню авиации и космонавтики и 65-летию ГУАП, СПб, 2006г.;
  3. конференции «Завалишинские чтения’07», СПб, ГУАП, 2007 г.;
  4. конференции «Завалишинские чтения’08», СПб, ГУАП, 2008 г.;
  5. XXVI конференции памяти Н.Н.Острякова, СПб, ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», октябрь 2008г.

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

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:

; (1)

; ; ; ;;, (2)

где: – момент инерции ротора;– момент двигателя; ,– коэффициент передачи и ток двигателя; – скорость вращения ротора; – угол рассогласования между магнитными полями ротора и статора; – угол поворота вектора магнитного поля ротора; – угол поворота ротора; – угол поворота вектора магнитного поля статора; – число пар полюсов двигателя; – функция, описывающая изменение углового положения (вращения) вектора магнитного поля статора во времени; – зависимость момента сопротивления в ГДО от скорости вращения ротора.

В режиме программного разгона ток двигателя и, следовательно, максимальный момент двигателя , приняты постоянными. Управление движением ротора осуществляется изменением угла по определённому закону. Магнитное поле статора должно изменяться таким образом, чтобы обеспечить разворот ротора из произвольного углового положения в некоторое нулевое положение (режим приведения) и разгон ротора из нулевого положения до заданной скорости. Поэтому функцию можно представить двумя составляющими: – изменение магнитного поля в режиме приведения и – изменение магнитного поля в режиме частотного разгона ротора до заданной скорости.

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: – момент сил сухого трения в ГДО; – параметр, характеризующий снижение момента сопротивления при всплытии ГДО; – коэффициенты.

Если известна область возможных изменений параметров: и , которые парируются определёнными изменениями в программе разгона, можно определить предполагаемые изменения зависимостей момента сопротивления от скорости вращения (рис.4).

 Возможное изменение зависимости-35

Рисунок4. Возможное изменение зависимости момента сопротивления в ГДО от скорости вращения в процессе эксплуатации

Зависимость – соответствует исходному состоянию газодинамической опоры (например, на этапе приёмо-сдаточных испытаний гиромотора), зависимость – соответствует предельному случаю ухудшения опоры при эксплуатации.



Pages:   || 2 |
 

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.