Разработка алгоритмов эффективного управления прецизионными электроприводами комплексов высокоточных наблюдений

На правах рукописи

ЛОВЛИН Сергей Юрьевич

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ КОМПЛЕКСОВ ВЫСОКОТОЧНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Томасов Валентин Сергеевич

Официальные оппоненты:

Новиков Владислав Александрович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова», кафедра робототехники и автоматизации производственных систем, профессор.

Семенов Игорь Михайлович

кандидат технических наук, профессор, ФГБОУВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», кафедра систем и технологий управления, заведующий кафедрой.

Ведущая организация – ОАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения».

Защита состоится «26» апреля 2013 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан «25» марта 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета ГАБОВ В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время наземные оптико-электронные средства (по традиции их часто называют оптическими телескопами) играют первостепенную роль в обнаружении и контроле космических объектов, особенно на больших удалениях. Несомненными и уникальными достоинствами оптических телескопов являются возможность обнаружения удаленных объектов при солнечном или лазерном подсвете на фоне ночного или сумеречного неба, включая возможность обнаружения в инфракрасном диапазоне длин волн по их собственному тепловому излучению, высокие точности определения угловых координат, возможность получения оптических изображений космических объектов и высокоточных фотометрических измерений их оптического блеска.

Для управления угловым положением оптической оси в пространстве оптический телескоп устанавливается в опорно-поворотное устройство (ОПУ), имеющее, как правило, несколько осей вращения. Разработка таких ОПУ и систем управления ими для задач контроля околоземного космического пространства является одной из самых сложных задач современного прецизионного приборостроения. Это связано с тем, что ОПУ и системы электромеханического управления, решающие задачу совмещения оптической оси телескопа и оптического изображения в его фокальной плоскости, должны обеспечивать уникально высокое качество наведения. Причем такое качество наведения должно обеспечиваться при вращающихся массах от нескольких десятков килограмм до нескольких десятков тонн, при наличии существенно нелинейных моментов трения, в том числе в подшипниковых узлах и кабельном переходе, при наличии переменных (зубцовых) моментов электродвигателя, ветровых и динамических нагрузок, с учетом конечной жесткости конструкции ОПУ и ее резонансных частот.

В этих условиях именно на цифровой следящий электропривод возлагается задача компенсировать все возможные несовершенства конструкции механических узлов телескопа, его кабельного перехода и обеспечить заданную точность при относительно невысоком быстродействии системы, определяемым низкой резонансной частотой осей ОПУ.

Следует отметить, что исследованию таких электроприводов посвящены работы Глазенко Т.А., Шрейнера Р.Т., Козярука А.Е., Зиновьева Г.С., Виноградова А.Б., Тарарыкина С.В., Розанова Ю.К., Кобзева А.В., Соколовского Г.Г., Новикова В.А., Борцова Ю.А. и др. Из проведенного анализа литературных источников можно сделать вывод, что существующие системы прецизионного электропривода во многом отвечают высоким требованиям, предъявляемым к системам такого класса. Тем не менее, появляются новые задачи с более высокими требованиями. Например, сегодня в задачах наведения предельно узких лазерных пучков (при локации навигационных и геодезических космических аппаратов, а также Луны и дальних космических аппаратов) уже необходима абсолютная, по отношению к используемой системе координат, точность наведения не хуже нескольких угловых секунд. Таким образом, развитие смежных областей техники требует постоянного увеличения эффективности прецизионного электропривода путем повышения его точности.

Цель работы – повышение точности позиционирования и сопровождения оптическими телескопами космических объектов за счет применения алгоритмов эффективного управления прецизионными электроприводами ОПУ телескопов траекторных измерений (ТТИ).

Идея работы заключается в применении алгоритмов управления прецизионными электроприводами ТТИ, компенсирующих нелинейности исполнительной электрической машины и усилительно-преобразовательного устройства (УПУ) с целью повышения точности позиционирования и сопровождения современных оптико-электронных комплексов контроля космического пространства.

Научная новизна работы заключается в разработке эффективных алгоритмов управления прецизионными электроприводами ТТИ, позволивших компенсировать нелинейности элементов энергоподсистемы и повысить точность позиционирования и сопровождения космических объектов.

Разработанный алгоритм компенсации влияния нелинейностей электрической машины (зубцовых пульсаций момента и момента высших гармоник потока возбуждения), в отличие от широко распространенных решений на базе таблиц поиска, не требует больших затрат ресурсов управляющего микроконтроллера и рассчитан на компенсацию только этих пульсаций момента. Разработанный алгоритм компенсации влияния нелинейностей УПУ учитывает особенности зоны нечувствительности регулировочной характеристики инвертора. Разработанные аналитические модели электропривода, учитывающие нелинейности УПУ и электрической машины, в отличие от имитационных моделей, которые широко распространены благодаря математическим пакетам моделирования, позволяют впоследствии разрабатывать эффективные алгоритмы управления прецизионным электроприводом, а также проводить достоверную техническую диагностику электрических параметров машины и качества изготовления подвижных частей ОПУ ТТИ. Разработаны алгоритмы идентификации параметров, необходимых для настройки регуляторов тока и момента, особенностью которых является учет нелинейности инвертора при идентификации по переходной характеристике. Разработан алгоритм раздельной идентификации параметров зубцовых пульсаций момента и момента высших гармоник потока возбуждения, необходимых для настройки нового алгоритма компенсации влияния нелинейностей электрической машины. Этот алгоритм учитывает характер и гармонический состав действующих на привод возмущений, что позволяет повысить точность идентификации параметров.

Достижение обозначенной цели требует решения следующих задач:

1. Исследование и анализ характерных особенностей исполнительных электромашин современных ОПУ, оказывающих влияние на конечную точность прецизионного электропривода.
2. Исследование и анализ характерных особенностей инверторов напряжения, питающих обмотки исполнительного двигателя, оказывающих влияние на конечную точность прецизионного электропривода.
3. Разработка алгоритмов компенсации влияния нелинейностей вентильного двигателя (ВД) на базе синхронной машины с постоянными магнитами (СМПМ), а также искажений выходного напряжения инвертора, вносимых падением напряжения на силовых ключах инвертора и задержкой на переключение полупроводниковых транзисторов в стойках моста.
4. Разработка математических моделей, позволяющих анализировать влияние всех рассматриваемых нелинейностей, вносимых исполнительной электрической машиной и УПУ, на конечную точность позиционирования прецизионных электроприводов и осуществлять выбор наиболее эффективных алгоритмов управления.
5. Проведение экспериментальных исследований систем прецизионных электроприводов ТТИ на испытательных стендах кафедры ЭТ и ПЭМС НИУ ИТМО, а также при заводских и полигонных испытаниях промышленных образцов оптико-электронных комплексов нового поколения.

Методы исследований: для решения поставленных задач использовались методы теории электрических цепей, методы теории электрических машин, методы теории автоматического управления, методы теории идентификации, методы математического моделирования сложных машинно-вентильных систем с использованием пакета Matlab, методы интерактивной отладки алгоритмов систем автоматического регулирования электроприводов с использованием программного комплекса СБПЭТ (система быстрого прототипирования электропривода телескопа) (гос.рег. № 2009611420 от 12.03.2009).

На защиту выносятся следующие новые и содержащие элементы новизны основные положения:

1. Математические модели электропривода, учитывающие нелинейности, вносимые исполнительной электрической машиной и УПУ, позволяющие анализировать их влияние на конечную точность позиционирования прецизионных электроприводов и осуществлять выбор наиболее эффективных алгоритмов управления.
2. Алгоритмы компенсации искажений выходного напряжения инвертора, вносимых падением напряжения на силовых ключах инвертора и задержкой на переключение полупроводниковых транзисторов в стойке моста, с анализом их достоинств и недостатков.
3. Алгоритм раздельной идентификации и последующей компенсации зубцовых пульсаций и момента высших гармоник потока возбуждения ВД на базе СМПМ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов диссертационной работы обеспечивается строгостью используемых математических методов, совпадением результатов численных расчетов и моделирования с экспериментальными данными, полученными на стендах кафедры ЭТ и ПЭМС НИУ ИТМО и при проведении предварительных и межведомственных испытаний на заводах изготовителях ОПУ ТТИ (ОАО «Златмаш»; ОАО «106 экспериментальный оптико-механический завод»), а также при проведении полигонных испытаний оптико-электронных комплексов высокоточных наблюдений нового поколения (Алтайский оптико-лазерный центр имени Г.С. Титова, квантово-оптический комплекс в Комсомольске-на-Амуре, космодромы Плецеск и Байконур).

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке алгоритмов и создании на их основе комплекта программ реального времени, обеспечивающих существенное повышение точности слежения и наведения комплексов высокоточного наблюдения. Повышение эффективности таких уникальных изделий, как ТТИ, достигается только программными средствами, без проведения дорогостоящих работ по физической модификации изделий. В результате обеспечивается существенное сокращение сроков и финансовых затрат на проведение пусконаладочных работ дорогостоящих уникальных изделий. Результаты работы рекомендованы к использованию в учебном процессе при подготовке студентов вуза по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электропривод и автоматика»

Связь темы с научно-техническими программами. Результаты, изложенные в диссертации, получены в ходе выполнения работ по НИР НК-430П ГК №П2479 от 19.11.2009 г. (мероприятие №1.2.2) по направлению «Многофункциональное приборостроение для промышленных систем управления» по проблеме «Разработка систем управления движением прецизионных электроприводов приборных комплексов нового поколения», в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 г», по г/б НИР № 18002 «Развитие методов проектирования систем управления силовых следящих электроприводов наведения квантово-оптических комплексов нового поколения» и ряда х/д НИР №№ 29900, 29917, 29918, 211091, 212187, 28828, 211144, 28852, 211106, проводимых по заказу ОАО Научно производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения".

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы:

1. При разработке и изготовлении цифрового электросилового привода (ЦЭСП) системы наведения ОПУ СМ-649-05 в рамках выполнения хоздоговорных НИР №№ 29900, 29917,29918, 211091, 212187 по заказам ОАО НПК СПП;
2. При разработке и изготовлении ЦЭСП системы наведения ОПУ СМ-799 в рамках выполнения хоздоговорной НИР 28852 по заказу ОАО НПК СПП;
3. При разработке и изготовлении ЦЭСП системы наведения ОПУ СМ-834 в рамках выполнения хоздоговорных НИР 28828, 211144 по заказам ОАО НПК СПП;
4. При разработке и изготовлении ЦЭСП системы наведения ОПУ АЗТ-28М в рамках выполнения хоздоговорной НИР № 211106 по заказу ОАО НПК СПП;

Личный вклад автора. Произведен анализ характерных особенностей исполнительных электромашин современных опорно-поворотных устройств, оказывающих влияние на конечную точность прецизионного электропривода. Произведен анализ характерных особенностей инверторов напряжения, питающих обмотки исполнительного двигателя, оказывающих влияние на конечную точность прецизионного электропривода. Разработаны математические модели, позволяющих анализировать влияние всех рассматриваемых нелинейностей, вносимых исполнительной электрической машиной и УПУ, на конечную точность позиционирования прецизионных электроприводов. Разработаны алгоритмы компенсации влияния нелинейностей ВД на базе СМПМ и искажений выходного напряжения инвертора, вносимых падением напряжения на силовых ключах инвертора и задержкой на переключение полупроводниковых транзисторов в стойке моста. Разработан комплекс эффективных программ повышения точности позиционирования и сопровождения оптическими телескопами космических объектов с возможностью его дальнейшей автоматизации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010); XL Научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2011); VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011); XLI Научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012); XIV Конференция молодых ученых "Навигация и управление движением" (Санкт-Петербург, 2012); I Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012); VII Международная конференция по автоматизированному электроприводу (Иваново, 2012).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 работах, в том числе 7 публикаций в журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 120 источников. Основная часть работы изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 2 таблицы.

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулированы ее цель и задачи исследований, отражены научные результаты и положения, выносимые на защиту, практическая значимость результатов диссертации.

В первой главе представлен анализ прецизионных электроприводов, в том числе электроприводов ОПУ современных оптико-электронных комплексов, а также требований, предъявляемых к ним. Рассмотрены нелинейности и внутренние возмущения, существенно влияющие на качественные характеристики прецизионного электропривода, и существующие методики устранения этого влияния.

Во второй главе представлен анализ особенностей ВД на базе СМПМ и УПУ, управляющих ими. Приведены математические модели, разработанные автором и позволяющие анализировать влияние всех рассматриваемых нелинейностей, вносимых исполнительной электрической машиной и УПУ, на конечную точность позиционирования прецизионных электроприводов и осуществлять выбор наиболее эффективных алгоритмов управления.

В третьей главе предложены алгоритмы идентификации и компенсации влияния нелинейностей ВД на базе СМПМ и искажений выходного напряжения инвертора, вносимых падением напряжения на силовых ключах инвертора и задержкой на переключение полупроводниковых транзисторов в стойке моста. Произведено математическое моделирование их работы в пакете Matlab.

Четвертая глава посвящена проведению и анализу экспериментальных исследований систем прецизионных электроприводов ТТИ на испытательных стендах кафедры ЭТ и ПЭМС НИУ ИТМО. Проведено сравнение результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Заключение содержит основные выводы и результаты диссертационной работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Математические модели нелинейностей, вносимых исполнительной электрической машиной и усилительно-преобразовательным устройством, позволяющих анализировать их влияние на конечную точность позиционирования прецизионных электроприводов и осуществлять выбор наиболее эффективных алгоритмов управления.

Для разработки математических моделей электропривода, учитывающих нелинейности, вносимые исполнительной электрической машиной и УПУ, во второй главе рассматриваются две модели электропривода с вентильным двигателем на базе СМПМ. В качестве базового алгоритма управления силовыми ключами инвертора выбран алгоритм синусоидальной ШИМ с двухсторонним пилообразным опорным напряжением, реализуемый как в аналоговой форме, так и в цифровой с применением микропроцессорной техники. В таком случае управляющее воздействие * для каждой из фаз двигателя A, B и C выглядит следующим образом:

(1)

где – обобщенное управляющее воздействие для трехфазной системы, принимающее значения из интервала [-1;1]; - электрический угол поворота двигателя, а относительные длительности открытия верхнего () и нижнего () ключей для любой из стоек инвертора:

(2)