Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Системный анализ, управление и обработка информации

Диссертационная работа:

Якимовский Дмитрий Олегович. Управление бортовыми электроприводами космических аппаратов в особых режимах : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.01 / Якимовский Дмитрий Олегович; [Место защиты: С.-Петерб. гос. ун-т аэрокосм. приборостроения].- Санкт-Петербург, 2009.- 225 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/2278

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

1 Электропривод бортовых систем управления космическими аппаратами 10

1.1 Электроприводы гироскопов в бортовых системах управления космическим аппаратом 10

1.2 Гироскопический электропривод на базе бесконтактного двигателя постоянного тока 20

1.3 Выводы 32

2 Математические модели электропривода в особых режимах 33

2.1 Математическая модель электропривода в режиме программного разгона 33

2.2 Математическая модель привода в режиме управления ускорением 46

2.3 Выводы 55

3 Исследование режима программного разгона ротора гироскопа с газодинамической опорой 56

3.1 Критерии оценки эффективности программы разгона 56

3.2 Критерии оценки эффективности режима частотного разгона 61

3.3 Критерий оценки эффективности режима приведения 67

3.4 Исследования режима разгона ротора гиромотора гироинтегратора (ГМГИ) линейных ускорений 70

3.4.1 Описание электропривода ГМ ГИ 70

3.4.2 Исследование режима разгона с помощью компьютерных моделей 72

3.4.3 Пример оценки эффективности программ частотного разгона ГМГИ ККП системы управления РБ «Бриз-М» 85

3.4.4 Экспериментальные исследования режима программного разгона ротора ГМГИ 87

3.5 Методика оптимизации параметров программы разгона 112

3.6 Выводы 114

4 Управление ускорением ротора двигателя-маховика 115

4.1 Алгоритмы управления ДМ 115

4.1.1 Основные требования к алгоритму управления ДМ 115

4.1.2 Режим стабилизации тока двигателя (управление по току) 1

4.1.3 Режим стабилизации скорости вращения ротора относительно расчетной скорости 117

4.1.4 Режим стабилизации разности между расчетной и измеренной скоростью вращения ротора 121

4.2 Исследование системы управления двигателем-маховиком системы ориентации К А типа «Ямал» 127

4.2.1 Исходные данные 127

4.2.2 Основные параметры разрабатываемой системы управления электроприводом ДМ 129

4.2.3 Результаты моделирования работы системы 130

4.2.4 Результаты испытания макета электропривода 141

4.3 Выводы 149

Заключение 151

Литература 153

Приложение А Определение параметров газодинамических опор 162

Приложение Б Результаты моделирования режима приведения ротора ГМГИ 186

Приложение Компьютерные модели движения ротора гироскопа в режиме программного разгона 194

Приложение Г Определение скорости переключения в режим управления по ЭДС 207

Приложение Д Определение максимального момента двигателя 215

Приложение Е Оценка погрешности датчика угла  

Введение к работе:

Актуальность работы. Эффективное управление космическим аппаратом (КА) одна из основных задач, которую необходимо решить при его создании и эксплуатации. Для определения параметров движения в системе управления используются инерциальные системы, включающие гироскопические блоки стабилизации, блок измерения угловых скоростей и акселерометры. При создании прецизионных гироскопических приборов в качестве чувствительных элементов широко используются электромеханические гироскопы.

В КА с жизненным циклом в несколько лет: спутники связи, наблюдения поверхности Земли, метеорологические и т.п., управление ориентацией (изменение положения аппарата без перемещения его центра масс) происходит непрерывно и поэтому является основным и главным режимом работы. Применение реактивных двигателей в этом режиме неэффективно, так как при этом расходуется топливо, запас которого на борту ограничен. В современных системах ориентации КА используют силовые гироскопические комплексы, включающие управляющие двигатели-маховики или гиродины.

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 опорах. 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 газодинамическими опорами 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 иеё приложении Simulink.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

-разработана математическая модель программного движения ротора гироскопа с учетом работы газодинамических опор 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 предельные 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 модернизированной системы, управления спутником связи типа «Ямал», «Монитор», «KazSat» .

Подтверждается актами о внедрении

Апробация робот. Результаты диссертационной работы были представлены на:

- 8-й научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, СПб, 2005г.;

- научная сессия ГУАП, посвященная Всемирному дню авиации и космонавтики и 65-летию ГУАП, СПб, 2006г.;

- конференции «Завалишинские чтения 07», СПб, ГУАП, 2007 г.;

- конференции «Завалишинские чтения 08», СПб, ГУАП, 2008 г.;

- XXVI конференция 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. Основные положения, выносимые на защиту:

-математическая модель 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.

Работа состоит из четырёх глав.

В первой главе рассматривается состояние 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. 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 газодинамическими опорами и управление ускорением двигателя-маховика.

Вторая глава посвящена разработке и уточнению математических моделей электропривода в особых режимах.

При разработке математической модели работы привода в режиме программного разгона, электродвигатель рассматривается как синхронный двигатель с постоянными магнитами, работающий в шаговом режиме. Процесс программного ускоренного движения ротора имеет колебательный характер, его динамика зависит от параметров привода и закона изменения момента нагрузки. В рассматриваемом случае нагрузкой является газодинамической опора ротора, которая имеет при скоростях вращения меньших скорости всплытия отрицательную зависимость момента сопротивления от скорости вращения. Аналитическая зависимость момента сопротивления в газодинамической опоре получена в результате анализа экспериментальных данных.

Одна из особенностей работы электропривода двигателя-маховика — режим управляемого торможения. Математическое описание режима зависит от способа его реализации (динамическое торможение или торможение противовключением), от способа организации контура управления током двигателя, места установки датчиков тока и т.д., и может отличаться от математического описания двигательного режима. Показано, что принятая схема построения силовой части электропривода позволяет принять общее математическое описание для всех случаев работы.

Третья глава посвящена исследованию программного разгона ротора гироскопа с газодинамическими опорами. Рассматривается влияние характеристик двигателя, опор и параметров программы разгона на динамику движения ротора. Предложены критерии оценки эффективности программного разгона, которые основаны на определении максимального значения угла рассогласования магнитных полей ротора и статора. Для оценки эффективности программы разгона используется вероятность разгона ротора до заданной скорости, и параметр, характеризующий «запас по моменту», с которым ротор разгоняется до заданной скорости.

Программа разгона состоит из двух режимов, действующие последовательно: режим приведения ротора в нулевое положение и режим частотного разгона ротора из нулевого положения до заданной скорости. Эффективность режима приведения определяется величиной угловой ошибки поворота ротора в нулевое положение. Критерием оптимальности частотного разгона является минимум угла рассогласования полей в процессе разгона и параметр, характеризующий пологость этого минимума. 

Приведены результаты экспериментальных исследований, которые подтверждают достоверность модели и правильность разработанной методики оптимизации. В четвёртой главе рассмотрен режим управления ускорением ротора двигателя-маховика. Показано, что уменьшение погрешности управления обеспечивается введением в контур управления сигнала скорости (повышение астатизма системы), пульсация момента и время переходного процесса определяются дискретностью измерения скорости и коэффициентом усиления контура обратной связи. При ограниченной точности измерения скорости, например из-за грубости первичного датчика угла, точность управления и быстродействие обеспечивается использованием переменного коэффициента усиления в контуре обратной связи. Приведены результаты моделирования и экспериментальных исследований, которые подтверждают эффективность предложенного алгоритма управления.  


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net