автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Исследование и разработка системы приводов радиотелескопа РТ-7,5 на базе двигателей переменного тока

На правах рукописи

Ле Ван Тхань

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ РАДИОТЕЛЕСКОПА РТ-7.5 НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО

ТОКА

Специальности 05 02 05 Роботы, мехатроника и робототехнические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ15Э4эа

МОСКВА - 2007

003159458

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им Н. Э. Баумана.

Научный руководитель

Кандидат технических наук, доцент Польский Вячеслав Анатольевич

Официальные оппоненты

- Доктор технических наук, профессор Лесков Алексей Григорьевич

- Кандидат технических наук Селиванов Николай Леонидович

Ведущая организация

ЗАО Научно-технический центр "Приводная техника"

Защита состоится «23» октября 2007 года в 14 30 часов на заседании диссертационного совета Д 212 141 02 в Московском государственном техническом университете им НЭ Баумана по адресу 105005, г Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5 , ауд 613М

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим высылать по адресу 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУим. Н.Э. Баумана, ученому секретарю совета Д212.141.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им НЭ Баумана

Телефон для справок 267-09-63

Автореферат разослан «_»_ 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы: Тема работы направлена на разработку новых высокоточных электроприводов переменного тока для радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ - 7 5 МГТУ им Н Э Баумана.

Цель работы: Диссертация посвящена разработке системы приводов переменного тока, обеспечивающей наведение зеркала радиотелескопа с точностью 2,5 угл с на астрономические объекты и низколетящие космические летательные аппараты Необходимо разработать алгоритмы управления приводами в различных режимах работы, математическую модель системы приводов, методику расчета регуляторов, провести экспериментальное исследование системы приводов в составе радиотелескопа

Методы исследования: В диссертационной работе использованы частотные методы исследования систем автоматического управления, методы математического моделирования и др Научная новизна: На защиту выносятся

- Алгоритмы управления приводами в различных режимах работы, обеспечивающие высокую точность наведения и плавное движение зеркала с адаптивным выбором вида и параметров траектории движения,

- Методы обеспечения высокой динамической точности слежения путем совместного использования принципов комбинированного управления и антирезонансных фильтров,

- Инженерная методика расчета контуров управления приводов радиотелескопа,

- Результаты экспериментальных исследований системы приводов радиотелескопа

Внедрение результатов: Материалы диссертации использованы в исследованиях по ОКР «Разработка проекта модернизации приводов антенных систем радиотелескопа РТ — 75 для создания на его основе наземного радиолокатора наведения и подсветки ка — диапазона», тема № 1 27 04, 2004, «Разработка интерфейса управления модернизированными приводами антенных систем радиотелескопа РТ-7 5», тема № 2 29 05, 2005, проведенных на кафедрах РЛ-1 и РК-10, а также при создании и испытаниях новых электроприводов на радиотелескопе

Апробация работы: Основные положения диссертации обсуждались и докладывались на XVII Всероссийской научно-практической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт — Петербург, 2006г), на XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт - Петербург, 2007г)

Публикации: Основное содержание работы изложено в одной статье, в двух отчетах по ОКР № 1 27 04, 2004 и № 2 29 05, 2005, а также в трудах XVII и XVIII Всероссийских научно-практических конференциях «Экстремальная робототехника» (Санкт — Петербург, 2006г и 2007г)

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы Основная часть работы составляет 180 страниц машинописного текста и содержит 88 рисунков

азимуту

Рамная конструкция

Угломестная ось

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность проводимой работы, формулируются задачи исследования, определяется практическая полезность, обосновывается структура работы.

В первой главе дано описание радиотелескопа РТ-7 5 и его режимов работы до модернизации Представлены новые требования, предъявляемые к системе приводов Изложены и обоснованы технические решения, принятые в ходе модернизации системы приводов Представлена разработанная архитектура системы управления приводами переменного тока на базе программируемых логических контроллеров

Важнейшей частью радиотелескопа, которая является объектом управления для приводов, является зеркало антенной установки (АУ) Общий вид АУ радиотелескопа РТ-7 5 представлен на рис 1 Зеркало имеет 2 степени подвижности по азимутальной оси в диапазоне ±172,5 град относительно направления "север - юг" и по угломестной оси в диапазоне ± 87,5 град относительно направления на зенит

I

Азимутальная ось I Движение по

Общая масса вращающихся частей АУ составляет 8 т по угломестной оси и 27 т по азимутальной оси Основным режимом работы РТ-7 5 является режим программного наведения, в котором осуществляется слежение за астрономическими объектами и космическими летательными аппаратами (КЛА) При проведении подготовительных и регламентных работ используются вспомогательные режимы.

- Режим регламентного наведения для перемещения АУ в заданное угловое положение и для движения с заданной угловой скоростью, - Режим полуавтоматического наведения для ручного слежения за объектами с помощью видеокамеры

Движение

Противовес

\Ось противовеса

.Зубчатый сектор Угломестного

привода Пилон АУ

Рис 1 Общий вид АУ радиотелескопа РТ-7 5

Основные требования к системе приводов до и после модернизации представлены в табл 1

Таблица 1

Параметр Азимут Угол места

До модернизации После модернизации До модернизации После модернизации

Диапазон скоростей 0 - 205 угл с /с 2,5 - 9000 угл с /с 0 - 325 угл с /с 2,5- 9000 угл с /с

Диапазон ускорений 0- 20,5 угл с /с2 0-36 угл с /с2 0 - 32,5 угл с /с2 0-36 угл с /с2

Ошибка наведения < 10 угл с < 2,5 угл с < 10 угл с < 2,5 угл с

После проведения анализа новых требований к системе приводов были приняты следующие технические решения

- Замена двигателей постоянного тока с управлением от электромашинных усилителей на современные специализированные асинхронные двигатели с управлением от векторных преобразователей частоты (ПЧ),

- Отказ от двухдвигательной схемы привода каждой оси с громоздким предварительным редуктором и переход на однодвигательную схему с диапазоном регулирования скорости 10000 с компактным одноступенчатым предварительным редуктором,

- Использование на осях АУ современных датчиков абсолютного отсчета с разрешающей способностью в 1 угл с

Принятые технические решения были реализованы в 2006 г Для взаимодействия с верхним уровнем управления АУ — сервером радиотелескопа — была разработана архитектура системы управления приводами на базе высокопроизводительного программируемого логического контроллера (ПЛК) "System Q" производства "Mitsubishi Electric", представленная на рис 2

Датчик положения

СХ= Блок концевых выключателей Азимутальная

в--- ось телескопа

Система реЗухтороб азимутальное) оси

Рг«., L--------- --------- Блок кокиев ьк Выключателей

оператора ymj &t= Датчик положения углонеслшои оси

Рис 2 Архитектура системы управления приводами радиотелескопа РТ-7 5

На данном рисунке обозначено 1- двигатели, 2- фотоимпульсные датчики, 3- электромагнитные тормоза.

Анализ возможностей современных ПЧ показал, что реализовать контур регулирования положения АУ на базе данных устройств невозможно, в связи с чем на процессорный модуль ПЛК была возложена задача реализации контуров регулирования положения для обеих осей При такой организации управления ПЧ азимута и угла места вместе с соответствующими трансмиссиями выполняют функции скоростных подсистем, управление которыми производится через модуль аналоговых выходов ПЛК Кроме того, ПЛК осуществляет процедуру интерполяции промежуточных точек траектории в режиме программного наведения и формирование управляющих воздействий на приводы в режиме регламентного наведения

Вторая глава посвящена разработке алгоритмов управления приводами радиотелескопа в режимах программного и регламентного наведения Для режима программного наведения предложен метод интерполяции, использующий сплайн - функции второго порядка Произведена оценка погрешностей интерполяции и квантования управляющих сигналов по времени Предложен метод уменьшения погрешностей, связанных с квантованием сигналов по времени Для режима регламентного наведения разработаны алгоритмы перемещения АУ в заданное угловое положение и движения с заданной скоростью, обеспечивающие плавное контролируемое перемещение АУ по заранее спланированной траектории

В режиме программного наведения ПЛК получает от сервера радиотелескопа через фиксированный отрезок времени Т1 информацию о трех узловых точках траектории по углу места ф и углу азимута у Например, для угла места это будут. р*('0) = Фа> <Р {4+^12) = = ^ (1)

После этого ПЛК интерполирует (п-1) промежуточных точек траектории с шагом М = ТУп, которые подаются на входы следящих приводов Для РТ-7 5 была принята величина Т1 = 1с При этом самым загруженным в вычислительном отношении для ПЛК оказывается первый промежуток времени [/0,(г0 + Д/)], в

течение которого ПЛК должен провести процедуру интерполяции, опросить датчики положения осей, вычислить сигналы на выходах регуляторов положения и выдать их на входы ПЧ

Для осуществления интерполяции в диссертации был выбран экономичный в вычислительным отношении метод, использующий сплайн -функции второго порядка При этом интерполяционная траектория проходит через точки Фо , ф] , ф2 и описывается следующим уравнением

9ИЬ) = %+а10-111) + аг(1-1аУ, /е[?0,(г0 + 7;)], (2)

а коэффициенты а! и а2 определяются по формулам-

^ = (-3^+4^-^)/?;, а2=(2<р1-4д,; + 2(р-2)/Т12 (3)

В дискретном виде уравнение (2) имеет вид

9ик=<ра+1,К+12К\ К = 1 (п-1), (4)

где 11= а^ и 12 = а2Д^ При этом неизбежно возникают погрешности, связанные с квантованием управляющих сигналов по времени и погрешности интерполяции Погрешности квантования по времени можно оценить, представив командную траекторию, которую должен отработать привод, в виде эквивалентного синусоидального входного воздействия ср (1) = <рт 8т(юэ I), где <Рт = Пт ,£т> °>Э (5)

Здесь £2т и ет — максимальные значения скоростей и ускорений Сравнивая между собой два соседних дискретных значения <р к и ф*к_1 , можно оценить погрешность квантования

Р(0= срт|>т(юэ(1о + кДО) - 81п(шэа0 + (к-1 )Лф] (6)

Поскольку наибольшая скорость изменения ф (0 имеет место при ^ = 0 и к=1, максимальная погрешность квантования будет имеет вид

Рт(0 =фт81ПЮ,Д1 (7)

Для С1т= 9000 угл с /с и 8т= 36 угл с /с2 получена зависимость рш=1Г(Д1), приведенная в табл 2

Таблица 2

Зависимость погрешности квантования рт от шага квантования At

, тс 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10

Рт, УГЛ С 0,886 1,772 4,43 8,86 17,72 44,3 88,6

Как видно из табл 2, уже при Д1 = 0,2 тс погрешность квантования превышает разрешающую способность 20 — разрядного датчика угла Д=1 угл с Для обеспечения заданной точности наведения при приемлемых для используемого в системе ПЛК значениях А1 (порядка 1—10 тс) в диссертации предложено подавать на вход скоростной подсистемы дополнительный сигнал, пропорциональный скорости изменения управляющего воздействия ^(0 = п"(0 = а1+2а2(г-г0), (8)

или в дискретном виде О." =л, , к =1 (п-1), где

т = 2ъхЫ (9)

Схема подачи дополнительного сигнала показана на рис 3

Рис 3 Схема управления приводом угла места в режиме программного наведения

На данном рисунке РП- регулятор положения, 8/" - ошибка наведения, фДк — координата оси, измеренная датчиком положения, 1- передаточное число редуктора При этом погрешность квантования составит

Р' = фт|>т(<Вэ + ДО) - 81П(С0Э - ДпД^ОвСЮэ (10)

Данная погрешность будет имеет максимум при Ф*(Х)= 90 град Зависимость р'т= ДД1) приведена в табл 3

Таблица 3

At, шс 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 100

3 1ш УГЛ С -1,8 Ю-7 -7,2 10"7 -4,5 Ю-4 -1,8 10° -7,2 Ю"5 -0,00045 -0,0018 -0,18

0.1 1 10 100 Рис 4 Зависимости погрешностей интерполяции Рт И I Рт I ОТ величины А1

На рис 4 в логарифмическом масштабе приведены графические зависи-IР'м|,углС мости рт= /(АХ) и |/?т | = /(ДО, построенные по

данным табл 2 и 3

Как видно из табл 3 и рис 4, при подаче на вход скоростной подсистемы дополнительного сигнала погрешность квантования даже при Д1= 100 тс не превышает разрешающей способности датчика угла

В режиме регламентного наведения система управления приводами должна обеспечить плавное движение АУ с ограничением максимальных скоростей и ускорений Традиционным является решение, при котором ограничение скоростей и ускорений достигается за счет ограничения величины сигналов на выходах регуляторов положения и скорости электропривода При этом в соответствующих контурах управления появляются нелинейности с зоной насыщения, которые могут вызвать автоколебания и даже привести к неустойчивости при отработке больших рассогласований В диссертации для обеспечения плавного контролируемого перемещения АУ в новое положение предложено следующее решение в ПЛК программным образом реализуется блок формирования управляющих воздействий (БФУВ), который формирует после приема задания от сервера плавную траекторию с изменением командной скорости по "5" - образной характеристике Рассчитанные точки траектории подаются на вход следящего привода В зависимости от величины начального рассогласования Дф автоматически выбирается одна из четырёх траекторий перехода, профили изменения скорости которых представлены на рис 5а - 5г

L 4 Птах

1 1 Т | ! у\ \ 5 х

" кг ! 1 1 6V ! Т4^ L i

( AtiJ (Atrial ( At,J< Atnc , At, t|Atny,l At, !

7 участков движения, i\tny = const, Ati =const Atnc = var,

а Большое рассогласование > д<рп

' 2 у/ Pv :

1 i J

! . i. . »¡«At.,!

6 участков движения, А1пс = 0, Д^ —сопв!,

А?лу = уш, Д?яу<ДГлу,

4 участка движения, А1ПУ = О,

А?; = уаг, Л?, < Д?,,

1 участок движения

г Очень малое рассогласование |Д^>| < Артт Рис 5 Профили изменения скорости при различных величинах начального

рассогласования

На данных рисунках Л^, А?, — время разгона до максимального ускорения, Д^с - время движения с максимальной скоростью, Д1лу, А?лу - время движения с максимальным ускорением, Афт , Афпг , Афтт — значения начальных рассогласований, в зависимости от которых выбирается профиль изменения скорости На участках 1, 3, 5, 7 командная скорость изменяется по параболическому закону Величины Афш и Афт рассчитываются по формулам

+ 'О- Ь<Рп2=2ЕитЫ1 (П)

Величина Афтт выбирается экспериментально Величина Д^ выбирается из условия 4Д1[ > 3 Тз, где Т3 — период резонансных колебаний зеркала АУ по соответствующей оси При выполнении данного неравенства, как показали эксперименты, не происходит возбуждение механических колебаний зеркала в начале и в конце движения

Для РТ-7 5 максимальные скорости и ускорения в режиме регламентного наведения составляют £2тах= 18000 угл с /с и етах= 2880 угл с /с2, а величина А(:1= 0,25 с При этом Афш= 32,5 град, ДфП2= ОД град, Афга1П= 10 угл с

Для реализации движения с заданной скоростью используется профиль, показанный на рис 5а, при этом вместо используется значение заданной скорости £2здд, а величина Д(.Пу зависит от Пздд

Третья глава посвящена разработке методики расчета и настройки скоростной подсистемы привода Разработана математическая модель асинхронного электропривода с управлением от векторного преобразователя частоты, проведена идентификация механических систем обеих осей, разработана инженерная методика расчета регулятора скоростной подсистемы, учитывающая упругие свойства механической передачи Приведены результаты экспериментального исследования скоростной подсистемы

Функциональная схема скоростной подсистемы представлена на рис 6

б Среднее рассогласование &<рП1 < \А<р\ < Агр,

• у ( 3 1

А', д?, 1 « »)

в Малое рассогласование Д«^ <|Д?>|< А<р,

У"_

ф'зад !

Двигатель --дд Редуктор Зеркап0 АУЧ

Рис 6 Функциональная схема скоростной подсистемы базе ПЧ "АВ-100"

На данном рисунке ^зад - заданное значение скорости ротора двигателя, Одос -сигнал обратной связи, АОд - скоростная ошибка привода, 0я -скорость ротора двигателя, 03 - скорость зеркала, Мд - электромагнитный момент, развиваемый двигателем, / - заданное значение моментообразующего тока двигателя, /ос - фактическое значение тока, измеренное датчиком, АI - сигнал токовой ошибки, г — передаточное число редуктора, ФИД - фотоимпульсный датчик на валу двигателя.

Передаточная функция ПИД- регулятора скорости имеет следующий вид Пк{*) = КПР+\Цттт*)+тдиф8 (12)

Здесь КПр, Тинт Ддиф — настраиваемые параметры регулятора В векторных ПЧ рассматриваемого класса в блоках управления используется подвижная система координат, ориентированная по вектору потокосцепления ротора В этой системе все электромагнитные процессы имеют такое же описание как, у двигателя постоянного тока (ДПТ) Благодаря этому для описания скоростной подсистемы можно использовать структурную схему, аналогичную схеме привода на базе ДПТ Данная структурная схема представлена на рис 7

Структурная схема системы регулирования скорости на базе ПЧ На данном рисунке Му — момент упругих сил со стороны механической передачи, Км - коэффициент пропорциональности между электромагнитным моментом и сигналом задания тока, 1дв - момент инерции ротора двигателя, <Рд — угол поворота вала двигателя, ТСк и Тдс- постоянные времени, учитывающие время реакции регулятора скорости и фильтрацию сигнала обратной связи, фд — координата вала двигателя

Для определения структурны и параметров упругой механической нагрузки была проведена ее идентификация во временной области Для этого привод каждой оси резко тормозился до полного останова двигателя В результате возникали упругие колебания зеркала, которые фиксировались датчиком положения оси В качестве примера на рис 8 показана осциллограмма, полученная для азимутальной оси

Из рисунка видно, что в механической системе наблюдаются одночастотные затухающиие колебания с частотой ГАз= 2,69 Гц Для угломестной оси также наблюдались одночастотные коле_ бания с частотой 4,9 Гц На ос-

°'8 1,2 новании полученных результа-

Рис 8 Осциллограмма для азимутальной оси хов механические системы приводов обеих осей были апроксимированы двухмассовыми упругими моделями с сосредоточенными параметрами На рис 9 представлена структурная схема скоростной подсистемы с двухмассовой моделью механики

„АП

Прс(8)

_м„

Км

1 + Тдсв

>1 1 1 £1д 1

р * 5

9д

М5

С V»

1

J3S¿

Рис 9 Структурная схема скоростной подсистемы На данном рисунке С', % - коэффициент жесткости механической передачи и коэффициент диссипативных потерь, приведенный к валу двигателя, момент инерции зеркала, приведенный к валу двигателя, ф' , М у - приведенные к валу двигателя координата зеркала и момент упругих сил Путем структурных преобразований схемы рис 9 была получена удобная для анализа и расчета структурная схема, представленная на рис. 10

Рис 10 Расчетная структурная схема скоростной подсистемы На данном рисунке Ууд - общий коэффициент усиления, J = J<)e + У, — суммарный момент инерции всех движущихся частей, Т3 =^]У3/С', Т\ =^№и Т3, £3=т/(2Г3), 43 =т/(2Т']) - постоянные времени и коэффициенты затухания упругой передачи, % = %/С- постоянная времени диссипативных потерь, П°с(в) = (1 + Кпрттгпх + ттттЛиф5г)/в - передаточная функция регулятора скорости с единичным коэффициентом усиления

В диссертации предложена двухэтапная процедура расчета и настройки скоростной подсистемы

На первом этапе осуществляется расчет и настройка параметров регулятора скорости при отсоединенной нагрузке, то есть когда 13' = 0 и М(з)=1 по заданным значениям полосы пропускания привода по скорости ^ ск и показателя колебательности Мс На основе анализа асимптотической логарифмической амплитудно частотной характеристики (ЛАЧХ) разомкнутого контура скорости были выведены следующие расчетные формулы гшг=Км Ыс (Л^ -1)],

*ПР = (2/ясК 1Км){\+[2пГ„скТт: (Мс-\)]/Мс}, тдмф = 2лТас ,/дв /пск !КМ (12)

На втором этапе проводится анализ влияния упругой нагрузки на качество работы привода, для чего в соответствии со структурной схемой рис 10 анализируется ЛАЧХ разомкнутого контура скорости, которая имеет вид, представленный на рис 11

На данном рисунке А В В"ВСБ - асимптотическая ЛАЧХ, при этом небольшие значения коэффициентов затухания 4з и приводят к появлению антирезонансных и резонансных пиков на частотах 1/Т3 и 1/Т3' Для того, чтобы скоростная подсистема имела приемлемый запас устойчивости, необходимо, чтобы ДА > 6 дБ В случае невыполнения данного условия в диссертации рекомендуется увеличить быстродействие скоростной подсистемы, при этом ЛАЧХ А'В'В"ВС0 смещается вверх и величина АА увеличивается

Для экспериментального исследования скоростной подсистемы была собрана лабораторная установка, схема которой представлена на рис 12

од

Персональный ~ компьютер

Рис 11 ЛАЧХ разомкнутого контура скорости с присоединенной нагрузкой

Преобразователь частоты АВ-100

Вход фотоимпульсный датчика

1115-485

I

Конвертер 485/232

I

Фотоимпульсный датчик

04 О 2

Рис 12 Лабораторная установка для исследования скоростной подсистемы п" об/с_ _____На рис 13 показана осциллограм-

ма переходного процесса, полученная после ввода в память ПЧ параметров регулятора скорости, рассчитанного по формулам (12) для 1|1ск=100 Гц и Мс=1,1 при отработке скорости йдЗАд=1об/с

{Г^

0 01 0 02 ооз г. с

Рис 13 Осциллограмма переходного процесса при отработке ступенчатого

воздействия

В четвертой главе предложен метод обеспечения высокой динамической точности слежения, использующий принципы комбинированного управления и антирезонансный фильтр в цепи сигнала ошибки Определена структура регулятора положения и разработана инженерная методика расчета его параметров Разработана система моделирования приводов в режимах программного и регламентного наведения Разработана методика настройки позиционного контура управления Приведены результаты экспериментальных исследований системы приводов

Линеаризованная структурная схема позиционного контура управления представлена на рис 14

ПЛК

Сигналско^остной компенсация-]

<Р*

Двигатель с преобразователем частоты

м„

- Мл

Му

Механическая нагрузка

|Л/В

1 и 1

Л

Рис 14 Структурная схема позиционного контура управления привода угла

места

На данном рисунке математическая модель скоростной подсистемы представлена без учета малых постоянных времени ТСк и Тдс Для плавного движения зеркала на низких скоростях необходимо обеспечить глубокую местную отрицательную обратную связь по скорости вала двигателя, что приводит к возрастанию ошибки слежения Для ее уменьшения используется принцип комбинированного управления, заключающийся в подаче на вход скоростной подсистемы дополнительного сигнала, пропорционального скорости изменения управляющего воздействия Поскольку при слежении за астрономическими объектами скорость движения зеркала невелика, заданная точность слежения обеспечивается при небольших коэффициентах усиления в контуре положения, при которых его полоса пропускания значительно меньше собственной частоты упругих механических колебаний зеркала При слежении за низколетящими КЛА скорость движения зеркала увеличивается в десятки раз, и для обеспечения заданной точности слежения необходимо значительное увеличение коэффициента усиления, при этом полоса пропускания контура положения становится соизмеримой с собственной частотой упругих колебаний зеркала Это может привести к неустойчивости привода, что было подтверждено при моделировании системы и ее настройке

Для обеспечения устойчивости привода с упругой механикой в диссертации предложено использовать антирезонансный фильтр в цепи сигнала ошибки, который подавляет упругие колебания зеркала При этом подача сигнала скоростной компенсации производится с учетом упругой механической нагрузки привода Для определения структуры регулятора положения с антирезонансным фильтром структурная схема привода, показанная на рис 14, была преобразована к виду, представленному на рис 15 Звено скоростной компенсации

|Ш!

ртС1)

Скоростная подсистема привода

<8ь

П^в«

Регулятор положения

П°РС(л)

ми)

з1

!Ф

<Рд

Рис 15 Преобразованная структурная схема привода угла места

На данном рисунке ц = КиКи /(г,„„„./;) - общий коэффициент усиления по контуру положения, Л^) = (1+гс)/(1+2£7> + :г/,у2)- передаточная функция механической нагрузки Регулятор положенияП°рп($) разбит на 2 звена

= я;ш(5)л;я2(5) Здесь П"рт(*) = [1 + (К„ / к„ > + (КД/ К„] / ^ - ПИД- регулятор с коэффициентами усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих Кп, Ки, Кд соответственно, П°п2(.ч) = = (1++Т*я2) /(1+г.?) - антирезонансный фильтр

Определенная таким образом структура регулятора имеет вид, пред-ставленый на рис 16

На данном рисунке Кск=1 - коэффициент передачи сигнала скоростной компенсации, Тф, Тф, Т! — постоянные времени антирезонансного фильтра При точной настройке необходимо обеспечить, чтобы Тф=Тз, Тф=То Дополнительное апериодическое звено

Прт(р)

Рис 16 Структурная схема регулятора поло жения со звеном скоростной компенсации с постоянной времени добавлено для фильтрации высокочастотных помех, иф — сигнал на выходе регулятора положения

Представленная на данном рисунке структурная схема была использована для моделирования позиционного контура управления, а также для реализации регулятора положения на контроллере При разработке методики расчета позиционного контура управления использовалась структурная схема, показанная на рис 15 Исходными данными для расчета являются максимальные значения скоростей и ускорений От и ет, а также максимальная ошибка наведения 6т Для оценки качества переходного процесса используется показатель колебательности М Параметры эквивалентного синусоидального входного воздействия рассчитываются по формуле (5) Ввиду наличия в приводе глубокой отрицательной обратной связи по скорости вала двигателя выполняется неравенство ууд»1, что позволяет в области низких и средних частот представить передаточную функцию разомкнутого контура положения в виде Щя)« 1и/7°„1(5)771!/72(5)Дг(х)/(уу/(5) При точной настройке антирезонансного фильтра прп2 (Х)ЩХ) = 0 + Гу^У' и в результате

Щх) = /<[!+(*„/КИ)*+(КД !КиУУ[уудЗ\ 1+г,5)] (13)

На основе анализа асимптотической ЛАЧХ Ьт 1¥(](о) были выведены следующие расчётные формулы для определения параметров ПИД- регулятора положения Ки = гет / дш, Кп =[ет118^3тМ1ет{М-\)+т^,КД=1Т^6тМ1ет{М-Х) (14)

При выборе постоянной времени ть предлагается пользоваться соотношением Т1 = (0,1 - 0,05)Т3 Частота среза разомкнутого контура положения определяется по формулы тс = ^£тМ/[¿т(М-V)] (15) Если выполняется неравенство оэс < 1/(ЗТз), (16) которое гарантирует отсутствие механических колебаний

зеркала в начале движения, заданная точности наведения обеспечивается без введения сигнала скоростной компенсации В случае невыполнения неравенства (16) частота среза позиционного контура принимается равной юс=1/(ЗТ3), ошибка наведения рассчитывается по формуле ё'т =етМ1а%{М-1), а параметры регулятора положения пересчитываются по формулам (14) Для уменьшения ошибки наведения вводится сигнал скоростной компенсации с коэффициентом передачи Кск=1 Разработанная методика была использована при расчете, моделировании и настройке приводов радиотелескопа

Для проверки разработанных алгоритмов управления приводами и методик расчета контуров управления была разработана система моделирования приводов в среде МаПаЬ-Бгтикпк Блок-схема разработанной системы моделирования представлена на рисунке 17

Рис 17 Блок-схема системы моделирования приводов радиотелескопа

Модели блоков формирования управляющих воздействий (БФУВ) генерируют управляющие сигналы для привода азимута y\t), y'(t) и привода угла места ц> (г), <p'(t) в режимах программного и регламентного наведения

Структура моделей приводов азимута и угла места является идентичной и отличается только числовыми параметрами В этих моделях учтены основные нелинейности люфты и сухие треНия, ограничение уровня сигналов на выходах регуляторов, а также цифровые эффекты квантование сигналов по времени и их запаздывание Для моделирования совместной работы приводов служит блок, моделирующий силовую реакцию со стороны привода азимута на угломестный привод, а также дисбаланс зеркала РТ относительно угломест-ной оси При моделировании режима программного наведения был рассмотрен случай слежения за низколетящим КЛА, пролетающим над радиотелескопом через зенит по круговой орбите При моделировании режима регламентного наведения БФУВ генерировал управляющие сигналы с "5" -образной характеристикой разгона и торможения, представленной на рис 5а - 5в Результаты моделирования в виде графиков изменения ошибки наведения угломест-ного привода при опускании зеркала с начального угла фн=27,5 град до конечного угла фк=80 град представлены на рис 18а—186 8,угл с 8, угл с

S 1Q 15 20 Рис 18а Ошибка наведения с использованием антирезонансного фильтра Кп=14336, Кд= 3,26

0 5 10 15 20

Рис 186 Ошибка наведения без антирезонансного фильтра Кп=5734, Кд=3,26

Сравнение рисунков 18а и 186 показывает, что при отсутствии антирезонансного фильтра в системе возникают слабозатухающие колебания с частотой 4,9 Гц, что соответствует собственной частоте упругих колебаний зеркала При этом коэффициент усиления пропорциональной составляющей регулятора положения привода в 2,5 раз меньше, чем в приводе с антирезонансным фильтром

Настройка позиционного контуров управления включала в себя следующие этапы

1 Настройка параметров антирезонансного фильтра ТФ, тФ и ть

2 Настройка позиционного контура с отключенными сигналами скоростной компенсации (Кск = 0) и сигналами интегральной и дифференциальной составляющих (Ки = 0, Кд = 0), обеспечивающая заданное значение частоты среза сос,

3 Настройка позиционного контура с подключением сигнала скоростной компенсации, обеспечивающая нулевую ошибку слежения в режиме движения с постоянной скоростью,

4 Настройка позиционного контура с заданными значениями коэффициентов усиления сигналов интегральной и дифференциальной составляющих Ки и Кд, обеспечивающая заданное качество регулирования,

5 Проверка привода с настроенным регулятором положения в различных режимах работы

Результаты проверки представлены на рис 19 -23 в виде осциллограмм, полученных при испытаниях угломестного привода

5, угл с

\ • 1

4 8 12 16 г с

V

5, угл с

2$

1,0

Рис 19 Перемещение на 0,16 град при рис 20 Та же система без антире-движении со скоростью £23ад= 36 угл с /с зонансного «Ьштьтпа

На рисунке 19 на участке движения с постоянной скоростью 8мах=1,316 угл с , среднеквадратичное отклонение (СКО) 0,718 угл с В обеих случаях задавалась скорость движения 36 угл с /с, соответствующая слежению за астрономическими объектами Сравнение рис 19 и 20 показывает, что привод без

антирезонансного фильтра теряет устойчивость

На рисунке 21 на участке движения с постоянной скоростью СКО = 2,77 угле Скорость движения 1800 угл.с/с соответствует слежению за КЛА с высотой орбиты 600 км

В последних двух случаях (рис 22 и 23) приводу задавалась скорость

5, угл с N

ЛА.

8 10 12 14 16 V—^ 18

Рис 21 Перемещение на 8,2 град со скоростью 1800 угл с /с 3,6 угл с /с, близкая к минимально возможной (2,5 угл с /с)

30 20

ф, угл с

А

ГА 8 12 16 с

ф, угл с

Г~~4 8 12 16 1,с

Рис 23 Та же система без скоростной компенсации

Рис 22 Перемещение на 61 утл с со скоростью 3,6 угл с /с Скоростная компенсация включена При этом было выполнено незначительное перемещение, при котором край зеркала переместился на 1 мм Сравнение последних дух рисунков показывает, что использование сигнала скоростной компенсации повышает равномерность движения зеркала на сверхнизких скоростях

Полученные в ходе настройки и тестирования приводов результаты подтвердили эффективность предложенных в диссертации методов обеспечения высокой динамической точности и методик расчета контуров управления приводами радиотелескопа

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1 На основе анализа объекта исследований и новых требований, предъявляемых к нему, принят и обоснован целый ряд технических решений, которые реализованы на практике Проведен анализ задач, решаемых вычислительными средствами системы управления приводами, на базе которого предложена и обоснована новая гибкая архитектура системы управления приводами

2 Для режима программного наведения предложен метод интерполяции, использующий сплайн - функции второго порядка, обеспечивающий минимальные вычислительные затраты и заданную точность На базе него разработан и программно реализован алгоритм управления приводами, который успешно испытан на РТ-7 5

3 Разработаны и программно реализованы новые алгоритмы управления приводами в режиме регламентного наведения, обеспечивающие адаптацию вида и параметров траектории движения в зависимости от величины начального рассогласования и заданной скорости

4 Проведено исследование принципов построения современных регулируемых приводов переменного тока на базе векторных преобразователей частоты и разработана методика расчета их регуляторов, учитывающая многомассовую упругую механическую систему радиотелескопа

5 Разработана методика проведения экспериментальной идентификации механической системы приводов радиотелескопа во временной области

6 Разработаны методы обеспечения высокой динамической точности слежения, использующие принципы комбинированного управления совместно с антирезонансными фильтрами в цепи сигнала ошибки Применение разрабо-

тайных методов обеспечило высокую точность слежения за низколетящими КЛА

7 В среде МшЬаЬ-Бтикпк разработана математическая модель электроприводов РТ, учитывающая многомассовую упругую механику, взаимовлияние между азимутальным и угломестным приводом, нелинейности и дискретный характер работы системы управления приводами

8 Разработана инженерная методика расчета позиционного контура управления приводов РТ, которая была использована при настройке приводов,

9 Проведено успешное испытание и тестирование системы приводов РТ, подтвердившее правильность и обоснованность разработанных алгоритмов и методов расчета

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена важная научно-техническая и практическая задача разработки системы приводов радиотелескопа РТ-7 5 на базе асинхронных двигателей с векторными преобразователями частоты, управляемыми от программируемого логического контроллера Разработанная и реализованная на практике система приводов позволяет осуществлять высокоточное слежение не только за астрономическими объектами, но и за низколетящими космическими аппаратами Результаты работы могут быть использованы при создании и модернизации широкого класса опорно-поворотных устройств радиотелескопов и радиолокаторов

РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Ванин А В, Польский В А, Ле Ван Тхань Повышение точности работы следящих электроприводов опорно-поворотных устройств радиотелескопов // Мехатроника, автоматизация, управление (Москва) - 2007 -№ 8 - С 34-40

2 Польский В А, Ле Ван Тхань Система моделирования следящих электроприводов радиотелескопа //Экстремальная робототехника Труды XVII всероссийской научно-практической конференции - Санкт-Петербург, 2006 -С 539-546

3 Ванин А В , Польский В А, Ле Ван Тхань Создание высокоточных следящих приводов на базе двигателей переменного тока // Экстремальная робототехника Труды XVIII всероссийской научно-практической конференции - Санкт - Петербург, 2007 - С 482 - 488

4 Разработка проекта модернизации приводов антенных систем радиотелескопа РТ — 7 5 для создания на его основе наземного радиолокатора наведения и подсветки ка — диапазона Отчет об опытно - конструкторской работе МГТУ им Н Э Баумана Руководитель В А Польский Исп Ле Ван Тхань и др № 1 27 04, 2004, Г Р № 01400602738, инв № 02700600650 -Москва, 2004 -С 44 - 87

5 Разработка интерфейса управления модернизированными приводами антенных систем радиотелескопа РТ-7 5 Отчет об опытно - конструкторской работе МГТУ им Н Э Баумана Руководитель В А Польский Исп Ле Ван Тхань и др № 2 29 05, 2005, ГР № 01500603487, инв № 02800700760 -Москва,2005 -С 35-76

Подписано к печати 18 09 07 Заказ № 638 Объем 1,0 печ л Тираж 100 экз Типография МГТУ им Н Э Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул , д 5 263-62-01

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СОКРАЩЕНИЙ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ. РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ.

1.1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1.1. Описание радиотелескопа РТ-7.5.

1.1.2. Режимы работы радиотелескопа РТ-7.5.

1.1.3. Технические характеристики системы приводов до и после модернизации.

1.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В ПРОЦЕССЕ МОДЕРНИЗАЦИИ РАДИОТЕЛЕСКОПА.

1.2.1. Механическая трансмиссия.

1.2.2. Электроприводы.

1.2.3. Датчики угловых перемещений.

1.3. РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ.

1.3.1. Задачи, решаемые вычислительными средствами системы управления.

1.3.2. Выбор вычислительных средств системы управления приводами

1.3.3. Архитектура системы управления приводами на базе программируемого логического контроллера.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ.

2.1. РЕЖИМ ПРОГРАММНОГО НАВЕДЕНИЯ.

2.1.1. Интерполяция промежуточных точек траектории.

2.1.2. Алгоритм работы системы управления приводом в режиме программного наведения.

2.1.3. Оценка погрешности квантования сигналов по времени и методы её уменьшения.

2.1.4. Оценка погрешности интерполяции.

2.2. РЕЖИМ РЕГЛАМЕНТНОГО НАВЕДЕНИЯ.

2.2.1. Разработка алгоритмов перемещения антенной установки в заданное угловое положение.

2.2.2. Организация вычислительного процесса в контроллере перемещения антенной установкой.

2.2.3. Разработка алгоритмов движения антенной установки с заданной угловой скоростью.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА РАСЧЁТА И НАСТРОЙКИ СКОРОСТНОЙ ПОДСИСТЕМЫ ПРИВОДА.

3.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ВЕКТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ.

3.2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ УГЛА МЕСТА И АЗИМУТА.

3.3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СКОРОСТНЫХ ПОДСИСТЕМ ПРИВОДОВ УГЛА МЕСТА И АЗИМУТА.

3.4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА СКОРОСТНОЙ ПОДСИСТЕМЫ ПРИВОДА.

3.4.1. Методика расчёта скоростной подсистемы при отсоединённой нагрузке

3.4.2. Анализ влияния упругой нагрузки на качество работы скоростной подсистемы.

3.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИСЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТНОЙ ПОДСИСТЕМЫ ПРИВОДА.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ПОЗИЦИОННОГО КОНТУРА УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ РАДИОТЕЛЕСКОПА.

4.1. ЛИНЕАРИЗОВАННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЗИЦИОННОГО КОНТУРА УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ПРОГРАММИРУЕМОГО ЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЛЕРА.

4.2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ СЛЕЖЕНИЯ.

4.3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ПОЗИЦИОННОГО КОНТУРА УПРАВЛЕНИЯ.

4.4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ РАДИОТЕЛЕСКОПА.

4.4.1. Модель БФУВ.

4.4.2. Модель привода.

4.4.3. Модель реакции со стороны привода азимута и дисбаланса зеркала

4.4.4. Результаты моделирования.

4.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИВОДОВ К ИЗМЕНЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ И НЕТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АНТИРЕЗОНАНСНОГО ФИЛЬТРА.

4.6. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕГУЛЯТОРА ПОЛОЖЕНИЯ НА КОНТРОЛЛЕРЕ

4.7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИСЛЕДОВАНИЕ И НАТСРОЙКА ПОЗИЦИОННЫХ КОНТУРОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОВ РАДИОТЕЛЕСКОПА.

4.7.1. Методика настройки позиционного контура управления.

4.7.2. Результаты, полученные в процессе настройки угломестного привода

ВЫВОД ПО ГЛАВЕ 4.

Современные радиотелескопы являются важнейшими радиоастрономическими инструментами, применяемыми для исследования космического пространства. Диаметр зеркала современного радиотелескопа может составлять 80м, масса подвижных частей - от десятков до нескольких тысяч тонн.

Погрешность наведения на объект при работе в миллиметровом диапазоне радиоволн не должна превышать нескольких угловых секунд [8, 9]. Ещё одна особенность - необходимость обеспечения с высокой стабильностью малых скоростей слежения порядка единиц угловых секунд за секунду.

Радиотелескоп является сложным объектом управления и может иметь в своём составе до 7 регулируемых приводов: 2 привода для перемещения зеркала антенны (азимутальный и угломестный) и до 5 приводов для перемещения и ориентации зеркала контррефлектора.

Для обеспечения низких скоростей слежения применяются многоступенчатые редукторы с передаточным числами от тысяч до сотен тысяч единиц.

Для обеспечения высоких точностей слежения датчики обратных связей устанавливаются на осях вращения зеркала, и контуры обратных связей замыкают многомассовые упругие звенья, имеющие упругие деформации, резонансные частоты, люфты и сухие трения. Поэтому разработка высокоточной системы управления движением зеркала является весьма трудной научно- технической задачей. Особенности расчёта и проектирования электрических следящих приводов опорно-поворотных устройств радиотелескопов рассмотрены в работах Борцова Ю. А., Соколовского Г. Г. [4, 7], Чемоданова Б. К. [15], Лакоты Н. А. [22], Парщикова А. А. [8, 9], Рассудова Л. Н. [5].

Первые радиотелескопы были созданы в середине прошло века. Для перемещения зеркала антенны по азимуту и углу места использовались двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, управляемые от электромашинных усилителей [22, 8, 9] и тиристорных преобразователей [5].

Для обеспечения высокого диапазона регулирования скорости использовались двухдвигательные электроприводы с механическим дифференциалом: привод медленного движения обеспечивал слежение за астрономическими объектами со скоростями от единицы до сотен угл.с./с, привод быстрого движения - переустановку антенны в новое рабочее положение со скоростями до 5 10 град/с [8,9].

Использование двигателей постоянного тока в приводах радиотелескопов в то время было вызвано тем, что они имели лучшие регулировочные характеристики по сравнению с приводами на базе двигателей переменного тока.

В последнее время технический процесс в области силовой электроники и вычислительной техники привёл к созданию регулируемых электроприводов на базе двигателей переменного тока: асинхронных и синхронных [7]. Появились высококачественные и компактные блоки управления двигателями переменного тока, силовая часть которых построена на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) или мощных полевых транзисторов (MOSFET), имеющих частоту коммутации в десятки килогерц. Управление силовым каскадом осуществляется от высокопроизводительных сигнальных процессоров, имеющих быстродействие порядка нескольких десятков миллионов операций умножения с плавающей точкой в секунду. Всё это позволило реализовать весьма сложные в вычислительном отношении алгоритмы регулирования скорости двигателей переменного тока; частотные, частотно-токовые и векторные [5, 7, 15, 18]. В результате удалось создать компактные и дешёвые электроприводы на базе двигателей переменного тока, которые постепенно начали вытеснять электроприводы постоянного тока из различных промышленных приложений и технологических установок: насосных станций, подъёмных механизмов, приводов главного движения и приводов подач станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и т.д. [5]. Особенно это касается приводов на базе асинхронных двигателей, которые ранее использовались в основном в нерегулируемых электроприводах.

По сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ), имеющих сложный и дорогостоящий щёточно-коллекторный узел, асинхронный двигатель с ко-роткозамкнутым ротором (АД) имеет простую конструкцию, у него отсутствуют подвижные контакты. Он может применяться в тяжёлых условиях эксплуатации, где невозможно обеспечить периодическое обслуживание и имеется взрывоопасная и пожароопасная среда. Кроме того, при одинаковой мощности АД имеет в 2,5 3 раза меньшую массу и в 8 10 раз меньшую стоимость, чем ДПТ [4, 5, 7,16].

В настоящее время у нас в стране и за рубежом разработаны специализированные электромеханические модули на базе АД, предназначенные для использования в высококачественных следящих приводах станков с ЧПУ, которые, помимо АД, имеют в своём составе фотоимпульсные датчики (ФИД), измеряющие скорость и угловое положение ротора, электромагнитные муфты и вентиляторы принудительного охлаждения. Использование таких модулей, управляемых от векторных преобразователей частоты (ПЧ), позволило создать высокодинамичные и высокоточные электроприводы, имеющие полосу пропускания частот до 200 Гц и диапазон регулирования скорости до 50000. В результате появились предпосылки и стали актуальными вопросы разработки и создания электроприводов на базе двигателей переменного тока, прежде всего асинхронных, для опорно-поворотных устройств радиотелескопов и радиолокаторов. Такие приводы могут применяться как для вновь создаваемых радиотелескопов и радиолокаторов, так и для построенных ранее. Дело в том, что в настоящее время в России имеется несколько радиотелескопов и большое количество радиолокационных установок, приводы которых на базе ДПТ были разработаны и изготовлены десятки лет назад. Элементная база этих приводов (двигатели, редукторы, блоки управления, датчики) устарела как морально, так и физически. В то же время требования к приводам данных систем по точности, быстродействию, многофункциональности, ресурсу работы, компактности и надежности постоянно растут. В связи с этим возникает потребность либо создавать заново подобные системы, либо модернизировать уже существующие. Второй путь, несомненно, является более дешевым, так как не требует разработки и изготовления самых дорогостоящих элементов: зеркал и отражателей, диаметр которых достигает нескольких десятков метров, а точность изготовления должна быть очень высокой.

Одним из таких радиоастрономических инструментов является радиотелескоп РТ-7.5 МГТУ им. Н. Э. Баумана, расположенный недалеко от г. Дмитров Московской области. Он был создал и начал функционировать в 1973 г. В создании системы электроприводов на базе ДПТ, управляемых от электромашинных усилителей, принимали участие также организации: Физический институт академии наук (ФИАН) и Центральный научно-исследовательский институт автоматика и гидравлики (ЦНИИ А Г). Внешний вид радиотелескопа РТ-7.5 представлен на рис. в.1.

Рис. в.1. Внешний вид радиотелескопа РТ - 7.5

Это пока единственный в России радиотелескоп, работающий в миллиметровом диапазоне радиоволн в диапазоне длин волн 1+8 мм. Минимальная ширина диаграммы направленности составляет 30 угл.с. Предназначен для исследований в области радиоастрономии, физики атмосферы и распространения радиоволн, а также для учебных занятий со студентами. Он состоит из двух полноповоротных антенных установок (АУ) с параболическими зеркалами диаметром 7,75 м. АУ расположены на расстоянии 250 метров друг от друга на линии «восток-запад» и могут использоваться как радиоинтерферометр. Система управления радиотелескопа размещена в аппаратном помещении, находящемся между АУ на расстоянии 125 метров от каждой.

В 2004 г в МГТУ им. Н. Э. Баумана было принято решение о модернизации радиотелескопа, в том числе его приводной части, с целью уменьшения ошибки наведения с 10 угл.с до 2,5 угл.с., то есть в 4 раза, и повышения скорости слежения с 325 угл.с./с до 9000 угл.с./с, то есть примерно в 30 раз. Более высокие требования по точности наведения и особенно по скорости слежения обусловлены новыми задачами, которые должен решать радиотелескоп:

- Слежение за низколетящими космическими аппаратами (КА);

- Обеспечение возможности сопровождения КА в режиме активного наведения, когда радиотелескоп работает как радиолокатор.

В данной диссертационной работе, автор которой участвовал в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах по модернизации радиотелескопа РТ-7.5, излагаются результаты, полученные автором в процессе создания новой высокоточной системы приводов на базе двигателей переменного тока, которая была установлена на радиотелескопе в 2006г. и прошла успешные испытания в 2007 г.

Диссертация состоит из четырёх глав.

В первой главе дано описание радиотелескопа РТ-7.5 и его режимов работы до модернизации. Представлены новые требования, предъявляемые к системе приводов. Изложены и обоснованы технические решения, принятые в ходе модернизации системы приводов. В конце первой главы представлена разработанная архитектура системы управления приводами переменного тока на базе программируемых логических контроллеров.

Вторая глава посвящена разработке алгоритмов управления приводами радиотелескопа в режимах программного и регламентного наведения. Для режима программного наведения предложен метод интерполяции, использующий сплайн-функции второго порядка. Произведена оценка погрешности интерполяции и квантования управляющих сигналов по времени. Предложен метод уменьшения погрешностей, связанных с квантованием сигналов по времени. Для режима регламентного наведения разработаны алгоритмы перемещения АУ в заданное угловое положение и движения с заданной скоростью, обеспечивающие плавное контролируемое перемещение АУ по заранее спланированной траектории.

Третья глава посвящена вопросам построения математической модели скоростной подсистемы привода на базе асинхронного двигателя с управлением от векторного преобразователя частоты с учётом упругих свойств механических передач. Излагается методика расчёта регуляторов скоростной подсистемы, а также результаты экспериментальных исследований.

В четвёртой главе рассмотрены принципы реализации позиционного контура управления системой приводов, имеющего перестраиваемую структуру и параметры в зависимости от параметров движения АУ. Изложены методы обеспечения высокой динамической точности слежения, использующие принципы комбинированного управления и антирезонансные фильтры в цепи сигнала ошибки. Приведена методика расчёта параметров регуляторов позиционного контура управления, а также результаты экспериментальных исследований системы приводов.

Методы исследования: В диссертационной работе использованы частотные методы исследования систем автоматического управления, методы математического моделирования и др.

Научная новизна: На защиту выносятся:

• Алгоритмы управления в различных режимах работы, обеспечивающие высокую точность наведения и плавное движение зеркала с адаптивным выбором вида и параметров траектории движения;

• Методы обеспечения высокой динамической точности слежения путём совместного использования принципов комбинированного управления и антирезонансных фильтров;

• Инженерная методика расчёта контуров управления приводов радиотелескопа;

• Результаты экспериментальных исследований системы приводов радиотелескопа.

Внедрение результатов: Материалы диссертации использованы в исследованиях по ОКР «Разработка проекта модернизации приводов антенных систем радиотелескопа РТ - 7.5 для создания на его основе наземного радиолокатора наведения и подсветки ка - диапазона», тема № 1.27.04, 2004, «Разработка интерфейса управления модернизированными приводами антенных систем радиотелескопа РТ-7.5», тема № 2.29.05, 2005, проведенных на кафедрах PJI-1 и РК-10, а также при создании и испытаниях новых электроприводов на радиотелескопе.

Апробация работы: Основные положения диссертации обсуждались и докладывались на XVII Всероссийской научно-практической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт - Петербург, 2006г), на XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт - Петербург, 2007г).

Публикации: Основное содержание работы изложено в одной статье, в двух отчётах по ОКР № 1.27.04, 2004 и № 2.29.05, 2005, а также в трудах

XVII и XVIII Всероссийских научно-практических конференциях «Экстремальная робототехника» (Санкт - Петербург, 2006г и 2007г). Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка литературы из 74 наименований. Основная часть работы составляет 178 страниц машинописного текста и содержит 22 таблица.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализ объекта исследований и новых требований предъявляемых к нему, принят и обоснован целый ряд технических решений, которые реализованы на практике:

2. Проведён анализ задач, решаемых вычислительными средствами системы управления приводами, на базе которого предложена и обоснована новая гибкая архитектура системы управления приводами, ядром которой является высокопроизводительный логический контроллер, работающий в режиме жёсткого реального времени. Разработанная архитектура может быть использована для создания перспективных систем управления широким классом опорно-поворотных устройств радиотелескопов и радиолокаторов.

3. Для режима программного наведения предложен метод интерполяции, использующий сплайн - функции второго порядка, обеспечивающий минимальные вычислительные затраты и заданную точность. На базе него разработан и программно реализован алгоритм управления приводами, который успешно испытана РТ-7.5.

4. Разработаны и программно реализованы новые алгоритмы управления приводами в режиме регламентного наведения, обеспечивающие адаптацию вида и параметров траектории движения в зависимости от величины начального рассогласования и заданной скорости. Данные алгоритмы испытаны и обеспечивают плавное движение многомассовой упругой механики радиотелескопа с ограничением скоростей, ускорений и рывков, а также непрерывный контроль за параметрами движения.

5. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование принципов построения современных регулируемых приводов переменного тока на базе векторных преобразователей частоты и разработана методика расчёта их регуляторов, учитывающая многомассовую упругую механическую систему радиотелескопа. Разработаны рекомендации к выбору импульсных датчиков на валу двигателей, обеспечивающих заданный диапазон регулирования 10000 и выше.

6. Разработана методика проведения экспериментальной идентификации механической системы приводов радиотелескопа во временной области.

7. Разработаны методы обеспечения высокой динамической точности слежения, использующие принципы комбинированного управления совместно с антирезонансными фильтрами в цепи сигнала ошибки.

8. Разработан и программно реализован на ПЛК позиционный контур управления системой приводов РТ, имеющий перестраиваемую структуру и параметры в зависимости от режимов работы и параметров движения.

9. В среде MatLab-Simulink разработана математическая модель электроприводов РТ, учитывающая многомассовую упругую механику, взаимовлияние между азимутальным и угломестным приводом, нелинейности и дискретный характер работы системы управления приводами.

10. Разработана инженерная методика расчёта позиционного контура управления приводов РТ.

11. Проведено успешное испытание и тестирование системы приводов РТ, подтвердившее правильность и обоснованность разработанных алгоритмов и методов расчёта.

1. Козырев А. А., Курохтин М. В., Польский В. А. Модернизация приводов радиотелескопа РТ 7.5 // Экстремальная робототехника: Труды 16-й научно - технической конференции. - Санкт - Петербург, 2005. -С. 374-378.

2. Jle Ван Тхань, Польский В. А. Система модернизация следящих электроприводов радиотелескопа РТ—7.5// Экстремальная робототехника: Труды 17-й научно технической конференции. - Санкт - Петербург, 2006.-С. 539-546.

3. Делия Д. С, Польский В. А. Разработка интерфейса управления модернизированным радиотелескопом РТ 7.5 МГТУ им. Н. Э. Баумана // Экстремальная робототехника: Труды 9-й научно - технической конференции. - Санкт - Петербург, 2006. - С. 546 - 550.

4. Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. Санкт -Петербург: Энергоатомиздат, 1992. - 288 с.

5. Белов М. П., Новиков В. А., Рассудов Л. Н. Автоматизированный электропривод производственных механизмов и технологических комплексов. М.: Академия, 2004. - 576 с.

6. Малафеев. С. И. Управление по критерию эффективного использования энергетических ресурсов в мехатронных системах автоматизированных производств: Дисс. докт. техн. наук по специальности 05.02.05. М., 2001.-409 с.

7. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием.- М.: Издательский центр «Академия», 2006. -272 с.

8. Парщиков А. А., Емельянов И. А. Система синхронно-следящего привода радиотелескопа РТ-7.5 МВТУ. М.: Наука, 1974. -192 с.

9. Разработка проекта модернизации приводов антенных систем радиотелескопа РТ 7.5 для создания на его основе наземного радиолокатора наведения и подсветки ка - диапазона:

10. Отчёт об опытно конструкторской работе МГТУ им. Н. Э. Баумана. Руководитель В. А. Польский. Исп. Jle Ван Тхань и др. № 1.27.04, 2004, Г.Р. № 01400602738, инв. № 02700600650. - Москва, 2004. - С. 44-87.

11. Парщиков А. А., Розанов Б. А., Сагательнов В. С. Система автоматизации наблюдений на радиотелескопе РТ-7.5 МВТУ// Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 1973. - Том 16. -С. 703-706.

12. Кузовков Н. Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. -М.: Машиностроение, 1976. 184 с.

13. Шендфельд Р., Хабигер Э. Автоматизированные электроприводы: Пер. с нем. / Под ред. Ю. А. Борцова. Л., Энергоатомиздат, 1985. - 464 с.

14. Гельднер К., Кубик С. Нелинейные системы управления: Пер. с нем.-М.: Мир, 1987.-368 с.

15. Казмиренко В.Ф., Баранов М.В. Автоматизированное проектирование следящих приводов и их элементов / Под ред. В. Ф. Казмиренко. М.: Энергоатомиздат, 1984. -240с.

16. Мелкозеров П. С. Энергетический расчет систем автоматического управления и следящих приводов. М.: Энергия, 1966. - 304 с.

17. Следящие приводы / Е. С. Блейз, В. Н. Бродовский, В. А. Введенский и др; Под ред. Б. К. Чемоданова. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. Том 1 - Теория и проектирование следящих приводов. - 904 с.

18. Следящие приводы / Е. С. Блейз, В. Н. Бродовский, В. А. Введенский и др; Под ред. Б. К. Чемоданова. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. Том 2 - Электрические следящие приводы. - 890 с.

19. Елисеева В. А., Шинянского А. В. Справочник по автоматизированному электроприводу. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 616 с.

20. Петров Ю. П. Исследование устойчивости систем управления при учете погрешностей измерительных приборов. -М.: Электричество, 1990. -С. 43.

21. Терехов В. М. Современные способы управления и их применение вэлектроприводе. -М: Электротехника, 2000. С. 25 - 28.

22. Арендт В. Р., Сэвент К.Дж. Практика следящих систем: Пер. с англ. -JI.: Госэнергоиздат, 1962. 556 с.

23. Петрунин С. П. Конструирование редукторов следящего привода радиоаппаратуры. М.: Советское радио, 1971. - 144 с.

24. Основы проектирования следящих систем / Под ред. Н. А. Лакоты. -М.: Машиностроение, 1978. 391 с.

25. Евстигнеева А. А. Следящий электромагнитный привод для исполнительных устройств автоматических систем: Дисс. канд. техн. наук. -Владимир, 1985. 178 с.

26. Разработка интерфейса управления модернизированными приводами антенных систем радиотелескопа РТ-7.5:

27. Отчёт об опытно конструкторской работе МГТУ им. Н. Э. Баумана. Руководитель В. А. Польский. Исп. Ле Ван Тхань и др. № 2.29.05, 2005, Г.Р. № 01500603487, инв. № 02800700760. - Москва, 2005. - С. 35-76.

28. Дамшифи М. Автоматизированное проектирование систем управления / Под ред. Ч. Хергета: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1989. -344с.

29. Андрющенко В. А. Основы теории и проектирования приборных следящих систем низких скоростей: Дисс. докт. техн. наук. Л., 1979. - 406 с.

30. Петров Ю. П. Оптимальное управление электроприводом. М.: Госэнергоиздат, 1961. - 209 с.

31. Гольдберг О. Д., Абдуллаев И. М., Абиев А. Н. Автоматизация контроля параметров и диагностика асинхронных двигателей / Под ред. О. Д. Гольдберга. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 160 с.

32. Воронов А. А. Введение в динамику сложных управляемых систем. -М: Наука, 1985.-352 с.

33. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей: Пер. с англ. Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 180 с.

34. Преобразователь частоты АВ-100 для высокоточных приводов переменного тока : Техническое описание и инструкция по эксплуатации М.: Приводная техника, 2004. - 80 с.

35. Программируемые логические контроллеры "System Q MITSUBISHI ELECTRIC': Технический каталог.-М,2005. -55 с.

36. Angle Encoders "HEIDENHAIN": Технический каталог. -М„2004. 74 с.

37. Преобразователи угловых перемещений "СКБИС": Технический каталог. -М, 2005. 53 с.

38. Борцов Ю. А., Поляков Н. Д., Путов В. В. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением. Л.: Энергоатомиздат, 1984.-216 с.

39. Проектирование следящих систем. Физические и методические ос новы / Под ред. Н. А. Лакоты. М.: Машиностроение, 1992. - 351 с.

40. Петров И. И., Мейстель А. М. Специальные режимы работы асинхронного электропривода. М.: Энергия, 1968. - 262 с.

41. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат, 1982. - 392 с.

42. Кацман М. М. Электрический привод. М.: Академия, 2005. - 384 с.

43. Воротников С. А. Информационные устройства робототехнических систем. М.: МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2005. - 384 с.

44. Уильяме Б. Силовая электроника: приборы, применение, управление: Справочное пособие; Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1993. - 240 с.

45. Овчаренко Н. И. Принцип действия и многофункциональные схемы быстродействующих измерительных преобразователей автоматических устройств энергосистем // Измерительная техника. -1992. № 7.-С. 46- 48.

46. Измерительно-вычислительный комплекс для измерения параметров трехфазных сетей переменного тока / В. Е. Андриевский, О. JI. Кара-синский, С. Г. Таранов, Р. Б. Хусид. Киев: Наукова думка, 1985. -216 с.

47. Киракосов В. Г., Лугинский Я. Н., Новаковский А. Н. Быстродействующие преобразователи параметров режима электрических сетей. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 144 с.

48. Ковалев В. Е., Ковалев М. В. Методологические основы физико-технических системных исследований энергетики электроприводов сложных технических комплексов. М.: Электромеханика, 1992. -271 с.

49. Райбман Н. С., Чадеев В. М. Построение моделей процессов производства. М: Энергия, 1975. - 376 с.

50. Автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс для исследования и испытаний трехфазных асинхронных двигателей малой мощности/ Ю. В. Кривошеий, Д. В. Потатуев, Н. Ф. Титюхин, В. Д. Черный. Л.: Электротехника, 1990.-289 с.

51. Казмиренко В. Ф., Лесков А. Г., Введенский В. Д. Системы следящих приводов. -М.: Энергоатомиздат, 1993. 303 с.

52. Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 240 с.

53. Афонин А. А. Принципы построения линейных электродвигателей. -Киев: ИЭД АН УССР, 1984. 56 с.

54. Илюхин Ю. В. Автоматизированное проектирование следящих приводов. М.: Энергоатомиздат, 1982. -229 с.

55. Попов Е. П., Бесекерский В. А. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1972. 768 с.

56. Дотэ Я. Применение современных методов управления для регулируемых двигателей IIТИИЭР. 1988. - № 8. - С. 151 - 170.

57. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями.- М.: Энергоатоиздат, 1982. 216 с.

58. Красник В. В. Тиристорные регуляторы для повышения коэффициента мощности недогруженных асинхронных двигателей // Промышленная энергетика. 1971. -№ 5. - С. 15 - 18.

59. Терехов В.М., Чериан И. Оптимизация следящих электроприводов гелиоустановок по минимуму потерь мощности от переменного момента нагрузки // Сборник научных трудов МЭИ. -1989. № 213.- С.6-14.

60. Терехов В. М. Исследование и разработка высококачественных многодвигательных следящих электроприводов для широкого класса наземных антенных установок: Дисс. докт. техн. наук. М., 1981. -354с.

61. Смит Дж. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей. М: Машиностроение, 1980. - 271 с.

62. Полещук В. И. Инвариантное подчиненное регулирование тока в электроприводе постоянного тока с последовательно-параллельной коррекцией. -М.: Электричество, 1994. 156 с.

63. Бродовский В. Н., Иванов Е. С. Приводы с частотно-токовым управлением. М.: Энергия, 1974. - 168 с.

64. Польский В. А. Расчет электроприводов промышленных роботов. -М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1989. 27 с.

65. Кедар Г. Переход от аналогового управления электроприводом к цифровому // Электронные компоненты. 2006. - № 11. - С. 15 - 19.

66. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. Санкт-Петербург.: Питер, 2006. - 752 с.

67. Сафонов Ю. М. Электроприводы промышленных роботов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 177 с.

68. Теребиж в. Ю. Современные оптические телескопы. М.: Физмалит, 2005.-80 с.

69. Копейкин А. И., Малафеев С. И. Управляемые электромеханические колебательные системы. Владимир: Посад, 2001. - 128 с.

70. Лесков А. Г., Ющенко А. С. Моделирование и анализ робототехниче-ских систем. -М.: Машиностроение, 1992. 78 с.

71. Лесков А. Г., Ющенко А. С. Исследование динамики многосвязных манипуляционных систем с помощью ЭВМ / Под ред. В. С. Медведева: -М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1987. 67 с.

72. Михайлов О. П. Динамика электромеханических приводов металлорежущих сталков. -М.: Машиностроение, 1989. 201 с.

73. Герман -Ганкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0 : Учебное пособие. Санкт - Петербург.: Корона принт, 2001. - 219 с.

74. Черных И. В. Simulink среда создания инженерных приложений. М.: Диалог-мифи, 2004. - 495 с.

75. Blaschke F. Das Prinzip der Ferdorientierung, die Grundlage fur die TRANSVECTOR Regelung von Drehfeldmaschienen // Simens-Zeeitschrift. - 1971. - Bd.45, H. 10. - S. 757 - 760.

76. УТВЕРЖДАЮ" Директор НИИ РЭТ1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы Ле Ван Тханя

77. Исследование и разработка системы приводов радиотелескопа РТ-7.5 на базе двигателей переменного тока"

78. Начальник сектора, ют.н., с.н.с. О™* А.А. Парщиковчл—1. Н" аз 2007 г.1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы Ле Ван Тханя

79. Исследование и разработка системы приводов радиотелескопа РТ-7.5 на базе двигателей переменного тока"

80. Заведующий кафедрой РК-10 "Робототехиические системы"д.т.н., профессор1. А. С. Ющснко