автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование и разработка системы управления телескопа на качающемся основании

На правах рукописи

Тушев Сергей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕЛЕСКОПА НА КАЧАЮЩЕМСЯ ОСНОВАНИИ

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Санкт-Петербург - 2014

005554716

005554716

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Томасов Валентин Сергеевич

Официальные оппоненты: Путов Виктор Владимирович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой систем автоматического управления ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного университета «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)

Саушев Александр Васильевич

кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой Электропривода и электрооборудования береговых установок Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный морской

технический университет

Защита состоится 27 ноября 2014 г. в 17 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.227.03 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49., ауд. 285.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики но адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49., и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан « » 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дударенко Наталия Александровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время оптико-электронные средства (по традиции их часто называют оптическими телескопами) играют первостепенную роль в обнаружении и контроле космических объектов, особенно на больших удалениях. Несомненным достоинством оптических телескопов является 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.

Традиционно системы прецизионного приборостроения, размещаемые на качающемся основании, проектируются с использованием гяростабилизированных платформ. Однако низкие динамические характеристики существующих платформ не позволяют реализовать требуемое быстродействие системы наведения оптического телескопа последнего поколения в условиях компенсации качки корабля и обеспечение конечной точности наведения на космический объект не хуже единиц угловых секунд.

Реализация прецизионных электроприводов телескопа траекторных измерений, устанавливаемого непосредственно на палубе корабля без использования гиростабилизированной платформы, позволит не только существенно снизить затраты на дополнительное оборудование, но и повысить быстродействие системы наведения и конечную точность сопровождения космического объекта. Поэтому задачи исследования и разработки систем управления такими электроприводами являются вполне актуальными.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование системы управления прецизионным электроприводом двухосного телескопа, установленного на палубе корабля, позволяющей компенсировать влияние морской качки без использования гиростабилизированной платформы. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1) анализ влияния компенсации морской качки на формирование задающего воздействия прецизионного электропривода осей опорно-поворотного устройства (ОПУ) телескопа и его моделирование;

2) анализ влияния морской качки на характеристики дополнительных динамических возмущающих воздействий на осях ОПУ телескопа;

3) выбор и обоснование комплекса математических моделей электропривода двухосного телескопа с учетом зависимости момента инерции азимутальной оси телескопа от положения угломестной оси;

4) синтез системы управления прецизионным электроприводом двухосного телескопа с учетом заданных статических и динамических параметров;

5) экспериментальные исследования разработанной системы управления на физическом макете азимутальной оси ОПУ телескопа.

Методы исследований. В работе использованы методы математического моделирования, физического моделирования, системного анализа, современные методы получения и обработки данных, методы синтеза систем управления с

подчиненной структурой, метод быстрого прототипирования системы управления электропривода.

На защиту выносятся следующие положения:

1) математические модели задающего и возмущающего воздействий при компенсации морской качки;

2) комплекс математических моделей электропривода двухосного ОПУ телескопа с учетом переменного момента инерции азимутальной оси;

3) методика выбора математической модели объекта управления в условиях морской качки для последующего синтеза системы управления им;

4) результаты обработки экспериментальных данных, подтверждающие основные теоретические положения работы.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

1) разработан и проведен анализ комплекса математических моделей электропривода двухосного телескопа с учетом переменного момента инерции азимутальной оси;

2) разработана методика расчета диапазона допустимых координат объекта наблюдения, при которых электропривод телескопа может обеспечивать непрерывное наблюдение в условиях морской качки;

3) разработана методика определения величины возмущающих воздействий на осях ОПУ в условиях морской качки.

Практическая ценность диссертационной работы:

1) на основе проведенного анализа статических и динамических характеристик электроприводов ОПУ разработана система управления, способная компенсировать влияние качки корабля на работу телескопа без гиростабилизированной платформы;

2) предложен комплекс математических моделей, позволяющий оценить величину дополнительных возмущений и снижение диапазона допустимых координат объекта наблюдения в условиях морской качки;

3) разработанный комплекс моделей позволил провести имитацию качки при проведении государственных испытаний ОПУ «МОЛК» на заводе-изготовителе;

4) основные результаты, полученные автором в диссертационной работе, были использованы при разработке и проектировании систем цифровых прецизионных электроприводов опорно-поворотного устройства многофункционального оптико-локационного комплекса национальных информационно-измерительных средств судна связи «Маршал Крылов». Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы

докладывались и обсуждались на XL, XLI, XLII научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО 2011-2013 годов соответственно, I, II, III Всероссийских конгрессах молодых ученых в 20122014 годов соответственно. Результаты были представлены также на 14-ой международной научной конференции по робототехнике, управлению и производственным технологиям (14th International Conference on ROBOTICS,

CONTROL and MANUFACTURING TECHNOLOGY) в 2014 году. Приведенные в работе методы и подходы к проектированию системы управления электропривода телескопа применялись в рамках х/д НИР №№ 212212, 211144, 211151, 211091, 212187, проводимых по заказу ОАО Научно-производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения".

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях, 5 из которых в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получены 2 авторских свидетельства на программы для ЭВМ. Все публикации подготовлены при непосредственном участии автора.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения, приложения, списка литературы, содержащего 68 наименований. Основная часть работы изложена па 119 страницах машинописного текста и содержит 97 рисунков и 10 таблиц.

Во введении обосновывается актуальность работы, ее практическая значимость. Определяется цель, и ставятся задачи диссертационного исследования. Проводится краткий обзор существующих методик управления электроприводом телескопа на качающемся основании. Исследование и разработка системы управления (СУ) телескопа на качающемся основании были проведены на примере ОПУ «МОЛК» со следующими требованиями и характеристиками: максимальное ускорение оси 15°/с2, максимальная скорость оси 30°/с, момент трения 50 Нм, максимальный ветровой момент 60 Нм. Кратко изложены практические результаты работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассматриваются принципы преобразования координат из неподвижной системы в систему, связанную с осями ОПУ телескопа. Предложена методика моделирования задающего воздействия с компенсацией морской качки. Исследованы ограничения диапазона допустимых координат цели, при которых обеспечивается непрерывное сопровождение в условиях действия следующих видов качки: вращательные виды - килевая, бортовая, рыскание и поступательные виды - продольная, поперечная и вертикальная. Параметры качки сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Параметры качки корабля

Вид качки Амплитуда Период, с

Бортовая 10° 12

Килевая 3° 7

Рыскание по курсу 5° 15

Вертикальная 4м 9

Продольная 3.5 м 10

Поперечная 3.5 м 13

Для оценки влияния качки на формирование задающего воздействия угловых координат ОПУ определяется закон, по которому меняются координаты цели. Для выполнения этой задачи совмещается начало отсчета системы координат (СК) с точкой пересечения осей ОПУ. Ось абсцисс (X) направлена параллельно килю корабля, ось ординат (Y) - проходит с одного борта на другой, ось аппликат (Z) перпендикулярна палубе. Пусть координаты цели определяются как A(x,y,z) в инерциальной СК. Тогда в подвижной СК эта точка будет иметь координаты А(х \у \z'). При определении зависимостей х' = f(x,y,z), у' -f(x,y,z) иг' = f(x,y,z) все виды качки рассматриваются отдельно друг от друга.

Схема килевой качки корабля представлена на рисунке 1. Угол 9 определяет мгновенную величину килевой качки и, как следствие, угол между осями X и X' и Z и Z', вращение осуществляется вокруг оси Y, которая в данном случае совпадает с осью Y".

Для каждого вида качки на основании геометрических построений получены формулы, связывающие координаты корабельной и инерциальной СК. ОПУ имеет две оси вращения и, соответственно, две угловые координаты - азимут и угол места.

Азимут (A3) - угол между проекцией радиус-вектора цели на плоскость XOY и осью Y. Угол места (УМ) - угол, между радиус-вектором цели и его проекцией на плоскость XOY. A3 и УМ определяются формулами:

Рисунок ! - Преобразование координат при килевой качке

А3(х,у)„ =

arctg(^),x > О

arctg{l) г 1 НО",х < 0, А3(п ]) > 0, УЩх,у) = arctg( . Л ),

Jx2+y2

arctg(yx) -

180 ,х<0,АЗ, ,ч<0 (и-1)

(1)

где A3,, и A3(„_i) - текущее и предыдущее положение азимутальной оси соответственно. A3 ось телескопа имеет диапазон вращения ±270°, знак текущего угла зависит от предыдущего значения угла. При положительной координате х азимут находится в зоне однозначности. УМ ось телескопа имеет диапазон вращения [0°; 90°]. Если УМ цели превышает 90°, то A3 ось разворачивается на 180°, что сопряжено с большим ускорением и скоростью вращения этой оси.

Морская качка в общем случае представляет собой случайный процесс с известной спектральной плотностью. Однако в первом приближении ее можно описать основной гармонической составляющей каждого вида качки.

В точках наблюдения близких к зениту ускорения азимутальной оси значительно возрастают и при этом необходимо определить, при каких

предельно возможных положениях непрерывное слежение за объектом.

УМ электропривод может обеспечить

Рисунок 2 -

Модель задающего воздействия при морской качке.

В модели, приведенной на рисунке 2, введены обозначения: I — блок задания конкретного вида качки, 2 - блок преобразования из инерциальной системы координат в

корабельную, 3 - координаты цели в инерциальной системе координат, 4 — суммирование поправок от каждого вида качки, 5 — блок преобразования из координат ХУ2 в координаты АЗ-УМ, 6 -вывод информации о задающем воздействии для каждой оси телескопа. Модель используется для исследования дополнительных составляющих задающего воздействия в режиме «стояние в точке» и компенсации действия шести видов качки. С помощью данной модели получены задающие воздействия при каждом виде качки по отдельности, а также их суммарное воздействие. Для обобщения полученной информации фиксируется разброс задающих значений АЗ и УМ при различных координатах цели, и соответствующие им средние значения углов ОПУ, а также скорости и ускорения каждой оси. Для обобщения влияния качки достаточно исследовать семейства траекторий движения объектов наблюдения при положении азимутальной оси в диапазоне [0°; +90°]

На рисунке 3 представлена поверхность максимальных ускорений задающих воздействий азимутальной оси. С увеличением УМ максимальные ускорения возрастают, причем при АЗ близком к нулю, это увеличение более значительно. Указанные предельно возможные ускорения ограничивают допустимый диапазон углов на уровне 75° по УМ при заданных параметрах морской качки.

На рисунке 4 представлена поверхность минимальных задающих воздействий для УМ оси в зависимости от различных координат цели. Если угол места цели в инерциальной системе отсчета менее 10°, то в определенные моменты времени ОПУ необходимо отработать отрицательный УМ, что конструктивно невозможно, так как диапазон УМ 0-90°. Поэтому задание по УМ должно быть не менее 10°, иначе телескоп не обеспечит непрерывное наблюдение.

Максимальные ускорения АЗ

со <

Рисунок 3 - Поверхность максимальных ускорений АЗ оси

Рисунок 4 -

Поверхность минимальных значений УМ

Минимальные значения УМ Обобщая анализ приведенных

графиков, можно сделать вывод, что морская качка с указанными параметрами ограничивает допустимый диапазон возможных положений объекта наблюдения на уровне [10°; 75°] по угломестной координате цели.

Предложенная математическая модель морской качки позволяет определить, насколько сократится диапазон координат объекта наблюдения, в котором электропривод может обеспечить заданное ускорение и перемещение осей телескопа для непрерывного наблюдения за целью.

Во второй главе диссертации описываются параметры возмущающих моментов на осях ОПУ. Определяется характер и максимальные значения дополнительных возмущающих воздействий, обусловленных только качкой корабля. Разработана модель для определения величины динамических возмущающих моментов.

На осях ОПУ действуют следующие основные виды возмущающих внешних воздействий: момент трения, момент, вызванный качкой корабля, ветровой момент, момент дисбаланса оси. Для оценки влияния указанных возмущающих моментов на точность наведения проведено их математическое моделирование.

Момент трения является реактивным моментом и возникает преимущественно в подшипниках опор осей ОПУ. Его можно разложить на две составляющие — момент сухого трения и момент вязкого трения. Момент сухого трения постоянен по величине, но зависит от знака скорости и всегда направлен навстречу движению. Момент вязкого трения обусловлен в основном внутренним фением смазки подшипников оси и линейно зависит от скорости вращения.

В реальных опорно-поворотных устройствах момент сухого трения преобладает над остальными составляющими, и в то же время обладает высокой степенью неравномерности из-за особенностей подшипников.

На рисунке 5 в качестве примера приведена зависимость момента сопротивления от азимутальной координаты на реальной установке. В диапазоне ±80° момент сопротивления изменяется практически в два раза.

Неравномерность момента трения

Рисунок 5 — Зависимость момента сопротивления от угла повордта.

Для прецизионных электроприводов телескопов траекторных измерений характерной особенностью является движение на инфранизких скоростях — десятки угловых секунд и минут в секунду. На этих скоростях вязким трением можно пренебречь.

Момент ветровой нагрузки носит случайный характер и задается спектральной плотностью гармонических составляющих. Начальная фаза составляющих момента определяется как случайная величина с равномерной плотностью распределения вероятностей в интервале п < фк < я. На практике часто момент ветровой нагрузки оценивается по максимальному заданному значению амплитуды.

Вращательные виды качки приводят к появлению дополнительных динамических возмущающих воздействий на осях ОПУ. В случае альт-азимутальной монтировки вследствие наличия переменной составляющей момента инерции A3 оси (см. рисунок 6), на нее действует момент, вызванный рысканием и зависящий от положения УМ оси,

MDaz=JaJael)df, (2)

dt

где <р— текущий угол рыскания, Jm(ccel) - момент инерции азимутальной оси с учетом текущего положения угломестной оси ad.

На УМ ось действует момент, вызванный бортовой и килевой качкой и

зависящий от положения A3 оси:

л dl0 ■

М Del = J el ( Г C0S aaz + "ТЕ SU1 01 az), (3)

dt1 dt

где в - текущий угол бортовой качки, i// - текущий угол килевой качки, Jel -момент инерции УМ оси, а^ - текущий A3.

Параметры каждого вида качки различны и их влияние зависит от положения осей телескопа, поэтому математическое моделирование возмущающего воздействия необходимо провести в широком диапазоне координат цели. Для этого было построено семейство траекторий движения объекта наблюдения, проходящих через точку зенита.

Момент инерции A3 оси в общем случае зависит от положения УМ оси, поэтому исследование возмущений на азимутальную ось проводилось для двух случаев — с учетом и без учета переменного момента инерции. Зависимость момента инерции A3 оси от положения УМ оси, которая представляется в виде сплошного цилиндра, определяется формулой

JazК/) = cos2 ael + „ ,2 ^ ael' (4)

A3

^ Л Mp

Mk

MS

Cx

Рисунок б - Динамические возмущающие моменты

Рисунок 7 - Структурная схема модели возмущающих воздействий

где То; - значение момента инерции, отнесенное к максимальному моменту инерции при нулевом положении УМ оси, ае/ - угол поворота УМ оси, г -радиус УМ оси телескопа, / -длина УМ оси телескопа.

Структура модели возмущающих воздействий представлена на рисунке 7. Блок задания параметров морской качки (1) формирует на выходе шесть сигналов, соответствующих каждому виду качки. Блок задающего воздействия (2) формирует задание для обеих осей с учетом морской качки таким образом, что при выполнении задания «стояние в точке» воздействие на систему управления с учетом только качки носит сложный характер с множеством гармонических составляющих. Блок формирования возмущающего воздействия (3) определяет величину и характер изменения возмущающих воздействий на осях, вызванных качкой корабля. Блок фиксации результатов моделирования (4) обеспечивает сохранение максимальных, минимальных и средних значений динамических возмущений.

Для системы без учета переменного момента инерции и средний, и максимальный динамические моменты не зависят от рассматриваемого диапазона координат объекта и равны 15.5 Нм и 24.5 Нм соответственно.

На рисунках 8 и 9 представлены поверхности максимальных и средних динамических возмущающих моментов, вызванных морской качкой, с учетом переменного момента инерции АЗ оси в зависимости от положения УМ оси. Анализ графика показывает, что максимальные и средние моменты отличаются для различных значений координат УМ. Максимальный динамический момент 24.5 Нм достигается при УМ 0° и постепенно снижается с увеличением УМ до 21 Нм. Средний момент находится в диапазоне 13.5-15.5 Нм.

я/тчиныис

ж X

УМ." 5 » А3.°

Рисунок 8 — Максимальные возмущающие динамические моменты АЗ оси

Рисунок 9 - Средние возмущающие динамические моменты АЗ оси

УМ,"

А3,°

УМ,°

'М,° о * А3.°

Рисунок 11 - Средние динамические возмущающие воздействия УМ оси

Рисунок 10 — Максимальные динамические возмущающие воздействия УМ оси.

На рисунках 10 и 11 представлены поверхности максимальных и средних динамических возмущающих воздействий утломестной оси. Анализ графиков показывает, что максимальный возмущающий момент 12.7 Нм достигается при угле АЗ около 45°, спадая при угле АЗ 0° и 90° (так как при этих координатах на угломестную ось действует только один вид качки). Средний момент около 5 Нм во всем рассматриваемом диапазоне координат объекта наблюдения. Для ОПУ «МОЛК» максимальные значения возмущений составляют 24.5 Нм и 12.7 Нм для азимутальной и угломестной оси. При учете изменения момента инерции азимутальной оси за счет изменения положения угломестной максимальный возмущающий динамический момент снижается на 15 % при УМ 75° относительно нулевого положения УМ оси.

В ходе исследования проведено математическое моделирование динамических возмущающих воздействий, позволившее оценить величину максимальных и средних значений этих возмущений и сравнить их с остальными возмущающими воздействиями.

В третьей главе диссертации исследована зависимость момента инерции АЗ оси телескопа от положения УМ оси. Разработана модель с переменным моментом инерции без учета его динамики, а также модель, учитывающая динамическое изменение момента инерции. Обоснован выбор модели объекта управления, используемой для настройки системы управления телескопом.

Учет взаимного влияния осей необходим для телескопа, установленного на качающемся основании, так как при этом различным образом проявляется характер и величина внешних возмущающих воздействий. Важно принимать во внимание тот факт, что при вращении УМ оси момент инерции АЗ оси изменяется динамически. Для учета этого изменения к математической модели объекта управления добавляется дополнительное дифференциальное уравнение, описывающее динамику момента инерции АЗ оси.

Момент инерции АЗ оси равен сумме постоянной составляющей момента инерции, не зависящего от положения ОПУ и его переменной составляющей, зависящей от положения УМ оси. УМ ось можно представить сплошным цилиндром, моменты инерции которого известны для положений 0° и 90°.

Зависимость относительного

Зависимость относительного момента инерции от угла поворота УМ оси ОПУ выражается формулой (4).

На рисунке 12 в качестве примера представлена зависимость переменной составляющей момента инерции АЗ оси от положения УМ оси. Количественная оценка зависит от конкретных параметров ОПУ, ее типа и соотношения переменной и постоянной составляющей момента инерции.

На ОПУ действует морская качка, поэтому положение УМ оси переменное даже в режиме «стояние в точке», а момент инерции АЗ оси также изменяется во времени.

Динамический момент для переменного момента инерции выражается как

УМ,0

Рисунок 12 - Изменение переменной составляющей момента инерции

тс1со <и

М =J-+ со —,

Л Л

(6)

где ,/ - момент инерции, ш - угловая скорость.

Если много больше т0 момент инерции оси меняется

настолько медленно, что его можно считать постоянным. В общем случае, необходимо учитывать уравнением состояния момента инерции первой оси J¡. Допустим, что момент инерции первой оси определяется как:

= (7)

где момент инерции оси состоит из двух компонентов - постоянной ^ц и переменной составляющей 3^.(1). В данном случае постоянная составляющая -это та часть момента инерции, которая остается неизменной при изменении положения УМ оси ОПУ. Переменная составляющая, в свою очередь, зависит от положения угломестной оси и определяется формулой (8), полученной на основе формулы (3).

= ./10(соз2 аг +,Ыгг <х). (8)

Тогда скорость изменения момента инерции описывается формулой, полученной при дифференцировании выражения (8):

Л = Л, (к - !)®2 вт(2аг2) . (9)

В формулах (8) и (9) 710 - момент инерции первой оси при горизонтальном положении второй оси, к - коэффициент, зависящий от геометрических параметров второй оси, определяет соотношение моментов инерции второй оси при 0° и при 90°, а2 и а>2 — положение и скорость второй оси соответственно. Таким образом, полная система уравнений принимает вид:

'el е\

-М,

1

-м, --

А

Л„ +-Л

-мс1-

•^.«1+Л1

Л1 = -1)®2 sin(2a2)

М2 = — --— со2--М2

(Ь2 = —М2

2

(X, = соп

1 л J

Жадяя

л2 — ^2'

где /?i - жесткость механической характеристики A3 оси, - жесткость механической характеристики УМ оси, ТеХ - электрическая постоянная времени A3 оси, Те2 - электрическая постоянная времени УМ оси.

Если момент инерции A3 оси изменяется достаточно медленно, то можно не учитывать его динамику. Тогда зависимость от Оу„ будет определяться согласно выражению (8). В системе (10) количество уравнений уменьшится до шести.

м л ^ В диссертации проводится

| моделирование для диапазона

| координат объекта по A3 [0°, 90° | и по

УМ [0°, 75°]. На рисунке 13 показана поверхность соотношений компонентов производной d(Ja>)/dt, а именно./

и a^/rfi ■ Это соотношение колеблется

в диапазоне от 200 до 550, а среднее соотношение компонентов - около 400. Таким образом, первое слагаемое производной d(Jco)/dt превышает второе более чем на два порядка.

Анализ соотношения компонентов производной d(Jco)/dt позволил сделать вывод, что при реальном для исследуемого ОПУ соотношении составляющих можно использовать модель объекта с переменным моментом инерции A3 оси, но без учета его динамики. Это позволяет упростить процедуру синтеза системы управления электропривода телескопа на качающемся основании.

В четвертой главе даны рекомендации по выбору структуры системы управления электропривода двухосного телескопа. Проводится сравнительный анализ системы с переменным моментом без учета динамики и неадаптивным регулятором и системы с адаптивным регулятором. Приводятся результаты физического моделирования на реальном стенде, имитирующем азимутальную ось телескопа при отработке задающего воздействия с учетом компенсации

УМ,1

A3,"

Рисунок 13 — Соотношение составляющих d(Jm)/dt

морской качки.

Следящие электроприводы каждой из осей ОПУ выполнены по структуре подчиненного регулирования, содержащей контур положения, настраиваемый на «симметричный оптимум», и подчиненный ему контур скорости, настраиваемый на «технический оптимум». Такая структура обеспечивает второй порядок астатизма по задающему воздействию и первый порядок астатизма по возмущающему воздействию.

Проведен анализ четырех вариантов реализации регуляторов принятой структуры:

• неадаптивный регулятор, объект без учета переменного момента инерции;

• неадаптивный регулятор, объект с учетом переменного момента инерции, без учета его динамики;

• адаптивный регулятор, объект с учетом переменного момента инерции, без учета его динамики;

• адаптивный регулятор, объект с учетом динамики момента инерции.

В диссертации показано, что неадаптивный регулятор необходимо синтезировать для максимального момента инерции азимутальной оси, когда угломестная ось находится в нулевом положении.

Для обеспечения максимально возможной точности наведения на космический объект необходимо использовать самонастраивающийся адаптивный регулятор, процедура синтеза которого требует знания закона изменения момента инерции АЗ оси в зависимости от положения УМ оси.

Результаты работы рассмотренных систем сведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики рассмотренных систем управления

Неадаптив ыный регулятор, объект с постоянны м моментом инерции Неадаптивны й регулятор, объект с переменным моментом инерции, без учета его динамики Адаптивный регулятор, объект с переменным моментом инерции, без учета его динамики Адаптивный регулятор, объект с учетом динамики момента инерции

С КО при скачке задания в установившемся режиме, " 0.051 0.110 0.051 0.052

Максимальное СКО при морской качке, " 3.621 3.630 3.621 3.623

Минимальное СКО при морской качке, " 3.531 3.540 3.531 3.532

На основе результатов работы вышеперечисленных систем, приведенных в таблице 2, можно сделать следующие выводы:

1. Система с неадаптивным регулятором с постоянным моментом инерции обладает лучшими характеристиками из представленных систем.

2. Точность системы с неадаптивным регулятором и переменным моментом инерции несколько хуже первой системы, однако, модель объекта в данном случае ближе к реальной установке.

3. При использовании самонастраивающегося регулятора характеристики замкнутой системы совпадают с первой системой. Регулятор исключает влияние переменного момента инерции.

4. Использование самонастраивающегося регулятора для управления объектом, у которого учитывается динамика момента инерции, приводит к несколько худшим результатам, чем в третьей системе. Такой объект максимально близок к реальной установке.

С целью подтверждения работоспособности предложенных алгоритмов было проведено экспериментальное исследование разработанной системы управления на стенде кафедры ЭТ и ПЭМС Университета ИТМО. Стенд представляет собой физическую модель азимутальной оси телескопа, содержащий поворотный синхронный двигатель серии КБМ-Зб с постоянными магнитами на роторе и прецизионный инкрементальный оптический датчик фирмы НешвЬа«'.

Быстродействие скоростного контура реальной системы настраивается исходя из условия обеспечения времени переходного процесса 45 мс при скачке задающего воздействия. Результаты работы системы при отработке задающего воздействия с компенсацией качки представлены на рисунках 14 — 19, где показаны графики изменения положения и ошибки по положению при различных углах АЗ оси. Величина СКО при отработке задающего воздействия с компенсацией качки не превышает 2'10".

5

Л

V 7

л/

Время, с

Рисунок 14 - График задания и положения оси при АЗ цели 0°.

Время, с

Рисунок 15 - График ошибки по положению оси при АЗ цели 0°.

Время, с

Рисунок 18 - График задания и положения оси при АЗ цели 20°.

к Iо ж

'¡.А-

Время, с

Рисунок 16 - График задание и положения

оси при АЗ цели 10°.

Время, с

Рисунок 17 - График ошибки по положению оси при АЗ цели 10°.

@ Е

3 О

Время, с

Рисунок 19 - График ошибки по положению оси при АЗ цели 20°.

С целью повышения точности отработки морской качки была использована схема комбинированного управления с подачей на контур скорости производной задания по положению.

Результаты работы комбинированной системы управления представлены на рисунках 20 - 25 . При использовании комбинированного управления СКО ошибки по положению снизилось в 1.5 раза и составило 1 '34".

р-1 <

^ .1 Л^-

/' Ч

аЗ т |

Ю В '

I 1

О ■•!•

. I I

о 5 10 15 20 25

Время, с Время, с

Рисунок 20 - График задания и положения Рисунок 21 - График ошибки по положению

оси при АЗ цели 0° с комбинированной СУ. оси при АЗ цели 0° с комбинированной СУ.

т <

Я

Время, с

Рисунок 22 - График задания и положения при АЗ цели 10° с комбинированной СУ.

Время, с

Рисунок 23 - График ошибки по положению при АЗ цели 10° с комбинированной СУ.

Время, с Время, с

Рисунок 24 - График задания и положения Рисунок 25 - График ошибки по положению при АЗ цели 20° с комбинированной СУ. при АЗ цели 20° с комбинированной СУ.

Проведенное экспериментальное исследование подтвердило работоспособность разработанных алгоритмов и возможность их технической реализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, решена актуальная задача построения системы управления телескопа на качающемся основании без использования гироплатформы. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1) проведен анализ характерных особенностей влияния морской качки на формирование задающего воздействия на электропривод осей телескопа;

2) разработана математическая модель, позволяющая определить диапазон допустимых координат объекта управления, в котором электропривод телескопа способен выполнить непрерывное наблюдение;

3) разработана математическая модель, позволяющая определить величину и характер динамических возмущающих моментов на осях ОПУ, возникающих под влиянием морской качки;

4) предложена методика выбора математической модели объекта управления для настройки его системы управления;

5) разработанный комплекс математических моделей может быть использован при проектировании прецизионных приборостроительных комплексов, расположенных на качающемся основании без применения гиростабилизированной платформы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Издания, рекомендованные ВАК:

1. Тушев С.А. Исследование возмущающих воздействий, приложенных к осям телескопа на качающемся основании [Текст] / Тушев С.А., Дроздов В.Н. // Вестник ИГЭУ. - 2014. - Вып. 3. - С. 59-64. - 0,38/0,19 п.л.

2. Тушев С.А. Влияние морской качки на диапазон допустимых координат объекта наблюдения телескопа на палубе корабля [Текст] / Тушев С.А., Дроздов В.Н. // Вестник ИГЭУ. - 2013. - Вып. 4. - С. 54-58. - 0,31/0,16 п.л.

3. Тушев С.А. Искажение выходного напряжения широтно-импульсного преобразователя прецизионного электропривода [Текст] / Томасов B.C., Ловлин С.Ю., Тушев С.А., Смирнов H.A. // Вестник ИГУЭ - 2013. - № 1. -С. 84-87.-0,25/0,06 пл.

4. Тушев С.А. Идентификация и настройка системы управления электропривода азимутальной оси телескопа [Текст] // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. -2012. - Вып. 2(78). - С. 56-59. - 0,25 п.л.

5. Тушев С.А. Синтез ЛКГ-регулятора прецизионного следящего электропривода оси телескопа траекторных измерений [Текст] / Ильина А.Г., Ловлин С.Ю., Тушев С.А. // Известия вузов. Приборостроение. -2011. - №6. - С. 86-91. - 0,38/0,13 п.л.

Прочие издания:

6. Тушев С.А. Выбор математической модели электропривода телескопа на качающемся основании для настройки системы управления [Текст] // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. - СПб.: НИУ ИТМО. - 2014. - С. 310. - 0,06 п.л.

7. Тушев С.А. Виды возмущений, действующих на оси телескопа, на палубе корабля в условиях морской качки [Текст] // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. - СПб.: НИУ ИТМО. - 2013. — С. 309. - 0,06 п.л.

8. Тушев С.А. Анализ систем управления комплексов высокоточных наблюдений. Магистерская диссертация [Текст] / LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH Co.KG. - Saarbrücken. - 2012. - 109 с. - 6,8 п.л.

9. Tushev S.A. The Ship Motions Effect on the Position Reference of Telescope's Axis Installed on the Deck of a Ship [Текст] / Tushev S.A., Smimov N.A., Drozdov V.N. // Manufacturing Engineering, Automatic Control and Robotics. - 2014. - P. 194-199. - 0,38/0,13 п.л.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ:

Ю.Тушев С.А. РуЛоп-модуль для работы с PCI-платой CAN. РОСПАТЕНТ.

Свидетельство №2013613283 от 01.04.2013. И.Тушев С.А. Программирование Flash-памяти микроконтроллеров фирмы Texas Instruments через CAN-интерфейс. РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2013610659 от 09.01.2013.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

«Университетские телекоммуникации»

197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14

Тел. (812) 233 46 69.

Объем 1,0 у.п.л. Тираж 100 экз.