Исследование и разработка системы управления телескопа на качающемся основании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Тушев, Сергей Александрович

• Тушев, Сергей Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Тушев, Сергей Александрович

Оглавление

Введение

Глава 1. Исследование влияния морской качки на задающее воздействие телескопа

1.1 Преобразование неподвижной системы координат в систему координат осей вращения ОПУ

1.2 Описание модели задающего воздействия с компенсацией качки

1.3 Частные случаи задающего воздействия

1.4 Исследование задающего воздействия во всем диапазоне вращения осей телескопа

1.5 Выводы по главе

Глава 2. Возмущающие воздействия в условиях морской качки

2.1 Возмущения, действующие на оси телескопа на корабле

2.2 Возмущающие моменты, не зависящие от морской качки

2.3 Возмущения, вызванные качкой корабля

2.4. Математическое моделирование возмущающих воздействий, зависящих от морской качки

2.5 Выводы по главе

Глава 3. Математическая модель электропривода телескопа на качающемся основании

3.1 Зависимости момента инерции азимутальной оси телескопа от угла поворота угломестной оси

3.2. Полная математическая модель и модель без учета динамики момента инерции

3.3. Методика выбора математической модели электропривода телескопа для построения системы управления им

3.4. Выводы по главе

Глава 4. Исследование особенностей системы управления телескопа на качающемся основании

4.1 Система с постоянным моментом инерции

4.2 Система с переменным моментом инерции

4.3 Система с учетом динамики момента инерции

4.4 Экспериментальное исследование

4.5 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка системы управления телескопа на качающемся основании»

Введение

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. Оптические телескопы обладают такими уникальными особенностями, как высокие точности определения угловых координат, возможность получения оптических изображений космических объектов и высокоточных фотометрических и спектрофотометрических измерений их оптического блеска [6, 11, 40].

Оптические телескопы могут быть установлены не только на неподвижном, но и на качающемся основании в условиях морской качки. В связи с наличием морской качки возникает распространенная задача стабилизации положения опорно-поворотного устройства телескопа относительно поверхности земли [41, 42, 43].

Для решения этой задачи обычно используется гиростабилизированная платформа. Гиростабилизированная платформа - силовое электромеханическое устройство, в состав которого входят гироскопы и специальные двигатели для преодоления воздействия на стабилизируемый объект внешних возмущающих моментов [12, 33].

Однако использование гиростабилизированной платформы для стабилизации положения осей опорно-поворотного устройства телескопа имеет ряд недостатков. Во-первых, платформа имеет ограниченную точность позиционирования, как правило, ниже, чем точность прецизионных электроприводов телескопа. Во-вторых, зачастую, гироплатформа имеет низкую полосу пропускания на уровне единиц Герц, что неприемлемо для

высокоточной системы управления, так как это не позволяет достичь необходимого быстродействия прецизионных электроприводов осей опорно-поворотного устройства при условии компенсации качки. В-третьих, использование гиростабилизированной платформы совместно с опорно-поворотным устройством телескопа является высокозатратным решением, как с экономической, так и с технической точки зрения.

В связи с вышесказанным, одной из задач современного прецизионного приборостроения можно назвать создание оптических телескопов на качающемся основании без использования гиростабилизированной платформы, когда опорно-поворотное устройство устанавливается прямо на палубе корабля. В то же время трудность данной задачи заключается в том, что система управления телескопа должна отрабатывать сложное периодическое воздействие и обеспечить точность наведения порядка единиц угловых секунд в условиях морской качки. Причем такое качество наведения необходимо выполнять при вращающихся массах порядка нескольких сотен килограмм. И при этом происходит постоянное изменении момента инерции азимутальной оси ОПУ в зависимости от положения угломестной оси, так как ее электропривод также воспроизводит задающее воздействие с компенсацией морской качки.

К современному прецизионному электроприводу комплексов контроля околоземного и космического пространства предъявляются высокие требования как к величине среднеквадратической ошибке наведения, так и к величине динамической ошибки. Для телескопа на качающемся основании причинами таких ошибок могут быть внешние возмущающие воздействия и изменение его параметров. Создание системы управления, способной компенсировать дополнительные возмущения и учитывать переменный момент инерции азимутальной оси ОПУ телескопа является важной практической задачей. Это позволит обеспечивать предельно возможные точности наведения во всех режимах работы телескопа траекторных измерений.

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) экспериментальная исследование разработанной системы управления на физическом макете азимутальной оси ОПУ телескопа.

В работе использованы методы математического моделирования, физического моделирования, системного анализа, современные методы получения и обработки данных, методы оптимизации систем, метод подчиненного регулирования, 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, подтвердившие основные теоретические положения работы.

В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1) разработан и исследован комплекс математических моделей двухосного электропривода телескопа с учетом переменного момента инерции азимутальной оси;

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

3) разработана методика определения величины возмущающих воздействий, приложенных к осям ОПУ и вызванных морской качки. Исследование и разработка системы управления телескопа на

качающемся основании были проведены на примере ОПУ «МОЛК» со следующими требованиями и характеристиками: максимальное ускорение оси 15%, максимальная скорость оси 30%, момент трения 50 Нм, максимальный ветровой момент 60 Нм.

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 действия морской качки.

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

4) основные результаты, полученные и изложенные 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».

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 2012-2014 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".

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях, 5 из которых в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в зарубежном индексируемом издании. Получены 2 авторских свидетельства на программы для ЭВМ (№№ 2013610659, 2013613283), разработанные в рамках исследования. Все

публикации подготовлены при непосредственном участии автора.

8

Глава 1. Исследование влияния морской качки на задающее

воздействие телескопа

1.1 Преобразование неподвижной системы координат в систему координат осей вращения ОПУ.

Опорно-поворотное устройство (ОПУ) телескопа устанавливается на палубе корабля без гиростабилизированной платформы. В районе использования телескопа действует морская качка с определенными параметрами, при которых электропривод телескопа должен обеспечивать заданную точность. Компенсация влияния морской качки обеспечивается самим электроприводом. Одной из важных задач является определение диапазона допустимых координат объекта в условиях действия шести видов качки, а именно: вращательные виды - бортовая, килевая и рыскание, поступательные - продольная, поперечная и вертикальная [30].

Для оценки влияния качки на задание угловых координат ОПУ необходимо определить закон, по которому меняются координаты в системе координат (СК), связанной с кораблем. Для выполнения этой задачи нужно совместить начало отсчета СК с точкой пересечения осей ОПУ. Ось абсцисс направлена параллельно килю корабля, ось ординат - проходит с одного борта на другой, ось аппликат перпендикулярна палубе. Для простоты расчетов можно допустить, что начало координат ОПУ и центр масс корабля совпадают.

Пусть координаты цели определяются как А(х,у,г) в инерциальной СК. Тогда в корабельной СК эта точка будет иметь координаты А(х',у',г'). Для определения зависимостей х' = /(х,у,г), у' = /(х,у,г) и г' = /(х,у,г) считается, что координаты цели не меняются, а все виды качки рассматриваются независимо друг от друга.

Схема килевой качки корабля представлена на рис. 1.1. Угол у/ определяет мгновенную величину килевой качки и, как следствие, угол

9

между осямиXиX' вращение осуществляется вокруг оси Г, которая

в данном случае совпадает с осью У.

Рис. 1.1 Преобразование координат при килевой качке

На основании геометрических построений получены формулы (1.1) -(1.3), связывающие координаты подвижной и неподвижной СК.

х = лгсояСф) 4- г5гп(ф); (1.1)

У' = у; (1-2)

2 = гсс^Сф) — Х51п(ф); (1.3)

где ф(0 = Ч^т (2Ш/Тк) . (1.4)

Угол \|/ определяется формулой (1.4), где ¥ - амплитуда килевой качки, Тк~ период килевой качки.

Т

I

'■п

Схема бортовой качки корабля представлена на рис. 1.2. Угол м/ определяет мгновенную величину бортовой качки и, как следствие, угол между осями Г и У к 2 я 2', вращение осуществляется вокруг оси X, которая в данном случае совпадает с осью X' [67].

На основании геометрических построений получены формулы (1.5) -(1.7), связывающие координаты подвижной и неподвижной СК.

Угол 0 определяется формулой (1.8), где 0 - амплитуда бортовой качки, Ть - период бортовой качки.

Схема рыскания по курсу корабля представлена на рис. 1.3. Угол ф определяет мгновенную величину рыскания и, как следствие, угол между осями X и X' и У и 7', вращение осуществляется вокруг оси 2, которая в данном случае совпадает с осью 2'.

На основании геометрических построений получены формулы (1.9) -(1.11), связывающие координаты подвижной и неподвижной СК.

г

ос — ос}

у' = г51?г(0) 4- усоБ(В); г' = гсоБ( 9) — у51п(0); где 0(0 = (2Ш/ТЬ) .

(1.5)

(1.6)

(1.7)

(1.8)

Рис. 1.3 Преобразование координат при рыскании по курсу

х = л:со5(ф) — у5т(ф); у' = Х51п(ф) + усо5(ф);

Ъ — 2)

(1.9)

(1.10) (1.11)

(1.12)

амплитуда угла

где ф(0 = Фет (2Ш/ТГ) .

Угол ф определяется формулой (1.12), где Ф рыскания, Тг — период рыскания по курсу.

Схема вертикальной качки корабля представлена на рис. 1.4. Величина к определяет мгновенное значение вертикальной качки (смещение по оси 2).

Рис. 1.4 Преобразование координат при вертикальной качке

Согласно геометрическим построениям координаты цели в подвижной системе отсчета определяются формулами (1.13)-(1.15). х' = х; (1-13)

У = У) (1.14)

z'=z + h; (1.15)

где h{t) = ffsin (2тгt/Th) . (1.16)

Величина h определяется формулой (1.16), где Н - амплитуда вертикальной качки, Th - период вертикальной качки.

Схема продольной качки корабля представлена на рис. 1.5. Величина 4 определяет мгновенное значение продольной качки и, как следствие, линейное смещение по оси X.

Согласно геометрическим построениям координаты цели в подвижной системе отсчета определяются формулами (1.17) - (1.19).

х = х + 1к; (1.17)

У' = У'. (1.18)

12

г' = z; (1.19)

где lk(t) = Lfesin (2M/Tik) . (1.20)

Величина lk определяется формулой (1.20), где Lk - амплитуда продольной качки, T¡k - период продольной качки.

X' X

х' X

/ / s / S / A(x,y¿} 1

П i / , к

Z'' ?

Рис. 1.5 Преобразование координат при продольной качке

Схема поперечной качки корабля представлена на рис. 1.6. Величина 1Ь определяет мгновенное значение поперечной качки и, как следствие, линейное смещение по оси У.

Рис. 1.6 Преобразование координат при поперечной качке

Согласно геометрическим построениям координаты цели в

подвижной системе отсчета определяются формулами (1.21) - (1.23).

х' = х; (1.21)

у' = у + 1Ь; (1.22)

г; (1.23)

13

где 1ъ{г) = ЬьБт (2Ш/Т1Ь) . (1.24)

Величина 1Ь определяется формулой (1.24), где Ьь - амплитуда продольной качки, Т!Ь - период продольной качки.

Опорно-поворотное устройство имеет две оси вращения и, соответственно, две угловые координаты - азимут и угол места, которые определяются согласно рис. 1.7. Азимут (АЗ) - угол между проекцией радиус-вектора на плоскость ХОУ и осью У. Угол места (УМ) - угол, между радиус-вектором и его проекцией на плоскость ХОУ.

Рис. 1.7. Определение азимута и угла места

Согласно геометрическим построениям, представленным на рис. 1.7, АЗ и УМ определяются формулами (1.25) и (1.26).

atan Q, х > О

atan(£) + 180°,х < 0,АЗп-г > 0 (1.25)

atan ^ - 180°, х < 0,АЗп_х < 0

АЗ (х,у)п = <

УМ(л:, у, z) = atan (z

(1.26)

<х2 + у2,

Согласно формулам (1.25) и (1.26) АЗ является функцией координат цели х и у, а УМ - функция трех координат х, у, г. Азимутальная ось телескопа имеет диапазон вращения ±270°, знак зависит от предыдущего

значения угла. При этом при положительной координате х азимут находится в зоне однозначности (1-ый и 4-ый квадранты), так как в нее можно перейти только одним способом. Угломестная ось телескопа имеет диапазон вращения [0°; +90°].

На основании формул (1.1) - (1.26) можно сделать вывод о том, как различные виды качки влияют на изменение азимута и угла места. Результаты представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Влияние качки на изменение угловых координат ОПУ

Вид качки Координаты объекта наблюдения, влияющие на угловые координаты при качке

Азимут Угол места

Бортовая У У> 2

Килевая X х, г

Рыскание по курсу х,У не влияет

Вертикальная не влияет г

Продольная X X

Поперечная У У

Согласно таблице 1.1, угловые координаты ОПУ меняются при всех видах качки. Однако при вертикальной качке не меняется АЗ, так как при этом переменной в корабельной СК является лишь координата г объекта наблюдения, а от нее АЗ телескопа не зависит. УМ не меняется при рыскании по курсу, не смотря на то, что при этом изменяются координаты х и у. Это

обусловлено тем, что УМ зависит от у/х2 + у2, а эта величина при данном типе качки остается постоянной [51].

В общем случае все шесть видов качки воздействуют на корабль с ОПУ одновременно, поэтому даже при неизменных координатах объекта наблюдения в режиме «стояние в точке» АЗ и УМ меняются по сложному закону, который определяется суммой шести составляющих качки с

различной частотой и амплитудой. Однако, вклад каждого вида качки в общее влияние на величину компенсации так же различно. Он зависит не только от параметров вида качки, но и от координат объекта наблюдения.

1.2 Описание модели задающего воздействия с компенсацией качки

Моделирование качки корабля необходимо для того, чтобы изучить и оценить количественное влияние качки на формирование задающего воздействия на электропривод осей ОПУ телескопа при различных координатах объекта наблюдения, а также определить разброс значений угловых координат ОПУ в зависимости от положения цели. Моделирование качки проводится в два этапа - исследование каждого вида по отдельности и получение суммарного воздействия всех видов качки при различных координатах объекта наблюдения.

71

Рис. 1.8. Модель качки корабля. 1 - блок задания конкретного вида качки, 2 - блок преобразования из инерциальной системы координат в корабельную, 3 - координаты объекта в инерциальной системе координат, 4 - суммирование поправок от каждого вида качки, 5 - блок преобразования из координат XYZ в координаты АЗ-УМ, 6 вывод информации о задающем воздействии для каждой оси телескопа.

16

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 модели, приведенной на рис. 1.8, изучается задающее воздействие, подаваемое на ОПУ в режиме «стояние в точке» и воздействии шести видов качки. С помощью данной модели могут быть получены задающие воздействия при каждом виде качки по отдельности, а также их суммарное воздействие на ОПУ. Для обобщения полученной информации на графиках фиксируется разброс значений АЗ и УМ при различных координатах объекта, а также скорости и ускорения каждой оси в зависимости от координат объекта наблюдения в инерциальной СК [51].

Параметры качки, соответствующие району моря, в котором будет использоваться ОПУ, приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Параметры качки корабля

Вид качки Амплитуда Период, с

Бортовая 10° 12

Килевая 3° 7

Рыскание по курсу 5° 15

Вертикальная 4 м 9

Продольная 3.5 м 10

Поперечная 3.5 м 13

1.3 Частные случаи задающего воздействия

На первом этапе исследуется компенсация различных видов качки независимо друг от друга. Исследование проводится при координатах точки наблюдения (45°; 45°) в неподвижной системе отсчета на расстоянии 1000 м от телескопа. На рис. 1.9 представлен график задающего воздействия на электроприводы азимутальной и угломестной осей телескопа при бортовой

качке. Этот вид качки корабля оказывает влияние на обе оси ОПУ. Отклонение от среднего значения положения АЗ оси находится в противофазе по отношению к УМ оси, то есть увеличению АЗ соответствует уменьшение УМ и наоборот. Величина максимального разброса значений АЗ и УМ практически одинакова и составляет 14.5°.

Бортовая качка

Рис. 1.9. Азимут и угол места при бортовой качке корабля

Килевая качка

На рис. 1.10 представлен результат моделирования компенсации килевой качки. Величина разброса значений АЗ и УМ относительно среднего практически одинакова и составляет порядка 4.25°.

50 49 48 47 46

О

§ 45 44 43 42 41 40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Время, с

Рис. 1.11. Азимут и угол места при рыскании по курсу

На рис. 1.11 показан график изменения АЗ и УМ при рыскании по курсу. Как подтверждает моделирование, рыскание по курсу оказывает влияние только на азимутальную координату ОПУ. Несмотря на то, что УМ

координата зависит от х и у, при рыскании величина у]х2 + у2 остается неизменной, поэтому УМ не меняется. Разброс значений по азимутальной координате составляет 10°, что соответствует удвоенной амплитуде рыскания.

На рис. 1.12 представлен график изменения АЗ и УМ при вертикальной качке. Вертикальная качка оказывает влияние только на угломестную координату ОПУ, так как меняется лишь координата z', от которой азимутальная координата ОПУ не зависит. Величина колебаний, вносимая вертикальной качкой, зависит от высоты цели, и чем выше цель и больше ее

Рыскание по курсу

Tí

---АЗ

-YM

jI

\>

.aL

а

координата гтем меньше этот вклад. Уже на высоте порядка 1 ООО м разброс УМ составляет ±0.17°, что является не существенной величиной.

Вертикальная качка

Рис. 1.12. Азимут и угол места при вертикальной качке корабля

График изменения АЗ и УМ при продольной качке представлен на рис. 1.13. При этом виде качки меняется координата х', следовательно, изменяются обе угловые координаты ОПУ. Разброс значений АЗ составляет 0.4°, разброс УМ - 0.2°. Влияние продольной качки снижается с увеличением координаты х и так же, как и влияние вертикальной качки, не является существенным.

На рис. 1.14 показан график изменения АЗ и УМ при поперечной качке. Этот вид качки воздействует на обе угловые координаты ОПУ. Разброс значений АЗ составляет 0.4°, разброс УМ - 0.2°. Вклад эгого вида качки обратно пропорционален величине координаты у. Его вклад в компенсацию качки так же не существенен, как и вклад продольной качки.

44 95

44 85

50 Время, с

Рис. 1.13. Азимут и угол места при продольной качке

Поперечная качка

Рис. 1.14. Азимут и угол места при поперечной качке

В общем случае, когда цель находится на значительном расстоянии от корабля (больше 1000 м), наиболее значительно проявляются вращательные

виды качки, возвратно-поступательные виды качки практически не сказываются на управлении телескопом.

На практике все виды качки встречаются одновременно, поэтому особенно важно оценить общее влияние всех видов качки на АЗ и УМ. Одновременное воздействие шести видов качки выражается в сложной зависимости азимута и угла места от постоянно меняющихся координат объекта в СК, связанной с палубой корабля.

Задающее воздействие с компенсацией всех видов качки представлено на рис. 1.15 при координатах объекта наблюдения в неподвижной системе координат (45°; 45°).

Суммарное воздействие качки

60 55 50 45

о

ч

о

40 35 30

250 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Время, с

Рис. 1.15. Азимут и угол места при воздействии шести видов качки одновременно

в

5

¥ 4

ГЕ О 2 Ciro

03 3 «=t

i— s C^ с 5

< 2 1

°0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2

Частота, Гц

Рис. 1.16. Спектр переменной составляющей задания по азимуту и углу места при воздействии шести видов качки одновременно

На рис. 1.16 представлен спектр переменной составляющей задающего воздействия на A3 и УМ оси при компенсации всех видов морской качки. Анализ графика показывает, что в спектре A3 преобладают три гармоники с частотами 0.067 Гц, 0.084 Гц и 0.143 Гц. Эти частоты соответствуют периодам 15 с, 12 с и 7 с. Все три гармоники вызваны вращательными видами качки. Это означает, что их влияние на A3 и УМ преобладает над возвратно-поступательными видами качки. Максимальной амплитудой обладает гармоника с частотой бортовой качки, то есть ее вклад в формирование задающего воздействия максимален. Второй по величине амплитудой обладает гармоника с частотой рыскания по курсу, и третьей -составляющая с частотой килевой качки. При этом ее амплитуда почти в 6 раз меньше амплитуды гармоники, соответствующей бортовой качке. В спектре УМ сигнала преобладают лишь две составляющие - бортовая и

килевая качки. Рыскание по курсу не влияет на формирование задающего воздействия УМ оси телескопа [51].

1.4 Исследование задающего воздействия во всем диапазоне вращения

осей телескопа

На втором этапе исследования компенсации качки необходимо оценить ее влияние на сигнал задания электропривода ОПУ во всем диапазоне координат объекта наблюдения.

В связи с тем, что каждый вид качки имеет различную амплитуду и частоту, то характер влияния качки будет зависеть от координат цели. Для обобщения информации о влиянии качки исследуются семейства траекторий движения объекта наблюдения при положении азимутальной оси в диапазоне [0; 90°]. Для каждого значения АЗ строится траектория движения с заданным шагом, представляющая собой четверть окружности с заданным радиусом и углом места в диапазоне от [0; 90°] с прохождением точки зенита.

Таким образом, после проведения каждой итерации моделирования задающего воздействия с компенсацией качки в точке наблюдения с координатами (А3(1), УМф) фиксируются следующие величины:

1) разброс максимальных и минимальных значений задающего

воздействия на азимутальную и угломестную оси;

2) максимальные значения задающего воздействия на азимутальную и угломестную оси;

3) минимальные значения задающего воздействия на азимутальную и угломестную оси;

4) максимальные по модулю скорости и ускорения задающего воздействия на азимутальную и угломестную оси.

По полученным данным строятся трехмерные графики поверхностей

измеренных величин в зависимости от координат объекта наблюдения в

неподвижной СК. На основе данных о реально возможных диапазонах

положений азимутальной и угломестной осей делается вывод и допустимых

24

угловых координатах цели, при которых может быть обеспечено непрерывное слежение за объектом с требуемой точностью.

В точках наблюдения близких к зениту ускорения на азимутальной оси значительно возрастают. Это происходит в силу того, что угол поворота УМ оси имеет ограничение и для продолжения слежения необходимо производить резкий разворот азимутальной оси. И при этом необходимо определить, при каких предельно возможных положениях УМ электропривод может обеспечить непрерывное слежение за объектом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тушев, Сергей Александрович, 2014 год

Список литературы

1. Александров А.Г. Методы построения систем автоматического управления / Александров А.Г. - М.: Физматлит. - 2008. - 230 с.

2. Анисимов A.A. Исследование и разработка методов параметрической оптимизации полиномиальных регуляторов электромеханических систем / Анисимов A.A., Тарарыкин C.B. // Электричество. - 2008. - № З.-С. 33-39.

3. Анучин A.C. Сеть CAN и протокол верхнего уровня CANOPEN в современном электроприводе // Электричество. - 2008. -№ 5. - С. 2329.

4. Арановский C.B. Метод идентификации электромеханической системы при переменном моменте трения / Арановский C.B., Александрова С.А., Ловлин С.Ю. // Информационно-управляющие системы. - 2012. -№ 1.-С. 8-11.

5. Арановский C.B. Сравнение различных подходов к построению линейных систем управления прецизионными электроприводами / Арановский C.B., Ловлин С.Ю., Смирнов H.A., Цветкова М.Х. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2013. - № 3. -С. 31-38.

6. Балковой А.П. Выбор синхронной машины для работы в режиме вентильного двигателя / Балковой А.П., Цаценкин В.К. // Вестник Московского энергетического института. - 2007. - № 2. - С. 92-101.

7. Балковой А.П. Методы идентификации параметров электромеханической части безредукторных электроприводов с вентильными двигателями / Балковой А.П., Сливинская Г.А., Цаценкин В.К. // Электричество. - 2011. - № 07. - С. 38-47.

8. Балковой А.П. Прецизионный электропривод с вентильными двигателями / Балковой А.П., Цаценкин B.K. - М.: Издательский дом МЭИ.-2010.-328 с.

9. Балковой А.П. Прямые прецизионные электроприводы - опыт разработки и применения / Балковой А.П., Сливанская Г.А. // Приводная техника. - 2006. - № 3. - С.46-53.

10. Балковой А.П. Цифровой следящий электропривод высокоточных лазерных станций координатных измерений / Балковой А.П., Бугаев Ю.Н., Суетенко A.B., Цаценкин В.К. // Электричество. - 2004. - № 5. -С.37-43.

11. Васильев В.Н. Состояние и перспективы развития прецизионных электроприводов комплексов высокоточных наблюдений / Васильев

B.Н., Томасов B.C., Шаргородский В.Д., Садовников М.А. // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - 2008. - № 6. - С. 5-11.

12. Гайдук А.Р. Синтез динамических систем по требуемым показателям качества / Гайдук А.Р., Плаксиенко Е.А. // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. - № 4. - С. 7-12.

13. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц / Гантмахер Ф.Р. - М.: Наука. - 1966.

14. Глазунов В.Ф. Адаптивно-синергетическое управление бесконтактным синхронным электродвигателем / Глазунов В.Ф., Репин A.A. // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2006. - Т. 61. -№ 6. - С. 158-173.

15. Гурьянов A.B. Электроприводы высокоточных оптических комплексов контроля космического пространства / Гурьянов A.B., Дроздов В.Н., Толмачев В.А. // Труды VII Международной (VIII Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу. ФГБОУВПО "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина". - Иваново. - 2012. -

C. 457-462

16. Гурьянов A.B., Денисов. K.M. Программный комплекс СБПЭТ (система быстрого прототипирования электропривода телескопа). РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2009611420 от 12.09.2009.

17. Демидова Г.JI. Синтез следящего электропривода азимутальной оси телескопа с эталонной моделью в контуре положения / Демидова Г.Л., Ловлин С.Ю., Цветкова М.Х. // Вестник ИГЭУ. - 2011. - № 2. - С. 7781.

18. Дроздов В.Н. Задатчик реверсивного электромеханического развёртывающего устройства / Дроздов В.Н., Толмачев В.А., Субботин Д.А. // Вестник ИГЭУ. - 2012. - № 6. - С. 122-126.

19. Дроздов В.Н. Система управления реверсивным электромеханическим развертывающим устройством / Дроздов В.Н., Толмачев В.А., Субботин Д.А. // Вестник ИГЭУ. - 2012. - № 6. - С. 127-130.

20. Дроздов В.Н. Системы автоматического управления с микроЭВМ / Дроздов В.Н., Мирошник И.В., Скорубский В.И. - Л.: Машиностроение. - 1989. - 288 с.

21. Изосимов Д.Б. Алгоритмы и системы цифрового управления электроприводами переменного тока / Изосимов Д.Б., Козаченко В.Ф. // Электротехника. - 1999. - №4. - С. 41-51.

22. Кенио Т. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ. / Кенио Т., Нагамори С. - М.: Энергоатомиздат. - 1989. - 184 с.

23. Козаченко В.Ф. Метод программной реализации дискретных управляющих автоматов во встроенных системах управления // Электричество. - 2003. - № 8. - С. 56-67.

24. Копылова Л.Г. Компенсация гармонических возмущений момента нагрузки в следящих электромеханических системах и элементы структурной оптимизации регуляторов / Копылова Л.Г., Тарарыкин C.B. // Вестник ИГЭУ. - 2012. - № 6. - С. 44-51.

25. Кротенко В.В. Синтез микропроцессорной системы управления электропривода опорно-поворотного устройства / Кротенко В.В., Толмачев В.А., Томасов B.C., Синицын В.А. // Известия вузов. Приборостроение. - 2004. - №11. - С. 30-35

26. Ловлин С.Ю. Программируемый формирователь траектории движения следящего электропривода / Ловлин С.Ю., Цветкова М.Х., Жданов И.Н. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2011.- №2 (72).-С. 113-117.

27. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики / Марчук Г.И. - М.: Наука. - 1977.-456 с.

28. Михельсон H.H. Оптические телескопы. Теория и конструкция / Михельсон H.H. - М.: Наука. - 1976. - 511 с.

29. Овчинников И. Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность). Курс лекций / Овчинников И. Е. -СПб.: Издательство Корона-Принт. - 2010. - 336 с.

30. Ривкин С.С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании / Ривкин С.С. - М.: Наука. - 1978. - 320 с.

31. Садовников М.А. Прецизионный электропривод для оптических комплексов контроля космического пространства / Садовников М.А., Томасов B.C., Толмачев В.А. // Изв. Вузов. Приборостроение. - 2011. -№6 (54).-С. 81-86.

32. Саушев A.B. Области работоспособности электротехнических систем / Саушев A.B. - СПб.: Политехника. - 2013. - 412 с.

33. Саушев A.B. Параметрический синтез электротехнических устройств и систем / Саушев A.B. - СПб.: ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова. - 2013.-315 с.

34. Семёнов A.B. Математическая модель моментного электропривода / Семёнов A.B., Гайдук А.Р., Геложе Ю.А. // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2009. - № 5. - С. 251-257.

35. Синицын В.А. Системы управления комплексом позиционирования и слежения / Синицын В.А., Толмачев В.А., Томасов B.C. // Известия вузов. Приборостроение. - 1996. -№3.~ С. 22-27.

36. Синицын В.А. Энергоподсистемы следящих электроприводов измерительных комплексов / Синицын В.А., Томасов B.C. // Известия вузов. Приборостроение. - 2008. -№6.- С. 12-17.

37. Столов Л.И. Моментные двигатели постоянного тока / Столов Л.И., Афанасьев К.Н. - М.: Энергия. - 1985. - 224 с.

38. Толмачев В.А. Астатическая система управления скоростью электропривода оси сканирования трехосного телескопа / Толмачев В.А., Субботин Д.А. // Вестник ИГЭУ. - 2013. - № 4. - С. 58-63.

39. Толмачев В.А. Математические модели и динамические характеристики электромеханических преобразователей с ограниченным углом поворота / Толмачев В.А., Демидова Г.Л. // Известия вузов. Приборостроение. - 2008. - №6. - С. 18-23.

40. Толмачев В.А. Одноконтурная система управления электропривода оси сканирования инфракрасного телескопа с пропорционально-дифференциальным регулятором скорости / Толмачев В.А., Субботин Д.А. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 3 (79). - С. 73-78.

41. Толмачев В.А. Синтез системы управления электропривода азимутальной оси алтайского телескопа ТИ.3-12 / Толмачев В.А., Никитина М.В., Сергеева М.Е. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2010. -№5(69). - С. 39-43.

42. Толмачев В.А. Синтез системы управления электропривода оси сканирования инфракрасного телескопа / Толмачев В.А., Субботин Д.А. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.-2011.- №5 (75).-С. 53-58.

43. Толмачев В.А. Синтез следящего электропривода оси опорно-поворотного устройства // Известия вузов. Приборостроение. - 2008. -№3. - С. 68-72.

44. Толстых O.A. Калиброванное токовое управление вентильным

двигателем // Вестник МЭИ. - 2010. - № 1. - С. 46-54.

115

45. Томасов B.C. Алгоритмы компенсации пульсаций момента прецизионного электропривода на базе синхронной машины с постоянными магнитами / Томасов B.C., Ловлин С.Ю., Егоров A.B. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - № 2. - С. 77-83.

46. Томасов B.C. Электроприводы высокоточных оптических комплексов контроля космического пространства / Томасов B.C., Толмачев В.А., Дроздов В.Н., Денисов K.M., Гурьянов A.B. // Труды VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012. - Иваново. - 2012. -С. 213-216.

47. Тушев С. А. Идентификация и настройка системы управления электропривода азимутальной оси телескопа // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. -№2 (78). - С. 56-59.

48. Тушев С.А. Руйюп-модуль для работы с PCI-платой CAN. РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2013613283 от 01.04.2013.

49. Тушев С.А. Анализ систем управления комплексов высокоточных наблюдений. Магистерская диссертация / LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH Co.KG. - Saarbrucken. - 2012. - 109 с.

50. Тушев С.А. Виды возмущений, действующих на оси телескопа, на палубе корабля в условиях морской качки // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. - СПб: НИУ ИТМО. - 2013. - С. 309.

51. Тушев С.А. Влияние морской качки на диапазон допустимых координат объекта наблюдения телескопа на палубе корабля / Тушев С.А., Дроздов В.Н. // Вестник ИГЭУ. - Иваново. - 2013. - №. 4. - С. 5458.

52. Тушев С.А. Выбор математической модели электропривода телескопа

на качающемся основании для настройки системы управления //

116

Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. -СПб: НИУ ИТМО. - 2014. - С. 310.

53. Тушев С.А. Искажение выходного напряжения широтно-импульсного преобразователя прецизионного электропривода / Томасов B.C., Ловлин С.Ю., Тушев С.А., Смирнов H.A. // Вестник ИГЭУ. - 2013. - № 1.-С. 84-87.

54. Тушев С.А. Исследование возмущающих воздействий, приложенных к осям телескопа на качающемся основании / Тушев С.А., Дроздов В.Н. // Вестник ИГЭУ. - 2014. - Вып. 3. - С. 59-64.

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

56. Тушев С.А. Синтез ЛКГ-регулятора прецизионного следящего электропривода оси телескопа траекторных измерений / Ильина А.Г., Ловлин С.Ю., Тушев С.А. // Известия вузов. Приборостроение. - 2011. - №6. - С. 86-91.

57. Цифровой электропривод : пат. 2404449 Рос. Федерация : МПК7 G 05 В 11/26, G 05 В 11/36, Н 02 Р 7/29 / Денисов K.M., Синицын В.А., Жданов И.Н., Гурьянов A.B., Борисов П.А., Томасов B.C., Ильина А.Г. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики». -№ 2009133504/07 ; заявл. 07.09.2009 ; опубл. 20.11.2010.

58. Balkovoi, А.Р. Design of direct linear drives for manufacturing / Balkovoi, A.P., Kostin, A.V., Myagkikh, A.S., Tolstykh, O.A., Tsatsenkin, V.K., Yakovlev, S.F. // Russian Electrical Engineering. - 2013. - № 7(84). - PP. 363-369.

59. Chen, M.-Y. High-precision motion control for a linear permanent magnet iron core synchronous motor drive in position platform / Chen, M.-Y. , Lu, J.-S. // IEEE Transactions on Industrial Informatics. - 2014. - Vol. 10, No 1. -PP. 99-108.

60. Filyushov Yu. P. Control of a synchronous machine under minimization of heat losses in conditions of minimal reactive power / Filyushov Yu. P., Filyushov V. Yu. // Russian Electrical Engineering. - 2013. - Vol. 84, No 12.-PP. 712-717.

61. Ren, C. Design and simulation of the direct drive servo system / Ren, C., Liuzhao, Songlibin, Yiqiang, Chen, K., Zhang, Z. // Proceedings of SPIE -The International Society for Optical Engineering. - 2010.

62. Sarhan, H.S. Precision speed control of DC motor drive system / Sarhan, H.S. , Issa, R.H., Alia, M.A., Al-Abbas, I.K. // International Review of Automatic Control. - 2012. - Vol. 5, No. 5.- PP. 673-676.

63. Subbotin D.A. Identifying dynamic model parameters of a servo drive / Subbotin D.A., Lovlin S.Y., Tsvetkova M.H. // Manufacturing Engineering, Automatic Control and Robotics: Proceedings of the 14th International Conference on Robotics, Control and Manufacturing Technology (ROCOM *14).-2014. -No. 32/1/1.-PP. 50-57.

64. Subbotin D.A. Two-mass mathematical model of magnetoelectric converter for reversible scanning device / Subbotin D.A., Lovlin S.Y., Tsvetkova M.H. // Manufacturing Engineering, Automatic Control and Robotics: Proceedings of the 14th International Conference on Robotics, Control and Manufacturing Technology (ROCOM '14). - 2014. - No. 32/1/1. - PP. 1114.

65. Terec, R. Position sensing system for switched reluctance motor control / Terec, R., Chindris, V., Szabo, L., Rafajdus // Proceedings of 9th International Conference. - 2012. - PP. 266-269.

66. Tomasov V. S. Comparative analysis of the energy efficiency of the scalar and space-vector PWM in a three-phase inverter / Tomasov V. S., Usol'tsev A. A. // Russian Electrical Engineering. - 2014. - Vol. 85, No.2. - PP. 111114.

67. Tushev S.A. The Ship Motions Effect on the Position Reference of

Telescope's Axis Installed on the Deck of a Ship / Tushev S.A., Smirnov

118

N.A., Drozdov V.N. // Manufacturing Engineering, Automatic Control and Robotics. - 2014. - P. 194-199. 68. Voronin S. G. Vector control of permanent-magnet synchronous motors / Voronin S. G., Kurnosov D. A., Kul'mukhametova A. S. // Russian Electrical Engineering. - 2013. - Vol. 84, No. 10. - PP. 581-585.