Исследование и разработка следящих электроприводов опорно-поворотных устройств больших телескопов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Кононова, Мария Евгеньевна

• Кононова, Мария Евгеньевна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Кононова, Мария Евгеньевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Современные квантово-оптические системы

1.2 Описание объекта

1.3 Кинематические схемы опорно-поворотного устройства

1.3.1 Кинематическая схема азимутальной оси опорно-поворотного устройства

1.3.2 Кинематическая схема механизма угломестной оси опорно-поворотного устройства

1.4 Обзор литературных источников

1.5 Выводы по 1 главе

2.МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МЕХАНИЗМОВ ОСЕЙ ДВУХОСНЫХ ОПОРНО-ПОВОРОТНЫХ УСТРОЙСТВ

2.1 Исследование переходных процессов в энергетической подсистеме электропривода азимутальной оси

2.1.1 Математическая модель энергетической подсистемы электропривода азимутальной оси

2.1.2 Математическое моделирование и анализ механических переходных процессов в энергетической подсистеме электропривода азимутальной оси

2.1.3 Аналитическое определение полосы пропускания энергетической подсистемы электропривода азимутальной оси

2.2 Исследование механических переходных процессов в энергетической

подсистеме электропривода угломестной оси

2.2.1 Математическая модель механизма угломестной оси опорно-поворотного устройства

2.2.2 Математическое моделирование и анализ механических и электромеханических переходных процессов

2.2.3 Аналитическое определение полосы пропускания энергетической

подсистемы электропривода угломестной оси

2.3 Выводы по главе 2

3. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРВ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛЕДЯЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С НЕЖЕСТКИМИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ОСЯМИ

3.1 Векторно-матричная математическая модель системы управления следящего электропривода с трехмассовым механизмом разветвленного типа

3.1.1 Математическая модель контура регулирования момента

3.1.2 Математическая модель контура регулирования скорости с обратной связью по первой массе

3.1.3 Математическая модель контура регулирования скорости с обратной связью по второй массе

3.1.4 Математическая модель контура регулирования угла

3.2 Синтез системы управления и математическое моделирование процессов слежения однодвигательного электропривода разветвленного типа, замкнутой по сигналам датчиков скорости и угла поворота первой массы

3.3 Синтез системы управления и математическое моделирование процессов слежения однодвигательного электропривода разветвленного типа, замкнутой по сигналам датчиков скорости и угла поворота второй массы

3.4 Векторно-матричная математическая модель системы управления следящего электропривода с трехмассовым механизмом неразветвленного типа

3.4.1 Математическая модель контура регулирования момента

3.4.2 Математическая модель контуров регулирования скорости

3.4.3 Математическая модель контура регулирования угла

3.5. Синтез системы управления и математическое моделирование процессов слежения однодвигательного электропривода трехмассовой оси неразветвленного типа

3.6. Синтез системы управления и математическое моделирование процессов слежения двухдвигательного электропривода трехмассовойугломестной оси,

представляемой моделью неразветвленного типа

3.7 Выводы по 3 главе

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1 Функциональная схема электропривода и его основные блоки

4.2 Рекомендации по выбору элементов энергетической подсистемы азимутальной оси

4.3 Рекомендации по выбору элементов энергетической подсистемы угломестной оси

4.4 Рекомендации по выбору элементов информационной подсистемы

4.5 Эксперимент

4.6 Выводы по 4 главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка следящих электроприводов опорно-поворотных устройств больших телескопов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Системы наведения комплексов высокоточных оптических измерений, использующие следящие электроприводы, разрабатываемые на кафедре ЭТ и ПЭМС Университета ИТМО, предназначены для преобразования кодов задания траектории движения трубы оптического телескопа, поступающих либо от центральной ЭВМ, либо от телевизионных автоматов (ТА), либо и от ЭВМ, и от ТА в углы поворота следящих осей, чаще всего по двум координатам - углу места и азимуту [1].

Для управления угловым положением оптической оси в пространстве оптический телескоп устанавливается в опорно-поворотное устройство (ОПУ), имеющее азимутальную и угломестную оси вращения. ОПУ вместе с электроприводами, решают задачу совмещения оптической оси телескопа с линией визирования наблюдаемого движущегося объекта или задачу пространственной стабилизации поля зрения оптического телескопа и оптического изображения в его фокальной плоскости, должны обеспечивать уникально высокое качество наведения [2].

Например, если стоит задача, обнаружения объектов с предельно слабым блеском, и требуется длительная экспозиция (от единиц секунд до нескольких минут) точность удержания оптической оси в пространстве не должна превышать половину угловой секунды в течение времени экспозиции. Если ставится задача сопровождения движущихся космических объектов, то требуется, чтобы динамическая погрешность сопровождения не превышала одной угловой секунды при скорости смещения объекта от нескольких угловых секунд в секунду до 10 градусов в секунду и более [3].

Указанное качество наведения должно сохраняться при вращающихся массах от нескольких десятков килограмм (малые телескопы) до нескольких

десятков тонн (большие телескопы), при этом на объект управления действуют возмущающие неравномерные моменты от сил сухого и вязкого трения, в том числе, в подшипниковых элементах, кабельном переходе, переменные (зубцовые) моменты электромеханического преобразователя, ветровых и динамических нагрузок, и с учетом конечной жесткости конструкции ОПУ и ее резонансных частот. В связи со всем вышесказанным можно выделить следующие проблемы:

- обеспечение малых значений среднеквадратичных ошибок при реализации широкого диапазона скоростей слежения;

- отсутствие скачкообразного движения осей ОПУ на низких скоростях слежения при нежесткости конструкции ОПУ и низких частотах механического резонанса [4].

В первую очередь, важную роль в решении данных задач играет конструктивное исполнение механизмов осей опорно-поворотного устройства измерительного телескопа. Динамическая точность контуров регулирования системы управления определяется полосой пропускания частот, которая для больших телескопов составляет доли-единицы Герц [5], [6].

Подведя итог всему выше сказанному, можно заключить, что компенсирование всевозможные несовершенства конструкции механических узлов телескопа при сохранении заданной точности возлагается на сервопривод.

Состояние проблемы. В работах Бесекерского В.А., Чемоданова Б.К., Ключева В.И., Башарина А.В., Соколовского Г.Г., Борцова Ю.А., Самосейко В.Ф., Сабинина Ю.А. и др. освещены вопросы анализа, синтеза следящих электроприводов с жесткими и нежесткими исполнительными осями [7]-[34]. При этом структурные решения и методики синтеза систем управления ориентированы, в основном, на электроприводы, механизмы исполнительных осей которых представляемы двухмассовыми математическими моделями.

Такой подход оказывается неприменимым к системам управления электроприводов больших телескопов с многомассовыми исполнительными осями.

Кроме того, указанные работы посвящены в основном однодвигательным приводам, хотя использование двух двигателей на обоих полуосях вилки телескопа может дать выигрыш как с позиции снижения массо-габаритных показателей конструкции ОПУ при использовании двигателей меньшей мощности, так и повышения динамических качеств следящих электроприводов [7].

Повышение требований к точности квантово-оптических комплексов нового поколения выдвигают новые задачи по проектированию и исследованию. В этом плане разработка новых структур и новых подходов к определению параметров регуляторов систем управления приводов, направленных на повышение динамической точности в условиях многомассовости конструкции их исполнительных осей, являются актуальными задачами.

Решение этих задач требует изучения свойств многомассовых механизмов исполнительных осей больших телескопов как элементов прецизионных электромеханических систем, обуславливающих в конечном итоге структурные решения и методики синтеза систем управления следящих электроприводов систем наведения.

Целями диссертационной работы являются разработка новых структур и подходов к определению параметров регуляторов систем управления следящих электроприводов, направленных на повышение их динамической точности, в условиях многомассовости конструкций механизмов их исполнительных осей.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели использовались методы теории автоматического управления, методы теории

электрических цепей, методы теории электропривода, методы математического моделирования сложных систем в средах МАТЬАБ/81МиЬШК и Mathcad.

Положения, выносимые на защиту:

1. Векторно-матричные математические модели трехмассовых механизмов разветвленного и неразветвленного типов, как элементов систем управления следящих осей.

2. Структуры систем управления однодвигательных и двухдвигательных следящих электроприводов с трехмассовыми механизмами исполнительных осей ОПУ.

3. Аналитические соотношения для расчета параметров регуляторов однодвигательных и двухдвигательных следящих электроприводов с трехмассовыми исполнительными осями.

Научная новизна работы. Новизна и теоретическая значимость результатов работы состоят в следующем:

1) Предложены новые векторно-матричные математические модели трехмассовых механизмов разветвленного и неразветвленного типов, адаптированные к решению задач синтеза систем управления следящих электроприводов осей ОПУ.

2) Предложены новые структуры систем управления следящих электроприводов, обусловленные свойствами многомассовости конструкций исполнительных осей ОПУ.

3) Предложены аналитические соотношения для расчета параметров регуляторов систем управления следящим электроприводом с многомассовыми исполнительными осями, правомерность которых подтверждена результатами моделирования.

Практическая ценность. Разработанные инженерные методы синтеза позволяют обоснованно подходить к проектированию систем управления, с учетом специфики электромеханических переходных процессов в

энергетических подсистемах следящих электроприводов осей ОПУ и обеспечить заданные требования к точности систем наведения больших телескопов.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 8 статьях, 3 из которых в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХЬ,ХЫ, ХЬП,ХЬШ, ХЫУ научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО 2011-2015 годов соответственно, I, II, III Всероссийских конгрессах молодых ученых в 2011-2015 годов соответственно. Результаты были представлены также VIII Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014 (Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, г. Саранск).

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы.

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулирована ее цель. Отражены научные результаты и положения, выносимые на защиту, а также практическая значимость результатов диссертационной работы.

В первой главе сделан обзор литературных источников, сформулированы задачи исследования и проведено описание механизма осей двухосных ОПУ больших телескопов.

Вторая глава посвящена моделированию и анализу механических переходных процессов в ЭПС следящих электроприводов с исполнительными осями, механизмы которых представляемы трехмассовыми моделями разветвленного и неразветвленного типов.

В третьей главе разработаны структуры, математические модели и предложены аналитические соотношения для расчета параметров регуляторов систем управления однодвигательных и двухдвигательных электроприводов с трехмассовыми исполнительными осями.

В четвертой главе сформированы рекомендации по выбору элементной базы основных узлов следящих электроприводов с разрабатываемыми структурами из условия обеспечения заданных требований к точности в типовых режимах слежения.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Современные квантово-оптические системы

Космическое пространство около Земли последние пол века является областью активной космической деятельности многих стран мира, в том числе и России. Влияние этой деятельности на научный, технический, промышленный и военный потенциал государств постоянно возрастает. Наземная инфраструктура обеспечивает связь с космическими аппаратами, дает информацию для навигации, геодезии, метеоразведки, и других военных, государственных, гражданских структур. Информация о космической деятельности, о текущей и прогнозируемой обстановке в околоземном космическом пространстве - все представляет немаловажную ценность для принятия стратегических решений и проведения различных мероприятий военными и гражданскими организациями Российской Федерации [35].

Современные квантово-оптические наземные телескопы являются информационной системой, которая обеспечивает различные ведомства оперативными данными в интересах различных потребителей, объектами наблюдения для системы контроля являются находящиеся в космическом пространстве около Земли искусственные спутники, ракетные блоки, «космический мусор», космические аппараты иностранные и отечественные, ракетные блоки и транспортные космические корабли [1]-[5].

Также наземные телескопы решают задачи контроля, обнаружения космических объектов и прогнозирование их движения, оперативное выявление неблагоприятных событий в космическом пространстве около Земли, например, сближений объектов с „космическим мусором", распознавание типа и принадлежности обнаруженных объектов [35].

Трудность решения подобного рода задач обусловлена большим количеством подлежащих контролю объектов (примерно более ста тысяч объектов с учетом мелкого „космического мусора"), большой площадью космического пространства, на которой нужно осуществлять контроль (высоты

полета варьируется от ста двадцати до ста двадцати тысяч километров и наклонения от нуля до ста восьмидесяти градусов), сложной траекторией движения объектов в космическом пространстве около Земли (вследствие влияния торможения в верхних слоях атмосферы ,гравитационного поля Земли, маневрирования и т.п.), разными размерами объектов (от нескольких миллиметров до десятков метров), и уникально высокими требованиями к достоверности и точности информации [3].

Исторически первыми средствами наблюдения за искусственными спутниками Земли являлись астрономические (оптические) инструменты. И по сегодняшний день наземные оптико-электронные средства (телескопы) играют наиважнейшую роль при контроле и обнаружении космических объектов, в особенности на больших расстояниях. Главными достоинствами квантово-оптических наземных телескопов являются: возможность обнаружения дальних объектов при лазерном подсвете на фоне ночного неба. Еще одним преимуществом телескопов является возможность обнаружения объектов в инфракрасном диапазоне длин волн; так же оптические телескопов дают возможность определять угловые координаты объектов с большой точностью и при необходимости делать их изображения [1].

Совершенствование оптических телескопов происходит за счет роста суммарной площади зеркал действующих телескопов. Новые поколения широкопольных и узкопольных телескопов достигают размеров зеркал от 10-20 см до 3 м и более обеспечивают гораздо лучшее качество изображений даже при обычных наблюдениях, не связанных с коррекцией влияния атмосферной турбулентности. На сегодняшний день качественными признаются наблюдения с угловым разрешением менее половины угловой секунды. Использование систем адаптивной оптики позволяет преодолеть искажения, которые появляются за счет атмосферы Земли.

Для управления угловым положением оптической оси в пространстве оптический телескоп монтируется в опорно-поворотное устройство, которое

имеет несколько осей вращения. Создание таких опорно-поворотных устройств и систем управления ими является одной их самых трудных задач современного точного приборостроения. Трудность проектирования состоит в том, что опорно-поворотное устройство и системы управления положением решают задачу совмещения оптической оси телескопа с линией визирования наблюдаемого движущегося объекта, при этом должно обеспечиватся чрезвычайно высокое качество наведения [35]-[38].

Если стоит задача, обнаружение объектов с предельно слабым блеском, и нужно обеспечить длительные время экспозиций (от единиц секунд до нескольких минут) точность удержания оптической оси в пространстве в этом случае должна превышать половины угловой секунды в течение всего времени экспозиции. Если требуется сопровождение движущихся космических объектов, нужно чтобы динамическая погрешность сопровождения не превышала одной угловой секунды при скоростях смещения объекта от единиц угловых секунд в секунду до десяти градусов в секунду и более. В задачах наведения предельно узких лазерных пучков (при локации навигационных и геодезических космических аппаратов, а также Луны и дальних космических аппаратов) требуется абсолютная, по отношению к используемой системе координат, точность наведения не хуже нескольких угловых секунд, поддерживаемая в течение всего сеанса наблюдения (от нескольких сотен секунд до нескольких десятков минут). В задачах получения качественых оптических изображений требуется достаточно длительное удержание объекта наблюдения в пределах изопланатического угла, величина которого в видимом диапазоне длин волн обычно не превышает пяти угловых секунд.

Указанное качество наведения трубы оптического телескопа должно быть реализовано при вращающихся массах, составляющих от нескольких десятков килограмм до нескольких десятков тонн, при наличии возмущающих неравномерных моментов от сил вязкого и сухого трения, в том числе в

подшипниковых элементах и кабельном переходе, переменных (зубцовых) моментов электродвигателя, ветровых и динамических нагрузок и с учетом конечной жесткости конструкции ОПУ и его резонансных частот.

1.2 Описание объекта

В качестве примера большого телескопа с многомассовым ОПУ может служить большой телескоп Алтайского оптико-лазерного центра (рисунок 1.1), конструктивные особенности ОПУ которого приведены в статье [39]. В составе ОПУ можно выделить следующие структурные элементы:

Рисунок 1.1

- азимутальная ось (А) в составе вертикального вала (2) с моментом инерции J2, бесконтактного моментного электромеханического преобразователя (1) с моментом инерции статора относительно неподвижного основания /11 и моментом инерции ротора относительно статора /12, твердотельной частью вала (3) в поясе верхней опоры с моментом инерции J13, подшипниковых элементов верхней и нижней опор (4 и 4' соответственно) и кабельного перехода (5) с крутильной жесткостью относительно неподвижного основания с 50;

- вилка (6) в сборе с опорами угломестной оси и горизонтальными цапфами с суммарным моментом инерции относительно неподвижного основания Jз0;

- труба оптического телескопа с зеркалом (7) , обладающая моментом инерции относительно неподвижного основания J40.

- угломестная ось, включающая подшипниковые элементы опор оси (8), средник с трубой оптического телескопа (7) с моментом инерции относительно оси вилки J1б, бесконтактный моментный электропреобразователь (9) с моментом инерции статора относительно оси вилки J2б и ротора с моментом инерции относительно угломестной оси J3б, а также и кабельный переход (10).

Статоры электромеханических преобразователей связаны с основанием (электродвигатель азимутальной оси) и вилкой (электродвигатель угломестной оси) упругими и демпфирующими элементами, характеристики которых определяются размерами элементов и свойствами конструкционных материалов. Роторы электромеханических преобразователей закреплены на валах осей и представляют собой диски с постоянными магнитами.

Часть вала азимутальной оси, крепления подшипников узлов верхней опоры, внутренние кольца подшипников элементов, а также соответствующее число подвижных шариков могут рассматриваться как самостоятельный инерционный элемент. Нижняя часть вала азимутальной оси опирается на узел опорных подшипников. Элементы крепления подшипников, их внутренние

кольца, соответствующие доли подвижных шариков и роликов включаются в инерционный элемент этой части вала.

В самом простейшем случае оси ОПУ представляются трехмассовыми моделями разветвленного (азимутальная ось) и неразветвленного (угломестная ось) типов[39].

1.3 Кинематические схемы опорно-поворотного устройства 1.3.1Кинематическая схема азимутальной оси опорно-поворотного

устройства

Кинематическая схема трехмассовой азимутальной оси как нагрузки двигателя представлена на рисунке 1.2.

П1, а1 ¿1

М12 Л

^2, а2

7\ЛЛЛЛЛЛЛ.

_К12

М

13

-ЛЛЛЛЛЛЛЛ

К13

Пз, аз

Рисунок 1.2

На рисунке 1.2:

«Л^/и+^в - суммарный момент инерции ротора электромеханического преобразователя и внутренних колец подшипниковых элементов верхней опоры вала 4 с элементами крепления опоры к валу;

32 - суммарный момент инерции оси вала А1 и внутренних колец подшипниковых элементов нижней опоры вала;

/3=/30+/40 - суммарный момент инерции вилки и трубы оптического телескопа относительно оси А1;

С12 - крутильная жесткость соединения ротора электромеханического преобразователя с валом оси А1;

С13 - крутильная жесткость соединения ротора электромеханического преобразователя с вилкой;

К12 - коэффициент демпфирования соединения ротора электромеханического преобразователя с валом оси А1;

К13 - коэффициент демпфирования соединения ротора электромеханического преобразователя с вилкой;

Мс1 - момент трения движения в подшипником элементе верхней опоры вала азимутальной оси 4;

Мс2 - момент трения движения в подшипником элементе нижней опоры вала азимутальной оси 4'.

Углы поворота трех масс а1; а2, а 3 и угловые скорости трех масс , П 2, П 3 характеризуют движение концов осей.

На входной конец оси приложены следующие моменты:

- электромагнитный момент электромеханического преобразователя М и момент нагрузки типа «сухое трение» М1=Мс1 ■Sign(П 1), особенностью которого является обеспечение начала движения при нулевой скорости вращения вала электромеханического преобразователя при выполнении условия М>Мс1,;

- демпфирующий момент между второй и первой массой Мд12 =К12 (П1 - П 2);

- момент упругой связи между второй и первой массойМ12=С 12(П 1 - П 2);

- демпфирующий момент между третьей и первой массой Мд13=К 13 (П1 -П3);

- момент упругой связи между третьей и первой массой М13=С 13(П 1 - П3);

- момент инерции ротора электромеханического преобразователя и жестко связанных с ним элементов механизма нагрузки 31.

На выходной конец оси со стороны нижней опоры вала действуют:

- демпфирующий момент Мд12 =К12 (П1 - П2);

- момент упругой связи М12=С12 (П1 - П 2);

- момент нагрузки типа «сухое трение» М2=Мс2•Sign (Q2)

- суммарный момент инерции оси вала А1 и внутренних колец подшипниковых элементов нижней опоры вала J2.

На выходной конец оси со стороны вилки действуют:

- демпфирующий момент Мд13 =К13 (Q1 - Q 3);

- момент упругой связи М13=С13 (Q1 - Q 3);

- суммарный момент инерции вилки и трубы оптического телескопа относительно оси A1-J1;

- момент нагрузки Мветр , который появляется за счет ветра.

Параметры азимутальной оси и статические моменты нагрузки приведены в таблице 1.1. Распечатка расчетных значений спектральных плотностей ветрового момента при средней скорости ветра 10 м/с в интервале частот от одной тысячной Герца до десяти Герц приведена в таблице 1.2.

Таблица 1.1-Параметры азимутальной оси

J1, кгм2 J2, кгм2 J3, кгм2 С12, Нм/рад C13, Нмс/рад K12, Нмс/рад K13, Нмс/рад Мсдв1 , Нм Мсдв2, Нм

2120 4480 197300 1.35х109 8.62х108 888 856 98 750

Таблица 1.2 - Спектральная плотность ветрового момента

Частота [Гц] S [(Н-м)2-с] Частота [Гц] S [(Н-м)2-с] Частота [Гц] S [(Н-м)2-с]

0.000126 19.0959694 0.006310 15.4799515 0.316228 0.0793177

0.000158 19.0949075 0.007943 13.9778594 0.398107 0.0540616

0.000200 19.0932247 0.01 12.1537221 0.501187 0.0368417

0.000251 19.0905583 0.012589 10.1262422 0.630957 0.0251042

0.000316 19.0863342 0.015849 8.0769392 0.794328 0.0171051

0.000398 19.0796435 0.019953 6.1881858 1 0.0116544

0.000501 19.06905 0.025119 4.5835566 1.258925 0.0079404

0.000631 19.052287 0.031623 3.3072838 1.584893 0.0054099

0.000794 19.0257857 0.039811 2.3413731 1.995262 0.0036858

0.001000 18.9839497 0.050119 1.6357936 2.511886 0.0025111

0.001259 18.918057 0.063096 1.1327351 3.162278 0.0017108

0.001585 18.8146481 0.079433 0.7798166 3.981072 0.0011656

0.001995 18.6532777 0.1 0.5348278 5.011872 0.0007941

0.002512 18.4036618 0.125893 0.3659161 6.309573 0.000541

0.003162 18.0227345 0.158489 0.2499637 7.943282 0.0003686

1.3.2 Кинематическая схема механизма угломестной оси опорно-поворотного устройства

Кинематическая схема угломестной оси с трехмассовым механизмом изображена на рисунке 1.3.

31 - суммарный момент инерции ротора электромеханического преобразователя и левого вала;

J2 - момент инерции трубы оптического телескопа;

J3 - суммарный момент инерции ротора электромеханического преобразователя и правого вала;

С12 - крутильная жесткость между левым валом и трубой телескопа;

С23 - крутильная жесткость между трубой телескопа и правым валом;

Мс1 - момент трения левой опоры оси;

Мс2 - момент трения опоры вала трубы телескопа;

Мс3 - момент трения правой опоры оси;

Мветр -момент, появляющийся за счет ветра;

М1 и М2 - электромагнитные моменты, развиваемые электромеханическими преобразователями.

Угловые скорости , П2 и и углы поворота а 1; а 2 и а3 характеризуют движение концов осей.

Параметры угломестной оси и статические моменты приведены в таблице

1.3.

Таблица 1.3 - Параметры угломестной оси

J1, кгм2 J2, кгм2 J3, кгм2 С12, Нм/рад С23, Нмс/рад Мс1, Нм -^ветрмакс? Нм Мс2, Нм Мс3, Нм

50 400 50 8-106 8-106 40 110 0 40

1.4 Обзор литературных источников

В работе [39] представлены варианты расчетных схем осей ОПУ с различной степенью детализации. При этом практический интерес представляют варианты с представлением механизма оси двухмассовой и трехмассовой расчетными схемами разветвленного и неразветвленного типов. Анализу подлежит система управления ОПУ следящего электропривода с трехмассовой расчетной схемой механизма осей[40]-[42].

Исследуемая система управления следящего привода является каскадной и содержит четыре контура. В работе [51] описана четырехконтурная структура следящего электропривода оси ОПУ, представленной двухмассовой моделью, и сформулирована методика ее параметрического синтеза. Система управления строится на базе высокомоментного вентильного электромеханического преобразователя и датчиков угла и скорости, жестко связанными с валом электродвигателя, т.е. на основе информации об угле и скорости только первой массы.

Структура следящего электропривода обладает астатизм второго порядка по задающему воздействию, при датчиках угла и скорости , которые считаются идеальными, она обеспечивает нулевую ошибку по углу поворота первой массы, при подаче на вход системы постоянного воздействия и линейного во времени задания, независимо от величин постоянных моментов трения на валу электромеханического преобразователя.

Постоянная по величине ошибка возникает в системе, когда сигнал задания изменяется во времени с постоянным ускорением, величина ошибки пропорциональна ускорению. Устранение этой ошибки осуществляется подачей сигнала второй производной задающего воздействия непосредственно на вход контура регулирования угла с коэффициентом, обратно пропорциональным добротности привода по ускорению. Расчетная добротность системы с принятой структурой и обратными связями только по углу и скорости первой массы пропорциональна квадрату частоты граничной частоты /п полосы пропускания системы. Полоса пропускания частот скоростной подсистемы ю0с ограничивается из условия оптимального демпфирования

соотношения масс на концах оси [42], а ю0 - угловая частота при которой возможен резонанс. При настройке внешнего углового контура на

механических колебаний на уровне

где у- коэффициент

симметричный оптимум [43] полоса пропускания частот последнего ограничивается на уровне /п<ю0с/8р, Гц.

Практика проектирования и математическое моделирование на кафедре ЭТ и ПЭМС Университета ИТМО систем управления целого ряда следящих электроприводов с описанной в [51] структурой показала, что к числу наиболее проблемных вопросов при построении систем управления относятся вопросы обеспечения требуемой среднеквадратичной ошибки в заданном интервале скоростей плавного слежения и в режиме покоя при наличии нежесткости и значительных моментов нагрузки типа «сухое трение» в подшипниковых узлах опор осей и существенных переменных нагрузок, которые создаются за счет ветра, на второй массе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кононова, Мария Евгеньевна, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ТомасовВ.С., ДенисовК.М., ТолмачевВ.А. Следящие электроприводы систем наведения оптико- механических комплексов нового поколения. Проблемы и достижения / Тр. Умеждунар. (ХУНВсеросс.) конф. по автоматизированному электроприводу. АЭП-2007. 18-21 сентября 2007 г. Спб, 2007. С. 175- 177

2. ВасильевВ.Н., ТомасовВ.С., ШаргородскийВ.А., СадовниковМ.А. Состояние и перспективы развития прецизионных электроприводов комплексов высокоточных наблюдений Известие вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 3, с. 5-12.

3. Томасов В.С., Денисов К.М., Гурьянов А.В. Разработка электроприводов для высокоточных оптических измерений. Проблемы и достижения. Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ,2010. Ч.1. с.94-101.

4. Томасов В.С., Толмачев В.А., Дроздов В.Н., Денисов К.М., Гурьянов А.В.. «Электроприводы высокоточных оптических комплексов контроля космического пространства». Труды VII Международной (VIII Всероссийской ) научно- технической конференции по автоматизированному электроприводу. ФГБОУВПО « Ивановский государственный энергети-ческий университет имени В.И. Ленина . - Иваново,2012, с.457- 462.

5. Томасов В.С., Толмачев В.А., Ловлин С.Ю., Гурьянов А.В. , Денисов К.М. Сервоприводы систем наведения высокоточных оптико-механических комплексов . Сервопривод// Доклады научно-методического семинара.- М.: Издательство МЭИ. 2013. С. 46-62.

6. Пятибратов Г.Я. Теоретические и практические аспекты совершенствования систем управления усилиями упругих механизмов с электроприводом. АЭП -2004, Магнитогорск , 14-17 сентября, 2004. Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути

развития» (АЭП-2004, Магнитогорск, 14 - 17 сентября 2004 г.). Часть 1. -Магнитогорск, 2004. - 311 с.

7. Глазунов В.Ф., Лебедев С.К., Гнездов Н.Е. Разработка и исследование многодвигательных систем электроприводов переменного тока с нежесткой механикой. Вестник ИГЭУ. Выпуск 3. - Иваново, 2005. с.6-11

8. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат. 2001. - 704 с.

9. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. Учебник для вузов. -Спб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение 2000.- 496 с.

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

11. Борцов Ю.А., Соколовский Ю.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб.: Энергоатомиздат, 1992, -288 с.

12. Самосейко В.Ф. Теоретические основы управления электроприводом: Учебное пособие. - СПб.: Элмор.2007.- 464с.

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

14. БашаринА.В.,Постников Ю.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ. Учебное пособие для вузов. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1990, -512 с.

15. Синицын В.А., Толмачев В.А., Томасов В.С. Системы управления комплексом позиционирования и слежения. Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39, № 3, с. 22-27.

16. Белянский П.В., Сергеев Б.Г. Управление наземными антеннами и радио-телескопами. -М.: Сов. Радио, 1980. -280 с.

17. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов. -М.: Издательский центр «Академия», 2004. -576 с.

18. Фираго Б.И., Павлянчик Л.Б. Теория электропривода. - Мн.: ЗАО «Техноперспектива», 2004. -527 с.

19. Беленький Ю.М., Зеленков Г.С., Микеров А.Г. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов. Л.: ЛДНТП, 1987, 27 с.

20. Пировских Е.Н., Присмотров Н.И., Хорошавин В.С. Оптимизация парметров электропривода с упругой механической связью на основе энергетического метода. АЭП -2004, Магнитогорски , 14-17 сентября, 2004. Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (АЭП-2004, Магнитогорск, 14 - 17 сентября 2004 г.). Часть 1. - Магнитогорск, 2004. - 311 с.

21. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. -М.: Издательский центр «Академия», 2005. -304 с.

22. Дорф Р., Бишоп Р. ; Современные системы управления. Пер. с англ. Б.И. Копылова. -М.: Лаборатория базовых знаний , 2004. -832 с.

23. Бесекерский В.А., Орлов В.П., Полонская Л.В. Проектирование следящих систем малой мощности. Судпромгиз. 1958.

24. Андрющенко В.А. Автоматизированный электропривод систем управления. -Л.: СЗПИ, 1975. -276 с.

25. Андрющенко В.А. Динамический синтез САУ гибких производственных систем: Учеб. Пособие. -Л.: СЗПИ, 1986. -124 с.

26. Кодкин В.Л. Синтез управлений, обеспечивающих монотонные переходные процессы в следящих электроприводах , как метод оптимизации СЭП по быстродействию, точности и ресурсам. АЭП -2004, Магнитогорск , 1417 сентября, 2004. Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (АЭП-2004, Магнитогорск, 14 - 17 сентября 2004 г.). Часть 1. - Магнитогорск, 2004. С 137-138.

27. Садовников М.А. Измерение скорости движения силового электропривода с помощью оптических датчиков угла //Известия вузов. Приборостроение. - 2008. - Т. 51. - № 6. С. 52-57

28. Бургин Б.Ш. О возможных способах синтеза регулятора скорости для двухмассовой электромеханической системы. // В сб.: Автоматизация производственных процессов. 1977. С. 3-9.

29. Бургин Б.Ш. Анализ и синтез двухмассовых электромеханических систем. Новосибирск: Монография. Новосибирский электротехнический институт, 1992. 199 С.

30. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979. 616 С.

31. Anderson, B.D.O., and Moore, J.B., Optimal Control. NJ: Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1990. 413 С

32. 94. Bely P. Y. The Design and Construction of Large Optical Telescopes. NY, USA: Springer-VerlagNewYork, Inc., 2003. 505 С

33. Gawronski W. Modeling and Control of Antennas and Telescopes. NY, USA: Springer Science+Business Media, LLC, 2008.

34. Abdullin A., Plotitsyn A., Drozdov V. Optimal Control System With Guaranteed Degree Of Stability For Precision Electric Drive // Advances in Automatic Control: Proceedings of the 16th International Conference on Automatic Control, Modelling& Simulation (ACMOS '14) - 2014, No. 35, pp. 22-26

35. Садовников М.А. , Томасов В.С., Толмачев В.А.. Прецизионный электропривод для оптических комплексов контроля космического пространства.// Изв. Вузов. Приборостроение. №6 (54), 2011.

36. Ловлин С.Ю., Ароновский С.В., Смирнов Н.А., Цветкова М.Х. Сравнение различных подходов к построению систем управления прецизионными электроприводами // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика . - 2013.- Вып. 3.- С.32-39.

37. Абдуллин А.А. , Толмачев В.А. «Система регулирования скорости двухмассового механизма с использованием наблюдателя». «Изв. Вузов. Приборостроение».№5, 2011

38. Абдуллин А.А., Толмачев В.А. Система управления следящего электропривода с нежесткой исполнительной осью Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптики , 2012,№ 1(77) с. 41-46

39. ИсуповА.Н., ИсуповК.С., ХрамовС.Н. Определение амплитудно-частотных характеристик альт-азимутального опорно- поворотного устройства крупно- габаритного наземного телескопа.Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 3, с. 38-44.

40. Сергеева М.Е. Оптимальное управление движением следящего электропривода с трехмассовой исполнительной осью и его моделирование в среде Ма^аЬ // Альманах научных работ молодых ученых. - Санкт-Петербург, 2012. - С. 249-254.

41. Фишбейн В.Г,. Расчет систем подчиненного электропривода постоянного тока . М.: Энергия. 1972.

42. Энергоподсистемы следящих электроприводов измерительных телескопов/ В.А. Синицын, В.С. Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 3, с. 12-17.

43. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. - М. :Энергоатомиздат, 1991.

44. Толмачев В.А, Антипова И.В., Фомин С.Г. Математическая модель следящего электропривода оси опорно-поворотного устройства. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 44. -СПб: СПбГУ ИТМ0,2007. с.142-146.

45. Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1997. 508 С.

46. Сергеева М.Е. Устранение релаксационных колебаний в системах управления электроприводом с многомассовыми механизмами // Сборник

тезисов докладов конгресса молодых ученых Выпуск 2. - Санкт-Петербург, 2014. - С. 304-305

47. Борисов П.А., Лукичев Д.В. «Методики анализа и синтеза энергетических подсистем приборных электроприводов». «Изв. Вузов. Приборостро-ение»..№1, 2011

48. Томасов В.С., Борисов П.А., Поляков Н.А. «Определение параметров элементов энергоподсистемы замкнутой системы электропривода ШИП-ДПТ» Труды VII Международной (VIII Всероссийской ) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу. ФГБОУВПО « Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина . - Иваново,2012. с. 216-223.

49. Овчинников И.Е. Электромеханические и мехатронные системы. Часть 1: Полупроводниковые устройства в цепях электрических машин. Коллекторные и бесконтактные двигатели постоянного тока. Конструкции, характеристики, регулирование, динамика разомкнутых систем. Учебное пособие. - Спб.: Издательство «Корона . Век», 2012. -400 с.

50. Subbotin D.A., Lovlin S.Y., TsvetkovaM.H.Simple Speed-Maintain ControlSystem for Reversible Scanning Device // Advances in Automatic Control: Proceedingsof the 16th International Conference on Automatic Control, Modelling& Simulation(ACMOS '14) - 2014, No. 35, pp. 87-91

51. В.А. Толмачев Синтез следящего электропривода оси опорно-поворотного устройства . Известия вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 3, с. 68-72.

52. Саушев А.В., Шошмин В.А. Моделирование многомассовых механических систем электроприводов методом электрической аналогии // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2010.№ 4 С. 57-64

53. Сергеева М.Е., Толмачев В.А., Никитина М.В. Анализ динамических свойств трехмассовых исполнительных осей с одним и двумя

вращающими моментами // Известия высших учебных заведений. Приборостроение 2015 Т.58 № с.458-463

54. Кононова М.Е., Толмачев В.А., Никитина М.В. Синтез скоростной подсистемы двухдвигательного следящего электропривода телескопа с трехмассовым механизмом исполнительной оси// Известия высших учебных заведений. Приборостроение 2015 Т.58 №8 с.645-652

55. Сергеева М.Е Скоростная подсистема следящего электропривода с трехмассовой исполнительной осью и цифровыми алгоритмами управления // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых Выпуск 2. - Санкт-Петербург, 2012. - С. 282-283.

56. Сергеева М.Е. Сравнение результатов моделирования процессов, в системе регулирования угла следящего электропривода с трехмассовой и двухмассовой исполнительной осью // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых Выпуск 2. - Санкт-Петербург, 2013. - С. 229.

57. Сергеева М.Е. Синтез цифровых алгоритмов управления скоростной подсистемы следящего электропривода с трехмассовой исполнительной осью // Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. - Т. 1 - С. 178-182.

58. Сергеева М.Е., Толмачев В.А., Никитина М.В. Синтез системы управления электропривода азимутальной оси алтайского телескопа ТИ-3.12 // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского университета информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2010. - Т. 5. - № 69. - С. С. 39-43.

59. Кротенко В.В., Толмачев В.А.,Томасов В.С., Синицын В.А. Синтез микро-процессорной системы управления электропривода опорно-поворотного устройства // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т.47, N11. с. 3035 .

60. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992. 196 с.

61. Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. Санкт-Петербург. «КОРОНА принт», 1998, 400 с.

62. Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. - М.: Радио и связь, 1989.

63. В.Ф. Козаченко. Микроконтроллерные системы управления электроприво-дами: современное состояние и перспективы развития АЭП -2004, Магнитогорск , 14-17 сентября, 2004. Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (АЭП-2004, Магнитогорск, 14 - 17 сентября 2004 г.). Часть 1. - Магнитогорск, 2004. С.52-53.

64. Фрер Ф., Орттенбургер Ф. Введение в электронную технику регулирования . М.: Энергия. 1973.

65. Томасов В.С., Овчинников И.Е., Егоров А.В. Энергоподсистема большого алтайского телескопа траекторных измерений.ИзвестияТулГУ. Технические науки. Вып.3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ,2010. Ч.3. с.216-223.

66. Овчинников И.Е, Егоров А.В. Математическая модель вентильного двигателя поворотной платформы телескопа. Изв. Вузов. Приборостроение. № 6 (54), 2011.С.91-98

67. http://www.heidenhain.ru Официальный сайт производителя.