Керування перетворювачами системи орієнтації електронної платформи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"

УДК 621.3.3.037.37

Спеціальність 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Керування перетворювачами системи орієнтації електронної платформи

Колотов Микола Вікторович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислової електроніки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент Петергеря Юлія Сергіївна, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"(м. Київ),

Офіційні опоненти -

професор кафедри промислової електроніки доктор технічних наук, професор Юрченко Микола Миколайович, Інститут електродинаміки Національної академії наук України (м. Київ), провідний науковий співробітник

доктор технічних наук, професор Денисов Юрій Олександрович, Чернігівський державний технологічний університет, завідувач кафедри промислової електроніки

Захист відбудеться “7” жовтня 2010 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.19 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги, 37, корп. 12, ауд.412.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ “КПІ” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги, 37.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Б. Швайченко

Анотації

Колотов М.В. Керування перетворювачами системи орієнтації електронної платформи. - Рукопис.

Дисеpтація на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальністю 05.09.12 - Напівпровідникові пеpетвоpювачi електpоенеpгiї. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2010.

Дисертація присвячена розробці теоретичних та практичних засад прогнозного керування перетворювачами систем орієнтації електронних платформ.

Проведено порівняння станів перемикання розглянутих напівпровідникових інверторів, змодельовано роботу чотириплечового інвертору з нульовою точкою як найбільш ефективного для систем орієнтації електронних платформ.

Обґрунтовано потребу у прогнозуванні значень магнітної індукції з метою усунення спотворень, таких як магнітні збурення та аномалії для найбільш точної орієнтації платформи на орбіті.

Прогнозування енергії споживання дає змогу зекономити енергію на борту платформи у випадку прогнозування її нестачі заборонивши виконання маневру. перетворювач електронний перемикання

В якості математичного апарату прогнозування запропоновано використання нейронної мережі з gamma-пам'яттю та передобробкою даних. Дані, що поступають на вхід мережі, доцільно відфільтровувати від небажаних флуктуацій за допомогою вейвлет-перетворення в орієнтованому базисі, як найбільш ефективного у порівнянні з іншими перетвореннями.

Розроблене програмне забезпечення для систем керування перетворювачами дозволяє прогнозувати значення магнітної індукції та енергоспоживання на базі запропонованого математичного апарату.

Ключові слова: прогнозне керування, напівпровідниковий інвертор, нейронна мережа, вейвлет-перетворення в орієнтованому базисі.

Колотов Н.В. Управление преобразователями системы ориентации электронной платформы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - Полупроводниковые преобразователи электроэнергии. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2010.

Диссертация посвящена разработке теоретических и практических основ прогнозного управления полупроводниковыми преобразователями систем ориентации электронных платформ. Наиболее эффективными для малых электронных платформ являются магнитные трехосные системы ориентации, в которых исполнительными элементами для поворота платформы являются электромагнитные катушки. Значения механических моментов, которые создаются ними, достаточно для гашения больших угловых скоростей после отделения платформы от ракеты-носителя и для выполнения маневров платформою для точной ориентации на орбите.

Преобразователь системы ориентации для создания необходимого вектора механического момента должен обеспечивать возможность прямого и инверсного подключения трех катушек к источнику питания, а также их отключение, то есть вариантов. В результате анализа существующих схем обоснован выбор четырёхплечевого инвертора с нулевой точкой, как компромиссного решения между количеством вариантов подключения катушек и массогабаритными показателями, которые обусловлены количеством силовых ключей схемы.

Проведено моделирование системы ориентации с выбранным преобразователем для трех алгоритмов подключения катушек. С точки зрения быстродействия наиболее эффективным является режим максимального механического момента с одновременной работой двух катушек только на определенных участках при взаимодействии с магнитным полем Земли. При этом стабилизация по одной оси происходит в 1,95 раза быстрее, нежели при непрерывной работе двух катушек. Однако экономичный режим, когда на каждом временном интервале работает одна катушка, характеризуется наименьшим расходом энергии.

Анализ движения платформы в идеальном и в приближенном к реальному магнитном поле Земли показал, что необходимо проводить прогнозирование значений магнитной индукции с целью исключения влияния на точность ориентации аномальных магнитных зон и магнитных бурь. Таким образом, для определения углов рассогласования между бортовой и, определяющей требуемое положение платформы, орбитальной системами координат, предложен синтез стандартного применяемого для трехосной системы ориентации Triad-алгоритма и рекурсивного метода с прогнозированием. Это дает возможность устранить недостатки Triad-алгоритма путем использования прогнозной модели магнитного поля Земли в случаях искажения измерений магнитной индукции трехкоординатным датчиком магнитного поля.

В качестве математического аппарата прогнозирования предложено использование нейронных сетей с gamma-памятью и предварительной обработкой данных. В нейронных сетях осуществляется расчет прогноза на основании текущих и предыдущих значений, которые за счет gamma-памяти сохраняются внутри сети. Таким образом, отсутствует потребность в формировании временного ряда перед прогнозированием, что существенно уменьшает время для определения прогноза.

Данные, которые поступают на вход сети, целесообразно отфильтровывать от ненужных высокочастотных флуктуаций для выделения тенденции поведения. Предварительная обработка временного ряда значений с помощью дискретных вейвлет-преобразований позволяет выполнить задачу фильтрации, а также произвести сжатие временного ряда. Это дает возможность выбрать более простую структуру нейронной сети, а, соответственно, увеличить быстродействие вычисления прогноза.

В диссертации проведено сравнение вейвлет-преобразований Хаара, Добеши и вейвлет-преобразований в ориентированном базисе. Для вейвлет-преобразования в ориентированном базисе требуется меньше уровней разложения за счет одновременного использования трех ортогональных фильтров вместо двух при сравнении с другими исследуемыми вейвлет-преобразованиями.

Учитывая энергетические ограничения и требования к энергообеспечению, в предложенной магнитной системе ориентации обеспечивается прогнозирование энергии потребления. Система управления преобразователем рассчитывает потребляемую мощность и время работы электромагнитных катушек на основе данных про состояние и алгоритм работы ключей преобразователя, про скорость вращения платформы и значений углов рассогласования. Производится вычисление прогнозного значения энергии и в случае недостатка для осуществления маневра энергии система управления преобразователем отключает катушки. Таким образом, прогнозирование энергии потребления дает возможность сэкономить энергию на борту за счет запрета маневрирования при прогнозировании её недостатка.

Разработанное программное обеспечение для прогнозирования значений магнитной индукции и энергии потребления позволяет произвольно настраивать структуру нейронной сети. Предварительная обработка временных рядов происходит на различное количество уровней разложения с помощью вейвлет-преобразований в ориентированном базисе, Хаара и Добеши 2-10 порядков, при этом рассчитывается количество машинных операций, что дает возможность оценить достоинства вейвлет-преобразования в ориентированном базисе. Например, при сравнении с преобразованием Хаара количество операций меньше на 23,7 %, а с преобразованием Добеши 2 порядка - почти в 2 раза.

Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при разработке микропроцессорных систем управления преобразователями в НИИ "ХЭМЗ" (г. Харьков), ООО "СТАРТ" (г. Харьков), а также внедрены в учебный процесс кафедры промышленной электроники Национального технического университета Украины "КПИ" (г. Киев) в курсе учебной дисциплины "Специализированные и промышленные микропроцессорные системы".

Ключевые слова: прогнозное управление, полупроводниковый инвертор, нейронная сеть, вейвлет-преобразование в ориентированном базисе.

Kolotov M. V. The semiconductor converters control in the electronic platform orientation system. - Manuscript.

Thesis for a candidate of science degree in the speciality 05.09.12 - Semiconductor Converters of Electric Energy. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2010.

The dissertation is devoted to the development of theoretical and practical principles of prediction control of semiconductors convertors for orientation systems of platforms.

As a result of comparison and modeling of switching 4-shoulder inverter with zero point is chosen as the most effective device for orientation system of electronic platforms.

Predicting the values of magnetic induction to eliminate distortions, such as magnetic disturbances and anomalies give more accurate targeting platform in orbit.

Forecasting energy consumption allows saving energy on the platform in case of forecasting its lack by banning a maneuver.

It is proposed the mathematic instrument for prediction such as neural networks with gamma memory and data preprocessing. Data which enter to the network is appropriated to filter out unwanted fluctuations using wavelet transformation in oriented basis, as the most effective compared with other types of wavelet transformations.

The software for control transformers can predict the value of magnetic induction and power consumption in real time.

Keywords: prediction control, semiconductor invertor, neural network, wavelet transformation in oriented basis.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Досягнення в галузях електроніки та обчислювальної техніки зробили можливим створення малих електронних платформ, здатних вирішувати задачі, які до недавнього часу виконували великі та дорогі космічні апарати.

Жорсткі вимоги до енергоспоживання та масо-габаритних показників обумовлюють пошук шляхів спрощення та мінімізації елементів електронних платформ, що одночасно веде до зменшення собівартості, а зростаючі вимоги до надійності та безвідмовності роботи платформи потребують знаходження нових алгоритмів роботи бортових систем електронних платформ.

Серед всіх систем, які входять до складу електронних платформ, система орієнтації є однією з найважливіших та має значну частку у загальній собівартості. Тому розробка нових способів її виконання, що передбачає впровадження сучасних математичних методів обробки інформації, призводить до зниження вартості електронної платформи та підвищення її ефективності. Найбільш простими, економічними та надійними системами орієнтації з урахуванням масо-габаритних та енергетичних обмежень є системи, що створюють керуючі механічні моменти для обертання електронної платформи шляхом взаємодії виконавчих елементів з магнітним полем Землі.

З появою та розвитком потужних мікроконтролерів та мікропроцесорів, мініатюризацією елементів, зокрема, силових перетворювачів, та підвищенням точності датчиків орієнтації відповідальність за ефективну, надійну та швидкодіючу роботу системи орієнтації в більшій мірі лежить на математичному забезпеченні, алгоритмах керування та обробки інформації у бортових комп'ютерах. Також при розробці систем орієнтації для малих електронних платформ необхідно враховувати масо-габаритні та енергетичні обмеження. Таким чином, важливими та невирішеними залишаються питання зменшення кількості силових елементів перетворювача, які є найбільш важкими та габаритними в системі орієнтації, та створення ефективних алгоритмів роботи системи керування перетворювачами для забезпечення ефективного використання електричної енергії. Тому розробка алгоритмів керування перетворювачами систем орієнтації електронних платформ є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана за напрямком досліджень кафедри промислової електроніки НТУУ "КПІ" в галузях обробки цифрових сигналів за допомогою вейвлет-перетворень в орієнтованому базисі та застосування нейронних мереж для задач керування напівпровідниковими перетворювачами. Науково-дослідна робота за темою дисертації проводилась в рамках договору №1492 від 01.11 2007 р., що виконувався в НТУУ "КПІ" на підставі наказу від 05.11.2007 р. №12-136 на тему "Алгоритм прогнозного керування рухом електронної платформи на основі використання функцій з m-ічним аргументом". Матеріали дисертації увійшли у науково-дослідну роботу "Розробка синергетичної системи керування енергоспоживанням в системах з джерелами живлення, що поновлюються", № ДР 0109U005594, яка виконується сумісно з Department of Electrical Engineering, Індійського інституту технологій, м. Бомбей, договір №М/80-2009, а також в проект в рамках Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. “29” березня 2007 р.

Мета і задачі наукового дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка теоретичних та практичних засад керування перетворювачами систем орієнтації електронних платформ на базі вейвлет-перетворень в орієнтованому базисі та нейронних мереж з gamma-пам'яттю для прогнозування значень магнітної індукції та енергії споживання.

Поставлена мета вимагає вирішення наступних наукових задач:

– аналіз функціонування напівпровідникових перетворювачів систем орієнтації;

– моделювання роботи перетворювача та вибір алгоритму та законів керування ключами перетворювача для ефективного використання бортової електричної енергії;

– оцінка часу стабілізації електронної платформи;

– дослідження можливостей застосування та обґрунтування вибору математичного апарату нейронних мереж для прогнозування енергії споживання з метою визначення її достатності для виконання маневру та для прогнозування значень магнітної індукції з метою усунення впливу магнітних збурень на точність визначення положення;

– вибір алгоритму знаходження кутів неузгодженості для виконання маневрування;

– вибір вейвлет-перетворення для попередньої обробки даних;

– розробка та практична реалізація алгоритмів прогнозування.

Об'єкт дослідження - процес керування перетворювачами системи орієнтації електронної платформи.

Предмет дослідження - способи та алгоритми енергоефективного керування перетворювачами системи орієнтації електронної платформи.

Методи дослідження - при розв'язанні поставлених в дисертаційній роботі задач використовувались теоретичні засади прогнозного та випереджаючого керування перетворювачами, математичний апарат нейронних мереж для прогнозування значень енергії споживання та магнітної індукції геомагнітного поля, математичний апарат обробки та прогнозування часових рядів; теорія дискретних вейвлет-перетворень для попередньої обробки, фільтрації та стискання часових рядів перед етапом їх прогнозування; теорія автоматичного регулювання для знаходження ефективного алгоритму стабілізації електронної платформи; методи математичного моделювання магнітного поля Землі, роботи системи керування та перетворювачів системи орієнтації. Математичні розрахунки та моделювання роботи системи орієнтації при стабілізації про трьом вісям виконані на персональному комп'ютері з використанням програми MatLab. Програма моделювання роботи перетворювачів створена в середовищі С++, програма попередньої обробки за допомогою вейвлет-перетворень та програма прогнозування значень магнітної індукції створені в середовищі Delphi. Для написання та емуляції роботи програми прогнозування енергії споживання використовувався C++ емулятор мікроконтролерів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

– досліджено режими роботи перетворювачів системи орієнтації з метою забезпечення найбільшої ефективності орієнтації та для максимальної енергоефективності;

– отримав подальший розвиток математичний апарат дискретного вейвлет-перетворення в орієнтованому базисі для задач передобробки часового ряду з метою зменшення обчислювальної складності та підвищення швидкодії визначення прогнозу;

– вперше запропоновано використання нейронних мереж з gamma-пам'яттю для прогнозування значень енергії споживання та індукції магнітного поля Землі для здійснення випереджаючого керування перетворювачами;

– для розрахунку кутів неузгодженості вперше запропоновано одночасне застосування Triad-алгоритму та рекурсивного методу із прогнозуванням на основі нейронних мереж з gamma-пам'яттю та перед обробкою даних за допомогою вейвлет-перетворення. Це дає змогу усунути недоліки детермінованих методів шляхом використання прогнозної моделі магнітного поля Землі у випадках спотворення або неможливості виміру вектору магнітної індукції.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що наукові положення доведені до ступеню, придатного для практичного застосування при розробці мікропроцесорних систем керування напівпровідниковими перетворювачами в системах орієнтації електронних платформ. Запропоновані способи та алгоритми керування перетворювачами дозволяють підвищити надійність систем орієнтації шляхом одночасного поєднання традиційного методу стабілізації за Triad-алгоритмом з рекурсивним методом прогнозування на основі нейронних мереж. Останній метод доповнює традиційний у випадках спотворення або неможливості визначення поточної орієнтації. Використання попередньої обробки даних вейвлет-перетворенням в орієнтованому базисі дозволяє зменшити структуру нейронної мережі, підвищити швидкодію визначення прогнозу та швидкодію роботи системи орієнтації. При застосуванні передобробки даних шляхом використання вейвлет-перетворень в орієнтованому базисі кількість обчислювальних операцій скорочується на 23,7% у порівнянні з вейвлет-перетворенням Хаара, та на 47,8% - у порівнянні з вейвлет-перетворенням Добеші.

Результати роботи впроваджені при розробці мікропроцесорних систем керування напівпровідниковими широтно-імпульсними перетворювачами на державному підприємстві "Науково-дослідний інститут "ХЕМЗ". Принципи прогнозного керування перетворювачами за допомогою нейронних мереж та вейвлет-перетворень в орієнтованому базисі, що закладені в дисертації, впроваджено у програмному забезпеченні для мікроконтроллерів систем керування перетворювачами на ТОВ "СТАРТ".

Матеріали дисертаційної роботи, отримані теоретичні та практичні результати використовують в навчальному процесі Національного технічного університету України "КПІ" при викладанні дисципліни "Спеціалізовані та промислові мікропроцесорні системи" на кафедрі промислової електроніки Національного технічного університету України "КПІ".

Особистий внесок автора. Теоретичні та практичні результати досліджень, алгоритми, висновки та рекомендації, що містяться у дисертації, належать особисто автору. Отримані наукові та практичні результати, що викладені в дисертаційній роботі, полягають в наступному:

– запропоновано структуру магнітної системи орієнтації електронної платформи з прогнозуванням значень магнітної індукції та енергії споживання для ефективного керування напівпровідниковими перетворювачами;

– розроблено алгоритм та проведено моделювання роботи системи керування перетворювачем магнітної системи орієнтації електронної платформи для ефективного використання бортової енергії;

– розроблено алгоритм та програмне забезпечення прогнозного керування перетворювачами на основі нейронних мереж з gamma-пам'яттю та вейвлет-перетворення в орієнтованому базисі;

– обґрунтовано та доведено ефективність використання вейвлет-перетворення в орієнтованому базисі у порівнянні з іншими методами для задач предобробки часових рядів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на 4 наукових семінарах "Напівпровідникові перетворювачі в устроях промислової електроніки" секції "Перетворення параметрів електричної енергії" Наукової ради НАН України з комплексної проблеми "Наукові основи електроенергетики" (м. Київ, 2006-2009 рр.) та на 7 науково-технічних конференціях: Міжнародна науково-технічна конференція "Силова електроніка та енергоефективність" (м. Алушта, 2006, 2007, 2009 рр.); Третя міжнародна науково-технічна конференція "Современные методы кодирования в электронных системах" (м. Суми, 2006 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Проблеми сучасної електротехніки" (м. Київ, 2008 р.); Конференція молодих вчених "Електроніка-2008" (м. Київ, 2008 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Електроніка і нанотехнології" (м. Київ, 2009 р.).

Публікація результатів наукових досліджень. Результати дисертації відображені в 5 публікаціях у провідних фахових виданнях, отримано 2 свідоцтва про реєстрацію авторського права на твір.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 203 сторінки, у тому числі 146 сторінок основного тексту, 81 рисунок, 19 таблиць, список використаних джерел зі 102 найменувань і 4 додатків на 32 стор.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, наведено зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну і практичне значення результатів досліджень, визначено особистий внесок здобувача, наведені дані про апробацію результатів роботи, публікації та впровадження.

У першому розділі розглянуто теоретичні аспекти побудови систем орієнтації електронних платформ (ЕП) на основі напівпровідникових перетворювачів. Враховуючи обмеження маси та об'єму ЕП, обгрунтовано вибір електромагнітних котушок у якості виконавчих елементів системи орієнтації для малих ЕП. Значення механічних моментів, що створюються ними, достатньо для гасіння великих кутових швидкостей після відділення від ракети носія та для виконання маневрів платформою.

Проаналізовано етапи роботи активних систем орієнтації та визначено, що для ефективного використання енергії алгоритм роботи перетворювача системи орієнтації повинен забезпечувати гасіння великих кутових швидкостей, стабілізацію платформи на малих кутових швидкостях та маневрування (поворот) платформи для точної орієнтації на орбіті.

На основі аналізу руху платформи в ідеальному магнітному полі Землі (МПЗ) (рис.1,а), а також МПЗ з урахуванням аномальних змін та магнітних збурень (рис.1,б) поставлено задачу прогнозування значень магнітної індукції з метою виключення впливу аномальних зон і магнітних збурень на точність орієнтації шляхом заміни виміряних даних прогнозними значеннями.



Визначено доцільність оцінювання значень енергії споживання та проведення її прогнозування з метою ефективного та цілеспрямованого використання. На базі прогнозних значень про достатність або нестачу енергії на борту робиться висновок про можливість здійснення маневру платформою та генерація відповідного керуючого сигналу системі керування перетворювачем.

Обраний принцип керування по відхиленню (рис.2) дозволяє здійснювати стабілізацію платформи незалежно від причин, які викликали відхилення положення платформи від заданого орбітального руху.

Рис. 2



Рис 3

Зовнішнім збуренням для системи є вектор моменту зовнішніх сил . Зворотним зв'язком є сигнал помилки - вектор кутів неузгодженості системи стабілізації

між орбітальною системою координат () та бортовою системою (), де індекси визначають значення вектору по кожній із вісей (рис.3).

Регулятор виробляє вектор керуючого моменту по сумарному вектору кутів маневрування

згідно з його передаточною характеристикою , яка визначає закон керування виконавчими елементами системи орієнтації .

У випадку, якщо потрібно застабілізувати платформу, то опорний вектор кутів повороту . Якщо слід здійснювати обертання навколо осі з постійною швидкістю, то вектор кутів розраховується, виходячи з необхідної швидкості. На вхід регулятора подається вектор кутів маневрування, що визначається сумою:

.

При маневруванні на необхідний кут ключ відключає ланцюг зворотного зв'язку і подає на вхід регулятора вектор заданих кутів маневрування

.

В якості математичного апарату для прогнозування обґрунтовано використання штучних нейронних мереж (НМ) з gamma-пам'яттю, які є ефективними для рішення задач керування, де необхідно передбачити поведінку системи, за рахунок здатності адаптивного перенавчання в процесі роботи. У НМ з пам'яттю відбувається обчислення прогнозу на підставі часового ряду - поточного та попередніх значень параметра, що прогнозується. За рахунок застосування gamma-пам'яті попередні значення прогнозованого параметру знаходяться всередині мережі, тому відсутня потреба у формуванні часового ряду перед прогнозуванням. Це дозволяє спростити алгоритми прогнозування та зменшити час обчислення прогнозу.

Суттєво зменшити час навчання та визначення прогнозу нейронною мережею дозволяє попередня обробка часового ряду, яка призводить до зменшення кількості відліків за рахунок фільтрації небажаних високочастотних флуктуацій. При зменшенні кількості відліків зменшується кількість вхідних нейронів у НМ, що призводить до зменшення нейронів у прихованих шарах, а отже, і спрощення структури НМ. Найбільш перспективним для рішення передобробки часових рядів є дискретні вейвлет-перетворення.

У другому розділі проведено аналіз роботи навантаження та напівпровідникових перетворювачів системи орієнтації. Для найбільш швидкої стабілізації платформи по одній вісі обертання потрібно використовувати режим максимального механічного моменту за допомогою двох перпендикулярних електромагнітних котушок, що включаються відносно МПЗ за визначеним алгоритмом.

Рис. 4

Початкові умови при обертанні платформи представлені на рис.4. Кут між вектором нормалі та вектором магнітної індукції МПЗ дорівнює нулю. Очевидно, що тоді кут між вектором нормалі та вектором буде дорівнювати . Платформа обертається навколо вісі за годинниковою стрілкою (рис.5,а).

На рис.5, б-в представлено графіки напруги на котушках вісей та в режимі створення максимального сумарного обертового механічного моменту .

Рис. 5

На ділянках та механічний момент створюється тільки однією котушкою. На інших ділянках працюють дві котушки (див. рис.5,г). Сумарний механічний момент доповнюється механічними моментами, що створюють обидві котушки одночасно (рис.5, д). Отже, швидкодія системи орієнтації є максимальною, оскільки за рахунок такого включення котушок досягається максимальне значення сумарного моменту:

,

де - максимальний керуючий момент, що може створити котушка, -період обертання платформи.

Перетворювач системи орієнтації повинен забезпечувати пряме, інверсне та нульове підключення трьох котушок до джерела живлення для створення заданого вектору механічного моменту, що призводить до варіантів підключення.

В результаті аналізу існуючих схем перетворювачів обрано чотириплечовий (S1-S4) інвертор з нульовою точкою (рис. 6) як компромісне рішення між кількістю варіантів підключення та масо-габаритними показниками, що обумовлюють кількість силових ключів схеми. Така схема реалізує лише 23 варіанти підключення котушок. Відсутні 4 варіанти підключення запропоновано реалізовувати почерговою орієнтаціїю по кожній вісі.

Рис. 6

Структурна схема запропонованої магнітної системи орієнтації із прогнозуванням на основі нейронних мереж представлена на рис. 7.

Значення складових вектора магнітної індукції , які фіксує трикоординатний датчик МПЗ у бортовій системі координат, поступають в блок прогнозування. Надалі в блоці передобробки даних проводиться стиснення даних та формуються часові ряди для кожної складової вектора :

 (1)

де - кількість значень в часовому ряді.

Сформовані часові ряди (1) подаються в заздалегідь навчену нейронну мережу для аналізу та знаходження прогнозних значень:

. (2)

Навчання НМ відбувається з використанням значень з теоретичної моделі МПЗ, які знаходяться в базі даних для навчання.

Надалі відбувається порівняння в блоці вибору значення складових вектора магнітної індукції . Якщо виміряне значення відсутнє або суттєво спотворено у порівнянні з прогнозним значенням , то в блок розрахунку кутів неузгодженості поступає прогнозне значення.



З урахуванням значень кутових швидкостей , значень векторів стану та положення з інших можливих датчиків положення та орієнтації, власного магнітного моменту, складових вектора необхідного положення , що поступає із зовнішніх джерел (наприклад, по каналах зв'язку), визначаються складові вектору кутів неузгодженості . На основі даних про поточну швидкість обертання формується вектор моменту зовнішніх сил та з розрахованими значеннями подається до блоку стабілізації, який, в свою чергу, формує вектор моменту керування . Далі система керування ключами перетворювача на основі складових вектору формує імпульси роботи ключів перетворювача, які включають навантаження - електромагнітні котушки , що створюють розрахований вектор магнітного моменту для маневру або стабілізації платформи в МПЗ.

Беручи до уваги енергетичні обмеження та вимоги до енергоспоживання, в запропонованій магнітній системі орієнтації забезпечується прогнозування енергії споживання. Система керування перетворювачем розраховує потужність споживання і час роботи електромагнітних котушок на основі даних про стан та алгоритми роботи ключів перетворювача, про швидкість обертання платформи та значень кутів неузгодженості; передає розраховану інформацію в блок прогнозування значень енергії споживання, де проводиться розрахунок загальної енергії споживання на борту та прогнозування енергії, що необхідна для повного виконання маневру.

У випадках недостатності енергії блок формує імпульс для системи керування перетворювачем на заборону маневру платформи. За рахунок цього забезпечується економія електричної енергії на борту платформи. Оскільки значення енергії, виміряні через рівні проміжки часу, утворюють часові ряди, тому доцільно використовувати для прогнозування той самий математичний апарат, що і для прогнозування значень магнітної індукції.

У третьому розділі розглянуто математичне забезпечення системи прогнозного керування перетворювачами магнітної системи орієнтації. Створення НМ для прогнозування полягає в структурному та параметричному синтезі.

На етапі структурного синтезу обирається модель нейронної мережі: кількість шарів, нейронів та типи зв'язків між нейронами. Для задач прогнозування значень електричної енергії споживання та значень магнітної індукції в системі керування перетворювачами обрано НМ з gamma-пам'яттю із зворотним розповсюдженням помилки. Така мережа є найбільш простою у реалізації на базі мікропроцесорної техніки та ефективною з точки зору швидкодії прогнозування, а gamma-пам'ять дозволяє подавати поточний часовий ряд без попереднього формування блоку даних з кількістю відліків, що дорівнює вхідним нейронам мережі.

Після установки параметрів нейронної мережі відбувається етап навчання. Спочатку встановлюються випадкові значеня ваг кожного нейрону НМ і відбувається навчання нейронної мережі прикладами з масиву навчальної вибірки доти, поки не закінчаться приклади та не пройде необхідна кількість епох навчання. Надалі відбувається тестування роботи мережі шляхом подачі на вхід нейронної мережі прикладу з масиву, що містить контрольну вибірку. У випадку, якщо зпрогнозоване значення відрізняється від заданого, імовірність прогнозу мала, відбувається перенавчання нейронної мережі. У випадку задовільного значення похибки нейронна мережа вважається навченою і здатною виконувати необхідні завдання.

Процес обчислення прогнозу нейронною мережею складається з наступних етапів: 1) активізація gamma-пам'яті, формування вхідного часового ряду для нейронної мережі; 2) поширення сигналів усередині мережі; 3) визначення прогнозного значення.

Структурна схема нейронної мережі з gamma-пам'яттю зображена на рис.8. При подачі в навчену нейронну мережу поточного часового ряду спочатку активізується gamma-пам'ять, яка зберігає передісторію ряду. Gamma-пам'ять реалізована у вигляді ланок з передаточною функцією:

де - лінія затримки,

- час затримки, що є часом між подачею в НМ елементів часового ряду, - значення функції активації -го персептрону, регульований параметр змінюється по методу зворотного розповсюдження помилки.

НМ забезпечує видачу прогнозу часового ряду на 2 кроки вперед при подачі на неї 4 поточних значень з пам'яті мікроконтролера.

На етапі розповсюдження кожний вхідний нейрон , приймає значень часового ряду магнітної індукції або енергії споживання з комірки gamma-пам'яті

та розповсюджує його до всіх нейронів прихованих шарів.

Рис 8.

В прихованих шарах , де - кількість прихованих шарів, , підсумовуються зважені значення, до них застосовується функція активації, тим самим формуються вихідні значення, що посилаються до всіх нейронів вихідного шару , в яких формується прогнозні значення часового ряду . При надходженні нового часового відліку gamma-пам'ять формує новий сигнал, що подається в нейронну мережу та розповсюджується до наступних шарів, а на вихідному шарі формуються зпрогнозовані часові відліки .

Стиснення часового ряду за рахунок фільтрації небажаних флуктуацій, що проводиться за допомогою вейвлет-перетворення, дає змогу на етапі структурного синтезу обрати більш просту НМ, що підвищує швидкодію видачі прогнозного значення. Вейвлет-перетворення в орієнтованому базисі (ВП ОБ) у порівнянні з вейвлет-перетвореннями (ВП) Хаара та Добеші використовує три ортогональних фільтри одночасно: один високочастотний та два низькочастотних (рис.9).

Рис.9

Базисна функція прямого ОБ-перетворення, яка ставить у відповідність дискретній функції-оригіналу дискретну функцію-зображення , що визначена на інтервалі , де - просте число, визначається так:

,

де б=2рi/m, i=1…(m-1) - кут орієнтації осі перетворення; - розрядні компоненти в m-ічному поданні чисел x та н, .

Для чисельного визначення степеня стиснення розраховується коефіцієнт подібності апроксимованого часового ряду до функції-оригіналу згідно формули:



де - значення часового ряду оригіналу, - значення апроксимованого часового ряду, - кількість відліків часового ряду,

, ,

Рис. 10

Значення коефіцієнта подібності розраховані для розглянутих ВП від 1 до 5 рівнів розкладання для прикладу часового ряду енергоспоживання (рис.10).

Рис. 11

Ряд має 2 стрибка значень, що зумовлені включенням систем орієнтації та зв'язку, які необхідно зафіксувати для подальшої роботи системи керування перетворювачем. Високочастотні флуктуації, які пов'язані з роботою системи орієнтації на етапі стабілізації, необхідно відфільтрувати, що скоротить кількість відліків у часовому ряді. На рис.11 показано граничне значення коефіцієнта подібності , що визначає максимально можливий рівень розкладання, при якому не відбувається спотворення великих стрибків. При Хаара та Добеші необхідний коефіцієнт подібності досягається через 3 рівня розкладання, а при ВП ОБ - на один рівень менше, що доводить його більшу ефективність.

На основі проведених в роботі порівнянь кількості математичних операцій для ВП, що розглядаються, визначено, що при ВП ОБ потрібно на 23.7 % менше операцій, ніж при вейвлет-перетворенні Хаара та на 47,8% менше ніж при перетворенні Добеші, що скорочує час виконання алгоритму. Отже, для передобробки часового ряду доцільним є використання ВП ОБ, оскільки воно є найбільш швидкодіючим, а отже, дозволяє підвищити ефективність роботи системи орієнтації.

У четвертому розділі проведено моделювання роботи перетворюча в трьох режимах підключення навантаження до обраного перетворювача та оцінено час гальмування платформи по одній вісі (рис.12). При роботі перетворювача в режимі максимального моменту платформа стабілізується за 3,7 години, що є найшвидшим результатом.

На рис.13 представлено результати моделювання роботи системи орієнтації з обраним перетворювачем по трьом вісям у збільшеному (див.рис.13,а) та у зменшеному (див.рис.13,б) масштабах. На етапі початкової стабілізації використовується керування за швидкістю, що дозволяє погасити високі початкові кутові швидкості платформи, отримані у момент відділення від ракети-носія. На етапі маневрування відбувається поворот платформи. За рахунок малих кутових швидкостей на цьому етапі доцільно стабілізувати платформу шляхом керування за швидкістю та положенням.

Рис.12

Рис.13

Для реалізації алгоритмів прогнозування магнітної індукції з метою визначення платформи в МПЗ розроблено програмне забезпечення (рис.14).



Рис. 14

Прогнозування значень енергії споживання виконано за аналогічними алгоритмами на базі НМ та ВП ОБ. На розроблене програмне забезпечення отримано два свідоцтва про реєстрацію авторського права.

Висновки

У дисертаційній роботі розроблено теоретичні засади керування перетворювачами систем орієнтації електронних платформ на базі вейвлет-перетворень в орієнтованому базисі та нейронних мереж з gamma-пам'яттю для прогнозування значень магнітної індукції та енергії споживання, що дає можливість підвищити швидкодію та ефективність керування.

Основні результати дисертаційної роботи:

1. Порівняння станів перемикання розглянутих напівпровідникових перетворювачів та порядку включення котушок в розробленому ефективному алгоритмі роботи дає змогу обрати чотириплечовий інвертор з нульовою точкою як найбільш ефективний для системи орієнтації, що забезпечує потрібні комбінації включення котушок для стабілізації платформи.

2. Моделювання роботи перетворювача при обертанні платформи по одній вісі показало, що найбільш ефективним з точки зору швидкодії є режим максимального механічного моменту, оскільки при цьому забезпечується стабілізація по одній вісі за 3,7 години, що в 1,9 рази швидше у порівнянні з постійним режимом роботи перетворювача, та в 1,6 рази швидше ніж в економному режимі. Проте економний режим характеризується найменшими витратами енергії для стабілізації.

3. Моделювання роботи перетворювача при одночасному обертанні платформи по трьом вісям дало змогу визначити найбільш ефективні закони керування за відхиленням для різних етапів роботи системи орієнтації.

4. Для розрахунку кутів неузгодженості запропоновано одночасне застосування Triad-алгоритму та рекурсивного методу із прогнозуванням на основі нейронної мережі з gamma-пам'яттю та передобробкою даних за допомогою вейвлет-перетворення. Це дає змогу усунути недоліки Triad-алгоритму шляхом використання прогнозної моделі магнітного поля Землі у випадках спотворення або неможливості виміру вектору магнітної індукції.

5. Застосування gamma-пам'яті у нейронній мережі дозволяє зменшити час визначення прогнозу за відсутності потреби у попередньому формування часового ряду.

6. Прогнозування енергії споживання дає змогу зекономити енергію на борту платформи за рахунок заборони маневру у випадку прогнозування її нестачі.

7. Використання вейвлет-перетворення в орієнтованому базисі та нейронної мережі з gamma-пам'яттю для прогнозування часових рядів потребує меншої кількості рівнів розкладання та забезпечує більший горизонт прогнозу в порівнянні з іншими відомими методами. Так, для часового ряду з 243 відліків ОБ-вейвлет-перетворення потребує 2 рівнів розкладання та забезпечує горизонт прогнозу на 12,5% більше, ніж перетворення Хаара та Добеші для часового ряду з 256 відліками та 3 рівнями розкладання. При однакових рівнях розкладання вейвлет-перетворення в орієнтованому базисі дозволяє збільшити горизонт прогнозування на 50%.

8. Розроблені програми прогнозування значень часових рядів магнітної індукції та енергії споживання за допомогою нейронної мережі з gamma-пам'яттю дозволяють довільно настроювати структуру нейронних мереж. Значення достовірності прогнозу сягає до 95% в залежності від якості навчальної вибірки та параметрів навчання. Програми також проводять попередню обробку часового ряду за допомогою ОБ-вейвлет-перетворення, Хаара та Добеші від 1 до 10 порядку на довільну кількість рівнів розкладання та розраховують кількість виконаних обчислювальних операцій, що дає змогу оцінити переваги ОБ вейвлет-перетворення по швидкодії. Наприклад, у порівнянні з вейвлет перетворенням Хаара, кількість операцій в ОБ-вейвлет-перетворенні менша на 23,7%, а у порівнянні з Добеші 2 порядку - на 47,8%.

9. Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при розробці систем випереджаючого керування перетворювачами та впроваджені в навчальний процес НТУУ "КПІ".

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Терещенко Т.А. Математические основы прогнозного управления полупроводниковыми преобразователями / Т.А. Терещенко, Ю.С. Петергеря, Н.В. Колотов // Технічна електродинаміка, темат. випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2006. - Ч.3. - С.67-70.

Здобувачем проведено порівняння вейвлет-перетворень в орієнтованому базисі, Хаара та Добеші з 1 до 10 порядків за кількістю математичних операцій та обґрунтовано ефективність використання перетворень в системах керування напівпровідниковими перетворювачами.

2. Петергеря Ю.С. Системи орієнтації та стабілізації об'єктів / Ю.С. Петергеря, М.В. Колотов // Технічна електродинаміка, темат. випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2007. - № 3. - С. 67-70.

Здобувачем наведено огляд виведених на орбіту малих електронних платформ, класифікацію методів орієнтації на орбіті, обґрунтовано використання перетворювачів в системах орієнтації та запропоновано структурну схему системи орієнтації з прогнозуванням.

3. Петергеря Ю.С. Расчет параметров магнитной системы ориентации электронной платформы / Ю.С. Петергеря, Н.В. Колотов // Технічна електродинаміка, темат. випуск "Проблеми сучасної електроніки". - 2008. - № 5. - С. 55-58.

Здобувачем наведено методику та показано приклад розрахунку параметрів виконавчих елементів, як навантаження напівпровідникових перетворювачів, магнітної системи орієнтації для електронної платформи, зроблена оцінка часу стабілізації платформи.

4. Петергеря Ю.С. Управление системой ориентации и стабилизации электронной платформы в режимах больших и малых скоростей / Ю.С. Петергеря, Н.В. Колотов, С.В. Остапчук // Електроніка та зв'язок, темат.випуск "Електроніка та нанотехнології". - 2009. - №4-5. - С.83-87.

Здобувачем визначено етапи роботи системи орієнтації та завдання на цих етапах, проведено моделювання роботи напівпровідникових перетворювачів систем орієнтації електронних платформ для законів керування за швидкістю, за швидкістю та положенням, обґрунтовано вибір законів керування для кожного етапу роботи.

5. Петергеря Ю.С. Прогнозування та контроль споживання потужності електричною платформою / Ю.С. Петергеря, Д.О. Марчук, М.В. Колотов // Технічна електродинаміка, темат. випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2009. - № 3. - С. 52-57.

Здобувачем наведено алгоритм роботи системи орієнтації з прогнозуванням енергії споживання на базі нейронних мереж та вейвлет-перетворень, запропоновано структурну схему системи контролю енергії споживання платформи.

Размещено на Allbest.ru

...