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

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

исследование и разработка системы приводов радиотелескопа рт-7.5 на базе двигателей переменного тока

Специальности 05.02.05

Роботы, мехатроника и робототехнические системы

Ле Ван Тхань

МОСКВА - 2007

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

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

Польский Вячеслав Анатольевич

Официальные оппоненты: - Доктор технических наук, профессор

Лесков Алексей Григорьевич

- Кандидат технических наук

Селиванов Николай Леонидович

Ведущая организация: ЗАО Научно-технический центр

“Приводная техника”

Защита состоится «23» октября 2007 года в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.02 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5 , ауд. 613М.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим высылать по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, учёному секретарю совета Д 212.141.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Телефон для справок: 267-09-63

Автореферат разослан « » 2007 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

Кандидат технических наук, доцент

Иванов В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: Тема работы направлена на разработку новых высокоточных электроприводов переменного тока для радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ - 7.5 МГТУ им. Н. Э. Баумана.

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

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

Научная новизна: На защиту выносятся:

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

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

- Инженерная методика расчёта контуров управления приводов радиотелескопа;

- Результаты экспериментальных исследований системы приводов радиотелескопа.

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

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

Публикации: Основное содержание работы изложено в одной статье, в двух отчётах по ОКР № 1.27.04, 2004 и № 2.29.05, 2005, а также в трудах XVII и XVIII Всероссийских научно-практических конференциях «Экстремальная робототехника» (Санкт - Петербург, 2006г и 2007г).

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

ОсновнОе СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

радиотелескоп управление привод квантование

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

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

Важнейшей частью радиотелескопа, которая является объектом управления для приводов, является зеркало антенной установки (АУ). Общий вид АУ радиотелескопа РТ-7.5 представлен на рис. 1. Зеркало имеет 2 степени подвижности: по азимутальной оси в диапазоне ±172,5 град относительно направления “север - юг” и по угломестной оси в диапазоне ± 87,5 град относительно направления на зенит.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общая масса вращающихся частей АУ составляет: 8 т по угломестной оси и 27 т по азимутальной оси. Основным режимом работы РТ-7.5 является режим программного наведения, в котором осуществляется слежение за астрономическими объектами и космическими летательными аппаратами (КЛА). При проведении подготовительных и регламентных работ используются вспомогательные режимы:

- Режим регламентного наведения для перемещения АУ в заданное угловое положение и для движения с заданной угловой скоростью;

- Режим полуавтоматического наведения для ручного слежения за объектами с помощью видеокамеры.

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

Таблица 1.

Параметр	Азимут	Угол места
	До модернизации	После модернизации	До модернизации	После модернизации
Диапазон скоростей	0 ч 205 угл.с./с	2,5 ч 9000 угл.с./с	0 ч 325 угл.с./с	2,5ч 9000 угл.с./с
Диапазон ускорений	0ч 20,5 угл.с./с2	0 ч 36 угл.с./с2	0 ч 32,5 угл.с./с2	0 ч 36 угл.с./с2
Ошибка наведения	? 10 угл.с.	? 2,5 угл.с.	? 10 угл.с.	? 2,5 угл.с.

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

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

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

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

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

Рис. 2. Архитектура системы управления приводами радиотелескопа РТ-7.5

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

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

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

В режиме программного наведения ПЛК получает от сервера радиотелескопа через фиксированный отрезок времени Т1 информацию о трёх узловых точках траектории по углу места ц* и углу азимута ш*. Например, для угла места это будут:

. (1)

После этого ПЛК интерполирует (n-1) промежуточных точек траектории с шагом Дt = T1/n, которые подаются на входы следящих приводов. Для РТ-7.5 была принята величина T1 = 1с. При этом самым загруженным в вычислительном отношении для ПЛК оказывается первый промежуток времени , в течение которого ПЛК должен провести процедуру интерполяции, опросить датчики положения осей, вычислить сигналы на выходах регуляторов положения и выдать их на входы ПЧ.

Для осуществления интерполяции в диссертации был выбран экономичный в вычислительным отношении метод, использующий сплайн -функции второго порядка. При этом интерполяционная траектория проходит через точки ц0*, ц1*, ц2* и описывается следующим уравнением:

, (2)

а коэффициенты а1 и а2 определяются по формулам:

(3)

В дискретном виде уравнение (2) имеет вид:

, (4)

где l1= a1Дt и l2 = a2Дt2. При этом неизбежно возникают погрешности, связанные с квантованием управляющих сигналов по времени и погрешности интерполяции. Погрешности квантования по времени можно оценить, представив командную траекторию, которую должен отработать привод, в виде эквивалентного синусоидального входного воздействия *(t) = m sin(щэ t), где

. (5)

Здесь ?m и еm - максимальные значения скоростей и ускорений. Сравнивая между собой два соседних дискретных значения *К и *К-1 , можно оценить погрешность квантования:

в(t)= m[sin(щэ(t0 + k?t)) - sin(щэ(t0 + (k-1)?t))]. (6)

Поскольку наибольшая скорость изменения *(t) имеет место при t0 = 0 и k=1, максимальная погрешность квантования будет имеет вид:

вm(t) =msinщэ?t. (7)

Для Щm= 9000 угл.с./с и еm= 36 угл.с./с2 получена зависимость вm=f(?t), приведенная в табл.2.

Таблица 2.

Зависимость погрешности квантования вm от шага квантования ?t

?t , mс	0,1	0,2	0,5	1	2	5	10
вm, угл.с.	0,886	1,772	4,43	8,86	17,72	44,3	88,6

Как видно из табл. 2, уже при ?t = 0,2 mс погрешность квантования превышает разрешающую способность 20 - разрядного датчика угла ?=1 угл.с. Для обеспечения заданной точности наведения при приемлемых для используемого в системе ПЛК значениях ?t (порядка 1ч 10 mс) в диссертации предложено подавать на вход скоростной подсистемы дополнительный сигнал, пропорциональный скорости изменения управляющего воздействия

, (8)

или в дискретном виде , к =1…(n-1), где

m = 2a1Дt. (9)

Схема подачи дополнительного сигнала показана на рис. 3.



Рис. 3. Схема управления приводом угла места в режиме программного наведения

На данном рисунке: РП- регулятор положения; kум - ошибка наведения; цДК - координата оси, измеренная датчиком положения; i- передаточное число редуктора. При этом погрешность квантования составит

в' = m[sin(щэ (t0 + ?t)) - sin(щэ t0)] - Щm?tcos(щэ t0). (10)

Данная погрешность будет имеет максимум при ц*(t)= 90 град. Зависимость в'm= f (?t) приведена в табл. 3.

Таблица 3.

Зависимость погрешности квантования в'm от шага квантования ?t

?t , mс	0,1	0,2	0,5	1	2	5	10	100
в`m, угл.с.	-1,8·10-7	-7,2·10-7	-4,5·10-6	-1,8·10-5	-7,2·10-5	-0,00045	-0,0018	-0,18

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 4 в логарифмическом масштабе приведены графические зависимости вm= f (?t) и , построенные по данным табл. 2 и 3.

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

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



Размещено на http://www.allbest.ru/

а. Большое рассогласование

Размещено на http://www.allbest.ru/

б. Среднее рассогласование

Размещено на http://www.allbest.ru/

в. Малое рассогласование

Размещено на http://www.allbest.ru/

г. Очень малое рассогласование

Рис. 5. Профили изменения скорости при различных величинах начального рассогласования

На данных рисунках: Дt1, - время разгона до максимального ускорения; ДtПС - время движения с максимальной скоростью; ДtПУ, - время движения с максимальным ускорением; ДцП1 , ДцП2 , Дцmin - значения начальных рассогласований, в зависимости от которых выбирается профиль изменения скорости. На участках 1, 3, 5, 7 командная скорость изменяется по параболическому закону. Величины ДцП1 и ДцП2 рассчитываются по формулам:

. (11)

Величина Дцmin выбирается экспериментально. Величина Дt1 выбирается из условия 4Дt1 ? 3 ТЗ, где ТЗ - период резонансных колебаний зеркала АУ по соответствующей оси. При выполнении данного неравенства, как показали эксперименты, не происходит возбуждение механических колебаний зеркала в начале и в конце движения.

Для РТ-7.5 максимальные скорости и ускорения в режиме регламентного наведения составляют: Щmах= 18000 угл.с./с и еmax= 2880 угл.с./с2, а величина Дt1= 0,25 с. При этом ДцП1= 32,5 град, ДцП2= 0,1 град, Дцmin= 10 угл.с.

Для реализации движения с заданной скоростью используется профиль, показанный на рис. 5а, при этом вместо Щmах используется значение заданной скорости ЩЗАД, а величина ДtПУ зависит от ЩЗАД.

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

Функциональная схема скоростной подсистемы представлена на рис. 6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На данном рисунке: Щдзад - заданное значение скорости ротора двигателя, Щдос - сигнал обратной связи, ДЩД - скоростная ошибка привода, ЩД - скорость ротора двигателя, ЩЗ - скорость зеркала, МД - электромагнитный момент, развиваемый двигателем, I - заданное значение моментообразующего тока двигателя, IОС - фактическое значение тока, измеренное датчиком, ДI - сигнал токовой ошибки, i - передаточное число редуктора, ФИД - фотоимпульсный датчик на валу двигателя.

Передаточная функция ПИД- регулятора скорости имеет следующий вид:

. (12)

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



Рис. 7. Структурная схема системы регулирования скорости на базе ПЧ

На данном рисунке: Му - момент упругих сил со стороны механической передачи, КМ - коэффициент пропорциональности между электромагнитным моментом и сигналом задания тока, JДВ - момент инерции ротора двигателя, цД - угол поворота вала двигателя, ТСК и ТДС- постоянные времени, учитывающие время реакции регулятора скорости и фильтрацию сигнала обратной связи, цД - координата вала двигателя.

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из рисунка видно, что в механической системе наблюдаются одночастотные затухающиие колебания с частотой fАЗ= 2,69 Гц.

Для угломестной оси также наблюдались одночастотные колебания с частотой 4,9 Гц. На основании полученных результатов механические системы приводов обеих осей были апроксимированы двухмассовыми упругими моделями с сосредоточенными параметрами. На рис. 9 представлена структурная схема скоростной подсистемы с двухмассовой моделью механики.

Рис. 9. Структурная схема скоростной подсистемы

На данном рисунке С', ч' - коэффициент жёсткости механической передачи и коэффициент диссипативных потерь, приведенный к валу двигателя; J'З- момент инерции зеркала, приведенный к валу двигателя; ц' , М'У - приведенные к валу двигателя координата зеркала и момент упругих сил. Путём структурных преобразований схемы рис. 9 была получена удобная для анализа и расчёта структурная схема, представленная на рис. 10

Рис. 10. Расчётная структурная схема скоростной подсистемы

На данном рисунке нУД - общий коэффициент усиления; J = Jдв + J'з - суммарный момент инерции всех движущихся частей; , , ; - постоянные времени и коэффициенты затухания упругой передачи; ф = ч'/С'- постоянная времени диссипативных потерь; - передаточная функция регулятора скорости с единичным коэффициентом усиления.

В диссертации предложена двухэтапная процедура расчёта и настройки скоростной подсистемы:

На первом этапе осуществляется расчёт и настройка параметров регулятора скорости при отсоединенной нагрузке, то есть когда JЗ' = 0 и M(s)=1 по заданным значениям полосы пропускания привода по скорости fП СК и показателя колебательности МС. На основе анализа асимптотической логарифмической амплитудно частотной характеристики (ЛАЧХ) разомкнутого контура скорости были выведены следующие расчётные формулы:,

, . (12)

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

На данном рисунке A'B'B”BCD - асимптотическая ЛАЧХ, при этом небольшие значения коэффициентов затухания оЗ и оЗ' приводят к появлению антирезонансных и резонансных пиков на частотах 1/ТЗ и 1/ТЗ'. Для того, чтобы скоростная подсистема имела приемлемый запас устойчивости, необходимо, чтобы ДА ? 6 дБ. В случае невыполнения данного условия в диссертации рекомендуется увеличить быстродействие скоростной подсистемы, при этом ЛАЧХ A'B'B”BCD смещается вверх и величина ДА увеличивается.

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.12. Лабораторная установка для исследования скоростной подсистемы

На рис. 13 показана осциллограмма переходного процесса, полученная после ввода в память ПЧ параметров регулятора скорости, рассчитанного по формулам (12) для fПСК=100 Гц и МС=1,1 при отработке скорости ?ДЗАД=1об/с.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.13. Осциллограмма переходного процесса при отработке ступенчатого воздействия

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

Линеаризованная структурная схема позиционного контура управления представлена на рис. 14.

Рис. 14. Структурная схема позиционного контура управления привода угла места

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

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

Рис.15. Преобразованная структурная схема привода угла места.

На данном рисунке м =- общий коэффициент усиления по контуру положения; - передаточная функция механической нагрузки. Регулятор положения разбит на 2 звена:

.

Здесь - ПИД- регулятор с коэффициентами усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих КП, КИ, КД соответственно;

- антирезонансный фильтр.

Определенная таким образом структура регулятора имеет вид, представленый на рис. 16.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На данном рисунке: КСК=i - коэффициент передачи сигнала скоростной компенсации; фФ, ТФ, ф1 - постоянные времени антирезонансного фильтра. При точной настройке необходимо обеспечить, чтобы ТФ=ТЗ, фФ=ф0. Дополнительное апериодическое звено с постоянной времени ф1 добавлено для фильтрации высокочастотных помех; UФ - сигнал на выходе регулятора положения.

Представленная на данном рисунке структурная схема была использована для моделирования позиционного контура управления, а также для реализации регулятора положения на контроллере. При разработке методики расчёта позиционного контура управления использовалась структурная схема, показанная на рис. 15. Исходными данными для расчёта являются максимальные значения скоростей и ускорений ?m и еm, а также максимальная ошибка наведения дm. Для оценки качества переходного процесса используется показатель колебательности М. Параметры эквивалентного синусоидального входного воздействия рассчитываются по формуле (5). Ввиду наличия в приводе глубокой отрицательной обратной связи по скорости вала двигателя выполняется неравенство нУД>>1, что позволяет в области низких и средних частот представить передаточную функцию разомкнутого контура положения в виде . При точной настройке антирезонансного фильтра и в результате

. (13)

На основе анализа асимптотической ЛАЧХ Lm W(jщ) были выведены следующие расчётные формулы для определения параметров ПИД- регулятора положения:

;;. (14)

При выборе постоянной времени ф1, предлагается пользоваться соотношением ф1 = (0,1 ч 0,05)ТЗ. Частота среза разомкнутого контура положения определяется по формулы . (15) Если выполняется неравенство щС ? 1/(3ТЗ), (16) которое гарантирует отсутствие механических колебаний зеркала в начале движения, заданная точности наведения обеспечивается без введения сигнала скоростной компенсации. В случае невыполнения неравенства (16) частота среза позиционного контура принимается равной щС=1/(3ТЗ), ошибка наведения рассчитывается по формуле , а параметры регулятора положения пересчитываются по формулам (14). Для уменьшения ошибки наведения вводится сигнал скоростной компенсации с коэффициентом передачи КСК=i. Разработанная методика была использована при расчёте, моделировании и настройке приводов радиотелескопа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для проверки разработанных алгоритмов управления приводами и методик расчёта контуров управления была разработана система моделирования приводов в среде Matlab-Simulink. Блок-схема разработанной системы моделирования представлена на рисунке 17.

Модели блоков формирования управляющих воздействий (БФУВ) генерируют управляющие сигналы для привода азимута , и привода угла места , в режимах программного и регламентного наведения. Структура моделей приводов азимута и угла места является идентичной и отличается только числовыми параметрами. В этих моделях учтены основные нелинейности: люфты и сухие трения, ограничение уровня сигналов на выходах регуляторов, а также цифровые эффекты: квантование сигналов по времени и их запаздывание. Для моделирования совместной работы приводов служит блок, моделирующий силовую реакцию со стороны привода азимута на угломестный привод, а также дисбаланс зеркала РТ относительно угломестной оси. При моделировании режима программного наведения был рассмотрен случай слежения за низколетящим КЛА, пролетающим над радиотелескопом через зенит по круговой орбите. При моделировании режима регламентного наведения БФУВ генерировал управляющие сигналы с “S” -образной характеристикой разгона и торможения, представленной на рис. 5а - 5в. Результаты моделирования в виде графиков изменения ошибки наведения угломестного привода при опускании зеркала с начального угла цН=27,5 град до конечного угла цК=80 град представлены на рис.18а-18б.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Настройка позиционного контуров управления включала в себя следующие этапы:

1. Настройка параметров антирезонансного фильтра ТФ, фФ и ф1;

2. Настройка позиционного контура с отключенными сигналами скоростной компенсации (КСК = 0) и сигналами интегральной и дифференциальной составляющих (КИ = 0, КД = 0), обеспечивающая заданное значение частоты среза щС;

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

4. Настройка позиционного контура с заданными значениями коэффициентов усиления сигналов интегральной и дифференциальной составляющих КИ и КД, обеспечивающая заданное качество регулирования;

5. Проверка привода с настроенным регулятором положения в различных режимах работы.

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

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

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

В последних двух случаях (рис. 22 и 23) приводу задавалась скорость 3,6 угл.с./с, близкая к минимально возможной (2,5 угл.с./с).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При этом было выполнено незначительное перемещение, при котором край зеркала переместился на 1 мм. Сравнение последних дух рисунков показывает, что использование сигнала скоростной компенсации повышает равномерность движения зеркала на сверхнизких скоростях.

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

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

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

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

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

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

6. Разработаны методы обеспечения высокой динамической точности слежения, использующие принципы комбинированного управления совместно с антирезонансными фильтрами в цепи сигнала ошибки. Применение разработанных методов обеспечило высокую точность слежения за низколетящими КЛА.

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

8. Разработана инженерная методика расчёта позиционного контура управления приводов РТ, которая была использована при настройке приводов;

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена важная научно-техническая и практическая задача разработки системы приводов радиотелескопа РТ-7.5 на базе асинхронных двигателей с векторными преобразователями частоты, управляемыми от программируемого логического контроллера. Разработанная и реализованная на практике система приводов позволяет осуществлять высокоточное слежение не только за астрономическими объектами, но и за низколетящими космическими аппаратами. Результаты работы могут быть использованы при создании и модернизации широкого класса опорно-поворотных устройств радиотелескопов и радиолокаторов.

РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

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

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

4. Разработка проекта модернизации приводов антенных систем радиотелескопа РТ - 7.5 для создания на его основе наземного радиолокатора наведения и подсветки ка - диапазона: Отчёт об опытно - конструкторской работе МГТУ им. Н. Э. Баумана. Руководитель В. А. Польский. Исп. Ле Ван Тхань и др. № 1.27.04, 2004, Г.Р. № 01400602738, инв. № 02700600650. - Москва, 2004. -С. 44 - 87.

5. Разработка интерфейса управления модернизированными приводами антенных систем радиотелескопа РТ-7.5: Отчёт об опытно - конструкторской работе МГТУ им. Н. Э. Баумана. Руководитель В. А. Польский. Исп. Ле Ван Тхань и др. № 2.29.05, 2005, Г.Р. № 01500603487, инв. № 02800700760. - Москва, 2005. - С. 35 - 76.

Размещено на Allbest.ru

...