ГЛАВА 1.ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАДАЧУПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ РАДИОТЕЛЕСКОПОВ

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы задача изучения, освоения дальнего и сверхдальнего космоса является наиболее перспективной в плане получения совершенно новой информации о строении, происхождении и развитии Вселенной. Базовым инструментом современной радиоастрономии, спутниковой и дальней космической связи являются полноповоротные антенные установки. Одно из направлений улучшения радиотехнических параметров антенных установок заключается в увеличении геометрических размеров зеркальной системы и переходе к работе в миллиметровом диапазоне радиоволн. Так, сейчас в мире построены и эксплуатируются антенные установки с диаметром зеркала до 100 метров и более. Задача исследования системы управления многодвигательным электроприводом наведения радиотелескопа является актуальной в связи с высокими требованиями, предъявляемыми к качеству динамических процессов, протекающих в управляемой многомассовой электромеханической системе.

Качество работы электроприводов наведения главного зеркала оказывает прямое влияние на эксплуатационные характеристики радиотелескопа из-за того, что только при точном наведении могут быть в полной мере использованы его расчётные радиотехнические параметры. Именно поэтому задача создания и управления электроприводами наведения крупных радиотелескопов является весьма актуальной. Необходимо также отметить, что сложность реализации высокоточных систем наведения обусловлена еще и действием на зеркальную часть ветрового возмущения случайного характера. При увеличении геометрических размеров и веса вращающейся части конструкции влияние этих факторов на точность наведения становится весьма существенным. Вопрос устранения статической ошибки наведения радиотелескопа, обусловленной ветровыми возмущениями, напрямую связан с решением задачи наведения радиотелескопа с требуемой точностью на сверхдальние космические объекты.

Соответственно, выбор наиболее приемлемого математического описания объекта совместно с мероприятиями по учету и компенсации влияния ветровых возмущений должны обеспечить качественное управление радиотелескопом и требуемую точность наведения.

При заданной структуре, параметрах и выбранном критерии качества провести синтез системы управления электроприводом наведения радиотелескопа.

В работе решаются следующие задачи:

1. Разработка общей схемы системы автоматического управления электроприводом наведения.

2. Синтез системы управления электроприводом наведения радиотелескопа.

3. Исследование динамики электропривода при типовых воздействиях и ветровой нагрузке.

В качестве объекта для синтеза системы управления был выбран радиотелескоп РТ-70 международной радиоастрономической обсерватории «Суффа». Радиотелескоп РТ-70 строится на высокогорном плато Суффа в отрогах Туркестанского хребта в Республике Узбекистан. Рабочий диапазон частот принимаемого излучения 5 – 300 ГГц (6 см – 1 мм)[1]. С учетом уникального радиоастроклимата региона радиотелескоп преимущественно будет работать в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн.

Задачи управления радиотелескопом условно можно разделить на два класса: класс задач проектирования, в которых решаются принципиальные вопросы построения регуляторов в соответствии с принятыми критериями качества, и класс задач функционирования радиотелескопа в реальном времени.При расчете и проектировании систем автоматизированного электропривода большое значение имеет правильная оценка возможности обеспечения приводом заданных динамических и точностных характеристик.

Важнейшими особенностями при решении задачи разработки системы управления приводами наведения для радиотелескопов подобным РТ-70 являются слабо демпфированные звенья механической части антенной установки и существенная нелинейность в виде насыщения усилителя.

Для обеспечения требуемого качества работы, привод охватывается обратной связью. Исходя из заданной точности работы электропривода, применяются корректирующие устройства, которые могут располагаться как в прямой, так и цепи местной обратной связи.В данной работе рассматривается систему управления радиотелескопом РТ-70 со стационарной обратной связью. Основной задачей обеспечения заданной динамической точности наведения является задача демпфирования низкочастотных колебаний слабодемпфированных звеньев механической конструкции зеркальной системы РТ-70. Практически демпфирование осуществляется путем измерения угловых скоростей металлоконструкции гироскопическими датчиками и замыкания сигналов с этих датчиков на вход усилителя. При этом необходимо учитывать, что усилитель имеет линейную зону и зону насыщения, а ограничения на практике связаны с нелинейной характеристикой усилителя в прямой цепи передачи управляющего воздействия [2]. Данная особенность делает систему нелинейной, соответственно, при этом обеспечивается очень узкая область линейности (линейная зона), в которой можно применить линейный расчет. В соответствии с вышесказанным, окончательная настройка системы проводится за счет выбора параметров ПИД-регулятора.

В работе представлена методика нахождения оптимального сочетания параметров и определение компромисса между демпфированием звеньев механической части антенной установки и обеспечением линейной зоны системы. Так как в случае нелинейности системы требуется применение методов управления, основанных на поисковых процедурах нахождения управляющих воздействий.

Синтез системы управления электроприводом наведения радиотелескопа по азимуту заключается в нахождении оптимального вида логарифмической амплитудной характеристики и оптимизации коэффициентов регулятора. В работе данная задача была решена в вычислительной среде MatLab с использованием оптимизационной программы NCD. Синтез системы управления был рассмотрен с учетом необходимости обеспечения точной работы в режиме слежения антенной установки радиотелескопа, так как именно в этом режиме присутствует случайная ветровая нагрузка [3]. Существует несколько подходов решения данной проблемы. Один из них связан с методом пространства состояний (метод переменных состояния) и логическим управлением, которое не гарантирует итоговое качество управления объектом. Во втором случае система рассматриваетсякак линейная со стационарной обратной связью, при этом замкнутая система синтезируется по коэффициентам обратной связи, а нагрузка считается по принципу суперпозиции при обеспечении в регуляторе астатизма второго порядка, который обеспечивает компенсацию постоянных составляющих возмущающего воздействия. К некоторым недостаткам данного подхода можно отнести потенциальную неустойчивость регуляторов, которая связана с уменьшением точности по управляющему воздействию регуляторов с астатизмом второго порядка. В связи с этим появляется еще одна задача, связанная с поиском оптимального сочетания и настройки системы, так как либо разрабатывается более грубая система, которая бы устраняла внешнее воздействие – в этом случае страдает точность и качество управления, либо берется система с повышенной точностью, которую необходимо сделать чувствительной к внешнему воздействию. Как правило, для обеспечения необходимой точности работы в режиме слежения антенной установки ищется компромисс и по управляющему воздействию, и по возмущающему воздействию.

Важнейшим этапом конструирования системы управления электроприводом наведения радиотелескопа является задача синтезирования системы с учетом всех особенностей и выше обозначенных компромиссов.

ГЛАВА 1.ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАДАЧУПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ РАДИОТЕЛЕСКОПОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрена актуальная задача синтеза системы управления электроприводом наведения и было показано, что для качественного наведения радиотелескопа в нужную точку на небосклоне, необходимо выполнить довольно значительный объем мероприятий и, в частности, решить вопрос, связанный с нахождением оптимальных сочетаний всех параметров и особенностей системы управления радиотелескопа. В предложенной работе осуществлена именно эта задача.

Для этого на первом этапе работы был проведен анализ радиотелескопа РТ-70, как объекта управления для получения упрощенной математической модели малой размерности, позволяющей провести желаемую оценку качества управления.Далее в работе была рассмотрена возможность повышения точности наведения радиотелескопа путем синтеза такой структуры системы управления, которая бы позволила уменьшить насколько это возможно суммарную ошибку управления при одновременной отработке эквивалентного гармонического воздействия и ветрового возмущения. Учитывались и другие важнейшие особенности объекта: нелинейный характер процессов в системе и слабо демпфированное колебательное звено механической части антенной установки. Для решения этой задачи были разработана конструкция механического узла радиотелескопа; математические модели электропривода, редуктора и пространственной металлоконструкции радиотелескопа. Эти модели позволяют путем изменения параметров и отдельных элементов структуры имитировать ситуации для оценок точности наведения антенн следящей системы. Проведено исследование в среде MatLab математической модели электропривода наведения радиотелескопа с применением разработанной методики и подготовленной программы автоматизированного синтеза.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

1. Радиотелескоп РТ-70 международной радиоастрономической обсерватории «Суффа»: сайт астрокосмического центра Учреждения Российской академии наук Физического института им. П.Н.Лебедева РАН (АКЦ ФИАН). — 2013 [Электронный ресурс]. — URL: http: //asc-lebedev.ru/? dep=16 (дата обращения: 01.04.2014).

2. Дубаренко В. В. Нелинейная динамика сложных электромеханических систем как объектов управления: дис. д.т.н. – Санкт-Петербург, 2010.

3. Белянский П. В., Сергеев В. Г. Управление наземными антеннами и радиотелескопами. М.: Сов. Радио, 1980. 280 c.

4. Галимов Г.К. Антенны радиотелескопов, систем космической связи и РЛС. Т.4 – М.: Антенны-связь НПК, 2013. 392 с.

5. Стейнберг Ж., Леку Ж. Радиоастрономия. Радиоастрономические методы на службе радиофизики. Пер. с французск. П.В. Щеглова. М. Изд. иностр. лит. 1963. 312 с.

6. Христиансен У., Хёгбом И. Радиотелескопы: Пер. с англ. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Мир, 1988. 304 с.

7. Парщиков А. А., Емельянов И. А. Система синхронно-следящего привода радиотелескопа РТ-7.5 МВТУ. М.: Наука, 1974. -192 с.

8. 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. Jle Ван Тхань и др. № 1.27.04, 2004, Г.Р. № 01400602738, инв. № 02700600650. - Москва, 2004. - С. 44-87.

9. Вайнберг С. Космология. Пер. с англ. – М.: Книжный дом «Либроком», 2013. 608 с.

10. Кисляков А.Г. Радиоастрономические исследования в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. Успехи физических наук. Т.101, выпуск 4. 1970. С. 621-623.

11. Кучмин А.Ю.Система наведения радиотелескопа РТ-70 на космические источники радиоизлучения в миллиметровом диапазоне волн / Сборник трудов четвертой международной школы-семинара БИКАМП ’03. 2003. с. 384-385.

12. Конникова В.К., Лехт Е.Е., Силантьев Н.А. Практическая радиоастрономия: Учебное пособие. М.: Издательство Московского университета, 2011. 304 c.

13. Исследование эффективности наведения радиотелескопа РТ-70 на космические источники радиоизлучения в миллиметровом диапазоне после модернизации конструкции зеркальной системы и системы управления./ Шифр “Суффа-4”, этап №1, итоговый отчет.

14. Кучмин А.Ю. Механическая модель радиотелескопа РТ-70 / Тез.докл. 6 Студенческая конференция. ГУАП 2003.

15. Разработка алгоритмов построения системы высокоточного наведения радиотелескопа РТ-70 в миллиметровом диапазоне радиоволн./ Шифр “Суффа-2”, этап №1, промежуточный отчет.

16. Дубаренко В.В., Степанов Д.Г. Синтез оптимальной системы управления радиотелескопа // Вопросы специальной радиоэлектроники. Ростов на/Д, 1968. Серия XVI, вып. 2.

17. Кучмин А.Ю. Управление зеркальной системой радиотелескопа миллиметрового диапазона: дис. к.т.н. – Санкт-Петербург, 2007.

18. Соколовский С. Оценка возможности применения электроприводов переменного тока для систем наведения радиотелескопа РТ-70. – Санкт-Петербург, 2007.

19. SewEurodrive. Приводной преобразователь MOVIDRIVE®MD_60A. Системноеруководство. Издание 11/99.

20. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972 - 768 с.

21. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – М.: Физмат, 1963. – 847 с.

22. Дьяконов В. MATLAB: учебный курс. – СПб: Питер, 2001. – 560 с.