CC BY
244
УДК 629.78.054
ДИНАМИЧЕСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ КА
Д. Е. Синицкий1, А. В. Мурыгин2
'ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52. E-mail: [email protected] 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. Е-mail: [email protected]
Рассматривается принцип измерения управляющего момента двигателя-маховика на динамическом стенде измерения момента. Проведена оценка результатов функционирования стенда.
Ключевые слова: система ориентации и стабилизации, космический аппарат, двигатель-маховик, стенд, силовая компенсация.
DYNAMICAL WORKBENCH FOR SIGNATURE ANALYSIS AND OPERATING CONDITIONS OF FLYWHEEL ENGINE GROUP OF POINTING AND ATTITUDE CONTROL SYSTEMS
OF SPACECRAFTS
D. E. Synitskiy1, A. V. Murygin2
'JSC “ Information Satellite Systems” named after academician M. F. Reshetnev 52, Lenin street, Zhelenogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia. E-mail: [email protected] 2Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prospect, Krasnoyarsk, 660014, Russia. Е-mail: [email protected]
The authors consider a measurement principle of measurement of dynamic moment of flywheel-engine group at a dynamic workbench for measurement of the moment and evaluate the results of the workbench operation data.
Keywords: attitude control system, spacecraft, flywheel-engine group, workbench, dynamical compensation.
Система ориентации и стабилизации (СОС) современных КА является сложной системой, состоящей из высокоточных приборов определения углового положения, измерения угловых скоростей КА и исполнительных органов. В качестве исполнительного органа систем ориентации и стабилизации, для создания динамических управляющих моментов по трем осям связанной с КА системой координат используются двигатели-маховики. Двигатели-маховики выполнены на основе управляемого моментного бесконтактного двигателя постоянного тока. Функции маховой массы выполняет ротор с постоянными магнитами, расположенными на максимально возможном диаметре, в двигателях-маховиках максимально снижены тормозные моменты. Электродвигатель обеспечивает реверсивное вращение ротора-маховика, его торможение, а величина создаваемого им вращающего (управляющего) момента при этом может плавно меняться в заданном диапазоне в соответствии с сигналом управления, подаваемым на вход двигателя-маховика.
При наземных лабораторных испытаниях современных СОС КА необходимо с высокой точностью производить измерения управляющего момента двигателя-маховика и контролировать его параметры.
На сегодняшний день для измерения динамического момента двигателя-маховика существует динамический стенд ИМ-15, разработанный в НПЦ «Полюс»
[1]. Использовался на предприятиях аэрокосмического комплекса СССР.
Способ непосредственного измерения управляющего момента с использованием данных, полученных из блока электроники маховика, и разработанный в ОАО «ИСС», применяется в настоящее время в ОАО «ИСС» для исследования характеристик и режимов работы управляющих двигателей-маховиков.
При выборе метода измерения управляющего момента необходимо учесть следующие факторы:
- непрерывные испытания СОС КА проводятся в течение 8 часов;
- при испытании СОС одновременно могут работать три маховика, поэтому необходимо измерять моменты нескольких маховиков одновременно.
Принцип работы стенда измерения момента представлен на рис. 1.
Динамический момент, генерируемый УДМ 5, прикладывается через приспособление 4 к основанию 2. Основание, опираясь на три разнесенных друг от друга на определенные расстояния датчика 3, вызывает деформацию чувствительного элемента каждого из датчиков. Датчики преобразуют деформацию в электрические сигналы, эквивалентные создаваемым усилиям, и передают их в блок обработки информации (БОИ). БОИ преобразует эти сигналы и производит операцию вычисления динамического момента, генерируемого ЭМИО.
роту. Когда объект повернется на некоторый угол ф датчик момента скомпенсирует момент М и момент остановится. Мерой момента является угол поворота.
■D*
БУ
ду
Мос
дм
/77777777
Рис. 1. Общий вид стенда ИМ-15:
1 - платформа для установки стенда; 2 - основание стенда; 3 - датчики деформации; 4 - приспособление для крепления управляющего двигателя-маховика; 5 - управляющий-двигатель-маховик (УДМ)
В качестве чувствительного элемента стенда применяются датчики силы, работающие на основе пьезоэффекта. При измерении момента необходимо менять положение маховика, переставляя его из вертикального положения в горизонтальное.
При испытаниях СОС необходимо иметь возможность непрерывного измерения управляющего момента как одного двигателя-маховика, так и нескольких двигателей-маховиков одновременно, что не позволяет осуществить ИМ-15 разработанного НПЦ «Полюс».
До настоящего времени в ОАО «ИСС» динамический момент измерялся напрямую через блок электроники УДМ. С помощью ПО СОС и математического комплекса искомое значение момента выделяется из массива данных, поступающего из блока электроники, преобразуется и выводится на экран монитора.
Недостатки данного способа измерения момента:
- цена младшего разряда передаваемого массива данных может принимать высокое значение, что приведет к грубому определению момента;
- информация для определения момента берется из блока электроники, а не напрямую от маховика, проходит по каналу обмена через компьютер и математический комплекс, где так же возможны искажения информации и ошибки вычисления, что приведет к грубому или неточному определению момента.
Для разработки нового динамического стенда измерения управляющего момента, создаваемого двигателем-маховиком, используем метод силовой компенсации, заключающийся в создании противодействующего момента, равного неизвестному, измеряемому моменту.
Обобщенная блок схема метода силовой компенсации [2] представлена на рис. 2.
Под действием момента М объект поворачивается вокруг оси подвеса, что фиксируется ДУ. Сигнал с ДУ поступает в БУ, где он преобразуется и корректируется и поступает на ДМ. ДМ развивает момент Мос, который приложен к объекту и препятствует его пово-
Маховик
Рис. 2. Обобщенная блок-схема измерителя момента:
ДУ - датчик угла поворота маховика; ДМ - датчик момента; БУ - блок управления; М - управляющий момент, развиваемый маховиком; MOC - момент датчика момента
Уравнение движения системы силовой компенсации имеет вид
ф = ДМ; дм = М -МОС; МОС = к' -ф + к2 -ф, (1)
Y0
где Y0 - момент инерции стенда; к1 - коэффициент
демпфирования (сопротивления) системы; к2 - коэффициент угловой жесткости системы; М - управляющий момент, создаваемый маховиком; МОС -момент обратной связи, развиваемый датчиком момента.
Преобразуем (1) к виду
Y0 -ф + k1 -ф + (к2)-ф = М -sinю/. (2)
Используя особенности датчиков момента, а также определенные характеристики БУ, можно получить зависимость тока, протекающего в датчике момента от угла поворота ф, фиксируемого ДУ. Зная данную зависимость, можно определить искомый момент. Кроме того, используя метод силовой компенсации совместно со специализированной ЭВМ, можно измерить момент одновременно с четырех маховиков либо с отдельных маховиков, применяя к каждому из маховиков метод силовой компенсации.
Метод силовой компенсации позволяет непрерывно измерять момент, создаваемый маховиком. Также данный метод позволяет одновременно измерять момент, создаваемый четырьмя маховиками. При этом управляющий момент будет измеряться непосредственно от двигателя-маховика, а не из блока электроники. Используем метод силовой компенсации для разработки стенда измерения момента.
В ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» разработан стенд измерения динамического момента двигателя-маховика.
Обобщенная блок-схема динамического стенда измерения момента (ДСИМ) представлена на рис. 3.
Рис. 3. Обобщенная блок схема ДСИМ:
N - код управления; М - управляющий момент, создаваемый двигателем-маховиком; ф - угол поворота
измерительной балки; УдУ - сигнал, создаваемый датчиком угла; БУ - блок управления; УП - предварительный усилитель; У1, У2 - усилители; Об.с.к. - обмотка силовой компенсации датчика момента; Об.д. - обмотка демпфирования датчика момента; Мос - момент обратной связи; ИУ - измерительное устройство
При подаче управляющего кода
Мупр маховик
создает управляющий момент М, приводящий к повороту измерительной балки в подшипниковых опорах на угол ф, что фиксируется датчиком угла. Сигнал
УдУ с датчика угла поступает в блок управления
(БУ), где преобразуется и корректируется, а затем поступает на магнитоэлектрический датчик момента. БУ разбивает сигнал от ДУ на два сигнала. Первый служит для формирования канала демпфирования, второй - для формирования канала силовой компенсации. Оба сигнала поступают в датчик момента, который, исходя из полученной информации, создает момент обратной связи Мос, который прикладывается к измерительной балке, тем самым компенсируя момент, создаваемый маховиком. При этом в обмотке силовой компенсации датчика момента будет протекать ток. Искомое значение тока замеряется с помощью измерительного устройства. Затем сигнал поступает в АЦП, где преобразуется и выводится на вычислительную ЭВМ (РС).
Блок управления обеспечивает требуемые для измерения управляющего момента коэффициенты угловой жесткости и демпфирования путем усиления, преобразования, коррекции сигналов датчика угла опоры до уровня и мощности, необходимых для работы датчика момента и измерения тока в его обмотке.
На рис. 4 пунктирной линией выделены части, входящие в блок управления. Вход блока управления соединен с выходом предварительного усилителя (УП), размещенного в непосредственной близости к датчику угла. Выходы БУ соединяются с датчиком момента, обмотка которого разделена на две части -обмотку силовой компенсации и демпфирующую обмотку. Разделение обмотки позволяет исключить искажения, вносимые корректирующими цепями, при измерении момента в динамических режимах. Блок
управления также имеет выходы для индикации и регистрации измеряемого момента, о величине которого судят по напряжению, создаваемому током в обмотке силовой компенсации на добавочном сопротивлении.
Блок состоит из усилителя-преобразователя, усилителя 1, усилителя 2, измерительного усилителя.
УП - усилитель-преобразователь - размещен в непосредственной близости к датчику угла и предназначен для усиления сигнала датчика угла (ДУ). Включает в себя усилитель переменного тока и демодулятор, так как датчик переменного тока, а корректирующие цепи и ДМ работают на постоянном токе. Также УП должен обеспечивать одновременную регулировку в обоих каналах и иметь возможность регулировки коэффициента передачи КП:
У1 = КП ■ УДУ .
Усилитель 1 (У1) предназначен для усиления сигнала У1 канала демпфирования, а также частотной коррекции системы силовой компенсации. Усилитель должен иметь защиту от перепада напряжения. Необходимо иметь возможность регулировки коэффициента передачи Кд :
I = кд ■ —,
ЯД
где Яд - сопротивление обмотки демпфирования.
Усилитель 2 (У2) предназначен для усиления сигнала У1 канала силовой компенсации. Усилитель должен иметь защиту от перепада напряжения. Необходимо иметь возможность регулировки коэффициента передачи КСК:
У1
7ИЗМ _ КСК
Яг
где ЯС - сопротивление обмотки силовой компенсации.
ИУ - измерительный усилитель - предназначен для измерения тока, протекающего в цепи обмотки силовой компенсации, путем измерения падения напряжения на добавочном сопротивлении.
Для преобразования значения тока в обмотке силовой компенсации датчика момента в значение искомого момента используем схему преобразования (рис. 4).
В испытаниях СОС КА, используются четыре УДМ, поэтому необходимо обеспечить возможность измерения Мд четырех УДМ одновременно, а также
измерения момента отдельных УДМ. Для чего необходимо установить четыре ДСИМ (СИМ1, СИМ2, СИМ3, СИМ4) на каждый УДМ.
Для определения искомого значения Мд по значению /ИЗМ используется АЦП для преобразования аналогового сигнала I изм 1, I изм 2, I изм 3, I изм 4, измеренного с помощью измерительного усилителя, в цифровое значение I преобр 1, I преобр 2, I преобр 3,
I преобр 4, необходимое для вычисления Мд с помощью специализированного ЭВМ (РС).
Для оценки эффективности метода силовой компенсации проведены расчеты основных параметров и коэффициентов ДСИМ, произведен выбор элементов системы. Проведено моделирование функционирования стенда в разомкнутом контуре управления для измерения управляющих моментов современных двигателей-маховиков. Для этого в среде МаНаЪ построены переходные процессы для УДМ и ДСИМ при различных входных воздействиях, по которым определена ошибка измерения момента. Структурная схема моделирования в разомкнутом контуре представлена на рис. 5. Результаты моделирования при ступенчатом входном воздействии приведены на рис. 6.
При ступенчатом воздействии переходные процессы имеют вид (рис. 6).
АЦП
СИМ1 / изм і / Преобр 1 ЭВМ (РС1
/ изм 2 КАпА/П /преоир 2
СИМ2 КАНАЛ2
і изм ? 1 Пре Пир ?
ГИМЗ
/ изм 4 КАНАЛ и / Преоир і
СИМ*¥ КАНАЛІ
Рис. 4. Структурная схема преобразования выходного сигнала УДМ в искомое значение момента:
СИМ1, СИМ2, СИМ3, СИМ4 - стенды измерения динамического момента, маховиков УДМ1, УДМ2, УДМ3, УДМ4; I изм 1, I изм 2, I изм 3, I изм 4 - токи, измеренные на добавочных сопротивлениях СИМ1, СИМ2, СИМ3, СИМ4; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; I преобр 1, I преобр 2, I преобр 3, I преобр 4 - цифровое значение
токов I изм 1, I изм 2, I изм 3, I изм 4
Рис. 5. Структурная схема моделирования в разомкнутом контуре
Рис. 6. Переходные процессы при ступенчатом входном воздействии
Сравним показания осциллографов 1 и 2, определим ошибку измерения момента, которая не превышает 1 %.
Таким образом, в результате исследования разработан стенд, способный производить непрерывное измерение управляющих моментов с четырех двигателей-маховиков, позволяющий исследовать основные характеристики и режимы работы УДМ. При этом данные о величине измеряемого момента измеряются непосредственно с двигателя-маховика, тем самым повышается точность измерений, исключаются ошибки вычисления, задержки. Динамический стенд измерения момента (ДСИМ) соответствует приведенным требованиям и наиболее подходит для измерения
управляющих моментов двигателей-маховиков в замкнутом контуре полунатурного моделирования при испытаниях СОС КА.
Библиографические ссылки
1. Кузина М. В., Сабинин И. С. Измеритель моментов ИМ-15 / НПЦ «Полюс». Томск, 2006.
2. Комплекс динамического моделирования систем управления подвижных объектов / А. В. Калганов, Н. В. Камашев, В. Я. Скорых, А. Н. Гормаков. Томск, 1983.
© Синицкий Д. Е., Мурыгин А. В., 2013
УДК б81.З4
МОДЕЛЬ АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ*
Р. Ю. Царев1, А. Н. Пупков2, М. А. Огнерубова1, М. В. Сержантова1, Н. А. Бесчастная1
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, бб0014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», З1 E-mail: E-mail: [email protected] 2Сибирский федеральный университет бб0074, Красноярск, ул. Киренского, 2ба. E-mail: [email protected]
Рассматривается модель анализа надежности распределенных вычислительных систем с архитектурой клиент-сервер. Предложенная модель позволяет получить соотношения для показателей надежности распределенной вычислительной системы без каких-либо предположений о законах распределения случайных величин и числе элементов системы.
Ключевые слова: распределенные вычислительные системы, клиент-сервер, архитектура, надежность.
MODEL OF ANALYSIS OF DISTRIBUTED COMPUTING SYSTEMS RELIABILITY
R. Yu. Tsarev1, A. N. Pupkov2, M. A. Ognerubova1, M. V. Serzhantova1, N. A. Beschastnaya 1
'Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31 “Krasnoyarsky Rabochy” prospect, Krasnoyarsk, 660014, Russia. Е-mail: E-mail: [email protected]
2Siberian Federal University 26а Kirenskiy street, Krasnoyarsk, 660074, Russia. E-mail: [email protected]
The paper presents a model of reliability analysis of distributed computing systems with client-server architecture. The proposed model allows to obtain correlation between reliability parameters of distributed computing system without any assumptions about the random variables distribution laws and the number of system elements.
Keywords: distributed computing systems, client-server, architecture, reliability.
Характерной особенностью многих клиент-сервер- нефункциональных системных требований, например,
ных приложений (КС-приложений) современных рас- производительности, защищенности, безопасности,
пределенных вычислительных систем является их надежности [1]. При анализе архитектурных решений
разнородность и рассредоточенность. При проектиро- в рамках современных систем существенное значение
вании распределенных вычислительных систем име- для разработчика имеет возможность оценки архитек-
ется ряд специфических особенностей. Это, в первую турной надежности КС-приложений как важной со-
очередь, зависимость архитектурной модели от ряда ставной части системы [2].
* Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.1872 «Синтез оптимальных катастрофоустойчивых распределенных вычислительных систем».
