CC BY
58
УДК 621.31.6:629.78
МНОГОАЛЬТЕРНАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
А.К. Тищенко, Е.М. Васильев, А.О. Тищенко
Анализируются критические режимы функционирования автономной системы электроснабжения космической станции. Показано, что высокие показатели надёжности системы в указанных режимах достигаются в результате использования в алгоритмах её управления эволюционных принципов многоальтернативности
Ключевые слова: космическая станция, критические режимы, многоальтернативное управление
1. Введение
Обеспечение высокой надёжности систем электроснабжения (СЭС) космических аппаратов методами пассивного резервирования существенно усложняется по мере роста мощности бортовых потребителей и разнообразия режимов их совместного функционирования [1-4]. Орбитальные космические станции, оснащённые развитыми подсистемами жизнеобеспечения экипажа, комплексами навигационного и научного оборудования, требуют решения задачи надёжного автономного электроснабжения на основе принципов структурного перестроения СЭС в зависимости от текущих условий энергопотребления, в том числе и в критических режимах, обусловленных нештатным изменением указанных условий или отказами элементов системы.
К таким принципам относится принцип мно-гоальтернативности, теоретически сформулированный в работах [5,6], существо которого состоит в построении сложных систем с использованием эволюционных механизмов адаптации и выживаемости биологических сообществ: модульности построения, многоуровневости подсистем регулирования жизненно важными процессами, многообразия поведенческих стратегий. В [7-9] рассмотрена реализация системы электроснабжения, алгоритмы функционирования которой отвечают указанным принципам и обеспечивают многолетнее бесперебойное электроснабжение Международной космической станции вплоть до настоящего времени. В предлагаемой статье на основе математических и имитационных моделей основных узлов указанной системы приводятся результаты исследования процессов в СЭС, иллюстрирующие эффективность применения принципов многоальтернативности в критических режимах её функционирования.
2. Общий состав системы
К основным подсистемам рассматриваемой системы электроснабжения относятся (рис. 1):
подсистема солнечных батарей, являющаяся первичным источником энергии на борту станции;
Тищенко Анатолий Константинович - ЗАО "Орбита",
канд. техн. наук, тел. (473) 239-18-59
Васильев Евгений Михайлович - ВГТУ, канд. техн. наук,
ст. науч. сотрудник, e-mail: vgtu-aits@yandex.ru
Тищенко Артём Олегович - ВГТУ, студент, тел. (473)
243-77-76, e-mail: vgtu-aits@yandex.ru
подсистема источника высокого напряжения, находящегося на внешнем по отношению к космической станции аппарате и играющего роль вторичного источника энергии;
подсистема электрохимических аккумуляторных батарей, накапливающих энергию при её избытке в системе и отдающей - при недостатке.
Контроль тока
Рис. 1. Общий состав системы электроснабжения
Все подсистемы снабжены контурами автоматического регулирования, взаимодействие которых в различных режимах работы будет рассмотрено ниже.
3. Подсистема солнечных батарей
Функциональная схема системы стабилизации напряжения для солнечной батареи представлена на рис. 2.
Регулируемой величиной является напряжение ин на нагрузке.
Задающее воздействие - постоянное опорное напряжение иоп.
Наиболее существенными внешними воздействиями на подсистему солнечных батарей являются:
Ян - сопротивление нагрузки, Ом;
Ж - плотность светового потока, Вт/м2;
Т - температура элементов батареи, К.
Общее число ЫСБ солнечных батарей полностью обеспечивает все потребители электроэнергией за счёт параллельного включения.
______
Солнечная батарея
I___________.
Регулятор
Звено
* изодрома
Корректирующее звено
Исполнительное устройство Ключ
Широтно-импульсный модулятор
А
Объект управления
Блок
Кабель сборных Кабель
шин
Блок фильтров
Нагрузка
Датчик напряжения
Я
Пн
оп
I
СБ
Рис. 2. Функциональная схема системы стабилизации напряжения при питании от солнечной батареи
Система регулирования параллельно работающих солнечных батарей в широком диапазоне изменения тока нагрузки построена на эволюционном принципе многоуровневости управления, в соответствии с которым по мере роста тока нагрузки поочерёдно подключается необходимое число п<МСБ батарей таким образом, что п-1 батарей отдают в нагрузку максимально возможный ток /СБ,тах, определяемый их вольт-амперными характеристиками, температурой Т и плотностью светового потока Ж, одна батарея с условным номером п, подключившаяся последней, работает в режиме широтно-импульсного регулирования отдаваемого тока в соответствии со схемой рис. 2, а оставшиеся МСБ-п батарей остаются незадействованными.
В результате при любом значении тока нагрузки осуществляется регулирование не всей отдаваемой подсистемой солнечных батарей мощности, а только той её части, которая приходится на одну батарею. Этим достигается не только существенное упрощение задачи обеспечения устойчивости и показателей качества системы регулирования, но и возможность унификации контуров управления каждой батареи и блочного построения подсистемы из взаимозаменяемых блоков, что в совокупности обеспечивает надёжное функционирование подсистемы в широком диапазоне изменения её параметров, нагрузок и при отказах отдельных блоков. В частности, отказ или отключение любого количества солнечных батарей не изменяет динамические свойства системы управления.
Для технической реализации изложенного принципа работы подсистемы солнечных батарей используется разбиение общей зоны её регулирования на неперекрывающиеся диапазоны активного регулирования для каждой батареи. На рис. 3 пока-
зан пример такого разбиения для ЖСБ=3, где и - сигнал управления на входе широтно-импульсного преобразователя; /СБЬ...,/СБ3 - токи солнечных батарей СБЬ.. ,,СБ3, отдаваемые в нагрузку.
Рис. 3. Регулировочные характеристики преобразователей для трёх солнечных батарей
При значениях сигнала управления и>-0,5 все три батареи будут стремиться отдать свой максимальный ток в нагрузку. Если сумма этих токов избыточна и для электроснабжения достаточно, например, тока одной батареи, то в результате действия обратной связи управление и будет уменьшаться, последовательно отключая от нагрузки СБ3 и СБ2 до тех пор, пока и не войдёт в диапазон -
1.9<и<-1,5 активного регулирования тока батареи СБ!.
Результаты моделирования описанных процессов для ситуаций с попаданием в тень и аварийным отключением одной их двух работающих солнечных батарей представлены на рис. 4.
2010-
О0О2
3020-
-I, А—| 1
ч
1сб1(/)
0,04
0,06
0,08
0,1 ^ с
10
0,02 302010-
I, А
1СБ2(/) 1
\1
Г
—1- .-г-
0,04
0,06
0,08
0,1 ^ с
I, А
/
У
0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 I, с
Рис. 4. Переключение солнечных батарей в режимах с затенением СБ2 и отключением СБ!
На рис. 4 иллюстрируются следующие критические режимы функционирования подсистемы солнечных батарей:
1. В момент времени /=0,035 с происходит скачкообразное увеличение тока нагрузки с 20 А до 40 А. Поскольку максимальный ток одной батареи 1СБ,тах=30 А, то батарея СБ1 начинает отдавать в нагрузку свой полный ток 30 А и дополнительно в работу вступает батарея СБ2, отдающая регулируемый ток 10 А. Батарея СБ3 для электроснабжения потребителей в этом режиме не требуется, и её ток, отдаваемый в нагрузку, равен нулю.
2. На интервале времени /=[0,06;0,08] с возникает затенение батареи СБ2 (плотность светового потока уменьшается с Ж=1000 Вт/м2 до Ж=100 Вт/м2). Полный ток, отдаваемый этой батареей, падает с /СБ2=10 А до значения /СБ2=4 А, и недостающий для нагрузки ток 6 А потребители получают от батареи СБ3.
3. В момент времени /=0,1 с имитируется аварийное отключение батареи СБ1. Необходимый для потребителей ток 40 А обеспечивается полным током батареи СБ2 и регулируемым током 10 А батареи СБ3.
4. Подсистема вторичного источника высокого напряжения
Функциональная схема подсистемы с внешним вторичным источником высокого напряжения показана на рис. 5.
Поп
Регулятор
Звено
\ ь изодрома
) * по напря-
жению
у
Поп
Звено к
изодрома
по току
Объект управления
Вторичный источник энергии
3
и
Кабель
Исполнительное устрой ство
Широтно-импульсный модулятор
Преобразователь напряжения
Датчик тока
Пп
Объект управления
Блок Блок фильтров
Кабель сборных шин Кабель Нагрузка
Датчик напряжения
Ян
и„
I
ПР
Рис. 5. Функциональная схема системы стабилизации напряжения и тока при питании от внешнего вторичного источника высокого напряжения
Рассматриваемая подсистема предназначена для подключения к потребителям электроэнергии внешнего высоковольтного источника энергии, напряжение иВ которого с целью совместной работы с подсистемой солнечных батарей согласуется с последними с помощью управляемого преобразователя (см. рис. 5).
Для обеспечения высокой надёжности работы этой подсистемы использован многоальтернативный принцип селективности - разделения и специализации её функций, обеспечивающих устойчивую работу подсистемы в различных режимах. Поскольку высоковольтный источник энергии является источником напряжения, то наиболее распространённым критическим режимом его функционирования является режим перегрузки по току, и техническая реализация указанного принципа заключается в том, что при токах преобразователя /ПР, не превышающих заданного значения /ПР,тах, в подсистеме функционирует контур регулирования напряжения иН (см. рис. 5); но если в случае аварийного либо штатного роста мощности потребления ток преобразователя достигнет критической величины /ПР,тах, то управление переходит к контуру регулирования тока, обеспечивающему сохранение равенства !ПР=1ПР,тах, безопасного для оборудования. Контур регулирования (стабилизации) напряжения при этом параметрически блокируется за счёт большего коэффициента передачи канала управления током. При снятии нагрузки автоматически осуществляется обратная передача функции управления подсистемой от контура тока к контуру напряжения.
Иллюстрация критических режимов работы подсистемы вторичного источника напряжения представлена на рис. 6.
60 50
30
10
0
29,0 28,5 28,0
27,0
50
30
10
0
180 150
и, 100
А
\
1
0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 г, с
и, В ин(/)
1 V
0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 г, с
/, А 1 / С Л
ПР \
Г-
0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 г, с
1
\
В Ов,1
0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 г, с
Рис. 6. Функционирование подсистемы вторичных источников энергии в режимах перегрузки по току и провалов входного напряжения
На рис. 6 показаны:
1. /н(/) - изменение тока нагрузки в момент времени /=0,09 с со значениями 15 А до 30 А. Эти значения не превышают максимального тока преобразователя /ПР,тах=50 А. В интервале времени /=[0,12;0,15] с требуемый ток нагрузки /н=60 А выходит за пределы /ш,тах.
2. ин(/) - изменение напряжения на нагрузке. Видно, что в диапазоне допустимых токов /н</ПР,тах контур регулирования напряжения стабилизирует значение ин на заданном уровне ин=28,5±0,5В; при перегрузке по току для сохранения равенства /ПР=/ПР,тах напряжение ин снижается.
3. /ПР(/) - изменение тока, отдаваемого преобразователем в нагрузку. В интервале /=[0,12;0,15] с управление преобразователем переходит к контуру тока, который ограничивает ток преобразователя значениями 50.. .52 А.
4. ив(/) - изменение уровня входного напряжения, подаваемого на преобразователь. На интервале времени /=[0,04;0,06] с воспроизводится кратковременное падение (провал) этого напряжения со 180 В до 100 В. Работающий в этом режиме контур регулирования напряжения поддерживает значение ин(/) на заданном уровне.
Совместная работа подсистемы высоковольтного источника энергии с другими подсистемами рассматривается ниже.
5. Подсистема аккумуляторных батарей
Рассматриваемая подсистема выполняет две функции [10]:
накопление энергии при её избытке на станции;
снабжение потребителей электроэнергией при её недостатке (затенение солнечных батарей и отсутствие внешнего вторичного источника питания).
Функциональная схема, поясняющая реализацию принципа многоуровневости и разделения функций в подсистеме, изображена на рис. 7, на котором показано, что реверсивный преобразователь напряжения управляется двумя независимыми каналами регулятора (канал заряда и канал разряда), каждый из которых содержит двухуровневую систему управления: по напряжению (при токах, не превышающих критические значения) и по току (при токах, стремящихся превысить критическое значение).
Переключение работы этих каналов осуществляется автоматически в результате выделения в общем диапазоне регулирования напряжения в системе электроснабжения отдельных уровней (зон) работы всех её подсистем (рис. 8). Переход из одной зоны в другую происходит в соответствии с текущим значением тока нагрузки и состоянием аккумуляторных батарей, в частности: при небольшой мощности работающих потребителей они обеспечиваются электроэнергией от солнечных батарей, которые поочерёдно подключаются по мере роста потребляемой мощности (см. рис. 3), причём к потребителям относятся также аккумуляторные батареи, работающие в режиме заряда.
Поп,1з
Поп,1р
Регулятор
Звено
изодрома 1
по току 1
заряда л
Звено изодрома по напряжению
Звено изодрома по току разряда
Корректирующее звено
Датчик тока
Корректирующее звено
Объект управления
и
Аккумуля торная батарея
Кабель
Исполнительное устройст
Широтно-импульсный модулятор заряда
и„,
во
Широтно-импульсный модулятор разряда
Реверсивный преобразователь напряжения
I
АБ
Рис. 7. Функциональная схема стабилизации напряжения и тока при питании от аккумуляторных батарей
Если мощность потребителей превысит суммарную мощность подсистемы солнечных батарей, то сигнал управления и перейдёт в зону активного регулирования вторичного источника питания, переведя все солнечные батареи в режим отдачи полного тока (см. рис. 8).
Дальнейший рост мощности потребителей, не обеспечиваемой подсистемами солнечных батарей из-за перехода станции в теневую часть орбиты, а также в случае отключения внешнего вторичного источника приведёт систему в состояние, при котором будет прекращён заряд аккумуляторных батарей и они перейдут в режим разряда (см. рис. 8).
Реверсивный преобразователь подсистемы аккумуляторных батарей управляет режимами заряда и разряда с помощью регулируемого напряжения вольтодобавки Пвд, выбираемого автоматически в зависимости от текущей разности напряжения на нагрузке и на зажимах аккумуляторных батарей.
Управление и является единым для всех подсистем питания и обеспечивает их согласованное взаимодействие. На рис. 9 иллюстрируется процесс такого взаимодействия при значительном изменении тока нагрузки и существенном затенении солнечных батарей. Во всех ситуациях в системе потребители бесперебойно обеспечиваются электроэнергией, из-
быток которой (при 1н<60 А, см. рис. 9) направляется на заряд аккумуляторных батарей.
Таким образом, многоуровневое управление осуществляется не только в отдельных подсистемах,
Рис. 8. Диапазоны работы солнечных батарей, вторичного источника и аккумуляторных батарей
Рис. 9. Взаимодействие подсистем питания при изменении тока нагрузки и затенении при 1>0,065 с
6. Заключение
Анализ критических режимов работы автономной системы электроснабжения космической станции показывает, что живучесть рассматриваемой системы достигается в результате применения эволюционных принципов многоальтернативного управления [11]:
- многоуровневости, создающей многообразие поведенческих стратегий системы путём передачи управления и распределения функций электроснабжения между подсистемами и в каждой из них в зависимости от текущей ситуации;
- модульности, многократно снижающей возможность каскадного (технологически связанного) развития аварийной ситуации и отказа;
- разделения функций, обеспечивающего высокую эффективность организованных каналов управления с узкими функциональными назначениями.
На основе этих принципов реализуется активное перенаправление энергетических и информационных потоков системы и изменение стратегии функционирования её подсистем в экстремальных ситуациях.
Литература
1. Половко, А.М. Основы теории надёжности [Текст] / А.М. Половко, С.В. Гуров. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 704 с.
2. Выбор структуры систем электроснабжения низкоорбитальных космических аппаратов [Текст] / Ю.А. Шиняков, А.С. Гуртов, К.Г. Гордеев и др. // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2010. - № 1.- С. 103-113.
3. Петровичев, М.А. Система энергоснабжения бортового комплекса космических аппаратов [Текст] / М.А. Петровичев, А.С. Гуртов. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. университета, 2007. - 88 с.
4. Шиняков, Ю.А. Энергетический анализ структурных схем электроснабжения автоматических космических аппаратов [Текст] / Ю.А. Шиняков // Изв. Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309, № 8.- С.152-155.
5. Подвальный, С.Л. Эволюционные принципы формирования структуры вычислительных систем [Текст] / С.Л. Подвальный // Адаптация в сложных системах управления: сб. науч. тр. - Воронеж: ВПИ, 1979 . - С. 60-63.
6. Подвальный, С.Л. Многоальтернативные системы: обзор и классификация [Текст] / С.Л. Подвальный // Системы управления и информационные технологии. -2012. - № 2. - С. 4-13.
7. Тищенко, А.К. Унифицированная система энергоснабжения для космических аппаратов [Текст] / А.К. Тищенко, П.Т. Ганкевич, Г.Д. Лившин // Энергия. Научно-практический вестник. - 1999. - № 3. - С. 34-51.
8. Пат. № 2152069 Российская Федерация, МПК 005И/59, Н02Л/34, НШ9/00. Автономная система электропитания [Текст] / Тищенко А.К., Ганкевич П.Т., Савенков В.В. и др.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Орбита". - № 98119125/09; заявл. 21.10.1998; опубл. 27.06.2000, Бюл. № 18 (II ч.). - С. 439.
9. Пат. № 2211479 Росийская Федерация, МПК 005И/66, Н0217/34. Автономная система электропитания [Текст] / Тищенко А.К., Ганкевич П.Т., Савенков В.В. и др.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Орбита".- № 2001100777/09; заявл. 09.01.2001; опубл. 27.08.2003, Бюл. № 24 (III ч.). - С. 796.
10. Данилов, А.Д. Анализ систем электроснабжения космических аппаратов [Текст] / А.Д. Данилов, А.О. Тищенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10, № 5.1 .- С. 82-84.
11. Подвальный, С.Л. Концепция многоальтернативного управления открытыми системами: истоки, состояние и перспективы [Текст] / С.Л. Подвальный, Е.М. Васильев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9, № 2. - С. 4-20.
ЗАО «Орбита», г. Воронеж
Воронежский государственный технический университет
MULTIPLE-CHOICE CONTROL OF CRITICAL MODES POWER-SUPPLY SYSTEM SPACE STATION
A.K. Tishchenko, E.M. Vasiljev, A.O. Tishchenko
Critical modes of functioning of operation autonomous power-supply system space station are analyzed. It is shown, that high parameters of reliability of system in the specified modes are achieved as a result of use in algorithms of its control evolutionary principles multiple-choice
Key words: space station, critical modes, multiple-choice control
