РЕАЛИЗАЦИЯ ЗОННОГО ПРИНЦИПА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ АППАРАТУРОЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ БОРТОВОЙ СЕТИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.36622/^Ти.2021.15.5.006 УДК 681.515.8

РЕАЛИЗАЦИЯ ЗОННОГО ПРИНЦИПА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ АППАРАТУРОЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ БОРТОВОЙ СЕТИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

И.И. Таболин, Р.Ю. Кузьменко, А.Д. Данилов Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: описывается применение принципа зонного регулирования при разработке системы управления аппаратуры регулирования и контроля бортовой сети космического аппарата. Приведены краткие описания аппаратуры регулирования и контроля и входящих в её состав модулей. Приведены функциональная схема регулирования аппаратуры регулирования и контроля и график совместной работы её модулей с разбиением на зоны. Рассмотрена система управления аппаратурой регулирования и контроля. Приведены структурные схемы формирования управляющего воздействия для всех регуляторов аппаратуры регулирования и контроля. Реализация принципа зонного регулирования достигается тем, что вся область возможного изменения сигнала управления разбита на зоны работы, при этом каждому типу модулей выделена своя зона работы. Такой подход, в зависимости от баланса мощности "потребитель -источники", обеспечивает автоматическое подключение требуемых регуляторов. Данный принцип обеспечивает непрерывное изменение сигнала управления в зависимости от энергобаланса системы и параметрических возмущений. Полученную систему можно рассматривать как квазилинейную, что позволяет использовать известные линейные методы синтеза и анализа системы управления, при этом настройка контуров регулирования с заданными показателями качества осуществляется раздельно для каждого типа модулей аппаратуры регулирования и контроля

Ключевые слова: система электроснабжения, система управления, принцип зонного регулирования, аппаратура регулирования и контроля, бортовая сеть, космический аппарат

Введение

Для будущих космических миссий необходимы создание новых космических аппаратов (КА) и, в частности, разработка более усовершенствованных систем энергоснабжения (СЭС) этих КА.

В настоящее время ведётся разработка одних из таких СЭС - аппаратура регулирования и контроля (АРК). Данная система предназначена для обеспечения работоспособности КА и корректной обработки и передачи параметров его технических систем. АРК совместно с первичными источниками энергии - солнечными батареями (СБ), и вторичными источниками энергии - аккумуляторными батареями (АБ), обеспечивает потребителей бортовой сети электрической энергией [1-4].

Основное назначение АРК - формирование и стабилизация на выходных шинах напряжения постоянного тока 28,5 В.

Состав АРК

В состав АРК входят следующие функциональные узлы [5]:

- регуляторы тока СБ (РТ);

- зарядно-разрядные устройства АБ (ЗРУ);

© Таболин И.И., Кузьменко Р.Ю., Данилов А.Д., 2021

- аппаратно-программный модуль АРК (АПМ);

- стабилизатор напряжения (СН);

- фильтр.

РТ выполнен в виде регулятора параллельного типа, обеспечивает непрерывное регулирование тока генератора СБ и автоматически включается в работу при подключении их ко входу СБ или наземного источника питания -имитатора СБ.

ЗРУ обеспечивает процессы заряда и разряда АБ: заряд АБ с выравниванием токов заряда между АБ и с ограничением зарядного тока; ступенчатый заряд по командам с блока электроники; передача тока от АБ со стабилизацией напряжения шины СЭС на уровне 28,5 В и выравнивание токов разряда между АБ; ограничение разрядного тока АБ; приём и исполнение команд управления от блока электроники АБ.

СН предназначен для обеспечения без гальванической развязки преобразования напряжения постоянного тока (20-37) В в стабилизированное напряжение (28,5±0,5) В в установившемся режиме и (28,5±1,5) В в переходных режимах, связанных со скачкообразным изменением нагрузки до 25 А; ограничения величины выходного тока на уровне (30±1) А; сохранения работоспособности после короткого замыкания в выходных цепях; передачи информации о текущем состоянии СН, значениях входных и выходных токов, выходного напряжения [5].

АПМ предназначен для обеспечения информационной связи между бортовым компьютером (БК), РТ, ЗРУ, СН и модуля контроля и управления АБ.

Реализация принципа зонного регулирования

Система управления АРК автоматически стабилизирует выходное напряжение на уровне 28,5 В. Модули РТ, ЗРУ и СН в АРК образуют единую систему управления с отрицательной обратной связью, состоящую из корректирующих звеньев, исполнительных устройств, датчиков обратных связей и объекта управления -силового фильтра и нагрузки [5]. Принцип регулирования в АРК СЭС схематически изображен на функциональной схеме на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема регулирования АРК

Сигнал рассогласования определяется разницей между опорным иоп (28,5 В) и фактическим напряжением иОС на шине питания с необходимым усилением датчика рассогласования КОУ для улучшения точности регулирования и коэффициентом передачи датчика напряжения Кщ:

ирас = КОУ • КДН ' (иоп - иОС ) .

(1)

Ошибка сигнала рассогласования Аирас определяется разницей ирас и опорным сигналом рассогласования иопрас:

ди = и - и .

ра с оп _ рас рас

(2)

Значение Аирас служит входным задающим сигналом регуляторов в цифровых контроллерах модулей РТ, ЗРУ, СН, на выходах которых формируется единый сигнал управления иу с учетом зоны работы каждого модуля:

и = К •ди + К • \(ди -1 • и V (3)

у п рас и I у рас см ) ? V /

где 1 - номера зон работы модулей;

исм - смещение сигнала управления (ширина зоны регулирования); Кп - пропорциональная составляющая коэффициента передачи сигнала ошибки; Ки - интегральная составляющая коэффициента передачи сигнала ошибки. В АРК для совместной работы модулей РТ, ЗРУ, СН, преобразования и накопления энергии заложен принцип зонного регулирования с общим каналом управления по напряжению. Для этого вся область возможного изменения сигнала управления иу разбита на зоны работы, при этом каждому типу модулей выделена своя зона работы. Принцип зонного регулирования показан в виде графика, приведённого на рис. 2.

Рис. 2. График совместной работы модулей АРК с разбиением на зоны

Разделение на зоны при общем канале управления осуществляется за счёт введения в цифровое ПИ-звено каждого из регуляторов своего значения смещения гисм. При таком выполнении системы в зависимости от баланса мощности "потребитель - источники" в работу автоматически включаются требуемые регуляторы [5, 7].

Система управления АКР

Система управления АРК, представляющая собой совокупность автоматических регуляторов напряжения и регуляторов тока с обратной связью, обеспечивает поддержание с заданными точностью и быстродействием выходного напряжения на шине 28,5 В и ограничение токов по заданным уставкам и командам от БК. Регулирование величин напряжения и токов осуществляется на основе широко из-

1=0

вестного принципа ПИД-регулирования с выработкой ШИМ-сигналов управления. Все ПИД-регуляторы являются полностью цифровыми, что позволяет поддерживать необходимую точность и стабильность в системе. В АРК для совместной работы модулей регулирования тока, преобразования и накопления энергии заложен принцип зонного регулирования с общим каналом управления по напряжению.

Параметры системы управления АРК:

а) частота ШИМ - 50 кГц;

б) полоса пропускная контура регулирования напряжения - 150 Гц;

в) полоса пропускная контура регулирования тока - 5000 Гц;

г) разрешение ШИМ-сигнала 0,0625 %;

д) время синхронизации по CAN-сети Тс = 300 мкс.

Синхронизация работы модулей и их диагностика построены на базе цифровой шины CAN. Каждый модуль имеет свой номер и циклически передаёт пакет данных, содержащий информацию о Uoc, In, Iab, Uab, Ib, Gamma, Tmpn. силовых приборов, диагностическую информацию. Время передачи пакета 150 мкс. Каждому модулю отведено строго определённое время для передачи своего пакета - такт 300 мкс. Все остальные модули одновременно принимают текущий пакет данных. Значение U0с, полученное в настоящем такте, используется для расчёта Gamma в текущем и во всех остальных модулях. Контуры регулирования тока не используют общий канал управления, каждый модуль индивидуально отрабатывает уставку по току. При неисправности какого-либо модуля происходит автоматическое исключение его из про-

Uocl(0>-----► _

Uocl(i+l)>-----►

> -

UocNÇi+N-I) у -

CAN_BUS

цесса управления, происходит автоматическая перенумерация остальных модулей, и цикл передачи данных не прерывается.

Структурные схемы формирования управляющего воздействия (Gamma) для регуляторов АРК (РТ, ЗРУ, СН) приведены на рис. 3-6, где обозначены:

Uop - опорное напряжение РТ, ЗРУ и СН; Uoc = KuUn - средневзвешенное значение напряжения обратной связи; Uoc1 (i)... UocN(i + N - 1) - отсчеты напряжений обратной связи модулей 1...N (РТ, ЗРУ) в моменты времени (/)...(/ + N - 1) соответственно;

Uoc1, Uoc2 - отсчеты напряжения обратной связи СН;

Upac = иоп - Uoc - сигнал рассогласования по напряжению;

k - номер зоны работы ШИМ конкретного

модуля;

Ucm - ширина зоны работы ШИМ конкретного модуля;

Gamma - коэффициент заполнения ШИМ-сигнала;

Un - напряжение на нагрузке; In - ток нагрузки; Isb - ток СБ;

Rn - сопротивление нагрузки; Uab - напряжение АБ; Iab - ток АБ;

K, Ku - коэффициенты передачи датчиков тока и напряжения. 1у - ток уставки.

Алгоритмы формирования управляющего воздействия (Gamma) указаны на соответствующих рисунках.

X А.5+1

B.s+1

Product Power Filter

Nag гш ka

Модуль РТ:

Uy = Кп_

u Upac

Gamma = -Кп i • (Ilimit - Ioc) + ¡(Ilimit - Ioc) Ки i + Uy - k• Ucm, при Ilimit < Ioc

Рис. 3. Структурная схема формирования управляющего воздействия в регуляторе РТ

Модуль ЗРУ (режим разряд):

Iy = Uy - k UCm;

Gamma = Knj(Iy - 1Ж) + i(Iy - I0c)-Kuj; Рис. 4. Структурная схема формирования управляющего в регуляторе ЗРУ в режиме разряда АБ

Модуль ЗРУ (режим заряд): Gamma = Knj(Iy - Ioc) + i(Iy - I0c)-Kuj;

Ioc = Ki Iab.

Рис. 5. Структурная схема формирования управляющего воздействия в регуляторе ЗРУ в режиме заряда АБ

Модуль СН:

Uy = Kn_u Upac + (JUpac) Ки_и;

Gamma = Ky (Uy - Ioc) + i(Uy - Ioc)'Ku_

Рис. 6. Структурная схема формирования управляющего воздействия в регуляторе СН

Gamma = К ■(U -1 ) +

п _ i \ y ос 1

В соответствии с рис. 2, вначале работает РТ1, затем, по мере увеличения нагрузки, подключаются следующие модули: РТ 2, 3, 4; при дальнейшей нехватке энергии включается модуль СН, в самой верхней зоне при максимальной нагрузке или нахождении транспортного корабля в тени, энергией СЭС обеспечивают АБ. Разрядные и зарядные токи АБ регулируются в соответствии с ПИД-законом (для одного ЗРУ):

+\(Uy -Ioc) • Ки i + Кд i • d(Uy -Ioc) / dt, (4)

(5)

I = К ■ I

ос дт аб '

где Gamma - коэффициент заполнения ШИМ-сигнала,

Кп_г, Ки_и К_ - пропорциональная, интегральная и дифференциальная составляющие ПИД-регулятора тока; 1ос - сигнал обратной связи по току; Кдт - коэффициент передачи датчика тока; 1аб - ток одной АБ.

Заключение

Таким образом, в системе организуется зонный принцип регулирования, который обеспечивает непрерывное изменение сигнала иу в зависимости от энергобаланса системы и параметрических возмущений. Систему в общем можно рассматривать, при определенных допущениях, как квазилинейную, что позволяет использовать известные линейные методы синтеза и анализа системы управления. При этом настройка контуров регулирования с заданными показателями качества осуществляется раздельно для каждого типа модулей РТ, ЗРУ и СН.

Литература

1. Гущин В.Н. Системы энергопитания. Основы устройства космических аппаратов: учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2003. 272 с.

2. Варенбуд Л.Р., Волокитин В.Н. Инновационные решения при разработке аппаратуры регулирования и контроля систем энергоснабжения космических аппаратов // Энергия - XXI век. 2013. №1 (84). С. 16-27.

3. Савенков В.В., Тищенко А.К., Волокитин В.Н. Принципы построения аппаратуры регулирования и контроля современных систем электроснабжения малоразмерных космических аппаратов // Решетневские чтения. 2017. Т. 1. С. 325-326.

4. Савенков В.В., Тищенко А.К., Волокитин В.Н. Аппаратура регулирования и контроля системы электропитания перспективного пилотируемого транспортного корабля // Решетневские чтения. 2018. Т. 1. С. 303-304.

5. Таболин И.И., Данилов А.Д. Разработка структуры аппаратуры регулирования и контроля системы энергоснабжения космического аппарата // Альтернативная и интеллектуальная энергетика. Воронеж: ВГТУ, 2020. С. 216-217.

6. Таболин И.И., Данилов А.Д. Модуль микроконтроллера в системе автоматического регулирования и контроля энергоснабжения бортовой сети космического аппарата // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве. Воронеж: ВГТУ, 2019. С. 303-304.

7. Таболин И.И., Данилов А.Д. Реализация зонного принципа работы аппаратуры регулирования и контроля бортовой энергосистемы космического аппарата // Актуальные проблемы электроэнергетики. Н. Новгород: Ниже-город. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2020. С. 132-135.

Поступила 05.08.2021; принята к публикации 20.10.2021 Информация об авторах

Таболин Иван Иванович - аспирант кафедры компьютерных интеллектуальных технологий проектирования, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: iwan.tabolin@yandex.ru

Кузьменко Роман Юрьевич - аспирант кафедры компьютерных интеллектуальных технологий проектирования, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: kuzromik7@yandex.ru

Данилов Александр Дмитриевич - д-р техн. наук, профессор кафедры компьютерных интеллектуальных технологий проектирования, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: danilov-ad@yandex.ru

IMPLEMENTATION OF ZONE PRINCIPLE IN THE CONTROL SYSTEM OF REGULATION AND MONITORING EQUIPMENT OF SPACECRAFT ONBOARD NETWORK

I.I. Tabolin, R.Yu. Kuz'menko, A.D. Danilov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the article describes the application of the zone regulation principle in the development of control system for the regulation and monitoring equipment of the spacecraft's onboard network. We present brief descriptions of the regulation and monitoring equipment and its constituent modules. We show regulation functional diagram of the regulation and monitoring equipment and collaboration of its modules graph with the division into zones. We describe the control system for the regulation and monitoring equipment. We present structural diagrams of the formation of a control action for all regulators of the regulation and monitoring equipment. Zone regulation principle implementation is achieved by the fact that the entire area of possible changes in the control signal is divided into zones of operation. Each type of module has its own zone of operation. This approach provides automatic connection of the required regulators depending on the power balance of the "consumer -sources". This principle provides a continuous change in the control signal depending on the energy balance of the system and parametric disturbances. The system can be considered as quasilinear, which makes it possible to use well-known linear meth-

paghotexhhka h cb33b

ods of synthesis and analysis of control system. We carried out control loops customization with determined quality indicators separately for each type of the regulation and monitoring equipment modules.

Key words: power supply system, control system, zone regulation principle, regulation and monitoring equipment, onboard network, spacecraft.

References

1. Gushchin V.N. "Power supply systems. Fundamentals of spacecraft construction" ("Sistemy energopitaniya. Osnovy ustroystva kosmicheskikh apparatov"), Moscow: Mashinostroenie, 2003, 272 p.

2. Varenbud L.R., Volokitin V.N. "Innovative solutions in the development of regulation and monitoring equipment of spacecraft power supply systems", Energy -XXI century (Energiya -XXIvek), Voronezh, 2013, no. 1 (84), pp. 16-27.

3. Savenkov V.V., Tishchenko A.K., Volokitin V.N. "Principles of construction of regulation and monitoring equipment of modern power supply systems for small spacecraft", Reshetnev Readings (Reshetnevskie chteniya), Krasnoyarsk, 2017, vol. 1, pp. 325-326.

4. Savenkov V.V., Tishchenko A.K., Volokitin V.N. "Regulation and monitoring equipment of the power supply system of a promising manned transport vehicle", Reshetnev Readings (Reshetnevskie chteniya), Krasnoyarsk, 2018, vol. 1, pp. 303-304.

5. Tabolin I.I., Danilov A.D. "Development of the regulation and monitoring equipment structure of the spacecraft power supply system", Alternative and Intellectual Energy (Al'ternativnaya i intellektual'naya energetika), VSTU, 2020, pp. 216-217.

6. Tabolin I.I., Danilov A.D. "Microcontroller module of automatic regulation and control system of spacecraft power supply onboard network", New Technologies in Scientific Research, Design, Management, Production (Novye tekhnologii v nauchnykh is-sledovaniyakh, proyektirovanii, upravlenii, proizvodstve), VSTU, 2019, pp. 303-304.

7. Tabolin I.I., Danilov A.D. "Implementation of the zone principle of operation of the equipment for regulation and control of the onboard power system of the spacecraft", Actual problems of the electric power industry (Aktual'nye problemy elektroener-getiki), Nizhny Novgorod, 2020, pp. 132-135.

Submitted 05.08.2021; revised 20.10.2021 Information about the authors

Ivan I. Tabolin, Graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), email: iwan.tabolin@yandex.ru

Roman Yu. Kuz'menko, Graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: kuzromik7@yandex.ru

Aleksandr D. Danilov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: danilov-ad@yandex.ru