Дипломная работа на тему: Метод расчета мехатронной системы привода телескопа основе равновесно-оптимальной балансировки

Введение

На данный момент телескопы - важнейшие радиоастрономические инструменты, используемые для исследования космического пространства, диаметр зеркала которых достигает 80 метров, а масса подвижных частей от 10 до нескольких тысяч тонн.

Неточность наведения на объект при работе в диапазоне в миллиметрах не может превышать нескольких угловых секунд [4, 25], а так же нужно предоставить гарантию наивысшего постоянства низких скоростей слежения примерно несколько единиц угловых секунд за секунду.

Радиотелескоп - сложный объект управления, состоящий из семи регулируемых приводов:

азимутальный и угломестный приводы для перемещения зеркала антенны

до пяти приводов для перевода и ориентации зеркала контррефлектора.

Чтобы предоставить маленькие скорости слежения используются многоступенчатые редукторы с передаточными числами от 1 тысячи до 100 тысяч единиц.

Чтобы предоставить высокие точности слежения датчики обратных связей должны фиксироваться на осях вращения зеркала. При этом контуры обратных связей соединяют объемные упругие звенья, у которых есть упругие изменения, резонансные частоты, люфты и сухие трения. Поэтому создание высокоточной системы управления перемещения зеркала - сложная научно-техническая задача.

Радиотелескоп изобрели в середине прошлого столетия. В то время употребляли двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, которые управлялись от электромашинных усилителей [10, 4, 25] и тиристорных преобразователей [19]. Это было необходимо для того, чтобы передвинуть зеркала антенны по азимуту и углу места.

Для того чтобы был высокий диапазон управления скорости, употреблялись двухдвигательные электроприводы с механическим дифференциалом. В них происходило слежение от привода медленного движения, который наблюдал за астрономическими объектами со скоростями от 1 до 100 и более угл. с. /с. Так же происходила переинстализация антенны со скоростями от пяти до десяти град/с [4, 25] в новое рабочее положение от привода быстрого движения.

В то время двигателями постоянного тока в приводах радиотелескопов пользовались из-за того, что у них были наилучшие регулировочные характеристики по сравнению с приводами на базе двигателей переменного тока.

В XXI веке прогресс в области силовой электроники и вычислительной техники дал толчок для производства регулируемых асинхронных и синхронных электроприводов. Можно было увидеть компактные блоки управления двигателями переменного тока. В них силовая часть разработана на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) или мощных полевых транзисторов (MОSFET), которые обладают частотой коммутации в десятки кГц. Высокопроизводительные сигнальные процессоры управляют силовым каскадом. Эти процессоры обладают высоким быстродействием, их скорость составляет до нескольких десятков миллионов операций умножения с плавающей точкой в секунду. Все вышеперечисленное дало возможность создать непростые вычислительные алгоритмы управления скорости двигателей переменного тока, такие как:

частотные,

частотно-токовые,

векторные [19, 20, 21, 22].

Электроприводы на базе двигателей переменного тока стали недорогими и более удобными. Они принялись вытеснять электроприводы постоянного тока из разнообразных промышленных и технологических установок, в большей степени это имеет отношение к приводам на базе асинхронных двигателей. [19]

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД) по сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ), который имеет сложный и дорогостоящий щёточно-коллекторный узел, обладает простым строением. У него нет подвижных контактов, он используется в трудных условиях эксплуатации. Помимо этого, при одинаковой мощности АД примерно в три раза меньше весит и в десять раз дешевле, чем ДПТ [4, 20, 23, 25].

На данный момент в России и за границей созданы специализированные электромеханические модули на базе АД. Их использование направлено для высококачественных следящих приводов станков с ЧПУ, имеющих, помимо АД, в своём составе фотоимпульсные датчики (ФИД). Эти датчики измеряют скорость и угловое положение ротора, электромагнитные муфты и вентиляторы принудительного охлаждения. Высокодинамичные и высокоточные электроприводы были разработаны благодаря использованию этих деталей, управляемых от векторных преобразователей частоты (ПЧ). Полоса пропускания частот таких электроприводов составляет до 200 Гц и диапазон регулирования скорости до 50 тысяч. Отсюда появились условия и стали актуальными вопросы разработки и создания электроприводов на базе двигателей переменного тока, прежде всего асинхронных, для опорно-поворотных устройств радиотелескопов и радиолокаторов. Их можно использовать как для вновь реализованных радиотелескопов и радиолокаторов, так и для разработанных раньше. На данных момент времени наша страна располагает несколькими радиотелескопами и немалым количеством радиолокационных установок с устаревшими приводами на базе ДПТ. Детали этих приводов (двигатели, редукторы, блоки управления, датчики) отстали от времени во всех смыслах. В то же самое время наблюдается постоянный рост требованиям к приводам данных систем по быстродействию, точности, компактности, многофункциональности, ресурсу работы. Поэтому необходима новая разработка подобных систем, либо усовершенствование уже созданных. Второй вариант - менее затратный. Для него не нужно создание дорогостоящих деталей: зеркал и отражателей, диаметр которых может приближаться к нескольким десяткам метров, а точность производства должна быть очень высокой.

В городе Дмитров Московской области находится один из таких радиоастрономических инструментов - радиотелескоп РТ-7.5 МГТУ им. Н.Э. Баумана. Он был создан и начал свою работу в 1973 году. Так же помощь при производстве системы электроприводов на базе ДПТ, управляемых от электромашинных усилителей, осуществляли Физический институт академии наук (ФИАН) и Центральный научно-исследовательский институт автоматика и гидравлики (ЦНИИАГ). Радиотелескоп РТ-7.5 изображен на рис.1.

мехатронная модель телескоп привод

Рис.1. Радиотелескопа РТ - 7.5

Представленный на рис.1 радиотелескоп - единственный в России телескоп, который работает в миллиметровом диапазоне радиоволн в диапазоне длин волн 1-8 мм. При этом минимальная ширина диаграммы направленности составляет 30 угл. с. Предназначение данного телескопа состоит в исследовании области радиоастрономии, физики атмосферы и распространения радиоволн, а также для учебных занятий со студентами. Строение данного телескопа: две полноповоротные антенные установки (АУ) с параболическими зеркалами диаметром 7,75 м. Расстояние между АУ - 250 метров на линии "восток-запад". Они могут использоваться как радиоинтерферометр.125 метров между АУ разделяет система управления радиотелескопа, которая размещена в аппаратном помещении.

В 2004 г в МГТУ им. Н.Э. Баумана решили усовершенствовать радиотелескоп, в том числе его приводные части, для того чтобы минимизировать погрешности наведения с десяти угл. с до двух с половиной угл. с., таким образом в четыре раза, и увеличить скорость слежения с 325 угл. с. /с до 9000 угл. с. /с, приблизительно в тридцать раз. Были поставлены новые требования по точности наведения и, особенно по скорости слежения, которые должен решать радиотелескоп:

Слежение за низколетящими космическими аппаратами (КА);

Обеспечение возможности сопровождения КА в режиме активного наведения, когда радиотелескоп работает как радиолокатор.

В работе исследуется мехатронная модель системы позиционного контура управления модернизированного привода угла места радиотелескопа РТ-7.5.

Базовыми для исследования принимаются результаты по методам оптимизации управления многообъектными многокритериальными системами (ММС), которые получены на основе стабильно-эффективных игровых решений и компромиссов.

Оглавление

- Введение

- Общая характеристика построения мехатронной модели привода радиотелескопа

- Общая структура привода радиотелескопа

- Математическая модель трех подсистем привода угла места радиотелескопа

- Методы оптимизации ммс в условиях конфликта и неопределённости

- Многообъектные многокритериальные системы ММС

- Основные сведения о методах оптимизации ММС в условиях конфликта и неопределённости

- Основные определения эффективности и стабильности и перечень алгоритмов стабильного, эффективного управления и стабильно-эффективных компромиссов

- Математическая модель взаимодействия подсистем мехатронной модели привода радиотелескопа в условиях исходной структурной несогласованности

- Математическая модель взаимодействия трех подсистем привода радиотелескопа

- Двухэтапный алгоритм равновесно-арбитражной параметрической балансировки мехатронной модели привода радиотелескопа

- Исследование взаимодействия подсистем мехатронной модели привода радиотелескопа

- Исходные данные. Описание структуры программной системы МОМДИС

- Результаты многофакторного анализа Заключение

- Список литературы

- Приложение

Список литературы

1. Вайсборд Э.М. Жуковский В.И. Введение в дифференциальные игры нескольких лиц и их приложения. М.: Сов. радио, 1980

2. Вилкас Э.И. Оптимальность в играх и решениях. - М.: Наука 1990.

. Воронов Е.М. Методы оптимизации многообъектных многокритериальных системам на основе стабильно-эффективных решений: учебник/Под. ред.Н. Д Егупова. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

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

. Воронов Е.М., Серов В.А. Алгоритм интерактивной многокритериальной оптимизации // автоматизированное проектирование систем управления. - М., 1986. Выпуск 4 - (Труды МВТУ: №458)

. Воробьев Н.Н. Основы теории игр. Бескоалиционные игры. - М.: Наука, 1984

. Гермейер Ю.Б. Введение в теорию исследования операций. - М.: Наука, 1971.

. Гермейер Ю.Б. Игры с непротивоположными интересами. - М.: Наука, 1971.

. Дюбин Г.И., Суздаль В.Г. Введение в прикладную теорию игр. - М.: Наука - 1981

. Арендт В.Р., Сэвент К. Дж. Практика следящих систем: Пер. с англ. - Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 556 с.

. Месарович М., Маю Д., Такахара Н. Теория иерархических многоуровневых систем: Пер. с анг. - М.: Мир, 1973.

. Моисеев Н.Н. Элементы теории оптимальных систем. - М.: Наука, 1975.

. Льюс Р.Д., Райфа Х. Игры и решения. - М.: Издательство иностр. лит., 1961.

. Мулен Э. Теория игр с примерами из экономики. - М.: Мир - 1985.

. Петросян Л.А., Томский Г.В. Динамические игры и их приложения/ - Л.: Издательство ЛГУ - 1982

. Плотников В.Н., Зверев В.Ю. Принятие решения в системах управления. Теория и проектирование алгоритмов. принятие проектных решений для многообъектных распространенных систем управления. - М.: Издательство МГТУ, 1994.

. Поляк Б.Т., Щербаков П.С. Робастная устойчивость и управление. - М.: Наука 2002.

. Черноусько Ф.Л., Меликон А.А. Игровые задачи управления и поиска. - М.: Наука,-1978.

. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод производственных механизмов и технологических комплексов. - М.: Академия, 2004. - 576 с.

. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: Издательский центр "Академия", 2006. - 272 с.

. Мелкозеров П.С. Энергетический расчет систем автоматического управления и следящих приводов. - М.: Энергия, 1966. - 304 с.

. Елисеева В.А., Шинянского А.В. Справочник по автоматизированному электроприводу. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 616 с.

. Следящие приводы / Е.С. Блейз, В.Н. Бродовский, В.А. Введенский и др.; Под ред. Б.К. Чемоданова. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. Том 1 - Теория и проектирование следящих приводов. - 904 с.

. Преобразователь частоты АВ-100 для высокоточных приводов переменного тока: Техническое описание и инструкция по эксплуатации - М.: Приводная техника, 2004. - 80 с.

. 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.

. Следящие приводы / Е.С. Блейз, В.Н. Бродовский, В.А. Введенский и др.; Под ред. Б.К. Чемоданова. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. Том 2 - Электрические следящие приводы. - 890 с.

. Казмиренко В.Ф., Лесков А.Г., Введенский В.Д. Системы следящих приводов. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 303 с.

. Основы проектирования следящих систем / Под ред. Н.А. Лакоты. - М.: Машиностроение, 1978. - 391 с.

. Ле Ван Тхань, Польский В.А. Система модернизация следящих электроприводов радиотелескопа РТ-7.5 // Экстремальная робототехника: Труды 17-й научно - технической конференции. - Санкт - Петербург, 2006. - С.539-546.

. Козырев А.А., Курохтин М.В., Польский В.А. Модернизация приводов радиотелескопа РТ - 7.5 // Экстремальная робототехника: Труды 16-й научно-технической конференции. - Санкт - Петербург, 2005. - С.374-378.