Разработка и исследование систем наведения крупного радиотелескопа миллиметрового диапазона

Актуальность темы

На современном этапе развития техники ставится задача изучения и освоения дальнего и сверхдальнего космоса как наиболее перспективная в плане получения абсолютно новой информации о строении, происхождении и развитии Вселенной, управления искусственными космическими объектами как в околоземном пространстве, так и за его пределами. 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 [5, 17, 39].

Качество работы следящих электроприводов (СЭП) наведения главного зеркала оказывает непосредственное влияние на эксплуатационные характеристики радиотелескопа, так как только при точном наведении могут быть в полной мере использованы его расчётные радиотехнические параметры. Поэтому задача создания высококачественных СЭП наведения крупных радиотелескопов является весьма актуальной. Сложность реализации высокоточных систем наведения обусловлена не только упругими свойствами механической конструкции антенной установки, но и действием на зеркальную часть ветрового возмущения случайного характера, гравитационных нагрузок, а также наличием нелинейностей в кинематических передачах (зазоров в зацеплениях зубчатых колёс и нелинейных потерь на трение в различных узлах вращения). При увеличении геометрических размеров и веса вращающейся части конструкции влияние этих факторов на точность наведения становится весьма существенным.

Вопросы компенсации основных нелинейностей в кинематических передачах крупных радиотелескопах изучаются достаточно давно как у нас в стране, так и за рубежом [11, 19, 28, 32−36]. На данный момент введены в эксплуатацию и действуют радиотелескопы, в которых для устранения негативного влияния зазоров в зацеплениях зубчатых колёс используются электромеханические [19, 35] либо просто механические устройства. Также разработаны и внедрены специальные способы построения структуры СЭП наведения, позволяющие свести отрицательное влияние момента трения к минимуму [4].

Гравитационные нагрузки, действующие на конструкцию радиотелескопа, вызывают деформацию поверхности главного зеркала, а также изменение конфигурации опор контррефлектора [13]. Всё это приводит к ухудшению качества приёма полезного сигнала. Однако, на данный момент разработана методика, позволяющая по измеренным значениям деформаций элементов зеркальной системы и ошибкам наведения рассчитать координаты точки с максимальной интенсивностью электромагнитного поля принимаемого излучения, в которую необходимо переместить облучатель радиоприёмника для улучшения качества приёма [9].

С другой стороны проблема устранения статической ошибки наведения радиотелескопа, обусловленная ветровыми возмущениями, остаётся нерешенной, несмотря на то, что сам характер ветровых нагрузок и его математическое описание достаточно хорошо изучены [25]. Важность решения задачи идентификации и устранения негативного влияния ветрового момента обусловлена необходимостью наведения телескопа с требуемой точностью на сверхдальние космические объекты. Так, даже при ветре с относительно небольшой постоянной составляющей (10 м/с), отклонение диаграммы направленности от установленного направления будет составлять порядка нескольких десятков угловых секунд [12, 20]. Сложность состоит и в том, что величина ветрового момента изменяется по случайному закону. Это приводит к постоянно изменяющейся ошибке наведения.

Таким образом, учёт влияния ветровых возмущений, выбор наиболее приемлемого математического описания объекта совместно с мероприятиями по компенсации нелинейностей и поправок на гравитационные деформации должны обеспечить качественное управление радиотелескопом и требуемую точность наведения.

Цель диссертационной работы. Разработка и исследование следящих электроприводов наведения крупного радиотелескопа, позволяющих обеспечить точность наведения главного зеркала, необходимую для работы в миллиметровом диапазоне радиоволн.

В диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Разработка структуры построения следящих электроприводов наведения, позволяющей устранить статические ошибки наведения зеркальной части конструкции крупных радиотелескопов от действия ветрового потока.

2. Сравнительный анализ наблюдающих устройств идентификации, предназначенных для оценки момента статических сопротивлений, обусловленного действием ветрового потока на зеркальную часть конструкции больших радиотелескопов.

3. Разработка методики расчета параметров регуляторов и наблюдающих устройств в составе предлагаемой структуры построения следящих электроприводов наведения.

4. Разработка методики статистической оптимизации системы управления электроприводами наведения крупного радиотелескопа, позволяющей значительно уменьшить среднеквадратическую ошибку наведения главного зеркала при действии ветрового возмущающего воздействия.

Методы исследования и использованная аппаратура. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены в рамках применения методов теории управления и случайных процессов, методов расчета и анализа линейных и нелинейных систем, методов линейной алгебры. В процессе математического моделирования процессов управления применялись методики решения дифференциальных уравнений высокого порядка и методики построения моделей систем с использованием специальных математических пакетов, таких как МАТЬАВ и МаШСАЭ, и встроенных в них языков программирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структура следящих электроприводов крупного радиотелескопа, обеспечивающая устранение статической ошибки наведения.

2. Система уравнений ошибок переменных состояния объекта управления, вызванных действием внешнего возмущения.

3. Структура и обоснование выбора параметров наблюдающего устройства, оценивающего момент ветровой нагрузки.

4. Методика оптимизации следящих электроприводов наведения в условиях ветрового воздействия на главное зеркало радиотелескопа.

Научная новизна:

1. Структура следящих электроприводов крупного радиотелескопа позволяет устранить статическую ошибку наведения без использования дополнительных технических средств для определения текущего углового положения зеркальной части конструкции.

2. Система уравнений ошибок переменных состояния объекта управления, вызванных действием внешнего возмущения, отличается универсальностью по отношению к такому объекту управления, как крупный радиотелескоп, где известна информация о токах и скоростях двигателей главных электроприводов, скоростной контур замыкается через модальный регулятор, а переменные объекта оцениваются наблюдателем.

3. Структура наблюдающего устройства, оценивающего ветровой момент, в отличие от используемых в предыдущих работах включает в себя нелинейность, моделирующую трение в кинематических передачах, что позволяет отделить момент, вызванный ветровым потоком, от момента трения. Обоснование выбора коэффициентов данного наблюдающего устройства позволяет свести к минимуму их количество и осуществить их формализованный расчет.

4. Критерий качества работы системы для проведения статистической оптимизации следящих электроприводов радиотелескопа отличается наличием в своем составе, помимо среднего квадрата ошибки, слагаемого, отвечающего за оценку колебательности переходного процесса выходной величины.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов. Обоснованность и достоверность научных результатов диссертационной работы вытекает из применения ранее разработанных методов исследования, доказанных и не вызывающих сомнения, правомерности исходных теоретических положенийподтверждается результатами моделирования работы системы, построенной на основе полученных в ходе исследований выводов. Исходная структура следящих электроприводов наведения радиотелескопа, положенная в основу структуры с предлагаемым вариантом астатического наблюдающего устройства и принятая в качестве целевой системы для верификации методики статистической оптимизации, была ранее разработана, отражена в ряде докторских и кандидатских работ и экспериментально проверена сотрудниками кафедры робототехники и автоматизации производственных систем (РАПС) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ) на действующем крупном радиотелескопе СМ214АУ.

Практическая значимость новых научных результатов.

1. Структура построения следящих электроприводов наведения крупного радиотелескопа позволяет практически полностью исключить статическую ошибку наведения главного зеркала.

2. Уравнения для определения ошибок переменных состояния объекта управления позволяют оценить величину рассогласований между реальными координатами объекта и их заданными значениями при действии на радиотелескоп возмущающего воздействия в виде ветрового потока.

3. Методика расчета параметров регуляторов и наблюдающих устройств в составе предлагаемой структуры позволяет значительно сократить трудовые и временные затраты при определении соответствующих параметров на практике.

4. Практическая ценность разработанной методики статистической оптимизации состоит в возможности значительного уменьшения (в несколько раз) среднеквадратической ошибки наведения главного зеркала крупного радиотелескопа.

Реализация и внедрение результатов исследования. Тема исследований соответствует направлению научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых сотрудниками кафедры РАПС (СПбГЭТУ) в качестве контрагентов по Федеральной космической программе России на 2006;2015 годы, утверждённой постановлением правительства РФ от 28.12.2006 г., № 812−37, а также по международной программе работ по созданию высокоточных систем наведения для радиотелескопа миллиметрового диапазона с диаметром зеркала 70 м на плато Суффа (Узбекистан). Теоретические положения, методики расчета и результаты исследований диссертации использованы в 2 научно-исследовательских работах, выполненных в рамках договоров с государственным предприятием «Научно-исследовательский центр СПбГЭТУ» в течение 2007;2009 г. г.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 59-я, 60-я, 62-я научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, Санкт-Петербург, 2006;2009 г. г.

2. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «XXXV Неделя науки Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Санкт-Петербург, ноябрь 2006 г.

Публикации. Основныетеоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 5 статьях, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 2 статьи в других изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Она изложена на 145 страницах машинописного текста, включает 53 рисунка, 12 таблиц и содержит список литературы из 42 наименования, среди которых 40 отечественных и 2 иностранных автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе было показано, что для качественного наведения крупного радиотелескопа в нужную точку на небосклоне, необходимо выполнить довольно значительный объем мероприятий, большинство из которых на данный момент времени довольно тщательно исследованы и описаны. Однако, как уже упоминалось, для повышения точности наведения требуется совершенствование разработанных алгоритмов, методик и решений. Более того, важно развивать кардинально новые пути повышения точности наведения. В предложенной работе автор постарался осуществить именно эту задачу. Сталкиваясь с проблемой компенсации действия внешних возмущений, разработчикам приходиться решать задачи по полному либо частичному устранению влияния данных возмущений на радиотелескоп. В данной диссертационной работе была рассмотрена возможность повышения точности наведения крупного радиотелескопа путем создания специальных алгоритмов и синтеза такой структуры системы управления, которые бы позволили исключить либо уменьшить насколько это возможно негативное влияние ветрового возмущающего воздействия. Основными результатами проведенных исследований стали: методика статистической оптимизации, а также структура системы наведения крупного радиотелескопа, позволяющая численно оценить влияние на систему ветрового возмущения и максимально снизить негативное его влияние на качество наведения антенной установки.

Достоинством разработанной методики статистической оптимизации является то, что она может быть применена к довольно широкому классу сложных электромеханических объектов, в первую очередь к такому объекту управления как радиотелескоп. Данная методика позволяет оптимальным образом настроить систему, в которой довольно много варьируемых параметров и которая имеет сложную многомассовую структуру. Для отыскания оптимальных значений настраиваемых параметров применяется алгоритм поиска, хорошо зарекомендовавший себя при исследовании систем наведения крупных радиотелескопов. Приведенные в диссертационной работе результаты моделирования подтверждают целесообразность применения методики статистической оптимизации для разработки систем управления сложными электромеханическими объектами.

В дополнение к упомянутой методике статистической оптимизации, в диссертационной работе была предложена структура системы управления крупного радиотелескопа, позволяющая устранить статическую ошибку наведения зеркальной его части от действия ветрового возмущения. Для этого был проведен ряд исследований, касающийся принципиальной возможности оценки момента статических сопротивлений и расчета наблюдающего устройства, способного численно оценить данный момент. Результаты моделирования системы наведения с предложенной структурой на примере конкретного объекта показывают эффективность разработанных решений.