Регулирование адаптивной поверхности главного зеркала радиотелескопа

Расчет проводился для двух сечений недеформированного параболоида взаимно-перпендикулярными плоскостями AOBF и CODF. В результате пересечений образуются две параболы AOB и COD в системах координат xoz и yoz Ординаты парабол выбираются на равномерной сетке осей x и y из диапазона [-35: 70/10: 35], (по 10 точек на каждую ось).

Рис. 2.31. Сечения недеформированного параболоида

Недеформированный параболоид от угла места в=90^o последовательно разворачивался на углы 80^o 60^o 30^o 0^o.

Для каждого положения рассчитывались деформации Дz и Дy, как приращения к координатам z и y развернутого на соответствующий угол недеформированного параболоида.

Координаты деформированного параболоида в системе координат xyz определяются путем умножения координат заданных точек парабол AOB и COD на матрицу поворота недеформированного параболоида относительно вершины и прибавлением деформаций.

Программа расчета основных параметров диаграммы направленности и расчет координат для деформированного параболоида в вычислительной среде Matlab приведена в Приложении 1.

зеркало радиотелескоп адаптивная поверхность антенный

3. Разработка методики расчета перемещений фасет для совмещения их отражающих поверхностей с поверхностью аппроксимирующего параболоида

В предыдущем пункте 2. «Разработка методики расчета аппроксимирующего параболоида деформированной поверхности главного зеркала по результатам измерений заданного поля точек, принадлежащих этой поверхности» рассматривался общий алгоритм адаптивной настройки зеркальной системы радиотелескопа РТ-70, подверженной гравитационному воздействию. В результате выполненных КЭ исследований сформулированы основные цели работы. Одной из целей работы было - Перемещение фацет зеркальной системы в точки поверхности аппроксимирующего параболоида, соответствующего данному положению.

- радиус-вектор места крепления q-го домкрата , управляющего положением f-фацеты, где , ; - радиус-вектор места крепления домкрата к фацете в отсчетной недеформированной конфигурации; - вектор перемещения места крепления домкрата к фацете , возникающий под действием гравитационных сил; - вектор перемещения места крепления домкрата к фацете , возникающий под действием тепловых воздействий; - вектор смещения, переводящий место крепления домкрата к фацете в соответствующую точку поверхности аппроксимирующего параболоида.

Рис. 3.1. Перемещение фацет зеркальной системы в точки поверхности аппроксимирующего параболоида, соответствующего данному положению

4. Расчет системы управления электроприводом актуатора для перемещения фасеты

4.1 Краткая характеристика области и условий применения двигателя МД100, датчика ДУ-ТО и контроллера ДЛ-ГО

Для адаптивного регулирования (подстройки) отражающей поверхности рефлектора радиотелескопа РТ-70, путём перемещения щитов рабочей обшивки вдоль нормали поверхности, между щитами и ферменным каркасом устанавливаются дистанционно управляемые актуаторы. Актуатор представляет собой электромеханический винтовой домкрат, включающий роликовинтовую передачу с длинными резьбовыми роликами, которая преобразует вращательное движение первичного вала в поступательное движение выходного штока актуатора. Выходной шток актуатора, на котором жестко закреплен дисковый элемент рефлектора радиотелескопа, должен обеспечивать его перемещение в заданном рабочем диапазоне с высокой точностью. Для этого необходим абсолютный датчик положения выходного штока актуатора, который для обеспечения требуемой точности перемещения должен быть выполнен двухотсчетным, т.е. содержать два датчика: ДУ-ТО для преобразования в электрический сигнал угла поворота первичного вала актуатора; ДЛ-ГО для преобразования в электрический сигнал линейного перемещения выходного штока актуатора.

Выполнение заданных точностных и эксплуатационных требований, предъявляемых к электроприводу актуатора для антенной установки возможно только при построении безредукторной следящей системы (далее - БСС), осуществляющей управление линейным перемещением выходного штока актуатора через соответствующее угловое перемещение его первичного вала. В общем виде структурная схема такой БСС, применительно к актуатору для антенной установки, приведена на рисунке 4.1, где а - угол поворота первичного вала актуатора; Т - линейное перемещение выходного штока актуатора; U_1UHM, U_B -то, U_R~ro - соответственно напряжения ШИМ-управления МД100, напряжения возбуждения ДУ-ТО и ДЛ-ГО; и_вЫх то и U_GbIX~ro - соответственного выходные ЭДС ДУ-ТО и ДЛ-ГО.

Это позволяет управлять, с помощью контроллера БСС, линейным перемещением выходного штока актуатора путем поворота первичного вала актуатора. Для обеспечения указанных функций МД100, ДУ-ТО и ДЛ-ГО выполняются в виде бесконтактных электрических машин соответственно в виде: индукторного моментного двигателя постоянного тока с электромагнитной редукцией частоты вращения и возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов, располагаемых на его роторе, и индукционных кругового и линейного информационных датчиков типа дифференциальный трансформатор.

4.2 Тактико-технические требования на разработку МД100, ДУ-ТО и ДЛ-ГО

В соответствии с техническим заданием для электропривода актуатора антенной установки должна быть выполнена разработка моментного двигателя МД100, датчика ДУ-ТО и датчика ДЛ-ГО с основными техническими параметрам, приведенными соответственно в таблицах 4.1, 4.2 и 4.3.

Таблица 4.1

Таблица 4.2

Таблица 4.3

4.2.1 Требования по стойкости к внешним воздействующим факторам и условиям эксплуатации

По условиям эксплуатации МД100, ДУ-ТО и ДЛ-ГО относятся к изделиям внутреннего монтажа в климатическом исполнении УХЛ по ГОСТ 15150, к группам механического исполнения М44 и М46 по ГОСТ 17516.1 с учетом следующих требований.

рабочая температура окружающей среды от минус 40 до плюс 40°С;

предельные температуры окружающей среды от минус 50 до плюс 70°С;

относительная влажность (без конденсации влаги) до 98% при 25°С;

пониженное атмосферное давление 560 мм.рт.ст.

В случае размещения МД100, ДУ-ТО или ДЛ-ГО вне актуатора, они должны иметь степень защиты исполнение IP 65 по ГОСТ 14254.

4.3 Основные технические характеристики МД100, ДУ-ТО и ДЛ-ГО

4.3.1 Тактико-технические характеристики

Анализ требований технического задания на разработку МД100, ДУ-ТО и ДЛ-ГО, результатов, полученных при разработке технических предложений, и условий работы в составе электропривода актуатора антенной установки показал, что они требуют дополнительной конкретизации. Поэтому следует уточнить и дополнить тактико-технические характеристики, которым должны соответствовать МД100, ДУ-ТО и ДЛ-ГО.

4.3.2 Технические характеристики МД100:

Режим работы при пусковом моменте по ГОСТ 183 - продолжительный; способ охлаждения - естественный; положение в пространстве по ГОСТ РВ 51816.0 - любое; величина воздушного зазора между ротором и статором не менее 0,2 мм; диапазон рабочих углов поворота ротора неограничен и должен составлять (0-360)° xN, где N - любое положительное число из числового ряда;

Конструкция МД100 должна обладать свойствами взаимозаменяемости в актуаторе и обеспечивать возможность его замены в условиях предприятия-изготовителя.

4.3.3 Технические характеристики ДУ-ТО

Режим работы по ГОСТ 183 - продолжительный; способ охлаждения - естественный; положение в пространстве по ГОСТ РВ 51816.0 - любое; Величина воздушного зазора между ротором и статором не менее 0,2 мм; диапазон рабочих углов поворота ротора неограничен и должен составлять (0-360)° xN, где ТЧ - любое положительное число из числового ряда; конструкция ДУ-ТО должна обладать свойствами взаимозаменяемости в актуаторе и обеспечивать возможность его замены в условиях предприятия-изготовителя.

Выходная характеристика ДУ-ТО приведена на рис.4.2.

Рис. 4.2. Выходная характеристика ДУ-ТО

4.3.4 Технические характеристики ДЛ-ГО

Режим работы по ГОСТ 183 - продолжительный; способ охлаждения - естественный; положение в пространстве по ГОСТ РВ 51816.0 - любое; величина воздушного зазора между ротором и статором не менее 0,3 мм; конструкция ДЛ-ГО должна обладать свойствами взаимозаменяемости в актуаторе и обеспечивать возможность замены его в месте эксплуатации.

4.4 Выбор принципиального построения и конструкции МД100

4.4.1 Принципиальное построение МД100

Решение задачи по определению принципиального построения бесконтактного моментного двигателя, удовлетворяющего указанным выше требованиям, является по существу рядом компромиссов между взаимосвязанными факторами физических явлений, таких как образование электромагнитного момента, теплового действия электрического тока и электромагнитной индукции. В связи с этим получили развитие разные типы электродвигателей переменного и постоянного тока, которые в результате того или иного компромисса подчеркивали требуемые технические и экономические характеристики в различных по конструкции и назначению приборах, создавая им тем самым дополнительные конкурентоспособные свойства.

Высокая технологичность и простота конструкций ДУ-ТО и ДЛ-ГО достигается за счет минимизации количества деталей, использования только простых по геометрии форм, реализации обмоток на простейших катушках, применения только типовых технологических процессов и широкодоступного универсального станочного оборудования без специализированной оснастки и инструмента.

Минимизация количества деталей и достигнутая простота конструкций ДУ-ТО и ДЛ-ГО являются основой для реализации технологии простой последовательно-параллельной сборки без индивидуальной пригонки сопрягаемых поверхностей. Величина воздушного зазора между ротором и статором ДУ-ТО и между якорем и статором ДЛ-ГО устанавливается в начале проектирования, исходя из требуемых величин выходной ЭДС в пределах рабочих перемещений.

4.4.2 Описание конструкции МД100

Моментный двигатель МД100 имеет на статоре 12 овальных пазов, в которые уложена трехфазная сосредоточенная катушечная обмотка. Магнитопровод статора предполагается выполнять не шихтованным из сплошной электротехнической стали 20860 по ГОСТ 11036. Все концы обмоток двигателя должны подпаиваться к соединительной плате, расположенной на торцевой поверхности статора. Согласно чертежа общего вида 653-2005-010 ВО, наружный диаметр статора равен 100g6, диаметр расточки статора - 76 мм. Односторонний воздушный зазор между статором и ротором составляет 0,2 мм. Для монтажа и демонтажа статора на его торцевой поверхности со стороны выводных концов предусмотрены четыре отверстия МЗ.

4.4.3 Основные характеристики МД100

Для определения и обоснования целесообразности разработки и внедрения моментного двигателя МД100 в производство ниже приведен анализ тактико-технических характеристик МД100.

Основные характеристики МД100 приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4

4.4.4 Принципиальное построение ДУ-ТО и ДЛ-ГО

По принципу построения наиболее оптимальным вариантом выполнения ДУ-ТО и ДЛ-ГО, исходя из указанных выше условий и требований, является индукционный круговой или линейный датчик трансформаторного типа, физической основой работы которого является закон электромагнитной индукции. Наведенная переменным магнитным потоком, созданным обмоткой возбуждения, ЭДС в выходной обмотке.

Для обеспечения наилучших показателей по технико-экономической эффективности конструкции МД100, определились следующие наиболее важные конструктивно - технологические и эксплуатационные требования:

минимизация составных частей (деталей и сборочных единиц) и высокая технологичность конструкции в условиях мелкосерийного и серийного производства;

согласованность требований по точности изготовления с базовыми технологиями и универсальным автоматизированным производственным оборудованием;

обеспечение контролепригодности и управляемости качеством изготовления на всех этапах производства;

минимизация влияния конструктивно-технологических ограничений на технические и эксплуатационные характеристики;

устойчивость МД100 в течение всего срока службы к естественным воздействующим климатическим, механическим и эксплуатационным факторам окружающей среды и условиям работы в составе актуатора антенной установки без технического обслуживания.

4.5 Общая характеристика системы управления

Система управления РТ-70 состоит из следующих основных подсистем:

Инерциальной системы ориентации (ИСО) в мировом пространстве зеркальной системы (ЗС) РТ.

Системы управления адаптивной отражающей поверхностью (АОП) главного зеркала.

Системы управления главным зеркалом (ГЗ).

Системы управления контррефлектором (КР).

Системы управления перескопическим зеркалом (ПЗ).

Измерительной системы вектора состояния пространственной металлоконструкции (ПМК) РТ относительно инерциальной системы ориентации.

В РТ-70 реализована длиннофокусная ЗС по схеме Грегори, которая представляет собой систему из трех зеркал - основного (ОЗ), контррефлектора (КР) и перископического (ПЗ) (рис.4.3). Отражающая поверхность основного зеркала имеет форму квазипараболоида. Такой профиль отражающей поверхности дает более эффективное распределение уровня радиосигнала по плоскости раскрыва зеркала. Отражающая поверхность контррефлектора имеет форму квазиэллипсоида. Перископическое зеркало выполнено в виде плоскости и размещено на карданном подвесе.

Рис.4.3. Схема трехзеркальной системы

4.5.1 Электродинамическая модель зеркальной системы РТ-70

Внешние и внутренние возмущения такие как: ветер, неравномерный нагрев, гравитация, остаточные внутренние напряжения металлоконструкций и т.д., а так же задающие воздействия определяют деформации конструкции и взаимную ориентацию ее компонент относительно расчетной фокальной оси зеркальной системы и отклонение самой фокальной оси от направления на КИР. Эти деформации и рассогласования повлияют на прохождение электромагнитной волны (ЭМВ) через ЗС и скажутся на уровне принятого сигнала. Таким образом, модель прохождения ЭМВ через АС может полностью характеризовать качество наведения. Как было отмечено, основной характеристикой ЗС является КЗС. Чтобы определить влияние деформаций и ошибок наведения на КЗС была разработана имитационная модель прохождения ЭВМ через ЗС РТ-70. При моделировании деформации учитывались изменением параметров главного зеркала.

Рис. 4.4. Модель объекта управления

Рис. 4.5. Динамическая модель механической части объекта управления

Рис. 4.6. Математическая модель электропривода актуатора фасет главного зеркала

4.5.2 Выбор ЖЛАХ

В методологии, основанной на линеаризации ДО, качество управления можно оценивать методом асимптотических логарифмических частотных характеристик АЛЧХ. Согласно этому методу для системы задается некоторое эквивалентное синусоидальное воздействие б_з (t) = A sin (щ_к t + ц), с которым связывается заданная максимальная угловая скорость системы Щ = A щ_к и максимальное угловое ускорение е = A (щ_к)², по которым однозначно определяется частота колебаний щ_к, которая называется контрольной частотой. О качестве судят по тому, как система реагирует при подаче на нее б_з (t) = A sin (щ_к t + ц). Очевидно на выходе управляемой системы будет наблюдаться процесс б_вых (t) = A_вых sin (щ_к t + ц_вых). Значение б_вых (t) - б_з (t) = и определяет скалярную ошибку управления, отношение K_к =A_вых / A определяет коэффициент усиления на контрольной частоте, а ц_вых - ц = Дц - фазовое запаздывание. При заданной ошибке управления, однозначно определяется K_к, который в качестве ординаты АЛЧХ, выраженной в децибеллах, называется контрольной точкой.

Рис. 4.7. Резонансные всплески

При заданных и, Щ, е, контрольная точка K_к на оси частот фиксируется. С другой стороны на АЛЧХ фиксируется вертикальная асимптота, соответствующая первой механической резонансной частоте щ_р, зависящей от свойств механической части ДО (рис. 4.7). Всплеск амплитуды на частоте щ_р достигает 20 Дб. Условия устойчивости системы управления требуют гарантированных запасов величин среднечастотного участка Рис.4.7.

Поэтому стремление улучшить качество управления связано со сдвигом контрольной точки вправо и с уменьшением интервала (щ_р - щ_к), но этому препятствуют условия устойчивости. Очевидно сдвиг контрольной точки вправо возможен только за счет демпфирования резонансного всплеска на частоте щ_р. Демпфирование за счет управления может быть осуществлено только в определенных пределах, ограниченных линейной зоной (до насыщения) усилителя в прямой цепи передачи управляющего воздействия.

Программа для расчета ЖЛАХ

Рассчитывается ЖЛАХ следующего типа: -40-60-20-60- Дб/дек

Особенностью построения ЖЛАХ электромеханического объекта является то, что механическая часть объекта на основании экспериментальных данных, представляет собой систему связанных слабо демпфированных звеньев с показателями колебательности на резонансных частотах порядка ksi_m=0.05, что соответствует усилению 20 дБ. Опыт эксплуатации электромеханических объектов показывает, что с помощью измерительных средств и корректирующих устройств невозможно произвольно изменить собственную частоту механической части, а можно только уменьшить колебательность на низких резонансных частотах до значения ksi_m= 0.2 - 0.5.

Текст программы для расчета ЖЛАХ представлен в Приложении 2.

Рис. 4.8. Оптимизация параметров ПИД-регулятора

Рис. 4.9. ЛАХ и ЛФХ скорректированной системы

Рис. 4.10. Переходной процесс системы

5. Безопасность труда и контроля окружающей среды

В данном разделе рассматриваются вопросы безопасности труда и обеспечения санитарно-гигиенических норм условий труда, так как при работе используются два ПЭВМ - исследования производятся с помощью математического пакета Matlab, и периферийные устройства (принтер).

5.1 Характеристика санитарно-гигиенических условий труда