Керування перетворювачами системи орієнтації електронної платформи - Автореферат

Жорсткі вимоги до енергоспоживання та масо-габаритних показників обумовлюють пошук шляхів спрощення та мінімізації елементів електронних платформ, що одночасно веде до зменшення собівартості, а зростаючі вимоги до надійності та безвідмовності роботи платформи потребують знаходження нових алгоритмів роботи бортових систем електронних платформ. Тому розробка нових способів її виконання, що передбачає впровадження сучасних математичних методів обробки інформації, призводить до зниження вартості електронної платформи та підвищення її ефективності. Таким чином, важливими та невирішеними залишаються питання зменшення кількості силових елементів перетворювача, які є найбільш важкими та габаритними в системі орієнтації, та створення ефективних алгоритмів роботи системи керування перетворювачами для забезпечення ефективного використання електричної енергії. Матеріали дисертації увійшли у науково-дослідну роботу "Розробка синергетичної системи керування енергоспоживанням в системах з джерелами живлення, що поновлюються", № ДР 0109U005594, яка виконується сумісно з Department of Electrical Engineering, Індійського інституту технологій, м. Методи дослідження - при розвязанні поставлених в дисертаційній роботі задач використовувались теоретичні засади прогнозного та випереджаючого керування перетворювачами, математичний апарат нейронних мереж для прогнозування значень енергії споживання та магнітної індукції геомагнітного поля, математичний апарат обробки та прогнозування часових рядів; теорія дискретних вейвлет-перетворень для попередньої обробки, фільтрації та стискання часових рядів перед етапом їх прогнозування; теорія автоматичного регулювання для знаходження ефективного алгоритму стабілізації електронної платформи; методи математичного моделювання магнітного поля Землі, роботи системи керування та перетворювачів системи орієнтації.Проаналізовано етапи роботи активних систем орієнтації та визначено, що для ефективного використання енергії алгоритм роботи перетворювача системи орієнтації повинен забезпечувати гасіння великих кутових швидкостей, стабілізацію платформи на малих кутових швидкостях та маневрування (поворот) платформи для точної орієнтації на орбіті. На основі аналізу руху платформи в ідеальному магнітному полі Землі (МПЗ) (рис.1,а), а також МПЗ з урахуванням аномальних змін та магнітних збурень (рис.1,б) поставлено задачу прогнозування значень магнітної індукції з метою виключення впливу аномальних зон і магнітних збурень на точність орієнтації шляхом заміни виміряних даних прогнозними значеннями. На базі прогнозних значень про достатність або нестачу енергії на борту робиться висновок про можливість здійснення маневру платформою та генерація відповідного керуючого сигналу системі керування перетворювачем. Обраний принцип керування по відхиленню (рис.2) дозволяє здійснювати стабілізацію платформи незалежно від причин, які викликали відхилення положення платформи від заданого орбітального руху. Зворотним звязком є сигнал помилки - вектор кутів неузгодженості системи стабілізації між орбітальною системою координат () та бортовою системою (), де індекси визначають значення вектору по кожній із вісей (рис.3).У дисертаційній роботі розроблено теоретичні засади керування перетворювачами систем орієнтації електронних платформ на базі вейвлет-перетворень в орієнтованому базисі та нейронних мереж з gamma-памяттю для прогнозування значень магнітної індукції та енергії споживання, що дає можливість підвищити швидкодію та ефективність керування.

Основний зміст роботи

У дисертаційній роботі розроблено теоретичні засади керування перетворювачами систем орієнтації електронних платформ на базі вейвлет-перетворень в орієнтованому базисі та нейронних мереж з gamma-памяттю для прогнозування значень магнітної індукції та енергії споживання, що дає можливість підвищити швидкодію та ефективність керування.

1. Порівняння станів перемикання розглянутих напівпровідникових перетворювачів та порядку включення котушок в розробленому ефективному алгоритмі роботи дає змогу обрати чотириплечовий інвертор з нульовою точкою як найбільш ефективний для системи орієнтації, що забезпечує потрібні комбінації включення котушок для стабілізації платформи.

2. Моделювання роботи перетворювача при обертанні платформи по одній вісі показало, що найбільш ефективним з точки зору швидкодії є режим максимального механічного моменту, оскільки при цьому забезпечується стабілізація по одній вісі за 3,7 години, що в 1,9 рази швидше у порівнянні з постійним режимом роботи перетворювача, та в 1,6 рази швидше ніж в економному режимі. Проте економний режим характеризується найменшими витратами енергії для стабілізації.

3. Моделювання роботи перетворювача при одночасному обертанні платформи по трьом вісям дало змогу визначити найбільш ефективні закони керування за відхиленням для різних етапів роботи системи орієнтації.

4. Для розрахунку кутів неузгодженості запропоновано одночасне застосування Triad-алгоритму та рекурсивного методу із прогнозуванням на основі нейронної мережі з gamma-памяттю та передобробкою даних за допомогою вейвлет-перетворення. Це дає змогу усунути недоліки Triad-алгоритму шляхом використання прогнозної моделі магнітного поля Землі у випадках спотворення або неможливості виміру вектору магнітної індукції.

5. Застосування gamma-памяті у нейронній мережі дозволяє зменшити час визначення прогнозу за відсутності потреби у попередньому формування часового ряду.

6. Прогнозування енергії споживання дає змогу зекономити енергію на борту платформи за рахунок заборони маневру у випадку прогнозування її нестачі.

7. Використання вейвлет-перетворення в орієнтованому базисі та нейронної мережі з gamma-памяттю для прогнозування часових рядів потребує меншої кількості рівнів розкладання та забезпечує більший горизонт прогнозу в порівнянні з іншими відомими методами. Так, для часового ряду з 243 відліків ОБ-вейвлет-перетворення потребує 2 рівнів розкладання та забезпечує горизонт прогнозу на 12,5% більше, ніж перетворення Хаара та Добеші для часового ряду з 256 відліками та 3 рівнями розкладання. При однакових рівнях розкладання вейвлет-перетворення в орієнтованому базисі дозволяє збільшити горизонт прогнозування на 50%.

8. Розроблені програми прогнозування значень часових рядів магнітної індукції та енергії споживання за допомогою нейронної мережі з gamma-памяттю дозволяють довільно настроювати структуру нейронних мереж. Значення достовірності прогнозу сягає до 95% в залежності від якості навчальної вибірки та параметрів навчання. Програми також проводять попередню обробку часового ряду за допомогою ОБ-вейвлет-перетворення, Хаара та Добеші від 1 до 10 порядку на довільну кількість рівнів розкладання та розраховують кількість виконаних обчислювальних операцій, що дає змогу оцінити переваги ОБ вейвлет-перетворення по швидкодії. Наприклад, у порівнянні з вейвлет перетворенням Хаара, кількість операцій в ОБ-вейвлет-перетворенні менша на 23,7%, а у порівнянні з Добеші 2 порядку - на 47,8%.

9. Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при розробці систем випереджаючого керування перетворювачами та впроваджені в навчальний процес НТУУ "КПІ".

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Терещенко Т.А. Математические основы прогнозного управления полупроводниковыми преобразователями / Т.А. Терещенко, Ю.С. Петергеря, Н.В. Колотов // Технічна електродинаміка, темат. випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2006. - Ч.3. - С.67-70.

Здобувачем проведено порівняння вейвлет-перетворень в орієнтованому базисі, Хаара та Добеші з 1 до 10 порядків за кількістю математичних операцій та обґрунтовано ефективність використання перетворень в системах керування напівпровідниковими перетворювачами.

2. Петергеря Ю.С. Системи орієнтації та стабілізації обєктів / Ю.С. Петергеря, М.В. Колотов // Технічна електродинаміка, темат. випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2007. - № 3. - С. 67-70.

Здобувачем наведено огляд виведених на орбіту малих електронних платформ, класифікацію методів орієнтації на орбіті, обґрунтовано використання перетворювачів в системах орієнтації та запропоновано структурну схему системи орієнтації з прогнозуванням.

3. Петергеря Ю.С. Расчет параметров магнитной системы ориентации электронной платформы / Ю.С. Петергеря, Н.В. Колотов // Технічна електродинаміка, темат. випуск "Проблеми сучасної електроніки". - 2008. - № 5. - С. 55-58.

Здобувачем наведено методику та показано приклад розрахунку параметрів виконавчих елементів, як навантаження напівпровідникових перетворювачів, магнітної системи орієнтації для електронної платформи, зроблена оцінка часу стабілізації платформи.

4. Петергеря Ю.С. Управление системой ориентации и стабилизации электронной платформы в режимах больших и малых скоростей / Ю.С. Петергеря, Н.В. Колотов, С.В. Остапчук // Електроніка та звязок, темат.випуск "Електроніка та нанотехнології". - 2009. - №4-5. - С.83-87.

Здобувачем визначено етапи роботи системи орієнтації та завдання на цих етапах, проведено моделювання роботи напівпровідникових перетворювачів систем орієнтації електронних платформ для законів керування за швидкістю, за швидкістю та положенням, обґрунтовано вибір законів керування для кожного етапу роботи.

5. Петергеря Ю.С. Прогнозування та контроль споживання потужності електричною платформою / Ю.С. Петергеря, Д.О. Марчук, М.В. Колотов // Технічна електродинаміка, темат. випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2009. - № 3. - С. 52-57.

Здобувачем наведено алгоритм роботи системи орієнтації з прогнозуванням енергії споживання на базі нейронних мереж та вейвлет-перетворень, запропоновано структурну схему системи контролю енергії споживання платформи.

Размещено на .ru