Вывод математической модели спутника на основе уравнений движения. Моделирование нескольких вариантов замкнутой системы. Выбор оптимального регулятора и измерительных приборов. Расчет элементов стабилизирующего устройства. Конструкция печатной платы.
Аннотация к работе
Направление Управление в технических системах Выпускная квалификационная работа (ВКР) содержит 85 листов, 17 рисунков, 5 таблиц. Данная (ВКР) посвящена разработке системы управления, которая обеспечивает управление спутником связи, путем формирования соответствующих воздействий с помощью исполнительных двигателей. В первом разделе проекта выводиться математическая модель объекта управления на основе заданных уравнений движения. Во втором разделе синтезируется модальное управление по заданным характеристикам объекта управления и требованиям к системе управления.Ориентированные во время полета спутники имеют следующие преимущества: 1) Лучшие условия для измерений и наблюдений, проводимых в космосе; 2) Лучшие информационные свойства направленных антенн; 3) Большую эффективность солнечных батарей; 4) Лучшие условия для терморегулирования и др. Для этой цели часто используют пассивные и комбинированные системы ориентации и стабилизации, основанные на использовании вращения, сил гравитационного и магнитного полей, аэродинамических сил и сил светового давления. Специалисты, занимающиеся созданием систем управления угловым движением спутников, в своей практической работе часто подменяют понятие "ориентация" понятием "стабилизация", хотя они не являются взаимозаменяемыми. Пассивная система ориентации и стабилизации - это система, которая не требует на борту спутника источника энергии для своей работы. б) пассивные системы не расходуют энергию бортовых источников питания, а используют для создания управляющих моментов естественные силы, действующие в условиях космического пространства; активные же системы расходуют массу или энергию, хранящуюся или накапливаемую в спутнике, например, при помощи солнечных батарей;В данном разделе рассматривается спутник, движущийся по круговой орбите вокруг Земли, имеющий на борту специальную систему ориентации, которая периодически включается с целью приведения оси вращения в заданное положение. В связи с этим решается ограниченная задача "прогнозирования в малом", т.е. прогнозируется движение оси вращения спутника в промежутке между двумя последовательными включениями системы ориентации, когда можно считать, что величина отклонения оси спутника от заданного положения остается малой и не превышает 10...20°. В отличие от классических методов решения задач движения спутника, когда рассматривается движение вектора кинетического момента спутника в некоторой абсолютной системе координат, при данной постановке задачи более естественным является изучение движения ориентируемой оси спутника ОХ в системе координат, связанной с Землей. Введем в рассмотрение опорную систему координат OX0Y0Z0, начало которой совпадает с центром масс спутника, а ось ОХ0 направлена вдоль требуемого (заданного) направления ориентации Хзап. Со спутником свяжем две подвижные системы координат: 1) систему xгyгzг, оси которой направлены по главным центральным осям инерции КА;Для определения установившегося движения спутника, приравняем уравнения (1.2) - (1.4) к нулю.Уравнения исследуемого объекта управления (1.2) - (1.4) являются нелинейными дифференциальными уравнениями, анализ решений которых представляет весьма сложную задачу. Поэтому на практике всегда стремятся анализ таких уравнений свести к анализу линейных, что значительно проще. Большое распространение классического метода линеаризации обусловлено тем, что, во-первых, этот метод значительно упрощает анализ систем, а, во-вторых, большинство САУ являются системами с управлением по отклонению, действие которых состоит именно в уменьшении отклонений. В основе данного метода линеаризации нелинейных уравнений лежит предположение о том, что в исследуемом динамическом процессе переменные изменяются так, что их отклонения от установившихся значений остаются все время достаточно малыми. Линеаризацию классическим методом проводят путем разложения функций , , , стоящих в правых частях уравнений (1.2) - (1.4), в ряд Тейлора в окрестности невозмущенного эталонного движения .Пользуясь векторно-матричной символикой, их можно записать в компактной форме в переменных состояния.Для оценки управляемости объекта (1.14), (1.15), используется критерий Калмана, в основе которого лежит матрица управляемости В общем случае матрица U является прямоугольной с размерами , где - размерность вектора управлений u. Объект (1.17) называется полностью управляемым, если , (1.18) где , rang - ранг матрицы.Только при этом условии их свободные движения, обусловленные произвольными начальными отклонениями, затухают, и системы могут совершать программное движение под влиянием задающих воздействий. Устойчивость представляет собой способность системы автоматического управления возвращаться к исходному состоянию после кратковременного внешнего воздействия. В данном случае проще всего воспользоваться необходимым условием устойчивости, которое связанно с коэффициентами характеристического уравнения системы (1.17): .
План
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СПУТНИКА
1.1 Спутник как управляемый объект
1.2 Установившееся движение спутника
1.3 Линеаризация нелинейных уравнений объекта
1.4 Переход к уравнениям в переменных состояния
1.5 Исследование объекта на управляемость
1.6 Проверка устойчивости спутника
2. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ
2.1 Метод расчета модального управления
2.2 Расчет модального управления
2.3 Моделирование
2.4 Выбор оптимального регулятора
3. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
3.1 Необходимость измерения координат
3.2 Выбор измерительных приборов
3.2.1 Выбор датчика угла
3.2.2 Способы определения дальности полета спутника
3.2.3 Способы определения скорости спутника
3.3. Разработка системы стабилизации спутника
3.3.1 Целесообразность применения операционных усилителей
3.3.2 Расчет и выбор элементов стабилизирующего устройства
3.4 Конструкция печатной платы
4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ СИСТЕМЫ
4.1 Анализ причин возникновения опасных и вредных факторов при проектировании
4.2 Меры по устранению причин опасных и вредных факторов при проектировании
4.2.1 Требования к мониторам ПЭВМ
4.2.2 Требования к микроклимату и вентиляции
4.3 Пожарная безопасность
4.4 Защита окружающей среды
5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ
5.1 Маркетинговое исследование рыночных перспектив разработки
5.1.1 Исследование спроса
5.1.2 Оценка конкурентоспособности
5.1.3. Подход к ценообразованию
5.2 Выбор аналога
5.3 Расчет интегрального технического показателя качества
5.4 Расчет затрат на этапе проектирования
5.5 Определение показателей эффективности
5.6 Расчет и сопоставление эксплуатационных расходов
5.7 Сводные экономические показатели по разработке