Исследовательский стенд полунатурного моделирования системы ориентации КЛА

Д. В. Тетеревятников, О. А. Лученко , О. И. Гавриленко

Процесс проектирования систем автоматического управления для космоса представляет собой сложную научно-техническую задачу эффективное решение которой зачастую требует создания аппаратно-программных комплексов полунатурного моделирования в реальном масштабе времени подсистем и агрегатов. Описываемый комплекс предназначен для разработки и отладки алгоритмов диагностирования и восстановления функционального состояния системы ориентации КЛА. Аппаратная часть комплекса полунатурного моделирования состоит из персонального компьютера (ПК), контроллера управления и моделирования ( КУиМ ), имитатора спутника, блока аналоговых исполнительных элементов – двигателей-маховиков, а также блока датчиков.

На рис. 1 представлена функциональная схема стенда полунатурного моделирования системы ориентации.

Рис.1. Функциональная схема стенда полунатурного моделирования системы ориентации

На данном рисунке приняты следующие обозначения: МК – микроконтроллерное устройство (с указанием выполняющих им функций); БДв – блок двигателей-маховиков (исполнительного устройства КЛА); ОУ – объект управления (спутник); БД – блок датчиков; КУ – корректирующее устройство (закон управления каналом микроспутника); УМ – усилитель мощности; ИМ – исполнительный механизм (двигатель постоянного тока); МБ – маховичный блок (инерционный маховик с механическим ограничителем момента); ИУ – измерительное устройство (звездный датчик или датчик угловой скорости спутника).

Основным вычислительным устройством в составе комплекса является ПК. Она включена в структуру стенда для визуализации хода эксперимента, анализа экспериментальных данных, подачи внешних тестовых управляющих сигналов. Однако ПК не позволяет без дополнительного оборудования осуществлять контроль и управление остальной аппаратурой комплекса. Поэтому вышеуказанные функции были возложены на микропроцессорную подсистему – контроллер управления и моделирования ( КУиМ ).

Одной из задач КУиМ является организация работы блока аналоговых исполнительных элементов – двигателей-маховиков, имитатора спутника, блока датчиков. Для ее решения в состав КУиМ введены блоки АЦП и ШИМ, позволяющие передавать управляющие сигналы на исполнительные элементы и считывать выходные напряжения с датчиков угловой скорости двигателей-маховиков, имитатора КЛА, блока датчиков спутника. В режиме реального времени КУиМ решает задачу стабилизации скорости вращения маховиков, используя показания датчиков и передавая управляющее воздействие на исполнительные элементы КЛА.

На рис. 2 представлена функциональная схема контроллер а управления и моделирования

Рис. 2. Функциональная схема контроллера управления и моделирования

На представленной функциональной схеме приняты следующие обозначения: МК – микроконтроллер ( AT 89 S 8252); УСУ – устройство согласования уровней; ВЗЦ – время задающая цепь; К – коммутатор; БСС – блок согласования сигналов; УП – устройство преобразования (однополярного ШИМа в двухполярный ); COM -порт – порт обмена данных с персональным компьютером; ОАУ – объект автоматического управления (исполнительный орган микроспутника с блоком датчиков); МКУ – микроконтроллерное устройство; ПС – плата сопряжения МКУ с ОАУ.

Разработанный контроллер управления и моделирования позволяет выполнять следующие функции: получение информации о состоянии контролируемых параметров системы, формирование заданного управляющего воздействия, передача полученной информации на ПК, реализация алгоритмов диагностирования и восстановления работоспособности.

На рис. 3 приведены полученные статическая и динамическая характеристики двигателя-маховика одного из каналов управления.

Рис. 3. Статическая и динамическая характеристики

Разработанное программное обеспечение для ПК и КУиМ позволяет в режиме реального времени производить снятие статических и динамических характеристик исследуемого блока, выводить графическое представление контролируемых параметров, задавать конфигурацию системы (замкнута, разомкнута), с ПК задавать закон управления контуров исследуемой системы управления, изменять алгоритмы диагностирования и восстановления, а также регистрировать результаты в виде, удобном для проведения дальнейшего анализа системы.

На рис. 4 представлена одна из экранных форм разработанного ПО к исследовательскому стенду.

Рис.4. Экранная форма исследовательского стенда

На ней отображены: численные значения контролируемых параметров, их графическое отображение в режиме реального времени. С ее помощью можно задать режим работы системы и задающие воздействия на каналы управления системы.