Разработка высокоточных систем адаптивно-модального управления компенсацией веса звеньев космических аппаратов для трособлочных стендов моделирования микрогравитации

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00737

НазваниеРазработка высокоточных систем адаптивно-модального управления компенсацией веса звеньев космических аппаратов для трособлочных стендов моделирования микрогравитации

Руководитель Гайворонский Сергей Анатольевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-604 - Проблемы теории управления техническими системами

Ключевые слова Космический аппарат, трособлочная система, эффект микрогравитации, математическая модель, система автоматического управления, многосвязное управление, многорежимное управление, синтез адаптивного регулятора, модальный подход, адаптивное псевдолинейное корректирующее устройство, адаптивный компенсатор сухого трения.

Код ГРНТИ28.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В соответствии с Государственной программой космической деятельности России одним из направлений повышения надежности современной космической техники являются ее наземные испытания в условиях, максимально приближенных к реальным условиям невесомости. В частности, актуальны испытания раскрытия многозвенных конструкций космических аппаратов (КА) из транспортного положение в рабочее. Для таких испытаний разрабатываются специальные стенды, создающие эффект микрогравитации. Основой таких стендов могут быть трособлочные системы (ТБС) с электроприводами, с помощью которых вывешиваются и перемещаются звенья КА. Основная задача при проектировании таких стендов заключается в разработке систем управления движением звеньев КА, обеспечивающих создание эффекта микрогравитации в процессе раскрытия КА. Однако наличие тросовых передач может ухудшать динамические свойств систем, поскольку приводит к появлению резонансных колебаний. Следует отметить, что резонансные колебания в блоках ТБС являются частотно-нестабильными и их диапазон зависит от схемы ТБС (расположения в ней противовесов и электроприводов каналов управления), а также массы звеньев КА. Поэтому для повышения точности имитации невесомости актуально смещение резонансов из рабочей области частот выбором соответствующей схемы ТБС. Кроме этого, для подавления амплитудных пиков частотно-нестабильных резонансов актуально разработать адаптивные псевдолинейные алгоритмы их компенсации. Другая проблема, связанная с точностью создания эффекта микрогравитации на трособлочном стенде, заключается в повышении быстродействия систем управления (СУ) путем компенсации точно неизвестного сухого трения покоя в блоках ТБС в начальный момент движения звеньев КА. В связи с этим актуально разработать адаптивные алгоритмы компенсации сухого трения покоя в блоках ТБС. Для разработки методов синтеза линейных регуляторов СУ предлагается использовать модальный подход и принцип доминирования полюсов. Наличие интервально-неопределенных параметров в системах управления предполагает придание регуляторам адаптивных свойств, позволяющих стабилизировать желаемые доминирующие полюса, которые определяют динамические свойства систем. Таким образом, актуально проектирование адаптивно-модального регулятора для управления движением звеньев КА. При проектировании СУ движением звеньев КА необходимо максимально учитывать взаимовлияние каналов управления в различных режимах движения звеньев КА. В связи с этим актуальна разработка многосвязных и многорежимных СУ движением звеньев КА с учетом интервальности параметров. Таким образом, научную новизну проекта определяют: - Схемы трособлочных систем стенда моделирования микрогравитации для малых и больших масс звеньев КА и различных вариантов расположения электроприводов и элементов малой жесткости. - Математические модели многосвязных систем управления трехмерным движением звеньев КА с учетом интервальной неопределенности параметров для различных схем ТБС. - Структура адаптивного псевдолинейного компенсатора частотно-нестабильных механических резонансов ТБС. - Структура многорежимного адаптивного компенсатора сухого трения покоя в ТБС при интервальной неопределенности его значения. - Алгоритм адаптивно-модального управления движением звеньев КА на основе идентификации интервальных параметров и использования эталонной модели. - Методики параметрического синтеза адаптивно-модальных регуляторов автономных каналов управления движением звеньев КА. - Методика синтеза регуляторов в перекрестных связях многосвязной СУ движением звеньев КА - Структура комбинированного адаптивного регулятора СУ движением звена КА. Практическая ценность проекта будет состоять в разработанных программных комплексах для автоматизации процесса управления движением звеньев КА и имитационного моделирования раскрытия звеньев КА. Натурные испытания разработанной системы управления движением звеньев КА планируется проводить на экспериментальном оборудовании ИШИТР ТПУ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Езангина Т.А., Соболь А.В. ПСЕВДОЛИНЕЙНЫЙ АДАПТИВНЫЙ КОМПЕНСАТОР НЕСТАБИЛЬНЫХ РЕЗОНАНСОВ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ СТЕНДА МИКРОГРАВИТАЦИИ Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Сборник материалов IX Международной научно-практической конференции, посвященной Дню космонавтики. В 3-х томах. Под общей редакцией Ю.Ю. Логинова. Красноярск, 2023. С. 17-19., Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Сборник материалов IX Международной научно-практической конференции, посвященной Дню космонавтики. В 3-х томах. Под общей редакцией Ю.Ю. Логинова. Красноярск, 2023. С. 17-19. (год публикации - 2023)

2. Гайворонский С.А., Езангина Т.А., Соболь А.В. Modal synthesis of interval Systems with aperiodic transients Proceedings – 2023- International Conference On Electrical and Electronics Engineering(ICEEE) 2023- International Conference On Electrical and Electronics Engineering(ICEEE), 15-20 (год публикации - 2023)

3. Езангина Т.А., Соболь А.В. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ УПРУГОМАССОВОГО ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО КАНАЛА СТЕНДА МИКРОГРАВИТАЦИИ Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Сборник материалов IX Международной научно-практической конференции, посвященной Дню космонавтики., 19-21 (год публикации - 2023)

4. Езангина Т.А., Гайворонский С.А., Соболь А.В. Robust Stability Degree Maximization Cable Vertical Stabilization Systems 2023 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 20-25 (год публикации - 2023)

5. Гайворонский С.А., Езангина Т.А., Соболь А.В. Control Systems Synthesis of Maximum Robust Stability Degree Based on Vertex Critical Root Diagrams Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie., 519-525 (год публикации - 2023)

6. Т.А. Езангина, С.А. Гайворонский, А.В. Соболь Modal Controllers Design of Interval Systems with Aperiodic Degree of Stability Based on the Method of Dominant Poles 5th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling,Automation and Energy Efficiency, November, 36-41 (год публикации - 2023)

7. Т.А. Езангина, С.А. Гайворонский ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СТЕНДА МИКРОГРАВИТАЦИИ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПА ДОМИНИРОВАНИЯ ПОЛЮСОВ Сборник трудов: Научно-техническая конференция молодых сотрудников АО «РЕШЕТНЁВ» «Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем», 1-2 (год публикации - 2023)

8. Гайвронский С.А. Езангина Т.А. Соболь А.В. Root locus interval extension for modal synthesis of systems with affine uncertainty 4th International Conference on Computation, Automation and Knowledge Management, 1-4 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения второго этапа построены математические модели блоков ТБС с сухим трением двух типов: приводного, связанного с валом электропривода, и пассивного. Установлено, что в случае малых масс блоков приводной блок может быть заменен нелинейным бетта-звеном с опережающей гистерезисной характеристикой, а пассивный блок – звеном типа «люфт». В результате моделирования сделан вывод о том, что сухое трение в блоках обоих типов приводит к появлению зоны нечувствительности. При этом трение в приводном блоке повышает устойчивость системы управления, а в пассивных блоках уменьшает запас устойчивости системы по фазе. На основании этого сделаны рекомендации по уменьшению отрицательного влияния сухого трения в блоках на динамические свойства системы. Для их реализации определены три режима компенсации сухого трения: режим сдергивания ТБС с заранее неизвестного сухого трения покоя, режим поддержания движения ТБС до момента нарастания напряжения электропривода до напряжения трогания и режим компенсации сухого трения движения. Для каждого режима разработаны схемы субрегуляторов компенсатора сухого трения и методики их параметрического синтеза. С целью обеспечения в системах управления стендом микрогравитации апериодических переходных процессов с постоянной длительностью разработаны алгоритмы адаптивно-модального управления. Предложено при медленном изменении нестабильных параметров системы использовать модальное управление с идентификацией, а для быстроменяющихся параметров, оценки которых затруднительно получить идентификатором в режиме реального времени, применять модальное управление с упрощенной эталонной моделью в виде апериодического звена, полюс которого равен желаемому доминирующему полюсу системы. Разработаны методики параметрического синтеза адаптивно-модальных регуляторов с двумя указанными способами адаптации, основанные на разделении параметров ПИ-регулятора на настраиваемый доминирующий параметр и постоянный свободный параметр и использовании метода робастного D-разбиения. На основе двух указанных типов адаптации разработаны структура комбинированного адаптивно-модального регулятора и структура анализатора динамической ситуации, обеспечивающего переключение модальных регуляторов с режима идентификации нестабильных параметров на режим сравнения выходного сигнала системы с сигналом упрощенной эталонной модели. Разработана методика синтеза регуляторов в перекрестных связях системы управления движением звеньев КА, обеспечивающих автономность вертикального и горизонтального каналов стенда микрогравитации.

Публикации

1. Переселяк М.Ю., Гайворонский С.А., Хожаев И.В. Имитационное моделирование процесса работы трособлочной системы обезвешивания с учетом нестационарности массы груза и длины троса Труды Всероссийской научно-практической конференции «Интеллектуальная энергетика» 2024 (год публикации - 2024)

2. Езангина Т.А., Гайворонский С.А., Михайлович М. A mathematical model of the interval control system for the movement of spacecraft links Труды 6th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (год публикации - 2024)

3. Гайворонский С.А., Хожаев И.В., Соболь А.В. Модальное адаптивное управление объектом с интервальными параметрами на основе упрощенной эталонной модели и принципа доминирования полюсов XIV ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (ВСПУ-2024) : сборник научных трудов, 17-20 июня 2024 г., Москва / Под общ. ред. Д.А. Новикова; Ин-т Проблем упр. им. В.А. Трапезникова Рос. акад. наук. – Электрон. текстовые дан. (824 файла: 433 МБ). – М.: ИПУ РАН, 2024. – 4160 с., С. 377-381 (год публикации - 2024)

4. Гайворонский С.А., Хожаев И.В. Определение прообразов границ отрезков вещественных полюсов системы с аффинной неопределенностью XIV ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (ВСПУ-2024) : сборник научных трудов, 17-20 июня 2024 г., Москва / Под общ. ред. Д.А. Новикова; Ин-т Проблем упр. им. В.А. Трапезникова Рос. акад. наук. – Электрон. текстовые дан. (824 файла: 433 МБ). – М.: ИПУ РАН, 2024. – 4160 с. , С. 382-386 (год публикации - 2024)

5. Соболь А.В., Гайворонский С.А. Синтез модального робастного регулятора, обеспечивающего монотонный переходный процесс в системе с интервальными параметрами МОЛОДЕЖЬ И СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. Сборник трудов XXI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, С. 787-791 (год публикации - 2024)

6. Езангина Т.А., Гайворонский С.А. Математические модели систем управления вертикальным каналом движением звеньев космического аппарата с учетом интервальной неопределенности параметров Решетневские чтения[Электронный ресурс] : материалы XXVIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию со Дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика Михаила Федоровича Решетнева (18–22 ноября 2024, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. – Электрон. текстовые дан. (1 файл: 30,6 МБ). – Систем. требования : Internet Explorer; Acrobat Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата .pdf) ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2024. – Ч. 1. – Режим доступа: https://reshetnev.sibsau.ru/page/materialy-konferentsii. – Загл. с экрана., Часть 1. С. 308-311 (год публикации - 2024)

7. Езангина Т.А., Гайворонский С.А., Соболь А.В. Solving the Problem of an Interval System Placing Poles in Real Segments Proceedings 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), С. 79-83. (год публикации - 2024)
10.1109/RUSAUTOCON61949.2024.10694651

8. Езангина Т.А., Гайворонский С.А. Анализ влияния сухого трения в блоках тросовых систем на динамику систем управления Решетневские чтения [Электронный ресурс] : материалы XXVIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию со Дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика Михаила Федоровича Решетнева (18–22 ноября 2024, г. Красноярск) : в 2 ч. / подобщ. ред. Ю. Ю. Логинова. – Электрон. текстовые дан. (1 файл: 30,6 МБ). – Систем. требования : Internet Explorer; Acrobat Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата .pdf) ; СибГУим. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2024. – Ч. 1. – Режим доступа: https://reshetnev.sibsau.ru/page/materialy-konferentsii. – Загл. с экрана., Часть 1, С. 18-20 (год публикации - 2024)

9. Езангина Т.А., Гайворонский С.А. Многосвязная система управления движением звена крупногабаритного трансформируемых конструкций, обеспечивающих создание условий микрогравитации Решетневские чтения[Электронный ресурс] : материалы XXVIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию со Дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика Михаила Федоровича Решетнева (18–22 ноября 2024, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. – Электрон. текстовые дан. (1 файл: 30,6 МБ). – Систем. требования : Internet Explorer; Acrobat Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата .pdf) ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2024. – Ч. 1. – Режим доступа: https://reshetnev.sibsau.ru/page/materialy-konferentsii. – Загл. с экрана., Часть 1. С. 64-67 (год публикации - 2024)

10. Соболь А.В., Гайворонский С.А. Максимизация робастной степени устойчивости системы с интервальным характеристическим полиномом Известия Томского политехнического университета. Промышленная кибернетика, Т. 1. № 1. С. 39–43 (год публикации - 2023)
10.18799/29495407/2023/1/12

11. Гайворонский С.А. Компенсация влияния сухого трения на точность и устойчивость электромеханических систем с трособлочными передачами Известия Томского политехнического университета. Промышленная кибернетика., Т. 2. – № 4. – С. 13–20. (год публикации - 2024)
10.18799/29495407/2024/4/73

12. Гайворонский С.А., Хожаев И.В., Соболь А.В. Синтез робастного регулятора апериодической степени устойчивости системы с аффинной неопределенностью Проблемы управления, № 4. – С. 3-12. (год публикации - 2024)
10.25728/pu.2024.4.1

13. Переселяк М.Ю., Гайворонский С.А., Хожаев И.В. Синтез робастного ПИД-регулятора системы обезвешивания с интервальными параметрами и аффинной неопределенностью коэффициентов характеристического полинома Труды XX Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» 2024 (год публикации - 2024)

14. Гайворонский С.А. Получение монотонного переходного процесса в системе с интервальным характеристическим полиномом Известия Томского политехнического университета. Промышленная кибернетика, Т. 2. - № 3. - С. 28-35. (год публикации - 2024)
10.18799/29495407/2024/3/64

Возможность практического использования результатов