| Текущая версия |
Ваш текст |
| Строка 1: |
Строка 1: |
| − | '''Работу выполнил: [[Буй Ван Шань]]'''
| + | ==Руководитель== |
| − | | + | А.С.Мурачев |
| − | '''Научный руководитель: [[Андрей Мурачёв]]'''
| |
| − | | |
| − | Загрузить работу: [[Media:Диссертация Шань 2016.pdf|1.25МB]]
| |
| − | | |
| − | Загрузить презентацию: [[Media:Шань - кубсат-2016.pdf|1.27МB]]
| |
| − | | |
| | ==Введение== | | ==Введение== |
| − | [[File:Picture1.png|200px|thumb|left|Рис.1.CubeSat 1U]] | + | [[File:Picture1.png|200px|thumb|left|макет спутника с токовыми катушками]] |
| − | *Одной из самых важных задач при разработке космических аппаратов является создание системы
| + | Одной из самых важных задач при разработке космических аппаратов является создание системы |
| | управления угловым движением. Работоспособность космических аппаратов существенным образом | | управления угловым движением. Работоспособность космических аппаратов существенным образом |
| | зависит от функциональных возможностей, а также технических и эксплуатационных характеристик | | зависит от функциональных возможностей, а также технических и эксплуатационных характеристик |
| − | этих систем. | + | этих систем. Особое место среди существующих систем управления занимают магнитные системы. Такие системы |
| − | Особое место среди существующих систем управления занимают магнитные системы. Такие системы | |
| | используют для получения управляющих моментов электромагнитные исполнительные органы, взаимодействующие | | используют для получения управляющих моментов электромагнитные исполнительные органы, взаимодействующие |
| − | с внешним магнитным полем. | + | с внешним магнитным полем. В магнитных системах управления в отличие от всех других систем |
| − | В магнитных системах управления в отличие от всех других систем | |
| | легко изменять управляющие моменты и, следовательно, реализовывать самые разнообразные законы | | легко изменять управляющие моменты и, следовательно, реализовывать самые разнообразные законы |
| | управления, что позволяет обеспечить точную ориентацию. Кроме этого, масса магнитных систем не | | управления, что позволяет обеспечить точную ориентацию. Кроме этого, масса магнитных систем не |
| Строка 23: |
Строка 15: |
| | имеют высокую надежность. Все это позволяет космическим аппаратам долгосрочно выполнять свои функции. | | имеют высокую надежность. Все это позволяет космическим аппаратам долгосрочно выполнять свои функции. |
| | | | |
| − | ==Задачи== | + | ==Постановка задачи== |
| − | *Создание магнитной системы управления угловым движением КА.
| + | Основной целью работы является создание и разработка алгоритма управления магнитной системой ориентации и стабилизации небольших космических аппаратов. В качестве тела, над которым проводились эксперименты, был выбран макет спутника стандарта «Cubesat 1U». Исполнительными органами данной системы были выбраны токовые катушки, так как их использование представляет собой наиболее простой способ управления спутником, а процесс их создания и управления наиболее прост в реализации. |
| − | *Разработка алгоритма управления при стабилизации КА по МПЗ.
| + | В процессе создания системы управления необходимо было определить геометрические и электромагнитные параметры для токовых катушек. Также необходимо было спроектировать имитатор геомагнитного поля, который позволял создать магнитное поле заданной величины и направления. |
| − | *Создание имитатора поля.
| |
| − | | |
| | ==Магнитное управление, принцип работы и особенности == | | ==Магнитное управление, принцип работы и особенности == |
| − | ===Момент взаимодействия магнитной системы К.А с магнитным полем Земли (МПЗ):===
| |
| − | [[File:Equation1.png|250px|thumb|center]]
| |
| − | Где: L – вектор магнитного момента К.А.;
| |
| − | B – вектор индукции МПЗ.
| |
| − | ===Особенности магнитной системы управления===
| |
| − | *Нельзя создать управляющий момент вдоль направления поля. Все возможные положения М заключены в плоскости, перпендикулярной В.
| |
| − | *Управление по осям оказывается зависимым.
| |
| − | *При совпадении вектора магнитного момента L и поля B управление невозможно
| |
| − | ===Принцип работы магнитной системы управления===
| |
| − | * По принципу действия магнитная система демпфирования с катушечными и электромагнитными МИО – это по существу электродвигатель постоянного тока. В нем можно выделить все основные функциональные элементы: статор – это Земля, поле статора – МПЗ, ротор – КА, обмотки ротора – катушки МИО, коллектор – электронная часть системы, регулирующая и переключающая токи в МИЮ.
| |
| − | * Отличаются эти системы только режимом работы и «конструктивными» особенностями. Так, в отличие от классического электродвигателя рассматриваемый «двигатель» работает большей частью в режиме торможения; обычный режим двигателя бывает только, когда есть необходимость в увеличении скорости вращения КА. «Конструктивная» особенность состоит в том, что здесь используемся в некотором смысле обращенная конструкция: ротор – КА с МИО – находится не внутри статора, а вне его (Земли). Кроме того, «ротор» не фиксирован относительно «статора»: он совершает линейное движение относительно «статора», а также имеет три степени свободны и соответственно три системы обмоток (катушек МИО) – это как бы двигатель со сферическим ротором.
| |
| − | * Понятно, что энергетические соотношения, характерные для таких магнитных систем, будут такими же, как и для электродвигателей постоянного тока.
| |
| | | | |
| | ==Создание имитатора поля== | | ==Создание имитатора поля== |
| − | ===Напряженность поля===
| |
| − | *Выполним оценку максимальной требуемой напряженности магнитного поля в данном случае. Для простоты определим параметры поля, чтобы механические моменты, действующие на макет, могли бы вынудить его совершать гармонические колебания.
| |
| − | *Требуемая индукция поля определяется следущим образом:
| |
| − | [[File:Equation2.png|200px|thumb|center]]
| |
| − | где Т - период колебаний, J - момент инерции макета, A – амплитуда колебания.
| |
| − | *Подставляя данные, получаем, что необходимая напряженность поля составляет H≈200 А/м. Если учитывать поправку на геомагнитное поле, то H надо увеличить еще на 50-100 А/м, чтобы надежно подавить геомагнитный фон. Таким образом получаем, что необходимая напряженность поля равна 250 А/м (~5 раз больше МПЗ).
| |
| − | ===Конструкция имитатора===
| |
| − | *Существуют различные геометрические конфигурации токовых катушек для создания однородное поле. Наиболее распространенней конфигурацей имитатора поля является "кольца Гельмгольца".Обозначим радиус катушки через а_с, расстояние между центрами катушек - d_c (рис.4). Показано [1][2], что оптимальной конфигурацией является та, для которой выполняется соотношение d_c⁄(a_c=1.116).
| |
| − | [[File:Helmholz.png|300px|thumb|center|Рис.2.Кольца Гельмгольца]]
| |
| − | *Напряженность имитатора приблизительно можно выразить следующей формулой
| |
| − | [[File:HelmholzEquation.png|200px|thumb|center]]
| |
| − | [https://www.comsol.com/model/download/313721/models.acdc.helmholtz_coil.pdf| Инструкция по моделированию катушек в Comsol]
| |
| − |
| |
| − | ===Экспериментальный образец имитатора===
| |
| − | [[File:HelmholzExperiment.png|350px|thumb|center|Рис.3.Имитатор поля]]
| |
| − |
| |
| | ==Создание магнитной системы управления== | | ==Создание магнитной системы управления== |
| − | ===Параметры токовых катушек===
| + | ==Закон управления== |
| − | В работе проведен расчет параметров исполнительных орган (катушек)с целью минимизации потребляемой электроэнергии и массы системы управления. Получены следующие выводы:
| |
| − | *материалом катушки - медь,
| |
| − | *масса катушки M = 0.02 Кг,
| |
| − | *диаметр витка l = 0.1 м,
| |
| − | *площадь сечения материала обмотки должна быть равна S_r=0.0234мм^2, что соответствует диаметру d = 0.172 мм,
| |
| − | *напряжение на катушке равно 12 В,
| |
| − | *количество витков берем равным 240,
| |
| − | *длина катушки (в случае однослойной намотки) ,
| |
| − | *мощность каждой катушки W = 2 Вт.
| |
| − | | |
| − | ===Экпериментальные катушки===
| |
| − | [[File:Picture1.png|200px|thumb|right|Рис.4.Макет спутника с токовыми катушками]]
| |
| − | *В соответствии с выбранными параметрами были созданы токовые катушки для спутника. Проволока, используемая для намотки катушек, была выбрана с диаметром 0.2 мм. Сопротивление каждой катушки R=N∙r=53.5 Ом. Измеряемое сопротивление каждой катушки составляет ≈55 Ом. То есть отклонение измеренного сопротивления от расчетного составляет ≈3 %. Такая разница может вызвана превышением числа витков в процессе ручной намотки. Используя формулы (20), получим создаваемый дипольный момент равен 0.42 Ам2. Относительное отклонение от требуемого значения момента составляет σ=5%. Разницы моментов и сопротивления катушек будут усчитаны при выводе закона управления системы. *Расположение двух катушек на макете спутника показано на рисунке справа.
| |
| − | | |
| − | ==Уравнение и закон управления движением спутника==
| |
| − | ===Уравнение движения спутника===
| |
| − | *Уравнение движения спутника относительно вертикальной оси запишется в следующем виде:
| |
| − | [[File:MotionEquation.png|200px|thumb|center]]
| |
| − | где: m – дипольный момент КА; ω – угловая скорость макета вокруг вертикальной оси;
| |
| − | ψ – угол отклонения дипольного момента КА от вектора индукции МПЗ.
| |
| − | J - момент инерции спутника относительно вертикальной оси
| |
| − | *Если спутник содержит две токовых катушки, его дипольный момент складывается из моментов двух катушек. Перепишем уравнение движения:
| |
| − | [[File:MotionEquation2.png|250px|thumb|center]]
| |
| − | где: m1,m2 – дипольный момент первой и второй катушек соответственно; ψ – угол между моментом первой катушки и индукция МПЗ.
| |
| − | | |
| − | ===Закон управления===
| |
| − | *Желаемый дипольный момент катушек определяется следующим образом:
| |
| − | m=Kp*e+Kd*de/dt + Ki∫de
| |
| − | где: - Kp, Kd, Ki: пропорциональный, дифференцирующий интегральный коэффициенты, соответственно; - e="ψ"_желаемый-"ψ" : разность между желаемым и измеряемым углами.
| |
| − | * Для получения данного дипольного момента, необходимо приложить дипольные моменты вдоль двум остальным осям в соответствии с выражением:
| |
| − | [[File:Moment.png|350px|thumb|center]]
| |
| − | где b = B/|B| - нормированный вектор индукции поля в связанной системе координат.
| |
| − | | |
| | ==Эксперименты== | | ==Эксперименты== |
| − | [[File:Motion.png|560px|thumb|left|Рис.5. ψ_желаемый=п/3]]
| |
| − | [[File:Motion1.png|560px|thumb|left|Рис.6. ψ_желаемый=2п/3]]
| |
| − | На рис.5 и рис.6 показаны графики реальных угловых положений спутника для разных заданных углов ψ_желаемый=п/3 и ψ_желаемый=2п/3 соответственно. Абсолютная ошибка ориентации спутника составляет 10 град. (~0.17 рад).
| |
| − |
| |
| − | Файл для Arduino [[Media:CoilManagment.rar]]
| |
| − |
| |
| − | Программа моделирования C# [[Media:Helmholtz_coil.rar ]]
| |
| − |
| |
| | ==Выводы== | | ==Выводы== |
| | *Изучен принцип магнитного управления малыми космическими аппаратами, подробно рассмотрены его особенности, достоинства и недостатки. | | *Изучен принцип магнитного управления малыми космическими аппаратами, подробно рассмотрены его особенности, достоинства и недостатки. |
