Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ»

Кафедра автоматики и процессов управления

Курсовая работа

по дисциплине «Теория управления»

на тему: «Система автоматической ориентации

космического летательного аппарата»

Задание 2, вариант № 4

Преподаватель: Туренко Т.

Студент гр. 1372: Сурков С. О.

Санкт-Петербург

2004 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ_________________________________________________3

2. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА___________________________________4

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА____5

4. АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ__________________________________________________6

5. КОРРЕКЦИЯ СИСТЕМЫ______________________________________7

6. АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СКОРРЕКТИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ____________________________________________________8

7. ЦИФРОВАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ_______9

8. АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ__________________________10

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ_____________________________________________11

10. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ________________12

1. ВВЕДЕНИЕ.

1. Цель курсовой работы: Спроектировать систему ориентации для поворота космического летательного аппарата (КЛА).

2. Основные задачи, решаемые при выполнении курсовой работы: Обеспечить следующие характеристики системы: Устойчивость, время переходного процесса – минимальное.

3. Применяемые методы исследования и программные средства: Программа CLASSIC (Complex Linear Analysis and Structure Synthesis In Control) позволяет строить математические модели, анализировать и синтезировать линейные системы управления со сложной структурой, представленные в форме структурных схем.

Основными особенностями программы являются:

• ориентация на методы классической теории автоматического управления;

• максимальная графичность отображения структур систем и характеристик;

• непосредственный и быстрый расчет характеристик систем по их структурному представлению;

• тесное взаимодействие процедур построения и редактирования моделей, анализа и синтеза;

• удобство исследования влияния вариаций элементов на характеристики систем в целом.

Также используем пакета MATLAB/Simulink, позволяющий моделировать, анализировать и симулировать физические и математические системы, содержащих в себе нелинейные элементы, в непрерывном и дискретном времени.

2. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Упрощенная функциональная схема системы автоматической ориентации космического летального аппарата (спутника, космической станции и т.п.) приведена на рисунке.

Система ориентации предназначена для поворота космического

летательного аппарата (КЛА) вокруг оси OZ, проходящей через центр масс ЦМ КДА. На рисунке обозначены: К - корпус КЛА, относительно которого в плоскости, перпендикулярной оси OZ отсчитывается угол поворота α; РДО - реактивный двухсопловый двигатель ориентации с устройством управления двигателем УУД; У - усилитель системы ориентации; ЦАП - цифроаналоговый преобразователь сигнала управления, поступающего от бортовой цифровой вычислительной машины БЦВМ, ЦДУ - цифровой датчик угла разворота КЛА вокруг оси OZ. В БЦВМ заносится программа ориентации КЛА.

Цифровую часть (ЦЧ) системы составляют ЦАЛ, БЦВМ и ЦДУ. Непрерывную часть составляют усилитель У, реактивный двигатель ориентации РДО и космический летательный аппарат КЛА.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Коэффициенты звеньев системы ориентации:

- коэффициент усиления усилителя:

- коэффициент передачи реактивного двигателя ориентации (нм/в):

- постоянная времени реактивного двигателя ориентации (с):

- коэффициент передачи космического летательного аппарата (рад/н∙м∙с²):

- коэффициент передачи цифровой части (в/рад):

Структурная схема исходной системы:

Передаточные функции звеньев исходной системы:

1. Цифровая часть:

2. Усилитель:

3. Устройство управления:

4. Функция передачи КЛА:

4. АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

В результате анализа системы получим:

- распределение нулей и полюсов замкнутой системы;

- график переходного процесса на единичное ступенчатое воздействие;

- график амплитудно-фазовой характеристики замкнутой системы;

- графики логарифмических частотных характеристик (ЛЧХ) разомкнутой системы.

По этим графикам можно судить об устойчивости системы: т.к. на графике есть полюсы, находящиеся в правой полуплоскости, следовательно, система не устойчива, переходный процесс расходящийся, что также видно наблюдать на графике переходного процесса.

5. КОРРЕКЦИЯ СИСТЕМЫ

Для улучшения характеристик системы введем корректирующее звено:

График ЛАЧХ и ФЧХ разомкнутой системы до и после коррекции:

После коррекции системы переходный процесс принял вид:

Передаточная функция (ПФ) звена коррекции:

После включения звена последовательной коррекции получаем устойчивость системы, при этом % = 70%, t_рег =56 с.

6. АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СКОРРЕКТИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

Проведем анализ устойчивости, изменяя коэффициент усиления, результаты запишем в таблицу:

19	Неустойчивость
20	4776	91,2
25	820	91
50	143,6	77,4
100	72	70,8
150	56	69,8
190	48,3	70,3
200	46,9	70,4
220	44,36	70,7
230	50,33	70,9
26539	Неустойчивость

7. ЦИФРОВАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ

С помощью пакета MATLAB/Simulink введем модель системы в ЭВМ. Получим следующую схему:

После моделирования процессов в системе мы убедились, что результаты совпадают с результатами, полученными при помощи программы CLASSIC:

8. АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ

Введем в систему нелинейные элементы (НЭ):

- насыщение, ограничивающего управляющий сигнал по уровню на выходе звена коррекции(saturation)

- люфта с ограничением на звено коррекции(dead zone).

Получим следующую схему:

Изменяя параметры нелинейных элементов, определим граничные значения параметров, при которых в системе возникают неустойчивость системы, и приведем графики на выходах нелинейных элементов и переходного процесса под их воздействием:

Насыщение
±3500	56	69
±1000	47	44
±500	68	32
±250	72	28
±100	75	27
±50	76	28
±25	76,7	28,5
±10	77,2	29
±5	77,4	29,2
±1	67	55
±0,5	110	89

Люфт
±0	56	69
±0,1	46	71
±0,125	47	72
±1,15	76	72
±1,175	Н.у.	72
±0,2	Н.у	73

Таким образом, переходная характеристика примет следующий вид:

tp=72c, σ=56%

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С использованием программы Classic в данном курсовом проектировании была получена система автоматической ориентации космического летательного аппарата по заданным показателям качества (перерегулирование и время регулирования). Кроме того, были освоены методы коррекции неустойчивых систем для получения устойчивых при помощи последовательного включения звена коррекции.

С использованием пакета MATLAB/Simulink в систему были введены нелинейные элементы, и исследовано ее поведение при этом.

10.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Конспект лекций по курсу «Основы теории управления», лектор Кузьмин Н.Н.

2. Конспект лекций по курсу «Основы теории управления», лектор Канатов И.И.

3. Алексеев А.А., Имаев Д.Х., Кузьмин Н.Н., Яковлев В.Б. Теория управления: Учеб. / СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1999.

12