Вербальное описание задачи

Мостовой Я.А.

Методические Указания и исходные данные для лаб. МАГ

«Безопасное автономное управление студенческим спутником»

Цель работы: Разработать алгоритм и программу безопасного автономного управления технической системой (ТС), проведя ее по всем этапам жизненного цикла ПО, начиная с системного анализа и кончая комплексной отладкой и выпуском эксплуатационной документации. Работа проводится на примере разработки ПО для встроенной в систему управления ЦВМ безопасного управления угловым движением студенческого спутника. Разработать программы-модели внешней среды для отладки этой программы. Провести отладку разработанной программы и выпустить документацию.

Введение

Перед тем как программировать задачу из конкретной предметной области необходимо проделать работу по изучению задачи, её формализации, уяснению и выбору алгоритма её решения. После программирования задачи необходимо убедится в правильности её работы – провести отладку во всех вариантах использования её в системе.

Для того чтобы убедится, что программа дает правильный результат надо испытать её в реальной системе в реальной среде функционирования. Это сделать по многим причинам не всегда возможно. Поэтому чаще всего разработанная программа испытывается в имитируемой (моделируемой) среде функционирования.

Математическая модель внешней среды «подбрасывает» в программу входные данные и воспринимает и интерпретирует результаты её работы точно так, как это бы делала реальная внешняя среда.

Таким образом, само программирование алгоритма управления технической системы составляет меньшую часть работы. Как и в реальной жизни при разработке ПО гораздо больше времени уходит на проектирование алгоритма и проверку правильности работы разработанной программы в моделируемой внешней среде.

Вербальное описание задачи

Для работы установленной на студенческом спутнике (СС) научной аппаратуры необходимо периодическое движение на угол 30 градусов с заданной угловой скоростью (за заданное время) несколько раз за период обращения спутника вокруг земли (виток), длительность которого 90 минут.

Остальное время спутник стабилизируется по углу тангажа в инерциальном пространстве либо в скоростной орбитальной системе координат осью научной аппаратуры по местной вертикали. В дальнейшем будем рассматривать решение этой задачи. Реально спутники управляются по угловому положению относительно трех осей. Однако, мы ограничимся управлением относительно одной оси с целью упрощения задачи и учитывая, что управление относительно двух других осей аналогично.

Имеются датчики угловой ориентации спутника в пространстве, информация с которых поступает в БЦВМ системы управления по ее запросу. Эти датчики показывают отклонение оси спутника от заданного направления. Это достаточно сложные гироскопические или астровизирные приборы. Для целей нашей работы мы можем абстрагироваться от их устройства - обойтись без изучения деталей их работы. Важно лишь то, что на их выходе имеется сигнал или код, пропорциональный углу отклонения оси спутника от заданного направления.

Имеются датчики измерения угловой скорости (ДУС) спутника относительно центра масс, информация с которых также поступает в БЦВМ. Мы также можем обойтись без изучения их устройства. Важно лишь то, что на их выходе имеется сигнал или код, пропорциональный угловой скорости вращения спутника относительно его центра масс (ЦМ) в заданном направлении.

БЦВМ, обнаружив при помощи информации с датчиков отклонение от требуемого углового положения, вырабатывает команду на исполнительные органы (ИО), которые создают момент относительно ЦМ, поворачивающий спутник относительно ЦМ так, чтобы это отклонение уменьшалось до 0. Это - типичное управление с обратной связью.

С целью экономии бортовых запасов топлива применим ИО электромеханического типа – управляющий маховик. Он представляет из себя электрический двигатель, на оси которого закреплен диск с моментом инерции Jмх. При разгоне маховика и получении приращения его угловой скорости спутник разгоняется по углу в противоположную сторону с приращением угловой скорости , приблизительно пропорциональной отношению моментов инерции маховика к моменту инерции спутника Jмx/Jo.

Если действует постоянный момент возмущения относительно цм студенческого спутника, то для его парирования придется маховик разгонять постоянно, создавая тем самым постоянный управляющий момент Мупр=Jмх* . В состоянии равновесия должен быть баланс моментов относительно ЦМ :Мв=Му т.е. угловая скорость маховика будет постоянно возрастать во времени, так как имеет место разгон маховика с постоянным ускорением.

В результате маховик через некоторое время разгонится до максимальной угловой скорости вращения, которую может дать электродвигатель привода маховика, т.е. кинетический момент маховика H= Jмх достигнет возможного максимума - насытится и не будет больше увеличиваться. При этом такой «насытившийся» маховик теряет возможность управления угловым положением СС: нет приращения угловой скорости маховика ( его углового ускорения) – нет управляющего момента.

Энергетические возможности маховика по управлению характеризуются Hмаx - максимальным значением кинетического момента т.е. произведением максимальной угловой скорости вращения маховика на значение его момента инерции. При достижении Hмаx надо маховик остановить(затормозить) и начать все сначала. Но как только вы начнете тормозить маховик –придавать ему отрицательное приращение угловой скорости- угловое ускорение( - ), то вы заставите спутник вращаться в противоположную сторону.

Для того, чтобы прекратить это вращение необходимо останавливать вращение спутника другими средствами, продолжая торможение маховика.

Другим средством создания управляющего момента может быть управляющие ракетные двигатели, или магнитная катушка, по которой может протекать ток в выбранном управлением направлении. Магнитное поле катушки взаимодействует с магнитным полем земли. Магнитный способ создания управляющего момента должен учитывать переменность направления и величины вектора магнитного поля земли относительно вектора магнитного поля катушки ,установленной неподвижно на спутнике, в процессе орбитального движения спутника.

Такая магнитная ориентация имеет перерывы в работе и поэтому практически не используется, как ИО для непрерывного создания управляющего момента нужного знака и величины. Но для более грубой задачи - сброса накопленного кинетического момента маховика ее применяют достаточно часто. Из за сложности учета взаимодействия переменного магнитного поля земли с магнитным полем управляющей катушки мы будем рассматривать более простой способ удержания углового положения спутника при торможении вращения маховика.

Процесс управления при помощи управляющих ракетных двигателей может быть использован как для постоянного управления СС ,так и в случае удержания углового положения спутника при торможении насытившегося маховика – «сбросе его кинетического момента», но требует бортовых запасов топлива.

Поэтому в обоих случаях существует комбинация из 2-х систем ИО: инерционных ИО - маховиков и системы их разгрузки (магнитной или реактивной).

Преимущества инерционных ИО, использующих восполняемый за счет солнечных батарей источник энергии, сказывается при наличии периодических знакопеременных возмущений или угловых движений.

В этом случае маховики то разгоняются ,то тормозятся и оба этих движения являются полезными, разворачивая спутник то в одну сторону, а затем при смене знака углового ускорения маховика ,в другую. При этом главное ,чтобы во время этих движений маховик не достигал насыщения по своей угловой скорости вращения.

Этого можно достичь выбором характеристик маховика под требуемые значения угловых скоростей движения СС т. е. значений Hmax для маховика и амплитуды переменного возмущающего воздействия или задаваемого углового движения спутника.

Все рассмотренные устройства для системы углового управления (СУ)спутником могут отказать с определенной вероятностью в течении заданного времени работы спутника ,например, года.

В составе СУ спутника имеется БЦВМ, которая обращается ко всем датчикам за информацией , получив ,которую БЦВМ в своей программе вычисляет командные воздействия на соответствующие ИО и выдает их на ИО. Период работы комплекта управляющих программ БЦВМ (снять – обработать – выдать) составляет1 сек и может быть переменным.

ЗАДАНИЕ :

1.Необходимо разработать алгоритм и программу управления угловым движением спутника по углу тангажа в процессе поддержания нулевых угловых отклонений относительно заданного положения. Для обеспечения проверки правильности и отладки этих алгоритмов необходимо разработать имитационную математическую модель внешней среды – модель углового движения ,модель датчиков и модели исполнительных органов.

Алгоритм управления должен быть реализован в управляющей БЦВМ. Мы её эмулируем в ПК. В рамках этой эмуляции реализуется заданная дискретная во времени работа управляющего алгоритма. Это конечно нехорошо – необходимо отладку ПО проводить на системной ЦВМ, но это в рамках данной работы недостижимо.

В этом же ПК мы будем исполнять модель внешней среды(датчиков, ИО, объекта управления), необходимую для проверки работоспособности системы и отладки алгоритма управления.

Приведенная в приложении схема моделирования углового движения спутника соответствует схеме имитационного математического моделирования. В соответствии с этой схемой воспроизводится блочная структура системы т.е. в явном виде присутствуют выделенные математические модели датчиков, исполнительных органов и объекта управления.

В данном контексте применения имитационные математические модели датчиков просты и возвращают обратившейся программе управления значения угла и угловой скорости, которые они « списывают» с модели углового движения. Модели исполнительных органов отдают модели углового движения значения управляющих моментов, рассчитанных в программе управления БЦВМ.