Разработка алгоритмов контроля и диагностики системы управления ориентацией космического аппарата

| | | | | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | |

|5 |Wx = 4 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |2 |400 сек |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2 | | |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2|Iz = 2500 Нмс2 | | |

| | | | | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | |

Результаты моделирования представлены в приложении Г. Как показали

результаты моделирования, для контроля отказавшего ЧЭ требуется в среднем

(~3 сек.).

5.2 Моделирование отказов ДС

Рассмотрим КА с учетом отказов двигателей стабилизации. Введем в

рассмотрение отказы типа «не включения», отказы типа «не отключения» и

отказы двигателей с остаточной тягой.

Проведем моделирование с начальными условиями, приведенными в

табл.5.5. В таблице также представлено время выявления отказа для данного

набора НУ по результата проведенного моделирования.

Таблица 5.5 - НУ модели КА и время выявления отказа

|Вари-а|Угловые |Угловые |Моменты |Остаточ-на|Время |Время |

|нт |скорости |ускорен-ия|инерции |я тяга ДС |отказа |выявле-н|

| | | | | | |ия |

| | | | | | |отказа |

|1 |Wx = 0.1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |100% |700 сек|704.3 |

| |c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wy = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| |Wz = 0 c-1 | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|2 |Wx = 0.1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |50% |700 сек|706.8 |

| |c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wy = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| |Wz = 0 c-1 | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|3 |Wx = 0.1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |15% |700 сек|715.2 |

| |c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wy = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| |Wz = 0 c-1 | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|4 |Wx = 1 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |100% |700 сек|702.1 |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|5 |Wx = 1 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |50% |700 сек|705.3 |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|6 |Wx = 1 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |15% |700 сек|708.9 |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|7 |Wx = 3 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |100% |700 сек|701.2 |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | | |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|8 |Wx = 3 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |50% |700 сек|704.6 |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|9 |Wx = 3 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |15% |700 сек|705.9 |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|10 |Wx = 0 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |100% |700 сек|709.2 |

| |Wy = 1 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|11 |Wx = 0 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |50% |700 сек|714.3. |

| |Wy = 1 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|12 |Wx = 0 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |15% |700 сек|721.1 |

| |Wy = 1 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|13 |Wx = 0 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |100% |700 сек|707.5 |

| |Wy = 1 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 1 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 1 c-2| | | | |

|14 |Wx = 0 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |50% |700 сек|711.3 |

| |Wy = 1 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 1 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 1 c-2| | | | |

|15 |Wx = 0 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |15% |700 сек|717.4 |

| |Wy = 1 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wz = 1 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| | | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 1 c-2| | | | |

Результаты моделирования представлены в приложении Д. Как показали

результаты моделирования, понижение неполной тяги при отказе ДС приводит к

увеличению времени идентификации отказов. Моделирование показало также, что

существенное повышение уровня шумов измерений не приводит к значительному

снижению чувствительности системы к выявлению отказов типа "неотключение" с

малой остаточной тягой.

6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Достижения научно-технического прогресса в последние десятилетия

позволили человечеству решить многие неразрешимые ранее технические и

теоретические вопросы. Так, сегодня повседневным явлением стали запуски

искусственных спутников Земли, космических аппаратов с человеком на борту,

беспилотные межорбитальные аппараты, полёты автоматических станций. Одной

из неотъемлемых составляющих космического аппарата – является система

управления, включающая в себя командные приборы, исполнительные органы,

БЦВМ и программный комплекс. Системы управления, относятся к разряду

сложных систем с большим количеством элементов, которые подвержены

отказам. Одним из основных требований, предъявляемых к системе управления,

является ее высокая надежность. Управление космическим аппаратом с помощью

БИНС рассматривается как взаимодействие двух процессов: решение

навигационной задачи и решение задачи стабилизации. Первая задача

заключается в определение требуемой траектории космического аппарата и в

вычислении фактической, вторая – в управлении аппаратом для поддержания

требуемого курса с заданной точностью. В БИНС инерциальный координатный

базис строится не с помощью гироплатформы, а на основе математических

расчетов проводимых в БЦВМ непосредственно в полете. Отказ реактивных

двигателей стабилизации системы управления ориентацией космического

аппарата, может приводить к не выполнению целевой задачи, а отказ типа «не

отключение» двигателя, может приводить к большим потерям рабочего тела и

раскрутке космического аппарата до недопустимых угловых скоростей. Таким

образом разработка алгоритмов контроля и диагностики системы управления

ориентацией космического аппарата – является актуальной задачей. В

настоящей работе решается задача построения алгоритмов контроля и

идентификации отказов командных приборов и исполнительных органов.

6.1 Обзор существующих методов

Отказ от использования гиростабилзированной платформы и перехода к

бесплатформенным инерциальным навигационным системам связан с повышением

точности командных приборов и интенсивным развитием цифровой вычислительной

техникой, что позволяет решать задачу построения базовой ориентации

математическими методами с использованием БЦВМ [1-5]. Наряду с этим

значительно повышается сложность математической модели НКА и алгоритмов для

системы управления ориентацией. Одной из важных задач, является

идентификация отказов исполнительных органов СУО. Отказ ДС типа «не

отключение» может привести к большим потерям рабочего тела и невыполнению

целевой задачи СУО. Существующий метод идентификации отказов ДС как большой

тяги так и малой, основан на контроль опасной продолжительности работы

двигателей и подсчете времени базы [pic]. Опасная продолжительность

формируется в зависимости от значения управляющего момента [25]. При этом

рассматривается два типа отказов – отказ типа «не включение» и отказ типа

«не отключения». При этом на всех базах выбирается максимальный ОП и

находится с помощью метода статистических гипотез критическая точка,

позволяющая принять решение – есть отказ или нет. Максимальная точность

выявлений отказа ДС с остаточной тягой, при использовании данного метода –

51% [25]. При превышении этого порога, алгоритм контроля двигателей

стабилизации системы управления ориентацией космического аппарат не

выявляет отказ. Это приводит к большим потерям рабочего тела, а

следовательно и к значительным экономическим затратам, а также к

невыполнению целевой задачи СУ, и как следствие срыву полетного задания, а

иногда и полной потери управления КА [25, 26].

Предлагаемый в данной дипломной работе алгоритм контроля СУО основан

на использовании субоптимального дискретного фильтра Калмана-Бьюси. Анализ

величины оцениваемого в фильтре Калмана возмущающего момента позволяет

вычислить математической ожидание оценки возмущения. Если математическое

ожидание оценки возмущающего момента, вычисленного на некоторой временной

базе, где управление равно нулю, превосходит допустимый порог, то

принимается решение об отказе ДС и переходе на резерв. Как показало

моделирование понижение остаточной тяги при отказе ДС в пять раз меньше,

чем у существующих алгоритмов контроля, и составляет 10%. Это значительно

повышает надежность СУО. А процент не выявления (10%) составляет процент

внешних возмущающих воздействий, таких как аэродинамические и

гравитационные. Это говорит о высокой эффективности разработанного

алгоритма [25, 26].

Также в данной дипломной работе, разработан алгоритм контроля

командных приборов ГИВУС и ДУП [21]. Отказ командным приборов может

приводить к невыполнению целевой задачи СУ. Существующие алгоритмы имеют

высокую погрешность при выявлении отказов чувствительных элементов. В

основу существующих алгоритмов положен либо фильтр первого порядка, либо

наблюдатель Люинбергера. Для повышения точности выявления отказавшего

чувствительного элемента, в данной дипломной работе разработаны алгоритмы

контроля командных приборов СУО, на основе субоптимального дискретного

фильтра Калмана-Бьюси. Проведенное моделирование, показало высокую

эффективность разработанного алгоритма по сравнению с существующими. В

результате было повышено время выявления отказа чувствительный элемент,

более точно выявляется отказавший чувствительный элемент [21, 25].

Разработанные алгоритмы контроля командных приборов и исполнительных

органов в значительной мере повышают надежность системы управления

ориентацией космического аппарата, и позволяют избежать потерь рабочего

тела, и способствуют выполнению целевой задачи СУ. Это позволит снизить

затраты на командные приборы и исполнительные органы, а также экономические

затраты связанные с отказами в полете исполнительных органов и командных

приборов [1, 3, 25].

6.2 Расчет сметы затрат на НИР

Выполнение научных исследований требует определенных затрат, которые

необходимо рассматривать как дополнительные капиталовложения. Они относятся

к производственным затратам и включают в себя все работы, выполняемые

работниками организации [30].

При этом принимаем:

1) общее количество часов отладки и решения на ПВЭМ Т = 550 ч.

2) стоимость 1м2 площади в месяц Са = 35 грн.;

3) мощность ПВЭМ W = 0.4 кВт;

4) площадь помещения S = 13 м2 ;

5) стоимость электроэнергии 1 кВт/ч ТФ = 0,156 грн. (с ПДВ);

6) коэффициент невыходов а = 5%;

7) стоимость ПВЭМ Sk = 2900 грн.;

8) количество рабочих дней в месяц ДР = 23;

9) время работы на компьютере ТК = 4 мес.;

10) мощность осветительной электроэнергии Wоэ = 0,18 кВт;

11) время разработки НИР tр = 5 мес.

Рассчитаем эффективный фонд времени:

ТЭ = ДР * ТК *(1-а/100) = 87,4;

Расчет основной заработной платы исполнителей производится исходя из

штатного расписания занятости исполнителей этой НИР, и приведен в таблице

6.1.

Расчет стоимости материала приведен в таблице 6.2.

Расчет сметы затрат на НИР с указанием формул расчета статей затрат

приведен в таблице 6.3.

Таблица 6.1 – Штатное расписание исполнителей

|Должность |Количество |Оклад в |Время |Сумма, |

| |исполнителей |месяц, грн. |работы, мес. |грн. |

|Руководитель, |1 |650 |5 |3250 |

|Начальник | | | | |

|сектора | | | | |

|Инженер-матема|1 |450 |5 |2250 |

|тик | | | | |

|исследователь | | | | |

|Лаборант |1 |300 |5 |1500 |

|Итого | 7000 |

Таблица 6.2 – Расходы на материалы

|Наименование |Цена за |Количество, шт.|Сумма, грн. |

| |единицу, грн. | | |

|Бумага (100 листов) |5,50 |2 |11,00 |

|Папка для дипломных |3,00 |1 |3,00 |

|работ | | | |

|Ручка |1,00 |7 |7,00 |

|Карандаш |0.50 |8 |4,00 |

|Записывающий CD |30 |3 |90 |

|(запись) | | | |

|Лист формата А1 |1,00 |4 |4,00 |

|Картридж для принтера|155,00 |1 |155,00 |

|Дискета 1,44 МВ |5,00 |2 |10,00 |

|Итого | 284,00 |

Таблица 6.3 – Смета затрат на НИР

|№ |Статья затрат |Методика расчета |Сумма,грн. |

|1 |Зарплата сотрудников, основная | | |

| |а) штатное расписание |Таблица 6.2.1 |7000 |

| |б) доплаты |10% пункта 1а) |700 |

|2 |Отчисления на соцстрах и другие|37,5% пункта 1 |2625 |

| |отчисления | | |

|3 |Расходы на материалы |Таблица 6.2.2 |284 |

|4 |Затраты на эксперимент |- |- |

|5 |Стоимость технологической |Sэ.т. = Тф* Т * W |34,32 |

| |электроэнергии | | |

|6 |Амортизационные отчисления |Аотч = (0,25* Sk*Тк) |242 |

| |вычислительной техники |/12 | |

|7 |Стоимость осветительной |So = Тф * Тэ * Wоэ |2.45 |

| |Электроэнергии | | |

|8 |Амортизационные отчисления |Sa = Са * S * tр |2275 |

| |площади рабочего места (аренда)| | |

|9 |Итого |Сумма |13162.77 |

|9 |Плановое накопление |30% пункта 1 |2100 |

|10 |Всего смета затрат на НИР | |15262.77 |

Итого, в результате проведенных расчетов получили, что смета затрат

на научно-исследовательскую работу составляет 15262.77 грн.

6.3 Расчет научно-технического эффекта

При расчете научно-технического эффекта используется следующая

формула [30]:

[pic],

где [pic] - весовые коэффициенты i-ого показателя;

[pic] - виды признаков по i-ому показателю;

Исходные данные для расчета научно-технического экономического

эффекта приведены в таблице 6.4.

Таблица 6.4 - Исходные данные для расчета НТЭ

|№Признака |Признаки |Значение [pic] |Значение [pic] |

| |научно-технического | |баллы |

| |уровня | | |

|1 |Перспективность |0.4 |8 |

|2 |Возможность реализации |0.1 |7 |

|3 |Новизна |0.5 |9 |

Подставляя в исходную формулу соответствующие значения показателей,

получим:

НТЭ = 8.4 балла

6.4 Расчет экономического эффекта

Экономический эффект – та выгода, в денежном выражении, которую будет

получать предприниматель при внедрении результатов научно-исследовательской

работы. Экономический эффект является абсолютной величиной [30].

[pic]

где i - направление снижения затрат;

[pic] - экономия по каждому направлению;

[pic] - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений. В

данном случае [pic] (экономический смысл таков, что возврат

капиталовложений предполагает, что из вложенной одной гривны вернется

0.25 гривны):

[pic] - капиталовложения (смета затрат на НИР). В данном случае [pic];

[pic] - дополнительные капиталовложения (маркетинговые исследования,

приобретение новой вычислительной техники и другие). [pic].

В данной дипломной работе рассматриваются экономии по двум основным

направлениям:

1. Экономия затрат рабочего тела.

Для данного направления учитывается разница между тем сколько

потребляли ДС СУО рабочего тела до внедрения нового алгоритма контроля, и

сколько буду потреблять рабочего тела после внедрения в СУО нового

алгоритма контроля:

[pic];

[pic] - масса потребления ДС рабочего тела до внедрения нового

алгоритма контроля;

[pic] - масса потребления ДС рабочего тела после внедрения нового

алгоритма контроля.

Тое есть, исходя из того, что масса потребления ДС рабочего тела

после внедрения нового алгоритма контроля снизится в пять раз, то:

[pic];

Также необходимо учесть стоимость рабочего тела (топлива):

[pic]

Следовательно, экономия по первому направлению:

[pic]

2. Экономия затрат рабочего тела связанная с временам выявления

отказов чувствительных элементов ГИВУС.

Для данного направления учитывается разница между тем сколько времени

требуется алгоритму контроля ГИВУС на выявление отказа ЧЭ до внедрения

нового алгоритма, и после внедрения нового алгоритма контроля ГИВУС.

[pic]

[pic] - времени, которое требуется алгоритму контроля ГИВУС для

выявление отказа ЧЭ до внедрения нового алгоритма контроля;

[pic] - времени, которое требуется алгоритму контроля ГИВУС для

выявление отказа ЧЭ после внедрения нового алгоритма контроля;

Мы можем вычислить массу потребления топлива за одну секунду:

[pic]

[pic] - масса потребления ДС рабочего тела;

Таким образом разница выявления отказа:

[pic]

А потребления топлива за одну секунду

[pic]

Также необходимо учесть стоимость рабочего тела (топлива):

[pic]

Следовательно, экономия по первому направлению:

[pic]

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8