Интегрированная модель каналов электропитания стационарного плазменного двигателя

УДК 629.78.01

ИНТЕГРИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ КАНАЛОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ

М.В. Михайлов, Ю.М. Казанцев

ФГУП «Научно-производственный центр «Полюс», г. Томск E-mail: polus@online.tomsk.net

Исследуется интегрированная модель каналов электропитания стационарного плазменного двигателя, включающая модели солнечной батареи, канала разряда анод - катод и системы электропитания. Показан алгоритм функционирования модели и диаграммы тока и напряжения разряда для различных режимов работы двигателя. С помощью полученных диаграмм определено наибольшее перерегулирование в системе с четырьмя замкнутыми обратными связями и на основании «гипотезы фильтра» сделан вывод об ее устойчивости. Предложенная модель позволяет имитировать все режимы работы системы электропитания, а также моделировать различные варианты запуска двигателя и работу различных типов термодросселей.

В последние годы компьютерное моделирование различных устройств привлекает значительное внимание, поскольку позволяет сократить время и существенно снизить затраты на разработку приборов. Это особенно важно для систем, комплексное исследование которых затруднительно, или требует больших материальных издержек. К такого рода системам относится устройство запуска и электропитания стационарного плазменного двигателя (СПД), первичным источником которого является солнечная батарея (СБ), а нагрузкой - СПД, способный работать только в условиях глубокого вакуума.

Цель моделирования - получить точное представление о процессах, происходящих в схеме устройства запуска и электропитания СПД во всех режимах его работы, определить принципиальные особенности управления и провести анализ устойчивости схемы. Следовательно, интегрированная модель каналов электропитания СПД должна включать модели СБ, СПД, устройства запуска и электропитания СПД.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) СБ описывается выражением [1]

( ((л \

4 = 4

1 - exp

„

-1

x ln

f I A

1 — ОПТ V IK.3 J

U„

U

— 1

; jj

где /к.з - ток короткого замыкания СБ (при исб=0); исб - мгновенное значение выходного напряжения; их.х - максимальное выходное напряжение (при /сб=0); /опг и иопт - оптимальные ток и напряжение, соответствующие максимальной мощности.

Канал разряда анод - катод СПД имеет сложную нелинейную ВАХ с участком отрицательного динамического сопротивления, что не позволяет описать ее одним математическим выражением. В общем виде ВАХ канала разряда СПД можно представить следующим образом [2]:

1 р =

0, при Up < 70 В,

el Т

m

" 4 1

fu -U

p 3

u. - u

V pi 3

(

1 + Vx

M

' 2e

при 70 В < Up < Upi,

^(1 + 0,00065 • (Up - Up.)) x mi

f i-tz-A

x

1 + Vx

M

12e

ПРи Up > Up.

где е - заряд электрона (1,6.0-19 Кл); 1Ж - ток термодросселя; т - секундный расход рабочего вещества; ир - напряжение разряда; П3 - напряжение, при котором появляется ток разряда; Щ - напряжение разряда, соответствующее началу участка отрицательного сопротивления; Уех - скорость плазменной струи на выходе сопла двигателя (около 6000 м/с); Лиз - переменная составляющая (пульсации) напряжения разряда.

Реализовать выражения (2) в модели аналитическим путем достаточно сложно, поэтому использован способ табличного описания функций, который в системе сквозного проектирования электронных устройств Огсаё 9.2 реализован на базе блока G_table, представляющего собой модель источника тока, управляемого напряжением. Полученная ВАХ показана на рис. 1.

0 400 800 1200

Рис. 1. ВАХ канала анод - катод

L. A

2

2000 u.. В

1600

1.47*У

010 И

И 95т

- 0 - о

Рис. 2. Интегрированная модель каналов электропитания СПД

Модель устройства запуска и электропитания СПД с одной стороны должна быть связующим звеном между моделями СБ и СПД, а с другой -адекватно отражать реакцию схемы при воздействии на ее входы изменяющихся во времени сигналов. С учетом этого разработана интегрированная модель каналов электропитания анод - катод, нагревателя катода (НК), электрода поджига (ЭП) и термодросселя с замкнутыми обратными связями, рис. 2. Она выполнена на базе совмещенного устройства запуска и электропитания СПД [3]. Это реализовано тремя парами функциональных блоков: G1-E1, G3-E2 и G4-E3. Источники тока, управляемые напряжением G1, G3 и G4, являются нагрузкой для модели СБ ^2), а потому их задача -трансформировать ток нагрузки анод - катод в ток нагрузки СБ, отсюда их ВАХ определяется как

иЕ1 + иЕ2 + иЕ3г ч

I =——-—-— (I +1 ) И

3U^

UE1 + ue 2 + ue 3_ n . uios

uos

3U.

Rl4 R26 (Uel + Ue2 + Ueb)'

где 1хх=1т=1ш6; исбхх - напряжение СБ на холостом ходу; п - КПД устройства запуска и электропитания (0,85...0,92); ит - сигнал датчика тока разряда; и05 - сигнал датчика напряжения анод - катод.

Зависимые источники Е1-Е3 выполняют роль трансформаторов постоянного напряжения с таким коэффициентом передачи, чтобы суммарное выходное напряжение было не менее номинального значения К.ном, тогда

-U ^

U = U

Ue1 зи

где ир.ном - номинальное напряжение разряда анод -катод; Ц,хмин - минимальное входное напряжение.

Т.е. напряжение разряда есть сумма

ир = иЕ{Тв 1 + иЕ 2^ 2 + иЕ ъГв 3>

где уя, 7я, 753 - регулировочные характеристики ключей 81-83 (0...1).

Канал стабилизации напряжения разряда выполнен как односторонний широтно-импульсно-модулируемый регулятор (и2, и3) с модуляцией переднего фронта и инерционным звеном ^20, С6) на основе динамических моделей операционных усилителей. Канал ограничения тока разряда выполнен в виде релейного регулятора на базе динамической модели быстродействующего операционного усилителя ЕГ1037С8 (и1). Поскольку изменение сопротивления НК имеет инерционный характер, а канал тока НК представляет собой электрическую цепь первого порядка (ЬГХ1, R27), его система управления выполнена на базе релейного регулятора (и4). Замкнутая обратная связь (85) по сопротивлению нагрузки (расходу рабочего вещества) позволяет получить более точное представление о режимах работы элементов схемы по сравнению с лабораторными исследованиями физических макетов на активную нагрузку.

Режимы работы устройства запуска и электропитания обусловлены принципом действия СПД, на основании чего составлен план исследования, который в модели реализован алгоритмом работы независимых источников (рис. 3).

Источник , 1,1

V9, vi3j_I 1ПППППППППППП

V1

V4 [~

V10

V8

nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnni

' Режим

Холостой Накал Запуск Подцер. КЗ Номинальный ход катода запуска

Рис. 3. Алгоритм работы модели при исследовании режимов работы СПД

В результате моделирования получены диаграммы токов и напряжений на всех элементах схемы, на основании которых сделан вывод о работоспособности схемы и происходящих процессах. На рис. 4 показаны диаграммы работы каналов электропитания СПД в различных режимах.

и, в 1000

0

I», А 4

Im, А 0,4

ш

Á 11 111 Tt( n rr --i ш ИМ ...... ж 1

г i т. ГТ ГТ 1 ........f- L

Рис. 4. Диаграммы работы модели: а) напряжение и б) ток канала анод - катод; в) расход рабочего вещества, пересчитанный в токовые единицы

На основании полученных диаграмм можно провести анализ устойчивости схемы по переходной характеристике. Для этого необходимо определить наибольшее перерегулирование в системе. Наибольшие перерегулирование напряжения разряда анод - катод и колебательный процесс (рис. 4, а) возникают в момент появления тока разряда (рис. 4, б) при подаче рабочего вещества в разрядную камеру (рис. 4, в). Величина перерегулирования АН для этого случая

Ah = Uмаке - UHOM , 100% = 1035 ~1000 • 100 % = 3,5 %.

U,„

1000

В соответствии с "гипотезой фильтра" система считается устойчивой (с запасом по фазе 7с>30°), если перерегулирование в затухающем переходном процессе ДК30 %.

V6

Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. № 4

Разработанная модель позволяет имитировать все режимы работы устройства запуска и электропитания СПД на базе совмещенного преобразователя, а также моделировать различные варианты запуска двигателя и работу различных типов термодросселей. Модель разработана с учетом нелинейности ВАХ источника питания (СБ) и участка отрицатель-

ного динамического сопротивления нагрузки (канал разряда анод - катод СПД). Замкнутая обратная связь по сопротивлению нагрузки (расходу рабочего вещества) позволяет получить более точное представление о режимах работы элементов схемы по сравнению с лабораторными исследованиями физических макетов при работе на активную нагрузку.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чернышев А.И., Казанцев Ю.М., Поляков С.А., Лекарев А.Ф. Способ стабилизации выходного напряжения системы электропитания КА // Третий Сибирский Междунар. авиа-косми-ческий салон САКС 2004: Сб. докл. Междунар. научно-практ. конф. - Красноярск, 2004. - С. 43-48.

2. Морозов А.И. Физические основы космических электрореактивных двигателей. Т. 1. Элементы динамики потоков ЭРД. -М.: Атомиздат, 1978. - 328 с.

3. Пат. 2265135 РФ. МПК7 Б03Н 1/00. Устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя / М.В. Михайлов, Н.М. Катасонов. Заявлено 14.04.2003; Опубл. 27.11.2005, Бюл. № 33.

УДК 629.783:5233+519.7+62-69

БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ E-СЕТЕВОЙ МОДЕЛИ СЛОЖНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Г.П. Цапко, С.Г. Цапко, Д.В.Тараканов*

Томский политехнический университет "Сургутский государственный университет E-mail: serg@aics.ru

Раскрыты методологические основы построения динамических моделей гибридных систем с использованием принципов «блочного» моделирования на базе Е-сетевого формализма. Представленная методика основана на использовании механизмов иерархического взаимодействия элементов динамической моделей. Показаны принципы организации Е-сетевых иерархических схем с использованием жестких и гибких структур. Указан механизм взаимодействия статических и динамических компонентов.

В настоящее время происходит существенное усложнение автоматизированных систем управления различными технологическими процессами. Это предъявляет новые, более жесткие требования к подготовке обслуживающего персонала данных систем. Полноценное использование многофункциональных компьютерных тренажеров (МКТ) возможно только в том случае, если его программное обеспечение способно функционировать в реальном масштабе времени или ускоряя моделируемый процесс.

Для решения данной проблемы необходимо выработать общие подходы в организации Е-сетевой [1] аналитико-имитационной модели (АИМ).

Важным вопросом в построении аналитико-имитационной модели (АИМ) исследуемой системы является выработка общих подходов в организации Е-сетевой модели. Методология построения АИМ сложных систем базируется на объектном подходе к организации исследуемой модели и состоит из следующих основополагающих позиций:

1) любая модель представляет собой совокупность однонаправленных объектов (в дальнейшем используется термин-компонент Comp), взаимодействующих между собой, что позволяет реа-лизовывать причинно-следственный подход в построении модели;

2) компоненты модели выбираются с учетом минимального числа взаимосвязей между компонентами модели и минимальным уровнем взаимодействия (т.е. интенсивностью обмена данными) между компонентами;

3) обмен данными происходит с помощью каналов связи;

4) компоненты модели строятся по иерархическому принципу;

5) в модели может выполняться несколько независимых друг от друга процессов, т.е. компоненты могут функционировать параллельно и независимо друг от друга;

6) с компонентами модели могут ассоциироваться как конкретные технические объекты системы и ее элементы, так и абстрактные математические объекты, например операторы преобразования. АИМ исследуемой технической системы Е0

представляется как объединение компонент с определенной взаимосвязью. Количество компонентов модели определяется режимом работы МКТ и степенью детализации системы. Каждая компонента модели технической системы, реализованная на Е-сетевом имитационном аппарате, может быть представлена иерархической структурой «вход - состояние - выход». Функционирова-