Детальная информация

В работе разрабатывается система управления испытаниями имитаторов солнечных батарей (ИСБ), в которой математическая модель и цифровой двойник (ЦД) используются для расчёта характеристик и контроля хода испытаний. Актуальность темы связана с тем, что при наземной отработке систем электропитания космических аппаратов (КА) требуется не только воспроизводить статическую вольт-амперную характеристику (ВАХ) солнечной батареи, но и контролировать переходные процессы, своевременно обнаруживать отклонения режима и рационально формировать последовательность испытательных точек. При традиционном регламентном подходе контроль часто выполняется периодически, а порядок прохождения режимов не всегда учитывает динамические ограничения стенда. Это может приводить к запаздыванию реакции на нарушение, увеличению длительности переходов и избыточной нагрузке на оборудование. Объектом исследования является процесс управления испытаниями ИСБ. Предметом исследования являются модели и алгоритмы построения системы управления этим процессом. Цель работы заключается в разработке системы управления испытаниями ИСБ для наземных комплексов КА на основе математической модели и ЦД. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: 1) рассмотрены особенности систем электропитания КА и определена роль ИСБ в составе наземного испытательного комплекса; 2) разработана математическая модель ИСБ, описывающая статическую ВАХ и динамику переходных процессов в режимах, значимых для испытаний; 3) разработана процедура обработки измерительных данных и идентификации параметров модели по статическим и переходным характеристикам; 4) сформирована архитектура системы управления испытаниями ИСБ на основе ЦД, включённого в замкнутый контур контроля; 5) разработан алгоритм обнаружения отклонений по невязке между измеренной и расчётной траекториями и определена логика формирования защитных или корректирующих воздействий; 6) предложен метод формирования программы испытаний как маршрута по рабочей области ВАХ с учётом динамических ограничений и критериев качества испытательного цикла; 7) выполнен имитационно-вычислительный эксперимент, проведено сравнение вариантов организации испытаний и дана оценка эффективности предложенных решений. ИСБ в работе рассматривается как объект управления. Его поведение определяется двумя составляющими: нелинейной статической ВАХ и динамикой выходного напряжения при смене режима. Для статической части используется кусочно-нелинейное описание. В нём отдельно выделены участок тока, переходный участок, участок напряжения. Переходные процессы описываются моделью первого порядка с эквивалентной выходной ёмкостью. Измерительные данные в этой схеме нужны для настройки модели. По установившимся режимам восстанавливаются параметры статической характеристики, а по переходным процессам оцениваются инерционные свойства ИСБ. После идентификации модель становится основой ЦД, который рассчитывает ожидаемую траекторию напряжения. Далее эта траектория сопоставляется с измеренным сигналом, а их расхождение образует невязку. Невязка используется как признак, что фактический режим начал отличаться от расчётного. Алгоритм управления строится на анализе сглаженной невязки. Пока расхождение остаётся в допустимых пределах, система продолжает работу в штатном режиме. Если же сглаженное значение превышает заданный порог, формируется защитное или корректирующее воздействие, контроль перестаёт быть только периодическим. В работе также предложен метод формирования программы испытаний ИСБ. Программа рассматривается как маршрут по рабочей области ВАХ, а порядок прохождения контрольных точек выбирается с учётом изменений напряжения, тока и мощности, а также динамических ограничений стенда. Это позволяет сохранить полный набор проверяемых режимов, но уменьшить избыточные переходы между ними. Проверка выполнена в имитационно-вычислительном эксперименте: сравнивались периодический контроль, управление по невязке ЦД и два варианта формирования программы испытаний. При сравнении периодического контроля и управления по невязке ЦД задержка обнаружения отклонения сократилась со 170 до 31 мс, то есть примерно на 81,8 %, или более чем в 5 раз. Минимальное напряжение после нарушения при периодическом контроле снижалось до 72,2 В, что ниже заданного предела 80 В, тогда как при управлении по ЦД оно составило 86,9 В и осталось в допустимой области. При сравнении базовой и оптимизированной программ испытаний суммарное изменение напряжения между соседними режимами уменьшилось на 66,7 %. Время переходов при ограничении скорости изменения напряжения 8 В/с сократилось с 69,75 до 23,25 с. Полная длительность программы уменьшилась с 76,05 до 29,55 с. Критерий качества маршрута снизился с 2,7 до 0,95, а энергетическая нагрузка уменьшилась с 119817,5 до 43134,1 Вт·с, то есть примерно на 64,0 %. Практическая значимость работы состоит в том, что предложенные модель, алгоритмы и программные средства могут быть использованы при проектировании и модернизации систем управления испытаниями ИСБ в наземных комплексах КА. Разработанный подход повышает оперативность контроля, снижает риск выхода режима за допустимые пределы и делает программу испытаний более рациональной с точки зрения времени и нагрузки на оборудование. Для получения результатов использовались методы системного анализа, математического и имитационного моделирования, нелинейной аппроксимации, идентификации параметров, численного решения дифференциальных уравнений, анализа невязки и оптимизации маршрута. Программная реализация выполнена на языке Python с использованием библиотек NumPy, SciPy, pandas и matplotlib. Полученные результаты подтверждают возможность использования ЦД не только для анализа поведения ИСБ, но и как активного элемента системы управления испытаниями.

The work is devoted to the development of a control system for testing solar array simulators (SASs) in ground-based spacecraft facilities based on a mathematical model and a digital twin. The relevance of the topic is related to the fact that, during ground testing of spacecraft power supply systems, it is necessary not only to reproduce the static current-voltage characteristic of a solar array, but also to control transient processes, detect operating mode deviations in a timely  38 er, and rationally form the sequence of test points. In the traditional regulation-based approach, control is often performed periodically, while the order of operating mode traversal does not always consider the dynamic constraints of the test bench. This may lead to delayed response to disturbance, increased transient duration, and excessive load on the equipment. The object of the research is the process of controlling SAS testing. The subject of the research is the models and algorithms for constructing a control system for this process. The aim of the work is to develop a control system for testing solar array simulators in ground-based spacecraft facilities based on a mathematical model and a digital twin. To achieve this aim, the following tasks were solved: 1) the specific features of spacecraft power supply systems were considered, and the role of SASs within a ground-based test facility was determined; 2) a mathematical model of the SAS was developed, describing the static current-voltage characteristic (I-V characteristic) and the dynamics of transient processes in operating modes significant for testing; 3) a procedure was developed for processing measured data and identifying model parameters from static and transient characteristics; 4) the architecture of the SAS test control system based on a digital twin included in a closed-loop control system was formed; 5) an algorithm was developed for detecting deviations based on the residual between measured and calculated trajectories, and the logic for forming protective or corrective actions was defined; 6) a method was proposed for generating a test program as a route through the operating region of the I-V characteristic, considering dynamic constraints and quality criteria of the test cycle; 7) a simulation-based computational experiment was carried out, different variants of test organization were compared, and the effectiveness of the proposed solutions was evaluated. In this work, the SAS is considered as a controlled object with a nonlinear static characteristic and pronounced dynamic properties. To describe the static I-V characteristic, a piecewise nonlinear model is proposed. It includes a region close to open-circuit operation, a nonlinear transition region, and a region close to short-circuit operation. The output voltage dynamics are described by a first-order element with an equivalent output capacitance. This model structure makes it possible to use the model not only for calculating characteristics, but also for inclusion in the test control loop. Special attention is given to the processing of measured data and the identification of model parameters. Steady-state modes are used to recover the parameters of the static characteristic, while transient processes are used to estimate the inertial properties of the SAS. Based on the identified model, a digital twin is formed, which calculates the expected voltage trajectory. Comparing this trajectory with the measured signal makes it possible to calculate the residual and use it as a diagnostic indicator of an operating mode deviation. The developed control algorithm is based on the analysis of the smoothed residual of the digital twin. When a specified threshold is exceeded, the system generates a protective or corrective action. This approach makes it possible to move from discrete periodic control to a more sensitive scheme, in which a deviation is detected by the discrepancy between the actual and calculated behavior of the object. The work also proposes a method for generating the SAS test program. The program is considered as a route through the operating region of the I-V characteristic, and the order of passing through the control points is selected with account for changes in voltage, current, and power, as well as the dynamic constraints of the test bench. This allows the full set of tested operating modes to be preserved while reducing excessive transitions between them. The effectiveness of the proposed solutions is confirmed by a simulation-based computational experiment. When periodic control and control based on the digital twin residual were compared, the deviation detection delay decreased from 170 to 31 ms, which corresponds to a reduction of approximately 81,8 %, or more than fivefold. Under periodic control, the minimum voltage after the disturbance decreased to 72,169 V, which is below the specified limit of 80 V, whereas under digital twin-based control it was 86,941 V and remained within the permissible range. When the baseline and optimized test programs were compared, the total voltage variation between adjacent operating modes decreased from 558 to 186 V, that is, by 66,7 %. With the voltage slew-rate limit set to 8 V/s, the transient time decreased from 69.75 to 23,25 s. The total duration of the program decreased from 76,05 to 29,55 s, corresponding to a reduction of approximately 61,1 %. The integral route quality criterion decreased from 2.7 to 0.95, while the energy load decreased from 119817,5 to 43134,1 W·s, which corresponds to a reduction of approximately 64,0 %. The practical significance of the work lies in the fact that the proposed model, algorithms, and software tools can be used in the design and modernization of SAS test control systems in ground-based spacecraft facilities. The developed approach improves the promptness of control, reduces the risk of the operating mode exceeding permissible limits, and makes the test program more rational in terms of duration and equipment load. The results were obtained using methods of systems analysis, mathematical and simulation modeling, nonlinear approximation, parameter identification, numerical solutions of differential equations, residual analysis, and route optimization. The software implementation was carried out in Python using NumPy, SciPy, pandas, and matplotlib libraries. The obtained results confirm the possibility of using a digital twin not only to analyze SAS behavior, but also as an active element of the test control system.