Разработка SF-модели алгоритма управления системой энергоснабжения

Основными функциями, которые должна выполнять система электроснабжения, являются:

. Получение, хранение, правильное использование энергии.

. Распределение энергии.

. Защита БКУ от перегрузок.

Для получения энергии будут использоваться солнечные батареи. СБ будут располагаться на 5 из 6 сторон спутника, это связано с тем, что одна из сторон может быть задействована под полезную нагрузку [20,21]. СБ будут соединены параллельно, и каждая будет защищена диодом, чтобы энергия не тратилась впустую. Для производства максимальной энергии, используется MPPT - это устройство ищет такое значение напряжения на СБ, чтобы энергия была максимальна. Затем идет соединение с АБ (аккумуляторной батареей) и общей шиной. АБ батарея подключается к СБ через защитную схему. В шине же, задается некоторое значение напряжения, которое потом может быть легко преобразовано к виду, который требует нагрузка, с помощью конвертера. В случае, если меняется нагрузка, для её подключения к СЭС необходимо только добавить нужный конвертер.

Была создана модель простейшей системы электроснабжения наноспутника:

На данной Simulink схеме можно выделить несколько основных компонентов:

1. Solar Panel - модель солнечной батареи, для её работы принимается количество параллельно и последовательно связанных элементов, температура СБ, напряжение на элементе, а также солнечный поток.

2. Battery - представляет собой АБ, можно изменять тип, напряжения, тип АБ, начальный уровень зарядки. Данный элемент из стандартной библиотеки Simulink.

3. Battery_manage - управляющий автомат, принимает значение тока генерируемого СБ, а также уровень заряда АБ.

Также есть неосновные компоненты - switch, который является ключом в схеме и работает от сигнала который подается от автомата управления. Также имеется нагрузка - load, которая потребляет на себя часть энергии.

Модель солнечной батареи была создана на основе теоретического представления. Для инициализации же батареи, необходимо задать количество элементов соединенных параллельно и последовательно. Таким образом, задав параметры некоторой батареи, можно узнать мощность, которую она генерирует, узнать, сколько элементов нужно для получения конкретной мощности, а также узнать другие зависимости, например от T. В Simulink уже имеется библиотека с электрическими системами, поэтому имеет смысл сделать модель СБ совместимой с данной библиотекой, для этого применяется элемент Controlled Current Source, который преобразует сигнал идущий с СБ, в совместимый.

В связи с тем, что спутник некоторое время находится на солнечной стороне, а некоторое время на теневой - это вынуждает нас использовать АБ. Однако, АБ обладает рядом характеристик за которыми необходимо следить, а значить требуется создать управляющее устройство. В данном автомате имеется два основных состояния - спутник находится на солнечной стороне Light, на теневой стороне Dark. Состояние Light в свою очередь имеет 2 под состояния, Charge - т.е. в данный момент идет зарядка, и Discharge - т.е. в данный момент батарея не заряжается. Состояние Dark - имеет 3 под состояния - Work, Low_charge, Very_Low. Если батарея заряжена достаточно, т.е. имеет более 10% своей емкости, то происходит работа в автономном режиме. Если случается так, что батарея имеет низкий заряд, т.е. < 10%, то отправляется сообщение на другие системы, о том, что низкий заряд батареи. Если же заряд становится еще меньше, то происходит отключение основной шины от источников питания, т.е. все системы отключаются. Это связано с тем, что Li-ion АБ имеет свойство деградировать при сильном разряде батареи. Можно проанализировать работу на основе выходных данных (рисунок 2.11).

На данном рисунке изображена осциллограмма заряда АБ. В начальный момент заряд составляет 20%, до момента времени 1000 происходит зарядка АБ, и также часть энергии уходит в нагрузку (состояние Light. Charge). В момент времени 1000 спутник переходит на теневую сторону и происходит переключение на работу от аккумулятора (состояние Dark. Work), АБ разряжается, что видно по наклонённой прямой. Далее работа происходит аналогично. Также данный подход к проектированию СЭС подразумевает еще одну интересную особенность. Мы может сделать часть системы настоящими, а часть оставить моделями, затем сделать небольшие изменения в Simulink -схеме и получить работоспособную модель. Это позволяет на любом этапе проверять правильность созданной модели и вносить коррективы в уже существующие или еще создающиеся устройства.

На данный момент в качестве основных источников электропитания космической платформы "Синергия" приняты два литиево-полимерных аккумулятора, находящихся внутри каркаса, и шесть солнечных батарей, расположенных снаружи на боковых гранях КА (рисунок 2.12 - 2.14).

Система энергоснабжения должна обладать большей автономностью, чем другие. По этой причине бортовой комплекс управления будет выполнять лишь ряд задач, необходимых для правильного функционирования СЭС. В их числе: контроль за состоянием аккумуляторных батарей, их напряжением и уровнем заряда; автоматическое переключение на режим экономии электроэнергии в случае наличия информации о низком уровне заряда аккумуляторов; переход в данный режим по команде с наземного комплекса управления. В случае перехода в данный режим происходит автоматическое отключение питания, подаваемого на модуль полезной нагрузки аппарата. Все остальные задачи будет решать и контролировать местный микроконтроллер, установленный на отдельной плате.

Разработанная модель представлена на рисунке 2.15.

Состояние обработки информации с системы энергоснабжения (Energy) внутри себя имеет параллельную декомпозицию, поскольку непрерывный контроль за энергоснабжением является одной из приоритетных задач, решаемых бортовым комплексом управления.

Состояние EnControl реализует функции взаимодействия с блоком обработки разовых команд, приходящих с наземного комплекса управления. При входе в данное состояние внутренней переменной stEN присваивается значение уже известного из предыдущей главы порта вывода данных energy. Далее принимается решение о дальнейшим действии, исходя из значения самой этой переменной: в случае, если stEN =1, то подаются значения "0" на порты вывода PL и SEND, первый из них отключает энергопитания полезной нагрузки космического аппарата, второй - передающую антенну и систему формирования исходящей информации, расположенной в бортовом радиотехническом комплексе; если же stEN =0, то ничего не происходит и состояние перезагружает информацию с порта.

Состояния EnOn и ZenON (также как и EnOn1 и ZenON1) являются зависимыми. Есть возможность реализовать функции, выполняемые ими в одном состоянии, но они разнесены с целью увеличить производительность за счет многопоточности простых задач, а также обеспечения постоянного контроля за напряжением аккумуляторных батарей. Следует сказать, что данные состояния дублируются, поскольку на платформе "Синергия" предусмотрено 2 аккумуляторных батареи, а солнечная батарея представляет собой совокупность нескольких работающих на один контур управления.

Состояние EnOn реализует проверку текущего напряжения на аккумуляторной батареи. Информация в двоичном коде поступает из микроконтроллера СЭС, который считывает её с датчика напряжения. Поскольку максимальное напряжение работы выбрано аккумуляторной литиевой батареи равно 12 В, порог принятия решения был выбран равным половине, т.е.6 В. В случае если текущее напряжения ниже 6 В, активируется состояние ZenOn и управляющий автомат включает заряд от солнечных батареи на данный аккумулятор и отключает питание с него самого. Когда напряжение вновь приходит в норму, происходит перестройка в обычный режим - космический аппарат питается параллельно энергией, запасенной в аккумуляторах и поступающей с солнечных батарей.

Таким образом, были созданы SF -диаграммы для трех подсистем бортового комплекса управления. С ходом их разработки производилась непосредственная симуляция в Simulink. Данные, полученные в ходе этого, полностью соответствуют теоретическим. Следовательно, следующим шагом должна быть непосредственная генерация HDL -кода и его верификация с помощью специальных аппаратных средств.