Публикации сотрудников АО «НИИхиммаш»

Управление газовым составом в АСУ ТП "ИНТЕЛЛЕКТ" (Системный подход)

Зарецкий Б.Ф., Гаврилов Л.И., Курмазенко Э.А., АО «НИИхиммаш»

Тезисы

АСУ ТП "ИНТЕЛЛЕКТ" [1, 2] перспективна для дальних космических полётов (например, на Марс) и для планетных баз. Были определены особенности внешних условий, определяющих требования к этой АСУ комплекса СЖО. На основе этих требований сформулированы критерии эффективности, позво-лившие выбрать оптимальную структуру АСУ ТП "ИНТЕЛЛЕКТ", определить этапы и общий подход к её созданию [1, 2]. В данной работе предложена структура взаимодействия верхнего и нижнего уровней АСУ, уточнена структура подсистемы управления газовым составом атмосферы в жилом отсеке обитаемого космического объекта.
В систему обеспечения газового состава входят следующие системы [3]:
- система мониторинга парциальных давлений составляющих атмосферы и её влажности (СМП);
- система поддержания общего давления атмосферы (СПД);
- система генерации кислорода "Электрон-ВМ" (СГК);
- система очистки атмосферы от углекислого газа (СОА-УГ);
- система очистки атмосферы от вредных микропримесей (СОА-МП);
- система очистки атмосферы от избыточной влаги и её регенерации (СОА-В).
Примечание. В систему очистки атмосферы от углекислого газа (СОА-УГ) может быть включена система его утилизации.

Рис.1.Система обеспечения газового состава

Показано, что целью управления каждой из систем является поддержание заданного парциального давления соответствующей составляющей воздуха, определяемой системой мониторинга, путём воздействия на производительность каждой из систем. Кроме того, на верхнем уровне АСУ ТП формируются команды на включение и выключение каждой из систем.

Приведена структурная схема взаимодействия бортовой управляющей вычислительной машины (БЦВМ) с блоками управления систем. Блоки управления систем обеспечивают их функционирование на нижнем уровне АСУ.

Главный раздел

При переходе с работы на околоземной космической станции к межпланетным пилотируемым полётам и планетным станциям существенно изменяются условия работы СЖО. При работе с околоземной космической станцией используются значительные возможности наземных служб, которые существенно уменьшаются на следующем этапе развития обитаемой космонавтики.
При создании АСУ необходимо построить иерархическую структуру критериев эффективности. Множество критериев эффективности разобьём на три группы:
1-я группа. Критерии, связанные с показателями живучести технической системы.
2-я группа. Критерии, связанные с себестоимостью.
3-я группа. Критерии, связанные с функциональными параметрами системы.

При построении иерархической структуры важно определить глобальный критерий эффективности, по которому производится выбор оптимального решения. На остальные критерии накладываются ограничения.
Итак, мы имеем три постановки задачи управления по трём глобальным критериям:


Здесь G - критерий первой группы, С - критерий второй группы, F - критерий третьей группы, R - область допустимых значений соответствующего критерия.
Управление газовым составом относится к постановке задачи (3).

Для конкретности рассмотрения проблемы управления газовым составом атмосферы в обитаемом гермомодуле проведём эту операцию на базе системы "Электрон-ВМ", включающей генератор кислорода, источник СТ-64, датчики концентрации газов (водорода в кислороде и кислорода в водороде), систему коммутации электропитания.

Заметим, что "Электрон-ВМ" в описанной комплектации представляет собой открытую замкнутую систему. Она содержит необходимый и достаточный набор элементов, взаимодействие между которыми обеспечивает функционирование системы "Электрон-ВМ" с выдачей кислорода необходимого качества с заданной производительностью. Система открытая, поскольку для своего функционирования требует подачи извне электроэнергии и воды, а также выдаёт кислород, водород, тепло. Совершенно ясно, что в набор элементов системы должен входить локальный блок управления (БУ), обеспечивающий нормальное её функционирование, управление связями между элементами, защиту от нештатных ситуаций. Этот БУ входит в состав необходимых и достаточных элементов системы и представляет собой первый уровень АСУ ТП.

Второй уровень, реализуемый на бортовой управляющей ЭВМ (БЦВМ), обеспечивает управление подачей электроэнергии в систему "Электрон-ВМ" в соответствии с локальным критерием эффективности:
[Рз(О2) − Р(О2)] ≤ ε             (4) 

Здесь Р(О2) - текущее значение парциального давления кислорода в кабине, измеряемое, например, хроматографом; Рз(О2) - заданное значение этого параметра; ε - допустимое отклонение текущего значения от заданного. 

Рис.2. Структура подсистемы АСУ ТП "ИНТЕЛЛЕКТ", обеспечивающей управление газовым составом атмосферы.

Итак, задачей второго уровня АСУ в этом случае является обеспечение требуемого состава атмосферы в кабине. Помимо этого второй уровень АСУ, решая задачи общего управления космическим объектом по критериям (1-3), выдаёт команды локальным БУ на пуск и останов соответствующих систем.

Детали задачи контроля состояния и прогнозирования этого состояния локальных систем, т.е. информационную часть задачи, мы пока не рассматриваем, но готовы отдельно это рассмотреть. Решение этой задачи целесообразно передать БЦВМ и загрузить её до предела.

Уравнение (4) в общем виде:

[Рз(i) − Р(i)] ≤ ε (5)

Здесь i - составляющая атмосферы, на которую направлено действие соответствующей системы СЖО (см. рис.2).
Наряду с управлением по отклонению перспективно рассмотреть управление по возмущению. Всякое изменение количественного состава экипажа является таким возмущением. При таком изменении целесообразно пропорционально изменить производительность системы обеспечения газового состава. Такая стратегия существенно улучшит работу системы управления по отклонению и повысит качество работы системы управления за счёт снижения отклонения текущих значений параметров атмосферы от заданных и существенно повысит динамические характеристики системы.


Здесь q(i) - производительность СЖО по i-му компоненту в данный момент времени, n - состав экипажа в данный момент времени, qu(i) - постоянные составляющие потерь или выделений соответствующих компонентов атмосферы. Итак, уравнение (6) может быть основой для построения алгоритма управления по возмущению.
Пример. "МАРС-500". При переходе части экипажа в спускаемый модуль количество космонавтов в космическом корабле уменьшается в два раза (до трёх вместо шести). При возвращении этого модуля экипаж корабля возвращается до 6 человек. Во время высадки на Марс первый член в уравнении (6) должен быть уменьшен в два раза. При возвращении спускаемого экипажа уравнение (6) восстанавливается.

Перспективы развития пилотируемой космонавтики связаны с созданием планетных станций на Луне и Марсе в обозримом будущем и полётом на Марс. Для решения этих задач, как показано ранее, необходимо использование распределённой структуры АСУ. Необходимо также повысить автономность экипажа для обеспечения его живучести. Это становится особенно актуальным при расширении комплекса СЖО в сторону биотехнических СЖО с существенным увеличением количества систем и связей между ними.

Литература
1.Зарецкий Б.Ф., Томашпольский М.Ю., Гаврилов Л.И., Курмазенко Э.А., Кочетков А.А., (АО НИИХИММАШ, Москва). "Оптимальная АСУ системами космических объектов "ИНТЕЛЛЕКТ". Тезисы докладов в ЦПК. М. 2009.
2. Zaretskiy B.F., Gavrilov L.I., Kurmazenko E.A. Crew Life Support System Control for Interplanetary Vechicles. SAE Technical Paper Series # 2009-01-2464. 2009, 5p.
3.Edward Kurmazenko, Lev Gavrilov, Alexsey Kochetkov, Nikolay Khabarovskiy. SPACE ECOlOGICAl/ENGINEERING SYSTEM FOR THE MANNED INTERPLANETARY VEHICLES CREW: STATUS AND KEY TECHNOLOGIES FOR ITS DEVELOMENT. 60th International Astronautical Congress 2009, 13p.