Широкодиапазонные поворотные стенды с цифровыми системами управления и навигационными приборами в качестве чувствительных элементов для контроля измерителей угловой скорости

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Широкодиапазонные поворотные стенды с цифровыми системами управления и навигационными приборами в качестве чувствительных элементов для контроля измерителей угловой скорости

Специальность 05.11.03 - Приборы навигации

Депутатова Екатерина Александровна

Саратов - 2012

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. В современном точном приборостроении наземные испытания измерителей угловых скоростей и блоков на их основе требуют применения поворотных стендов, задающих с высокой точностью и стабильностью вращение с постоянной или изменяющейся по определенному закону угловой скоростью в широком диапазоне (от 0,01 до 10000°/с).

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке новых схемотехнических решений построения широкодиапазонных поворотных стендов с цифровыми системами управления (ЦСУ), где в качестве инерциальных чувствительных элементов (ИЧЭ) применяются различные навигационные приборы, а именно измерители угловых скоростей и кажущихся ускорений. Введение ЦСУ позволит стендам выйти на новый уровень точностных характеристик, а также в случае необходимости позволит изменять динамические свойства стендов путем перепрограммирования цифровой части их регуляторов.

Целью диссертационной работы является повышение точности задания угловой скорости и улучшение динамических характеристик широкодиапазонных стендов с навигационными приборами в качестве ИЧЭ путем разработки новых схемотехнических решений построения стендов с ЦСУ.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

· разработка схемотехнических решений построения стендов нового поколения - стендов с ЦСУ и ИЧЭ;

· синтез цифровых регуляторов систем управления стендов и ИЧЭ;

· анализ синтезированных систем в частотной и временномй областях и проведение экспериментальных исследований для подтверждения правильности предлагаемых решений;

· оценка влияния помех широкодиапазонных стендов с ЦСУ;

· разработка методик и алгоритмов повышения точности задания угловых скоростей стендами нового поколения.

Методы исследования применены теоретические и экспериментальные. В теоретическом исследовании использован аппарат теории автоматического управления, методы программирования и компьютерного моделирования. Экспериментальное исследование широкодиапазонного стенда с ЦСУ производилось на филиале ФГУП «НПЦ АП» - «ПО «Корпус».

Достоверность результатов подтверждается соответствием теоретических результатов, в том числе полученных математическим моделированием, с результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1) предложены два варианта построения широкодиапазонных стендов с ЦСУ. На базе предложенных вариантов разработаны три схемотехнических решения построения стендов, защищенные патентами РФ на изобретения;

2) показано, что в стендах возможна смена ИЧЭ вне зависимости от класса ИЧЭ и типа его обратной связи. Смена ИЧЭ не ведет к изменению конструкции и функциональной электроники стенда, а обеспечивается за счет подстройки коэффициентов цифровой части регулятора в ЦСУ стенда;

3) получены новые алгоритмы цифровой стабилизации движений ИЧЭ и платформы стенда, обеспечивающие требуемые точностные характеристики и частотные свойства этих приборов;

4) разработано программно-математическое обеспечение, реализующее математические модели погрешностей предлагаемых стендов;

5) разработана методика калибровки приводного двигателя стенда, улучшающая точностные характеристики стенда.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:

1) повысить точность и стабильность задаваемой угловой скорости в предлагаемых схемотехнических решениях построения стендов;

2) снизить энергопотребление и габаритно-массовые характеристики;

3) обеспечить возможность задания широкого диапазона программных движений вращения платформы стенда, а не только постоянных по величине и направлению, либо изменяющихся по гармоническому закону;

4) обеспечить возможность изменения динамических характеристик стенда и ИЧЭ путем перепрограммирования цифровой части их регуляторов без изменения конструкции и функциональной электроники;

5) с введением ЦСУ ликвидировать зависимость масштабного коэффициента и полосы пропускания стенда от угловой скорости при использовании в качестве ИЧЭ акселерометров, измеряющих центростремительное ускорение.

На защиту выносятся:

1) два варианта построения широкодиапазонных стендов с цифровыми системами управления, представленные тремя схемотехническими решениями с различными измерителями угловой скорости;

2) новые алгоритмы цифрового управления в контурах чувствительных элементов и контурах стабилизации стендов;

3) программно-математическое обеспечение, реализующее математические модели погрешностей предлагаемых стендов;

4) алгоритм адаптации системы управления стенда к смене ИЧЭ;

5) методика калибровки приводного двигателя стендов.

Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на VIII-XIV конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», XXV научно-технической конференции памяти Н.Н. Острякова, XV-XVIII Международных конференциях по интегрированным навигационным системам, IV Мультиконференции по проблемам управления (ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, 2006-2012); IV научно-технической конференции молодых работников и специалистов (ФГУП «НПЦ АП», Москва, 2010) и конференции «Математические методы в технике и технологиях» (СГТУ, Саратов, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 печатные работы, из них 6 статей в журналах из перечня ВАК РФ, 3 статьи без соавторов и 3 патента РФ на изобретения.

Личный вклад автора в этих работах состоит в разработке схемотехнических решений построения стендов с ЦСУ; формировании математических моделей стендов с процессорными устройствами; синтезе цифровых регуляторов стендов, датчиков угловой скорости (ДУС) и кварцевых маятниковых акселерометров; анализе синтезированных систем; оценке влияния помех, присущих системам управления стендов; разработке программно-математического обеспечения; разработке алгоритмов и методик повышения точности задания угловой скорости стендами; проведении экспериментальных исследований.

Использование результатов. Результаты, полученные в диссертационной работе, были использованы на филиале ФГУП «НПЦ АП» - «ПО «Корпус» в качестве опытной разработки программно-математического обеспечения при решении задач синтеза цифровых регуляторов и способов повышения точности задания угловой скорости стендами, а именно:

- принципы построения поворотных стендов и ИЧЭ с ЦСУ;

- алгоритмы реализации цифровых регуляторов в виде разностных уравнений вычисления управляющих воздействий в микроконтроллерах процессорных модулей, находящихся в цепях обратных связей приборов;

- а также методика калибровки приводного двигателя стенда.

Алгоритмы реализации цифровых регуляторов были апробированы при расчетах кварцевого маятникового акселерометра с ЦСУ и широкодиапазонного поворотного стенда с ЦСУ, имеющего ДУС и акселерометры с аналоговыми системами управления в качестве ИЧЭ.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные результаты работы, выносимые на защиту.

В первой главе анализируется состояние современных испытательных стендов для контроля измерителей угловой скорости по основным техническим характеристикам. Приводится единая концепция построения стендов, разработанная д.т.н. Д.М. Калихманом.

Описывается развитие нового направления в построении поворотных стендов, в котором используются схемные и конструктивные решения, аналогичные применяемым в гиростабилизаторах, а в системе управления содержащим ИЧЭ. Рассматривается принцип действия и функциональный состав поворотного стенда с аналоговой системой управления (АСУ), где в качестве ИЧЭ применяются поплавковый датчик угловой скорости (ДУС) КХ79-060 и шесть кварцевых маятниковых акселерометров КХ67-041 разработки филиала ФГУП «НПЦ АП» - «ПО «Корпус». Стенд работает в двух режимах задания угловых скоростей: 1-й - от 0,1 до 30°/с (с управлением по сигналам ДУС и триады акселерометров, измеряющих тангенциальное ускорение точек их крепления к платформе стенда), 2-й - от 30 до 1200°/с (с управлением по сигналам двух триад акселерометров, измеряющих тангенциальное и центростремительное ускорения). Описываемый стенд используется в качестве прототипа для разработки новых схемотехнических решений построения широкодиапазонных стендов с ЦСУ.

Также в первой главе приводится обзор существующих двигателей, датчиков углов, измерителей угловых скоростей и кажущихся ускорений, которые целесообразно применять в качестве функциональных элементов в стендах нового поколения. Кроме того, описываются недостатки существующих стендов для контроля измерителей угловой скорости и обосновываются цель и задачи исследований в рамках диссертации.

Во второй главе приводится описание двух вариантов построения широкодиапазонных стендов с ЦСУ, представленные тремя схемотехническими решениями. На рис. 1 и рис. 2 приведены функциональные схемы стендов, построенные по первому варианту с различными ИЧЭ, в качестве которых используются акселерометры и измерители угловой скорости - ДУС, волоконно-оптический (ВОГ) и кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ). На рис. 3 приведена функциональная схема стенда, построенного по второму варианту.

На рис. 1-3 введены обозначения: ИП - испытуемый прибор; УЭ - угловой энкодер; ДУ - датчик угла; ДМ - датчик момента; ИУС - измеритель угловой скорости; СЭ - сервисная электроника; БПИ - блок преобразования информации; ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема; УМ - усилитель мощности; ПУ - предварительный усилитель; УФ - усилитель-формирователь; щ_б - угловая скорость вращения платформы стенда с закрепленными на ней элементами.

Рис. 1. Функциональная схема стенда с единой цифровой системой управления с ДУС и акселерометрами в качестве чувствительных элементов



Рис. 2. Функциональная схема стенда с единой цифровой системой управления с ВОГ (или КЛГ) и акселерометрами в качестве чувствительных элементов

Рис. 3. Функциональная схема универсального стенда с ЦСУ

Принцип действия стендов с ЦСУ, построенных как по первому, так и по второму вариантам, заключается в следующем. От управляющего компьютера, находящегося в режиме информационного обмена с процессорным модулем, на усилитель мощности приводного двигателя поступает сигнал, пропорциональный задаваемой угловой скорости. Двигатель приводит во вращение платформу стенда с закрепленными на ней элементами. ИЧЭ реагируют на угловую скорость вращения и в процессорный модуль, где реализованы их цифровые регуляторы, поступают сигналы, а оттуда через ЦАП эти сигналы передаются в систему управления двигателем. Калибровка статической характеристики испытуемого прибора, информация с которого через универсальный преобразователь сигнала поступает в управляющий компьютер, осуществляется путем сопоставления с информацией с ИЧЭ и с датчика угла, в качестве которого используется угловой энкодер. При этом информация с энкодера пересчитывается в угловую скорость путем деления значений угла на время, вычисленное в процессоре. Стабилизация вращения платформы стенда наступает при равенстве сигналов с управляющего компьютера и суммы сигналов с ИЧЭ. Сравнение сигналов происходит в сумматоре, алгоритмически реализованном в процессорном модуле в цепи обратной связи стенда. Также в схемотехнических решениях построения стендов применяется так называемый механизм отслеживания, разгружающий ось вращения от вредных моментов, возникающих в подшипниковых опорах и коллекторе подвода питания.

Различие вариантов построения стендов заключается в формировании ЦСУ стенда, использовании встроенных или сменных ИЧЭ, а также в организации обратной связи этих ИЧЭ.

В соответствии с первым вариантом (рис. 1) управление приводным двигателем и сигналами цепей обратных связей ИЧЭ реализуется на базе единого процессорного модуля, находящегося в системе управления стенда. Сигналы с ИЧЭ через блок предварительных усилителей и АЦП передаются в процессорный модуль, где происходит цифровая коррекция сигналов. Затем через блоки ЦАП и усилителей мощности сигналы поступают на входные каскады сервисной электроники соответствующих ИЧЭ. Кроме того, в процессоре находится модуль ШИМ-формирования для управления напряжением питания гиромотора ДУС через 3-фазный усилитель мощности и прошит алгоритм управления шаговым двигателем механизма отслеживания, а также устройство формирования разностного сигнала (сумматор) и переключения режимов работы стенда. В случае применения в качестве ИЧЭ ВОГ или КЛГ с сервисной электроникой в схему стенда (рис. 2) включается преобразователь сигнала с этого гироскопа, а в процессорном модуле производится подстройка параметров цифрового регулятора стенда к параметрам нового измерителя.

В соответствии со вторым вариантом (рис. 3) схема стенда строится как универсальная с возможностью применения различных ИЧЭ с автономными обратными связями, как аналоговыми, так и цифровыми. В управляющем процессоре реализуется цифровое управление двигателем, а также осуществляется реализация алгоритмов адаптации платформы стенда к смене ИЧЭ и алгоритмов компенсации погрешностей в случае подобной необходимости.

Преимущество реализации схемотехнических решений на основании первого варианта построения стендов с цифровыми системами управления заключается в том, что использование единого процессора в системе управления позволяет синхронизировать сигналы чувствительных элементов по частоте и более эффективно использовать алгоритмы комплексирования выходной информации для формирования сигнала управления двигателем. Реализация второго варианта построения стендов позволяет использовать в их системах управления различные классы измерителей угловой скорости и кажущегося ускорения, серийно выпускаемые промышленными предприятиями. Кроме того, появляется возможность организовать 3-й режим работы стенда с цифровым управлением от углового энкодера и акселерометров, измеряющих тангенциальное ускорение. Это позволяет расширить диапазон задания угловых скоростей до 10 000°/с и использовать стенд как миниатюрную центрифугу для контроля параметров акселерометров.

Также во второй главе приводятся функциональные схемы чувствительных элементов стенда с цифровыми системами управления: ДУС (рис. 4) и акселерометра (рис. 5). Представленные ИЧЭ рассматриваются как самостоятельные системы автоматического управления.

На рис. 4 и 5, помимо введенных ранее, приняты обозначения: ОУ - обмотка управления, ООС - обмотка обратной связи, ОВ - обмотка возбуждения, СО - сигнальная обмотка, ВИП - вторичный источник питания, ФЧВ - фазочувствительный выпрямитель, ТД - термодатчик.

В третьей главе проводится синтез и анализ цифровых регуляторов для ДУС и акселерометра в соответствии со структурными схемами на рис. 6 и 7.

Рис. 4. Функциональная схема ДУС с цифровой системой управления

Структурные схемы (рис. 6 и 7) состоят из функциональных блоков и описываются аппаратом передаточных функций теории автоматического управления в виде изображений по Лапласу:



Рис. 5. Функциональная схема акселерометра с цифровой системой управления

Рис. 6. Структурная схема ДУС с цифровой системой управления

Рис. 7. Структурная схема акселерометра с цифровой системой управления

,

(1)

где числовые значения параметров приведены в табл. 1.

Таблица 1. Числовые значения параметров ДУС и акселерометра

Параметр	Величина	Параметр	Величина	Параметр	Величина
H, гс·см·с (Н·м·с)	65 (6,5·10-3)	Тфчв, с	3·10-3	Ст, гс·см/рад (Н·м/рад)	1,6 (1,6·10-4)
		K, А/В	5,4·10-3
Jв, гс·см·с2 (Н·м·с2)	0,286 (2,86·10-5)	Тум1, с	1,31·10-2	k, В/рад	182
		Тум2, с	8,03·10-4	k, В/В	1,15
nв, гс·см·с (Н·м·с)	35 (3,5·10-3)	ml, гс·см/g (Н·м/g)	0,15 (1,5·10-5)	k, гс·см/А (Н·м/А)	150 (1,5·10-2)
k, В/рад	8,6	Jц, гс·см·с2 (Н·м·с2)	1,2·10-4 (1,2·10-8)	k, А/В	0,910-3
k, В/В	30			, с	0,3310-3
k, гс·см/А (Н·м/А)	567,2 (5,672·10-2)	nц, гс·см·с (Н·м·с)	0,05 (5·10-6)	, с	0,32710-4

Методика синтеза цифровых регуляторов ДУС и акселерометра с передаточными функциями и основана на использовании метода линейно-квадратической дискретной оптимизации (LQD-оптимизации), цифровой фильтрации и теории наблюдающих устройств минимальной размерности типа Люенбергера. Для выбора хотя бы из двух вариантов синтез проводится для двух частот дискретизации сигналов: 2 и 10 кГц для ДУС и 10 и 30 кГц для акселерометра. Выбор частот определяется полосой пропускания этих приборов.

Для частоты 10 кГц получены следующие передаточные функции:

,

, (2)

которые соответствуют следующим алгоритмам управления:

(3)

где начальные условия, необходимые для реализации этих алгоритмов, приняты нулевыми.

Проводится численное моделирование ИЧЭ с синтезированными цифровыми регуляторами в частотной и временной областях. Результаты моделирования для ДУС и акселерометра как с цифровыми (с различными частотами дискретизации), так и с аналоговыми (для сравнения) системами управления сведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты математического моделирования ДУС и акселерометра с аналоговыми и цифровыми системами управления

Характеристика	Величина
	ДУС	Акселерометр
	АСУ	ЦСУ, 2 кГц	ЦСУ, 10 кГц	АСУ	ЦСУ, 10 кГц	ЦСУ, 30 кГц
Запас по амплитуде, дБ	18	9,5	10,2	22,4	17	19,6
Запас по фазе, °	70	114	129	34,7	49,6	51,9
Полоса пропускания, Гц	20,1	11,6	11,6	574	1052	1052
Показатель колебательности	1,07	1,13	1,13	1,77	1,94	1,62
Время переходного процесса, с	0,15	0,1	0,1	0,005	0,005	0,002
Перерегулирование, %	5	10	10	45	36	30

В целом для приборов с ЦСУ характеристики получились не хуже, чем у существующих приборов с аналоговыми системами управления. Кроме того, для ДУС с ЦСУ уменьшились резонансные значения угла прецессии с 1,74 до 1,20 угл.мин, а для акселерометров - уменьшились резонансные значения угла скручивания торсиона маятника с 0,7 до 0,4 угл.мин.

Также в третьей главе для анализа работы волоконно-оптического (ВОГ) и кольцевого лазерного гироскопов (КЛГ) в качестве чувствительных элементов в широкодиапазонных стендах приводятся упрощенные математические модели этих гироскопов и рассчитываются коэффициенты передачи, а именно k_вог = 7,143 B·c; k_лг = 257,5 B·c, соответственно.

В четвертой главе проводится синтез цифровых регуляторов широкодиапазонных стендов с различными ИЧЭ. Синтез проводится в соответствии со структурными схемами, составленными для 1-го (рис. 8а) и 2-го (рис. 8б) режимов работы стенда. На рис. 8 для простоты не показаны внешние воздействия, кроме задающего U_зад и не учтена динамика разгрузочного устройства (k_ру=193,8 гсм/В) и контуров ИЧЭ, причем в случае применения в качестве измерителя угловой скорости в стенде ДУС статический коэффициент передачи k_иус=k_дус=3,314 Вс, для ВОГ - k_иус=k_вог, для КГЛ - k_иус=k_лг, а для акселерометров - k_ф=k_ц=0,0193 Вс². Такое упрощение является вполне оправданным, так как постоянные времени данных функциональных элементов на несколько порядков меньше постоянной времени платформы Т_пл=J_б/n_б=1000/40=25 c. Кроме того, на структурной схеме стенда, работающего в 1-м режиме (рис. 8а), не отражено влияние гироскопического момента Нщ_в от ДУС на движение платформы, поскольку это влияние, как показало моделирование, оказывается достаточно малым.

Регуляторы контуров стабилизации стендов состоят из коэффициентов обратных связей k_щ, k_е и передаточной функции , подлежащих определению. Кроме того, синтез регуляторов проводится таким образом, чтобы обеспечить требуемый масштабный коэффициент K_ст = 3°/с/В в 1-м и K_ст = 30°/с/В во 2-м режимах работы стенда, причем в существующем стенде во 2-м режиме этот коэффициент зависит от задаваемой угловой скорости и находится в диапазоне от 20 до 133°/с/В.

Рис. 8. Упрощенные структурные схемы контуров стабилизации стендов: а) 1-й режим; б) 2-й режим

Для нахождения неизвестных коэффициентов записываются выражения для ошибок контуров стабилизации в 1-м и 2-м режимах работы стенда с учетом множителя n=3, имитирующего суммирование сигналов:

- 1-й режим, (4)

- 2-й режим, (5)

где - установившееся значение угловой скорости вращения стенда.

Регулятор контура стабилизации обеспечивает астатизм этого контура, т.е. е = 0, и при из (4) k_щ = 1/(K_стk_иус), а именно для стенда с ДУС - k_щ = 5,763, с ВОГ - k_щ = 2,674 В, с КЛГ - k_щ = 0,074 В·с. Аналогично для 2-го режима стенда из (5) .

Синтез цифровых регуляторов стендов с различными ИЧЭ основан на том, что при выбранном периоде дискретности h = 10-⁴ c частота среза разомкнутого контура стабилизации оказывается значительно меньше частоты Найквиста щ_N = р/h. При этом с учетом достаточно простой структуры объекта управления для контура стабилизации (рис. 8) применяется метод прямой дискретизации, т.е. находится регулятор в аналоговой форме в виде (k_рег - некоторый коэффициент), а цифровой определяется переводом полученного решения в дискретную форму. Тогда, исходя из желаемой частоты среза щ_ср^*=30 Гц, коэффициенты запишутся:

, (6)

где i = 1,2 - номер режима.

С учетом числовых значений коэффициенты из (6) определятся как , (при ИЧЭ ДУС, ВОГ и КЛГ), , .

Для частоты дискретизации 10 кГц получены следующие алгоритмы управления широкодиапазонного стенда:

- в 1-м режиме (с различными измерителями угловой скорости):

(7)

- во 2-м режиме:

(8)

Для начального момента (i=0) начальные значения: y_k(-1), y_k(-2), б_k(-1), б_k(-2), в_k(-1), e(-1) и u_ст(1) приняты нулевыми.

Далее в четвертой главе приводятся результаты численного моделирования стендов с синтезированными цифровыми регуляторами. Анализ характеристик стенда для обоих режимов работы в частотной области проводится по частотным характеристикам разомкнутых контуров и замкнутых систем. Характеристики рассматриваются в основной полосе частот дискретной системы, ограниченной сверху частотой Найквиста. Анализ замкнутой системы во временной области проводится по структурным схемам рис. 8. При этом задающее воздействие принимается в виде единичной функции U_зад(i) = 1(i), соответствующей изменению напряжения на 1В. Результаты моделирования для стенда в 1-м (с различными измерителями угловой скорости) и 2-м режимах работы как с цифровыми, так и аналоговыми (для сравнения) системами управления сведены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты математического моделирования стенда с аналоговыми и цифровыми системами управления

Характеристика	Величина
	1-й режим	2-й режим
	АСУ	ЦСУ, ДУС	ЦСУ, ВОГ	ЦСУ, КЛГ	АСУ	ЦСУ
Запас по амплитуде, дБ	26,5	14,7	15	43	~	43
Запас по фазе, °	42,6	89,9	72	82	~	66,6
Полоса пропускания, Гц	12	8	5	7	~	16
Показатель колебательности	1,2	1	1	1	~	1
Масштабный коэффициент, °/с/В	3	3	3	3	~	30
Время переходного процесса, с	0,1	0,1	0,1	0,1	0,3	0,14
Перерегулирование, %	0	7	0	0	0	6,7

Для стенда с ЦСУ качество переходных процессов вполне удовлетворительное, перерегулирование для стендов с ВОГ и КЛГ отсутствует, а частотные показатели качества оказались выше, чем в существующей аналоговой системе, и характеризуют цифровую систему стабилизации как систему с высокими робастными свойствами.

В пятой главе проводятся исследования, связанные с оценкой влияния помех в стендах с ЦСУ. В качестве помех рассматриваются моменты М_б (нестабильность момента сопротивления, вызываемая нестабильностью момента трения в подшипниках по оси вращения и в коллекторе подвода питания к элементам подвижной части стенда, как с механизмом отслеживания, так и без него, а также имеющего бесконтактный съем информации и без такового), М_в (нестабильность момента тяжения по оси прецессии поплавкового гироузла ДУС), М_ф и М_ц (моменты сопротивления по осям скручивания торсионов маятников акселерометров, измеряющих тангенциальное и центростремительное ускорения точек их крепления к платформе стенда). Момент М_б описывается известной моделью трения, которая учитывает эффект предварительного смещения.

По результатам математического моделирования для стендов с ЦСУ величина нестабильности задания угловой скорости меньше, чем для стенда с АСУ, причем наилучшие точностные характеристики имеет стенд с механизмом отслеживания; так, для стендов с ЦСУ в 1-м режиме работы нестабильности задания угловой скорости при использовании ДУС в качестве ИЧЭ не превышает 3,6·10-⁵ °/с, при ВОГ - 3,5·10-⁵ °/с, при КЛГ - 2,8·10-⁵ °/с. Во 2-м режиме работы стенда с ЦСУ нестабильности задания угловой скорости составляет 1,5·10-⁴ °/с.

Разработана методика повышения точности обработки выходной информации от избыточного количества измерителей стенда. Числовая реализация методики показывает, что погрешность измерения угловой скорости в 1-м режиме работы стенда с ДУС в качестве ИЧЭ может быть уменьшена до 10-⁵°/с, а во 2-м - до 0,58·10-⁴°/с.

Разработана методика повышения точности задания угловой скорости стендом путем калибровки разгрузочного устройства, содержащего датчик положения и бесконтактный двигатель. Двигатель работает по принципу синусно-косинусного вращающего трансформатора, в котором возможна неидентичность каналов, связанная с различием коэффициентов передачи этих каналов. Данный эффект наблюдается из-за дрейфа операционных усилителей, неидентичности номиналов RC-элементов и наличия нулевых сигналов в синусном и косинусном каналах. Методика реализуется путем диагностики неидентичности каналов двигателя в определенной технологической последовательности. Показывается, что без калибровки двигателя допуск на различие его каналов не должен превышать 0,1 %, чтобы не ухудшить заявленные точностные характеристики стенда.

Разработан алгоритм адаптации системы управления стенда к смене ИЧЭ. Реализация алгоритма возможна только при наличии ЦСУ стенда.

Приводятся результаты экспериментальных исследований акселерометра с ЦСУ и широкодиапазонного стенда с ЦСУ, где в качестве ИЧЭ применяются ДУС и две триады акселерометров с аналоговыми системами управления. На рис. 9 и 10 приведены результаты экспериментальных исследований стендов с ЦСУ в 1-м и 2-м режимах работы. Нестабильность задания угловой скорости вычисляется как разность измеренных и расчетных значений с учетом того, что масштабный коэффициент в 1-м режиме работы равен 3/с/В и во 2-м - 30/с/В.

Проводится сопоставительный анализ с результатами математического моделирования и отладка коэффициентов цифровых регуляторов. Сопоставительный анализ подтверждает правильность принятых решений в рамках диссертации.

Рис. 9. Нестабильность задания угловой скорости стенда с ЦСУ в 1-м режиме работы

Рис. 10. Нестабильность задания угловой скорости стенда с ЦСУ во 2-м режиме работы

В приложении приводятся численные значения параметров чувствительных и функциональных элементов стенда, необходимые для моделирования; графики частотных характеристик и переходных процессов широкодиапазонных стендов с ЦСУ; графики реакций выходных сигналов широкодиапазонных стендов на возмущающие воздействия, а также тексты программ для реализации синтеза цифровых регуляторов, построения динамических характеристик исследуемых систем и реализации математические модели погрешностей стендов с ЦСУ.

цифровой стенд навигационный акселерометр

Заключение

В рамках диссертации были получены следующие результаты:

1) разработаны два варианта построения широкодиапазонных стендов с ЦСУ, в соответствии с которыми предложено три схемотехнических решения построения стендов с различными навигационными приборами в качестве ИЧЭ;

2) разработаны функциональные и структурные схемы ИЧЭ и широкодиапазонных стендов с ЦСУ, построенные по блочной структуре с введением аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей;

3) сформулирована задача синтеза комплексного цифрового регулятора стенда и предложен метод ее решения путем нахождения составляющих этого регулятора, представленного регуляторами измерительных контуров (контуров ИЧЭ) и регулятором контура стабилизации (контур управления приводным двигателем), для чего проведена процедура синтеза регуляторов ИЧЭ с ЦСУ на базе метода LQD-оптимизации, цифровой фильтрации и теории наблюдающих устройств минимальной размерности типа Люенбергера. Показано, что методика синтеза носит общий характер и применима к любому схемотехническому решению построения стенда, представленному в работе. Из полученных передаточных функций цифровых регуляторов сформированы алгоритмы управления для программирования их в процессорных модулях;

4) проведена численная реализация систем управления ИЧЭ и широкодиапазонных стендов с ЦСУ в двух режимах работы, а также анализ всех систем в частотной и временной областях. Для ИЧЭ с ЦСУ проведено исследование влияния периода дискретности на их динамические характеристики. Кроме того, реализация цифрового регулятора стенда во 2-м режиме работы позволяет исключить нелинейность в канале управления приводным двигателем по сигналам акселерометров, измеряющих центростремительное ускорение, что ведет к установившимся динамическим характеристикам в этом скоростном диапазоне;

5) проведена оценка влияния возмущающих воздействий на динамические характеристики стендов с ЦСУ, которая показала, что реакция угловой скорости на возмущающий момент по оси вращения уменьшается в 2 раза;

6) разработана методика повышения точности задания угловой скорости стенда, заключающаяся в калибровке приводного двигателя в соответствии с предложенной технологической последовательностью;

7) проведены экспериментальные исследования акселерометра и стенда с рассчитанными цифровыми регуляторами в системах управления. Проведен сопоставительный анализ с результатами математического моделирования, который позволил подтвердить правильность обозначенного подхода к разработке приборов нового поколения.

Проведенные исследования позволяют определить технические характеристики широкодиапазонных стендов с ЦСУ, работающих в двух режимах задания угловой скорости на различных ИЧЭ (табл. 4).

Существенным отличием разработанных стендов с ЦСУ является то, что появляется возможность алгоритмической компенсации погрешностей не в выходных каскадах, а в контурах управления стендов.

Таблица 4. Технические характеристики широкодиапазонных поворотных стендов с цифровыми системами управления

Характеристика, размерность	Величина
	1-й режим	2-й режим
	с ДУС	с ВОГ	с КЛГ
1. Диапазон задаваемых угловых скоростей, /с	от 0,01 до 30	от 0,01 до 80	от 0,01 до 400	от 30 (с ДУС), 80 (с ВОГ) или 400 (с КЛГ) до 1200
2. Нестабильность задания угловой скорости, /с	3,6·10-5	3,5·10-5	2,8·10-5	1,5·10-4
3. Масштабный коэффициент, °/с/В	3	3	3	30
4. Запасы устойчивости:
- по амплитуде, дБ	14,7	15	43	43
- по фазе, °	89,9	72	82	66,6
5. Полоса пропускания, Гц	25	30	25	15
6. Грузоподъемность, кг	15	15	15	15
7. Энергопотребление, Вт	40	30	60	30
8. Габариты, мм	Ш480Ч580	Ш500Ч600	Ш550Ч650	Ш480 Ч 580
9. Масса, кг	60	55	70	60

Публикации автора по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Депутатова Е.А. Математическая модель волоконно-оптического измерителя угловой скорости средней точности / Д.М. Калихман, Е.А. Депутатова, В.И. Гребенников, В.А. Седышев, В.А. Акеев, А.А. Скрипкин // Авиационная промышленность.- 2006. -№4. - С. 33-40; 2007. - №1. - С. 32-41.

2. Депутатова Е.А. О возможности создания трехстепенного имитационно-калибровочного стенда с волоконно-оптическим гироскопом в качестве инерциального чувствительного элемента по вертикальной оси вращения / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, А.В. Полушкин, Е.А. Депутатова, А.А. Скрипкин // Авиационная промышленность. - 2008. №1. - С. 11-17.

3. Депутатова Е.А. Математическая модель трехкомпонентного волоконно-оптического измерителя угловой скорости / Д.М. Калихман, В.И. Гребенников, Е.А. Депутатова, В.А. Седышев, А.А. Скрипкин // Авиационная промышленность. - 2008. - №4. - С. 53-58.

4. Депутатова Е.А. Прецизионный стенд с датчиком угловой скорости в качестве инерциального чувствительного элемента и двухконтурной цифровой системой управления / Д.М. Калихман, Ю.В. Садомцев, А.В. Полушкин, Е.А. Депутатова, А.А. Скрипкин // Авиационная промышленность. - 2010. - №1. - С. 43-49.

5. Депутатова Е.А. Способ повышения стабильности задаваемой угловой скорости в прецизионных стендах с инерциальными чувствительными элементами / Е.А. Депутатова // Труды ФГУП «НПЦ АП». Системы и приборы управления 2010. - №3(13). - С. 23-31.

6. Депутатова Е.А. Цифровая стабилизация движений прецизионных управляемых оснований с инерциальными чувствительными элементами. I. Применение поплавкового измерителя угловой скорости / Е.А. Депутатова, Д.М. Калихман, А.В. Полушкин, Ю.В. Садомцев // Известия РАН. Теория и системы управления. 2011. - № 1. - С. 120-132; II. Применение поплавкового измерителя угловой скорости и маятниковых акселерометров // Известия РАН. Теория и системы управления. 2011. - № 2. - С. 131-146.

Патенты РФ

7. Депутатова Е.А. Стенд для контроля измерителей угловой скорости / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, Ю.В. Садомцев, А.В. Полушкин, Р.В. Ермаков, Е.А. Депутатова, С.Ф. Нахов; Патент RU № 2339912, 2008 Бюл. № 33.

8. Депутатова Е.А. Широкодиапазонный стенд для контроля измерителей угловой скорости / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, А.В. Полушкин, Ю.В. Садомцев, С.Ф. Нахов, Р.В. Ермаков, Е.А. Депутатова; Патент RU №2378618, 2010 Бюл. №1.

9. Депутатова Е.А. Универсальный стенд для контроля прецизионных гироскопических измерителей угловой скорости / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, А.В. Полушкин, Ю.В. Садомцев, С.Ф. Нахов, Р.В.Ермаков, Е.А. Депутатова, А.В. Молчанов, М.В. Чиркин, Е.А. Измайлов; Патент RU № 243538, 2010 Бюл. № 31.

Публикации в других изданиях

10. Депутатова Е.А. Математическая модель прецизионного датчика угловой скорости с электрической обратной связью / Д.М. Калихман, Е.А. Депутатова // Навигация и управление движением: VIII конференция молодых ученых // Гироскопия и навигация. - 2006. - № 2. - С. 100-101.

11. Депутатова Е.А. Модернизация установки «Спектр» и развитие методик контроля регистрации частот и уровней вибрации гиромоторов / Л.Я. Калихман, Д.М. Калихман, А.В. Полушкин, А.В. Михеев, Р.В. Ермаков, Е.А. Депутатова, В.А. Седышев // Гироскопия и навигация. - 2006. - №4. - С. 115-116.

12. Депутатова Е.А. Математическая модель трехстепенного имитационно-калибровочного стенда для испытания гироскопических приборов / В.А. Акеев, Е.А. Депутатова // Навигация и управление движением: материалы докладов IX конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2008. - С. 39-46.

13. Депутатова Е.А. Прецизионный стенд с гироскопическим датчиком угловой скорости в качестве инерциального чувствительного элемента с цифровой системой управления / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, Ю.В. Садомцев, А.В. Полушкин, Р.В. Ермаков, Е.А. Депутатова, С.Ф. Нахов // 15-я С.-Петерб. Междунар. конф. по инерциальным навигационным системам. - СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2008. - С. 169-172.

14. Депутатова Е.А. Синтез цифрового регулятора прецизионного кварцевого маятникового акселерометра / Е.А. Депутатова // Навигация и управление движением: материалы докл. X конф. молодых ученых. - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - С. 309-316.

15. Deputatova E.A. The precision test simulator comprising a rate gyro as an inertial sensitive element with a digital control system / D.M. Kalihman, L.Y. Kalihman, Y.V. Sadomtsev, A.V. Polushkin, E.A. Deputatova, R.V. Ermakov, S.F. Nahov, A.A. Skripkin // Bulletin of engineering academy of Ukraine, Issue 3-4. -Kyiv, 2008. - C. 15-22.

16. Депутатова Е.А. От аналоговой к цифровой системе обратной связи на примере поплавкового двухстепенного гироскопа / Е.А. Депутатова, Р.В. Ермаков // Навигация и управление движением: материалы докладов XI конференции молодых ученых. - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2010. - С. 429-436.

17. Депутатова Е.А. Прецизионный широкодиапазонный стенд с инерциальными чувствительными элементами и цифровой системой управления / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, Ю.В. Садомцев, А.В. Полушкин, Р.В. Ермаков, Е.А. Депутатова, С.Ф. Нахов // 16-я С.-Петерб. Междунар. конф. по инерциальным навигационным системам. - СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - С. 48-53.

18. Депутатова Е.А. Разработка цифрового регулятора и исследование характеристик прецизионного поплавкового ДУС КХ79-060 при различных частотах квантования сигнала и различных коэффициентах весовых матриц / Е.А. Депутатова. - Деп. в ВИНИТИ. № 394 - В 2009 - 2009. - 30 с.

19. Депутатова Е.А. Универсальный стенд с цифровой системой управления для контроля измерителей угловой скорости различного принципа действия / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, Ю.В. Садомцев, А.В. Полушкин, Е.А. Депутатова, Р.В. Ермаков, С.Ф. Нахов, Е.А. Измайлов, А.В. Молчанов, М.В. Чиркин // 17-я С.-Петерб. Междунар. конф. по инерциальным навигационным системам. - СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2010. - С. 147-154.

20. Депутатова Е.А. Гироскопические мехатронные системы / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, Ю.В. Садомцев, А.В. Полушкин, Р.В. Ермаков, Е.А. Депутатова // Мехатроника, автоматизация и управление: материалы 7-й науч.-техн. конф. - СПб., 2010. - С. 212-216.

21. Депутатова Е.А. Математическая модель блока датчиков угловых скоростей для низкоорбитальных космических объектов / Ю.А. Самойлова, Е.А. Депутатова // Приборы и системы управления ракетно-космических комплексов: тр. IV науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - М.: Изд-во ФГУП «НПЦ АП», 2010. - С. 268-281.

22. Депутатова Е.А. Математическая модель широкодиапазонного поворотного стенда с инерциальными чувствительными элементами и цифровой системой управления / Е.А. Депутатова, Р.В. Ермаков // Навигация и управление движением: ХII конф. молодых ученых // Гироскопия и навигация. - 2010. №2. - С.66.

23. Депутатова Е.А. Широкодиапазонный универсальный стенд с цифровой системой управления для контроля гироскопических приборов / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, Ю.В. Садомцев, А.В. Полушкин, Е.А. Депутатова, С.Ф. Нахов, В.М. Никифоров // 18-я С.-Петерб. Междунар. конф. по интегрированным навигационным системам. - СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2011. - С. 131-146.

Размещено на Allbest.ru

...