Бесплатформенная измерительная система для определения вектора угловой скорости космического аппарата на базе поплавковых интегрирующих гироскопов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Шустов, Игорь Евгеньевич

• Шустов, Игорь Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шустов, Игорь Евгеньевич

Перечень сокращений и условных обозначений

Введение

1 Гироскопические приборы на базе поплавковых чувствительных элементов, предназначейные для измерения вектора угловой скорости космических аппаратов

1.1 Состав прецизионных приборов

1.2 Чувствительные элементы, применяемые в настоящее время в приборах космического назначения

1.3 Основные технические особенности современных ГИВУС

1.4 Основные направления улучшения характеристик Российских ГИВУС на базе поплавкового гироскопа и пути их реализации

1.5 Постановка задач исследования

Выводы

2 Разработка ГИВУС на базе двухотсчетной измерительной системы.

2.1 Анализ точностных требований к системе и построение системы обратной связи измерительного канала

2.2 Функциональный анализ измерительного канала на базе двухотсчетной измерительной системы

2.3 Разработка алгоритмов управления старшим контуром измерительной системы '

2.4 Разработка математической модели измерительного канала

Выводы

3 Теоретическое исследование измерительного канала на базе двухотсчетной измерительной системы

3.1 Математическая модель измерительного канала прибора

3.2 Оценка динамической точности системы при действии внешних угловых ускорений

Выводы 94 4 Экспериментальные исследования измерительного канала на базе двухотсчетной системы измерения

4.1 Макет измерительного канала

4.2 Определение динамических свойств измерительной системы

4.3 Определение характеристик системы на неподвижном основании

4.4 Определение характеристик системы на основании, движущемся с постоянным угловым ускорением

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Бесплатформенная измерительная система для определения вектора угловой скорости космического аппарата на базе поплавковых интегрирующих гироскопов»

В настоящее время в космической отрасли России уделяется большое внимание разработке спутников дистанционного зондирования Земли и космических телескопов, таких как «Спектр-УФ», требующих высокой точности измерения вектора угловой скорости для управления ориентацией и угловым , движением космического аппарата (КА) на большом измерительном диапазоне с малым дискретом информации. В связи с этим большую актуальность приобретает задача создания и совершенствования высокопрецизионных гироскопических бесплатформенных инерциальных блоков типа гироскопический измеритель вектора угловой скорости (ГИВУС).

На современном этапе развития приборы типа ГИВУС на базе поплавковых гироскопов с газодинамической опорой ротора и магнитным центрированием поплавка являются уникальными по точностным и потенциальным ресурсным характеристикам и по-прежнему активно ^ используются при создании систем управления космических аппаратов различных назначений. Однако применяемые в настоящее время в КА приборы этого типа содержат ряд особенностей конструкционного и схемотехнического характера, которые делают невозможным их применение в будущем без ряда существенных изменений.

Традиционно прецизионные ГИВУС на поплавковых гироскопах по структуре измерительного канала (ИК) строятся на базе одноконтурной системы обратной связи. Это накладывает ряд ограничений на возможность увеличения диапазона измеряемой угловой скорости без увеличения цены информационного импульса (масштабному коэффициенту ИК). До недавнего времени от этих приборов не требовалось обеспечивать измерение угловой скорости с достаточно малым дискретом на большом диапазоне измерения.

Для решения этой задачи при построении нового прибора необходимо использовать двухконтурную систему обратной связи, работающую по принципу двухотсчетной измерительной системы. Этот принцип до настоящего времени не нашел в России широкого распространения при разработке ГИВУС высокого класса точности.

Таким образом, основной целью диссертационного исследования является разработка ГИВУС с двухконтурной системой обратной связи на базе поплавковых интегрирующих гироскопов, предназначенного для повышения точности определения вектора угловой скорости с расширением диапазона его измерения при использовании в системах управления спутников связи, космических телескопов, спутников дистанционного зондирования Земли и космических станций.

Объектом исследования является ГИВУС, разработанный с применением двухотсчетной измерительной системы. Предметом исследования является двухконтурная система обратной связи ГИВУС, работающая по принципу двухотсчетной измерительной системы.

Поставленная в работе задача решалась с привлечением:

- положений классической теории систем автоматического управления [см. 3, 17,36,39,49,53];

- методов математического моделирования систем автоматического управления;

- стандартных методик исследования приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации [см. 11, 28, 35];

- основ теории измерения в технике [см. 24, 50];

- основ теории погрешностей [см. 27, 30, 37].

Работа в структурном плане состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения.

Первый раздел посвящен анализу состояния ГИВУС с различными чувствительными элементами, применяемыми в космической технике. В нем рассмотрены основные гироскопические чувствительные элементы, применяемые в космической технике. Также в нем приведены характеристики прибора-прототипа нового ГИВУС и основные направления по доведению этих характеристик до необходимого уровня.

Во втором разделе приводится анализ основных требований к системе разработанного прибора, описание принципа его работы и функциональный анализ устройств, входящих в его измерительный канал. В разделе приводится вывод математической модели ИК прибора на двухотсчетной измерительной системе, а также основные алгоритмы управления, разработанные для его стабильной работы.

В третьем разделе приводятся результаты исследования динамических свойств ИК прибора на базе двухотсчетной измерительной системы с помощью разработанной математической модели ИК.

В четвертом разделе представлены результаты проведенного исследования характеристик ИК прибора на базе двухотсчетной измерительной системы, полученные с помощью его макета.

В приложении представлены схемы разработанной математической модели ИК, с помощью которой проводились теоретические исследования прибора, и схемы ее составных частей.

В процессе проведенного исследования получены следующие результаты, выносимые на защиту:

1 Разработанная двухотсчетная измерительная система измерительного канала гироскопического измерителя вектора угловой скорости с повышенной точностью и диапазоном измерения на базе поплавкового гироскопа.

2 Математическая модель измерительного канала ГИВУС, позволяющая проводить оценку величины динамической погрешности измерительного канала и исследовать динамические процессы, возникающие в нем.

3 Результаты испытаний макета измерительного канала ГИВУС с двухотсчетной измерительной системой.

Научная новизна проведенной работы заключается в:

- разработке математической модели измерительного канала ГИВУС с двухотсчетной измерительной системой, позволяющей проводить анализ динамических характеристик и осуществлять выбор параметров прибора, исходя из требований по точности;

- разработке методики экспериментального исследования динамических свойств на примере макета разрабатываемого прибора с двухотсчетной измерительной системой;

- расширении точностных возможностей модели погрешностей прибора с целью увеличения точности определения вектора угловой скорости КА.

Практическая значимость проведенной работы состоит в том, что с использованием ее результатов:

- разработанная математическая модель ИК ГИВУС позволяет имитировать основные процессы, происходящие в нем и проводить исследования свойств ИК при изменении характеристик электронных устройств, входящих в его состав, а также снизить трудоемкость и сократить длительность проведения испытаний ГИВУС;

- математическая модель ИК ГИВУС, используемая в бортовом комплексе управления спутником, позволяет вести исследование динамики углового движения КА и снизить накапливающуюся погрешность по углу поворота спутника;

- разработанный ГИВУС КИНД34-064 с повышенными точностными и эксплуатационными характеристиками позволяет при работе на спутниках дистанционного зондирования Земли не только с высокой точностью стабилизировать спутник при съемке наземных объектов, но и обеспечивать точную стабилизацию КА при съемке 6 режиме сканирования на скорости до 2 %, с дискретом выходной информации до 0,004 " и точностью стабилизации угловой скорости КА лучше 10"4 °/с.

Достоверность и обоснованность основных научных результатов подтверждается хорошей сходимостью результатов, полученных путем математического моделирования, с результатами, подтвержденными экспериментально на макете измерительного канала ГИВУС, использованием отработанных методов исследования и испытания ГИВУС.

Основные положения диссертационного исследования были доложены на XVI Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (ГНЦРФ ЦНИИ «Электроприбор», 2009 г), на Ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов (МГУ леса, Мытищи, 2009, 2010, 2011 гг), на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества» (ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ - Прогресс»», 2009 г), на VII, VIII и IX научно-практических конференциях молодых специалистов и студентов памяти Главного конструктора академика В.И. Кузнецова (ФГУП «ЦЭНКИ» «НИИ ПМ им. академика В.И.Кузнецова», 2009, 2010, 2011 гг), на Молодежной конференции «Новые материалы и технологии в ракетно-космической технике» (ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», 2011 г).

Материалы диссертационного исследования были использованы в составных частях ОКР «Разработка гироскопического измерителя вектора угловой скорости для бортового комплекса управления КА «Спектр-УФ»» и «Гироскопический измеритель вектора угловой скорости» на ФГУП «ЦЭНКИ» «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова», целью которых является разработка прецизионных ГИВУС для отечественных КА (см. Приложение 2).

По теме диссертации имеется 6 публикаций, включая 3 статьи в журналах, входящих в перечень утвержденных ВАК изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Шустов, Игорь Евгеньевич

Основные результаты проведенного исследования были опубликованы в следующих изданиях:

- сборник трудов XVI Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (Электроприбор, 2009);

- журнал «Вестник Московского государственного университета леса.-Лесной вестник» № 6 (МГУЛ, 2009);

- сборник трудов VII и VIII научно-практических конференций молодых специалистов и студентов памяти Главного конструктора академика В.И. Кузнецова (МГТУ, 2010);

- сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества» (ЦСКБ - Прогресс, 2009);

- журнал «Вестник Московского государственного университета леса.-Лесной вестник» № 6 (МГУЛ, 2011);

- журнал «Научно-технический вестник Поволжья» №3, (Казань, 2011).

Заключение

В работе был проведен анализ наиболее точных бесплатформенных гироскопических измерителей вектора угловой скорости российского производства на базе поплавковых гироскопов за последние 25 лет. Также были проанализированы основные чувствительные элементы, на базе которых в настоящее время ведется разработка ГИВУС для КА.

Были проанализированы основные требования к измерительной системе нового прибора и пути решения основных задач, связанных с улучшением его характеристик. Был проведен функциональный анализ измерительного канала с двухотсчетной измерительной системой, проработаны основные алгоритмы взаимодействия двух контуров ИК, а также выведены аналитические выражения математической модели ИК.

С целью подтверждения заявленных параметров ИК прибора с -двухотсчетной измерительной системой было успешно проведено его моделирование с помощью системы ЭтиНпк, а также экспериментальные исследования его характеристик с помощью макета измерительного канала, завершившиеся с положительными результатами.

Можно отметить следующие основные результаты работы:

1 Разработаны аналитические выражения математической модели ИК на базе двухотсчетной измерительной системы.

2 Разработаны алгоритмы взаимодействия контуров двухотсчетной измерительной системы, обеспечивающие ее стабильную работу.

3 Проведены исследования механизма возникновения динамической ошибки системы в РЖ прибора, позволившие совершенствовать математическую модель в направлении снижения накапливающейся ошибки по углу, возникающей в системе в результате динамических процессов по скорости.

4 Разработана математическая модель ИК прибора, позволяющая моделировать динамические процессы, возникающие в нем, а также производить вычисление динамической ошибки ИК реального прибора по характеристикам устройств, входящих в него, без проведения дополнительных испытаний и привлечения специфического оборудования. Модель реализована с помощью пакета Simulink.

5 Создан макет измерительного канала ГИВУС с двухотсчетной измерительной системой, позволивший провести ее лабораторную отработку и подтвердить ее характеристики.

В процессе проведенных исследований была подтверждена возможность создания нового гироскопического измерителя вектора угловой скорости на базе поплавкового чувствительного элемента с применением принципа двухотсчетной измерительной системы, значительно превышающего по характеристикам прибор-прототип, а это значит, что поплавковые чувствительные элементы все еще не могут быть заменены чувствительными элементами, базирующимися на других принципах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шустов, Игорь Евгеньевич, 2011 год

1. Аттли А., Хэммонд П. Стабилизация релейных следящих систем. Пер. с анг. // M.: Сборник материалов конференции в Крэнфилде, 1951 г. Издательство иностранной литературы, 1954, С. 296-312.

2. Бабаева Н.Ф. и др. Расчет и проектирование элементов гироскопических . устройств // JL: Машиностроение, 1967, 480 с.

3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования// 2-е изд., испр. и доп. М.: Наука, 1972, - 768 с.

4. Брозгуль Л.И. Динамически настраиваемые гироскопы, модели погрешностей для систем навигации. // М.: Машиностроение, 1989, 232 с.

5. Булгаков Б.В. Прикладная теория гироскопов. // М.: Издательство Московского Университета, 1976, 400 с.

6. Волоконно-оптические датчики. Под ред. Удда Э. // М.: Техносфера, 2008,520 с.

7. Волоконная оптика и приборостроение. Под ред. М.М. Бутусова/ Л.: Машиностроение, 1987, 328 с.

8. Волынцев A.A., Воробушкин В.В., Казаков Б.А., Тидеман H.A., Шустов И.Е.

9. Волынцев A.A., Казаков Б.А. Гироскопический измеритель вектора угловой скорости // Томск: XVI Научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», Сборник трудов, 2001,- С. 355-359.

10. Волынцев A.A., Казаков Б.А. и др., Технические условия на прибор КИНД34-020. КИНД.402132.020 ТУ, Ред. 2-2007 // Москва, ФГУП «ЦЭНКИ» НИИ ПМ (на правах рукописи) 2007, 165 с.

11. Волынцев A.A., Казаков Б.А., Шустов И.Е. Повышение точности и диапазона измерения гироскопических измерителей вектора угловой скорости.//М.: Вестник Московского государственного университета леса.- Лесной вестник 6,2009, С. 102-106.

12. Гироскопические системы ч. 1. Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов, под ред. Пельпора Д.С.// 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1986, -423с.

13. Гироскопические системы ч. 2. Гироскопические приборы и системы, под ред. Пельпора Д.С.// 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1988, 424с.

14. Гироскопические системы ч. 3. Элементы системы, под ред. Пельпора Д.С.// 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1988, 432с.

15. Емельянов C.B. Системы автоматического управления с переменнойструктурой.// М.: Наука, 1967, 336 с.

16. Ишлинский А.Ю. Механика гироскопических систем. // М.: Изд-во АН СССР,1963,-482 с.

17. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. // М.: Наука, 1976, 672 с.

18. Казаков Б.А. и др. Гироскопические приборы для системы определения ориентации российского сегмента международной космической станции «Альфа» // СПб.: Гироскопия и навигация, 1999,- № 3(26).- С. 68-74.

19. Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев В.А. Световодные датчики. //М.: Машиностроение, 1990, 256 с.

20. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. // СПб.: Издательская группа BHV, 2005, 511 с.

21. Малыкин Г.Б. Эффект Саньяка. Корректные и некорректные объяснения.//М.: Успехи физических наук. Том 170 (12), 2000, С. 1325-1349.

22. Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерения.// М.: Издательство стандартов, 1991, 173 с.

23. Неаполитанский A.C., Хромов Б.В. Микромеханические вибрационные гироскопы.// М.: Когито-Центр, 2002, 121 с.

24. Новиков JI.3., Шаталов М.Ю. Механика динамически настраиваемых гироскопов// М.: Наука, 1985, 245 с.

25. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. // Л.: Энергоатомиздат, 1985, 248 с.

26. Одинцов A.A. Теория и расчет гироскопических приборов. // К.: «Вища школа», Головное Издательство, 1985, 392 с.

27. Окоси Т. и др. Волоконно оптические датчики. Пер. с япон. // Л.: Энергоатомиздат, 1990, 256 с.

28. Орлов А.И. Прикладная статистика.// М.: Экзамен, 2004, 656 с.

29. Отчет по испытаниям одноканального макета лабораторной модели прибора ГИВУС КИНД34-064. КИНД.Э001.2829: Отчет по НИР// М.: ФГУП «ЦЭНКИ» НИИ ПМ, рук. Казаков Б.А., 2010, 40 с.

30. Пельпор Д.С. Динамически настраиваемые гироскопы: Теория и конструкция. // М.: Машиностроение, 1988, 264 с.

31. Приоритет точность. Под ред. Сапожникова И.Н. // М.: Рестарт, 2006, - 192 с.

32. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие.// М.: Машиностроение, 2007, 400 с.

33. Ригли У., Холлистер У., Денхард У. Теория, проектирование и испытания гироскопов. // М.: Мир, 1972, 416 с.

34. Руш Н., Абетс П., Лалуа М. Прямой метод Ляпунова в теории устойчивости. // М.: Мир, 1980, 300 с.

35. Свешников A.A. Основы теории ошибок. // Л.: ЛГУ, 1972, 122 с.

36. Северов Л.А. Механика гироскопических систем. // М.: МАИ, 1996, 212 с.

37. Теория автоматического регулирования. Книга 2. Анализ и синтез линейных непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования, под ред. Солодовникова ~ В.В. // М.: Машиностроение, 1967, 682 с.

38. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink. // СПб.: ДМК Пресс, 2008, 288 с.

39. Черных И.В. Simulink. Среда создания инженерных приложений. // М.: «Диалог1. МИФИ», 2004, 491 с.

40. Черток Б.Е. Ракеты и люди. Книга 1 // 2-е изд. М.: Машиностроение, 1999,416 с.

41. Шереметьев А.Г. Волоконно-оптический гироскоп.// М.: Радио и связь, 1987,152 с.

42. Шустов И.Е. Анализ погрешностей двухконтурной системы прецизионного измерителя угловой скорости. // М.: Вестник Московского государственного университета леса.- Лесной вестник 6, 2011.

43. Шустов И.Е. Оценка динамической точности прецизионного гироскопического измерителя вектора угловой скорости. // Казань: Научно-технический вестник Поволжья № 3, 2011, -С. 182-186.

44. Эйкман А. Влияние запаздывания в измерительных элементах и в цепи передачи. Пер. с анг. // М.: Сборник материалов конференции в Крэнфилде, 1951 г. Издательство иностранной литературы, 1954, С. 199-211.

45. Эльясберг П.Е. Измерительная информация: сколько ее нужно? Как ее обрабатывать? // М.: Наука, 1983, 400 с.

46. Эскизный проект прибора КИНД34-064, КИНД.Э001.2577: отчет по НИР// М.: ФГУП «ЦЭНКИ» НИИ ПМ, рук. Казаков Б.А., 2009, 232 с.

47. Biran A.B. What every engineer should know about MATLAB and Simulink // CRC Press, 2010,- 451 p.

48. Bryson E., Ho Yu-Chi, Applied-optimal control: optimization, estimation and control. // Taylor & Francis Inc, 1988, 496 p.