Исследование характеристик компенсационного режима динамически настраиваемых гироскопов при работе в высокодинамичных условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Нгуен Динь Зуй

• Нгуен Динь Зуй
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Динь Зуй

Список сокращений

Введение

Глава 1. Уравнения движения ДНГ

1.1. Уравнения движения ДНГ в режиме свободного гироскопа

1.2. Уравнения движения ДНГ в режиме ДУС

1.2.1. Уравнение движения ДНГ в режиме ДУС без учета конструктивно-технологических погрешностей

1.2.2. Уравнения движения ДНГ в режиме ДУС с учетом конструктивно-технологических погрешностей

1.3. Выводы по первой главе

Глава 2. Методы компенсации взаимовлияния измерительных каналов ДНГ в режиме ДУС

2.1. Методы компенсации взаимовлияния каналов ДНГ в режиме ДУС, вызванного действием инерционного и гироскопического моментов

2.1.1. Формирование компенсационных моментов в контуре обратной связи

2.1.2. Формирование алгоритма обработки выходных сигналов ДУС

2.2. Снижение динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС, вызванной неточностью выставки ДМ относительно корпуса

2.3. Выводы по второй главе

Глава 3. Контрольно-испытательная аппаратура для экспериментальной проверки точностных параметров ДНГ в режиме ДУС

3.1. Методика оценки динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС

3.1.1. Влияние поворота корпуса гироскопа вокруг оси вращения ротора

3.1.2. Влияние смещения центра карданного подвеса гироскопа относительно оси угловых колебаний стенда

3.2. Схема определения динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС

3.3. Требования к аналого-цифровому преобразователю

3.4. Выводы по третьей главе

Глава 4. Экспериментальное исследование движения ДНГ в режиме ДУС

4.1. Оборудование рабочего места для испытания

4.1.1. Испытываемый гироскоп

4.1.2. Питание привода гироскопа ДНГ типа ГВК-6

4.1.3. Блок АЦП L-Card E14-440

4.1.4. Плата электроники контура обратной связи

4.1.5. Плата электроники стенда угловых колебаний

4.2. Результаты испытаний

4.3. Моделирование ДНГ в режиме ДУС в интегрированной среде Simulink-SimPowerSystems

4.4. Влияние разбросов номинального значения электронных компонентов на точность компенсации взаимовлияния каналов ДНГ в режиме ДУС

4.5. Выводы по четвертой главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ЛА - летательный аппарат;

БИНС - бесплатформенная инерциальная навигационная система; ДНГ - динамически настраиваемый гироскоп; ДУС - датчик угловой скорости; ДМ - датчик момента; ДУ - датчик угла;

ПЭВМ - персональная электронная вычислительная машина;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

ФЧХ - фазо-частотная характеристика;

ФЧВ - фазочувствительный выпрямитель;

КОС - контур обратной связи;

ПП - полоса пропускания.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик компенсационного режима динамически настраиваемых гироскопов при работе в высокодинамичных условиях»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одним из важных требований, предъявляемых к современным летательным аппаратам (ЛА), является высокая маневренность. При работе в высокодинамичных условиях гироскопические устройства, применяемые в системах управления и бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС) [1-4], подвергаются большим динамическим воздействиям со стороны ЛА, так как в отличие от платформенных систем, они непосредственно установлены на корпусе ЛА. Поэтому к ним предъявляются более жесткие требования по обеспечению работоспособности. Возможность обеспечения работоспособности и точности работы БИНС и систем ориентации современных маневренных ЛА в первую очередь определяется возможностью гироскопических приборов выполнять свои измерительные функции [5]. Постоянно растущие требования повышения точности и расширения частотного диапазона работы современных систем ориентации и навигации высокоманевренных ЛА диктуют необходимость повышения точности применяемых в них гироскопов.

Вопрос повышения точности гироскопов требует от разработчиков гироскопических приборов новых решений сложных научно-технических задач. Помимо основных характеристик, таких как высокой точности, стабильности характеристик и надежности, необходимо минимизировать габаритные размеры, массу, энергопотребление, время готовности и стоимость [6]. В современной прецизионной гироскопии наряду с твердотельными волновыми [7, 8], волоконно-оптическими [8-10] и лазерными гироскопами [8, 11, 12], широко используются динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ).

ДНГ имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами гироскопов [13-16]:

- Основное преимущество ДНГ перед гироскопами с карданным подвесом на шарикоподшипниках заключается в отсутствии в опорах подвеса моментов сил сухого трения. Внутреннее трение в материале упругих торсионов имеет природу вязкого трения, которое более стабильно и практически не зависит от температуры окружающей среды, как, например, у поплавковых гироскопов.

- Использование внутреннего карданного подвеса уменьшает габариты и массу ДНГ в несколько раз по сравнению с гироблоками с наружным карданным подвесом [17]. В зависимости от назначения прибора вес ротора ДНГ имеет широкий диапазон 0,05-1,5 Н, а вес всего прибора 0,5-4 Н.

- В ДНГ двигатель не оказывает непосредственного влияния на балансировку гироскопа относительно центра карданного подвеса.

- Нет необходимости в токоподводах к вращающимся узлам гироскопа.

- К преимуществам ДНГ относят также более высокая информативность, так как с помощью одного гироскопа можно измерять две составляющие угловой скорости.

За более чем 60 лет истории развития этого типа гироскопов было опубликовано большое количество монографий, статьей, докладов [18-20], как отечественных [21-29], так и зарубежных исследователей [30-34]. В этих работах изложены основы теории ДНГ, рассмотрены вопросы, связанные с выбором параметров конструкции. Также в них достаточно полно исследованы погрешности, определяемые внешними механическими, температурными воздействиями, и конструктивно-технологическими факторами [35-38].

ДНГ применяется как в режиме слежения корпуса и, соответственно, платформы, за угловым положением ротора при работе в качестве чувствительного элемента в гиростабилизаторах, так и в режиме слежения ротора за корпусом при его работе в компенсационном режиме (режим датчика угловой скорости (ДУС)) [26, 27]. В системах управления летательными аппаратами и БИНС ДНГ используются в компенсационном режиме, когда ротор гироскопа с помощью контура обратной связи поддерживает «нулевое» положение относительно корпуса, компенсируя гироскопические моменты, обусловленные угловыми скоростями объекта. При работе ДНГ в режиме ДУС, одной из его особенностей является погрешность измерения быстроизменяющихся угловых скоростей, обусловленная наличием перекрестной связи между двумя измерительными каналами гироскопа, т.е. при действии угловой скорости только по одному измерительному каналу, на выходе перекрестного измерительного канала появляется паразитный сигнал [39,

Вопрос изучения динамики ДНГ был рассмотрен работах [21, 24]. Выявлены и оценены его погрешности, возникающие в условиях поступательной и угловой вибрации основания из-за особенностей кинематики гироскопа, а также из-за несовершенной упругости, конечной линейной жесткости и сложного характера деформации упругих торсионов [21]. Требование повышения точности БИНС и систем ориентации обусловливает необходимость анализа динамической погрешности ДНГ при работе в режиме ДУС, особенно при высокой динамике угловых движений ЛА, для формирования соответствующих алгоритмов ее компенсации.

Повышение точности гироскопических приборов может быть достигнуто, по меньшей мере, двумя способами: технологическим и алгоритмическим. При технологическом способе предлагается совершенствование элементов конструкции гироскопа и контура обратной связи. А в алгоритмическом способе на основе исследования характеристик гироскопа в составе конкретного прибора и в конкретных условиях эксплуатации предлагается алгоритм аналитической компенсации его погрешностей.

Вопросу уменьшения уходов гироскопов в общем, и ДНГ в частности, путем совершенствования конструкции, технологии их изготовления посвящены многие работы [1, 2, 41-44]. С момента создания ДНГ разработаны различные конструкции с целью улучшения их характеристик по сравнению с первоначальной однокольцевой конструкцией, например, предложена многокольцевая конструкция с параллельным соединением карданных подвесов, а также известна конструкция с дополнительным носителем кинетического момента [21, 22, 24]. Дальнейшее совершенствование конструкции и технологии их производства сопровождается значительным увеличением стоимости их производства. В последнее время на основе достигнутых успехов в области цифровой электроники и схемотехники, а также большой производительности современных ЭВМ, второй путь повышения точности гироскопического прибора имеет явные преимущества по сравнению с первым.

Проблема взаимовлияния измерительных каналов свойственна не только

ДНГ в режиме ДУС, но и некоторым другим типам гироскопов, в частности, микромеханическим гироскопам [45-48]. Для устранения данной погрешности были предложены специальные конструкции [49, 50]. Вопрос повышения точности работы ДНГ в режиме ДУС также был рассмотрен в работах [52, 53], где причина возникновения перекрестного паразитного сигнала рассмотрена на физическом уровне и объясняется нутационным броском гироскопа, для компенсации влияния которого предложены способы, изложенные в патенте РФ от 2019 г. Однако теоретические исследования показывают, что взаимосвязь измерительных каналов при работе ДНГ в режиме ДУС вызвана не только действием инерционных и гироскопических моментов, но и конструктивно-технологическими погрешностями в процессе изготовления, сборки и настройки гироскопа [39]. Поэтому требуется общий аналитический подход для разработки методов компенсации данного взаимовлияния.

С учетом вышесказанного вопрос обеспечения работоспособности и повышения точности работы ДНГ в режиме ДУС, особенно в высокодинамичных условиях эксплуатации, является одним из приоритетных направлений их развития, поскольку динамические характеристики гироскопа в значительной степени определяют динамику всей системы ориентации и навигации ЛА. Поэтому задача продолжения исследований в данном направлении является достаточно актуальной и её возможные решения позволят повысить точность и расширить частотный диапазон работы БИНС и систем ориентации.

Объектом исследования является двухкомпонентный датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа типа ГВК-6.

Предметом исследования является погрешность выходных характеристик ДНГ в компенсационном режиме при его работе в условиях высокодинамичных угловых движений корпуса прибора.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование характеристик ДНГ при его работе в компенсационном режиме в условиях высокодинамичных угловых воздействий и разработка методов повышения динамической точности прибора.

Для достижения указанной цели были решены следующие научно-технические задачи:

- Составлены уравнения движения ДНГ в режиме ДУС для различных угловых движений гироскопа с учетом возможных конструктивно-технологических факторов.

- Проведено исследование причин взаимовлияния измерительных каналов ДНГ в режиме ДУС, его зависимости от параметров гироскопа, контура обратной связи и динамики углового движения корпуса прибора.

- По результатам исследования уравнений движения ДНГ в режиме ДУС и его характеристик предложены аналитические методы компенсации взаимовлияния измерительных каналов.

- Разработана конструкция специализированного стенда для экспериментального исследования динамических характеристик ДНГ в режиме ДУС, проанализировано влияние конструктивно-технологических факторов гироскопа и испытательного стенда на точность испытаний.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы теория гироскопов и гироскопических систем, теория колебаний, теория автоматического регулирования, теория дифференциальных уравнений, метод численного моделирования. При расчетах и моделировании на ЭВМ применялись пакеты прикладных программ MatLab и MathCAD. В процессе разработки конструкции стенда угловых колебаний и его элементов использовался пакет моделирования SoHdWorks.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- ХLIV, ХLV, ХLVI и ХLVП академические чтения по космонавтике, посвященные памяти С.П. Королева и других выдающихся отечественных ученых -пионеров освоения космического пространства (г. Москва, Россия, 2020, 2021, 2022 и 2023).

- XV Всероссийская инновационная молодежная научно-инженерная выставка «Политехника», посвященная 190-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (г.

Москва, Россия, 2020)

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных работах общим объемом 1,85 п.л., в том числе 3 научных статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 1 научная статья в издании, входящем в перечень Scopus.

Структура и объем работы. Диссертационная работа в структурном плане состоит из введения, четырех глав, общих выводов, заключения, списка литературы. Работа изложена на 112 страницах, содержит 63 рисунка, 8 таблиц, список литературы, состоящий из 78 библиографических наименований.

В первой главе на основе динамических уравнений Эйлера составляются дифференциальные уравнения движения ротора ДНГ. Показаны основные особенности движения ротора гироскопа при его работе в режиме ДУС в высокодинамичных условиях эксплуатации. Составлена структурная схема ДНГ в режиме ДУС с учетом возможных конструктивно-технологических погрешностей гироскопа, в том числе неточности выставки датчиков угла (ДУ) и датчиков момента (ДМ) относительно осей корпуса, динамической расстройки, газодинамических моментов, нулевых сигналов датчиков угла. Представлены результаты синтеза контуров обратной связи ДНГ в режиме ДУС, которые обеспечивают требуемый запас устойчивости и качество переходных процессов. Показаны причины взаимовлияния между двумя измерительными каналами. Дается численная оценка зависимости перекрестной динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС от параметров гироскопа, контура обратной связи и динамических воздействий.

Кроме этого, проанализировано влияние конструктивно-технологических погрешностей гироскопа на статическую и динамическую погрешность ДНГ в режиме ДУС.

Во второй главе на основе аналитических методов предложены способы компенсации взаимовлияния измерительных каналов ДНГ в режиме ДУС, один из которых заключается в формировании компенсационных моментов в контуре обратной связи, а второй - в обработке выходных сигналов вне контура обратной связи. Анализируются достоинства и недостатки каждого из предложенных мето-

дов. Также рассмотрен алгоритм обработки сигналов на выходе ДУС для уменьшения динамической погрешности, вызванной неточностью выставки датчиков момента гироскопа относительно корпуса.

В третьей главе для экспериментального определения динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС предложен вариант конструкции стенда угловых колебаний на упругом подвесе, который может быть использован в качестве альтернативы стандартным поворотным стендам. Разработана его кинематика, рассчитаны упруго-массовые характеристики.

Анализируется влияние на точность испытания конструктивно-технологических факторов, связанных с несимметричностью упруго-массовых характеристик подвижной части стенда, линейным смещением центра карданного подвеса гироскопа относительно оси угловых колебаний стенда и неточностью выставки корпуса гироскопа относительно платформы стенда.

Разработаны требования к контрольно-испытательной аппаратуре для обеспечения точности экспериментального определения динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС.

В четвертой главе показаны результаты экспериментальной проверки динамических характеристик ДНГ в режиме ДУС, где, в качестве испытываемого гироскопа использовался ДНГ типа ГВК-6. Сопоставление результатов экспериментального определения динамических характеристик с теоретическими расчетами подтверждает достоверность проведенного теоретического анализа и практическую возможность использования стенда угловых колебаний для исследования динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС. Дана рекомендация к практическому применению предложенного метода определения динамических характеристик ДНГ в режиме ДУС.

Проведено численное моделирование методов компенсации взаимовлияния измерительных каналов с учетом возможных разбросов величины параметров контуров обратной связи и компенсационных звеньев. Результаты моделирования показывают, что наибольшее влияние на точность компенсации взаимосвязи оказывают отклонения величины крутизны усилителя обратной связи, а наименьшее

- отклонения величин постоянных времени контуров коррекции. На основе анализа дана рекомендация по выбору электронных компонентов для обеспечения точности компенсации взаимовлияния каналов.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы и общие выводы по ней.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Результаты численного моделирования на основе разработанной математической модели динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС показывают, что в зависимости от параметров гироскопа, контура обратной связи и динамики углового движения корпуса прибора динамическая погрешность по ортогональному каналу может достигать 10% от величины измеряемого сигнала.

- При применении аналитических методов компенсации взаимовлияния измерительных каналов ДНГ в режиме ДУС, включающих возможность изменения структуры контура обратной связи или алгоритм обработки выходных сигналов прибора, с учетом возможных отклонений номинального значения используемых электронных компонентов в пределах 5%, динамическая погрешность по ортогональному каналу не превышает 1,8% от величины измеряемого сигнала.

- В измерительном частотном диапазоне алгоритм обработки выходных сигналов ДУС позволяет, в среднем, снизить динамическую погрешность, вызванную неточностью выставки ДМ гироскопа относительно осей корпуса, в 10 раз.

- Возможные конструктивно-технологические погрешности гироскопа и стенда угловых колебаний несущественно влияют на точность экспериментального определения динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС, за исключением неточности выставки корпуса гироскопа на платформе стенда.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

- Впервые разработана математическая модель динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС в условиях нестационарных угловых движений корпуса с учетом конструктивно-технологических факторов.

- Предложены аналитические методы компенсации указанной погрешности

гироскопа, как путем изменения структуры контура обратной связи, так и соответствующим алгоритмом обработки выходных сигналов прибора.

- Исследовано влияние на динамическую погрешность гироскопа неточности выставки датчиков момента и датчиков угла относительно осей корпуса и предложен алгоритм обработки выходных сигналов прибора для снижения указанной погрешности.

- Разработан стенд угловых колебаний для исследования динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС. Дана оценка влияния конструктивно-технологических факторов данного стенда и гироскопа на точность измерения динамической погрешности ДНГ.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- Разработанные способы компенсации динамической погрешности ДНГ, работающего в компенсационном режиме, позволяют повысить его точность при эксплуатации на современных высокодинамичных ЛА.

- Для проведения динамических испытаний ДНГ в режиме ДУС разработан, и испытан малогабаритный стенд угловых колебаний с соответствующей контрольно-измерительной системой.

- Разработано методическое пособие для студентов по оценке динамических характеристик ДНГ в режиме ДУС для учебного курса «Гироскопические приборы и системы ориентации».

Достоверность результатов работы подтверждается согласованностью результатов теоретического исследования, численного моделирования и экспериментальных исследований в МГТУ им. Н.Э. Баумана на образце ДНГ типа ГВК-6.

Внедрение результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в учебном процессе кафедры приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (национальный исследовательский университет) для выполнения лабораторных работ и проведения лекционных занятий.

Личный вклад автора заключается в следующем:

- Выполнил теоретические исследования динамических характеристик ДНГ в компенсационном режиме с учетом его конструктивно-технологических погрешностей и нестационарных угловых движений корпуса прибора.

- Разработал аналитические методы компенсации перекрестной динамической погрешности ДНГ в режиме ДУС.

- Разработал конструкцию малогабаритного стенда угловых колебаний на упругом подвесе и отладил ее для практического определения динамических характеристик ДНГ в режиме ДУС.

- Провел и обработал экспериментальные результаты исследования динамических характеристик ДНГ типа ГВК-6 в режиме ДУС на стенде угловых колебаний.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, к.т.н., доценту Подчезерцеву В.П. за большую помощь в приобретении научно-практических навыков при проведении диссертационного исследования. Автор благодарен сотрудникам кафедры приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации МГТУ им. Н.Э. Баумана, в особенности Носову Н.А. и Полын-кову А.В. за поддержку и помощь при подготовке диссертационной работы.

ГЛАВА 1. УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ДНГ 1.1. Уравнения движения ДНГ в режиме свободного гироскопа

На Рис. 1.1 представлена кинематическая схема ДНГ, состоящего из ротора, кольца и вала двигателя, приводящего во вращение ротор гироскопа. Подвес ротора обеспечивает соединение вала двигателя, кольца и ротора двумя парами тор-сионов. Таким образом, ротор гироскопа обладает тремя степенями свободы. Благодаря малой угловой жесткости торсионов, ротор может отклоняться на небольшие углы вокруг осей наружных и внутренних торсионов [30]. В отличие от обычного классического трехстепенного гироскопа с наружным карданным подвесом, в ДНГ статор двигателя установлен на корпусе. Ротор двигателя приводит во вращение вал с постоянной угловой скоростью. Через внутренние торсионы вращение со стороны вала передается на кольцо и далее через наружные торсио-ны - на ротор гироскопа.

Рис 1.1 . К составлению уравнений движения ротора ДНГ Для исследования движения ротора ДНГ введем следующие правые системы координат:

хуг - система координат, связанная с корпусом гироскопа; х'у'г' - невращающаяся система координат ротора гироскопа (система координат Резаля);

х,у,г, - система координат, связанная с валом двигателя;

х, у, - система координат, связанная с кольцом карданного подвеса;

х, у, г, - система координат, связанная с ротором гироскопа. Согласно [30], на основе обобщенных уравнений Эйлера уравнения движения ротора ДНГ вокруг осей х' и у', отнесенные к невращающейся системе координат х 'у 'г', имеют вид:

1 / \

\А+-вАа + - (£>„ + )<х + - (*а + кр - (А1 +В1- СХ)П2 )а +

+

(С0 + в, )пр + \{Оа + )пр + |3 =

А +1В"

2 у

^ + М х

-(С0 + -\(Оа + Лр )Па -\м*а =

(1.1)

1

л

А +-В

2

В - А + С

®у+| С0+ 1 1

°юх + Му

где Ао=Во, Со - главные центральные моменты инерции ротора гироскопа; А1=В1, С - главные центральные моменты инерции кольца; Да, Ар - коэффициенты демпфирования, вызванного деформацией торсио-

нов;

ка, кр - угловая жесткость внутренних и наружных торсионов; а, 3 - углы отклонения ротора относительно корпуса; О - угловая скорость собственного вращения привода; М =АфО - момент газодинамического сопротивления вращению ротора гироскопа;

<

Оф - коэффициент демпфирования, вызванного газодинамическими моментами;

юх, юу, - проекции абсолютной угловой скорости корпуса гироскопа на оси системы координат ху2;

Мх, Му - внешние моменты, приложенные к ротору вокруг осей х и у.

Введем следующие обозначения:

А = А + А4; Н = (Со + 4)-О; А^ = + Ар)-(А + ^ -С)-О2),

В = 1 (А* + Вр),

Н - кинетический момент ротора гироскопа, АК" - величина динамической расстройки ДНГ, 1 Л

О - коэффициент, определяемый влиянием газодинамиче-

=

В + - В_

2

ских моментов и потерями на деформацию упругих торсионов.

При отсутствии внешних моментов (Мх = 0, Му = 0) и движения основания

(юх=0; юу=0), на основе уравнений (1.1), дифференциальные уравнения свободного движения ротора ДНГ имеют вид:

Аа + Иа + МСа + + = 0 < (1.2)

+1)(3 + АЛТ(3 - На - К^а = 0

1.2. Уравнения движения ДНГ в режиме ДУС

1.2.1. Уравнение движения ДНГ в режиме ДУС без учета конструктивно-технологических погрешностей

При работе ДНГ в режиме ДУС, в отличие от режима свободного гироскопа, на ротор гироскопа, помимо моментов, присутствующих в (1.1), будут действовать моменты обратной связи от датчиков момента. Рассмотрим случай, когда ДУ и ДМ точно установлены по измерительным осям х и у корпуса, а также пренебрежем газодинамическими моментами (^т=0) и моментами от динамической

расстройки (А£=0). На Рис.1.2 представлены моменты, приложенные к ротору гироскопа в этом случае:

Рис. 1.2. Моменты, приложенные к ротору ДНГ в режиме ДУС Уравнения движения ДНГ в режиме ДУС в соответствии с представленными на Рис. 1.2 действующими на ротор гироскопа моментами имеют вид:

А( а + <Ьх) + н(р + <оу) = Мх+ Мхдм

г дм

(1.3)

где А(а + &>х), Аф + а>у) - инерционные моменты ротора гироскопа; Н(а + ГОд-), + - гироскопические моменты; аир- углы отклонения ротора вокруг осей х и у корпуса; МДМ = -JxKДм; МДМ = КДМ - моменты от ДМх, ДМу соответственно; Jx = ркДУ К 'ХЖХ (я), Jy = аКДу К'уЖу (я) - токи, протекающие в обмотках ДМ.

На Рис. 1.3 представлена структурная схема ДНГ в режиме ДУС, построенная в соответствии с уравнениями (1. 3). При отсутствии возмущающих моментов

Мх, Му, после преобразования по Лапласу уравнения (1.3) приводятся к виду:

Ая а(Б) + (Ня + КХЖХ (я))Р(я) = -АяюХ (я) - Нюу (я)

-(Ня + КуЖу (я))а(я) + Ая р(я) = НюХ (я) - Аяю у (я)'

(1.4)

у

<

ю

<

где Кх = КДУК1хкДш; Ку = КДКгукДм - крутизны контуров обратной связи.

Рис. 1.3. Структурная схема ДНГ в режиме ДУС Углы отклонения ротора гироскопа относительно корпуса определяются из системы (1.4) в операторном виде:

а^) =

рм=

Н2 * (

Ао( *) \ V

Н2 * ( (

Ао( *) к V

( с

1+п+КжМ

Н

^ ' КхЖх Л

у

юх +

у

ю

КуЖу (*)

юх -

где А0 (^ ) = Н

2 2

4 +

Н8 у V

т / \\ Г

, 2 КуЖу (*) 1 + *2 + у у

Н у у

,

ю,

№

у

уу

(1.5)

V

Н

л Л

Н

Н

;= —;юп =— - нутаци

ю,

А

/V — уу онная частота.

Измеряемые значения угловой скорости корпуса, определяемые по величинам токов в цепях датчиков момента на измерительных резисторах, формируются следующим образом:

изм / ч

юх =

._изм/ ч

ЮУ (*) =

кудм Jy (*) КуЖу (8)НзГг

VV

Н

Ао(*)

1 + *П + КхЖх (*)

№

юх

КхЖх (*) ю Н у

Кдм Jх (*)_ КхЖх

Н

Ао(*)

V

КуЖу (*)

тт юх +

' 2, КуЖу^ ^ (1.6)

1+4 +

№

ю у

у у

Соотношения (1.5) и (1.6) показывают, что каждый из углов а и Р отклонения ротора гироскопа относительно корпуса и каждый из компонентов измеряе-

<

<

~ изм изм ^

мых угловых скоростей юх и Юу зависит от двух проекции входной угловой скорости юх и Юу , что свидетельствует о взаимовлиянии измерительных каналов

ДНГ в режиме ДУС. Причиной возникновения данного взаимовлияния являются возникающие практически одновременно инерционные и гироскопические моменты при любом изменении угловой скорости корпуса гироскопа.

ДНГ в режиме ДУС представляет собой автоматическую систему регулирования, поэтому одной из важных задач при его проектировании является формирование контуров обратной связи, обеспечивающих требуемые запасы устойчивости и качество переходных процессов. В качестве передаточной функции контуров обратной связи ДНГ в режиме ДУС обычно используется следующий вид

Тя +1

[24]: Ж(я) = К-1-^, где: К - крутизна контура обратной связи, Т1, Т2 - по-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Динь Зуй, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Одинцов, А. А. Теория и расчет гироскопических приборов. Учеб. пособие / А. А. Одинцов. К.: Высшая школа, 1985. 392 с.

2. Никитин, Е. А. Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров / Е. А. Никитин, А. А. Балашова. М.: Машиностроение, 1969. 216 с.

3. Пельпор, Д. С. Гироскопические приборы систем ориентации и стабилизации / Д. С. Пельпор, Ю. А. Осокин, Е. Р. Рахтеенко. М.: Машиностроение, 1977. 208 с.

4. Пельпор, Д. С. Гироскопические системы: Гироскопические приборы и системы / Д. С. Пельпор, И. А Михалев., В. А. Бауман. М.: Высшая школа, 1988. 424 с.

5. Матвеев, В. В. Алгоритм ориентации для вращающегося по крену летательного аппарата / В. В. Матвеев, А. П. Шведов, С. И. Серегин. // Мехатроника, автоматизация, управление, 2012, №9. С. 5-9.

6. Каргу, Л. И. Точность гироскопических устройств систем управления летательных аппаратов / Л. И. Каргу. М.: Машиностроение, 1990. 207 с.

7. Волновые твердотельные гироскопы (аналитический обзор) / И. А. Вол-чихин, А. И. Волчихин, Д. М. Малютин. [и др.] // Известия ТулГУ. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 2. С. 59-78.

8. Королёв, М. Н. Анализ технических характеристик чувствительных элементов индикаторных гироскопических стабилизаторов / М. Н. Королёв, Д. М. Малютин. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 8. С. 30-46.

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

10. Филатов, Ю. В. Волоконно-оптический гироскоп / Ю. В. Филатов. Учеб. пособие. СПб.: Изд. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. 52 с.

11. 50 лет лазерному гироскопу / Д. П. Лукьянов, Ю. В. Филатов, Ю. Д. Го-ляев. [и др.] // Фотоника. 2014. № 1(43). С. 42-61.

12. Бычков, С. И. Лазерный гироскоп / С. И. Бычков, Д. П. Лукьянов, А. И. Бакаляр. М.: Советское радио, 1975. 424 с.

13. Fernando de Castro Junqueira. Development of a dynamically tuned gyroscope / Fernando de Castro Junqueira, Ettore de Barros // ABCM Symposium Series in Mechatronics. Vol. 1. 2004. P. 470-480.

14. Mansour W. M. Two-axis dry tuned-rotor gyroscope design and technology / W. M. Mansour, C. Lacchini // Journal of guidance, control and dynamics. Vol 16. No 3. 1993. P. 417-425.

15. Inertial navigation system for India's reusable launch vehicle-technology demonstrator (RLV-TD HEX) mission / P. Umadevi, A. Navas, K. Karuturi. [и др.] // Journal of the institution of engineers (India). Series C. 2017. P. 689-696.

16. Algorythmic compensation of thermal errors of sensors of a strapdown inertial unit / N. A. Elanskiy, D. G. Pikunov, A. V. Logachev. [и др.] // 24th Saint Petersburg international conference on integrated navigation systems. ICINS. 2017.

17. Пельпор, Д. С. Динамически настраиваемые гироскопы / Д. С. Пельпор, В. А. Матвеев, В. Д. Арсеньев. М.: Машиностроение, 1988. 264 с.

18. Подчезерцев, В. П. Разработка методов и средств настройки и регулировки прецизионных динамически настраиваемых гироскопов. Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук / В. П. Подчезерцев. Москва, 1986. 197 с.

19. Тан Синюань. Аппаратно-алгоритмическое обеспечение аттестации динамически настраиваемого гироскопа: специальность 05.11.03 «Приборы навигации»: диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук / С. Тан. Москва, 2018. 115 с.

20. Цинь Цзыхао. Исследование алгоритмов комплексной системы «гироскоп - поворотный стенд» для прецизионной калибровки динамически настраиваемых гироскопов: специальность 05.11.03 «Приборы навигации»: диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук / Ц. Цинь. Москва, 2018. 107 с.

21. Павловский, М. А. Динамика роторных вибрационных гироскопов / М.

А. Павловский, А. В. Збруцкий. К.: Высшая школа, 1984. 191 с.

22. Брозгуль, Л. И. Динамически настраиваемые гироскопы: Модели погрешностей для систем навигации / Л. И. Брозгуль. М.: Машиностроение, 1989. 229 с.

23. Брозгуль, Л. И. Вибрационные гироскопы / Л. И. Брозгуль, Е. Л. Смирнов. М.: Машиностроение, 1970. 215 с.

24. Новиков, Л. З. Механика динамически настраиваемых гироскопов / Л. З. Новиков, М. Ю. Шаталов. М.: Наука, 1985. 246 с.

25. Власов, Ю. Б. Роторные вибрационные гироскопы в системах навигации / Ю. Б. Власов, О. М. Филонов. Л.: Судостроение, 1980. 221 с.

26. Матвеев, В. А. Гироскопические стабилизаторы на динамически настраиваемых вибрационных гироскопах / В. А. Матвеев, В. П. Подчезерцев, В. В. Фатеев. Учеб. пособие. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 103 с.

27. Матвеев, В. А. Гироскоп - это просто / В. А. Матвеев. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 191 с.

28. Абрамов, Р. А. Ошибки динамически настраиваемых гироскопов / Р. А. Абрамов. М.: Машиностроение, 1985. 263 с.

29. Виноградов, Г. М. Динамически настраиваемые гироскопы / Г. М. Виноградов. Учеб. пособие. Казань: Изд. КГТУ им. А.Н. Туполева, 2008. 128 с.

30. Cruber Josef P. Dynamically turned gyro // U.S Patent 5105669. 1992.

31. Robert J. G. Craig. Dynamically tuned gyros in strapdown systems / Robert J. G. Craig // AGARD Conference on Inertial Navigation Computers and Systems. Fi-renze. Italy. 1972. P. 12-1 to 12-17.

32. Robert J. G. Craig. Theory of errors of a multigimbal, elastically supported, tuned gyroscope / Robert J. G. Craig // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. Volume: AES-8. Issue: 3. May 1972. P. 289-297.

33. Robert J. G. Craig. Theory of operation of a two-axis-rate gyro / Robert J. G. Craig // IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst.1990, 26. P. 722-731.

34. Howe, E. W. The dynamically tuned free rotor gyro / E. W. Howe, P. H. Savet //Control Engineering. June 1964. P. 67-72.

35. Подчезерцев, В. П. Компоненты модели погрешности динамически настраиваемого гироскопа / В. П. Подчезерцев, С. Тан, Ц. Цинь // Авиакосмическое приборостроение. № 1. 2015. C. 8-18.

36. Подчезерцев, В. П. Определение моментов, действующих на ротор гироскопа в магнитном поле / В. П. Подчезерцев // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Телемеханика и системы управления. 1975. Вып. 10. C. 79-86.

37. Цинь Цзыхао. Влияние конструктивных особенностей и параметров газового заполнения на характеристики ДНГ / Ц. Цинь, В. П. Подчезерцев // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение. 2017. № 2. С. 4-20.

38. Бордачев, Д. А. Экспериментальные исследования системы термостати-рования прецизионного гироскопического измерителя вектора угловой скорости / Д. А. Бордачев, И. Е. Шустов, В. П. Подчезерцев // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение. 2017. № 1 (112). С. 24-34.

39. Podchezertsev, V. P. Compensation mode synthesis of dynamically tuned gyroscope / V. P. Podchezertsev, D. D. Nguyen // AIP Conference Proceedings: 44, Moscow, 28-31 января 2020 года. Moscow, 2021. P. 170003.

40. Подчезерцев, В. П. Вопросы синтеза и практической оценки погрешности компенсационного режима двухкомпонентного гироскопа / В. П. Подчезерцев, Д. З. Нгуен // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 9. С. 108-116.

41. Уменьшение дрейфа динамически настраиваемого гироскопа от запуска к запуску / Д. С. Чиркин, П. В. Рословец, Ф. В. Татаринов. [и др.] // Инженерный журнал: наука и инновации. 2017. №1.

42. Коновалов, С. Ф. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч. III. Акселерометры, датчики угловой скорости, интегрирующие гироскопы и гироинтеграторы / С. Ф. Коновалов, Е. А. Никитин, Л. М. Селиванова. / Учеб. пособие. Под ред. Д. С. Пельпора. М.: Высшая школа, 1980. 128 с.

43. Одинцов, А. А. Динамически настраиваемые гироскопы / А. А. Одинцов.

К.: УМК ВО, 1992. 66 с.

44. Лысов, А. Н. Прикладная теория гироскопов. Часть 3. Учеб. пособие / А. Н. Лысов, Н. Т. Виниченко, А. А. Лысова. Челябинск: Издательский центр ЮУр-ГУ, 2009. 86 с.

45. The coupling error analysis of the decoupled silicon micro-gyro scope / Bo Yang, Shourong Wang, Hongsheng Li [и др.] // 2010 IEEE 5th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems.

46. Lin H. Orthogonal coupling analysis of a fully decoupled silicon MEMS gyroscope / Lin H., Wang N., Yang Y. J. // Micronanoelectron. Technol. 2018, 55. P. 38-44.

47. Kanso E. Cross-coupling errors of micromachined gyroscopes / E. Kanso, A. J. Szeri, A. P. Pisano // Journal of Microelectromechanical Systems.Volume: 13. Issue 2. April 2004. P. 323-331.

48. Cross-coupling of the oscillation modes of vibratory gyroscopes / M. Braxmaier, A. Gaiber, A. Schumacher [и др.] // Proc. International Conference on Solid State Sensors Actuators and Microsystems. 2003-June.

49. Jian Yang. A Decoupling design with T-shape structure for the aluminum nitride gyroscope / Jian Yang, Chaowei Si, Guowei // Micromachines 2019. 10(4), 244.

50. Said Emre Alper. A Compact angular rate sensor system using a fully decoupled silicon-on-glass MEMS gyroscope / Said Emre Alper, Yuksel Temiz, Tayfun Akin // Journal of Microelectromechanical Systems. Volume: 17. Issue 6. Dec. 2008. P. 1418-1429.

51. Dunzhu, Xia. A digitized decoupled dual-axis micro dynamically tuned gyroscope with three equilibrium rings / Dunzhu Xia, Peizhen Ni, Lun Kong // Journal of Electrical Engineering and Technology 12(1). January 2017. P. 385-395.

52. Компенсация перекрестной погрешности датчика угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа.: Сборник тезисов. XLII Королевские академические чтения по космонавтике / В. П. Подчезерцев, В. В. Фатеев, В. А. Попов [и др.]. Москва. 2018.

53. Датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироско-

па: Пат. RU2734277C1. РФ / В. А. Попов, Д. В. Попов, В. П. Подчезерцев [и др.]; заявл. 2018143610, 2018.12.10; опубл. 13.12.2019.

54. Ривкин, С. С. Расчет динамических погрешностей гироскопических устройств на качающемся основании / С. С. Ривкин. Центральный научно-исследовательский институт "Румб", 1991. 97 с.

55. Бороздин, В. Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления. Учеб. пособие для вузов / В. Н. Бороздин. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.

56. Павлов, В. А. Основы проектирования и расчета гироскопических приборов / В. А. Павлов. Л.: Судостроение, 1967. 407 с.

57. Никитин, Е. А. Гироскопические системы. Ч. III. Элементы гироскопических приборов / Е. А. Никитин, С. А. Шестов, В. А. Матвеев. М.: Высшая школа, 1988. 432 с.

58. Подчезерцев, В. П. Моделирование калибровки динамически настраиваемых гироскопов на одноосном гиростабилизаторе / В. П Подчезерцев, Ц. Цинь // Инженерный журнал: наука и инновации. № 10. 2017.

59. Zhao Y. Fixture error analysis and an improved calibration method for dynamically tuned gyroscopes / Y. Zhao, H. Zhao, X. Huo. // IEEE Chinese Guidance, Navigation and Control Conference. 2016. P. 765-770.

60. Guo J. Calibration and compensation of the scale factor errors in DTG POS / J. Guo, M. Zhong. // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Volume: 62. Issue: 10. 2013. P. 2784-2794.

61. Calibration and compensation of scale factor non-linearity and non-orthogonality errors for dynamically tuned gyroscope / S.A.E.H. Hegazy, A. Mahmoud, A. M. Kamel. [и др.] // 12th International conference on electrical engineering. ICEENG 2020. P. 371-376.

62. Dai M. In-field calibration method for DTG IMU including g-sensitivity biases / M. Dai, C. Zhang, J. Lu. // IEEE sensors journal. Volume: 19. Issue: 13. 2019. P. 4972-4981.

63. Fu L. A novel calibration procedure for dynamically tuned gyroscope de-

signed by D-optimal approach / L. Fu, X. Yang, L.L. Wang. // Measurement: Journal of the International Measurement Confederation. Volume 46. Issue 9. 2013. P. 3173-3180.

64. Single-Axis Rate Table Series AC117. Компания «ACUTRONIC». URL: https://www.acutronic.com/simulation-test/1-axis-rate-tables/1-axis-rate-table-ac 117 (дата обращения: 15.03.2022 г.)

65. Two-Axis Rate Table Series AC22H-T400-AB. Компания «ACUTRONIC». URL: https://www.acutronic.com/simulation-test/2-axis-rate-tables/swiss-2-axis-rate-table-series-ac22h-t400-ab. (дата обращения: 15.03.2022 г.)

66. Three-Axis Rate Table Series AC371. Компания «ACUTRONIC». URL: https://www.acutronic.com/simulation-test/3-axis-rate-tables/3-axis-motion-simulator-series-ac317. (дата обращения: 15.03.2022 г.)

67. 1281 Single Axis Position and Rate Table System. Компания «Ideal Aer-osmith». URL: https://www.ideal-aerosmith.com/ideal-product/1281-single-axis-position-and-rate-table-system/. (дата обращения: 15.03.2022 г.)

68. 1522P Two Axis Positioning and Rate Table System. Компания «Ideal Aerosmith». URL: https://www.ideal-aerosmith.com/ideal-product/1522p-two-axis-positioning-and-rate-table-system/ (дата обращения: 15.03.2022 г.)

69. 1573P Three Axis Positioning and Rate Table System. Компания «Ideal Aerosmith». URL: https://www.ideal-aerosmith.com/ideal-product/1573p/ (дата обращения: 15.03. 2022 г.)

70. Калихман, Д. М. Прецизионные управляемые стенды для динамических испытаний гироскопических приборов / Д. М. Калихман. СПб., ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2008. 298 с.

71. Расчет и проектирование элементов гироскопических устройств / Н. Ф. Бабаева, В. М. Ерофеев, И. М. Сивоконенко [и др.]. Л.: Машиностроение, 1967. 478 с.

72. Феодосьев, В. И. Сопротивление материалов: Учеб. пособие для вузов / В. И. Феодосьев. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 592 с.

73. Веркович, Г. А. Справочник конструктора точного приборостроения / Г. А. Веркович, Е. Н. Головенкин, В. А. Голобков. Л.: Машиностроение, 1989. 792 с.

74. Андреева, Л. Е. Упругие элементы приборов / Л. Е. Андреева. М.: Машгиз, 1981. 392 с.

75. Оппенгейм А. Цифровая обработка сигналов / А. Оппенгейм, Р. Шафер. Пер. с англ. М.: Техносфера, 2006. 1046 с.

76. Нефедов, В. И. Основы радиоэлектроники и связи / В. И. Нефедов, А. С. Сигов. М.: Высшая школа, 2009. 736 с.

77. Григорьян, С. Г. Метрология, стандартизация и технические измерения: виртуальный лабораторный практикум / С. Г. Григорьян. Новочеркасск: ЮРГ-ПУ(НПИ), 2014. 52 с.

78. E14-440 внешний модуль АЦП/ЦАП на шину USB. URL: https://www.lcard.ru/products/external/e-440 (дата обращения: 15.03.2022 г.)