Основы разработки безобогревных термоинвариантных измерителей угловых скоростей и кажущихся ускорений для систем управления ракетно-космическими объектами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.03, кандидат наук Скоробогатов, Вячеслав Владимирович

• Скоробогатов, Вячеслав Владимирович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Скоробогатов, Вячеслав Владимирович

Принятые условные обозначения......................................................................6

Введение..................................................................................................................7

Глава 1. Состояние проблемы в настоящее время. Обзор методов температурной компенсации погрешностей инерциальных чувствительных элементов БИНС и синтеза цифровых систем управления..............................18

1.1. Компенсация температурных погрешностей измерителей угловых скоростей............................................................................................................18

1.2. Компенсация температурных погрешностей измерителей кажущегося ускорения............................................................................................................24

1.3. Постановка задачи формирования принципов построения универсального цифрового усилителя обратной связи и обобщённого алгоритма разработки измерителей угловой скорости и измерителей

кажущегося линейного ускорения ................................................................... 28

Выводы по главе 1.............................................................................................31

Глава 2. Разработка схемотехнических решений компенсации температурных погрешностей электромеханических измерителей угловой скорости.................................................................................................................. 32

2.1. Методика компенсации температурной погрешности ИУС с аналоговой обратной связью............................................................................32

2.2. Синтез регулятора системы управления ИУС с аналоговой обратной связью и обеспечением термоинвариантности его статической и динамических характеристик...........................................................................37

2.3. Принцип построения цифрового усилителя обратной связи безобогревных измерителей угловой скорости и линейного ускорения с обеспечением термоинвариантности их основных технических характеристик ..................................................................................................... 48

2.3.1. Синтез алгоритма работы цифровой обратной связи.......................48

2.3.2. Пример синтеза цифровой обратной связи для безобогревного поплавкового измерителя угловой скорости для обеспечения термоинвариантности его динамических характеристик..........................51

2.3.3. Температурная стабилизация масштабного коэффициента ДУС с ЦОС..................................................................................................................56

Выводы по главе 2.............................................................................................57

Глава 3. Разработка термоинвариантного измерителя линейного ускорения с цифровой обратной связью..................................................................................58

3.1. Конструкция и принцип действия кварцевого маятникового акселерометра.....................................................................................................58

3.2. Математическая модель кварцевого маятникового акселерометра......66

3.3. Аппаратная система компенсации температурных погрешностей в блоке измерения кажущегося ускорения........................................................67

3.3.1. Факторы, влияющие на стабильность и линейность масштабного коэффициента измерительного канала прибора.........................................68

3.3.2. Методика аппаратного обеспечения температурной компенсации в блоке измерителей кажущегося ускорения КК «Союз-ТМА»..................71

3.4. Алгоритм работы цифрового усилителя обратной связи кварцевого маятникового акселерометра при ЦАП преобразовании тока управления датчиком момента..............................................................................................80

3.5. Кварцевый маятниковый акселерометр с цифровым усилителем обратной связи с ШИМ-преобразователем.....................................................84

3.5.1. Принцип действия акселерометра с цифровым усилителем обратной связи с ШИМ-преобразователем.................................................85

3.5.2. Работа ШИМ-преобразователя в системе цифровой обратной связи кварцевого маятникового акселерометра....................................................88

3.5.3. Требования к алгоритму формирования широтно- модулированных импульсов........................................................................................................93

3.5.4. Алгоритм работы и программно-математическое обеспечение ЦУОС...............................................................................................................94

3.6. Методика алгоритмической компенсации температурных

погрешностей акселерометра с ЦУОС..........................................................100

Выводы по главе 3...........................................................................................102

Глава 4. Обобщенный цифровой регулятор для инерциальных измерителей и расширение диапазона измерения прецизионного акселерометра с ШИМ-управлением.........................................................................................................103

4.1. Обобщенный цифровой регулятор с широтно-импульсным управлением для измерителей угловых скоростей и кажущихся ускорений..........................................................................................................103

4.1.1. Описание обобщенного цифрового усилителя обратной связи инерциального чувствительного элемента................................................104

4.1.2. Дискретная модель совокупного объекта управления...................107

4.1.3. Определение передаточной функции дискретного регулятора .... 108

4.2. Результаты математического моделирования.......................................112

4.3. Компенсация погрешности масштабного коэффициента прецизионного акселерометра с ШИМ-управлением в диапазоне измеряемых ускорений свыше 20 g........................................................................................................116

4.4. Обобщённый алгоритм разработки измерителя угловой скорости и кажущегося ускорения с универсальным цифровым усилителем обратной

связи..................................................................................................................123

Выводы по главе 4...........................................................................................126

Глава 5. Результаты экспериментальных исследований и лётных испытаний............................................................................................................127

5.1. Результаты испытаний измерителя угловых скоростей.......................127

5.2. Результаты испытаний блока измерителей линейного ускорения при различных температурах.................................................................................130

5.3. Результаты испытаний КМА с ЦУОС и ШИМ - управлением в составе прибора БИЛУ для СУ КК «Союз - ТМА»...................................................133

5.4. Температурная компенсация масштабного коэффициента в диапазоне измерения +50 g и смещения нулевого сигнала акселерометра с цифровым

усилителем обратной связи............................................................................141

5.5. Результаты экспериментальной проверки методик компенсации разбалансировки маятника кварцевого маятникового акселерометра на

ускорениях, больших 20 g...............................................................................146

Выводы по главе 5...........................................................................................147

Заключение.........................................................................................................148

Литература..........................................................................................................151

Приложения........................................................................................................165

Приложение 1. Результаты математического моделирования....................165

Приложение 2. Результаты экспериментальных исследований.................182

Приложение 3. Акты внедрения.....................................................................201

Принятые условные обозначения

АСУ - аналоговая система управления;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

БИНС - бесплатформенная инерциальная навигационная система;

БЧЭ - блок чувствительных элементов;

ДМ - датчик момента;

ДТ - датчик температуры;

ДУ - датчик угла;

ДУС - датчик угловой скорости;

ИУС - измеритель угловой скорости;

ИКУ - измеритель кажущегося ускорения;

ИЧЭ - инерциальный чувствительный элемент;

КК - космический корабль;

КМА - кварцевый маятниковый акселерометр;

ЛАЧХ - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика;

МК - микроконтроллер;

ОДГ - оптическая делительная головка;

ПО - производственное объединение;

ПУ - предварительный усилитель;

РН - ракетоноситель;

СУ - система управления;

УМ - усилитель мощности;

ФЧВ - фазочувствительный выпрямитель;

ФЧХ - фазочастотная характеристика;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ЦВ - цифровой вычислитель;

ЦСУ - цифровая система управления;

ЦУОС - цифровой усилитель обратной связи;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основы разработки безобогревных термоинвариантных измерителей угловых скоростей и кажущихся ускорений для систем управления ракетно-космическими объектами»

Введение

Базовым мировым направлением развития инерциальных систем управления летательных аппаратов является технология бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) [11, 19, 20, 21, 40, 75, 91]. Это направление определяет тенденции развития технологии инерциальных чувствительных элементов (ИЧЭ) - измерителей угловых скоростей и кажущихся линейных ускорений, т.к. ИЧЭ должны быть максимально адаптированы к условиям применения в бесплатформенной системе.

Блоки чувствительных элементов (БЧЭ) в БИНС современных ракетно-космических комплексов военного и гражданского назначения, ракетных комплексов оперативно-тактического назначения, средств ПВО, управляемых снарядов должны обладать:

- минимальными габаритно-массовыми характеристиками;

- минимальным энергопотреблением;

- временем готовности - единицы секунд;

- высокой надежностью (работа при трех отказах);

- высокой точностью измерения проекций вектора угловой скорости и проекций вектора кажущегося ускорения на измерительные оси БЧЭ в широком диапазоне измеряемых угловых скоростей и кажущихся ускорений.

Аналогичные требования предъявляются и к БЧЭ БИНС для космических объектов.

В работах российских и зарубежных учёных В.Д. Андреева, О.Н. Анучи-на, В.Н. Бранца, И.Б. Вайсганта, Г.И. Емельянцева, Е.А. Измайлова,

A.Ю. Ишлинского, А.В. Молчанова, Д.С. Пельпора, В.Г. Пешехонова,

B.Я. Распопова, Б.В. Раушенбаха, Е.Р. Рахтеенко, Е.Н. Токаря, И.П. Шмыглевского, Negri C., Labarre E., Lignon C.,Brunstein E., Salaun E. и других [2, 7, 11, 19, 20, 21, 24, 40, 41, 43, 44, 45, 75, 91, 94, 95, 133 ] дается обоснование изменения требований к ЧЭ в связи с их использованием в БИНС. При использовании ЧЭ в реальной платформе при каждом включении системы можно производить калибровку ЧЭ - горизонтирование, ориентацию осей

платформы путем гирокомпасирования. В БИНС используется «математическая» платформа, это исключает выполнение упомянутых процедур начальной выставки, при этом на погрешность начальной выставки будет оказывать влияние не только нестабильность дрейфа ЧЭ в запуске, но и нестабильность дрейфа от запуска к запуску, а также нестабильность масштабного коэффициента.

В платформенной системе [43, 44, 89, 90, 103] в режиме навигации гироскоп выполняет роль нуль-индикатора, поскольку имеется система стабилизации, которая парирует внешние возмущающие воздействия в динамическом диапазоне угловых скоростей объекта. Поэтому к ЧЭ платформенных систем не предъявляются требования к большому диапазону измерения угловых скоростей, а также высокие требования к стабильности масштабного коэффициента в большом диапазоне изменения угловых скоростей. В БИНС ЧЭ жестко связан с корпусом объекта, поэтому измеритель угловой скорости должен обеспечивать измерение угловых скоростей в большом диапазоне угловых скоростей объекта и обеспечивать стабильность масштабного коэффициента в этом расширенном диапазоне.

Платформенные системы в настоящее время применяются, в основном, в СУ ракетоносителей, однако, наметилась тенденция разработки БИНС для СУ этих объектов, для чего, естественно, нужны прецизионные ЧЭ. Отсюда следует, что к прецизионным ЧЭ для БИНС предъявляются новые требования, связанные с отмеченными выше особенностями применения чувствительных элементов. В настоящее время ракетные комплексы оперативно-тактического назначения, средств ПВО, управляемых снарядов также оснащаются БИНС, в которых могут использоваться измерители угловой скорости средней точности, параметры которых также должны быть адаптированы к требованиям технического задания, выдаваемого разработчиком подобных СУ.

Для измерителей угловых скоростей и линейных ускорений общей проблемой является обеспечение высоких точностных характеристик

при изменении температуры окружающей среды. Традиционным решением, используемым в платформенных системах, является введение в конструкцию системы термостабилизации.

В платформенных системах реализация системы термостатирования ЧЭ была возможна, поскольку допускались значительные габаритно-массовые характеристики гироскопических систем. К габаритно-массовым характеристикам блоков чувствительных элементов для БИНС предъявляются достаточно жесткие требования, что практически исключает использование прецизионной системы термостатирования.

Обеспечение времени готовности, не превышающего единицы секунд, также возможно только в случае исключения из конструкции системы термостабилизации первичных измерителей. К такому же требованию приводит необходимость снижения потребляемой мощности современными измерителями при обеспечении высоких точности и быстродействия [11, 75, 91].

В резервных системах, системах телеметрии, в системах контроля упругих колебаний корпуса ракеты в настоящее время используются, в основном, безобогревные поплавковые измерители угловой скорости средней точности, это уменьшает время готовности, но приводит (в силу зависимости от температуры параметров элементов) к существенной зависимости статической и динамических характеристик от температуры [87, 114, 115].

Использование таких безобогревных измерителей в резервных и телеметрических системах, очевидно, будет продолжаться, поэтому задача разработки методов и средств компенсации температурной зависимости параметров таких измерителей не утратит актуальности.

В связи с широким использованием бортовых вычислителей, без которых невозможна реализация БИНС, совершенно очевидна возможность введения алгоритмической компенсации температурных зависимостей параметров ЧЭ. Однако такое решение проблемы выдвигает жесткие требования к стабильности температурных коэффициентов указанных зависимостей.

При этом желательно алгоритмическую компенсацию осуществлять в самом ЧЭ, чтобы не загружать бортовой вычислитель.

Высокой точности измерения проекций вектора угловой скорости и проекций вектора кажущегося ускорения в широком диапазоне их изменения на летательных аппаратах соответствует следующая общая характеристика уровня требований к техническим характеристикам первичных измерителей угловой скорости и кажущегося ускорения - чувствительных элементов БЧЭ для современных систем управления [26, 32, 75, 91].

Для прецизионных измерителей угловой скорости - чувствительных элементов БЧЭ систем управления:

- случайный дрейф в запуске - (0,001 ^ 0,005) °/ч;

- случайный дрейф от запуска к запуску - (0,01 ^ 0,03) °/ч;

- погрешность и нестабильность масштабного коэффициента - не более 0,001%;

- динамический диапазон измерения - не менее 6 °/с;

- время готовности - единицы секунд;

- энергопотребление - единицы Вт.

Для измерителей угловой скорости средней точности, чувствительных элементов резервных систем, телеметрических систем:

- случайный дрейф в запуске - (0,1 ^ 0,36) °/ч;

- случайный дрейф от запуска к запуску - (0,8 ^ 1) °/ч;

- погрешность и нестабильность масштабного коэффициента - не более 0,1%;

- динамический диапазон измерения - (10 ^ 80) °/с;

- время готовности - единицы секунд;

- энергопотребление - единицы Вт.

Для измерителей кажущегося ускорения - чувствительных элементов БЧЭ:

- диапазон измерения - от ±10-3 до ±50 g в одном конструктивном исполнении;

- нестабильность масштабного коэффициента:

- от запуска к запуску - ±(0,015 ^ 0,02)%;

- в запуске - ±(0,003 - 0,005)%;

- нелинейность масштабного коэффициента - ±(0,015 ^ 0,02)%;

- систематическая составляющая смещения нуля - не более 10-3 g;

- случайная составляющая смещения нуля:

- от запуска к запуску - (10-5 ^ 10-4) g;

- в запуске - (10-6 ^ 10-5) g;

- температурный коэффициент систематической составляющей смещения нуля в диапазоне рабочих температур - не более 5-10-6 g/0C;

- температурный коэффициент масштабного коэффициента в диапазоне рабочих температур - не более 25-10-6 1/оС;

Диапазон рабочих температур для измерителей кажущегося ускорения, работающих в СУ космических объектов, составляет (0 ... +50)оС, в СУ объектов боевого назначения - (-60 ... +50)оС.

В работе [91] рассматривается целесообразность применения в качестве ЧЭ современных БИНС измерителей угловой скорости и линейного ускорения, построенных на различных физических принципах. В современной отечественной гироскопической технике получили развитие технологии изготовления волоконно-оптических гироскопов, лазерных гироскопов, начинается освоение микромеханических измерителей и волновых твердотельных гироскопов. Поплавковая технология хорошо освоена отечественной промышленностью и в ближайшие 10 лет следует ожидать продолжения ее использования в отечественных системах управления объектов различного назначения. В качестве измерителей линейного ускорения хорошо освоены кварцевые маятниковые акселерометры.

В последнее время технический прогресс в разработке процессорной техники привёл к резкому сокращению энергопотребления и габаритно -массовых характеристик микропроцессорных устройств, что позволяет при-

менять их в качестве вычислителей не только в системах управления (СУ) крупногабаритными объектами в авиационной, ракетно-космической и морской технике, но и в обратных связях (ОС) малогабаритных инерциальных чувствительных элементов.

Вместе с тем и аналоговые системы управления (АСУ) позволяют применить новые аппаратные методы стабилизации динамических характеристик ИУС и ИКУ в ранее разработанных СУ, модернизировать которые под цифровое управление, как правило, не всегда выгодно с экономической точки зрения. В этом случае разработчики гироскопических приборов идут по пути модернизации аналоговых усилителей ОС с применением новой элементной базы, которая также позволяет существенно улучшить точностные характеристики приборов с аналоговыми СУ и разработать новые схемотехнические решения, оставив без изменения систему управления в целом.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке новых схемотехнических решений построения безобогревных термоинвариантных измерителей угловых скоростей и кажущихся ускорений. В качестве примера рассмотрены кварцевый маятниковый акселерометр (КМА) с цифровой системой управления (ЦСУ) и поплавковый ИУС с АСУ и ЦСУ. Блоки с КМА разрабатываются для модернизации ЦСУ космического корабля (КК) «Союз-ТМА», измерители угловой скорости - для модернизации СУ первой ступенью ракетоносителя (РН) «Протон-М». В итоге работы даются рекомендации по синтезу универсального цифрового усилителя обратной связи (ЦУОС) с широтно-импульсным (ШИМ) управлением током датчика момента, который может быть применен и для других типов ИУС и ИКУ.

Целью работы является повышение точностных характеристик и расширение диапазона измерения безобогревных измерителей угловой скорости и кажущегося ускорения с обеспечением их инвариантности к температурным воздействиям за счет модернизации системы управления инерциального чувствительного элемента, а также разработка универсального цифрового уси-

лителя обратной связи для измерителей угловой скорости и кажущегося ускорения с ШИМ-управлением током датчика момента.

Комплекс задач, необходимый для выполнения поставленной цели, включает в себя:

• разработку схемотехнических решений безобогревных ИУС с аналоговой и цифровой и ИКУ - с цифровыми обратными связями;

• разработку математических моделей приборов и синтез регуляторов систем управления ИУС и ИКУ;

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

• оценку влияния температурных воздействий на точностные и динамические характеристики приборов;

• разработку методик и алгоритмов повышения точности измерения угловых скоростей и кажущихся ускорений разработанными приборами, соответственно;

• расширение диапазона измеряемых кажущихся ускорений до 50 g без потери точности по масштабному коэффициенту приборов.

Методы исследования применены теоретические и экспериментальные. В теоретическом исследовании использован аппарат теории автоматического управления, методы программирования и компьютерного моделирования. Экспериментальное исследование ИУС (прибор ПВ301М) и КМА (прибор КХ67-041М) с ЦУОС производилось на филиале ФГУП «НПЦ АП» - «ПО «Корпус». Результаты исследования прибора ПВ301М подтверждены лётными испытаниями в СУ первой ступенью РН «Протон-М», а КМА КХ67-041М - результатами натурных испытаний на центрифуге, а также результатами модернизации прибора БИЛУ для спускаемого аппарата космического корабля (КК) «Союз-ТМА».

Объектом исследования в диссертационной работе являются поплавковый ИУС с аналоговой и цифровой обратными связями и кварцевый маятни-

ковый акселерометр с ЦОС. Цифровые регуляторы, реализованные в процессорных модулях в виде программ, полученных на основе разработанных алгоритмов.

Предметом исследования являются основные методики расчета и проектирования термоинвариантных безобогревных ИУС и КМА, методики расчета цифровых регуляторов, в том числе, с ШИМ-управлением, исследования путей повышения точностных характеристик приборов в сравнении с имеющимися аналогами и расширения диапазона измерения ИКУ без потери точности.

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

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1) предложены два принципа построения термоинвариантных безобогрев-ных первичных измерителей для БИНС на примере поплавкового электромеханического ИУС и кварцевого маятникового акселерометра - аппаратный и алгоритмический, а также схемотехнические решения для их реализации;

2) сформулированы три условия обеспечения термоинвариантности характеристик безобогревного поплавкового измерителя угловой скорости;

3) разработаны математические модели термоинвариантных ИУС и КМА. Предложены методики обеспечения стабильных динамических характеристик приборов, инвариантных к температурным воздействиям;

4) предложены методики повышения точностных характеристик КМА по погрешности масштабного коэффициента и нулевого сигнала за счет алгоритмов компенсации погрешностей в цифровом усилителе ОС;

5) предложена универсальная структура ЦУОС с ШИМ-управлением током датчика момента, а также универсальные алгоритмы управления, позволяющие без изменения схемотехнических решений ЦУОС реализовать для безобогревных ИУС и ИКУ требуемые динамические характеристики, инвариантность к температурным воздействиям, а для ИКУ - и расширение диа-

пазона измерения до 50 g, без потери точности по погрешности масштабного коэффициента.

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

1) повысить стабильность масштабного коэффициента и динамических характеристик ДУС КХ79-060 и акселерометра КХ67-041 разработки филиала ФГУП «НПЦАП» - «ПО «Корпус» (г. Саратов), снизив их зависимость от температурных воздействий;

2) снизить энергопотребление в акселерометре КХ67-041 за счет применения цифровой обратной связи и исключения целого ряда аналоговых компонентов, а в приборе ПВ301М - за счёт применения современной элементной базы;

3) исключить из усилителей обратной связи ИУС и ИКУ импортные ЭРИ, снизив, тем самым, их себестоимость и обеспечив решение проблемы им-портозамещения;

4) расширить диапазон измерения КМА с 10 g до 50 g за счет применения ЦУОС и разработанных алгоритмов, а также обеспечить возможность изменения диапазона измерения и динамических свойств акселерометра путем перепрограммирования вычислителя ЦУОС.

На защиту выносятся:

1) аппаратный и алгоритмический способы построения схемотехнических решений кварцевых маятниковых акселерометров и поплавковых ИУС с обеспечением термоинвариантности их статических и динамических характеристик;

2) три условия обеспечения термоинвариантности характеристик безобо-гревного поплавкового измерителя угловой скорости;

3) математические модели и новые алгоритмы управления в корректирующих контурах приборов с обеспечением термоинвариантности динамических характеристик ИУС и акселерометров;

4) универсальная структура ЦУОС с ШИМ - управлением током датчика момента, а также универсальные алгоритмы управления, позволяющие без изменения схемотехнических решений ЦУОС реализовать для безобогрев-ных ИУС и ИКУ требуемые динамические характеристики, инвариантность к температурным воздействиям, а для ИКУ - расширение диапазона измерения до 50 g, без потери точности по погрешности масштабного коэффициента и смещения нулевого сигнала.

Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на семи Международных конференциях, в том числе на 21-23 Санкт-Петербургских Международных конференциях по интегрированным навигационным системам в ЦНИИ «Электроприбор» в 2014-2016 годах и двух конференциях молодых ученых.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК РФ, в том числе 1 статья без соавторов и 4 патента РФ на изобретения.

Личный вклад автора в этих работах состоит в разработке схемотехнических решений построения усилителей обратной связи в ДУС КХ79-060 и КМА КХ67-041М; формировании математических моделей ИУС и КМА; синтезе их регуляторов; анализе синтезированных систем; разработке программно-математического обеспечения; разработке алгоритмов и методик повышения точностных характеристик приборов; проведении экспериментальных исследований.

Использование результатов. Результаты, полученные в диссертационной работе, были использованы на филиале ФГУП «НПЦ АП» - «ПО «Корпус». Предложенные технические решения внедрены в измерителе угловой скорости ПВ301М с инерциальным чувствительным элементом ДУС КХ79-060 в СУ первой ступени РН «Протон-М». На сегодняшний день на ПО «Корпус» изготовлено 150 приборов, осуществлены практические пуски 7 ракет с 6 приборами в каждой. Экономический эффект составил более 200 миллионов рублей.

Предложенные технические решения внедрены в модернизированный шестиосный измеритель кажущихся ускорений БИЛУ КХ69-042М для КК «Союз-ТМА» путем замены акселерометра КХ67-041 с аналоговой обратной связью на акселерометр с цифровой и широтно-импульсным управлением током датчика момента (работы выполняются по Госконтракту Роскосмоса с ПАО «РКК «Энергия» на СЧ ОКР «Развертывание» от 11.12.2015 № 3518644/15/326).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка источников, включающего 134 наименования, и трех приложений. Объем пояснительной записки составляет 150 страниц, общий объем со списком источников и приложениями - 206 страниц; в работе имеется 69 рисунков, 2 фото и 15 таблиц.

Глава 1. Состояние проблемы в настоящее время. Обзор методов температурной компенсации погрешностей инерциальных чувствительных элементов БИНС и синтеза цифровых систем

управления

В первой главе анализируется состояние проблемы в настоящее время на примере компенсации температурных погрешностей в безобогревных поплавковых датчиках угловой скорости и кварцевых маятниковых акселерометрах. Анализируются достоинства и недостатки существующих методов аппаратной компенсации температурных погрешностей измерителей угловых скоростей и кажущихся ускорений, а также обосновываются цели и задачи исследований в рамках диссертационной работы.

В настоящее время отечественной промышленностью освоены технологии изготовления

1) инерциальных измерителей угловой скорости: поплавковых, лазерных, волоконно-оптических, микромеханических;

2) инерциальных измерителей кажущегося линейного ускорения (акселерометров): поплавковых маятниковых, струнных, маятниковых кварцевых и кремниевых.

1.1. Компенсация температурных погрешностей измерителей

угловых скоростей

Проблема разработки и обеспечения термоинвариантности гироскопических приборов с 1960-х годов отражена в трудах российских и зарубежных учёных, таких как К.П. Андрейченко, У. Денхарда, В.Э. Джашитова, Е.А. Измайлова, Д.М. Калихмана, Л.И. Каргу, С.Ф. Коновалова, Д.П. Лукьянова, Е.А. Никитина, В.М. Панкратова, Д.С. Пельпора, П.К. Плотникова, Ю.Н. Прядилова, В.И. Решетникова, С.С. Ривкина, У. Ригли, Г.А. Сломян-ского, Ю.В. Филатова, У. Холлистера и ряда других авторов [8, 9, 26, 31, 32, 58, 66, 73, 75, 77, 78, 92, 96, 97, 118]. Как правило, данные проблемы решаются введением термостабилизации путём обогрева инерциального чувстви-

тельного элемента или блока приборов в целом [26, 32]. Однако, как было отмечено ранее, применение указанного способа ведёт к резкому увеличению потребляемой мощности и габаритно-массовых характеристик приборов.

Прецизионные поплавковые измерители угловой скорости прекрасно зарекомендовали себя в качестве чувствительных элементов платформенных систем, используемых в системах управления ракет стратегического назначения и первых ступеней ракетоносителей космических аппаратов, широко используются в БИНС систем управления космических пилотируемых кораблей. Прецизионные поплавковые гироскопы требуют термостабилизации, чему соответствует значительное время готовности. В НИИПМ им. академика В.И. Кузнецова в 1985-2002 г.г. под руководством д.т.н. Решетникова В.И. был разработан целый ряд гироблоков для платформенных систем и бесплатформенных инерциальных блоков (БИБ), обеспечивающих высокие точностные характеристики, в том числе за счет использования систем термо-статирования [26, 32]. Основные точностные характеристики приборов представлены в табл. 1.1.

Табл. 1.1

Технические характеристики прецизионных поплавковых гироскопических приборов разработки НИИПМ им. академика Н.И. Кузнецова

Характеристика гироблока в БИБ КИ 34-2А 1985г. КИНД 34-020, 1997г. КИНД 34-027, 1999г. КИНМ 34-001, 1999г. КИНМ 34-002, 1999г. КИНД 34-011, 2002г. КИНД 34-02701

Диапазон, °/с 3 4 4 3 6 6 4

Масштабный коэффициент (дискретность), угл.сек 2,2 0,036 0,04 0,3 0,07 0,008 0,04

Стабильность масштабного коэффициента, % 0,03 0,005 0,005 0,03 0,01 0,02 0,005

Стабильность нулевого сигнала, °/ч 0,03 0,003 0,003 0,01 0,01 0,01 0,003

В платформах и БИБ разработки НИИПМ гироблоки через специальные теплоразвязывающие кронштейны вместе с электронными устройствами, также требующими термостабильной среды, установлены на термостатируе-мое основание, которое от остальной конструкции ограждено тепловой изоляцией в виде зеркального экрана и стоек, изготовленных из титанового сплава. Регулируемый теплосток на корпус осуществляется с помощью твердотельных охладителей, которые создают внешний контур термостабилизации прибора.

Собственные системы термостабилизации гироблоков выполнены по схеме нагревного варианта и образуют внутренний контур термостатирова-ния каждого гироблока. Суммарный коэффициент качества стабилизации температуры гироблока за счет работы обоих контуров в итоге составляет 0,003^0,005, чему соответствует ослабление влияния изменения температуры внешней среды на работу гироблоков более чем в 200 раз. Это характеризует степень зависимости от изменения температуры внешней среды точностных характеристик поплавковых измерителей угловой скорости и важность проблемы разработки методов обеспечения термоинвариантности характеристик без использования энергоемких систем термостатирования.

Высокие точностные характеристики гироблоков в платформенных системах разработки ФГУП «НПЦАП им. академика Н.А. Пилюгина» обеспечиваются также с использованием системы термостатирования гироблоков.

Безобогревные электромеханические поплавковые датчики угловых скоростей (ДУС) получили большое распространение в качестве измерителей угловых скоростей объектов ракетно-космической техники, при этом они используются как в качестве одноканальных измерителей, так и в качестве чувствительных элементов блоков измерителей угловых скоростей. Датчики угловых скоростей безобогревного исполнения применяются, как правило, для решения задач, допускающих использование измерителей угловой скорости средней точности [8, 31, 43, 58, 66, 77, 78, 87, 89, 90, 92, 103].

К таким измерителям относятся измерители угловой скорости, используемые в системах управления ракетно-космических объектов в качестве резервных систем, заменяющих прецизионную систему управления, рассчитанную на высокоточное измерение угловых скоростей в малых диапазонах (не более 3^4 °/с) и обеспечивающих измерение угловых скоростей в диапазоне не менее 10°/с в случае возникновения в эксплуатации особых условий; в системах успокоения колебаний объектов, в системах измерения упругих колебаний корпуса ракеты, в телеметрических системах.

Диапазон измеряемых угловых скоростей для измерителей средней точности составляет 10^36 °/с.

Нерешенной проблемой таких датчиков угловой скорости средней точности является зависимость от температуры статической характеристики (масштабного коэффициента) вследствие изменения характеристик магнитопро-вода и омического сопротивления обмотки датчика момента, и динамических характеристик прибора - АЧХ и ФЧХ - вследствие изменения динамической вязкости поддерживающей жидкости при изменении температуры в рабочем диапазоне, характерном для таких гироскопических приборов (0 ... +50)°С.

Для телеметрических измерителей угловой скорости (например, для приборов серии КХ79-043, КХ79-044 ... КХ79-052 разработки ПО «Корпус» -всего десять измерителей, отличающихся диапазоном измерения от 6°/с, 18°/с до 1500°/с), погрешности масштабного коэффициента (в процентах) и динамических характеристик - для АЧХ в процентах, для ФЧХ - в градусах фазового запаздывания - задаются в технических условиях в виде таблиц значений погрешностей. Эти погрешности учитываются системой управления при анализе результатов телеметрических измерений. Такая процедура возможна, если телеметрическая информация предназначена для послеполетного анализа при отработке изделий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Скоробогатов, Вячеслав Владимирович, 2017 год

Литература

1. Luenberger D.G. On introduction to observers // IEEE Trans. Autom. Contr. 1971. V. AC-16.

2. Negri C., Labarre E., Lignon C.,Brunstein E.,Salaun E. A new generation of IRS with innovative architecture based on HRG on satellite launch vehicles // Proceedings of the 22th S-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. S-Pb.: 2015. Р. 298-306.

3. Patent 0336151 Korea. Compensation pendulous accelerometer / V.M. Prokofiev, S.F. Konovalov, Jae-Beom Seo et al. 24.04.2002.

4. Patent 6422076 USA. Compensation pendulous accelerometer / V.M. Prokofiev, S.F. Konovalov, Jae-Beom Seo et al. 23.072002. No 09/598386.

5. Александров А.Г. Методы построения систем автоматического управления. М.: Физматлит, 2008. 230 с.

6. Аналого-цифровое преобразование / Под ред. Уолта Кестера (пер. с англ.). М.: Техносфера, 2007. 1015 с.

7. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. М.: Наука, 1966. 579 с.

8. Андрейченко К.П. Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров. М.: Машиностроение, 1987. 128 с.

9. Андрейченко К.П., Андрейченко Д.К., Калихман Д.М. Температурная погрешность кварцевого акселерометра // Гироскопия и навигация. 1999. №2. С. 18-30.

10. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB 5 и Scilab. Спб.: Наука, 2001. 286 с.

11. Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. СПб: Электроприбор, 1999. 356 с.

12. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1973. 631 с.

13. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974. 463 с.

14. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. М.: Наука, 19591960. Т.1. 464 с.; Т.2. 620 с.

15. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1970. 575 с.

16. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 767 с.

17. Бесекерский В.А., Небылов А.В. Робастные системы автоматического управления. - М.: Наука, 1983. 240 с.

18. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1969. 408 с.

19. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. М.: Наука, 1992.

20. Бранец В.Н. Лекции по теории бесплатформенных инерциальных навигационных систем. М.: МФТИ, 2009.

21. Бранец В.Н., Севастьянов Н.Н., Федулов Р.В. Лекции по теории систем ориентации, управления движением и навигации. Томск: Изд-во Томского университета, 2013. 309 с.

22. Брайсон Ч., Хо Ю-Ши. Прикладная теория оптимального управления - М.: Мир, 1972. 544 с.

23. Берендс Д.А., Кукулиев Р.М., Филиппов К.К. Приборы и системы автоматического управления с широтно - импульсной модуляцией. - Л.: Машиностроение, 1982. 280 с.

24. Вайсгант И.Б. и др. Инерциальные навигационные системы морских объектов. Л.: Судостроение, 1989. 183 с.

25. Власов В.Ф., Небылов А.В., Пономарев В.К., Тимофеев К.Н. Исследование цифровых автоматических систем. Спб: Изд-во Санкт- Петербургского технического университета, 1996. 191 с.

26. Волынцев А.А. и др. Опыт создания высокоточных поплавковых ги-роприборов, применяемых в системах угловой ориентации и стабилизации космических аппаратов и станций // Х Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2003. С. 226-234.

27. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике - М.: Энергоатомиздат, 1987. 320 с.

28. Годунов С.К., Рябенький В.С. Разностные схемы. Введение в теорию. М.: Наука, 1973. 400 с.

29. ГОСТ 17809-72. Материалы магнитотвердые литые. Марки. М.: ИПК Издательство стандартов, 1972. 5 с.

30. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1966. 664 с.

31. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Датчики, приборы и системы авиакосмического и морского приборостроения в условиях тепловых воздействий. Спб: Изд-во ГНЦ ЦНИИ «Электроприбор», 2005. 403 с.

32. Доронин В.П., Мезенцев А.П., Новиков Л.З., Решетников В.И., Глыбин И.Г., Неаполитанский А.С. Гироскопические чувствительные элементы для систем управления ориентацией и стабилизации орбитальных космических аппаратов // 8 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2001. С. 17-30.

33. Дроздов Н.В., Мирошник И.В., Скорубский И.В. Системы автоматического управления с микро ЭВМ. Л.: Машиностроение, 1989. 284 с.

34. Дьяконов В.П. МаНаЬ 6.5 БР1/7 + БтиПпк 5/6®. Основы применения. Серия «Библиотека профессионала». М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 800 с.

35. Журавлёв В.Ф. Основы теоретической механики. М.: Наука, 1997. 320 с.

36. Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики: Учебник для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. 432 с.

37. Иванов В.А., Ющенко А.С. Теория дискретных систем автоматического управления. М.: Наука, 1983. 335 с.

38. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. М.: Машиностроение, 1978. 736 с.

39. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 541 с.

40. Измайлов Е.А. Современные тенденции развития технологий инерциальных чувствительных элементов и систем летательных аппаратов. М.: Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. №1, 2010. С. 30-43.

41. Измайлов Е.А., Лепе С.Н., Молчанов А.В., Поликовский Е.Ф. Скалярный способ калибровки и балансировки бесплатформенных инерциаль-ных навигационных систем //15 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2008. С. 145-154.

42. Ильинский В.С. Защита аппаратов от динамических воздействий. М.: Энергия, 1970. 320 с.

43. Ишлинский А.Ю. Механика гироскопических систем. М.: АН СССР, 1963. 482 с.

44. Ишлинский А.Ю. Механика относительного движения и силы инерции. М.: Наука, 1981. 191 с.

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

46. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. М.: Радио и связь, 1988. 368 с.

47. Калихман Д.М., Калдымов Н.А., Полушкин А.В., Чеботарев-ский В.Ю. Калибровка масштабного коэффициента кварцевого маятникового акселерометра. Методические указания к учебно-исследовательской лабора-

торной работе по курсу «Инерциальные и комплексные навигационные системы». Саратов: Изд-во СГТУ, 2004. 33 с.

48. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Ермаков Р.В., Акмаев А.А., Полуш-кин А.В., Нахов С.Ф. Кварцевый маятниковый акселерометр линейных ускорений с модулем алгоритмической компенсации температурной зависимости его параметров // 12 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2005. С. 236-241.

49. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Калдымов Н.А., Нахов С.Ф. Блок измерителей линейных ускорений с прецизионными кварцевыми акселерометрами в качестве чувствительных элементов // 9 Санкт-Петербургская международная конференция по инерциальным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2002. С. 216-220.

50. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Калдымов Н.А., Полушкин А.В., Нахов С.Ф. Проблемы использования прецизионных кварцевых измерителей кажущихся ускорений в современных инерциальных навигационных системах управления // 11 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2004. С. 157-163.

51. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Калдымов Н.А., Полушкин А.В., Нахов С.Ф. Методика и устройства для экспериментального определения динамических характеристик акселерометров линейных ускорений // 12 Санкт -Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2005. С. 242-244.

52. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Полушкин А.В., Ломов В.А., На-хов С.Ф. Методика аттестации блока измерения линейного ускорения с неортогональной ориентацией осей чувствительности шести кварцевых маятниковых акселерометров и методика аттестации рабочих мест для контроля блоков и акселерометров // Материалы международной конференции «Датчики и системы - 2005». Пенза: Изд-во ФНПЦ ФГУП «НИИФИ», 2005. С. 80.

53. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Полушкин А.В., Нахов С.Ф., Бра-нец В.М., Рыжков В.Н., Дибров Д.Н. Методика аттестации блока измерения линейного ускорения с неортогональной ориентацией осей чувствительности шести кварцевых маятниковых акселерометров и методика аттестации рабочих мест для контроля блока и акселерометров // 13 Санкт-Петербургская международная конференция по инерциальным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2006.

54. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Полушкин А.В., Нахов С.Ф., Бра-нец В.М., Рыжков В.Н., Дибров Д.Н. Измеритель вектора кажущегося линейного ускорения - прибор БИЛУ КХ69-042 для СУ спускаемого аппарата корабля «Союз-ТМА» // 13 Санкт-Петербургская международная конференция по инерциальным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2006. С. 253-263.

55. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Полушкин А.В., Поздняков В.М., Седышев В.А., Нахов С.Ф. Проблема обеспечения линейности и стабильности масштабного коэффициента блока измерения линейного ускорения, построенного на кварцевых маятниковых акселерометрах и преобразователях «напряжение-частота» // Материалы международной конференции «Датчики и системы - 2005». Пенза: Изд-во ФНПЦ ФГУП «НИИФИ», 2005. С. 37-38.

56. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Садомцев Ю.В., Депутатова Е.А., Туркин В.А., Нахов С.Ф., Никифоров В.М., Чайковский М.М. Принципы разработки цифровых помехоустойчивых регуляторов каналов измерения угловой скорости и кажущегося ускорения в современных БИНС и программно -математического обеспечения для их контроля // 20 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2013. С. 285-291.

57. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Садомцев Ю.В., Полушкин А.В., Ермаков Р.В., Нахов С.Ф., Чеботаревский В.Ю. Применение микропроцессоров в схемотехнических решениях прецизионных кварцевых маятниковых акселерометров // 15 Санкт-Петербургская международная конференция по

интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2008. С. 173-176.

58. Каргу Л.И. Гироскопические приборы и системы. Л.: Судостроение, 1988. 235 с.

59. Квакернак Х., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. М.: Мир, 1977. 650 с.

60. Коновалов С.Ф. Теория виброустойчивости акселерометров. М.: Машиностроение, 1991. 269 с.

61. Коновалов С.Ф., Seo J.B. Причины неравномерного распределения магнитной индукции в зазорах компенсационных датчиков акселерометров типа Q-flex // Гироскопия и навигация. №2, 2009. С. 72-79.

62. Коновалов С.Ф., Seo J.B. Распределение магнитного поля в кольцевом зазоре моментного датчика акселерометра типа Q-flex: Тезисы доклада XXVI конференция памяти Н.Н. Острякова // Гироскопия и навигация. №4, 2008. С. 67.

63. Коновалов С.Ф., Коновченко А.А., Межирицкий Е.Л. Компенсационный «Si-flex» акселерометр для измерения больших ускорений // 12 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2005. С. 204-209.

64. Коновалов С.Ф., Полынков А.В., Трунов А.А., Дж. Б. Сео, Х.К. Мун Исследование работоспособности акселерометров при больших линейных ускорениях, вибрационных и ударных воздействиях без применения центрифуг, вибрационных и ударных испытательных стендов // 14 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2007. С. 126-134.

65. Коновалов С.Ф., Кутаков В.В. Автоматизированная система контроля для испытания акселерометров и гироскопов в компенсационном режиме. М.: Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. № 4, 1991. С. 63-80.

66. Коновалов С.Ф., Никитин Е.А., Селиванова Л.М. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. 4.III. Акселерометры,

датчики угловой скорости, интегрирующие гироскопы и гироинтеграторы: Учебное пособие / Под ред. Д.С. Пельпора. М.: Высшая школа, 1980. 128 с.

67. Коновалов С.Ф., Полынков А.В., Сео Дж.Б. и др. Опыт разработки малошумящего акселерометра // Доклады VII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2000. С. 72-79.

68. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1978. 832 с.

69. Кузовков Н.Т. Теория автоматического регулирования, основанная на частотных методах. М.: Оборонгиз, 1960. 446 с.

70. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1986. 446 с.

71. Куропаткин П.В. Теория автоматического управления. М.: Высшая школа, 1973. 528 с.

72. Куропаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высшая школа, 1980. 287 с.

73. Лукьянов Д.П., Распопов В.Я., Филатов Ю.В. Прикладная теория гироскопов. Спб: Изд-во ГНЦ ЦНИИ «Электроприбор», 2015. 315 с.

74. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989. 608 с.

75. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.

76. Мельников В.Е. Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла. М.: Машиностроение, 1984. 160 с.

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

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

79. Новожилов О.П. Основы микропроцессорной техники в 2-х кн. М.: РадиоСофт, 2014. Кн.1 - 431 с., кн.2 - 333 с.

80. Новый политехнический словарь / Гл. ред. А.Ю. Ишлинский. М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. 671 с.

81. Острём К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ. М.: Мир, 1987. 480 с.

82. Патент 104320 РФ. Акселерометр / С.Г. Кан, Е.А. Измайлов,

A.В. Молчанов, Ю.К. Савельев. Опубл. 15.11.2010.

83. Патент 2155964 РФ. Компенсационный маятниковый акселерометр /

B.М. Прокофьев, С.Ф. Коновалов, Дже-Бом Сео и др. Опубл. 23.06.1999. Бюл. № 25.

84. Патент 2528119 РФ. Термоинвариантный блок измерителей линейного ускорения с маятниковыми акселерометрами компенсационного измерения Q-Flex в качестве инерциальных чувствительных элементов и преобразователями информации «напряжение-частота» / Л.Я. Калихман, Д.М. Калихман, С.Ф. Нахов, В.М. Поздняков, Ю.С. Чурилин, В.С. Рыжков, Р.М. Самитов. Опубл. 10.09.2014. Бюл. № 25.

85. Патент 2533750 РФ. Способ измерения динамических характеристик кварцевого маятникового акселерометра / В.В. Скоробогатов, В.А. Седышев, В.И. Гребенников, Е.А. Депутатова и др. Опубл. 20.11.2014. Бюл. № 32.

86. Патент 2533752 РФ. Способ определения параметров прецизионного кварцевого акселерометра / В.В. Скоробогатов, В.А. Седышев, В.И. Гребенников, Е.А. Депутатова и др. Опубл. 20.11.2014. Бюл. № 32.

87. Патент 2548377 РФ. Безобогревной термоинвариантный электромеханический поплавковый измеритель угловой скорости / В.В. Скоробогатов, Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, В.И. Гребенников, С.Ф. Нахов, В.М. Поздняков, А.И. Сапожников, Е.Л. Межирицкий, В.В. Морозов, С.Н. Журавенков. Опубл. 20.04.2015. Бюл. № 11.

88. Патент 2615221 РФ. Способ обеспечения виброустойчивости маятникового акселерометра линейных ускорений с цифровой обратной связью и

виброустойчивый маятниковый акселерометр / В.В. Скоробогатов, Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, В.И. Гребенников, С.Ф. Нахов, Е.С. Смирнов. Опубл. 04.04.2017. Бюл. № 10.

89. Пельпор Д.С. Гироскопические системы. В 3 т. М.: Высшая школа, 1986.

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

91. Пешехонов В.Г. Современная автономная навигация. Проблемы и перспективы // Механика и навигация. СПб., 1999. 13 с.

92. Плотников П.К. Измерительные гироскопические системы. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1976. 167 с.

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

94. Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов. М.: Наука, 1974.

95. Рахтеенко Е.Р. Гироскопические системы ориентации. М.: Машино-строение,1989. 232 с.

96. Ривкин С.С. Статистический синтез гироскопических устройств. Л.: Судостроение, 1970. 422 с.

97. Ригли У., Холлистер У., Денхард У. Теория, проектирование и испытания гироскопов. М.: Мир, 1972. 372 с.

98. Садомцев Ю.В. Конструирование систем управления с обратной связью по критериям точности и грубости. Саратов: СГТУ, 2003. 297 с.

99. Садомцев Ю.В. Оценивание и фильтрация в задачах управления: учебное пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2015. 120 с.

100. Свешников А.Г., Тихонов А.Н. Теория функций комплексной переменной. М.: Наука, 1979. 319 с.

101. Сео Дже Бом. Оптимизация параметров и моделирование рабочих режимов в компенсационных акселерометрах типа Q-flex и Si-flex / Авторе-

ферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 2012. 16 с.

102. Синельников А.Е. Низкочастотные линейные акселерометры. Методы и средства проверки и градуировки. М.: Издательство стандартов, 1979. 175 с.

103. Скарборо Дж.Б. Гироскоп. Теория и применение. Пер. с англ. М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. 247 с.

104. Скоробогатов В.В. Проблемы разработки широкодиапазонного кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью и пути их решения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10 / под научной ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 17-29.

105. Скоробогатов В.В., Калихман Д.М., Депутатова Е.А., Нахов С.Ф. Обобщенная концепция построения цифровых систем управления стендами с инерциальными чувствительными элементами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10 / под научной ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 91-103.

106. Скоробогатов В.В., Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Нахов С.Ф., Поздняков В.М., Гребенников В.И., Депутатова Е.А. Проблемы разработки современных блоков электромеханических измерителей угловой скорости и кварцевых маятниковых акселерометров для объектов ракетно-космической техники. История и перспективы развития // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10 / под научной ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 311-325.

107. Скоробогатов В.В., Гребенников В.И., Депутатова Е.А., Калихман Д.М., Садомцев Ю.В. Результаты разработки акселерометра с цифровой обратной связью // Сборник трудов II Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации». Саратов: Райт-Экспо, 2012. С. 9-13.

108. Скоробогатов В.В., Депутатова Е.А., Гнусарёв Д.С. Кварцевый маятниковый акселерометр с цифровой системой управления // Итоги диссертационных исследований. Том 4. Материалы V Всероссийского конкурса молодых ученых. М.: РАН, 2013. С. 76-85.

109. Скоробогатов В.В., Депутатова Е.А., Калихман Д.М., Садом-цев Ю.В. Цифровые системы управления прецизионными стендами с инер-циальными чувствительными элементами для контроля гироскопических приборов // Сборник трудов III Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации». Саратов: Райт-Экспо, 2013. Т. 1. С. 230-246.

110. Скоробогатов В.В., Калихман Д.М., Гребенников В.И., Калихман Л.Я., Нахов С.Ф., Сапожников А.И., Смирнов Е.С. Виброустойчивый маятниковый акселерометр линейных ускорений с цифровой обратной связью // 22 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2015. С. 368-376.

111. Скоробогатов В.В., Калихман Д.М., Гребенников В.И., Калихман Л.Я., Нахов С.Ф., Ермаков Р.В. Результаты экспериментальной отработки термоивариантного кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью и перепрограммируемым диапазоном измерения // 23 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2016. С. 139-157.

112. Скоробогатов В.В., Калихман Д.М., Гребенников В.И., Калихман Л.Я., Николаенко А.Ю., Гнусарев Д.С., Чибирев А.В. Виброустойчивость кварцевых маятниковых акселерометров с цифровой обратной связью // Материалы IV Междунар. науч. конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации (У0ПИ-2015)». Саратов: Изд-во СГТУ, 2015.

113. Скоробогатов В.В., Калихман Д.М., Депутатова Е.А. Прецизионный широкодиапазонный кварцевый маятниковый акселерометр // XXIV Между-

народная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях». Саратов: СГТУ, 2011. С. 8-12.

114. Скоробогатов В.В., Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Гребенников В.И., Поздняков В.М., Солозобов В.И., Туркин В.А., Рачков А.Г., Нахов С.Ф. Разработка модернизированного прибора ПВ-301М // Международная научно-техническая конференция РАН «Системы и комплексы автоматического управления летательных аппаратов», посвящённая 105-летию со дня рождения академика Н.А. Пилюгина. М: 2013.

115. Скоробогатов В.В., Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Гребенников В.И., Поздняков В.М., Нахов С.Ф., Межирицкий Е.Л., Сапожников А.И., Смирнов Е.С. Термоинвариантные измерители угловой скорости и кажущегося ускорения // 21 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2014. С. 203-219.

116. Скоробогатов В.В., Калихман Д.М., Садомцев Ю.В., Депутато-ва Е.А. Цифровые системы управления прецизионными стендами с инерци-альными чувствительными элементами для контроля гироскопических приборов // Проблемы управления, обработки и передачи информации «АТМ-2013». Сборник трудов III международной науч. конференции. Саратов: 2013.

117. Скоробогатов В.В., Калихман Д.М., Садомцев Ю.В., Депутато-ва Е.А., Гребенников В.И. Результаты разработки акселерометра с цифровой обратной связью // II Междунар. научная конференция «Проблемы управления, обработки и передачи информации». Т. 2. Саратов: СГТУ, 2011. С. 9-13.

118. Сломянский Г.А., Прядилов Ю.Н. Поплавковые гироскопы и их применение. М.: Оборонгиз, 1958. 244 с.

119. Солодовников В.В. и др. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985. 536 с.

120. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. М.: Мир, 1985. 272 с.

121. Теория автоматического управления / Под ред. В.Б.Яковлева. М.: Высшая школа, 2003.

122. Теория автоматического управления в 2-х томах / Под ред. А.А. Воронова. М.: Высшая школа, 1986. Т.1 - 368 с., т.2 - 504 с.

123. Технические характеристики акселерометров фирмы Honeywell: [сайт]. URL: http://www.AllDataSheet.com (дата обращения: 06.12.2016).

124. Технические характеристики акселерометров фирмы Sagem (Safran): [сайт]. URL: http://www.Sagem.com (дата обращения: 06.12.2016).

125. Технические характеристики акселерометров фирмы InnaLabs: [сайт]. URL: http://www.InnaLabs.com (дата обращения: 06.12.2016).

126. Технические характеристики акселерометра ОАО «МИЭА»: [сайт]. URL: http://www.utyos.ru (дата обращения: 06.12.2016).

127. Технические характеристики акселерометра ПО «Корпус»: [сайт]. URL: http://www.korpus64.ru (дата обращения: 06.12.2016).

128. Федоров С.М., Литвинов А.П. Автоматические системы с цифровыми управляющими машинами. М., Ленинград: «Энергия», 1965.

129. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. 615 с.

130. Цейтлин Я.М. Проектирование оптимальных линейных систем. Л.: Машиностроение, 1973. 240 с.

131. Цыпкин Я.З. Теория импульсных систем. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1958. 722 с.

132. Цыпкин Я.З. Основы информационной теории идентификации. М.: Наука, 1984. 320 с.

133. Чесноков Г.И. и др, Политковский Е.Ф., Молчанов А.В., Кремер В.И. Некоторые пути улучшения тактико-технических характеристик бесплатформенных инерциальных навигационных систем // 10 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2003. С. 155-164.

134. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1965. 848 с.

Приложения

Приложение 1. Результаты математического моделирования

с_1

К_ут2

Рис. п1.1. Структурная схема математической модели акселерометра с ЦУОС с дискретным регулятором, рассчитанным методом желаемых ЛАЧХ, реализованная в среде 81шиНпк программного комплекса МайаЬ

^_ути

Рис. п1.2. Структурная схема математической модели акселерометра с ЦУОС с дискретным регулятором, рассчитанным методом ¿ОО-оптимизации, реализованная в среде 81шиНпк программного комплекса МайаЬ

„„0 ,_1 „„2 „„3

10 10 10 10

Frequency (Hz)

Рис. п1.3. ЛАЧХ и ФЧХ разомкнутых систем акселерометра с ЦУОС при различных значениях коэффициентов дискретного регулятора

2 1.8 1.6 1.4

18 1.2 ^a

<u

-о 1

ся

го 0.8

0.6 0.4 0.2

0 101

B - -0.8455

B = -0.8878 B - -0.9147 B = -0.9333

i МЛ • lit

L J^ Bode Diagram B1 = -0.9496

ЫК»"»**' Oil B = -0.9630 B = -0.9744 B1 = -0.9845

j \ V

■

j

10

10

Frequency (Hz)

Рис. п1.4. АЧХ замкнутых систем «акселерометр - ЦУОС» для тока датчика момента по входному ускорению I$M(s)/q(s) (мА/g) при различных значениях коэффициентов

дискретного регулятора

1.5

0.5

—B1 = -0.8455

—B1 = -0.8878

—B1 = -0.9147

B1 = -0.9333

—B1 = -0.9496

—B1 = -0.9630

B1 = -0.9744

—B1 = -0.9845

0.002 0.004 0.006 0.008

t (сек)

0.01

0.012

0.014

Рис. п1.5. Графики переходных процессов тока датчика момента /дм(0 акселерометра с ЦУОС для различных значений коэффициентов дискретного регулятора при задании единичного входного воздействия q = 1 g

60 40

I 20

Ф

•о

1 0 ст га S

-20 -40 0 -45

5? -90

^

Ф (Л

ё -135 х

-180 -225

System: Model

Geiin Margin (d B): 10.2

At frequency (Hz): 1.45e+003

Closed Loop Stable? Yes

"Ч

-t—r—i—III

System: Model Fhase Margin (deg): 91.8 Delay Margin (samples): 3.12 At frequency (Hz): 409 Closed Loop Stable? Yes

+i___

4-__:

0 12 3

10 10 10 10

Frequency (Hz)

Рис. п1.6. ЛАЧХ и ФЧХ разомкнутой системы акселерометра с дискретными регуляторами, рассчитанными методом LQD-оптимизации и методом желаемых ЛАЧХ,

с частотой дискретизации 5 кГц

1

0

0

Frequency (Hz)

Рис. п1.7. АЧХ замкнутых систем «акселерометр - ЦУОС» для тока датчика момента по входному ускорению /pM(syq(s) (мА/g) с дискретными регуляторами, рассчитанными методом LQD-оптимизации и методом желаемых ЛАЧХ, с частотой дискретизации 5 кГц

1.5

Метод LQD-оптимиз ации Метод желаемых ЛАХЧ

0.5

0.005

0.01

0.015

t (сек)

Рис. п1.8. Графики переходных процессов тока датчика момента /дм(0 акселерометра с дискретными регуляторами, рассчитанными методом ¿ОО-оптимизации и методом желаемых ЛАЧХ, с частотой дискретизации 5 кГц при задании единичного входного

воздействия q = 1g

0

0

1.6

1.4

1.2

со

0.8

0.6

0.4

0.2

0.005

t (сек)

Метод LQD-оптимиз ации Метод желаемых ЛАЧХ

0.01

0.015

Рис. п1.9. Графики переходных процессов напряжения с выхода регулятора и{() акселерометра с дискретными регуляторами, рассчитанными методом ¿^^-оптимизации и методом желаемых ЛАЧХ, с частотой дискретизации 5 кГц при задании единичного

входного воздействия q = 1g

1

0

0

им_и

Рис. п1.10. Структурная схема математической модели ДУС с ЦУОС с аналоговым регулятором, реализованная в среде 81шиНпк программного комплекса МайаЬ

omega_vh

65 Giroskop K dm

1

0.286s2+35s

chuvstvit 1 г

80/pi *60

rad in deg.min

1000 A in mA1

5.4e-3*1.31e-2s+5.4e-3

8.03e-4*2.4e-4s2+8.03e-4+2.4e-4s+1

K_pu

!2+(-0.5365-0.1245)z+0.5365*0.1245

z2+0.9345z+0.6233

(z-0.8466)

(z+0.05145)

(z-0.9412)

(z+0.5781)

(z-0.9844)

(z-0.7318)

(z-1)

JV

Discrete Transfer Fcn

Di screte Zero-Pole3

Discrete Discrete

Zero-Pole2 Zero-Pole1

Discrete Zero-Pole

Zero-Order Hold

1.33*1.31e-2s+1.33

8.03e-4*2.4e-4s2+8.03e-4+2.4e-4s+1

UM_U

<n

beta

KD

I dm

->QD

-KU

U_vih

Рис. п1.11. Структурная схема математической модели ДУС с ЦУОС с дискретным регулятором, реализованная в среде 81шиНпк программного комплекса МайаЬ

_du

567.2

UM J

Ph Ch V

3e-3s+1

841.221z

50

Bode Diagram -1-1-!

X

m

T3

■ ДУС с аналоговым регулятором

■ ДУС с дискретным регулятором

> >

-50 0

-90 -180 -270 -360

System: flyC c AyOC Gain Margin (dB): 18 At frequency (Hz): 51.7 Closed Loop Stable? Yes

■«i System: flyC c ^OC j Gain Margin (dB): 9.84 i At frequency (Hz): 361 i Closed Loop Stable? Yes

—iiii

I—--

System: flyC c AyOC Phase Margin (deg): 69.9 Delay Margin (sec): 0.0175 At frequency (Hz): 11.1 Closed Loop Stable? Yes

System: flyC c ^OC Phase Margin (deg): 114 Delay Margin (samples): 36.7 At frequency (Hz): 17.3 Closed Loop Stable? Yes

- - ' ' ' '

ч,

'"Ч ч ч

- - ' ' ' '

0 1 2 10 10 10

Frequency (Hz)

Рис. п1.12. ЛАЧХ и ФЧХ разомкнутых систем ДУС с аналоговым и дискретным (2 кГц) регуляторами

0

<и о

ч го а

X

т

10

10

10

Frequency (Гц)

10

10

Рис. п1.13. АЧХ замкнутых систем тока датчика момента на входную угловую скорость ДУС с аналоговым и дискретным (2 кГц) регуляторами

2.5

1.5

0.5

Т"

Т"

■ ДУС с аналоговым регулятором ДУС с дискретным регулятором

0.05

0.1

0.15 0.2

t (сек)

0.25

0.3

0.35

Рис. п1.14. Графики переходных процессов тока датчика момента ДУС с аналоговым и дискретным (2 кГц) регуляторами при единичном входном воздействии шех = 1°/сек

2

0

0

0 45 ---- Г Г I ■:

-ДУС с аналоговым регулятором

Q4________ДУС с дискретным регулятором

/ ————————"-———

0.35 ---/—-------

_____

0.3 --/--------

I

I / /1

_ 0.25 --4--------

Si

I

3 0.2---/--------

//

0.15 ---/--------

i /

J I

0.1 --------

t / J /

0.05 —t--------

0 tZ-------

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

t (сек)

Рис. п1.15. Графики переходных процессов напряжения с выхода УОС ДУС с аналоговым и дискретным (2 кГц) регуляторами при единичном входном воздействии шех = 1°/сек

Ниже приводится текст программы, реализованной в программном комплексе Matlab, для расчета дискретного регулятора акселерометра с частотой дискретизации 5 кГц.

%Расчет дискретного регулятора акселерометра

function Accel Regulator

clc; %очистка рабочего окна Matlab

%Исходные данные для расчета регулятора акселерометра

%параметры маятника

J_phi = 1.2e-4;

n_phi = 0.05;

C_t = 1.6;

ml = 0.15;

%параметр ДУ

k_du = 182;

%параметр ПУ

k pu = 1.15;

%параметры ДМ

k_dm = 150;

R_dm = 110;

R_n = 1000;

Cf = 0.33e-6;

ДУС с аналоговым регулятором

--

/