Роторный вибрационный гироскоп для вращающегося носителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.03, кандидат технических наук Кулешов, Александр Викторович

• Кулешов, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кулешов, Александр Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Математическая модель роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя

1Л. Поведение носителя в полете: движение носителя относительно центра масс - определение характерных воздействий на прибор

1.2. Уравнения движения чувствительного элемента роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя

1.3. Поведение гироскопа при движении носителя с постоянной угловой скоростью

1.4. Обоснование схемы роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя

1.5. Качество регулирования роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя

1.6. Устойчивость роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя с отрицательной обратной связью по скорости

1.7. Выводы

ГЛАВА 2.Точность роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя с отрицательной обратной связью по скорости

2.1. Точность измерения постоянной угловой скорости носителя вокруг поперечной оси

2.2. Качество регулирования роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя с отрицательной обратной связью по скорости

2.3. Выводы

ГЛАВА 3. Поведение роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя при измерении переменной угловой скорости

3.1. Поведение роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя при угловых колебаниях носителя

3.2. Выходной сигнал роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя при угловых колебаниях носителя

3.3. Точность измерения гармонической угловой скорости носителя

3.4. Поведение роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя при круговых колебаниях носителя

3.5. Выводы

ГЛАВА 4. Инструментальные и эксплуатационные погрешности роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя

4.1. Погрешность, вызванная статической несбалансированностью рамки

4.2. Погрешность, вызванная угловой и круговой вибраций носителя с двойной частотой собственного вращения

4.3. Погрешность, вызванная неточностью установки прибора на носителе

4.4. Погрешность, вызванная влиянием изменения температуры окружающей среды на выходной сигнал прибора

4.5. Выводы

ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования РВГ с ОС

5.1. Техническое описание макета роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя с отрицательной обратной связью по скорости

5.2. Расчет параметров макета роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя и параметров обратной связи

5.3. Оборудование для экспериментальных исследований

5.4. Определение частотных зависимостей роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя

5.5. Результаты экспериментальных исследований

5.6. Выводы 225 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 226 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Роторный вибрационный гироскоп для вращающегося носителя»

Совершенствование систем управления и стабилизации летательных аппаратов в большой степени зависит от повышения точности и надежности измерителей пространственного движения объекта. Вместе с тем большая насыщенность современных транспортных средств бортовыми приборами ставит на повестку дня вопрос о миниатюризации электромеханических устройств, к которым относятся гироскопические приборы и системы. Помимо этого, развитие авиационной и ракетной техники требует для решения задач управления и стабилизации объектов создания гироскопов не только с малыми габаритами, но и с малой массой, энергопотреблением, имеющих наряду с этим невысокую стоимость.

Этим требованиям в значительной мере отвечают вибрационные гироскопы. Вибрационным гироскопом (ВГ) называется устройство, носитель быстрых циклических движений которого при внешних воздействиях на него совершает вынужденные колебания в связанной с ним системе координат. В двухстепенных вибрационных гироскопах такие колебания возникают при абсолютной угловой скорости вращения основания, на котором установлен гироскоп. Возникающий при этом гироскопический момент пропорционален абсолютной угловой скорости основания, промодулированной частотой быстрых циклических движений и носит амплитудно-модулированный характер. Если частота изменения гироскопического момента совпадает с собственной частотой механической системы, то в приборе имеет место резонанс, позволяющий на несколько порядков повысить его чувствительность.

Первые серьезные попытки создания вибрационных гироскопов сводились к реализации схем так называемых осцилляторных ВГ, к которым относится камертонный гироскоп [12,13]. У осцилляторных ВГ отсутствуют вращающиеся массы, а для создания кориолисова ускорения при наличии угловых скоростей основания используются принудительные вибрации специальных упругих элементов. Амплитудно-модулированный момент кориоли-совых сил воздействует на упругий подвес, обычно настроенный в резонанс на несущую частоту для увеличения коэффициента передачи прибора. В результате чувствительный элемент гироскопа совершает вынужденные колебания, по амплитуде которых судят об угловой скорости основания.

Осцилляторные ВГ (ОВГ) обладают целым рядом достоинств: малыми габаритами и энергопотреблением, высокой надежностью при принципиально достижимой высокой чувствительности к абсолютным угловым скоростям основания. Однако, поскольку высокая чувствительность осцилляторных ВГ достигается настройкой в резонанс при минимально возможном коэффициенте демпфирования собственных колебаний упругой системы, в этих гироскопах предъявляются особые требования к обеспечению стабильности демпфирования и поддержания постоянства частоты собственных колебаний упругой системы и частоты принудительных вибраций.

В роторных ВГ (РВГ) амплитудно-модулированный момент создается за счет одного или нескольких вращающихся тел, то есть носитель быстрых циклических движений РВГ находится в быстром вращательном движении. При этом позиционные моменты, стремящиеся привести систему в положение равновесия, определяются в общем случае комбинированной упругой связью, состоящей из упругой связи, обусловленной статической жесткостью, и псевдоупругой, называемой также инерционной или динамической, которая обусловлена инерционными упругими моментами. Параметры РВГ обычно выбирают так, чтобы при резонансном режиме работы статическая жесткость была много меньше динамической. При этом изменение характеристики упругой системы изменяет лишь статическую жесткость и незначительно сказывается на полной жесткости системы. Изменение частоты собственного вращения РВГ вызывает изменение частоты действующего на упругую систему гироскопического момента и приводит к соответствующему изменению динамической, а, значит, и полной жесткости упругой системы. В этом случае расстройка от резонанса окажется значительно меньше.

Теоретические основы работы РВГ созданы преимущественно в трудах советских и американских ученых. Среди многочисленных исследований основополагающими являются работы Е. JI. Смирнова, Л. И. Брозгуля [12], А.И. Сучкова [65], Дж. Ньютона, Э. Хауи, П. Сэйвета.

Созданию представленного в работе роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя предшествовала большая исследовательская работа многих фирм над различными типами вибрационных гироскопов как осцилляторного, так и роторного типов.

Развитие вибрационных гироскопов началось еще в XIX веке. В 1851 г. [78], Л. Фуко показал, что маятник может быть использован для измерения вращения Земли. Маятник Фуко фактически был первым примером ВГ.

В XX веке сначала были разработаны сравнительно грубые (порог чувствительности 360.36 град/час) осцилляторные ВГ для автопилотов, а затем созданы РВГ, вошедшие в состав командных приборов управления летательными аппаратами. Впервые исследования в области ОВГ были начаты в США (фирмой "Сперри") в 1937 г., а в области РВГ - в Германии в 1940 г. Начиная с 1938 г. в зарубежной периодической литературе появляются сообщения об энтомологических исследованиях двукрылых насекомых, касающиеся их ориентации относительно центра масс и аппарата управления стабилизируемым полетом. Эти исследования стимулировали работу над вибрационными гироскопами. Первый ВГ на основе камертона был назван фирмой "Сперри" гиротроном. Он предназначался для автопилотов самолетов и для военно-морского флота США в качестве датчика угловой скорости.

Вторая мировая война задержала проведение работ. После окончания войны исследования проводились в США, Великобритании, Франции. В СССР в конце 40-х годов и в 50-х годах были опубликованы результаты исследований по осцилляторным и роторным ВГ. Спад в проводимых работах был обусловлен сложностью проблемы, недостаточностью теоретических исследований, практическими трудностями создания реальных приборов, удовлетворяющим поставленным требованиям. С середины 60-х годов на базе более глубоких теоретических работ при возросшем уровне технологии и с учетом прогресса в области электроники начался новый этап исследований.

Новую перспективу открыла формулировка в 1963 г. принципа динамической настройки и вытекающая из него возможность использования некоторых РВГ в качестве интеграторов угловой скорости. В этот период возникла острая необходимость создания дешевых ИНС для гражданской авиации.

Так как высокоточные вибрационные роторные гироскопы имеют ошибки, вызванные обычными для гироскопов погрешностями (несбалансированностью, неравножесткостью подвеса и т. п.), то при их создании возникают некоторые трудности, такие как: разработка конструкций упругих подвесов, надежно работающих в условиях действия центробежных перегрузок, балансировка вращающегося на упругом подвесе ротора, создание эффективных способов резонансной настройки, разработка высокочувствительных датчиков угловых перемещений, преобразующих механические колебания в электрический сигнал, обеспечение автоматической регулировки масштабного коэффициента при измерении угловых скоростей в широком диапазоне и т. п. С точки зрения решения этих задач более простой и надежной является схема одноканального двухмерного измерителя, возможность построения которого впервые была обоснована А. И. Сучковым [13, 65, 75].

Одноканальный измеритель представляет собой роторный вибрационный гироскоп, имеющий плоскость чувствительности [75] и измеряющий вектор угловой скорости, перпендикулярный оси собственного вращения чувствительного элемента. Колебания чувствительного элемента измерителя преобразуются в сигнал переменного тока, частота которого равна частоте собственного вращения чувствительного элемента, а амплитуда и фаза несут информацию о векторе угловой скорости.

Простота и надежность конструкции, свойство автоматической настройки маятниковой системы на частоту, пропорциональную частоте собственного вращения, возможность получения выходного сигнала в наиболее удобной форме (в виде напряжения переменного тока) обуславливают широкое применение одноканальных, как их еще называют, модуляционных измерителей угловой скорости.

В августе 1960 г. в СССР начались работы по разработке вращающихся одноканальных зенитных ракет. Применение роторного вибрационного гироскопа на вращающемся носителе (например, на ракете класса «земля-воздух» переносного зенитного ракетного комплекса) реализует схему одноканально-го измерителя угловой скорости. При этом на вращающемся носителе есть возможность использовать вращение носителя вокруг продольной оси в качестве собственного вращения чувствительного элемента. Эта особенность роторных вибрационных гироскопов для вращающегося носителя приводит к существенному уменьшению габаритов и значительному упрощению конструкции и технологического процесса изготовления гироскопа, поскольку позволяет отказаться от двигателя ротора в приборе.

Приборы подобного класса, как и все ро- Z торные вибрационные гироскопы, предназначены для измерения переносной угловой скорости, информация о которой используется, например, для создания демпфирования в канале управления полетом носителя.

Кинематическая схема роторного вибраци

Рис.В.1. Кинематическая онного гироскопа для вращающегося носителя схема РВГ показана на рис. В. 1.

Чувствительный элемент, на рисунке изображенный в виде рамки, крепится в опорах корпуса прибора, который жестко связан с корпусом носителя, что и обеспечивает чувствительному элементу две степени свободы: он вращается вместе с корпусом и носителем с угловой скоростью ф0 и может поворачиваться вокруг оси OYj в опорах корпуса прибора со скоростью а.

Плоскость OX]Yl5 перпендикулярная оси собственного вращения чувствительного элемента гироскопа, является чувствительной или измерительной плоскостью прибора. Вращательное движение носителя, вектор скорости которого лежит в этой плоскости, вызовет сигнал на выходе прибора. Например, пусть носитель вращается со скоростью Q, вектор которой лежит в плоскости OXjYi (рис. В.2). При этом возникает инерционный момент Мин, включающий в себя гироскопический и центробежный моменты. Более подробно природа возникающего инерционного момента будет рассмотрена при составлении уравнения движения чувствительного элемента. Вектор инерционного момента Мин лежит в этой же плоскости OX^i и направлен перпендикулярно вектору Q.

Проекция момента МИн на ось ОХ] - МИНХ - компенсируется реакциями в опорах, а при наличии проекции на ось OYi - МИн¥ - произойдет поворот чувствительного элемента вокруг оси OYj. Составляющая Мин не оказывает влияния на движение чувствительного элемента, а создает дополнительное давление на опоры. По этой причине при использовании упругого подвеса необходимо обеспечить большую жесткость подвеса вокруг измерительной оси. Поскольку чувствительный элемент вместе с корпусом и носителем вращается с угловой скоростью ф0, проекция МИцУ будет изменяться по гармоническому закону с частотой ф0. Другими словами, вращение носителя модулирует постоянную угловую скорость носителя, создавая гармоническое воздействие на чувствительный элемент

Рис.В.2.К объяснению возникновения колебаний чувствительного элемента прибора в связанной с носителем системе координат, пропорциональное измеряемой угловой скорости носителя.

Таким образом, чувствительный элемент также будет колебаться с частотой ф0. Амплитуда этих колебаний, как будет более подробно показано дальше, прямо пропорциональна величине измеряемой угловой скорости Q, а фаза определяется углом, характеризующим положение измерительной оси на плоскости чувствительности по отношению к осям опорного трехгранника, и некоторым сдвигом фаз, возникающем в самом приборе.

Передача информации от прибора рулям происходит в связанной с носителем системе координат. В силу того, что носитель вращается вокруг своей продольной оси с угловой скоростью ф0, и его рули тоже участвуют в этом вращении, то, учитывая модулирующее свойство этого вращения носителя, для создания в невращающейся системе координат демпфирующего момента, пропорционального постоянной в абсолютном пространстве угловой скорости Q, необходимо создавать гармоническое движение рулей с частотой ф0. Колебания чувствительного элемента прибора происходят в таком же режиме. Следовательно, для управления рулями необходимо использовать мгновенное значение скорости, измеренное прибором. Мгновенное значение выходного сигнала прибора прямо пропорционально проекции вектора угловой скорости Q на ось ОХь являющуюся измерительной осью прибора, и зависит как от ее амплитуды, так и от фазы. Для совпадения фаз колебаний рамки прибора и рулей носителя необходима правильная установка прибора на носителе. В случае наличия у прибора постоянных фазовых сдвигов (см. дальше), не меняющих свое значение в течение всего полета, возможна их компенсация поворотом прибора на определенный угол при установке его в корпус носителя.

Существующие на сегодняшний день РВГ, применяемые на современных вращающихся носителях, имеют некоторые отличия, однако во многом они сходны и представляют собой плоский чувствительный элемент в одноосном подвесе. Плоскость чувствительного элемента перпендикулярна продольной оси вращения носителя.

В одном из таких приборов чувствительный элемент выполнен в виде рамки в одноосном свободном подвесе с опорами скольжения. Для съема сигнала в приборе применяется магнитная система, состоящая из постоянных магнитов и намотанной на чувствительный элемент электрической обмотки, в которой при ее перемещении в поле постоянных магнитов наводится э.д.с. Амплитуда и фаза э.д.с. соответствуют амплитуде и фазе колебаний чувствительного элемента. Та же магнитная система и латунный каркас чувствительного элемента, представляющий собой короткозамкнутый виток, используются для создания электромагнитного демпфирования колебаний чувствительного элемента.

Малая величина и существенная нестабильность скорости вращения носителя вокруг продольной оси (10 -г 20 об/с) представляют, по указанным ранее причинам, при наличии в приборе достаточно большой статической угловой жесткости по сравнению с динамической жесткостью большие трудности в поддержании резонансной настройки и в обеспечении стабильности выходного сигнала. По этой причине в большинстве существующих приборах упругий подвес заменен опорами скольжения, а статическая жесткость несоизмеримо мала по сравнению с динамической жесткостью.

Проведенные исследования указанного прибора показали, что помимо несомненных достоинств, описанных выше, прибор обладает рядом существенных недостатков, которые непосредственно влияют на точность и стабильность выходного сигнала прибора. Теоретический анализ схемы прибора позволил выявить причины появления этих недостатков, влияние которых на точность и стабильность выходного сигнала прибора было доказано экспериментально. Рассмотрим две наиболее веские причины нестабильности масштабного коэффициента, составляющие подавляющую часть всех погрешностей указанного прибора.

1) Как уже упоминалось, стремление увеличить чувствительность прибора приводит к применению принципа резонансной настройки. Однако в этом случае стабильность амплитуды колебаний чувствительного элемента помимо прочего определяется и стабильностью демпфирования в приборе. Поскольку в используемых в настоящее время приборах подобного класса имеет место электромагнитное демпфирование, в этих приборах не обеспечивается достаточной стабильности демпфирования в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. Это объясняется в первую очередь большой температурной зависимостью удельного электрического сопротивления материала каркаса чувствительного элемента прибора, а уже, во вторую очередь, - температурной зависимостью магнитных свойств постоянных магнитов. Влияние температурной нестабильности удельного электрического сопротивления каркаса на порядок превосходит влияние температурной нестабильности магнитов.

Влияние температуры окружающей среды на стабильность электромагнитного демпфирования в диапазоне рабочих температур (-404-75°С) при использовании для изготовления каркаса чувствительного элемента гироскопа специального сплава латуни, обладающего наименьшим температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления, достигает величин погрешности ±30%.

2) Движение роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя носит колебательный характер. В используемых на сегодняшний день приборах подобного класса используется магнитоэлектрический датчик для съема выходной информации о колебаниях чувствительного элемента. При этом съем информации осуществляется по угловой скорости колебаний чувствительного элемента. Внешним воздействием на чувствительный элемент является переменный гармонический сигнал с частотой, равной частоте собственного вращения чувствительного элемента. Поскольку внешнее возу действие на чувствительный элемент обусловлено инерционными свойствами, амплитуда этого воздействия прямо пропорциональна скорости вращения носителя вокруг продольной оси. Из этого следует, что угловая скорость колебаний чувствительного элемента гироскопа в резонансном режиме тоже прямо пропорциональна скорости вращения носителя вокруг продольной оси. Следовательно, большая нестабильность скорости вращения носителя вызовет такой же величины нестабильность амплитуды выходного сигнала.

Таким образом, наряду с указанными выше преимуществами использования вращения носителя вокруг продольной оси в качестве собственного вращения чувствительного элемента гироскопа подобная особенность имеет и недостаток, обусловленный малой величиной и большой нестабильностью скорости вращения носителя вокруг продольной оси (10 -=- 20 об/с).

Проведенные исследования схемы съема сигнала по угловой скорости колебательной системы показали явную зависимость амплитуды выходного сигнала от скорости собственного вращения чувствительного элемента в резонансном режиме работы прибора. Влияние нестабильности скорости вращения носителя в диапазоне 10 ч- 20 об/с приводит к нестабильности масштабного коэффициента прибора равной ± 30%. Причем амплитуда выходного сигнала при скоростях вращения носителя вокруг продольной оси 10 об/с и 20 об/с отличается в два раза. Кроме того, влияние нестабильности скорости вращения носителя вокруг продольной оси в значительной мере сказывается и на фазе выходного сигнала. Влияние температуры окружающей среды и нестабильности скорости вращения носителя вокруг продольной оси достигает фазовых погрешностей в 12 град.

Как уже отмечалось, управление полетом носителя в инерциальном пространстве осуществляется рулями, жестко связанными с вращающимся в инерциальном пространстве носителем, а, следовательно, и с корпусом гироскопа. Выходной информацией прибора в данном случае является мгновенное значение его выходного гармонического сигнала. Подобное утверждение предъявляет требования в обеспечении точности и стабильности, как амплитуды, так и фазы выходного гармонического сигнала.

Учитывая все выше сказанное, сформулируем цель данной работы как разработку, теоретическое и экспериментальное исследования роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя.

Диссертационная работа направлена на существенное улучшение точностных характеристик роторных вибрационных гироскопов, предназначенных для управления вращающимся носителем. Уровень повышения точности, а вместе с ним и качество необходимых усовершенствований, определяется предъявляемыми к прибору техническими требованиями (Глава 5), основополагающим из которых является нестабильность масштабного коэффициента, не превышающая 8 %.

Сравнивая характеристики существующих приборов подобного класса с техническими требованиями, приведенными в Главе 5, можно заключить, что разработка роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя подразумевает под собой модификацию существующих схем прибора с тем, чтобы в тех же габаритных размерах и тех же условиях эксплуатации обеспечить более высокую точность измерения угловой скорости носителя вокруг поперечной оси.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:

1. Теоретическое и экспериментальное исследования существующих схем РВГ для вращающегося носителя с целью определения их основных недостатков и преимуществ.

2. Разработка схемы прибора: роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя с отрицательной обратной связью по скорости (РВГ с ОС), исключающей основные недостатки существующих приборов подобного класса.

3. Составление математической модели РВГ с ОС в виде: дифференциального уравнения вынужденного движения чувствительного элемента гироскопа, структурной схемы и передаточной функции прибора.

4. Исследование устойчивости РВГ с ОС и определение точностных характеристик прибора при имеющих место в полете движениях носителя.

5. Разработка методики проектирования и расчета всего прибора и его составных частей и создание на ее основе макета и опытной партии РВГ с ОС.

6. Создание экспериментального оборудования для практического определения точностных характеристик прибора в составе поворотного стенда, имитатора вращения носителя и комплекта программных средств.

7. Проведение с использованием специально созданного оборудования эксперимента с целью выявления соответствия теории и экспериментальных данных.

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов теоретической механики, теории колебаний, теории автоматического регулирования, теории сопротивления материалов, и теории дифференциальных уравнений, а также методов исследования двумерных систем автоматического регулирования. Для составления дифференциальных уравнений движения носителя вокруг его центра масс использовались уравнения Лагранжа второго рода; для составления дифференциальных уравнений движения чувствительного элемента прибора использовались динамические необобщенные уравнения Эйлера; для исследования устойчивости применялись метод Гурвица и метод логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик, а для исследования устойчивости двумерной системы - метод логарифмических частотных характеристик с комплексными коэффициентами. Актуальность работы: Повышение точности и надежности современных средств вооружения, остается приоритетным направлением развития оборонной промышленности. Совершенствование датчиков пространственного движения подвижных объектов, к которым относятся датчики угловой скорости для вращающихся носителей, на сегодняшний день является актуальной научно-технической задачей.

Работы по исследованию вибрационных гироскопов на сегодняшний день вызывают наибольший интерес во всем мире, и являются одним из перспективных направлений развития современных датчиков пространственного движения подвижных объектов.

Работа актуальна, поскольку призвана существенно повысить качество разработок в области роторных вибрационных гироскопов для вращающегося носителя и направлена на улучшение их точностных характеристик. На защиту выносятся:

1. Принцип построения схемы роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя с отрицательной обратной связью по скорости.

2. Математическая модель роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя с отрицательной обратной связью по скорости, в виде дифференциального уравнения движения чувствительного элемента, передаточной функции прибора и его структурной схемы.

3. Математическая модель погрешностей роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя с отрицательной обратной связью по скорости.

4. Методика проектирования роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя с отрицательной обратной связью по скорости.

5. Экспериментальная установка для экспериментального исследования РВГ для вращающегося носителя в составе поворотного стенда, имитатора вращения и комплекта программных средств для управления стендом и отображения результатов эксперимента на ПЭВМ.

6. Методика проведения и результаты экспериментальных исследований.

Научная новизна работы: 1. Проведен теоретический анализ возможных схем роторных вибрационных гироскопов для вращающегося носителя, на основе которого разработана новая, схема прибора с отрицательной обратной связью.

2. Составлена математическая модель РВГ с ОС.

3. Составлена математическая модель погрешностей РВГ с ОС. Предложены методы уменьшения методических погрешностей прибора.

4. Развита применительно к схеме РВГ с ОС теория роторных вибрационных гироскопов для вращающегося носителя.

5. Развита теория поведения роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя, совершающего угловые и круговые колебания.

6. Разработана методика проектирования РВГ с ОС.

7. Предложена методика экспериментального исследования РВГ для вращающегося носителя, в том числе определения выходных характеристик прибора.

Практическая ценность работы: На основе приведенной методики проектирования разработана конструкция и созданы макет и опытная партия РВГ с ОС. Создано специальное оборудование для проведения экспериментальных исследований РВГ для вращающегося носителя, которое может быть использовано и при исследованиях других приборов подобного класса. Экспериментально подтверждены теоретические исследования схемы РВГ с ОС.

Результаты работы и предложенные методики проектирования и экспериментального исследования РВГ с ОС могут быть использованы и используются при создании других приборов подобного класса, а также используются в учебном процессе на кафедре «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации».

В соответствии с поставленными задачами в первой главе определен характер изменения измеряемой прибором угловой скорости в реальных условиях эксплуатации, разработана новая схема РВГ с ОС и составлена математическая модель прибора в виде уравнения движения чувствительного элемента, передаточной функции и структурной схемы и проведено исследование устойчивости гироскопа.

Во второй главе рассмотрено поведение гироскопа при движении носителя с постоянной угловой скоростью вокруг поперечной оси, показан полный вид выходного сигнала гироскопа и дана оценка точностным характеристикам прибора при движении носителя с постоянной угловой скоростью вокруг поперечной оси. Проведен сравнительный анализ точности схем обратной связи с наличием и отсутствием интегрирующего звена на выходе прибора. Получены выражения для передаточных функций обеих схем. На основе проведенных исследований определяется окончательная схема обратной связи по скорости, обеспечивающая большую точность измерения угловой скорости носителя, указаны возможные способы компенсации влияния нестабильности скорости вращения носителя на фазовый сдвиг прибора.

В третьей главе показано полное решение уравнения движения чувствительного элемента при движении носителя с переменной угловой скоростью вокруг поперечной. Получены полные выражения для амплитуды и фазы выходного сигнала при наличии угловых и круговых колебаний носителя. Проведено исследование точности измерения прибором скорости угловых и круговых колебаний носителя и влияния на нее параметров схемы прибора.

В четвертой главе рассматриваются основные инструментальные и эксплуатационные погрешности роторных вибрационных гироскопов для вращающегося носителя как характерные для всех видов роторных вибрационных гироскопов, так и обусловленные особенностями применения роторного вибрационного гироскопа на вращающемся носителе.

В пятой главе приведены методика проектирования РВГ с ОС, расчет параметров макета прибора, а также описание разработанной экспериментальной установки для снятия выходных и амплитудно-частотных характеристик прибора, результаты экспериментальных исследований, сравнение теоретических выводов с результатами эксперимента и их подтверждение.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе, сделаны общие выводы по диссертации.

Заключение диссертации по теме «Приборы навигации», Кулешов, Александр Викторович

Основные результаты диссертационной работы:

1. После изучения существующих схем роторных вибрационных гироскопов для управления вращающимся носителем и определения основных дестабилизирующих факторов этих схем на основе проведенного анализа возможных путей уменьшения влияния этих факторов была разработана новая схема роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя с отрицательной обратной связью по скорости.

2. Получена математическая модель РВГ с ОС в виде дифференциального уравнения движения чувствительного элемента прибора, передаточной функции прибора и его структурной схемы. Развита теория роторных вибрационных гироскопов для вращающегося носителя, совершающего угловые и круговые колебания вокруг поперечной оси в применении к схеме РВГ с ОС.

3. Получена математическая модель погрешностей РВГ с ОС. В работе рассмотрены методические и инструментальные погрешности, характерные как для всех типов роторных вибрационных гироскопов, роторных вибрационных гироскопов для вращающегося носителя, так и конкретно для РВГ с ОС. Предложены методы уменьшения методических и инструментальных погрешностей, часть из которых реализована в схеме РВГ с ОС.

4. Предложена методика проектирования РВГ с ОС. На основе предложенной методики разработан и создан макет прибора и опытная партия. Предложенная методика может быть использована при проектировании приборов подобного класса, а также в учебных и научно-исследовательских работах.

5. Разработано оборудование для экспериментальных исследований РВГ с ОС в составе стенда угловых колебаний, комплекта программных средств для управления стендом и отображения результатов эксперимента на ПЭВМ. Разработана методика снятия экспериментальных данных.

6. Проведены экспериментальные исследования пяти приборов. Получены экспериментальные данные, подтверждающие теоретические исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кулешов, Александр Викторович, 2003 год

1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Высшая школа, 1967.- 888 с. Библиогр.: С. 884 - 885.

2. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1967. -779 с. - Библиогр.: С. 773 - 779.

3. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение, 1981.- 392 с. Библиогр.: С. 382 - 387.

4. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968. - 560 с.

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

6. Бесекерский А. Г., Фабрикант Е. А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации. Л.: Судостроение, 1968. - 350 с,

7. Бидерман В. Л. Прикладная теория механических колебаний: Учеб. пособие. -М.: Высшая школа, 1972. -415 с. -Библогр.: С. 411 414.

8. Бодак О. И., Гладышевский Е. И. Тройные системы, содержащие редкоземельные металлы: Справочник. Львов: Вища школа, 1985. - 328 с.

9. Боднер В. А. Теория автоматического управления полетом. М.: Наука, 1964. - 699 с. - Библиогр.: С. 692 - 698.

10. Боднер В. А., Козлов М. С. Стабилизация летательных аппаратов и автопилоты. М.: Оборонгиз, 1961. - 508 с.

11. П.Бондарос Ю. Г. Двухканальные системы. М.: Машиностроение, 1985. -152 с. - Библиогр.: С. 150 - 152.

12. Брозгуль Л. И., Смирнов Е. Л. Вибрационные гироскопы. М.: Машиностроение, 1970. - 214 с.

13. Брозгуль Л. И., Смирнов Е. Л. Вибрационные гироскопы II История механики гироскопических систем: Сб. науч. работ. М.: Наука, 1975. - С. 43 - 60.

14. Власов Н. П. Теория линейных следящих систем, работающих на переменном токе. Л.: Энергия, 1964. - 256 с. - Библиогр. С. 251 - 253.

15. Власов Ю. Б. Гироскопы на новых физических принципах. JL: Изд-во ЛЭТИ, 1976.- 124 с.

16. Власов Ю. Б., Масалов В. П., Суханов Б. Н. Об ошибках двумерного од-ноканального измерителя угловых скоростей, установленного на вибрирующем и качающемся основании // Прикладная гироскопия. Л.: Изд-во ЛГУ, 1974.-С. 28-40.

17. Власов Ю. Б., Филонов О. М. Роторные вибрационные гироскопы в системах навигации. Л.: Судостроение, 1980. - 222 с. Библиогр.: С. 217 - 219.

18. Ганзбург Л. Б., Федотов А. И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов. Л.: Машиностроение, 1980. - 278 с.

19. Гейтс В. Вибрационный датчик угловой скорости // Электроника. 1968. -№ 12.-С. 31-37.

20. Гироскопические системы: Учеб. пособие / Под ред. Д. С. Пельпора. М.: Высшая школа, 1988.-Часть III. -432 с. - Библиогр.: С. 426-427.

21. Гироскопы. Производство и исследование / А. В. Агапов, И. А. Баранов, В. А. Березенцев и др.: Под ред. Г. А. Сломянского. М.: Машиностроение, 1969.- 188 с.

22. Горин В. И., Распопов В. Я. Гирокоординаторы вращающихся по крену ракет. М.: НТЦ «Информтехника», 1996. - 152 с. - Библиогр.: С. 146 - 148.

23. Датчик угловых скоростей. Сравнительные лабораторные стендовые испытания: Отчет №24-129-2001 / КБМ; Руководитель М. Н. Лютый. № ГР 07700213; Инв. № А123870. - Коломна, 2001.-30 с.

24. Движение ракет. Введение в теорию полета ракет / Под. ред. А. А. Дмитриевского М.: Военное изд-во министерства обороны СССР, 1968. - 463 с. - Библиогр.: С. 458 - 460.

25. Дерягин А. В. Редкоземельные магниты. Успехи физических наук. М.: Наука, 1976.- 187 с.

26. Дмитриевский А. А., Кошевой В. Н. Основы теории полета ракет. М.: Военное изд-во министерства обороны СССР, 1964. - 312 с.

27. Журавлев В. Ф. О природе возмущений на двойной частоте вращения ротора в вибрационных гироскопах // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1977.-№4.-С. 187- 189.

28. Журавлев В. Ф. Теория вибрации гироскопов. М.: ИПМ АН СССР, 1972.-273 с.

29. Заездный А. М. Гармонический синтез в радиотехнике и электросвязи. -Л.: Энергия, 1972. 528 с.

30. Казамаров А. А., Палатник А. М., Роднянский Л. О. Динамика двумерных систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1967. - 306 с.

31. Казамаров А. А., Роднянский Л. О. К теории двумерных систем автоматического управления с модуляцией // Автоматика и телемеханика. 1966. -№1. - С. 13-19.

32. Коновалов С.Ф., Кулешов А.В., Фролов Е.Н. Микромеханический вибрационный датчик угловой скорости для вращающегося носителя // Приборы и приборные системы: Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции. Тула, 2002. - С. 25 - 30.

33. Константинеску В. Н. Газовая смазка. М.: Машиностроение, 1968. - 717 с.

34. Кошляков Н. С. Уравнения в частных производных математической физики. -М.: Высшая школа, 1970. 710 с. - Библиогр.: С. 701 - 707.

35. Красовский А. А. О двухканальных системах автоматического регулирования с антисимметричными связями // Автоматика и телемеханика. 1957. -№2.-С. 126- 135.

36. Криксунов Л. 3., Усольцев И. Ф. Инфракрасные устройства самонаведения управляемых снарядов. М.: Советское радио, 1963. - 240 с.

37. Кринецкий Е. И. Системы самонаведения. М.: Машиностроение, 1970. -236 с.

38. Кузовков Н. Т. Системы стабилизации летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1976. - 304 с. - Библиогр.: С. 301 - 302.

39. Лазарев JI. П. Инфракрасные и световые приборы самонаведения и наведения летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1976. - 567 с.

40. Лазарев Л. П. Оптико-электронные приборы наведения. М.: Машиностроение, 1989. - 509 с.

41. Локк А. С. Управление снарядами. М.: Физматгиз, 1958. - 775 с.

42. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник / Под ред. Э. А. Лодочникова, Ф. М. Юферова. М.: Энергия, 1969. - 612 с.

43. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник / Под ред. Ю. М. Пятина. М.: Машиностроение, 1982. - 528 с.

44. Неусыпин А. К. Гироскопические приводы. -М.: Машиностроение, 1978. -191 с.

45. Никитин С. А. Магнитные свойства редкоземельных металлов и сплавов. М.: Изд-во Московского Университета, 1989. - 247 с.

46. Павловский М. А., Збруцкий А. В. Динамика роторных вибрационных гироскопов. Киев: Вища школа, 1984.- 191 с. - Библиогр.: С. 189-191.

47. Постоянные магниты: Справочник / Под ред. Ю. М. Пятина. М.: Энергия, 1980. - 486 с. - Библиогр.: С. 478 - 483.

48. Разработка и создание стабилизированного сканирующего входного устройства аэростатного комплекса экологического контроля: Отчет о НИР / МГТУ им. Н. Э. Баумана; Руководитель С. Ф. Коновалов. № ГР 0515091; Инв. № Б121245. - М„ 2001. - 20 с.

49. Распопов В. Я., Савельев В. В. Конструктивные схемы и элементы теории вибрационных гироскопов. Тула: Изд-во ТПТИ, 1979. - 131 с.

50. Репников А. В., Сачков Г. П., Черноморский А. И. Гироскопические системы. М.: Машиностроение, 1983. - 320 с. - Библиогр.: С. 315 - 316.

51. Ризкин А. А. Об одном методе анализа переходных процессов в линейных четырехполюсниках // Электричество. 1950. - №9. - С. 66 - 67.

52. Роднянский Л. О. К вопросу о прохождении сигнала с амплитудной модуляцией через линейные четырехполюсники // Электричество. 1962. - №3. -С. 25-31.

53. Розенбейм К. В. К теории линейных двумерных систем автоматического регулирования общего вида с модуляцией // Автоматика и телемеханика. -1970. -№5.- С. 68-76.

54. Розенвассер Е. Н., Володов С. К. Операторные методы и колебательные процессы. -М.: Наука, 1985.-309 с. Библиогр.: С. 307-309.

55. Савельев В. В. Гироскопы, гироскопические приборы и системы. Тула: Изд-во ТулПИ, 1989. - 340 с.

56. Савельев В. В. Теория и расчет гироприборов. Вибрационные и гидродинамические гироскопы. Тула: Изд-во ТПИ, 1985. -273 с.

57. Сейвет П. Динамика идеальных подвесов в применении к вращающимся в пространстве телам // Механика: Сб. пер. 1967. - №5. - С. 48 - 49.

58. Сергеев В. В., Булыгина Т. И. Материалы для постоянных магнитов. М.: Информэлектро, 1974. - 225 с.

59. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы / Под ред. Л. М. Лямшева. М.: Мир, 1971.-557 с.

60. Создание серии чувствительных элементов для управления вращающимся носителем: Конкурсная работа на соискание премии НИР имени МГТУ / МГТУ им. Н. Э. Баумана; Руководитель С. Ф. Коновалов. № ГР 0515176; Инв № Б121312 -М., 2001. -90 с.

61. Соболев С. Л. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1992. - 431 с.

62. Стреттон Э., Хант Дж. Чувствительность вибрационных гироскопов к ускорениям П Проблемы гироскопии. М.: Мир, 1967. - С. 152 - 165.

63. Суханов Б. Н. О повышении точности двумерного одноканального измерителя угловых скоростей // Прикладная гироскопия. Л.: Изд-во ЛГУ, 1974. -С. 42-48.

64. А. с. № 108731 СССР. Гироскопический измеритель угловой скорости /А. И. Сучков//Б. И,- 1957. -№ 12.

65. Тафт В. А. Основы спектральной теории и расчет цепей с переменными параметрами. -М.: Наука, 1964. 206 с. - Библиогр.: С. 201 - 204.

66. Тафт В. А. Электрические цепи с переменными параметрами. JL: Энергия, 1968. - 327 с. - Библиогр.: С. 322-323.

67. Тимошенко С. П., Янг Д. X., Уивер У. Колебания в инженерном деле. -М.: Машиностроение, 1985. -472 с.

68. Тимошенко С. П. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1965. - 363 с.

69. Трение, изнашивание и смазка: Справочник / Под ред. И. В. Крагельского, В. В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. - Том 1. - 400 с.

70. Фатеев В. В., Кулешов А. В., Носов Н. А. Поведение роторного вибрационного гироскопа для вращающегося носителя при наличии угловых колебаний // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2002. - № 3. - С. 81 - 94.

71. Феодосьев В. И., Синярев Г. Б. Введение в ракетную технику. М.: Обо-ронгиз, 1960. -286 с.

72. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. -М.: Наука, 1986. 512 с.

73. Хандельсман Ю. М. Камневые опоры. -М.: Машиностроение, 1973.- 152 с.

74. Хорол Д. М., Барский А. Г., Орлова М. С. Динамические системы с одно-канальными измерителями. М.: Машиностроение, 1976. - 208 с.

75. А. с. № 390359 СССР. Измеритель угловой скорости / Д. М. Хорол, М. С. Орлова, JI. Д. Галактионов, В. Б. Викторов, Н. С. Агафонова // Б. И. -1973. -№30.

76. Чабан Н. Ф., Кузьма Ю. Б., Билонижко Н. С. Тройные системы {Nd, Sm, Gd} Fe - В // ДАН УССР. Сер. А. - 1979. - №10. - С. 36 - 43.

77. Synge, J. L., Griffith В. A. Principles of Mechanics. New York.: McGraw-Hill Book Company, Inc, 1959. - 356 c.