НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Янкелевич Григорій Євсійович

УДК 531.383+681.34

СТВОРЕННЯ ДАТЧИКА КУТОВОЇ ШВИДКОСТІ НА БАЗІ ДИНАМІЧНО НАСТРОЮВАНОГО ГІРОСКОПА

З АНАЛОГО-ЦИФРОВИМИ КОНТУРАМИ КЕРУВАННЯ

05.11.03 Гіроскопи та навігаційні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КИЇВ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відкритому акціонерному товаристві “Науково-виробничий комплекс “Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського” Державного комітету промислової політики України та Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України на кафедрі приладів і систем керування літальними апаратами.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Збруцький Олександр Васильович

Національний технічний університет України “Київський

політехнічний інститут”, декан факультету авіаційних та космічних

систем, завідувач кафедри приладів і систем керування

літальними апаратами

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, Чіковані Валерій Валеріанович, Науково-дослідне підприємство "Український технологічний центр оптичного приладобудування", зам. директора по науковій роботі;

кандидат технічних наук, доцент, Кришталь Володимир Федорович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри теоретичної механіки.

Провідна установа Казенне підприємство "Центральне конструкторське бюро "Арсенал", спеціалізоване конструкторське відділення 1, Державний комітет промислової політики України, м. Київ.

Захист відбудеться " 5 " грудня 2001 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.07 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: м. Київ, проспект Перемоги 37, корп. 1, ауд. .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги 37.

Автореферат розісланний " 1 " листопада 2001 р.

Виконуючий обов'язки вченого секректаря

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Л.М. Рижков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З розвитком цифрової обчислювальної техніки суттєво підвищуються можливості створення датчиків кутової швидкості (ДКШ) на базі динамічно настроюваних гіроскопів (ДНГ) з покращеними технічними та технологічними характеристиками. Виникає можливість формування цифрових регуляторів, які мають кращу якість відносно аналогових, заміни механічних засобів настройки гіроскопа більш технологічними, дешевими, та в той же час, більш точними засобами з використанням цифрової електронної техніки. Тому вирішення проблеми виконання в ДКШ на базі ДНГ аналого-цифрових контурів зворотного зв'язку в каналах вимірювання кутової швидкості та керування електроприводом обертання ротора гіроскопа є важливою науково-технічною задачею. Ця задача потребує проведення відповідних досліджень для вирішення багатьох суперечливих питань, які пов'язані з розширенням смуги пропускання та необхідністю подавлення перешкод, нутаційних коливань, підвищенням точності та зниженням собівартості. Вирішення цих питань, а також формування належних законів керування в аналого-цифрових контурах ускладнюється тим, що ДКШ на базі ДНГ являє собою двомірну систему автоматичного керування, в даному випадку аналого-цифрову, більшість змінних якої є такими, що не керуються та не спостерігаються. Формування цих змінних шляхом знаходження похідних від сигналів, які спостерігаються, не можливо тому, що останні мають коливальні складові великої амплітуди на частотах, кратних частоті обертання ротора чи близьких до таких частот. Вплив зазначених коливань може привести не тільки до зашумлення контурів керування, а й до погіршення точностних характеристик приладу.

Таким чином, розробка наведених проблем є важливою складовою частиною створення новітніх навігаційних приладів та систем керування для забезпечення високих технічних характеристик та конкурентноздатності зазначених вище рухомих об'єктів, які виготовляються в Україні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження та розробки, узагальнені в дисертації, виконувались в процесі створення зазначенних вище типів приладів в ВАТ “Науково-виробничий комплекс “Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського” та в Національному технічному університеті України “КПІ” в рамках відповідних державних та галузевих науково-технічних програм та замовлень.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є створення високоточного ДКШ на базі ДНГ з аналого-цифровими контурами керування. Для досягнення поставленої мети необхідно розробити аналого-цифрові контури зворотного зв'язку в каналах вимірювання кутової швидкості та керування електроприводом обертання ротора гіроскопа. При цьому електропривод повинен забезпечувати необхідну стабільність кутової швидкості обертання ротора та можливість виконання динамічної настройки гіроскопа засобами цифрової електронної техніки замість механічних. Потрібно також дослідити закономірності процесів, що виникають.

Об'єкт дослідження. Розробка та дослідження двомірних датчиків параметрів руху з аналого-цифровими контурами керування для широкого класу навігаційних систем, систем керування рухомими об'єктами.

Предмет дослідження. Створення ДКШ на базі ДНГ з аналого-цифровими контурами керування. Синтез контурів керування, аналіз технічних характеристик та процесів, що виникають в таких датчиках.

Методи дослідження. Для синтезу контурів керування та аналізу технічних характеристик ДКШ на базі ДНГ використовувались методи теорії ДНГ, теорії лінійних систем автоматичного керування для детермінованих та випадкових впливів, перетворень Лапласа, -перетворень та математичного моделювання. Для аналізу процесів, що виникають в таких системах - методи гармонічного аналізу та математичної статистики. Для розробки схемно-технічних рішень та функціональних схем контурів керування – методи теоріі електричних машин та електронної схемотехніки.

Наукова новизна одержаних результатів. В процесі виконання роботи отримані нові наукові результати:

1. Проаналізовано підходи, удосконалено та узагальнено метод знаходження параметрів аналого-цифрового контура зворотного зв'язку ДКШ на базі ДНГ, що забезпечують відсутність взаємного впливу між каналами ДНГ в сталому режимі роботи при дії детермінованих впливів заданого класу та зменшення цього впливу при дії випадкових сигналів. Запропоновано методику знаходження параметрів цифрового рекурсивного диференцюючого фільтру з подавленням високочастотної складової сигналу та цифрового фазообертача для подавлення нутаційних коливань.

2. Запропоновано математичне обгрунтування методики гармонічного аналізу сигналів на виході цифрових суматорів та екстраполяторів, що також входять до складу наведених вище аналого-цифрових контурів керування. Вперше з'ясовані причини виникнення коливань складної форми на виході цифрових суматорів та екстраполяторів при подачі на вхід зазначених пристроїв гармонічних сигналів, математично обгрунтовані причини зміни періоду коливань на виході цифрових суматорів та екстраполяторів відповідно до періоду вхідного гармонічного впливу. Визначені співвідношення між періодами вхідного гармонічного впливу та екстраполяції, а також підсумовування при яких виникають чи не виникають коливання складної форми на виході цих пристроїв.

3. Вперше розроблені електронні засоби керування електроприводом обертання ротора гіроскопа, що забезпечує можливість спрощення конструкції, технології виготовлення приладу, а також виконання точної динамічної настройки засобами цифрової електронної техніки замість механічної. При цьому забезпечується висока стабільність кутової швидкості обертання ротора.

4. Дана оцінка співвідношенню між величиною нестабільності моменту опору обертання ротора, величиною нестабільності періоду кутової швидкості власного обертання ротора та параметрами електорнного пристрою керування електроприводом обертання ротора гіроскопа. Зазначена оцінка необхідна для відбраковки шарикопідшипникових опор електродвигуна.

5. Запропонована та математично обгрунтована методика виконання динамічної настройки ДНГ шляхом зміни кутової швидкості обертання ротора за рахунок дискретної перебудови параметрів електронного пристрою керування електроприводом обертання ротора гіроскопа.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення наукових досліджень та отриманих результатів полягає в створенні методик синтезу аналого-цифрових контурів зворотного зв'язку в каналах вимірювання кутової швидкості, керування електроприводом обертання ротора гіроскопа, динамічної настройки ДНГ електронними засобами, аналізу результатів випробувань цих датчиків. Результати впроваджені при створенні дослідних зразків виробів по тематиці ВАТ “НВК “Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського”. Зазначені результати дозволили забезпечити необхідні динамічні та підвищити точностні характеристики датчика, виключити взаємний вплив каналів вимірювання кутової швидкості в сталому режимі роботи при дії детермінованих впливів заданого класу, зменшити цей вплив при дії випадкових сигналів, спростити конструкцію ДНГ шляхом виключення з останньої елементів механічної динамічної настройки ротора, а саме різьбових отворів в підвісі, регулюючих гвинтів та їх клейову фіксацію, та виконати динамічну настройку шляхом перенастройки коефіцієнта перерахунку еталонного періоду блока керування електродвигуном (БКД) обертання ротора. Впровадження указаних методик забезпечило покращення точностних та технологічних характеристик приладу.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні положення дисертації розроблені разом з науковим керівником. Дослідження та вирішення конкретних проблем, які були наведені вище, їх впровадження у виробництво належать особисто автору.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались, обговорювались та одержали позитивну оцінку на наступних науково-технічних конференціях та семінарах: 1-а Національна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація та управління рухом”, Київ, 1997р., “Проблеми чутливих елементів навігаційних систем”, Київ, НТУУ “КПІ”,1997р., ІІІ Международная научно-техническая конференция “Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование подвижных объектов”, Киев 2001г., ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція “АВІА-2001”, Київ 2001р., а також на науково-технічних семінарах кафедри приладів та систем керування літальними апаратами НТУУ “КПІ”, 1996-2000р. та кафедри систем керування та метрології Національного авіаційного університету, 2001р.

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковані 10 наукових праць, серед них 4 науково-технічні статті в наукових фахових виданнях, патент України на винахід та авторське свідоцтво СРСР, 2 доповіді і 2 тези доповідей на науково-технічних конференціях і семінарах.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 101 найменувань, додатку. Повний обсяг дисертації складає 166 сторінок, з них ілюстрації займають 9 стор., таблиці – 7, список використаних джерел - 12 стор., додаток – 1 стор..

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ розкриває стан та значущість наукової проблеми, яка досліджується, її актуальність, що пов'язана з розвитком цифрової обчислювальної техніки, практичну важливість результатів роботи.

Перший розділ присвячено огляду літератури. Аналізується науково-технічна література, статті, в яких розглядаються питання, пов'язані із створенням ДКШ на базі ДНГ, аналого-цифрових систем керування, обробкою дискретних сигналів, електроприводу з вентильним двигуном (ВД) постійного струму. Відзнчаються результати та аналізуються методики, які стосуються проведених в роботі досліджень, визначається можливість їх використання для вирішення поставленної в дисертації задачі. Визначено, що проблема створення високоточного ДКШ на базі ДНГ з аналого-цифровими контурами в каналах вимірювання кутової швидкості та керування електроприводом обертання ротора гіроскопа є актуальною, потребує додаткових досліджень та узагальнення.

Другий розділ містить в собі постановку задачі, яка полягає в необхідності визначення структурної схеми та параметрів контурів зворотного зв'язку в каналах вимірювання кутової швидкості такими, шоб забезпечити прийнятні технічні характеристики ДКШ та виключити взаємний вплив каналів вимірювання в сталому режимі роботи для вхідних сигналів, що належать заданому класу детермінованих функцій часу та зменшити такий вплив для вхідних сигналів, що належать до випадкових функцій.

Враховуючи наявність коливальних складових у сигналах ДКШ на базі ДНГ, а також екстраполяторів та цифрових суматорів в аналого-цифрових контурах керування, необхідно проаналізувати особливості дискретних сигналів у таких системах.

Треба визначити функціональну схему електроприводу, параметри електроприводу, та зокрема, БКД такими, щоб забезпечити високу стабільність кутової швидкості обертання ротора, можливість її дискретної зміни з належним рівнем дискретності шляхом регулювання параметрів БКД. Таким чином, потрібно забезпечити можливість виконання динамічної настройки ДНГ електронними засобами замість механічних, а також розробити методику такої настройки.

Визначено методи, за допомогою яких будуть вирішуватися поставлені задачі.

Третій розділ присвячено синтезу аналого-цифрового контура зворотного зв'язку в каналах вимірювання кутової швидкості. Для вирішення задачі синтезу використовувалися лініаризовані рівняння ДКШ на базі ДНГ з урахуванням наявності в сигналах датчиків кутів ДНГ гармонічних коливань на частоті обертання ротора гіроскопа. Шляхом знаходження коренів характеристичних рівнянь передаточних функцій ДКШ при введенні інтегруючої ланки спочатку в прямий, а потім в перехресний канал керування показано, що ДКШ в першому випадку буде не стійким, а в другому стійким. Згідно з цим, враховуючи також теорему про кінцеве значення перетворень Лапласа, встановленно, що для забезпечення відсутності взаємозв'язків каналів вимірювання ДКШ в сталому режимі роботи при розвороті ДНГ з постійною кутовою швидкістю, треба інтегруючу ланку вводити в перехресний канал керування.

Подальший аналіз коренів характеристичних рівнянь передаточних функцій ДКШ показує, що для того, щоб їх дійсна частина була від'ємною на частотах, які визначаються їх умовною частиною, необхідно, щоб фазовий зсув підсилювача зворотного зв'язку (ПЗЗ) наближався до нуля на частотах прецесійного руху і до "мінус" 180 кут. град. на частоті нутаційних коливань. Тоді буде забезпечено затухання перехідних процесів та нутаційних коливань. Для виконання зазначенних умов по фазовому зсуву в ПЗЗ введено фазообертач. Крім того, для подавлення коливань, які є в сигналі датчика кута (ДК) після його демодуляції на частотах, кратних частоті живлення ДК (звичайно частота живлення ДК складає кілька десятків кілогерц), а також коливань на власній частоті обертання ротора, в ПЗЗ введено також фільтр низьких частот і режекторний фільтр подавлення власної частоти обертання ротора. Ці два фільтри виконано в аналоговій формі. Вони розташовані перед аналого-цифровим перетворювачем (АЦП), що забезпечує відсутність ефекту накладання частот при дискретизації сигналу, а також розширення диапазону лінійності ПЗЗ. Для отримання необхідної якості динамічних параметрів, а також астатизму ДКШ в ПЗЗ введено диференцюючу та інтегруючу ланки. При цьому диференцююча ланка повинна бути такою, щоб забезпечити введення сигналу по похідній на частотах перехідного процесу та подавлення високочастотних складових сигналу. Ці дві ланки, а також фазообертач сформовано за допомогою цифрових передаточних функцій (ПФ) в цифровому обчислювальному пристрої (ОП).

Для синтезу цифрових корегуючих ланок було запропоновано метод, який по бажаній аналоговій ПФ дозволяє побудувати цифрову ПФ, амплітудно-частотні (АЧХ) та фазо-частотні характеристики (ФЧХ) якої близькі до відповідних характеристик аналогової ПФ. Особливістю цього методу є те, що він дозволяє синтезувати цифрові диференцюючі рекурсивні фільтри. Сутність цього методу полягає в тому, що цифрова ПФ подається у вигляді , коефіцієнти якої та її степінь вибираються таким чином, щоб забезпечити в заданій частотній області необхідний збіг між АЧХ та ФЧХ ланок з ПФ і , де - бажана ПФ аналогової корегуючої ланки. Перехід від змінної до змінної у функції здійснюється шляхом розкладання в степеневі ряди з кінцевою кількістю членів змінних ,…, , де - період дискретизації сигналу. Отримані вирази у вигляді рядів підставляються в , яка перетворюється у функцію змінної . Шляхом порівняння коефіцієнтів при однакових степінях в чисельниках, а потім в знаменниках функції та функції, отриманої з після наведених замін, будемо мати рівняння, з яких можна знайти коефіцієнти функції . Кількість членів рядів та степінь вибираються такими, щоб кількість отриманих рівнянь відповідала кількості цих коефіцієнтів, а також забезпечувалась бажана точність апроксимації АЧХ та ФЧХ.

Було доведено таке твердження: якщо аналогова ПФ є стійкою, то цифрова ПФ, яка одержана зазначенним методом, також є стійкою. В разі нестійкості аналогової ПФ відповідна цифрова ПФ може бути стійкою або не стійкою.

Запропонованим методом були синтезовані фазообертач та рекурсивний диференцюючий фільтр, який забезпечує подавлення високих частот. Підрахування фазового зсуву фазообертача, синтезованого зазначеним методом, а також за допомогою заміни Тастіна , дало такі результати: зазначеним методом- "мінус"164 кут.град., за допомогою заміни Тастіна- "мінус"337 кут.град. при бажаній величині "мінус"180 кут.град.. Можна бачити, що точність запропонованого методу вища.

Коефіцієнти при цих корегуючих ланках, а також при інтеграторі визначались шляхом математичного моделювання, виходячи з необхідності забезпечення відповідної якості перехідних та сталих процесів в ДКШ з урахуванням наявності пульсацій сигналу ДК. Структурна схема синтезованого ПЗЗ наведена на рис.1.

Рис. 1. Структурна схема підсилювача зворотного зв'язку:–

сигнал ДК; – струм в колі датчика моментів (ДМ); =100 - коефіцієнт передачі попереднього підсилювача (ПП). ПП являє собою підсилювач змінного струму з селективним фільтром, який настроєний на частоту живлення ДК. , – сталі часу ПП по обвідній; =4 -коефіцієнт передачі підсилювача-перетворювача; =0,0035с; =0,707. Діапазон вхідних сигналів АЦП ±10В; кількість розрядів - 16; коефіцієнт передачі В. ШІМ має 15 розрядів, діапазон вихідних струмів =±0,1, коефіцієнт передачі . ПФ 0,5 виконує перерахунок 16-ти розрядних чисел, з якими працює ОП, у 15-ти розрядні, які надходять у ШІМ, а також відображає наявність запізнення на один період для перетворення сигналу в АЦП та ШІМ, обробки інформації в ОП.

Результати моделювання перехідних процесів, АЧХ та ФЧХ каналів вимірювання наведені нижче.

Рис. 2 Перехідні процеси ДКШ при дії Рис. 3 Перехідні процеси ДКШ при дії

кутової швидкості 0,1 вздовж однієї осі. кутової швидкості 0,1 вздовж двох осей.

На цих рисунках позначено: Y1, Y2- струми в колах ДМ; Y3, Y4- кути відхилення ротора відносно корпусу ДНГ навколо двох осей. З рис. 2, 3 можна бачити, що перехідні процеси мають задовільну якість, перерегулювання не перевищує 50%, перехресний зв'язок каналів у сталому режимі роботи відсутній. Максимальне відхилення ротора не перевищує 3 кут.хв., а у сталому режимі дорівнює нулю.

Рис. 4 Y1-АЧХ та Y2-ФЧХ прямого Рис. 5 Y1-АЧХ та Y2-ФЧХ перехресного

каналу ДКШ по струмовим виходам каналу ДКШ по струмовим виходам.

З рис. 4, 5 можна бачити, що показник коливальності не більше 1,5, смуга пропускання датчика дорівнює 55 Гц. Зазнчені параметри будуть не гіршими при підвищені коефіцієнта передачі контура на 16%.

Враховано вплив вихідного цифрового суматора на АЧХ та ФЧХ датчика. Цей суматор накопичує сигнали з ШІМ для іх передачі до споживача інформації (на рис. 1 суматор не показано). Результати моделювання АЧХ та ФЧХ ДКШ з цифровим суматором на виході при частоті зчитування інформації з суматора 100Гц показали, що смуга пропускання датчика зменшилася до 47 Гц. Величина показника коливальності практично не змінилась.

Виконано оцінку похибок квантування сигналів в АЦП, ОП та ШІМ. Для цього була використана спрощена структурна схема каналу вимірювання.

Рис. 6 Спрощена структурна схема каналу вимірювання кутової швидкості з урахуванням шумів АЦП, ОП та ШІМ.

На рис. 6 позначено: - шуми відповідно АЦП, фазообертача, диференціатора, інтегратора та ШІМ.

Підрахування дисперсій шумів виконано з переходом до псевдочастоти . На виході ШІМ середньоквадратична похибка шумів вимірювання кутової швидкості дорівнює . Після цифрового суматора (на рис. 6 суматор не показано) середньоквадратична похибка шумів вимірювання кутової швидкості дорівнює . Визначається шумами квантування сигналів в АЦП та ШІМ.

Підраховано, що при амплітуді гармонічної складової сигналу ДК на частоті обертання ротора =3 кут.с.=рад., (визначається реальними параметрами регулювання ДНГ) амплітуда пульсацій сигналу на виході суматора буде дорівнювати . Постійною складовою дрейфа гіроскопа від дії ДМ, яка виникає за рахунок зазначенних коливань, можна знехтувати.

Для оцінки впливу випадкових збурень були складені рівняння для знаходження спектральних щільностей вихідних сигналів ДКШ. З цих рівнянь випливає, що перехресний вплив між каналами можна зменшити, якщо ввести в прямий канал регулятор з коефіцієнтом передачі , де []- стала часу інтегруючої ланки, яка введена в перехресний канал керування, -частота нутації. При цьому модуль ПФ перехрестного каналу вимірювання зменшується. Аналіз виразів для ПФ каналів вимірювання показує, що при реальних значеннях параметрів , замість введення зазначеного регулятора доцільно виконувати динамічну настройку ДНГ на частоті , де - частота ідеальної динамічної настройки, -кутова жорсткість підвісу ротора ДНГ по одній осі. Значення близьке до та не впливає на допуск на розкид частоти динамічної настройки приладу при його виготовленні.

Підраховано, що при дії випадкових впливів із спектральною щільністю “білий шум” зв'язок між каналами зменшується в 1,9 раза при настройці ДНГ на зазначеній частоті .

Також надані рекомендації, щодо вибору частоти ШІМ для високоточного ДКШ, яку доцільно вибирати на кілька відсотків вище збільшеної вчетверо частоти обертання ротора.

Четвертий розділ містить в собі аналіз сигналів в цифрових системах з екстраполяторами та цифровими суматорами, які також входять до складу розробленного ДКШ. На виході цих пристроів при дії на їх входах гармонічних впливів виникають періодичні сигнали, які являють собою кусково-постійні функції та можуть мати складну форму (рис.7). Зважаючи на це, запропоновано аналіз цих функцій виконувати шляхом їх розкладання в ряд по кусково-постійним функціям, а саме , де - сума ряду, яка апроксимує кусково-постійну функцію , - інтервал екстраполяції чи підсумовування, , - коефіцієнти, знайдені методом найменших квадратів:

при

при ,

де , - період гамонічного сигналу на вході екстраполятора чи цифрового суматора, , - натуральні числа, які не мають спільних дільників, =0, 1, 2,…, . Наведені вирази подібні рядам граткових функцій, але в останніх та набувають інших значень. З цих виразів випливає, що період вихідного сигналу буде дорівнювати та може бути не рівним , а модуляція вихідного сигналу буде відсутнею, якщо є парне число, =1 (рис.8). В інших випадках вона виникає за рахунок того, що може бути не кратним (рис.7).

Рис. 7 Сигнали на вході ( rx – гармонічний Рис. 8 Сигнали на вході ( rx - гармонічний

з частотою F=3 Гц) і виході (rs) з частотою F=3,2124 Гц) і виході (rs)

цифрового суматора. цифрового суматора.

П'ятий розділ присвячено розробці ДНГ з електронними засобами настройки. В такому гіроскопі динамічна настройка здійснюється шляхом зміни частоти обертання кілець карданового підвісу ротора ДНГ. Така можливість виникає завдяки застосуванню в ДНГ двохфазного ВД, а також аналого-цифрового контура керування цим двигуном. Функціональна схема такого електроприводу наведена на рис. 9.

Рис. 9. Функціональна схема електроприводу ДНГ з вентильним двигуном.

Тут позначено: ротор гіроскопа 1, кардановий підвіс 2, пружні перемички підвісу 3, вісь 4, шарикопідшипникова опора 5, корпус 6, дві фазні обмотки 7, два датчика положення ротора (ДПР) 8, ротор ВД 9, цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП) 10, 11, нуль-органи 12, 21, формувач імпульсів з тривалістю плинного періоду обертання ротора 13, тригер знаку різниці еталонного і плинного періоду обертання ротора 14, дискретний формувач імпульсів з тривалістю еталонного періоду обертання ротора з регульованим коефіцієнтом перерахунку цього періоду 15, термокомпенсований задаючий генератор 16, формувач імпульсів, кількість яких прямопропорційна різниці еталонного і плинного періоду обертання ротора 17, лічильник прямого і зворотного рахування імпульсів 18, підсилювачі потужності 19, 20, двохфазний низькочастотний генератор 22, електронні ключі 23, 25, 26, ланка затримки 24, трігер напрямку обертання 27, пороговий пристрій 28, спрямовувач 29.

Плинний період обертання ротора вимірюється за допомогою сигналів ДПР, які входять до складу ВД. Ці сигнали являють собою двохфазні напруги, частота та амплітуда яких прямопропорційна кутовій швидкості обертання ротора. Стабілізація плинного періоду обертання ротора здійснюється шляхом порівняння цього періоду з еталонним, який формується від термокомпенсованого кварцевого генератора. При цьому запуск формувача еталонного періоду здійснюється переднім фронтом формувача імпульсів з тривалістю плинного періоду. Різниця зазначених періодів вимірюється шляхом заповнення її високочастотними імпульсами, які поступають від того ж термокомпенсованого генератора. Ці імпульси підраховуються в лічильнику прямого і зворотного рахування, який виконує функцію інтегруючої ланки. Двоічні коди з цього лічильника через буферні регістри поступають на входи ЦАП в якості опорних напруг яких застосовуються сигнали ДПР. Сигнали з ЦАП поступають на входи підсилювачів потужності, на виходах яких формуються напруги живлення двох фаз ВД. Зміна періоду обертання ротора здійснюється шляхом зміни двоічного коду, який визначає коефіцієнт перерахунку дискретного формувача імпульсів з тривалістю еталонного періоду обертання ротора. При цьому змінюється еталонний, а від того і плинний період обертання ротора. Дискретність регулювання періоду дорівнює 0,004 Гц або 0,002%, діапазон регулювання - 25%. Початковий розгін здійснюється спочатку за допомогою окремого двохфазного низькочастотного генератора, а потім встановленням одиниці в старшому розряді ЦАП. При досягненні періоду, який на 5-10% більше еталонного, ця одиниця обнуляється та керування забезпечується тільки від системи стабілізації періоду обертання ротора. Досягнуто стабілізацію періоду з похибкою до 0,01% при часі вимірювання періоду 0,167с. Структурна схема системи стабілізації з керуванням по різниці періодів, яка слушна при малих відхиленнях плинного періоду від еталонного, наведена на рис. 10.

Рис. 10 Структурна схема системи стабілізації з керуванням по різниці періодів:

- момент опору обертання ротора, - постійна часу ВД, -сумарний момент інерції роторів гіроскопа та електроприводу, -коефіцієнт передачі ВД, - коефіцієнт передачі БКД, -еталонний період обертання ротора, -період екстраполятора, .

Як можна бачити з рис. 10 параметри схеми залежать не тільки від параметрів ВД та БКД, а також від , система має астатизм першого порядку.

За допомогою - перетворень було знайдено вираз для кутової швидкості обертання ротора

де .

Із знайденного виразу випливає, що статична похибка кутової швидкості дорівнює нулю при постійному значенні . Якщо нестабільність моменту опору дорівнює , то зв'язок з допуском на нестабільність періоду обертання ротора можна оцінити по формулі . Використовуючи зазначену формулу для знаходження допуску на , а також розробленний для вимірювання моменту опору моментомір компенсаційного типу, здійснено відбраковку шарикопідшипникових опор до іх установлювання в електропривод.

Також були знайдені умови стійкості системи стабілізації.

Розроблено методику динамічної настройки ДНГ електронними засобами замість механічних, яка здійснюється шляхом зміни кутової швидкості обертання ротора. При цьому було суттєво спрощено конструкцію та технологію виготовлення приладу.

ВИСНОВКИ

В результаті проведених досліджень:

1. Розроблено та узагальнено теорію датчика кутової швидкості на базі динамічно настроюваного гіроскопа з аналого-цифровими контурами керування в каналах вимірювання кутової швидкості та керування електроприводом обертання ротора гіроскопа, яка до цього часу була розроблена для датчиків з аналоговими контурами керування.

Розроблено та впроваджено у виробництво новий датчик кутової швидкості на базі динамічно настроюваного гіроскопа з зазначенними вище аналого-цифровими контурами керування, що дає змогу забезпечити потреби широкого класу навігаційних систем та систем керування рухомими об'єктами.

2. Розроблена теорія дозволила визначити структуру та розрахувати параметри контурів керування, що забезпечують необхідну якість процесів регулювання гіроскопа та вимірювання кутової швидкості об'єкта, проаналізувати та дати пояснення особливостям, які мають місце в цих процесах. Встановлена причина виникнення сигналів складної форми на виході екстраполяторів нульового порядку та цифрових суматорів при подачі на вхід цих пристроїв гармонічних сигналів, а також визначено співвідношення між періодом гармонічного сигналу та періодом екстраполяції чи підсумовування, яке дозволяє визначити виникне чи ні модуляція вихідних сигналів. Встановлено, що період вихідного дискретного сигналу може відрізнятись від періоду вхідного гармонічного сигналу в декілька разів.

3. Розроблено метод синтезу цифрових рекурсивних диференцюючих фільтрів з подавленням високих частот, та фазообертача. Цей метод дав більш прийнятні результати в порівнянні з відомими методами знаходження передаточних функцій наведених цифрових ланок по бажаним аналоговим передаточним функціям.

4. Показано, що при дії детермінованих впливів, як то поворот об'єкта з постійною кутовою швидкістю чи з постійним кутовим прискоренням, а також при дії випадкових впливів, перехресний звязок каналів можна зменшити чи зробити його відсутнім в сталому режимі роботи (тільки для детермінованих впливів), якщо в контур зворотного зв'язку перехресного каналу ввести інтегруючу ланку, а динамічну настройку ДНГ виконувати на розрахованій в роботі частоті.

5. Забезпечена можливість виконання динамічної настройки гіроскопа засобами цифрової електронної техніки замість механічних шляхом зміни кутової швидкості обертання ротора, за рахунок чого точність настройки підвищена в декілька десятків разів. Розроблена методика такої настройки. При цьому також підвищено технологічність та спрощено конструкцію приладу, а саме виключені різьбові отвори в підвісі, регулюючі гвинти та необхідність фіксації їх клеєм. Також забезпечена висока стабільність кутової швидкості обертання ротора ( не гірша 0,01%).

Результати досліджень використовувались при розробці датчика кутової швидкості, що забезпечило високі технічні характеристики останнього, можуть бути використані при створенні подібних датчиків та аналого-цифрових систем узагалі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАННИХ ПРАЦЬ

1. Збруцький О.В., Янкелевич Г.Є. Особливості роботи датчика кутової швидкості з аналого-цифровим контуром зворотного зв'язку при гармонічному вхідному впливі // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. 2000.- № 1.

- C. 73-78.

2. Янкелевич Г.Є. Метод синтезу цифрових корегуючих ланок // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. 2000.- № 2.- C. 95-99.

3. Збруцький О.В., Янкелевич Г.Є. Вибір параметрів контура зворотного зв'язку датчика кутової швидкості на базі динамічно настроюваного гіроскопа // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. 2000.- № 3.- C. 79-87.

4. Янкелевич Г.Є. Метод аналізу сигналів в обчислювальних системах з екстраполяторами та цифровими суматорами // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. 2000.- № 5.- с. 127-135.

5. Способ измерения момента сопротивления вращению подшипниковых опор: А. С. 1735727 СССР, МКИ G 01 L 3/00, G 01 M 13/04 / Янкелевич Г.Е.- №4821358/10; Заявлено 20.03.90; Опубл. 23.05.92. Бюл. № 19.

6. Пристрій для динамічного настроювання динамічно настроюваного гіроскопа: Патент 35016А Україна, МКВ G 0I C 19/56. / Галаган О.А, Глазунов І.Є., Клименко О.І., Мудренко М.Д., Осипов В.П., Хазанович Л.Б., Янкелевич Г.Є. (Україна).- № 99074388; Заявл. 29.07.99; Опубл. 15.03.01; Офіційний бюллетень " Промислова власність" №2.

7. Галаган А.А., Глазунов І.Є., Клименко О.І., Мудренко М.Д., Осипов В.П., Хазанович Л.Б., Янкелевич Г.Є. Динамічно настроюваний гіроскоп з електронними засобами динамічної настройки // ІІІ Международная научно-техническая конференция “Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование подвижных объектов”. Сборник докладов/ К.: НТУУ “КПІ”, 2001.-С. 56-63.

8. Збруцький О.В., Стадник В.І., Янкелевич Г.Є. Шляхи зменшення перехресного зв'язку каналів датчика кутової швидкості на базі динамічно настроюваного гіроскопа // ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція “АВІА-2001”. Збірник доповідей / К.: НАУ, 2001.-Том 2.-С.6.9-6.12.

9. Збруцький О.В., Глазунов І.Є., Янкелевич Г.Є. Метод вибору параметрів контуру зворотного зв'язку ДКШ // 1-а Національна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація та управління рухом”. Тези доповідей, К.: 1997.- C.36.

10. Глазунов І.Є., Бобошко А.І., Таболін Ф.М., Хазанович Л.Б., Цибуля О.І., Янкелевич Г.Є. Стан та технологічні проблеми розробок динамічно настроюваних гіроскопів (ДНГ) в Україні // Науково-технічний семінар "Проблеми чутливих елементів навігаційних систем". Тези доповідей, Механіка гіроскопічних систем.- К.: Либідь, 1997.- випуск 14.- C. 197-198.

Анотація

Янкелевич Григорій Євсійович. Створення датчика кутової швидкості на базі динамічно настроюваного гіроскопа з аналого-цифровими контурами керування.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністью 05.11.03- Гіроскопи та навігаційні системи.- Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001.

Розроблено та узагальнено теорію датчика кутової швидкості на базі динамічно настроюваного гіроскопа з аналого-цифровими контурами зворотного зв'язку в каналах вимірювання кутової швидкості та керування електроприводом обертання ротора гіроскопа. Синтезовано аналого-цифрові контури зворотного зв'язку в каналах вимірювання кутової швидкості, які забезпечують належну якість перехідних та сталих процесів вимірювання, зменшення взаємозв'язків між цими каналами при дії випадкових впливів.

Розроблено електронний пристрій керування електроприводом обертання ротора гіроскопа, що забезпечує можливість виконання динамічної настройки засобами цифрової електронної техніки замість механічної. При цьому забезпечується спрощення конструкції та технології виготовлення гіроскопа, а також висока стабільність кутової швидкості обертання ротора гіроскопа.

Ключові слова: датчик кутової швидкості, динамічно настроюваний гіроскоп, аналого-цифрові контури керування.

Summary

Jankelevych Hryhori Jevsyovych. Creation of the angular rate, based on the dynamical tuning gyroscope with analog-digital contours of control. - Manuscript.

This is for philosopy doctor in engineering degree by speciality 05.11.03- Gyros and navigational system.- National Technical Univercity of Ukraine “Kiev Polytechnical Univercity”, Kiyv, 2001.

It has been worked out and summarized the theory of feedback coupling in canals of angular rate measurement and of electric drive control of gyroscope rotor rotation. It has been synthesized the analog-digital contours of feedback coupling in canals of angular rate measurement, which provide corresponding quality of trasitory and constant measurement processes, reducing of interaction between these canals at incidental influences action.

It has been worked up electronic device of electric drive control of gyroscope rotor rotation, that gives possibility to dynamic tuning by means of digital electronic and not mechanical technology. At the same time simplification of construction and large-scale integration technology gyroscope and also high stability of angular rate rotation of gyroscope rotor occur.

Key words: anugular rate sensor, dynamical tuning gyroscope, analog-digital control contours.

Аннотация

Янкелевич Григорий Евсеевич. Создание датчика угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа с аналого-цифровыми контурами управления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.03 – Гироскопы и навигационные системы. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2001.

Диссертация посвящена созданию датчика угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа с аналого- цифровыми контурами в каналах измерения угловой скорости и управления электроприводом собственного вращения ротора гироскопа. В работе проведен анализ структуры аналого- цифрового контура в канале измерения угловой скорости, определены типы корректирующих звеньев и их параметры, целесообразность их реализации в аналоговом или цифровом виде. Разработан метод синтеза цифровых звеньев, который, в частности, позволяет определить цифровую передаточную функцию рекурсивного фильтра, обеспечивающего дифференцирование сигналов на низких частотах и подавление высокочастотной составляющей. Доказано, что если желаемая аналоговая передаточная функция является устойчивой, то полученная предложенным методом из желаемой аналоговой цифровая передаточная функция также является устойчивой. Если аналоговая передаточная функция является не устойчивой, то соответствующая цифровая может быть как устойчивой так и не устойчивой.

Путем математического маделирования выполнен синтез указанного контура, исходя из необходимости обеспечения требуемой полосы пропускания датчика, динамических и статических параметров переходных процессов. При этом учитывалось наличие пульсаций сигнала датчика угла. Показано, что для обеспечения астатизма канала измерения угловой скорости интегрирующее звено следует вводить в перекрестный контур обратной связи канала измерения, а не в прямой, так как в последнем случае система становиться не устойчивой. Получено выражение для частоты динамической настройки, при которой в случае введения интегрирующего звена в перекрестный контур обратной связи, уменьшается взаимное влияние каналов измерения угловой скорости при действии на датчик случайных воздействий. Определены шумы квантования сигналов.

Исследовано явление возникновения сигналов сложной формы на выходе цифровых систем с экстраполяторами нулевого порядка и цифровыми сумматорами при действии на их входе гармонических сигналов. Установлены соотношения между периодом входного сигнала и периодом экстраполирования или суммирования, при котором возникают или не возникают выходные сигналы сложной формы. Определено выражение для периода выходного сигнала, который может отличаться от периода входного сигнала.

Разработаны функциональная и структурная схемы, а также получены уравнения работы аналого-цифрового контура управления электроприводом вращения ротора гироскопа. При этом электропривод выполнен на базе вентильного двигателя, который содержит датчики положения ротора, частота и амплитуда выходного напряженияпо которых прямопропорциональна частоте вращеня ротора. Стабилизация текущего периода вращения ротора осуществляется путем сравнения этого периода с эталонным, который формируется от термокомпенсированного кварцевого генератора. Разница этих периодов измеряется путем заполнения её высокочастотными импульсами, которые также поступают от этого генератора. Указанный контур управления обладает астатизмом первого порядка, а также обеспечивает возможность дискретного изменения периода вращения ротора гироскопа путем изменения двоичного кода на соответсвующих входах устройства управления электроприводом. При этом изменияется эталонный период, а также обеспечиваются малая величина дискретности и высокая стабильность периода вращения ротора гироскопа. Исследована устойчивость контура управления с электроприводом. Установлено соотношение между нестабильностью момента сопротивления вращению ротора, допустимой нестабильностью периода вращения ротора и параметрами системы. Полученное соотношение, а также разработанный для измерения указанной нестабильности моментомер, позволяют выполнять отбраковку скоростных шарикоподшипниковых опор до их установки в электропривод.

Разработана методика динамической настройки гироскопа путем изменения скорости вращения ротора. Исключение механических средств динамической настройки позволило повысить точность прибора, упростить его конструкцию и технологию изготовления за счет исключения резьбовых отверстий в кольцах подвеса ротора, соответствующих регулировочных винтов, а также клеевых соединений для фиксации указанных винтов.

Результаты диссертации могут быть использованы для синтеза контуров управления датчиков угловой скорости, а также других цифровых систем.

Ключевые слова: датчик угловой скорости, динамически настраивыемый гироскоп, аналого-цифровой контур управления.