"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 531.383

КОРОБІЙЧУК Ігор Вацлавович

ДВОКІЛЬЦЕВИЙ ДИНАМІЧНО НАСТРОЮВАНИЙ ГРАВІМЕТР АВІАЦІЙНОЇ ГРАВІМЕТРИЧНОЇ СИСТЕМИ

Спеціальність 05.11.01 - Прилади та методи

вимірювання механічних величин

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Житомирському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі “Автоматизації і комп’ютеризованих технологій”.

Науковий керівник: | Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

БЕЗВЕСІЛЬНА Олена Миколаївна

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри приладобудування

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

КАРАЧУН Володимир Володимирович

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри біотехніки та інженерії

доктор технічних наук

ЧІКОВАНІ Валерій Валеріанович

Товариство з обмеженою відповідальністю „Інналабс Ю.А.”, начальник відділу розробки гіроскопів

Захист відбудеться “9” листопада 2007 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.07 при Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 01056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус №1, ауд. 163.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 01056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “5” жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

проф., д.т.н. Л.М. Рижков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Знання параметрів гравітаційного поля Землі необхідне для багатьох галузей науки і техніки: в геології і геодезії для розвідки корисних копалин (особливо у важкодоступних місцевостях гірських масивів та океанів), в аерокосмічній галузі для корекції інерціальних навігаційних систем та ін. Точність та швидкодія вимірів параметрів гравітаційного поля Землі (їх аномалій ) залежить, в першу чергу, від вибору гравіметра. Тому гравіметр, як основний чутливий елемент авіаційної гравіметричної системи (АГС), повинен мати високі основні метрологічні характеристики: точність, швидкодію.

Таким чином, ефективність роботи АГС значною мірою забезпечується вибором чутливого елемента системи - гравіметра. Сьогодні одними з найперспективніших вважаються гіроскопічний вимірювач прискорень (ГВП) та однокільцевий динамічно настроюваний гравіметр (ГД).

Але зростаючі вимоги до точності вимірювання гравітаційних аномалій, зменшення габаритів та ваги гравіметра АГС націлюють на пошук гравіметрів, які мають ще більші точність та швидкодію, ніж ГВП та ГД.

Тому актуальним є дослідження нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра (ДГ), який має менші габарити, ніж гіроскопічний вимірювач прискорень, точність та швидкодію більші, ніж у ГВП та ГД.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами

Дослідження та розробки, узагальнені в дисертації, виконувались в процесі дослідження нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра в рамках відповідних науково-дослідних робіт між кафедрою автоматизації і комп’ютеризованих технологій та Міністерством освіти і науки України:

-

-

-

-

Мета та задачі дослідження

Метою роботи є підвищення точності та швидкодії вимірювань аномалій гравітаційного прискорення шляхом використання в якості гравіметра авіаційної гравіметричної системи нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра.

Основні задачі:

- розробити функціональну схему нового ДГ в складі АГС;

- отримати рівняння руху нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра у загальному випадку руху основи та дослідити стійкість і передатну функцію нового ДГ;

- дослідити поведінку нового ДГ при гармонійній дії збурень та у статичному режимі роботи, надати рекомендації по збільшенню точності вимірювань;

- дослідити пристрій динамічного настроювання нового ДГ;

- провести дослідження поведінки ДГ у разі найбільш несприятливих резонансних режимів за допомогою ЦОМ;

- провести експериментальні дослідження ДГ з метою підтвердження достовірності отриманих теоретичних положень.

Об'єкт дослідження: прецизійні вимірювання аномалій гравітаційного поля Землі двокільцевим динамічно настроюваним гравіметром.

Предмет дослідження: двокільцевий динамічно настроюваний гравіметр авіаційної гравіметричної системи з пристроєм динамічного настроювання.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі використано такі методи досліджень:

-

-

-

-

Наукова новизна одержаних результатів

В процесі виконання роботи отримано такі наукові результати:

- створено наукові засади використання двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра в складі авіаційної гравіметричної системи;

- побудовано математичну модель двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра, яку аналітично досліджено за сумісної і окремої дії збурень;

- розроблено новий алгоритм обчислення похибок ДГ, що дає можливість підвищити точність вимірювання;

- вперше досліджено питання фільтрації вихідного сигналу з новим ДГ;

- вперше досліджено нову схему двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра (патент України на винахід №78620) більшої точності од відомих.

Практичне значення одержаних результатів

Практичне значення наукових досліджень та отриманих результатів полягає у наступному:

- створено нову методику автоматизованої реєстрації g за допомогою нового ДГ;

- розроблено більш точний од відомих алгоритм автоматизованих вимірювань g АГС з ДГ;

- розроблено математичну модель нового ДГ;

- розроблено алгоритми дослідження нового ДГ в найбільш несприятливих динамічних умовах .

Наукові та практичні здобутки дисертації впроваджені на ВАТ „Науково - виробничий комплекс „Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського” (м. Київ).

Результати роботи впроваджено в навчальному процесі на кафедрі автоматизації і комп’ютеризованих технологій Житомирського державного технологічного університету при проведенні лекційних, лабораторних та практичних занять з навчальної дисципліни „Технологічні вимірювання та прилади”.

Зазначені результати дозволяють підвищити точність та швидкодію нового ДГ АГС у 5 разів порівняно з відомими авіаційними гравіметрами.

Особистий внесок здобувача

Основні теоретичні положення дисертації розроблено разом з науковим керівником. Автором проведено аналіз авіаційних гравіметрів, розроблено функціональну схему нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра, та функціональну схему АГС з новим ДГ. Отримано рівняння руху нового ДГ у загальному випадку руху основи. Досліджено поведінку нового ДГ при гармонійній дії збурень та у статичному режимі роботи, надано рекомендації по збільшенню точності вимірювань. Розроблено алгоритм автоматизованих досліджень підвищеної точності новим ДГ АГС з цифровою обробкою інформації. Проведено математичне моделюванням на ЦОМ та експериментально з макетом нового ДГ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати ди-сертації доповідались та одержали позитивну оцінку на наступних науково-технічних конференціях та семінарах: ХХХ наукова конференція, присвячена 45-ій річниці Житомирського державного технологічного університету (Житомир, 2005), науково-технічна конференція „Приладобудування 2005: стан і перспективи” (Київ, 2005), ХХХІ науково – практична міжвузівська конференція, присвячена 46-ій річниці Житомирського державного технологічного університету (Житомир, 2006), науково-технічна конференція „Приладобудування 2006: стан і перспективи” (Київ, 2006), Всеукраїнська наукова конференція студентів, аспірантів та молодих вчених „Інтелектуальний потенціал молоді в науці та практиці” (Хмельницький, 2006), Міжнародна наукова конференція „Механіка 2006” (Польша, м.Жешув, 2006), ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція „Інформаційно-комп’ютерні технології 2006” (Житомир, 2006), VI Міжнародна науково-практична конференція „Практична космонавтика і високі технології” (Житомир, 2007), ХХХІІ науково – практична міжвузівська конференція, присвячена 47-ій річниці Житомирського державного технологічного університету (Житомир, 2007), науково-технічна конференція „Приладобудування 2007: стан і перспективи” (Київ, 2007), а також на науково-методичних семінарах кафедри автоматизації і комп’ютеризованих технологій ЖДТУ у 2004-2007 роках.

Публікації. З теми дисертації надруковано 18 наукових праць, із них 7 у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України та отримано один патент на винахід.

Структура роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, списку використаних джерел із 115 назв, загальних висновків та додатків. Повний обсяг дисертації складає 198 сторінок, з яких основний зміст роботи викладено на 165 сторінках друкованого тексту. В тексті використані 58 рисунків та 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дослідження, можливість та доцільність використання у якості гравіметра авіаційної гравіметричної системи нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну, практичне значення отриманих результатів. Наведено основні наукові та практичні результати, які отримано в дисертації. Показано структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі проведено класифікацію гравіметрів АГС, визначено місце розглядаємого нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра серед інших типів гравіметрів АГС. Найбільш вагомими в галузі авіаційних гравіметричних вимірювань у Росії з 1958 до останнього часу є роботи, виконані під керівництвом Є.І. Попова в інституті фізики Землі РАН із сильно демпфіруваними гравіметрами ГАЛ-С; В.О. Богромянца, а раніше – А.М. Лозинської у ВНДІ геофізики з комплектом апаратури на базі струнних гравіметрів ГС; Л.Г. Полякова у Московському НДІ електромеханіки й автоматики; в Україні О.М.Безвесільної в НТУУ “КПІ” з комплексом апаратури на базі гіроінтегратора лінійних прискорень та на базі гіроскопічного вимірювача прискорень – однокільцевого динамічно настроюваного гравіметра (ГД). Великий обсяг гравіметричних досліджень проведено в США – з різноманітними типами гравіметрів ( Bell BGM – 2, Bell VMIX; Autonetics VM-4G, Autonetics VM-76; Arma Lot D, Arma D4E; PIGA-16, PIGA-25 тощо) з 1958р. і до останнього часу. Проведено оцінку сучасного стану проблеми на основі науково-технічного аналізу літератури по темі досліджень.

Показано, що точність та швидкодія найбільш відомих авіаційних гравіметрів є недостатніми, а мета і задачі дисертації є актуальними, потребують подальших досліджень.

Розроблено функціональну схему нового ДГ, що досліджується (рис.1). Новий ДГ з внутрішним кардановим підвісом має значно менші габаритні розміри ніж інші відомі авіаційні гравіметри. Для вдосконалення гравіметра і забезпечення підвищення точності вимірювань прискорення сили тяжіння, центр мас ротора динамічно настроюваного гіроскопа зміщено відносно осі його обертання (рис.2).

Рис.1. Функціональна схема нового ДГ з внутрішнім кардановим підвісом

Розроблено функціональну схему АГС з новим ДГ (рис.2). Отримано рівняння руху АГС з новим ДГ |

(1)

або ,

де - вихідний сигнал нового ДГ АГС; E - поправка Етвеша

;

A - поправка за висоту:

;

- довідкове значення прискорення сили ваги

;

м/с2 - довідкове екваторіальне значення прискорення сили ваги .

Показано, що вираз поправки Етвеша відрізняється од відомого наявністю члена , який дорівнює 1мГл; вираз поправки за висоту відрізняється од відомого додатковим членом , який дорівнює 2,67 мГл. Тобто похибки при неврахуванні впливу цих додаткових членів неприпустимо великі.

Встановлено, що частотні спектри корисного сигналу аномалії прискорення сили ваги та сигналу збурення вертикального прискорення різні. Переважна частота 0,00175 рад/с; переважна частота вертикального прискорення літака 0,268 рад/с. На основі аналізу графіків побудовано фільтр нижніх частот. Пристрій обчислення вихідного сигналу гравіметра перетворює результат фільтрації вимірювального сигналу у вихідний сигнал гравіметра.

Розглянуто принцип дії АГС з запропонованим новим ДГ, схему якої представлено на рис. 2, яка має наступні переваги перед відомими системами:*

забезпечує вищу точність вимірювань, у поправки Етвеша і за висоту введено додаткові члени, похибки від неврахування яких неприпустимо великі - 1мГл та 2,67 мГл;*

новий ДГ АГС має такі переваги перед відомими сильно демпфіруваним (типу ГАЛ-C) і струнним (типу ГС) гравіметрами: у ДГ більша швидкодія

Рис. 2. Авіаційна гравіметрична система з новим ДГ: N – північний полюс Землі; gz – проекція прискорення сили тяжіння на вісь чутливості гравіметра АГС; g - прискорення сили тяжіння (гравітаційне прискорення); - географічна широта; с – геоцентрична широта; r – радіус місцезнаходження АГС; h–висота АГС над поверхнею еліпсоїда; g – аномалія прискорення сили тяжіння

порівняно з ГАЛ-C; на роботу ДГ не впливають резонанси, на відміну від ГС; на ДГ не впливають "перехресні" горизонтальні прискорення; новий ДГ має набагато менші динамічні похибки, ніж ГС і ГАЛ-C; *

забезпечує вищу швидкодію, ніж відомі, гарантує безперервний процес вимірювань на борту літака під час польоту.

Обчислено максимальні значення похибок вимірювання параметрів нового ДГ АГС: шляхова швидкість v - 0,05 м/с, курс k - 1,43 кут. хв., географічна широта - 0,5 кут. хв., висота h - 3,3 м, вертикальна швидкість - 0.5 м/с, вертикальне прискорення - 1 м/с, шлях s - 1,5 м, похибка стабілізації осі чутли-вості гравіметра АГС – 5 кут. хв.

У другому розділі отримано рівняння руху нового ДГ з врахуванням його роботи на рухомій основі: |

(2)

Аналіз рівняння руху нового ДГ показав, що у випадку корисного сигналу, який повільно змінюється і за відсутністю перешкод - вихідний сигнал пропорційний вимірюваному прискоренню. Отримано залежності для визначення конструктивних параметрів ротора гравіметра, визначено основні розрахункові параметри ДГ.

Встановлено, що система ДГ є стійкою. Проведено аналіз стійкості і визначено зони стійкості по коефіцієнту передачі каналу вимірювань ku, по зсуву центра мас l і по частоті обертання ротора . Одержано структурну схему та ЛАЧХ ДГ. Показано, що у випадку ідеального динамічного настроювання для забезпечення стійкості необхідно використовувати від’ємний зворотній зв'язок в каналі вимірювань.

Проведено розрахунок і аналіз статичних похибок гравіметра. Показано, що похибки від перехресних прискорень і , a також від кутових швидкостей і прискорень , , , можуть бути відфільтровані, тому що змінюються з частотою по відношенню до корисного сигналу. Найбільше значення має похибка від вертикального інерціального прискорення , що сприймається ДГ так само, як і корисний сигнал, і повинна враховуватись. Розрахунок і аналіз інструментальних похибок показав, що для їх зменшення необхідно використовувати термостатування: зменшуються лінійні деформації підвісу, які порушують розрахункові значення параметрів гравіметра. Напругу живлення для привідного двигуна необхідно проводити від високостабільного джерела струму.

Проведено розрахунок і аналіз динамічних похибок ДГ з врахуванням специфіки застосування гравіметра у складі АГС. Отримано результати аналізу впливу лінійних прискорень, впливу кутових швидкостей, сумісної дії кутових швидкостей та лінійних прискорень.

При досліджені динамічних похибок показано, що найбільших значень похибка досягає на частотах збурень, близьких до частоти власних коливань гравіметра і на низьких частотах, а з ростом амплітудних значень похибка тільки збільшується і досягає значних величин при частотах , близьких .

Показано, що похибки ДГ можна зменшити збільшенням коефіцієнта каналу вимірювання, або зменшенням маятниковості. Встановлено, що розглянутий новий ДГ доцільно використовувати для вимірів у складі АГС завдяки високій чутливості, простоті виділення корисного сигналу на фоні перешкод по частотному признаку. Для надійної роботи ДГ необхідно забезпечити сталість і алгоритмічну компенсацію систематичних похибок шляхом стабілізації всіх параметрів

Третій розділ присвячено дослідженню пристрою динамічної настройки нового ДГ.

Аналіз вихідних кутів ДГ показав, що обидва кути відхилення ротора відносно осей і , нелінійно залежать від кутів і кутових швидкостей повороту основи відносно опорних осей і . Показано, що вихідні сигнали в сталому режимі пропорційні кутам повороту основи. Кожний із двох вихідних сигналів реагує на обидві ортогональні складові переносної кутової швидкості. На ДГ зменшується вплив вібрацій основи, особливо з частотою , завдяки застосуванню підвісу із двома кардановими кільцями. При гармонійних коливаннях основи, амплітудно-частотні і фазочастотні перешкоди несуттєві. Новий ДГ має високочастотні нутаційні коливання і повільний прецесійний рух.

Отримано динамічні параметри ДГ. Розкладом характеристичного рівняння (2) на добуток двох квадратних поліномів з урахуванням , отримано: |

(3)

(4)

Частота прецесійних згасаючих коливань

. | (5)

Досліджено взаємодію ДГ з електричним приводом. З (2) отримано для

привідного двигуна умову динамічного настроювання і рівняння максимальних амплітуд коливань:

, . |

(6)

При дослідженні взаємодії ДГ з електричним приводом було встановлено, що нелінійні зв'язки між координатами ДГ і взаємодія ДГ із приводним двигуном є причиною зміни власної частоти гравіметра і повинні враховуватись при забезпеченні умови динамічного настроювання.

З (2) отримано:

, . |

(7)

З (7) видно, якщо центр жорсткості торсионів не збігається з місцем прикладення рівнодіючих сил в'язкості, то сили в’язкого тертя в підвісі викликають момент збурення сил тяжіння, який, на відміну від моменту статичного дебалансу, спрямований по вертикалі.

У четвертому розділі досліджено поведінку нового ДГ за допомогою ЦОМ. Рівняння руху (2) нового ДГ перетворено до машинного вигляду:

; | (8)

;

де змінна з достатньою точністю відтворюється на ЦОМ, оскільки , , , задаються як відомі функції часу.

Побудовано структурну схему моделювання, що відповідає рівнянням (8), розроблено алгоритм та складено програму досліджень ДГ на ЦОМ для наступних значень параметрів:

амплітуди

- лінійного прискорення G, X, Y, Z, мс-2 – 10-6; 10-4; 10-2; 1,0,

- кутової швидкості Щx, Щy, Щz, с-1 – 10-5; 10-4; 10-3; 10-2,

- кутового прискорення , с-2 – 10-4; 10-3; 10-2; 1,0,

- частоти щ, с-1 – 0,001; 0,1; 1; 20; 180,

- коефіцієнта демпфірування о – 0,1; 0,4; 0,7; 1,0.

Проведено дослідження на ЦОМ поведінки нового ДГ і визначено його реакцію на зовнішні впливи для різних значень власних параметрів і параметрів збурювань при найбільш несприятливих резонансних режимах щ=щп, щ=2щп, щ=3щп, 2щ=щп, 3щ=щп.

Встановлено, що:

- гармонійно змінюваний корисний сигнал викликає відповідні коливання ротора, амплітуда яких пропорційно зростає зі збільшенням амплітуди вхідного впливу і зменшується зі збільшенням коефіцієнта демпфірування;

- на низьких частотах (щ<<щ0) вхідний сигнал передається практично без його зміни, змінюється лише його амплітуда в залежності від щ і о;

- на частотах, близьких до частоти власних коливань щ0, і при малому о, спостерігається значний ріст амплітуди коливань;

- на частотах, близьких до частоти обертання ротора і при малих значеннях о виникають биття з частотою щ0.

Моделюванням на ЦОМ підтверджено правильність висновків, зроблених при аналітичних дослідженнях поведінки ДГ. Показано, що найбільш несприятливим є випадок співпадання частоти збурень з частотою власних коливань і частотою обертання ротора.

В п’ятому розділі наведено відомості щодо проведених експериментальних досліджень нового ДГ.

Розроблено динамічний моделюючий стенд для експериментальних досліджень нового ДГ в складі динамічного моделюючого комплексу (рис.3). Розроблено методику для проведення експериментальних досліджень на динамічному моделюючому комплексі.

Складено рівняння для визначення аномалії прискорення сили тяжіння з використанням нового ДГ, яке може бути використано при проведенні

Рис.3. Структурна схема динамічного моделюючого комплексу:

1– корпус; 2 – горизонтальна вісь; 3 – слідкуючий привід; 4 – ДГ; 5 – вісь; 6, 8– синусно-косинусний перетворювач; 7 – вісь проміжного кільця; 9 – внутрішнє кільце; 10 – проміжне кільце; 11 – зовнішнє кільце; 12 – перехідний пристрій; 13 – опорна плита; 14 – перетворювач; 15, 19, 22 – підсилювач; 16, 18, 27 – блок добутку; 17, 20, 24, 25. 26 – операційний підсилювач; 21 – перетворювач сигналів; 23 – фільтр сигналу

аерогравіметричних досліджень |

(9)

де (t1, t2) - інтервал часу осереднення, рискою позначено середні значення.

Створено методику осереднення параметрів, що входять у рівняння руху (9). Проведено іспити макета нового ДГ на стенді (рис.4), результати досліджень наведено на рис.5. Для створення стенда використано модифікований двокільцевий динамічно настоюваний гіроскоп типу ГВК-6.

Отримано, що вихідний сигнал нового ДГ пропорційно зростає зі збільшенням маятниковості ml і амплітуди прискорення. При збільшенні частоти зміни вхідного прискорення вище власної частоти коливань щп, спостерігається зменшення амплітуди вихідного сигналу. В результаті експериментів підтверджено висновки, отримані при аналітичних дослідженнях та при моделюванні на ЦОМ поведінки нового ДГ.

Опрацьовано методику проведення гравіметричних вимірів з ДГ на борту літака і надано рекомендації зі способів підвищення точності вимірів.

Розроблено більш точний од відомих алгоритм автоматизованих вимірювань АГС з ДГ. Результати вимірювань прискорення сили тяжіння містять систематичні похибки , які обумовлені дією на гравіметр наступних факторів:

1.  – нелінійні викривлення траєкторії руху чутливого елементу;

2.  – нерівність нулю показника згасання прецесійних коливань через дію на гіроскоп моментів типу в’язкого тертя;

3.  – неізохронність прецесійних коливань;

4.  – неспівпадіння значення колової частоти прецесійних коливань, що використовується в алгоритмах оцінювання, зі значенням колової частоти прецесійних коливань гіроскопа;

5.  – завади, що викривляють закон руху ЧЕ, в результаті чого виникає систематична складова частина похибки.

Рис.4. Структурна схема стенда для дослідження нового ДГ

а) | б)

Рис. 5. Експериментальні залежності вихідного сигналу нового ДГ

а) від прискорення б) від частоти

Компенсація систематичних похибок вимірювань прискорення сили тяжіння виконується шляхом їх виключення за формулою, отриманою автором у науково-технічному звіті з фундаментальної НДР №2803:

,

де – вихідний сигнал гравіметра після компенсації похибок; – вихідний сигнал датчика кута повороту, пропорційний прискоренню сили тяжіння.

Розроблено алгоритм, завдяки якому у вихідному сигналі нового ДГ повністю компенсується вплив ряду похибок вимірювань, що дозволяє суттєво підвищити точність вимірювань прискорення сили тяжіння. В результаті проведених випробувань визначено, що новий ДГ забезпечує підвищення точності вимірювань прискорення сили тяжіння у 5 разів в порівнянні з відомими гравіметрами.

Зроблено висновок, що розглянута схема нового ДГ нового типу практично реалізована і може бути використана разом з викладеними методиками для проведення авіаційних гравіметричних вимірювань.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Викладені в дисертаційній роботі дослідження дозволили вирішити актуальну і складну науково-технічну задачу, що має важливе народногосподарське значення, - підвищити точність і швидкодію авіаційної гравіметричної системи з використанням двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра. Здобуто такі нові результати:

1. Розвинено й узагальнено теорію побудови АГС з новим ДГ, захищеним патентом України на винахід.

Виявлено головні переваги ДГ з внутрішнім кардановим підвісом і динамічним настроюванням: більш раціональні використання обсягу гравіметра з триступеневим підвісом і усунення моменту сил сухого тертя шляхом використання пружного підвісу. Запропоновано принципову схему нового ДГ. Показано, що, на відміну од відомих, така схема гравіметра дозволяє, завдяки можливості здійснення динамічної настройки, отримати більший коефіцієнт передачі і знизити поріг чутливості при більш високій швидкодії (стала часу Т=0,05с), а також - відділити корисний сигнал від сигналу перешкод.

2. Запропоновано і досліджено нову схему АГС з ДГ, захищену патентом України на винахід, яка відрізняється од відомих тим, що забезпечує вищу точність вимірювань за рахунок використання уточненого алгоритму роботи, а також нового ДГ більш високої точності, ніж відомі, підключеного до ЦОМ поряд із системою визначення навігаційних параметрів і вимірювачем висоти.

3. Складено уточнену математичну модель нового ДГ. Проведено аналіз статичних та динамічних похибок ДГ з врахуванням специфіки застосування гравіметра у складі АГС. Результати аналізу представлено у вигляді таблиць і графіків.

4. Розроблено алгоритм, проведено дослідження на ЦОМ поведінки
ДГ для найбільш несприятливих резонансних режимів та для різних співвідношень значень збурюючих факторів і власних параметрів гравіметра.

Показано, що вихідний сигнал ДГ - складні коливання, виникаючі при накладенні коливань з частотою збурень на коливання з частотою обертання ротора. При цьому збурення гармонійного характеру викликають появу постійної складової у вихідному сигналі.

Підтверджено висновки, зроблені при аналітичному дослідженні поведінки ДГ: найбільш небезпечним з точки зору виникнення резонансу є випадок співпадіння частоти збурень з частотою власних коливань і частотою обертання ротора при малих значеннях коефіцієнта демпфірування.

5. Розглянуто задачу фільтрації вихідної інформації гравіметра АГС. Представлено аналітичні вирази і побудовано графіки зміни спектральних щільностей аномалій прискорення сили ваги і вертикального прискорення літака. Визначено, що переважна частота становить 0,00175 рад/с, переважна частота становить 0,268 рад/с. Криві спектральних густий перетинаються у одній точці =0,1 рад/с. Якщо через низькочастотний фільтр з частотою зрізу 0,1 рад/с пропускати сигнал , то на виході такого фільтра буде корисний сигнал .

Показано, що фільтр усуває у вихідному сигналі гравіметра всі компоненті збурень, переважна частота яких перевищує 0,1 рад/с: поступальні віброприскорення, з переважною частотою 3140 рад/с=500 Гц; кутові віброприскорення, з переважною частотою, що дорівнює частоті власних коливань гравіметра АГС 20 рад/с (випадок головного резонанса); кутові віброприскорення, з частотою 40 рад/с і 60 рад/с (коливання на обертоні); кутові віброприскорення, з частотою 6,7 і 10 рад/с (субгармонійні коливання) та інші кутові віброприскорення, частота яких перевищує 0,1 рад/с. Фільтр усуває похибки від поступальних коливань - 50 мГл, від кутових - 1 мГл, від вертикального прискорення - 1,4-10 мГл, інструментальні похибки - 4 мГл.

6. Виконано експериментальні дослідження. Створено динамічний моделюючий комплекс та макет нового ДГ і проведено його іспити.

Складено робоче рівняння для вимірювання за допомогою ДГ АГС аномалій прискорення сили тяжіння. Наведено склад обладнання, необхідного для проведення авіаційних гравітаційних вимірювань.

Практично підтверджено основні висновки, сформульовані при теоретичних дослідженнях. Отримано величину середньо квадратичної похибки вимірювань 1 мГл.

Обґрунтовано можливість практичної реалізації ДГ і доцільність його застосування в складі АГС. Достовірність отриманих результатів підтверджено математичним моделюванням на ЦОМ і експериментально.

7. Вирішено задачу підвищення точності і швидкодії АГС з новим ДГ більше, ніж у п’ять разів шляхом:

- використання уточненої математичної моделі АГС, що відрізняється додатковими поправками і дає змогу здійснювати автоматичну компенсацію відцентрових, коріолісових та інших прискорень безпосередньо під час польоту літака;

-

-

-

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Безвесільна О.М., Коробійчук І.В. Динамічні похибки динамічно настроюваного гравіметра//Вісник ЖДТУ/ Технічні науки. – 2006. - №1 (36). - С.32-37.

Здобувачем отримано значення динамічних похибок двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра.

2. Безвесільна О.М., Коробійчук І.В. Сучасні тенденції розвитку авіаційних гравіметрів//Восточно – европейский журнал передових технологий/ Технічні науки. – 2006. - Ѕ (19). - С.137-139.

Здобувачем здійснено критичний огляд існуючих авіаційних гравіметрів та відзначено найбільш точні і швидкодіючі.

3. Коробійчук І.В. Рівняння руху нового двокільцевого динамічно настроюваного гравиметра//Вісник ЖДТУ/ Технічні науки. – 2006. - №3 (37). - С.84-93.

4. Коробійчук І.В. Оцінка стану гірогравіметра вимірювальної гравіметричної системи з цифровою обробкою інформації//Вісник ЖДТУ/Технічні науки. - 2006. - №4 (39). - С. 133-143.

5. Безвесільна О.М., Коробійчук І.В. Експериментальні дослідження нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра//Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – Хмельницький: Редакція журналу ВОТТП. -2006. - №1. – С. 21-26.

Здобувачем наведено методику проведення експериментальних досліджень нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра, аналіз результатів дослідження.

6. Коробійчук І.В. Моделювання нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра на ЦОМ//Вісник ЖДТУ/ Технічні науки. -2007. - №1 (40). - С. 127-139.

7. Безвесільна О.М., Коробійчук І.В. Динамічна настройка нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра//Восточно – европейский журнал передових технологий/ Технічні науки. – 2007. – 3/2 (27). - С.66-69.

Здобувачем розроблено пристрій динамічної настройки нового двокільцевого динамічно настоюваного гравіметра.

8. Безвесільна О.М., Коробійчук І.В., Нечай С.О., Подчашинський Ю.О. Гравіметр.//Деклараційний патент на винахід №78620. Заявка №а200505440 на винахід.-2005.

Здобувачем надано схему гравіметра, пояснення принципу дії.

9. Безвесільна О.М., Коробійчук І.В. Розробка динамічно настроюваного гравіметра// Матеріали ХХХ наукової конференції, присвяченої 45-ій річниці Житомирського державного технологічного університету. – Житомир. – 2005. –С. 3.

Здобувачем викладено принцип дії та переваги гравіметра перед іншими типами.

10. Безвесільна О.М., Коробійчук І.В. Динамічно настроюваний гіроскоп для використання в якості гравіметра // Матеріали четвертої науково-технічної конференції „Приладобудування 2005: стан і перспективи”. - Київ. - 2005. - С.134-135.

Здобувачем розглянуто основні типи динамічно настоюваних гіроскопів, проаналізовано доцільність їх використання як базових для побудови гравіметра.

11. Коробійчук І.В. Оцінка стану гірогравіметра з цифровою обробкою інформації// Матеріали ХХХІ науково-практичної міжвузівської конференції, присвяченої 46-ій річниці Житомирського державного технологічного університету. – Житомир. – 2006. – С.37.

12. Безвесільна О.М., Киричук Ю.В., Коробійчук І.В., Маркін М.О., Кур’ята С.В. Новий високоточний кутовимірювальний пристрій для попередньої виставки ДНГ// Матеріали п’ятої науково-технічної конференції „Приладобудування 2006: стан і перспективи”. - Київ. - 2006. - С.154.

Здобувачем наведено вимоги до точності вимірювання кутів для виставки вісі чутливості ДНГ.

13. Коробійчук І.В. Математична модель авіаційного гравіметра на базі двокільцевого динамічно настроюваного гіроскопа// Всеукраїнська наукова конференція студентів, аспірантів та молодих вчених „Інтелектуальний потенціал молоді в науці та практиці”. - Хмельницький. - 2006. - С. 45.

14. Bezvesilna E., Korobijchuk I. The equation of movement doublering dynamically adjusted gravimetr// Proceeding International Scientific Conference MECHANICS 2006/ Scientific Bulleting of Rzeszow University of Technology №231. – 2006. – P.23-27.

Здобувачем отримано рівняння руху двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра.

15. Коробійчук І.В. Оцінка стану гірогравіметра АГС з цифровою обробкою інформації// Матеріали ІІІ Міжнародної науково-технічної конференції „Інформаційно-комп’ютерні технології 2006”. – Житомир. - 2006.- С.133.

16. Безвесільна О.М., Коробійчук І.В. Моделювання нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра на ЦОМ// Матеріали міжнародної науково-практичної конференції „Практична космонавтика і високі технології”.– Житомир. - 2007. - С.9.

Здобувачем наведено методику моделювання нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра на ЦОМ та результати моделювання.

17. Безвесільна О.М., Коробійчук І.В. Експериментальні дослідження нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра// Матеріали ХХХІІ науково-практичної міжвузівської конференції, присвяченої 47-ій річниці Житомирського державного технологічного університету. – Житомир. – 2007. –С.22.

Здобувачем наведено методику проведення експериментальних досліджень нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра.

18. Безвесільна О.М., Киричук Ю.В., Коробійчук І.В. Експериментальні дослідження гіроскопічного гравіметра авіаційної гравіметричної системи// Матеріали шостої науково-технічна конференції „Приладобудування 2007: стан і перспективи”. - Київ. - 2007. - С.155.

Здобувачем проведено аналіз результатів експериментальних досліджень двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра.

АНОТАЦІЯ

КОРОБІЙЧУК І.В. Двокільцевий динамічно настроюваний гравіметр авіаційної гравіметричної системи. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.01 - Прилади та методи вимірювань механічних величин. -Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.

В дисертації виконано дослідження можливості та доцільності використання в якості гравіметра авіаційної гравіметричної системи нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра. Розроблено функціональну схему нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра. Отримано рівняння руху двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра у загальному випадку руху основи. Проаналізовано стійкість та передатні характеристики нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра. Досліджено поведінку двокільцевого гравіметра у статичному та динамічному режимі роботи при гармонійній дії збурення, надано рекомендації по збільшенню точності вимірювань. Проведено дослідження поведінки нового двокільцевого гравіметра у разі найбільш несприятливих резонансних режимів за допомогою ЦОМ. Досліджено пристрій динамічного настроювання нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра, та його поведінку з електричним приводом. Показано можливість підвищення точності отримання інформації щодо гравітаційних аномалій шляхом використання нового алгоритму обчислення вихідного сигналу з нового двокільцевого динамічно настроюваного гравіметра. Проведено експериментальні дослідження нового гравіметра з метою підтвердження достовірності отриманих теоретичних положень.

Ключові слова: двокільцевий гравіметр, авіаційна гравіметрична система, гравітаційна аномалія, гіроскоп.

АННОТАЦИЯ

КОРОБИЙЧУК И.В. Двухколечный динамически настраиваемый гравиметр авиационной гравиметрической системы. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.01 - Приборы и методы измерения механических величин. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2007.

Знание параметров гравитационного поля Земли необходимо для многих областей науки и техники: в геологии и геодезии для поиска полезных ископаемых особенно в труднодоступных местностях горных массивов и океанов, в аэрокосмической сфере для коррекции инерциальных навигационных систем. Точность и быстродействие измерений параметров гравитационного поля Земли (их аномалий ) зависит в первую очередь от выбора гравиметра. Поэтому гравиметр, как основной чувствительный элемент авиационной гравиметрической системы, должен иметь высокие основные метрологические характеристики: точность и быстродействие.

В диссертационной работе проведен критический анализ существующих авиационных гравиметров, который показал, что наиболее перспективными есть гироскопические гравиметры, так как они имеют более высокую точность, быстродействие и меньше габариты.

Выполнено исследования возможности и целесообразности использования в качестве гравиметра авиационной гравиметрической системы нового двухколечного динамически настраиваемого гравиметра. Раскрыты состояние и значение научной задачи диссертации, обосновано актуальность исследования. Предложено и исследовано новую схему авиационной гравиметрической системы с двухколечным динамически настраиваемым гравиметром. Рассмотрено характеристики воздействий, влияющих на гравиметр авиационной гравиметрической системы, рассчитано максимальные значения ошибок измерения параметров движения самолета, на котором размещена авиационная гравиметрическая система. Рассмотрено фильтрацию выходного сигнала двухколечного динамически настраиваемого гравиметра, которая позволяет разделить аномалию ускорения силы тяжести от вертикального ускорения. Разработано функциональную схему нового двухколечного динамически настраиваемого гравиметра.

Получено уравнение движения двухколечного динамически настраиваемого гравиметра в общем случае движения основы. Проанализировано устойчивость и передаточные характеристики нового двухколечного динамически настраиваемого гравиметра. Исследовано поведение нового двухколечного динамически настраиваемого гравиметра в статическом и динамическом режимах работы при гармоническом действии возмущения, предоставлено рекомендации по увеличению точности измерений.

Исследовано устройство динамического настраивания нового двухколечного динамически настраиваемого гравиметра. Исследовано реакцию двухколечного динамически настраиваемого гравиметра на угловое движение, получено уравнение и проведено анализ динамических параметров. Исследовано взаимодействие двухколечного динамически настраиваемого гравиметра с электрическим приводом.

Проведено исследование поведения нового двухколечного динамически настраиваемого гравиметра в случае наиболее неблагоприятных резонансных режимов с помощью ЦВМ. Получено уравнение движения двухколечного динамически настраиваемого гравиметра удобное для моделирования. Разработано программу расчёта на ЦВМ и получено графики, которые отображают характер поведения гравиметра при разных условиях. Предложено пути повышения точности при разных условиях работы нового двухколечного динамически настраиваемого гравиметра.

Проведено экспериментальные исследования нового двухколечного динамически настраиваемого гравиметра с целью подтверждения достоверности полученных теоретических положений. Рассмотрено состав и принцип действия авиационной гравиметрической системы с предложенным гравиметром, которая имеет более высокие точность измерения и быстродействие, чем известные системы, позволяет производить непрерывный процесс измерений и обработку результатов непосредственно во время полета. Показано возможность повышения точности получения информации о гравитационных аномалиях путем использования нового алгоритма вычисления исходного сигнала нового более точного двухколечного динамически настраиваемого гравиметра.

Ключевые слова: двухколечный гравиметр, авиационная гравиметрическая система, гравитационная аномалия, гироскоп.

ANNOТAТION

KOROBIJCHUK I.V. Double-ring dynamically adjusted gravimetr for aviation gravimetrial system. - Manuscript.

The thesis is submitted for awarding of a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 05.11.01 - Devices and methods of mechanical values measurement. – National Technical University of Ukraine “The Kyiv Polytechnical Institute”, Kyiv, 2007.

In the given manuscript the research of an opportunity and expediency of using as a gravimetr aviation gravimetrial system of a new doublering dynamically adjusted gravimetr are performed. The function scheme of a new double-ring dynamically adjusted gravimetr is developed. The equation of movement of a double-ring dynamically adjusted gravimetr in a general way of movement on the basis is received. The stability and transfer characteristics of a new double-ring dynamically adjusted gravimetr is analysed. The behaviour of a new double-ring of a dynamically adjusted gravimetr is investigated at harmonious action of indignation and in a static and dynamic operation mode the recommendation for increase of accuracy of measurements is given. It is carried out the research of behaviour of new double-ring dynamically adjusted gravimetr in a case of the most adverse resonant modes with the help PC are carried out. The device of dynamic adjusting of a new double-ring dynamically adjusted gravimetr, and its behaviour with an electric drive is investigated. The possibility to increase the accuracy of getting the information concerning gravitational anomalies is shown by means of the new algorithm of calculation of the initial signal from the new double-rings dynamically adjusted gravimetr. Experimental research of a new gravimetr is carried out to increase the reliability of the received theoretical positions.

Key words: double-rings gravimetr, aviation gravimeter system, gravitational anomaly, a gyroscope.