Введение к работе
Актуальность проблемы. Гироскоп с неконтштныл подвесол ротора (электроаяатичесни.*, элеюаролагнитнил, кргюгеикыл) в настоящее время является одним из наиболее перспективных датчиков инерциаль-ной информации, которые используются в системах ориентации, навигации и управления движущимися объектам!. Активные исследования гироскопических датчиков с неконтактными подвесами ведутся в США (Honeywell, Rockwell International, Stanford University), Франции (Sagem), Китае (Thinghua, Jiaotong Universities) и России (ЦНИИ "Электроприбор", МИЗА, институт проблем механики РАН, Ижевский механический завод).
Наряду с традиционными областями применений неконтактных гироскопов (надводные и подводные корабли, авиационные носители различ-шх типов), появляются новые объекты, где использование датчиков с юконтактными подвесами весьма эффективно. К таким объектам относятся космические аппараты и искусственные спутники Земли, назем-, ше носители для решения задач геодезической и топографической гьемки, маркшейдерские системы для определения меридиональной июскости.
Перспективным направлением в создании инер+иплъных навигаиион-шх систел (ИНС) является конструирование бесплзтформенных ИНС -ЗИНС, в том числе и на базе электростатических гироскопов (ЭСГ). Іспользование неконтактных гироскопов в составе БИНС позволяет реализовать основное преимущество этих приборов перед другими датчиками: отсутствие механического контакта между ротором и южухом ЭСГ. При этом объект, на котором установлена БИНС на ЭСГ, южет совершать произвольные угловые эволюции, а ротор ЭСГ занимать фоизвольные положения по отношению к кожуху.
Высокая стабильность характеристик неконтактных гироскопов является еще одним существенным их достоинством, что позволяет создавать принципиально новые летоды аналитической колтгенсации их сис-телатических погрешностей и создавать гироскопические датчики инер-циалъной информации с уходами порядка 1СГЭ .* 10"* град/час (для наземного или околоземного применения) и Ю~а град/час (для космического применения). Достижешіе столь высоких точностей ставит перед исследователями комплекс новых, актуальных задач, связанных с использованием неконтактных гироскопов в составе инерциальных навигационных систем на- борту движущихся объектов, предстартовыми испытаниями неконтактных гироскопов с цель» идегштфижщхи {калибровки) юс математических моделей и создания алгоритмов аналитической компенсации систематических погрешностей, разработкой методов расчета новых типов неконтактных подвесов. Решению перечисленного комплекса проблем посвящена данная работа.
Цель работы состоит в
разработке и обосновании методов и алгоритмов идентификации моделей неконтактных гироскопов по результатам стендовых испытаний;
исследовании динамики неконтактного гироскопа, установленного на борту движущихся объектов;
- разработке и обосновании алгоритмов аналитической компенсации
систематических уходов неконтактного гироскопа в составе систем
ориентации, навигации и управления движущихся объектов;
- создании методов расчета новых типов неконтактных подвесов (элек
тростатический подвес без нулевого электрода, подвес с импульсной
следящей системой).
Методы исследования определялись спецификой изучаемого объекта и его математических моделей. В работе использовались методы классической механики и теории поля, современные аналитические и чис-
- b -
іенше методы решения краевых задач математической физики, элемент: :эчественной теории дифференциальных уравнений и теории интеграль шх уравнений, асимтотические метода нелинейной механики в Форм>->бщей схемы осреднения, метода оценивания линейных динамически:-истем и теории импульсных систем, методы компьютерной алгебры I іадачах механики.
Достоверность полученных результатов обусловлена как примене мем современных методов, так и сравнением с результатами математи [еского моделирования и экспериментальными данными по испытаниям «альных гироприборов.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заклю-іается в том, что
предложена и обоснована методика расчета полей, сил и зарядов т. ілектростатическом подвесе проводящего шара с учетом краевых эффек , *ов, обусловленных отсутствием нулевого электрода в следящей сие 'еме подвеса; получены условия, при которых расчет характеристик >лектростатического подвеса корректно проводить с помощью простых їсимптотических формул; предложена методика оценки заряда на роторе электростатического піроскопа;
разработан ряд методов идентификации модели уходов неконтактной піроскопа в составе гиростабилизатора и электростатического гиро-жопа с помощью двухстепенного стенда; построена модель влияния іетрологических погрешностей оборудования на точность идентификации юдеди уходов неконтактного гироскопа; разработана методика калиб-ювки метрологических погрешностей и исследована их наблюдаемость уш различных режимов лабораторных испытаний неконтактного тфоскопа:
исследована динамика неконтактного гироскопа относительно инер-шального пространства и относительно Земли под действием консерва-
тивных, диссипативных и корпусных возмущающих моментов для различных типов неконтактных гироскопов ' (полярного, экваториального); описаны типы движений неконтактного гироскопа; обнаружены новые предельные циклы при движении гироскопа' относительно Земли, обусловленные корпусными возмущающими моментами; исследована зависимость характера движения оси симметрии гироскопа от широты места;
- выполнен синтез передаточной функции следящей системы подвесг
электростатического гироскопа, обеспечивающей асимптотически устой
чивый подвес ротора и существование стационарной скорости вращение
гироскопа; исследован механизм изменения угловой скорости вращени*
несбалансированного ротора электростатического гироскопа в неравно-
жестком подвесе, установленного на подвижном основании в составе
бесплатформенной инерцкальной навигационной системы; найдена связї
величины нестабильности угловой скорости вращения ротора с величи
ной неравножесткости подвеса; предложен метод идентификации пара
метров неравножесткости подвеса по измерениям направляющих косину
сов оси симметрии ротора с осями кожуха и угловой скорости вращенш
ротора; разработаны алгоритмы аналитической компенсации системати
ческих уходов электростатического гироскопа, являющиеся составное
частью бортовых алгоритмов инерциалышх навигационных систем;
- построена теория движения электростатического гироскопа с импуль
сной следящей системой; обнаружены автоколебания ротора гироскопа і
исследована их- устойчивость; изучен вопрос об асимптотически
устойчивости взвешивания ротора в подвесе с импульсным регулирова
нием и неравножесткими каналами; найдены условия существования ста
ционарных скоростей вращения гироскопа и устойчивости его нутацион
ных колебаний; дана наглядная геометрическая интерпретация движение
несбалансированного ротора в подвесе с импульсной следяще!
системой.
По теме диссертации опубликована 21 статья [1-10,13-23] и олучено 2 авторских свидетельства [11,12].
Практическая ценность работы заключается ъ создании методики сценки заряда на роторе электростатического гироскопа; методики испытаний неконтактного гироскопа с цель» идентификации его модели уходов; алгоритмического и программного обеспечения для обработки результатов лабораторных испытаний неконтактного гироскопа; методики исследования типов движений неконтактного гироскопа в
зависимости от параметров дрейфа и широты места, 'езультаты диссертации в виде методик, алгоритмического и програмного обеспечения внедрены на предприятиях авиационно-космической, ;удостроительной и приборостроительной промышленности. Автор ;читает своим приятным долгом выразить благодарность научным 'ругшам Б.Е. Ландау (Санкт-Петербург), В.И. Галкина (Москва), ?.И. Гришина (Ижевск) за предоставленный экспериментальный материал і помощь во внедрении результатов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсукда-іись на семинаре отдела теоретической и прикладной механики /Институт механики МГУ, 1980/; семинаре по механике твердых тел и гироскопов /Институт проблем механики АН СССР, 1980/; Всесоюзной школе 'Применение вычислительной техники в народном хозяйстве" /Москва, І980/; секции навигационных систем и их чувствительных элементов 'Куйбышев, 1981/; межотраслевых научно- технических конференциях, ^освященных памяти R.H. Острякова /Ленинград, Санкт-Петербург, 1982, 1988, 1990, 1992/; Всесоюзных конференциях "Современные вопросы физики и приложения" /Москва, 1984/; "Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации" /Москва, 1985, 1988, 199V; Всесоюзной конференции "Комплексировэние Сортовых
кибернетических систем" /Москва, 1986/; секции инерциальных систе; и их чувствительных элементов /Институт проблем механики АН СССР 1988/; Всесоюзной школе-семинаре "Математическая теория навигации : управления движением" /Феодосия, 1990/; втором Советско-Китайском : четвертом Российско-китайском симпозиумах по инерциально технологии /Санкт-Петербург, 1991, 1993/; Всероссийской конференції "Современные проблемы механики и технологии машиностроения /Москва, 1992/; межотраслевых выставках "Машиностроение-Конверси, -Рынок" /Москва, 1993, 1994/; семинаре по прикладной механике ; управлению движением /Институт механики МГУ, 1994/; научны: семинарах кафедры теоретической механики МЭИ /1978 - 1994/.
Тексты или тезисы 17 докладов и сообщений опубликованы.
Объем работы. Диссертация состоит из предисловия, введения шести глав, сводки основных результатов, списка используемой лите ратуры и приложений. Общий объем работы 300 стр., включая 242 стр машинописного текста, 36 листов с рисунками, 17 стр. списк литературы, насчитывающего 169 наименований, и 5 стр. приложений.
