Введение к работе
Актуальность темы. Информационно-измерительные системы стабилизации и наведения (ИИССиН) используются на подвижных объектах военного и гражданского назначения для получения информации об угловых параметрах линии визирования оптических приборов в режимах стабилизации и наведения.
Проведенный анализ технических характеристик существующих информационно – измерительных систем стабилизации и наведения показал, что большинство информационно-измерительных систем стабилизации и наведения (ГС – 15М, ГС – 25, С – 16 и т.д.) строятся на трехстепенных астатических гироскопах с внешним кардановым или с шаровым подвесом. Точность работы таких систем требует увеличения, а время готовности должно быть уменьшено. Задача повышения точности информационно – измерительных систем стабилизации и наведения может быть решена путем использования в качестве чувствительного элемента динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ), т. к. точность гиростабилизатора определяется как точностью системы стабилизации, обеспечивающей совмещение платформы с опорной системой координат, так и точностью самой опорной системы, где гироскоп играет роль чувствительного элемента, моделирующего опорную систему координат.
ДНГ имеет ряд преимуществ по сравнению с указанными выше гироскопами: небольшие габариты и массу, возможность функционирования в широком диапазоне температур при малом времени готовности прибора, малую потребляемую мощность, высокие точностные характеристики.
На сегодняшний день вопрос достижения потенциально возможных метрологических характеристик информационно-измерительных систем стабилизации и наведения на ДНГ не является полностью решенным. Его решение требует разработки математической модели, отличающейся от известных описанием функционирования информационно-измерительных систем стабилизации и наведения в совмещенном режиме стабилизации и управления. Кроме того, необходима разработка структур построения усилительно-преобразующих трактов (УПТ) контуров стабилизации информационно-измерительных систем стабилизации и наведения на ДНГ, обеспечивающих повышение точности и помехозащищенности системы с учетом вариативности вида передаточной функции ДНГ на низких частотах при изменении условий функционирования.
Разработкой подобных систем активно занимаются такие фирмы и организации как казённое предприятие ЦКБ «АРСЕНАЛ», ОАО НПК Киевский завод автоматики имени Г.И. Петровского (Украина); фирма «Zinger – Kirfott», фирма «Nortrop» (Германия); фирма Litton (США); ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева», ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Мичуринский завод «Прогресс», ОАО «МНИИ «Агат», ОАО «Конструкторское бюро приборостроения», ОАО ПНППК (Россия) и др.
Таким образом, задача разработки математической модели информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ в совмещенном режиме стабилизации и управления, алгоритмов функционирования и способов повышения точности работы информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ является актуальной.
Объектом исследования является информационно-измерительная система стабилизации и наведения на ДНГ.
Предметом исследования являются разработка математической модели информационно – измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ в совмещенном режиме стабилизации и управления, алгоритмов функционирования, способов повышения точности и исследование особенностей функционирования информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ.
Целью работы является повышение точности, помехозащищенности и уменьшение времени готовности информационно-измерительной системы стабилизации и наведения за счет применения в качестве чувствительного элемента ДНГ и эффективной структуры построения контуров стабилизации системы.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Обзор и анализ характеристик информационно-измерительных систем стабилизации и наведения на ДНГ, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью. Выявление достоинств и недостатков информационно-измерительных систем стабилизации и наведения на ДНГ.
-
Разработка математической модели информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ, отличающейся от известных описанием особенностей функционирования системы в совмещенном режиме стабилизации и управления.
-
Анализ устойчивости информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ, представляющей собой сложную многоконтурную систему управления.
-
Разработка имитационной модели, позволяющей получить численное решение нелинейной системы уравнений, включающей уравнения движения стабилизированной площадки, ДНГ и дифференциальных уравнений кинематики движения карданова подвеса и объекта.
-
Разработка структуры построения усилительно-преобразующих трактов контуров стабилизации информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ, обеспечивающей повышение точности и помехозащищенности системы с учетом вариативности вида передаточной функции ДНГ на низких частотах при изменении условий функционирования.
-
Анализ динамики информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ.
Методы исследований. Для решения поставленной задачи использовался комплексный метод исследования, который характеризуется применением аналитических методов, методов математического моделирования с применением ЭВМ, методов физического моделирования в лабораторных условиях.
Теоретические предпосылки к разработке подобных систем были созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: Пельпор Д.С., Матвеев В.А., Подчезерцев В.П., Фатеев В.В., Распопов В.Я., Брозгуль Л.И., Мелешко В.В., Степанковский Ю.В., Власов Ю.Б., Северов Л.А., Филимонов О.М., Кацай Д.А., Клюев В.Ю., Лысов А.Н., Неусыпин А. К., Engelder P.D., Fosster W.C., Burdess J.S., Ebner R.E. и др.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
1. Разработана математическая модель информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ, отличающаяся от известных описанием особенностей функционирования системы в совмещенном режиме стабилизации и управления и учитывающая перекрестное влияние каналов информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ, и аналитические выражения для анализа устойчивости ИИССиН на ДНГ.
2. На основании аналитических выражений для анализа устойчивости ИИССиН на ДНГ разработана структура построения усилительно-преобразующих трактов контуров стабилизации информационно- измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ, обеспечивающая повышение точности и помехозащищенности системы (ослабление помехи в выходном сигнале ДНГ на частоте вращения ротора и на двойной частоте вращения ротора ДНГ) с учетом вариативности вида передаточной функции ДНГ на низких частотах при изменении условий функционирования.
3. Показано, что замкнутый контур управления повышает угловую жесткость платформы информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ по моменту.
Практическая ценность результатов работы заключается в разработке математического описания, алгоритмов функционирования и способов повышения точности, являющихся базой для проектирования и модернизации двухосных информационно-измерительных систем стабилизации и наведения на ДНГ. Полученная в работе математическая модель может быть использована для оценки точности и при проектировании подобных систем. Работа проводилась при поддержке государственного контракта № 02.740.11.558 по теме «Исследование оптико-электронных методов пространственно – угловых измерений и создания на их основе широкого класса приборов повышенной точности, выполняемого в рамках целевой программы научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009 – 2013 гг.»
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: IV-я, V-я магистерская НТК, Тула, 2009 г., 2010 г.; НТК Тульского АИИ «Пути совершенствования ракетно-артиллерийских комплексов, средств управления войсками и оружием, их эксплуатации и ремонта»; II Общероссийская молодежная НТК «Молодежь. Техника. Космос», СПб, БГТУ «Военмех» 2010 г.; XII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», СПб, 2010 г.; XX международная НТК «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2011 г.; Х Всероссийская НТК студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. Тула, 2011 г.
Положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ в совмещенном режиме стабилизации и управления и аналитические выражения для анализа устойчивости информационно – измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ.
2. Структура построения усилительно-преобразующих трактов контуров стабилизации информационно-измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ, обеспечивающая повышение точности и помехозащищенности системы.
3. Результаты исследования динамики контура стабилизации информационно – измерительной системы стабилизации и наведения на ДНГ.
Реализация и внедрения результатов. Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «РОСТОВСКИЙ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ЗАВОД». Научные положения и результаты исследований диссертации реализованы в учебных дисциплинах «Следящие системы с оптико – электронными координаторами» при подготовке студентов специальности 200400 и «Гиростабилизаторы оптических приборов» при подготовке студентов специальности 161100.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 5 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на полезную модель, 7 публикаций (4 в материалах Всероссийских и Международных конференциях).
Достоверность теоретических положений и результатов исследования подтверждены результатами имитационного моделирования и испытаниями макетного образца ИИССиН на ДНГ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников из 104 наименований, выполнена общим объемом 123 стр., включая 78 ил., 8 табл., 1 приложение, представленное на 3 стр.
