Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи 11
1.1. Анализ влияния конструктивно-технологических параметров ЛГ на его точностные свойства 12
1.1.1. Особенности конструктивно-технологических решений ЛГ 13
1.1.2. Качественный анализ погрешностей ЛГ 16
1.1.3. Повышение точностных свойств ЛГ 19
1.2. Основные факторы, обусловливающие необходимость стабилизации периметра ЛГ, их влияние на точность прибора и способы минимизации их воздействия 21
1.2.1. Кривая усиления 22
1.2.2. Дисперсионные свойства активной среды ЛГ и их влияние на точностные характеристики прибора 23
1.2.3. Способы стабилизации периметра ЛГ 26
1.3.Анализ принципа действия и конструкции АСРП ЛГ 31
1.3.1. Принцип действия АСРП ЛГ 31
1.3.2. Особенности структуры и элементарные звенья АСРП ЛГ 32
1.3.3. Анализ направлений исследования АСРП ЛГ 41
Глава 2. Моделирование АСРП ЛГ 45
2.1. Обоснование методического подхода к моделированию АСРП ЛГ
2.1.1. Уравнение объекта, реализующего кривую усиления 46
2.1.2. Передаточные функции элементарных звеньев электронной части системы 49
2.1.3. Общее уравнение АСРП ЛГ 57
2.1.4. Анализ методов схемотехнического моделирования 59
2.2. Моделирование идеальной АСРП ЛГ 61
2.2.1. Моделирование объекта, реализующего кривую усиления 61
2.2.2. Моделирование электронной части системы 63
2.2.3. Моделирование динамических свойств пьезокорректоров 69
2.2.4. Анализ результатов моделирования 72
2.3.Анализ точности моделирования 80
Выводы 84
Глава 3. Исследование идеальной АСРП ЛГ 85
3.1. Исследование влияния начальных условий работы системы на функционирование АСРП ЛГ 86
3.2. Исследование влияния параметров звена UPT на функционирование АСРПЛГ 88
3.3. Исследование влияния параметров источника опорного напряжения REF на функционирование АСРП ЛГ 91
3.4. Исследование влияния параметров звена INT на функционирование АСРПЛГ 102
3.5.Исследование влияния параметров звена FLT на функционирование АСРП ЛГ 110
Выводы
Глава 4. Исследование реальной АСРП ЛГ 114
4.1. Моделирование реальной АСРП ЛГ 114
4.2. Исследование возможностей усовершенствования АСРП ЛГ 126
4.3. Исследование процесса переброса периметра в АСРП ЛГ 133
Выводы 142
Заключение 144
Литература 146
Приложения 154
- Особенности конструктивно-технологических решений ЛГ
- Уравнение объекта, реализующего кривую усиления
- Исследование влияния параметров звена UPT на функционирование АСРПЛГ
- Исследование возможностей усовершенствования АСРП ЛГ
Введение к работе
Современное авиационное приборостроение в большей степени ориентировано на применение бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). Характерные для настоящего времени требования к увеличению дальности полета при сохранении жестких требований к точности выхода в заданную точку маршрута наилучшим образом обеспечиваются при построении БИНС на основе безроторных гироскопов. Лазерный гироскоп (ЛГ) является одним из наиболее распространенных к применению в БИНС безроторных гироскопов, что обусловлено такими его свойствами, как высокая точность, широкий диапазон измеряемых скоростей, малая чувствительность к перегрузкам, удобство при согласовании с вычислительными устройствами, осуществляющими обработку информации. Отрицательной стороной применения ЛГ является необходимость его оснащения рядом электронных систем, предназначенных для нормализации его функционирования: обработки выходного сигнала и минимизации или компенсации основных погрешностей работы гироскопа, вызванных влиянием различных внешних и конструктивно-технол огич еских факторо в.
Одной из таких систем является автоматическая система регулирования периметра (АСРП) ЛГ, широко распространенная как в отечественном, так и в зарубежном приборостроении. АСРП ЛГ предназначена для регулирования длины оптического пути (периметра) встречных электромагнитных волн гироскопа при влиянии изменения окружающей температуры, механического отклонения при перегрузках прибора и других воздействиях на моноблок ЛГ. Однако повсеместное распространение систем автоподстройки периметра типа АСРП ЛГ основано исключительно на исторической или интуитивной базе. Отсутствие исследований в области взаимного влияния систем автоподстройки периметра и ЛГ приводит к тому, что в современных БИНС используются
гироскопы с отработанными системами регулирования периметра без анализа возможности повышения их точностных свойств. Некоторые особенности применения АСРП ЛГ, например, связанные с выбором оптимальной рабочей моды ЛГ или необходимостью возвращения рабочей точки в требуемый диапазон («перебросом» периметра), оказываются в настоящее время практически неисследованными областями.
Современные тенденции развития БИНС направлены на повышение точности чувствительных элементов, в том числе и ЛГ. Существует мнение, поддерживаемое некоторыми отечественными разработчиками ЛГ и его сервисной электроники [1], что повышение точности ЛГ за счет технологических методов в условиях настоящего времени является нецелесообразным, Таким образом, повышение точности электронных систем ЛГ является, возможно, наиболее простым методом улучшения точностных свойств гироскопа, в связи с чем исследование АСРП ЛГ приобретает наибольшую актуальность.
Тенденции минимизации массогабаритных показателей БИНС, характерные для настоящего времени, неразрывно связаны с минимизацией массогабаритных показателей собственно ЛГ и его сервисных субблоков. В этих условиях модернизация отработанных вариантов АСРП ЛГ на основе современной элементной базы без анализа возможностей упрощения структуры системы оказывается недостаточной, что придает исследованию АСРП ЛГ дополнительную значимость для специалистов в области сервисной электроники ЛГ.
Исследование АСРП ЛГ включает в себя следующие вопросы:
исследование влияния элементарных звеньев системы на чувствительность, быстродействие, устойчивость и точность АСРП ЛГ и собственно ЛГ;
исследование влияния на функционирование системы внешних воздействий:
- определение взаимосвязи параметров АСРГТ ЛГ с качественными
характеристиками ЛГ;
- анализ возможностей усовершенствования звеньев АСРГТ ЛГ с
целью улучшения качественных характеристик ЛГ.
Особенности настоящего времени связаны с достаточно жесткими ограничениями в области материальных затрат на наукоемкие отрасти приборостроения. В такой ситуации дорогостоящие натурные эксперименты наиболее целесообразно проводить на базе предварительного моделирования, потенциал которого ограничен только возможностями современных вычислительных средств. Таким образом, основой исследования функционирования АСРГТ ЛГ является формирование модели системы. Особенности структуры АСРП ЛГ - системы, большинство звеньев которой представляют собой электронные узлы, позволяют применять схемотехническое моделирование как наиболее удобный инструмент анализа. Исходными данными для моделирования являются эмпирические данные, полученные для рассматриваемого варианта системы с помощью серии различных экспериментов, некоторые технические данные БИНС, в составе которой применяется исследуемая АСРГТ ЛГ, а также электрические принципиальные схемы электронных узлов системы. Результатом моделирования является формирование модели функционирования замкнутой АСРП ЛГ при различных начальных условиях.
Полученная схемотехническая модель АСРП ЛГ является основным инструментом исследования влияния параметров элементов электронной части системы и режимов их функционирования, а также различных внешних воздействий на точностные характеристики системы и собственно ЛГ. Таким образом, модель АСРП ЛГ позволяет:
определить границы устойчивости системы,
оценить чувствительность системы регулирования,
установить степени влияния параметров и режимов функционирования электронных узлов системы на ее точность,
- исследовать функционирование системы в широком температурном
диапазоне,
- исследовать реакцию системы на переброс периметра.
Проведенные исследования АСРП ЛҐ позволяют:
определить параметры системы, определяющие быстродействие, устойчивость, чувствительность и точность АСРП ЛГ и собственно ЛГ;
вынести ряд рекомендаций по улучшению системы регулирования, связанных с оптимальным выбором параметров системы, применение которых позволяет повысить точностные свойства системы и собственно ЛГ, упростить схемное решение электронной части системы и минимизировать ее массогабаритные характеристики.
Моделирование АСРП ЛГ в общем случае представляет собой моделирование нелинейной системы. Известно, что наихудшая точность при моделировании нелинейных цепей с помощью современных программ схемотехнического моделирования составляет 10-15%. Таким образом, выданные в результате моделирования рекомендации к улучшению АСРП ЛГ перед физическим внедрением в систему нуждаются в обязательной экспериментальной проверке, которая является следующим этапом исследования.
Целью настоящей работы является создание научного подхода к формированию АСРП ЛГ, основанного на анализе взаимосвязи конструктивно-технологических параметров системы с качественными характеристиками ЛГ методами схемотехнического моделирования.
Первая глава работы посвящена исследованию состояния вопроса и постановке задачи, в ней кратко рассмотрены физические основы работы ЛГ, приведен качественный анализ погрешностей прибора, в том числе и погрешностей, связанных с нестабильностью периметра ЛГ, проанализированы причины их возникновения и способы минимизации их влияния, основным из которых является применение систем автоподстройки периметра. Здесь же проведен сравнительный анализ существующих
-9-активных способов стабилизации периметра прибора, рассмотрены
конструкции и варианты схемных реализаций звеньев наиболее
распространенной системы регулирования периметра - АСРП ЛГ.
Вторая глава посвящена моделированию АСРП ЛГ. Здесь определены уравнения элементарных звеньев системы и их функциональная взаимосвязь, сформировано уравнение АСРП ЛГ; проведена оценка методов исследования системы и сделан выбор в пользу методов схемотехнического моделирования; созданы модели каждого звена АСРП ЛГ, в том числе резонатора прибора и динамических свойств пьезокорректоров, позволившие сформировать идеальную модель функционирования системы при различных начальных условиях.
Третья глава связана с исследованиями АСРП ЛГ на базе созданной идеальной модели. Здесь с помощью варьирования различных параметров элементарных звеньев системы и начальных условий работы определены границы устойчивости АСРП ЛГ, факторы, влияющие на быстродействие и чувствительность системы, а также факторы, определяющие точность АСРП и собственно ЛГ, выявление которых позволяет снизить точностные требования к некоторым не влияющим на работу системы параметрам элементарных звеньев системы. Кроме того, в этой главе проведены предварительные исследования, направленные на упрощение схемной реализации системы.
Четвертая глава посвящена исследованию функционирования АСРП ЛГ с учетом неидеальности элементарных звеньев системы. В данной главе определены основные источники ошибок системы регулирования и рассмотрены возможные пути их минимизации, проанализирована возможность функционирования реальной системы при более простых или более экономичных реализациях некоторых элементарных звеньев АСРП ЛГ, а также создана температурная модель работы системы и проведено исследование процесса переброса периметра, по результатам которого
-10-вынесены рекомендации по уменьшению времени готовности АСРП ЛГ при
перебросе,
Настоящая работа выполнена в "МАТИ" - Российском
Государственном Технологическом Университете им. К.Э. Циолковского на
кафедре "Технология производства приборов и систем управления
летательными аппаратами" при содействии ОАО "Московский Институт
Электромеханики и Автоматики".
Особенности конструктивно-технологических решений ЛГ
Распространяющиеся в резонаторе ЛГ электромагнитные волны генерируются газовым лазером [8]. В настоящее время наибольшее распространение получили моноблочные конструкции ЛГ. Для изготовления моноблока ЛГ используются легко полирующиеся материалы с низкими КТЛР и низкой диффузией для гелия, заполняющего каналы моноблока: плавленый кварц, Cer-Vit, Zerodur, боросиликатное стекло [2].
На Рис. 1.2 показан наиболее широко применяемый (в том числе и в современных БИНС) ЛГ с квадратным резонатором. Существуют также ЛГ с симметричными и несимметричными треугольными и прямоугольными резонаторами, с пятисторонними резонаторами [2], а также с неплоскими резонаторами, отражающие элементы которых расположены под углом друг относительно друга [47].
Применение внутренних зеркал в конструкции ЛГ предпочтительно, так как использование внешних зеркал ставит проблемы вакуумирования, снижения вероятности загрязнений, увеличения срока эксплуатации прибора.
Симметричная конструкция из двух анодов и катода формирует два раздельных промежутка со сбалансированными постоянными токами.
Способ съема информационного сигнала в основном одинаков для всех существующих конструкций ЛГ (Рис. 1.3). Для получения частоты биений используется смесительная призма, позволяющая совмещать лучи Л Г с целью получения интерференционной картины. При вращении ЛГ интерференционная картина движется со скоростью, пропорциональной скорости вращения прибора. Для определения направления вращения прибора используются два фотоэлектрических преобразователя, отстоящих друг от друга на четверть интерференционной полосы (со сдвигом на 90 по фазе).
При определении из соотношения (1.1) разностной частоты Дг", любое отклонение от приведенной зависимости приводит к возникновению погрешностей. Известны три основных источника погрешностей ЛГ [4]: сдвиг нуля характеристики, захват частоты встречных волн и нестабильность масштабного коэффициента ЛГ, Рис. 1.4. В основе каждого из вышеперечисленных явлений, приводящих к возникновению погрешностей ЛГ, лежат различные конструктивно-технологические причины [2-=-4].
Случайная погрешность ЛГ складывается из ненакапливаемой и накапливаемой составляющих. Ненакапливаемая составляющая случайной погрешности ЛГ возникает за счет неточности вычета колебаний моноблока частотной подставкой, создаваемых для решения проблемы захвата. Накапливаемая составляющая случайной погрешности ЛГ также связана с решением проблемы захвата, а именно с введением и ошумлением частотной подставки ЛГ. Накапливаемая составляющая увеличивается со временем, что делает невозможным ее компенсацию, и называется "белым шумом" ЛГ. В настоящее время в БИНС используются ЛГ, имеющие случайную составляющую не более 0,05/ч при 100-секундном интервале измерения.
Систематическая погрешность ЛГ формируется за счет различных конструктивно-технологических факторов (размер и форма резонатора, нестабильность токов разряда, качество поверхностей отражающих элементов и т.д.). Эта пофешность может быть определена при длительном запуске и скомпенсирована с помощью введения определенных поправок в показания прибора. Для ЛГ, применяемых в современных БИНС, систематический дрейф составляет менее 0,05/ч.
Существование зоны нечувствительности, создаваемой за счет явления синхронизации встречных волн ЛГ при малых скоростях вращения, основной причиной которого является рассеяние энергии одной волны в направлении распространения другой [2,3], обусловлено такими конструктивно-технологическими параметрами гироскопа как: - форма резонатора (количество и точность расположения отражающих элементов); - качество отражающих элементов, так как они определяют степень обратного рассеяния и число его зон в резонаторе. Нестабильность масштабного коэффициента является следствием эффекта затягивания мод в активной среде резонатора, обусловленного аномальной дисперсией среды [2, 3]. Кроме того, известно, что масштабный коэффициент также зависит от степени обратного рассеяния на элементах резонатора [2, 3]. Таким образом, стабильность масштабного коэффициента является функцией таких параметров конструкции ЛГ как: - форма резонатора; - качество отражающих элементов; - состав и давление газовой смеси; - уровень возбуждения разряда; - степень чувствительности материала моноблока к температурным и упругим деформациям.
Применение симметричной конструкции из двух анодов и катода в совокупности с системой стабилизации разрядных токов позволяет осуществлять балансировку разрядных токов, то есть снижать влияние перемещений газа в лазере [3]. Точность функционирования системы стабилизации разрядных токов зависит от точности ЭРЭ, входящих в ее состав. Различные вариации системы стабилизации разрядных токов ЛГ в настоящее время получили широкое распространение и применяются практически во всех ЛГ. Наиболее сложной, но в то же самое время наиболее исследованной [2+4, 7, 8] является погрешность, вызванная синхронизацией волн ЛГ. Среди множества решений, направленных на снижение влияния захвата выделяются два принципиально различных направления: принудительное механическое движение ЛГ (вращение ЛГ с постоянной угловой скоростью, сильно превышающей порог захвата, либо колебательное угловое перемещение ЛГ (частотная подставка), при котором ЛГ быстро проходит зону захвата [2,3,7]) и использование магнитооптических и электрооптических эффектов для создания искусственной невзаимности (невзаимных фазовых свойств для встречных волн ЛГ за счет эффекта Фарадея, эффекта Керра или циркулярно-поляризованных волн в неплоском резонаторе [47]). Использование частотной подставки получило более широкое распространение в зарубежном и отечественном приборостроении. Однако необходимо заметить, что применение частотной подставки ставит проблемы устранения ее влияния на выходной сигнал ЛГ и, кроме того, является основным предполагаемым источником ненакапливаемой составляющей случайной погрешности ЛГ. Недостатками применения магнитооптических эффектов являются чувствительность к магнитным и температурным воздействиям и большие потери, связанные с особенностями поляризации при различных углах падения луча на ферромагнитную поверхность. Таким образом, несмотря на то, что в настоящее время существует множество применяемых на практике способов избежания влияния захвата встречных волн, в этой области ведутся постоянные исследования, направленные как на совершенствование используемых методик, так и на создание принципиально новых возможностей устранения влияния явления захвата. В современных ЛГ для стабилизации масштабного коэффициента и минимизации сдвига нуля и его нестабильности, широко используются системы регулирования периметра прибора [2, 3]. Их применение, как в зарубежном, так и в отечественном приборостроении является давно отработанным этапом. Однако в настоящее время в связи с повышением точностных требований к ЛГ, применяемым в БИНС, возрос интерес к потенциальным возможностям систем регулирования периметра ЛГ применительно к вопросам влияния качества поверхностей отражающих элементов резонатора на стабильность точностных показателей прибора [7, 48,49].
Уравнение объекта, реализующего кривую усиления
Применительно к настоящему исследованию допустимо рассматривать регулируемый объект АСРП - резонатор ЛГ как преобразователь периметра L в интенсивность излучения J. Известно, что это преобразование описывается кривой усиления. В силу того, что длина оптического пути L пропорциональна напряжению на пьезоэлектрических преобразователях UPc, а интенсивность излучения - фототоку фотоэлектрических преобразователей IFD, кривая усиления также может быть определена зависимостью IFD(UPC). Кривая усиления, как и любая кривая, может быть задана множеством способов, в том числе и полиномами различной степени. Однако на практике кривую усиления наиболее часто аппроксимируют с помощью полинома второго порядка. Отметим, что для каждого ЛГ существует своя кривая усиления, определить которую возможно лишь эмпирически. Таким образом, коэффициенты полинома для каждого ЛГ будут различными. Эти коэффициенты определяются исходя из формы эмпирически полученной кривой усиления на основе приведенных ниже рассуждений.
Вид кривой усиления рассматриваемой АСРП ЛГ определен экспериментально. В связи с тем, что при проведении эксперимента оказалось физически невозможным отслеживание сигналов фотоэлектрических преобразователей, был использован косвенный метод их измерения - с помощью пропорционального им информационного сигнала усилителя информационного сигнала (УИС) ЛГ (Приложение 5: схема проведения эксперимента и результаты измерений в Таблице 1). На Рис.2.2 приведена построенная на основании полученных результатов кривая, характеризующая вид кривой усиления для одного из образцов ЛГ-1. Необходимые коэффициенты определены по формуле (2.3) с помощью подборного эмпирического коэффициента пропорциональности информационного сигнала УИС ЛГ сигналу фотоэлектрического преобразователя «108В/А и приведены в Таблице 2 Приложения 5 для различных мод кривой усиления.
Переменный ток каждого из двух фотоэлектрических преобразователей FD1 и FD2 - I(t), пропорциональный интенсивности излучения ЛГ, является функцией двух переменных: преобразованного выходным усилителем переменного сигнала опорного напряжения UREFKO И переменного сигнала скорости изменения фототока в зависимости от регулирующего напряжения на пьезокорректорах Г(иРС), характеризующего форму кривой усиления.
В работах [72, 73] нами была сделана попытка решения уравнения АСРП ЛГ, при этом рассматривалось функционирование системы только на рабочей частоте fREF=6 кГц без учета динамических свойств пьезокорректоров и влияния опорного сигнала UREF, что позволило описать систему дифференциальным уравнением 2-го порядка. Анализ множества решений полученного уравнения показывает, что вид решения уравнения зависит от соотношения параметров элементарных звеньев, т.е. для определения качественного влияния какого-либо параметра какого-либо звена системы на ее функционирование может оказаться необходимым получение нового решения уравнения АСРП ЛГ для каждого шага изменения исследуемого параметра.
Таким образом, применение общего уравнения для исследования АСРП ЛГ является крайне трудоемким и непродуктивным методом анализа. С другой стороны, особенности структуры АСРП ЛГ - системы, большинство звеньев которой представляют собой электронные узлы, - дают возможность применять при исследовании методы схемотехнического моделирования, позволяющие наилучшим образом анализировать взаимное влияние электронных устройств и их реакции на внешние возмущающие воздействия.
В настоящее время использование методов схемотехнического моделирования неразрывно связано с применением вычислительной техники. Существует четыре поколения программ, предназначенных для схемотехнического моделирования систем [76]: программы 1-го поколения, реализующие классические методы теории цепей (узловой метод); программы 2-го поколения, реализующие специальные алгоритмы, основанные на методах классической математики и теории цепей. Эти программы используют различные итерационные методы, методы численного интегрирования, методы разложения матриц и т.д., и позволяют проводить различные виды анализа (анализ по постоянному току, анализ частотных и малосигнальных характеристик, переходных процессов и т.д.). К программам 2-го поколения относятся ASPEC, ASTAP, MSTNS, SPICE-2, NAP-2 и т.д; - программы 3-го поколения, предназначенные для мини-ЭВМ (MSINC, BIASL-25, BIAS-D, CADAPL); - программы 4-го поколения, основанные на алгоритмах событийного моделирования (SPLICE). На сегодняшний день существует широкая номенклатура программных продуктов, восходящих к программе 2-го поколения SPICE-2, и предназначенных для анализа электронных устройств. Все они разделяются на четыре класса [77]: - программа PSpice, изначально предназначенная для схемотехнического моделирования аналоговых электронных устройств; - системы схемотехнического моделирования аналоговых и аналого-цифровых устройств (Electronics Workbench, Micro-Cap); - системы схемотехнического проектирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, использующие для моделирования последующие версии программы PSpice (Design Center, Design Lab, OrCad); - аппаратно-программные комплексы, содержащие виртуальные приборы, что приближает компьютерное моделирование к реальным условиям (LibVIEW, последние версии Electronics Workbench).
Исследование влияния параметров звена UPT на функционирование АСРПЛГ
Исследование влияния коэффициента усиления звена UPT на качество АСРП ЛГ осуществляется с помощью модели, приведенной на Рис. 2.21. Особенностью моделирования является изменение коэффициента усиления kUPT в диапазонах І-И0 с шагом 1, Ю-ИОО с шагом 10 и 100-ИэОО с шагом 100. В результате проведенных исследований получены такие характерные зависимости как: - зависимость относительной погрешности выхода на максимум кривой усиления (и) от коэффициента усиления звена UPT (киртХ приведенная на Рис. 3.3; - зависимости, описывающие переходные процессы АСРП ЛГ при различных значениях коэффициента усиления звена UPT(kUPT).
Исследование влияния амплитуды опорного сигнала UREp на качество АСРП ЛГ производится с помощью модели, приведенной на Рис. 2.21. Исходя из принципа действия АСРП ЛГ при достижении максимума кривой усиления рабочая точка поддерживается на нем системой так, что совершает колебания около установившегося значения с амплитудой опорного сигнала UREF- Таким образом, минимизация амплитуды опорного сигнала UREF ведет к повышению точности системы регулирования, т.е. наиболее актуальным в настоящем исследовании является анализ возможности уменьшения амплитуды опорного сигнала. Особенностью моделирования является изменение амплитуды сигнала источника опорного напряжения REF в диапазоне 1-Ї-10 В, позволяющее осуществить многовариантньш анализ переходных процессов системы для различных значений амплитуды опорного сигнала.
В результате проведенных исследований получены две зависимости: зависимость относительной погрешности выхода на максимум кривой усиления (и) от амплитуды опорного сигнала UREF, приведенная на Рис. 3.6, и зависимость длительности переходных процессов АСРП ЛГ (t) от амплитуды опорного сигнала UREF, приведенная на Рис. 3.7.
Анализ приведенных зависимостей позволяет сделать следующие выводы: - как и ожидалось, амплитуда опорного сигнала не влияет на точность функционирования системы, и, соответственно, на точность ЛГ; - длительность переходных процессов сильно зависит от амплитуды опорного сигнала системы, т.е. оптимальным значением с точки зрения -точности и быстродействия АСРП ЛГ, можно считать амплитуду опорного сигнала UREF 3
В. Исследование влияния частоты опорного сигнала f EF на качество функционирования АСРП ЛГ осуществляется с помощью модели, приведенной на Рис. 2.21. Особенностью моделирования является изменение частоты сигнала источника опорного напряжения REF в диапазоне 1- -16 кГц, позволяющее осуществить многовариантный анализ переходных процессов системы для различных частот опорного сигнала. В результате проведенных исследований получен ряд зависимостей, описывающих частотные свойства АСРП ЛГ: - зависимость длительности переходных процессов АСРП ЛГ (t) от частоты опорного сигнала fREF, приведенная на Рис. 3.8; - зависимости, описывающие переходные процессы системы при различных частотах опорного сигнала fREF, приведенные на Рис. 3.9; - зависимость относительной погрешности выхода на максимум кривой усиления (и) от частоты опорного сигнала fREF.
Исследование возможностей усовершенствования АСРП ЛГ
В результате моделирования реальной АСРП ЛГ установлено, что звено VU вносит большую ошибку в работу системы, а, следовательно, усовершенствование функционирования этого звена может привести к повышению точности АСРП ЛГ и, следовательно, ЛГ. Кроме того, при исследовании идеальной АСРП Л Г установлено, что - система нормально функционирует без звена FLT; - система нормально функционирует в диапазоне частот 1-г9 кГц, что позволяет оптимизировать звено UPT; - система нечувствительна к фазовому сдвигу сигналов при определении фазы в устройстве сравнения и может работать при реализации звена DM как функции перемножения, что позволяет оптимизировать звено DM.
Фазовые искажения формы сигнала звена VU будут отсутствовать в том случае, если амплнтудно- и фазо-частотная характеристика звена окажется линейной на рассматриваемом частотном диапазоне. На Рис. 4.10 приведена модель усовершенствованного звена VU, построенного на базе усилителя РА 140, предназначенного для работы на пьезокерамическую нагрузку. Анализ частотных свойств такой реализации звена VU показывает (Рис. 4.11), что в рабочем диапазоне АСРП ЛГ (1-Й? кГц) амплнтудно- и фазо-частотние характеристики звена линейны, а, следовательно, форма сигнала не искажается при прохождении через рассматриваемое звено.
В результате проведенных исследований получены зависимости относительном погрешности выхода системы на максимум кривой усиления (и) о] частоты опорного сигнала ЛСРП ЛГ (f) для базового и усовершенствованного вариантов звена UPT, приведенные на Рис. 4.15. Анализ лих зависимостей позволяет утверждать, что применение в АСРП ЛГ усовершенствованного варианта реализации звена UPT не влияет на точность функционирования АСРП ЛГ, а, следовательно, ЛГ, однако, применение усовершенствованного вариант звена UPT оправдано факторами упрощения схемной реализации и уменьшения габаритов звена.
При анализе функционирования звена DM в разд. 2,1.2 установлено, что фазовое детектирование может осуществляться с помощью функции перемножения в соответствии с формулой (2.12), что позволяет заменить громоздкую схему звена DM, содержащую, как показано на Рис. 1.13 в), буферный усилитель и компаратор (D1_DM) для формирования управляющего меандра UREF И аналоговый ключ (D2_DM) и усилитель (D3_DM) собственно для детектирования, на схему аналогичного ему по своему функциональному назначению звена MULT, сформированного на базе перемножителя AD734 (Рис. 4.16). Анализ функционирования АСРП ЛГ на базе звена MULT проводился с помощью модели, приведенной на Рис. 4.1. Особенностью является замена звена DM на его аналог - звено MULT, модель которого приведена на Рис. 4.16. В результате проведенных исследований получены зависимости относительной погрешности выхода системы на максимум кривой усиления (и) от частоты опорного сигнала АСРП ЛГ (f) для базовой реализации системы и реализации системы со звеном MULT, приведенные на Рис. 4.17. Как было показано в разд. 1.2.4, ограничения по эффективности работы систем авто подстройки периметра, а, следовательно, и АСРП ЛГ, приводят к необходимости применения перебросов периметра при работе системы. На сегодняшний день влияние процесса переброса периметра на динамику АСРП ЛГ является неисследованной областью. Модель реальной АСРП ЛГ является удобной базой для построения модели функционирования системы в процессе переброса периметра ЛГ.
Пусть АСРП ЛГ начала функционировать при исходном положении рабочей точки в т.А на кривой усиления, как показано на Рис. 4.18, но температурные воздействия на резонатор ЛГ оказались настолько велики, что т.Аі, соответствующая ближайшему к рабочей точке максимуму кривой усиления сместилась в область высоких напряжений на пьезокорректорах т.Аі . В таком случае, на входе звена INT оказывается достаточно большой сигнал, сравнимый с напряжением питания элемента D1_INT, формирующего звено INT (Рис. 1.13), что приводит к тому, что элемент D1_INT входит в насыщение.
