Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важных направлений вития современного приборостроения, машиностроения, метро-ии и других областей науки и техники является повышение ности средств измерений угловых параметров движения [УПД) и автомати задня процессов их испытаний и контроля.
В настоящее время одна из актуальных задач морского боростроения заключается в создании быстродействующих оматизированных установок для поверки прецизионных СИУПЛ, дящих в состав современных систем навигации и управления. С гом требований к метрологическим характеристикам СИУПЛ, дрением в системы навигации и управления подвижных ектов прецизионных лазерных гироскопов, динамически настра-емых гироскопов, волоконно-оптических гироскопов, бесплатфор-[ных инерциальных навигационных систем (БИНС), а тахже виметров и гравитационных градиентометров задачи рологического обеспечения их разработки, производства и ытаний приобретают особую значимость.
Обеспечение единства измерений при проведении разработок, \елований и испытаний СИУПЛ связано с высокоточным произведением и контролем угловых скоростей и углов поворота ространстве. Существующие испытательные стенды (поворотные тформы и установки), как правило, не отвечают современным бованиям по точности, быстродействию, функциональным можностям и уровню автоматизации. Лля решения указанных ач необходимо создавать новые испытательные стенды и ановки, представляющие собой многофункциональные одно-, х- или трехосные автоматизированные измерительные системы 1С), реализующие прямые методы измерений.
Сложность проектирования современных АИС заключается в бходимости измерения угловых параметров воспроизводимых эпических движений в динамике с погрешностью менее 0,2 угл.с, что соизмеримо с погрешностью существующих в ане эталонов. При этом важнейшее требование к автомати зиро-ному электроприводу АИС заключается в воспроизведении тоянных угловых скоростей вращения в широком динамическом пазоне (2,5* 1(Н-10 рад/с) с относительной погрешностью -10-3% и даже 10-5% в электроприводе гравитационного диентометра модуляционного типа (МГГ). Решение указанной ,ачи представляет сложную научно-техническую проблему и іяется также весьма актуальным для таких областей как
машиностроение, робототехника, полиграфия, видеотехника, техш высококачественной магнитной и лазерной записи информации т.д. Для достижения сформулированных выше требований наибоі перспективным представляется направление, связанное совершенствованием принципов регулирования угловых скорост вращения, разработкой методов и средств коррекции погрешност элементов привода, и, в первую очередь, инструментальн погрешностей применяемых измерительных преобразователей уі (ИПУ). Данное направление стало интенсивно разрабатываться последние 5-10 лет в связи с развитием микропроцессорной техни созданием новых методов и средств измерений (СИ), включают динамические методы лазерной гониометрии.
Как известно, при вращении кольцевого газового лазі (КГЛ) с постоянной угловой скоростью, превышающей статическ зону синхронизации, он формирует в пространстве равномерн угловую шкалу с высокой разрешающей способностью на урої сотых долей угловой секунды. Существенными достоинствами АІ содержащих КГЛ, является сочетание высоких метрологичесі показателей в динамическом режиме работы с малым времен измерений.
Таким образом, можно ожидать, что разработка мєтодое средств цифровой коррекции инструментальных погрешност элементов электропривода, усовершенствование методов контре угловых параметров движения на базе средств лазерной гон метрии позволит решить задачи создания перспективных автої газированных установок для контроля прецизионных СИУПД.
Настоящая работа посвящена решению вопросов создан лазерной гониометрической АИС, предназначенной для контре метрологических характеристик дискретных преобразователей уі (ДПУ), СИ угловых скоростей и ускорений, а также разрабо* методов и средств повышения точности воспроизведения углов скоростей прецизионным электроприводом, применяемым в сост; АИС, испытательных стендов, гравиметров и МГГ.
Целью работы является разработка принципов построен; создание и исследование автоматизированной лазерной гониом рической системы (АЛГС), предназначенной для контре прецизионных средств измерений угловых параметров движения.
Методика исследований базируется на использовании тео[ систем автоматического управления, теории информационно-из: рительных систем с применением автоматизированной обработкі анализа результатов экспериментов на основе элементов Teoj случайных функций и математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Выполнено исследование принципов построения прецизионных АИС контроля СИУПЛ. Обоснованы оптимальная структура и пути повышения точности АИС, предназначенных для решения перспективных задач морского приборостроения.
-
Определены наиболее рациональные варианты построения высокоточного электропривода для АЛГС, МГГ и испытательных стендов широкого назначения. Экспериментально исследовано влияние инструментальных погрешностей ДПУ индукционного типа на точность бесконтактного моментного электропривода, выполненного по фазовому принципу регулирования.
-
Усовершенствован метод динамического контроля ДПУ различных типов с повышенной разрешающей способностью на базе КГЛ. Синтезированы алгоритмы контроля ДПУ и угловой скорости вращения электропривода АИС. Прелложен метод молуляции скорости вращения для решения задач динамической градуировки прецизионных угловых акселерометров и определения параметров не-идентичности МГГ.
-
Теоретически и экспериментально обоснован цифровой способ коррекции фазоимпульсных электроприводов, обеспечивающий автокомпенсацию инструментальных погрешностей ДПУ, и, соответственно, повышение точности воспроизведения угловых скоростей вращения для ряда практических применений. Исследовано влияние ошибок дискретизации и квантования на точность стабилизации скорости вращения.
5. Получены аналитические выражения для случайной
составляющей погрешности цифрового измерителя частоты в
составе преобразователя "угол - временной интервал - код" АЛГС.
6. Проведено сравнительное исследование трех различных
оптико-физических схем КГЛ с непрерывным механическим
вращением, предназначенных для работы в составе АИС. Уточнена
математическая модель погрешности вращающегося КГЛ по
результатам экспериментальных исследований характера измене
ний его масштабного коэффициента.
7. Предложен и исследован новый способ определения
положения измерительной оси КГЛ, основанный на точном
позиционировании поверяемого прибора и задании вектора угловой
скорости вращения (авторское свидетельство СССР N 175051).
8. Разработан экспериментальный образец одноосной АИС,
реализующей предложенные методы лазерной гониометрии и авто
компенсации инструментальных погрешностей ДПУ. Проведены экс
периментальные исследования АИС в различных режимах работы,
подтвердивши с эффективность принятых научно-технических решений.
Практическая ценность. Предложенная структура г ^строения прецизионной системы стабилизации угловой скорости вращения (СССВ) на базе бесконтактного моментного электропривода с циф- *.ой коррекцией позволяет решить задачи создания перспективных АИС контроля СИУПЛ, прецизионных электроприводов дли МГГ, высокоточных приборов и устройств модуляционного типа и испытательных стендов.
Разработанная методика определения выходных характеристик КГЛ и полученные результаты исследований позволили создать экспериментальную установку, соответствующую по точности измерений плоского угла образцовому средству измерений (ОСИ) 1-го разряда.
Предложенный метод определения инструментальных погрешностей ДПУ различных типов, наряду с цифровым способом их автокомпенсации, открывает новые возможности для использования фазоимпульсных электроприводов в перспективных системах навигации и управления, метрологии, приборостроении и робототехнике.
Разработанный задатчик для электропривода СССВ - программируемый цифровой синтезатор частоты (ПЦСЧ) - может быть использован как самостоятельное устройство в качестве универсального генератора тестовых сигналов (например, при решении задачи контроля измерительных каналов в АИС) или для управления полупроводниковыми широтно-импульсными преобразователями современных электроприводов с двигателями постоянного тока.
Практическая ценность результатов диссертационной работы подтверждается их использованием в ЦНИИ "Электроприбор".
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Развитие лазерного гониометрического метода контроля метрологических характеристик ЛПУ различных типов с учетом моделей погрешностей трех оптико-физических схем КГЛ.
-
Цифровой метод увеличения точности фазоимпульсных электроприводов, основанный на автокомпенсации инструментальных погрешностей ДПУ. Структура прецизионного электропривода для ряда перспективных приборов и устройств.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований погрешностей цифрового измерителя частоты в составе преобразователя "угол - временной интервал - код" АЛГС.
4. Структура многоканальной АИС, предназначенной для .инамического контроля прецизионных СИУПЛ в задачах морского іриборостроения.
Публикации. Основное содержание работы, результаты и іьіводьі диссертации опубликованы в 5 научно-технических статьях, научно-технических отчетах и защищены 1 авторским свидетель-твом. В опубликованных работах, выполненных в соавторстве, існовньїе результаты, относящиеся к диссертационной работе, полу-іеньї автором самостоятельно.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались
іа ХШ - XVII межотраслевых научно-технических конференциях,
юсвященных памяти Н.Н. Острякова (Ленинград, 1982, 1984, 1986,
988, 1990 гг.); на научно-техническом семинаре в Институте кибер-
іетики АН УССР (г.Киев, 1985 г.); на Школе-87 "Бесплатформенные
шерциальные системы навигации и ориентации" (г.Осташков,
.987 г.); на 6-м Всесоюзном симпозиуме "Проблемы создания пре-
(бразователей формы информации" (г.Киев, 1988 г.); на Всесоюзной
іаучно-технической конференции "Измерительно-информационные
:истемы" (г.Ульяновск, 1989 г.); на семинаре по
ілектромеханотронике "Совершенствование электрических машин и іреобразователей на базе применения микропроцессорной и ілектронной техники" (Ленинград, 1990 г.); на семинаре "Методы и :редства измерения механических параметров в системах контроля і управления" (г.Пенза, 1990 г.); на научно-техническом семинаре Лазеры в приборостроении и машиностроении" (г.Пенза, 1990 г.); на :еминаре "Разработка и применение перспективных приборов для ізмерения угловых скоростей и ускорений" (г.Ковров, 1991 г.); на всесоюзном семинаре "Метрология лазерных измерительных систем" (г.Волгоград, 1991 г.); на Школе-91 "Бортовые гравиметры и равитационные градиентометры" (г.Осташков, 1991 г.). Всего по теме диссертации сделано свыше 20 докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из івєаєния, четырех глав, заключения и списка литературы. Общее шело страниц 26 О , в том числе 194 страницы текста, 7 таблиц, 48 >исунков, список использованной литературы на 22 стр. (211 тименований).