Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы в настоящее время. Обзор методов температурной компенсации погрешностей инерциальных чувствительныхэлементов БИНС и синтеза цифровых систем управления 18
1.1. Компенсация температурных погрешностей измерителей угловых скоростей 18
1.2. Компенсация температурных погрешностей измерителей кажущегося ускорения 24
1.3. Постановка задачи формирования принципов построения универсального цифрового усилителя обратной связи и обобщённого алгоритма разработки измерителей угловой скорости и измерителей кажущегося линейного ускорения 28
Выводы по главе 1 31
Глава 2. Разработка схемотехнических решений компенсации температурных погрешностей электромеханических измерителей угловой скорости 32
2.1. Методика компенсации температурной погрешности ИУС с аналоговой обратной связью 32
2.2. Синтез регулятора системы управления ИУС с аналоговой обратной связью и обеспечением термоинвариантности его статической и динамических характеристик 37
2.3. Принцип построения цифрового усилителя обратной связи безобогревных измерителей угловой скорости и линейного ускорения с обеспечением термоинвариантности их основных технических характеристик 48
2.3.1. Синтез алгоритма работы цифровой обратной связи 48
2.3.2. Пример синтеза цифровой обратной связи для безобогревного поплавкового измерителя угловой скорости для обеспечения термоинвариантности его динамических характеристик 51
2.3.3. Температурная стабилизация масштабного коэффициента ДУС с ЦОС 56
Выводы по главе 2 57
Глава 3. Разработка термоинвариантного измерителя линейного ускорения с цифровой обратной связью 58
3.1. Конструкция и принцип действия кварцевого маятникового акселерометра 58
3.2. Математическая модель кварцевого маятникового акселерометра 66
3.3. Аппаратная система компенсации температурных погрешностей в блоке измерения кажущегося ускорения
3.3.1. Факторы, влияющие на стабильность и линейность масштабного коэффициента измерительного канала прибора 68
3.3.2. Методика аппаратного обеспечения температурной компенсации в блоке измерителей кажущегося ускорения КК «Союз-ТМА»
3.4. Алгоритм работы цифрового усилителя обратной связи кварцевого маятникового акселерометра при ЦАП преобразовании тока управления датчиком момента 80
3.5. Кварцевый маятниковый акселерометр с цифровым усилителем обратной связи с ШИМ-преобразователем
3.5.1. Принцип действия акселерометра с цифровым усилителем обратной связи с ШИМ-преобразователем 85
3.5.2. Работа ШИМ-преобразователя в системе цифровой обратной связи кварцевого маятникового акселерометра 88
3.5.3. Требования к алгоритму формирования широтно- модулированных импульсов 93
3.5.4. Алгоритм работы и программно-математическое обеспечение ЦУОС 94 3.6. Методика алгоритмической компенсации температурных погрешностей акселерометра с ЦУОС 100
Выводы по главе 3 102
Глава 4. Обобщенный цифровой регулятор для инерциальных измерителей и расширение диапазона измерения прецизионного акселерометра с ШИМ управлением 103
4.1. Обобщенный цифровой регулятор с широтно-импульсным управлением для измерителей угловых скоростей и кажущихся ускорений 103
4.1.1. Описание обобщенного цифрового усилителя обратной связи инерциального чувствительного элемента 104
4.1.2. Дискретная модель совокупного объекта управления 107
4.1.3. Определение передаточной функции дискретного регулятора
4.2. Результаты математического моделирования 112
4.3. Компенсация погрешности масштабного коэффициента прецизионного акселерометра с ШИМ-управлением в диапазоне измеряемых ускорений свыше 20 g 116
4.4. Обобщённый алгоритм разработки измерителя угловой скорости и кажущегося ускорения с универсальным цифровым усилителем обратной связи 123
Выводы по главе 4 126
Глава 5. Результаты экспериментальных исследований и лётных испытаний 127
5.1. Результаты испытаний измерителя угловых скоростей 127
5.2. Результаты испытаний блока измерителей линейного ускорения при различных температурах 130
5.3. Результаты испытаний КМА с ЦУОС и ШИМ - управлением в составе прибора БИЛУ для СУ КК «Союз - ТМА» 133
5.4. Температурная компенсация масштабного коэффициента в диапазоне измерения +50 g и смещения нулевого сигнала акселерометра с цифровым усилителем обратной связи 141
5.5. Результаты экспериментальной проверки методик компенсации разбалансировки маятника кварцевого маятникового акселерометра на ускорениях, больших 20 g 146
Выводы по главе 5 147
Заключение 148
Литература 151
- Постановка задачи формирования принципов построения универсального цифрового усилителя обратной связи и обобщённого алгоритма разработки измерителей угловой скорости и измерителей кажущегося линейного ускорения
- Синтез алгоритма работы цифровой обратной связи
- Аппаратная система компенсации температурных погрешностей в блоке измерения кажущегося ускорения
- Результаты испытаний блока измерителей линейного ускорения при различных температурах
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В современном точном приборостроении особую роль играет разработка высокоточных измерителей угловой скорости (ИУС) и измерителей кажущегося ускорения (ИКУ), инвариантных к температурным воздействиям, для бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). Проблема обеспечения термоинвариантности гироскопических приборов с 1960-х годов отражена в трудах известных учёных, таких как Д.С. Пельпор, В.И. Решетников, С.Ф. Коновалов, В.Э. Джашитов, В.М. Панкратов, Е.А. Измайлов, П.К. Плотников, К.П. Андрейченко, Д.М. Калихман и ряда других авторов. Как правило, данные проблемы решаются введением термостабилизации путём обогрева инерциального чувствительного элемента или блока приборов в целом. Однако применение указанного способа ведёт к резкому увеличению потребляемой мощности и габаритно-массовых характеристик приборов.
В последнее время технический прогресс в разработке процессорной техники привёл к резкому сокращению энергопотребления и габаритно-массовых характеристик микропроцессорных устройств, что позволяет применять их в качестве вычислителей не только в системах управления (СУ) крупногабаритными объектами в авиационной, ракетно-космической и морской технике, но и в обратных связях (ОС) малогабаритных инерциальных чувствительных элементов (ИЧЭ). Разработке цифровых систем управления посвящены работы А.Г.Александрова, В.А. Бесекерского, Р. Изермана, Р. Калмана, Б. Куо, П.В. Куропаткина, А.П. Литвинова, Д. Люенбергера, А.В. Небылова, Ю.В. Са-домцева, Р. Сивана, В.В. Солодовникова, С.М. Фёдорова, Ч. Филлипса, В.Б. Яковлева и других учёных.
Вместе с тем и аналоговые системы управления (АСУ) позволяют применить новые аппаратные методы стабилизации динамических характеристик ИУС и ИКУ в ранее разработанных СУ, модернизировать которые под цифровое управление, как правило, не всегда выгодно с экономической точки зрения. В этом случае разработчики гироскопических приборов идут по пути модернизации аналоговых усилителей ОС с применением новой элементной базы, которая также позволяет существенно улучшить точностные характеристики приборов с аналоговыми СУ и разработать новые схемотехнические решения, оставив без изменения систему управления в целом.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке новых схемотехнических решений построения безобогревных термоинвариантных измерителей угловых скоростей и кажущихся ускорений. В качестве примера рассмотрены кварцевый маятниковый акселерометр (КМА) с цифровой системой управления (ЦСУ) и поплавковый ИУС с АСУ и ЦСУ. Блоки с КМА разрабатываются для модернизации ЦСУ космического корабля (КК) «Союз-ТМА», измерители угловой скорости – для модернизации СУ первой ступенью ракетоносителя (РН) «Протон-М». В итоге работы даются рекомендации по синтезу универсального цифрового усилителя обратной связи (ЦУОС) с широтно-импульсным (ШИМ)
управлением током датчика момента, который может быть применен и для других типов ИУС и ИКУ.
Целью работы является повышение точностных характеристик и расширение диапазона измерения безобогревных измерителей угловой скорости и кажущегося ускорения с обеспечением их инвариантности к температурным воздействиям за счет модернизации системы управления инерциального чувствительного элемента, а также разработка универсального цифрового усилителя обратной связи для измерителей угловой скорости и кажущегося ускорения с ШИМ-управлением током датчика момента.
Комплекс задач, необходимый для выполнения поставленной цели, включает:
разработку схемотехнических решений безобогревных ИУС с аналоговой и цифровой и ИКУ - с цифровыми обратными связями;
разработку математических моделей приборов и синтез регуляторов систем управления ИУС и ИКУ;
анализ синтезированных систем в частотной и временной областях и проведение экспериментальных исследований для подтверждения правильности предлагаемых решений;
оценку влияния температурных воздействий на точностные и динамические характеристики приборов;
разработку методик и алгоритмов повышения точности измерения угловых скоростей и кажущихся ускорений разработанными приборами, соответственно;
расширение диапазона измеряемых кажущихся ускорений до 50 g без потери точности по масштабному коэффициенту и смещению нуля приборов.
Методы исследования применены теоретические и экспериментальные. В теоретическом исследовании использован аппарат теории автоматического управления, методы программирования и компьютерного моделирования. Экспериментальное исследование ИУС (прибор ПВ301М) и КМА (прибор КХ67-041М) с ЦУОС производилось на филиале ФГУП «НПЦ АП» - «ПО «Корпус». Результаты исследования прибора ПВ301М подтверждены лётными испытаниями в СУ первой ступенью РН «Протон-М», а КМА КХ67-041М - результатами натурных испытаний на центрифуге, а также результатами совместно-отработочных испытаний модернизированного прибора БИЛУ для спускаемого аппарата КК «Союз-ТМА».
Объектом исследования в диссертационной работе являются поплавковый ИУС с аналоговой и цифровой обратными связями и кварцевый маятниковый акселерометр с ЦОС. Цифровые регуляторы, реализованные в процессорных модулях в виде программ, полученных на основе разработанных алгоритмов.
Предметом исследования являются основные методики расчета и проектирования термоинвариантных безобогревных ИУС и КМА, методики расчета цифровых регуляторов, в том числе, с ШИМ-управлением, исследования путей повышения точностных характеристик приборов в сравнении с имеющимися аналогами и расширения диапазона измерения ИКУ без потери точности.
Достоверность исследований подтверждается соответствием теоретических результатов, в том числе, полученных математическим моделированием, с результатами экспериментальных проверок и лётных испытаний.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
предложены два принципа построения термоинвариантных безобогревных первичных измерителей для БИНС на примере поплавкового электромеханического ИУС и кварцевого маятникового акселерометра – аппаратный и алгоритмический, а также схемотехнические решения для их реализации;
-
сформулированы три условия обеспечения термоинвариантности характеристик безобогревного поплавкового измерителя угловой скорости;
-
разработаны математические модели термоинвариантных ИУС и КМА. Предложены методики обеспечения стабильных динамических характеристик приборов, инвариантных к температурным воздействиям;
-
предложены методики повышения точностных характеристик КМА по погрешности масштабного коэффициента и нулевого сигнала за счет алгоритмов компенсации погрешностей в цифровом усилителе ОС;
-
предложена универсальная структура ЦУОС с ШИМ-управлением током датчика момента, а также универсальные алгоритмы управления, позволяющие без изменения схемотехнических решений ЦУОС реализовать для безобогрев-ных ИУС и ИКУ требуемые динамические характеристики, инвариантность к температурным воздействиям, а для ИКУ – и расширение диапазона измерения до 50 g, без потери точности по погрешности масштабного коэффициента.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:
-
повысить стабильность масштабного коэффициента и динамических характеристик ДУС КХ79-060 и акселерометра КХ67-041 разработки филиала ФГУП «НПЦАП» – «ПО «Корпус», снизив их зависимость от температурных воздействий;
-
снизить энергопотребление в акселерометре КХ67-041 за счет применения цифровой обратной связи и исключения целого ряда аналоговых компонентов, а в приборе ПВ301М – за счёт применения современной элементной базы;
-
исключить из усилителя обратных связей ИУС и ИКУ импортные ЭРИ, снизив, тем самым, их себестоимость и обеспечив решение проблемы импорто-замещения;
-
расширить диапазон измерения КМА с 10 g до 50 g за счет применения ЦУОС и разработанных алгоритмов, а также обеспечить возможность изменения диапазона измерения и динамических свойств акселерометра путем перепрограммирования вычислителя ЦУОС.
На защиту выносятся:
-
аппаратный и алгоритмический способы построения схемотехнических решений кварцевых маятниковых акселерометров и поплавковых ИУС с обеспечением термоинвариантности их статических и динамических характеристик;
-
три условия обеспечения термоинвариантности характеристик безобо-гревного поплавкового измерителя угловой скорости.
-
математические модели и новые алгоритмы управления в корректирующих контурах приборов с обеспечением термоинвариантности динамических характеристик ИУС и акселерометров;
-
универсальная структура ЦУОС с ШИМ-управлением током датчика момента, а также универсальные алгоритмы управления, позволяющие без изменения схемотехнических решений ЦУОС реализовать для безобогревных ИУС и ИКУ требуемые динамические характеристики, инвариантность к температурным воздействиям, а для ИКУ – расширение диапазона измерения до 50 g, без потери точности по погрешности масштабного коэффициента и смещения нулевого сигнала.
Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на семи Международных конференциях, в том числе на 21-23 Санкт-Петербургских Международных конференциях по интегрированным навигационным системам в ЦНИИ «Электроприбор» в 2014-2016 годах и двух конференциях молодых ученых.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК РФ, в том числе 1 статья без соавторов, 4 патента РФ на изобретения.
Личный вклад автора в этих работах состоит в разработке схемотехнических решений построения усилителей обратной связи в ДУС КХ79-060 и КМА КХ67-041М; формировании математических моделей ИУС и КМА; синтезе их регуляторов; анализе синтезированных систем; разработке программно-математического обеспечения; разработке алгоритмов и методик повышения точностных характеристик приборов; проведении экспериментальных исследований.
Использование результатов. Результаты, полученные в диссертационной работе, были использованы на филиале ФГУП «НПЦ АП» – «ПО «Корпус». Предложенные технические решения внедрены в измерителе угловой скорости ПВ301М с инерциальным чувствительным элементом ДУС КХ79-060 в СУ первой ступени РН «Протон-М». На сегодняшний день на ПО «Корпус» изготовлено 150 приборов, осуществлены практические пуски 7 ракет с 6 приборами в каждой. Экономический эффект составил более 200 миллионов рублей.
Предложенные технические решения использованы при модернизации ше-стиосного измерителя кажущихся ускорений БИЛУ КХ69-042М для КК «Союз-ТМА» путем замены акселерометра КХ67-041 с аналоговой обратной связью на акселерометр цифровой и широтно-импульсным управлением током датчика момента (работы выполняются по Госконтракту Роскосмоса с ПАО «РКК «Энергия» на СЧ ОКР «Развертывание» от 11.12.2015 № 351-8644/15/326).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка источников, включающего 134 наименования, и трех приложений. Объем пояснительной записки составляет 150 страниц, общий объем со списком источников и приложениями – 206 страниц; в работе имеется 69 рисунков, 2 фото и 15 таблиц.
Постановка задачи формирования принципов построения универсального цифрового усилителя обратной связи и обобщённого алгоритма разработки измерителей угловой скорости и измерителей кажущегося линейного ускорения
В настоящее время из измерителей линейных ускорений широкое применение получили кварцевые маятниковые акселерометры, которые используются совместно с прецизионными ДУС в БЧЭ БИНС, а также автономно в качестве измерителей линейных ускорений в системах управления ракетно-космических объектов.
Измерители кажущегося линейного ускорения – кварцевые маятниковые акселерометры также содержат в своем составе усилитель обратной связи, который выполняется, как правило, по аналоговой схеме, то есть ток в цепи обратной связи в датчике момента чувствительного элемента создает момент, парирующий возмущающее воздействие; ток в цепи обратной связи является носителем информации о величине линейного ускорения, действующего вдоль оси чувствительности акселерометра.
В ряде систем используются кремниевые акселерометры, обеспечивающие большой диапазон измерения линейных ускорений.
Вопросы обеспечения температурной стабильности прецизионных акселерометров нашли отражение в работах российских учёных К.П. Андрейченко, Д.К. Андрейченко, В.Н. Бранца, В.Э. Джашитова, Е.А. Измайлова, Д.М. Калихмана, С.Ф. Коновалова, Сео Дже Бома, В.Е. Мельникова, А.В. Молчанова, В.М. Панкратова, В.Я. Распопова и других [3, 4, 8, 9, 31, 40, 48, 49, 50, 54, 55, 61, 62, 76, 82, 93].
Основные технические характеристики кварцевых маятниковых акселерометров, а именно, масштабный коэффициент и смещение нуля, имеют существенную нелинейную зависимость от температуры. Кремниевые акселерометры имеют еще и гистерезис по масштабному коэффициенту.
В настоящее время кварцевые маятниковые акселерометры используются либо с алгоритмической компенсацией, которая выполняется в бортовом вычислителе объекта, загружая вычислитель, либо путем введения сложных ап 25 паратных компенсаций, реализуемых путем усложнения электроники прибора.
К зарубежным производителям указанных акселерометров относятся фирма «Honeywell» (США) – модели QA-2000, QA-3000 и др. [123], фирма «Sagem» («Safran») (Франция) [124] и фирма «InnaLabs» (Ирландия) – модели AI-Q-701, AI-Q-2030 и др. [125] К прецизионным акселерометрам отечественных фирм относятся прибор АК-15 разработки ОАО «Московский институт электромеханики и автоматики», изготавливаемые заводом «Утес» (г. Ульяновск) [126], прибор КХ67-041 разработки и производства филиала ФГУП «НПЦ АП» – «ПО «Корпус» (г. Саратов) [127], а также прибор ВА-3 разработки ООО «Научно-производственный комплекс «Электрооптика» (г. Москва). Для сравнения, некоторые технические характеристики прецизионных акселерометров сведены в табл. 1.2.
Масса, г 50 30 Габариты, мм 038x22 Кварцевые маятниковые акселерометры АК-6, АК-15, разработанные ОАО МИЭА (г. Москва) и изготавливаемые заводом «Утес» (г. Ульяновск) используются в системах управления авиационного назначения, алгоритмическая компенсация температурных погрешностей масштабного коэффициента и смещения нуля выполняется бортовым вычислителем, на что затрачивается серьезный объем памяти, кроме того, при замене на борту прибора необходимо перепрошивать бортовой вычислитель.
На ПО «Корпус» (г. Саратов) для спускаемого аппарата корабля «Союз-ТМА» был разработан прибор БИЛУ КХ69-042 – шестиканальный блок измерителей линейного ускорения, который с 2002 г. успешно эксплуатируется в составе системы управления спускаемого аппарата, обеспечивая формирование главной команды на отделение спускаемого аппарата от корабля «Союза-ТМА», измерение вектора линейного ускорения при выполнении операции причаливания КК серии «Союз» к станции МКС, а также измерение проекций вектора линейного ускорения на три оси базовой системы координат шестью измерительными каналами на участке спуска [49, 53, 54, 84, 106]. Чувствительным элементом каждого измерительного канала является кварцевый маятниковый акселерометр КХ67-041, разработанный и изготавливаемый на ПО «Корпус». Акселерометр имеет аналоговый усилитель обратной связи. Дискретная информация формируется преобразователем «напряжение-частота», стоящим вне контура обратной связи [47, 48, 50].
Для компенсации существенно нелинейной зависимости от температуры масштабного коэффициента и смещения нуля прибора КХ69-042 разработано и внедрено защищенное патентом [84], техническое решение, реализованное в преобразователе «напряжение-частота» и специальном блоке. Этот специальный блок обеспечивает в оболочках, в которые установлен каждый акселерометр, температуру в диапазоне (+30 … +55)С (при температуре окружающей среды (0 … +40)С), в диапазоне температур (+30 … +55)С акселерометр имеет линейный участок зависимости масштабного коэффициента и смещения нуля от температуры, что позволило в преобразователе «напряжение-частота» ввести аппаратную компенсацию температурных погрешностей, реализуемую только для линейных зависимостей.
Схема блока преобразователя информации «напряжение-частота», в котором реализован запатентованный аппаратный способ компенсации температурной зависимости масштабного коэффициента и смещения нуля кварцевого маятникового акселерометра КХ67-041, являющегося чувствительным элементом шестиканального измерителя угловой скорости - прибора КХ69-042 системы управления спускаемого аппарата корабля «Союз-ТМА», приведена в [54, 84].
Масса каждого акселерометра КХ67-041 с усилителем обратной связи 29 г [47, 49], масса шести акселерометров, таким образом, 174 г. Вес прибора БИЛУ КХ69-042 - 3 кг [54, 84], основную массу составляет электроника, реализующая упомянутые технические решения, при этом достигнутая высокая точность прибора и термоинвариантность его характеристик обеспечиваются только при использовании пяти ЭРИ производства США (фирмы Analog Div-ices, Burr-Brown, Semiconductor), которые не имеют российских аналогов. В случае использования при том же чувствительном элементе акселерометра КХ67-041 вместо аналогового усилителя обратной связи цифрового усилителя обратной связи может быть решена с той же точностью задача обеспечения термоинвароиантности и точности масштабного коэффициента и смещения нуля прибора КХ69-042 при использовании только российских ЭРИ. Задача решается без использования аппаратной компенсации, за счет алгоритмической компенсации температурных погрешностей акселерометра, реализуемой в контроллере цифровой обратной связи. В структуру цифрового усилителя обратной связи входит ШИМ - преобразователь, проектирование которого требует решения целого ряда задач для обеспечения требований к линейности выходной характеристики в пределах (0,01-0,02)%.
Технические решения, позволяющие выполнять компенсацию температурной зависимости параметров КМА в цифровом усилителе обратной связи являются предметом разработки настоящей диссертации и рассматриваются во 3-ей главе.
Синтез алгоритма работы цифровой обратной связи
Рассмотрим работу прибора и покажем, что предложенная конструкция обеспечивает термоинвариантность динамических характеристик, т.е. независимость от температуры амплитудно-частотной (АЧХ) и фазово-частотной (ФЧХ) характеристик.
Выражение (2.2.1) получается из дифференциального уравнения (2.1.1) при переходе к преобразованиям Лапласа при нулевых начальных условиях [15, 16, 38, 71, 121, 122]. Как следует из выражений (2.1.3) и (2.1.5) ТГ (0С) и KГ(tC) зависят от температуры, поскольку щ(їС) зависит от температуры.
Закон изменения коэффициента жидкостного демпфирования щ(іС) датчика угловой скорости конкретной конструкции считаем известным, т.к. определяется известным законом изменения от температуры вязкости поддерживающей жидкости.
Значения кинематической и динамической вязкости поддерживающей жидкости обычно задаются в технических условиях на жидкость, что позволяет рассчитать для конкретной конструкции закон щ(їС). Кроме того, если нужно знать уточненный закон изменения коэффициента жидкостного демпфирования в датчике угловой скорости, который обусловлен законом изменения от температуры вязкости поддерживающей жидкости и, кроме того, зависит от рабочего зазора и других конструктивных размеров, то известен прямой способ точного экспериментального определения щ(їС). Этот способ заключается в следующем. Размыкают обратную связь. Подают эталонное значение тока в обмотку имитации ДУС, поворачивают гирокамеру до одного упора, затем этим же током поворачивают до второго упора и при этом измеряют время поворота от упора к упору, изменяют направление тока, сохраняя его величину, и поворачивают гирокамеру от одного упора к другому. Угол между упорами точно известен и записан в паспорт ДУС. Поскольку обратная связь разомкнута, то справедливо равенство: п С)-$ = КиД мМ-1ДМ, (2.2.2) т.е. имеет место равенство момента жидкостного демпфирования rh(tC)-fi и уравновешивающего его момента, развиваемого обмоткой имитации ДУС. Величину (3 определяют путем деления величины угла между упорами на время прохождения гирокамерой этого угла. Крутизна характеристики обмотки имитации КиД М датчика момента для ДУС рассматриваемого класса является точной и известной величиной, значение задаваемого тока - точная величина. Измерения проводят на всех интересующих температурах, необходимых для расчета параметров компенсирующих элементов схемы.
Таким образом, закон изменения в зависимости от температуры коэффициента жидкостного демпфирования щ{їС) ДУС можно считать известным с высокой точностью. Фазочувствительный выпрямитель имеет передаточную функцию WФЧВ(s) и представляет собой импульсный ФЧВ, который является апериодическим звеном: WФЧ В(s) = ФЧВ . (2.2.3) ТФЧВS + l Интегратор имеет передаточную функцию: WИ(s) = ИСИl±± = ТИl±lKИ, (2.2.4) RИСИs s где RИ, СИ - сопротивление и емкость в обратной связи интегратора; ТИ - постоянная времени интегратора, КИ = \I{RИСИ) - коэффициент передачи интегратора. Усилительное звено имеет передаточную функцию: R W(s) = \ + y = K(tC), (2.2.5) y Rkl(tC) где Rу - сопротивление; Rk\(tC) - сопротивление терморезистора в обратной связи усилительного звена.
Выражение (2.2.5) записано по правилам включения операционного усилителя для случая, когда входное воздействие подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а обратная связь организуется на инвертирующем входе операционного усилителя, как это имеет место в предлагаемой схеме.
Параллельное соединение интегратора и усилительного звена дает передаточную функцию: „г тгг RИСИS + l а RИСИ\\ + K(tC)\s + \ (T s + \)KИ WИ (s) + Wv (s) = + K(tC) = = — . RИСИS RИСИS S (2.2.6) Передаточная функция (2.2.6) есть передаточная функция интегродиффе-ренцирующего звена с зависящей от температуры форсирующей постоянной времени ТГ, звено участвует в обеспечении необходимых запасов устойчивости и обеспечивает астатизм системы. Коэффициент передачи этого звена равен коэффициенту передачи интегратора: КИ=Ї, (2.2.7) кИСИ а форсирующая постоянная времени ТГ этого звена равна: ТГ = RИCИ[\+K(tQ] (2.2.8) и зависит от температуры по закону, определяемому выражением (2.2.8). Зависимость (2.2.8) форсирующей постоянной времени ТГ\tC) от температуры позволяет обеспечить такое ее регулирование, чтобы во всем диапазоне рабочих температур ДУС обеспечивалось равенство величин ТГ и ТГ, и это, как отмечалось выше, является вторым условием аппаратного способа обеспечения термоинвариантности динамических характеристик ДУС. На рис. п1.16 приложения 1 приведены асимптотические ЛАХ разомкнутой системы. Проведём доказательство на конкретном числовом примере значений параметров, относящихся к ДУС КХ79-060, изготавливаемому серийно филиалом ФГУП «НПЦАП» – «ПО «Корпус», который является чувствительным элементом рассматриваемого измерителя угловой скорости. Этот ДУС удобен для рассмотрения тем, что в его конструкции выполнено первое условие, т.е. ДУС имеет термошунты, подключенные к обмотке датчика момента, и, как следствие, обеспечена термоинвариантность статической характеристики ДУС. После рассмотрения конкретного числового примера выполнения второго условия, можно показать общий характер этого условия, т.е. возможность реализации для любых ДУС. Числовой пример можно продемонстрировать на основе табл. 2.1.
Численные значения параметров ДУС КХ79-060 при температуре 25 С Параметр h щ Н КДУ КДМ Размерность г-см-с2 г-см-с гсмс В/рад г-см/А Величина 0,286 33,1 65 6 567 Выберем резистор Rу = 76,7 кОм, а также применим в качестве терморезистора Rк\ терморезистор ОСМ ТР1 ОЖО468.224ТУ, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры по закону, представленному на графике, показанному на рис. 2.3.
На том же графике (рис. 2.3) представлен закон изменения от температуры коэффициента демпфирования прибора ДУС КХ79-060, определенный законом изменения от температуры вязкости жидкости БЛП, являющейся поддерживающей жидкостью прибора ДУС КХ79-060.
Определяющим фактором для выбора терморезистора является закон изменения от температуры коэффициента жидкостного демпфирования поддерживающей жидкости. Поскольку вязкость всех поддерживающих жидкостей уменьшается при увеличении температуры, то выбирается терморезистор с отрицательным ТКС, т.е. терморезистор, сопротивление которого так 41
же уменьшается при увеличении температуры - в рабочем диапазоне температур, характерном для гироскопических приборов, (0 ... +50)С
Аппаратная система компенсации температурных погрешностей в блоке измерения кажущегося ускорения
Масштабный коэффициент измерительного канала прибора БИЛУ – это коэффициент пропорциональности между количеством импульсов выходной информации и приращением линейной скорости, либо между частотой следования импульсов выходной информации и кажущимся ускорением, измеряемым акселерометром.
Стабильность во времени и линейность масштабного коэффициента измерительного канала прибора БИЛУ определяется стабильностью и линейностью масштабных коэффициентов кварцевого маятникового акселерометра и преобразователя «напряжение-частота».
Математическая модель выходного сигнала кварцевого маятникового акселерометра КХ67-041 исследовалась во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в процессе выполнения аттестации акселерометра для введения его в ранг рабочего эталона. При этом исследования проводились на установках ЭУП-3 и ДЦ-3, входящих в состав Государственного эталона первого рода ГЭТ 94-01.
Выходной сигнал Uвых акселерометра в функции от измеряемого кажуще 69 гося ускорения записывается в виде: Uвых = Км-(К0+авх +К2.ав 2 х+К 3 ав 3 х + Квхом-авх-аом + + Квхоп-авх-аоп+ 0-аоп+ 1-аом) где Км - масштабный коэффициент акселерометра; К0 - смещение нуля выходного сигнала; авх - измеряемое кажущееся ускорение, действующее вдоль измерительной оси акселерометра; К2 - нелинейный коэффициент второго порядка; К3 - нелинейный коэффициент третьего порядка; Квхом - коэффициент перекрестной связи между ускорениями, действующими в направлениях измерительной оси и оси маятника; Квхоп - коэффициент перекрестной связи между ускорениями, действующими в направлениях измерительной оси и оси подвеса маятника; аом - ускорение, действующее в направлении оси маятника; аоп - ускорение, действующее в направлении оси подвеса маятника; So - коэффициент поперечной чувствительности акселерометра в направлении оси маятника; Si - коэффициент поперечной чувствительности акселерометра в направлении оси подвеса маятника.
Для акселерометра КХ67-041 по результатам аттестации во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева получены следующие значения коэффициентов математической модели (3.3.1): Км = 0,10709—; К = -0,013 м 2; 50 = 2-10-5; 8i = l-10–; м с К2 = 4-10-6—; К3 = 0; Квхом = МО–5 —; Квхоп = 6,5-10–6 —. м мм Из результатов аттестации следует, что акселерометр КХ67-041 обладает высокой степенью линейности коэффициента пропорциональности между выходным напряжением и измеряемым кажущимся ускорением, комплексная оценка нелинейности этой характеристики - 0,005%. Факторами, обеспечивающими высокую линейность и стабильность во времени масштабного коэффициента акселерометра, являются методы технологического процесса изготовления акселерометра, обеспечивающие отсутствие остаточных напряжений в кварцевой пластине акселерометра, равномерность рабочего зазора в датчике момента и стабильность величины магнитной индукции в рабочем зазоре.
Технология изготовления кварцевой пластины и сборки акселерометра, обеспечивающая приведенную выше высокую линейность и стабильность во времени масштабного коэффициента, является основой для решения задачи, рассматриваемой в данной работе, т.е. условием обязательным, но недостаточным. Следующим фактором, обеспечивающим решение поставленной задачи, является создание в приборе БИЛУ необходимых температурных условий и построение схемы измерительного канала с компенсацией температурных зависимостей параметров акселерометра.
Особенностью всех кварцевых маятниковых акселерометров, как отечественных, так и зарубежных, является существенная зависимость их основных технических характеристик - нулевого смещения и масштабного коэффициента от изменения температуры окружающей среды, носящая, как правило, нелинейный характер [62, 76]. Природа этой зависимости следующая:
1. изменение нулевого смещения кварцевых маятниковых акселерометров при изменении температуры происходит вследствие термоупругих деформаций, возникающих в кварцевой пластине, а также вследствие разной толщины золотого напыления с обеих сторон кварцевой пластины, реализующего емкостной датчик угла акселерометра и вносящего неоднородность в упруго деформируемый материал пластины. Исследования, проведенные на предприятии ПО «Корпус», показали, что отличие толщин золотого покрытия, нанесенного на одну и другую стороны кварцевой пластины, на величину 0,02 мкм (при номинальном значении толщины покрытия 0,2 мкм) приводит к температурному изменению величины нулевого смещения на 3-10–3g при изменении температуры на 30С;
2. температурная зависимость масштабного коэффициента кварцевого акселерометра, в основном, определяется зависимостью от температуры индукции в рабочем зазоре датчика момента акселерометра. Указанные температурные зависимости параметров кварцевых маятниковых акселерометров являются их органической особенностью, поэтому обеспечение линейности выходной характеристики измерительного канала прибора предполагает, прежде всего, принятие конструктивных решений, исключающих зависимость параметров акселерометра от температуры.
Функциональная схема измерительного канала прибора БИЛУ КХ69-042, представляющего собой термоинвариантный измеритель линейного ускорения с аппаратной компенсацией температурных зависимостей масштабного коэффициента и нулевого сигнала, приведена на рис. 3.8.
На рис. 3.8 обозначено: 1 – мост датчика температуры системы температурной стабилизации ЧЭ; 2 – усилитель мощности сигнала датчика температуры; 3 – терморезистор; 4 – мост датчика температуры системы компенсации температурной погрешности; 5 – термодатчик (терморезистор); 6 – усилитель сигнала датчика температуры; 7 – инвертор; 8, 9 – ключи; 10 – интегратор; 11, 12 – источники эталонного напряжения; 13, 14 – компараторы.
При действии ускорения маятник акселерометра перемещается в пределах зазора порядка 20 мкм. Сигнал с дифференциального емкостного датчика угла, усиленный и откорректированный усилителем обратной связи, поступает на датчик момента, обеспечивающий компенсацию инерционной силы от действия ускорения.
Компенсационный акселерометр с магнитоэлектрическим датчиком момента имеет токовый выход. Для преобразования выходного тока в выходное напряжение последовательно с обмоткой датчика момента подключается внешнее нагрузочное сопротивление Rос, величина которого определяет масштабный коэффициент акселерометра.
Результаты испытаний блока измерителей линейного ускорения при различных температурах
Задача разработки цифровой системы управления инерциальным чувствительным элементом распадается на две самостоятельные задачи: 1. задачу синтеза алгоритма цифрового управления, включающую оценку запасов устойчивости, частотных характеристик и формирование дискретного управляющего полинома в конечно-разностной форме, прошиваемого в управляющий процессор; 2. задачу аппаратной реализации управления током датчика момента ИУС или ИКУ. Для решения первой задачи в теории автоматического управления существует целый комплекс методов: метод ЛАЧХ и ЛФЧХ, метод линейно-квадратической дискретной оптимизации (LgD-оптимизации), цифровой фильтрации и теории наблюдающих устройств минимальной размерности типа Люенбергера, метод Яю и целый ряд иных [5, 15, 16, 17, 18, 22, 25, 28, 37, 38, 59, 69, 70, 71, 72, 98, 99, 119, 121, 122, 128, 129, 130, 131, 132]. Для решения второй задачи в современных системах управления применяют, как правило, АЦП-ЦАП - преобразование, ЧИМ и ШИМ-управление током дат 104 чика момента. В принципе, можно применять любой из указанных методов для решения поставленной задачи. Выше было показано, что из аппаратных методов наиболее оптимальным является ШИМ - управление током датчика момента. Ниже в качестве примера приведён один из возможных обобщенных методов синтеза регуляторов для ДУС и КМА и показана практическая идентичность полученных результатов с применённым выше методом ЛАЧХ в плане получения управляющего полинома в конечно-разностной форме. При этом ни структурная схема обобщенного ЦУОС, ни его аппаратная реализация не меняются [88].
Решение данной задачи в обобщённом виде стало возможным по следующей причине: конструкции приборов КХ79-060 (измеритель угловой скорости) и КХ67-041 (измеритель кажущегося ускорения – кварцевый маятниковый акселерометр) в электромеханической части остаются неизменными. Жесткостные характеристики подвесов обеспечены и рассчитаны и не подлежат изменению, равно как и свойства поддерживающей жидкости в поплавковых гироскопах любой конструкции. Вследствие этого, вид дифференциальных уравнений движения чувствительных элементов приборов, а именно, выражения (2.1.1) и (3.2.1) с точностью до малых величин (жесткости кварцевого подвеса акселерометра, составляющей 1,6 гсм/рад) можно считать идентичными в левой части, определяющей динамические свойства объекта управления, а различными являются лишь численные значения параметров объектов. Следовательно, цифровые регуляторы систем управления ИУС и ИКУ могут иметь одинаковую структуру с точностью до подбираемых коэффициентов управления в дискретном регуляторе, что и было показано во второй и третьей главах диссертационной работы на численных примерах.
Структурная схема обобщенного цифрового усилителя обратной связи совместно с обобщенным инерциальным чувствительным элементом показана на рис. 4.1. Структурная схема состоит из контура цифровой обратной связи, охватывающего чувствительный элемент и обеспечивающего устойчивость и требуемые динамические характеристики прибора; температурного информационного канала, обеспечивающего изменение коэффициентов регулятора для компенсации температурной зависимости динамических характеристик прибора и компенсацию вне контура обратной связи выходных статических характеристик прибора от температуры; блока компенсации нелинейности выходных статических характеристик прибора.
Такая структура обобщенного ЦУОС способна обеспечить работу любого электромеханического инерциального чувствительного элемента компенсационного типа. При этом может быть достигнута инвариантность от температуры динамических и статических характеристик такого прибора, а также, компенсация нелинейности его выходных статических характеристик. Очевидно, что для каждого вида прибора необходимо производить заново расчет регулятора. Компенсирующие алгоритмы динамических и статических характеристик могут быть использованы совместно или по отдельности в зависимости от требований технического задания. Коэффициенты компенсирующих алгоритмов должны быть рассчитаны для соответствующего вида прибора или, если требуется высокая точность компенсации, для каждого кон 106 кретного экземпляра прибора путем замера его характеристик по установленной методике.
При рассмотрении поплавкового электромеханического ДУС с учетом дифференциального уравнения (2.1.1) входной момент Мвх имеет вид: Мвх = Н-&вх, (4.1.1) а передаточная функция подвижного узла записывается как: Wp(s) = 1/(JpS2+rips). (4.1.2) При рассмотрении кварцевого маятникового акселерометра с учетом дифференциального уравнения (3.2.1) эти переменные имеют вид: Mex = ml-q, (4.1.3) Wp(s) = 1/(JpS2+npS + Cm). (4.1.4) Для осуществления линейного управления током датчика момента в ЦУОС применяется переключатель тока, который формирует импульсы стабильного тока. Длительность этих импульсов определяется в управляющей программе микроконтроллера по уравнению дискретного регулятора и формируется в ШИМ-преобразователе на базе таймеров-счетчиков микроконтроллера.
Регулятор в ЦУОС реализуется на базе микроконтроллера и имеет струк туру, представленную на рис. 4.2.
Управляющая программа обеспечивает работу центрального вычислителя микроконтроллера в соответствии с разностным уравнением (алгоритмом дискретного регулятора), обеспечивает прием измеряемых сигналов с датчика угла прибора и с термодатчика, выдачу управляющего воздействия в виде ШИМ и выдачу выходной информации во внешний интерфейс.