Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В современном точном приборостроении наземные испытания измерителей угловых скоростей и блоков на их основе требуют применения поворотных стендов, задающих с высокой точностью и стабильностью вращение с постоянной или изменяющейся по определенному закону угловой скоростью в широком диапазоне (от 0,01 до 10000/с).
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке новых схемотехнических решений построения широкодиапазонных поворотных стендов с цифровыми системами управления (ЦСУ), где в качестве инерциальных чувствительных элементов (ИЧЭ) применяются различные навигационные приборы, а именно измерители угловых скоростей и кажущихся ускорений. Введение ЦСУ позволит стендам выйти на новый уровень точностных характеристик, а также в случае необходимости позволит изменять динамические свойства стендов путем перепрограммирования цифровой части их регуляторов.
Целью диссертационной работы является повышение точности задания угловой скорости и улучшение динамических характеристик широкодиапазонных стендов с навигационными приборами в качестве ИЧЭ путем разработки новых схемотехнических решений построения стендов с ЦСУ.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
разработка схемотехнических решений построения стендов нового поколения – стендов с ЦСУ и ИЧЭ;
синтез цифровых регуляторов систем управления стендов и ИЧЭ;
анализ синтезированных систем в частотной и временной областях и проведение экспериментальных исследований для подтверждения правильности предлагаемых решений;
оценка влияния помех широкодиапазонных стендов с ЦСУ;
разработка методик и алгоритмов повышения точности задания угловых скоростей стендами нового поколения.
Методы исследования применены теоретические и экспериментальные. В теоретическом исследовании использован аппарат теории автоматического управления, методы программирования и компьютерного моделирования. Экспериментальное исследование широкодиапазонного стенда с ЦСУ производилось на филиале ФГУП «НПЦ АП» – «ПО «Корпус».
Достоверность результатов подтверждается соответствием теоретических результатов, в том числе полученных математическим моделированием, с результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
предложены два варианта построения широкодиапазонных стендов с ЦСУ. На базе предложенных вариантов разработаны три схемотехнических решения построения стендов, защищенные патентами РФ на изобретения;
-
показано, что в стендах возможна смена ИЧЭ вне зависимости от класса ИЧЭ и типа его обратной связи. Смена ИЧЭ не ведет к изменению конструкции и функциональной электроники стенда, а обеспечивается за счет подстройки коэффициентов цифровой части регулятора в ЦСУ стенда;
-
получены новые алгоритмы цифровой стабилизации движений ИЧЭ и платформы стенда, обеспечивающие требуемые точностные характеристики и частотные свойства этих приборов;
-
разработано программно-математическое обеспечение, реализующее математические модели погрешностей предлагаемых стендов;
-
разработана методика калибровки приводного двигателя стенда, улучшающая точностные характеристики стенда.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:
-
повысить точность и стабильность задаваемой угловой скорости в предлагаемых схемотехнических решениях построения стендов;
-
снизить энергопотребление и габаритно-массовые характеристики;
-
обеспечить возможность задания широкого диапазона программных движений вращения платформы стенда, а не только постоянных по величине и направлению, либо изменяющихся по гармоническому закону;
-
обеспечить возможность изменения динамических характеристик стенда и ИЧЭ путем перепрограммирования цифровой части их регуляторов без изменения конструкции и функциональной электроники;
-
с введением ЦСУ ликвидировать зависимость масштабного коэффициента и полосы пропускания стенда от угловой скорости при использовании в качестве ИЧЭ акселерометров, измеряющих центростремительное ускорение.
На защиту выносятся:
-
два варианта построения широкодиапазонных стендов с цифровыми системами управления, представленные тремя схемотехническими решениями с различными измерителями угловой скорости;
-
новые алгоритмы цифрового управления в контурах чувствительных элементов и контурах стабилизации стендов;
-
программно-математическое обеспечение, реализующее математические модели погрешностей предлагаемых стендов;
-
алгоритм адаптации системы управления стенда к смене ИЧЭ;
-
методика калибровки приводного двигателя стендов.
Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на VIII-XIV конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», XXV научно-технической конференции памяти Н.Н. Острякова, XV-XVIII Международных конференциях по интегрированным навигационным системам, IV Мультиконференции по проблемам управления (ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, 2006-2012); IV научно-технической конференции молодых работников и специалистов (ФГУП «НПЦ АП», Москва, 2010) и конференции «Математические методы в технике и технологиях» (СГТУ, Саратов, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 печатные работы, из них 6 статей в журналах из перечня ВАК РФ, 3 статьи без соавторов и 3 патента РФ на изобретения.
Личный вклад автора в этих работах состоит в разработке схемотехнических решений построения стендов с ЦСУ; формировании математических моделей стендов с процессорными устройствами; синтезе цифровых регуляторов стендов, датчиков угловой скорости (ДУС) и кварцевых маятниковых акселерометров; анализе синтезированных систем; оценке влияния помех, присущих системам управления стендов; разработке программно-математического обеспечения; разработке алгоритмов и методик повышения точности задания угловой скорости стендами; проведении экспериментальных исследований.
Использование результатов. Результаты, полученные в диссертационной работе, были использованы на филиале ФГУП «НПЦ АП» –
«ПО «Корпус» в качестве опытной разработки программно-математического обеспечения при решении задач синтеза цифровых регуляторов и способов повышения точности задания угловой скорости стендами, а именно:
принципы построения поворотных стендов и ИЧЭ с ЦСУ;
алгоритмы реализации цифровых регуляторов в виде разностных уравнений вычисления управляющих воздействий в микроконтроллерах процессорных модулей, находящихся в цепях обратных связей приборов;
а также методика калибровки приводного двигателя стенда.
Алгоритмы реализации цифровых регуляторов были апробированы при расчетах кварцевого маятникового акселерометра с ЦСУ и широкодиапазонного поворотного стенда с ЦСУ, имеющего ДУС и акселерометры с аналоговыми системами управления в качестве ИЧЭ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка источников, включающего 120 наименований, и четырех приложений. Объем пояснительной записки составляет 125 страниц, общий объем со списком источников и приложениями – 167 страниц; в работе имеются 83 рисунка и 20 таблиц.
