Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гироскопические приборы для измерения вектора угловой скорости космических аппаратов 16
1.1 Типы гироскопических измерителей вектора угловой скорости 16
1.2 Технические особенности систем термостатирования современных прецизионных ГИВУС 22
1.3 Постановка задач исследования 24
1.4 Выводы по главе 1 26
Глава 2. Измерительный канал ГИВУС и построение тепловой модели его чувствительного элемента 27
2.1 Датчик угловой скорости на ПИГ 27
2.1.1 Принцип действия, уравнение движения ПИГ 27
2.1.2 Формирование режима датчика угловой скорости 30
2.1.3 Особенности построения измерительного канала ГИВУС 34
2.2 Построение тепловой модели чувствительного элемента ГИВУС 43
2.2.1 Конструктивные и теплофизические параметры чувствительного элемента 44
2.2.2 Метод построения тепловой модели 46
2.2.3 Оценка погрешностей выбранного метода построения тепловой модели 50
2.3 Выводы по главе 2 57
Глава 3. Система термостатирования ГИВУС 59
3.1 Конструктивное исполнение 59
3.2 Алгоритм управления контурами термостатирования 62
3.3 Тепловая модель 65
3.4 Результаты моделирования в среде Simulink 73
3.5 Выводы по главе 3 77 Стр..
Глава 4. Экспериментальные исследования ГИВУС с системой термостатирования 79
4.1 Методика исследования 79
4.2 Рабочее место проведения испытаний 85
4.3 Результаты экспериментальных исследований ГИВУС с СТС (этап 1) 87
4.3.1 Определение стабильности нулевого сигнала измерительного канала при внешних температурных воздействиях 87
4.3.2 Измерение тепловых параметров СТС 89
4.3.3 Определение времени тепловой готовности измерительного канала 92
4.3.4 Численное сравнение результатов моделирования и экспериментальных исследований 94
4.3.5 Исследование причин изменения нулевого сигнала измерительного канала при внешних температурных воздействиях 96
4.4 Результаты экспериментальных исследований ГИВУС с СТС, имеющей адаптируемую температуру настройки 1-го контура (этап 2) 99
4.4.1 Алгоритм работы 1-го контура СТС 101
4.4.2 Определение стабильности нулевого сигнала измерительного канала при внешних воздействиях 102
4.4.3 Технические решения по модернизации 1-го контура СТС 109
4.4.4 Моделирование работы СТС с модернизированным 1-м контуром 115
4.5 Выводы по главе 4 119
Общие выводы и заключение 123
Список литературы 125
- Технические особенности систем термостатирования современных прецизионных ГИВУС
- Особенности построения измерительного канала ГИВУС
- Результаты моделирования в среде Simulink
- Определение времени тепловой готовности измерительного канала
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время в Российской Федерации ведется разработка космических аппаратов (КА) для дистанционного зондирования Земли (например КА серии Электро) и космических обсерваторий (Спектр-УФ, Спектр-М, Гамма-400). Угловая ориентация КА подобных классов должна выдерживаться в инер-циальном пространстве с достаточно высокой точностью – порядка 0,1 угл. сек, и стабильностью 10-3–10-5 /с при движении КА по орбитальной траектории.
Для решения задач управления ориентацией и стабилизации КА он должен иметь в своем составе прецизионный измеритель вектора угловой скорости.
В современных КА преимущественно используются бесплатформенные гироскопические измерители вектора угловой скорости (ГИВУС) в силу простоты их конструкции, малого энергопотребления, небольших габаритно-массовых характеристик. Также их применение стало возможным благодаря достаточной вычислительной мощности бортовых цифровых вычислительных машин КА для обработки первичной информации, поступающей с измерительных датчиков, и расчета ориентации КА. Главными достоинствами ориентирования по гироскопическим измерителям является автономность, не требующая использования внешних источников информации, и соответственно высокая помехозащищённость.
ГИВУС должен обеспечивать свои точностные параметры с высокой степенью повторяемости в реальных условиях эксплуатации. На борту КА температура окружающей среды вокруг ГИВУС может меняться в диапазоне от 0 до +35 С, а флуктуации напряжения первичного электропитания находятся в диапазоне от 25 до 29 В. Диапазон рабочих температур прибора определяется параметрами системы терморегулирования КА, представляющей собой, как правило, совокупность пассивных и активных подсистем терморегулирования. Диапазон напряжения первичного электропитания прибора определяется параметрами бортовой энергетической установки КА, для которой основными источниками электроэнергии являются солнечные батареи, работающие совместно с буферными аккумуляторными батареями. В силу ограниченной электрической емкости современных аккумуляторных батарей, максимальная мощность, потребляемая ГИВУС, не должна превышать 100 Вт.
Точность системы ориентации и стабилизации КА в условиях невесомости определяется стабильностью компоненты скорости дрейфа ГИВУС, не зависящей от ускорения, которую принято называть «нулевым сигналом». Стабильность нулевого сигнала прибора должна быть не хуже 0,002 /ч при заданных изменениях температуры окружающей среды и напряжения первичного электропитания. Временной интервал, в течение которого должна обеспечиваться стабильность нулевого сигнала, составляет 24 часа и определяется периодичностью калибровки ГИВУС, выполняемой 1-2 раза в сутки по показаниям оптических астродатчиков, установленных на КА.
На сегодняшний день самыми точными ГИВУС, производимыми в Российской Федерации, являются приборы типа КИНД34-020, разработанные в
филиале ФГУП «ЦЭНКИ» – «НИИ ПМ им. акад. В.И. Кузнецова», у которых случайная составляющая нулевого сигнала не превышает 0,001 /ч (оценка по 1). Однако нестабильность нулевого сигнала подобных приборов при внешних температурных воздействиях может достигать 0,005 /ч, что обусловлено использованием в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) приборов двухстепенных поплавковых интегрирующих гироскопов.
Одним из недостатков гироскопов указанного типа является зависимость стабильности их скорости дрейфа от:
– температуры корпуса гироскопа;
– тепловыделения в элементах конструкции гироскопа;
– внешних и внутренних магнитных полей.
Повышение точности ГИВУС до уровня, соответствующего требованиям современных и перспективных КА, помимо совершенствования гироскопических ЧЭ и разработки инерциальных ЧЭ, работающих на новых принципах, может быть также обеспечено применением более совершенных систем термо-статирования (СТС) серийных гироскопических ЧЭ и снижением их чувствительности к магнитным полям.
Значительный вклад в создание СТС приборов для инерциальных навигационных систем внесли Джашитов В.Э., Громов Д.С., Пылаев Ю.А., Голиков А.В., Панкратов В.М. В их работах показано, что даже для идеально изготовленного инерциального прибора имеет место тепловой дрейф, доля которого в суммарном дрейфе может достигать для некоторых типов приборов от 30 до 40 % и более. По мнению авторов, уменьшение этого дрейфа для достижения инерциальных точностей навигационных приборов с температурозави-симыми ЧЭ можно обеспечить путём применения активных реверсивных двух-контурных СТС, обеспечивающих как нагрев, так и охлаждение элементов конструкции приборов. В подобных СТС первый контур используется для термо-статирования общих для всех ЧЭ конструктивных узлов прибора, а второй для индивидуального термостатирования каждого ЧЭ.
Однако вопрос о необходимой и достаточной точности термостатирова-ния поплавковых гироскопов в настоящее время не имеет однозначного ответа. В известных публикациях говорится об оптимальной точности термостатирова-ния на уровне от 0,01 до 0,1 С, но при этом не приводится её связь со стабильностью скорости дрейфа гироскопов. Для определения достаточной точности термостатирования ЧЭ необходимо исследовать взаимосвязь работы и параметров СТС со стабильностью нулевого сигнала ГИВУС.
В связи с вышесказанным, актуальной задачей является создание системы термостатирования ГИВУС, позволяющей оптимизировать параметры температурной стабилизации ЧЭ, для обеспечения требуемых точностных характеристик прибора в заданных условиях его эксплуатации. Учитывая собственное (без учета СТС) энергопотребление ГИВУС на поплавковых гироскопах, не превышающее 65 Вт, потребление СТС четырёх измерительных каналов прибора не должно превышать 35 Вт, исходя из энергетических возможностей КА.
Цель работы
Определение схемы построения, алгоритма работы и точности поддержания температуры системы термостатирования ГИВУС на поплавковых гироскопах для достижения стабильности независящего от ускорения нулевого сигнала прибора на уровне 0,002 /ч при его эксплуатации в составе КА.
Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработана концепция построения СТС ГИВУС, способной обеспечить требуемую точность ГИВУС и стабильность поддержания температуры корпуса поплавкового гироскопического ЧЭ на уровне 0,01 С.
-
Разработана аналитическая тепловая модель СТС ГИВУС, с помощью которой проведены теоретические исследования, подтвердившие требуемые точностные и эксплуатационные характеристики СТС.
-
Разработана методика экспериментальных исследований точностных характеристик измерительного канала ГИВУС с СТС.
-
Проведены экспериментальные исследования измерительного канала ГИВУС с СТС и получены оценки точности термостатирования корпуса ЧЭ, стабильности нулевого сигнала измерительного канала и их взаимосвязи при температурных воздействиях на прибор.
-
Выполнена верификация аналитической тепловой модели путем сравнения результатов моделирования СТС ГИВУС с результатами экспериментальных исследований.
-
По результатам экспериментальных исследований и моделирования предложены технические решения по модернизации СТС ГИВУС, позволяющие достигнуть стабильности нулевого сигнала измерительного канала прибора на уровне 0,002 /ч.
-
Проведены экспериментальные исследования измерительного канала ГИВУС с модернизированной СТС и оценка стабильности нулевого сигнала измерительного канала в течение 24 часов при изменении температуры основания и напряжения первичного электропитания ГИВУС в диапазонах, соответствующих условиям эксплуатации прибора в составе КА.
Объектом исследования является ГИВУС с измерительным каналом, содержащим индивидуальную двухконтурную систему термостатирования ЧЭ.
Предметом исследования является взаимосвязь работы и параметров индивидуальной двухконтурной системы термостатирования ЧЭ со стабильностью нулевого сигнала измерительного канала ГИВУС.
Методы исследования
При решении поставленных в работе задач использовались основы теории гироскопических приборов, теории теплообмена, методы статистической обработки результатов измерений, методы математического и компьютерного моделирования и методы экспериментальных исследований, основанные на методиках прямых и косвенных измерений.
Научная новизна работы
-
Показана возможность реализации ГИВУС на поплавковых гироскопах, обладающего стабильностью независящего от ускорения нулевого сигнала на уровне 0,002 /ч в условиях температурных воздействий на ГИВУС и изменения напряжения первичного электропитания, за счёт применения индивидуальной двухконтурной системы термостатирования для каждого ЧЭ прибора.
-
Выявлено значительное влияние на нулевой сигнал поплавковых ЧЭ магнитных полей, обусловленных током, протекающим в нагревательных элементах ЧЭ. Установлено, что кардинальным решением уменьшения влияния магнитных полей является магнитное экранирование ЧЭ и стабилизация мощности тепловыделения в его нагревательных элементах.
-
Представлен способ стабилизации мощности тепловыделения в нагревательных элементах 2-го контура термостатирования, расположенных на корпусе ЧЭ, путём введения специального алгоритма работы 1-го контура термо-статирования с адаптируемой температурой настройки, стабилизирующего температуру элементов конструкции, окружающей ЧЭ.
Практическая значимость работы
-
Разработанная аналитическая тепловая модель ЧЭ с СТС, позволяет анализировать работу СТС и прогнозировать стабильность нулевого сигнала измерительного канала ГИВУС при различных параметрах СТС и температурных условиях эксплуатации прибора. Тепловую модель целесообразно использовать в филиале ФГУП «ЦЭНКИ» – «НИИ ПМ им. акад. В.И. Кузнецова» при разработке приборов на поплавковых гироскопах.
-
Концепция двухконтурной системы термостатирования ЧЭ с адаптируемой температурой настройки одного контура повышает точностные характеристики ЧЭ и может быть использована ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», ФГУП «НПЦ Автоматики и приборостроения им. акад. Н.А. Пилюгина».
-
ГИВУС со стабильностью нулевого сигнала измерительных каналов в пределах 0,002 /ч в совокупности со своими высокими эксплуатационными характеристиками может быть использован в составе бортовых комплексов управления современных и перспективных космических аппаратов ПАО РКК «Энергия», ФГУП «МОКБ «Марс», АО «НПО им. С.А. Лавочкина», АО «ИСС им. акад. М.Ф. Решетнёва».
Достоверность результатов работы подтверждается удовлетворительным соответствием результатов, полученных математическим моделированием, результатам экспериментальных исследований образца измерительного канала ГИВУС с предложенной СТС, проведенных в филиале ФГУП «ЦЭНКИ» – «НИИ ПМ имени академика В.И. Кузнецова» по разработанной методике.
Внедрение результатов работы
Результаты работы использованы при модернизации конструкции поплавковых ЧЭ, разрабатываемых в филиале ФГУП «ЦЭНКИ» – «НИИ ПМ имени академика В.И. Кузнецова», что подтверждено актом внедрения. Магнитные экраны, являющиеся частью предложенной в работе модернизации гироскопических приборов, предназначены минимизировать влияние магнитных
полей от токов, протекающих в нагревательных элементах системы термоста-тирования, на ферромагнитные массы поплавка и повысить стабильность нулевого сигнала ЧЭ. Также результаты работы рекомендованы к использованию при разработке перспективных систем ориентации на базе прецизионных поплавковых гироскопических ЧЭ для космических аппаратов различного класса. Положения, выносимые на защиту
-
Для достижения стабильности независящего от ускорения нулевого сигнала измерительных каналов гироскопического измерителя вектора угловой скорости на уровне 0,002 /ч необходимо термостатировать поплавковые чувствительные элементы с точностью 0,01 С и стабилизировать мощность тепловыделения в их нагревательных элементах с точностью 0,1 Вт.
-
Основной вклад в изменение нулевого сигнала чувствительного элемента при температурных воздействиях на гироскопический измеритель вектора угловой скорости вносит влияние на чувствительный элемент магнитных полей, обусловленных током, протекающим в нагревательных элементах 2-го контура термостатирования, расположенных на корпусе чувствительного элемента.
-
Для стабилизации мощности тепловыделения в нагревательных элементах чувствительного элемента с сохранением точности его термостатирова-ния, необходимо применение специального алгоритма работы 1-го контура термостатирования с адаптируемой температурой настройки, стабилизирующего температуру элементов конструкции, окружающей чувствительный элемент.
Личный вклад автора
Разработал аналитическую тепловую модель ЧЭ с СТС, позволяющую проводить расчёт работы СТС в динамическом и установившемся режимах; провёл экспериментальные исследования измерительного канала ГИВУС с предложенной СТС, выполнил анализ полученных результатов, получил оценку взаимосвязи параметров СТС с точностью прибора; для достижения требуемых точностных характеристик ГИВУС разработал специальный алгоритм работы 1-го контура СТС с адаптируемой температурой настройки.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждались на:
– V Общероссийской молодёжной научно-технической конференции «Молодёжь. Техника. Космос» БГТУ им. Д.Ф. Устинова (Санкт-Петербург, 2013);
– VII Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2014);
– ХX научно-технической конференции молодых учёных и специалистов ПАО «РРК «Энергия» им. С.П. Королёва» (Королёв, 2014);
– XXXIX и XL академических чтениях по космонавтике, посвященных памяти С.П. Королёва МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2015, 2016).
Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах общим объемом 2,19 п.л, в том числе в 4 статьях в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и заключения, приложения. Работа изложена на 141 странице машинописного текста и содержит 70 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 79 наименований.
Технические особенности систем термостатирования современных прецизионных ГИВУС
Современная космическая отрасль с течением времени расширяет круги своей исследовательской деятельности, в том числе усложняются задачи решаемые КА. Перспективной задачей для КА типа космических обсерваторий является экспонирование снимков определённой области космического пространства длительностью до 10 часов. При этом необходимо обеспечить требуемую ориентацию КА с точностью 0,1 угл.с, а чтобы качество экспонированных снимков оказалось достаточно чётким, амплитуда колебаний КА в инерциальном пространстве не должна превышать 0,03 угл.с. Для решения поставленной задачи ориентации от контура управления КА, включающего в себя ГИВУС, требуются наведение оптической оси телескопа в заданную область космического пространства с точностью 2500 угл.с и стабилизация угловой скорости КА до значения 10-4 – 10-5 /с. Затем при помощи более точного контура управления КА, содержащего систему датчиков гида, осуществляется наведение и гидирование КА с точностью 0,01 угл.с [8, 9, 73, 74].
При использовании ГИВУС в контуре системы ориентации и стабилизации КА дистанционного зондирования Земли, во время съёмки района земной поверхности КА должен быть ориентирован с точностью порядка 1 угл.мин и стабилизирован с точностью 10-3 – 10-5 /с [38, 59, 72].
Для выполнения представленных задач ориентации и стабилизации КА дистанционного зондирования Земли и космических обсерваторий, ГИВУС должен иметь стабильность нулевого сигнала не хуже 0,002 /ч.
Основным параметром классификации ГИВУС является тип его чувствительных элементов, которые определяют точность прибора.
В настоящее время наибольшее распространение получили следующие чувствительные элементы: волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ), микромеханические вибрационные гироскопы (ММВГ) и поплавковые интегрирующие гироскопы. Приборы на волоконно-оптических гироскопах ВОГ представляет собой длинный волновод в виде катушки оптического волокна и источника излучения. Принцип действия ВОГ основан на эффекте Саньяка, который состоит в том, что разность фаз двух световых волн, распространяющихся по замкнутому контуру в противоположных направлениях, при вращении контура вокруг оси, нормальной к его плоскости, пропорциональна угловой скорости вращения контура, который обходят встречные волны. При этом, чем больше длина оптического волокна, тем больше будет чувствительность ВОГ к входной угловой скорости [10, 11].
Приборы, построенные на ВОГ, обладают точностью порядка 10-2 – 10-3 /ч [2], диапазоном измерения до 102 /с и имеют следующие достоинства: - малое энергопотребление порядка 6 Вт на один измерительный канал; - высокая линейность на всем диапазоне измерения; - высокая прочность конструкции, позволяющая выдерживать механические перегрузки; - большой ресурс ввиду отсутствия подвижных механических частей; - возможность создавать ряд приборов различной точности (соответственно с различной массой и габаритами) за счет изменения длины волокна ВОГ.
Наряду с достоинствами можно также выделить следующие недостатки, присущие приборам на ВОГ [75]: - влияние механических и акустических вибраций, а также ускорений и магнитных полей на точность измерения; - наличие зоны нечувствительности при малых угловых скоростях, которая требует дополнительных алгоритмических или технических средств для ее минимизации; - зависимость точностных характеристик от температурных градиентов в объеме катушки ВОГ; - зашумленность выходной информации; - большие габариты и масса порядка 15 кг (для точных приборов), обуслов ленные габаритно-массовыми характеристиками катушек ВОГ.
Таким образом, приборы, построенные на ВОГ, пока еще являются измерителями среднего класса точности и не применимы для высокоточной стабилизации КА. В перспективе с развитием технологии производства ВОГ можно ожидать повышение их класса точности и приближение приборов, построенные на их базе, по величине стабильности нулевого сигнала, к поплавковым гироскопическим приборам [76].
Приборы на динамически настраиваемых гироскопах ДНГ представляет собой трехстепенной гироскоп с вращающимся внутренним упругим кардановым подвесом. В отличие от трехстепенного гироскопа с наружным кардановым подвесом двигатель ДНГ расположен на корпусе прибора. Упругий подвес ДНГ обеспечивает кинематическую связь ротора с двигателем по оси собственного вращения и две степени свободы углового движения относительно вала двигателя и соответственно две оси чувствительности ДНГ. Ротор может вращаться вокруг своей оси, как в шарикоподшипниковой опоре, так и с использованием газодинамической опоры [17, 18, 66].
Применение в ДНГ упругого карданова подвеса исключает сухое трение в опорах подвеса, что повышает его точность. При вращении ротора с подвесом упругие моменты подвеса компенсируются центробежными инерционными моментами кольца подвеса, что приближает ДНГ к свободному гироскопу. Эта компенсация обеспечивается при определенной скорости собственного вращения гироскопа, поэтому он называется динамически настраиваемым [6].
Измерители угловой скорости, построенные на ДНГ, имеют точность порядка 10-1 – 10-2 /ч [2], диапазон измерения до 102 /с и им присущи следующие достоинства: - возможность применения ДНГ с газодинамической опорой ротора, что существенно повышает ресурс прибора по сравнению с шарикоподшипниковым аналогом;
Особенности построения измерительного канала ГИВУС
Таким образом, БПИ выдаёт выходную информацию ИК в виде информационных импульсов, количество которых пропорционально величине тока в датчике момента, а цена каждого импульса имеет размерность угла. Фактически выходной информацией ИК является угол поворота гироблока вокруг его оси чувствительности за такт опроса ИК, зная который определяется входная угловая скорость по оси чувствительности.
Каждый ИК прибора состоит из старшего и младшего измерительного контура. Два контура одновременно принимают участие в измерении угловой скорости. При этом старший контур обеспечивает измерение угловой скорости в полном диапазоне измерения прибора до 2 /с: максимум 32 информационных импульса за такт работы контура 2 мс [21, 22].
Младший контур работает в диапазоне до 0,1 / с и дополняет результат измерения старшего контура: максимум 496 информационных импульса за такт работы контура 4 мс, масштабный коэффициент которых в 100 раз меньше, чем у старшего контура. Полный результат измерения ИК складывается из показаний обоих контуров. В итоге, характеристика ИК в целом приближена к идеальной линейной характеристике. При этом чувствительность канала будет одинаково высокой при любой величине входной угловой скорости в пределах 2 /с, за счёт работы точного младшего контура.
Рассмотрим на примере, как работают оба измерительных контура. При достижении значения входной угловой скорости 80% от диапазона измерения младшего контура, контроллер БПИ начинает вырабатывать команды управления ЭКМст, создавая один дискрет тока для ДМст, соответствующий одному информационному импульсу старшего контура за такт его работы. Благодаря этому в работу включается ДМст, который компенсирует часть гироскопического момента, тем самым разгружая ДМмл и позволяя младшему контуру вновь работать в своём диапазоне измерения. При повторном достижении входной угловой скорости, измеряемой младшим контуром, 80% от его диапазона, ток, подаваемый в ДМст, увеличится на один дискрет и младший контур опять перейдёт в диапазон своего измерения, а старший контур будет выдавать уже 2 информационных импульса за такт работы [23].
В двухотсчетной измерительной системе автоматического регулирования основные ее характеристики зависят только от параметров младшего контура. Старший контур выполняет разгрузочную (компенсирующую) функцию для младшего контура и не принимает постоянного участия в процессе регулирования, т.е. тем самым он не влияет на динамику и устойчивость замкнутого контура регулирования.
На Рис. 2.5 представлен вид исходной логарифмической амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик (ЛАЧХ и ЛФЧХ) разомкнутой системы контура обратной связи измерительного канала ГИВУС без корректирующих звеньев, передаточная функция которой имеет вид
Реакция замкнутой системы контура обратной связи ИК без корректирующих звеньев на единичное ступенчатое воздействие Как видно из Рис. 2.5 при отсутствии корректирующий звеньев в системе контура обратной связи ИК её работа является устойчивой (запас по фазе =89,6, по амплитуде hм ), но при этом разомкнутая система контура обратной связи ИК имеет малую частоту среза fср1=0,168 Гц, не позволяющую обеспечить полосу пропускания ИК на уровне (10-15) Гц, которая необходима при эксплуатации ГИВУС в составе КА.
В соответствии с Рис. 2.6 время вхождения переходного процесса в трубку 2% при единичном ступенчатом воздействии составляет 2%=3,68 с, что недопустимо, так как для работы алгоритма двухконтурной системы обратной связи требуется 2% 0,2 с. Перерегулирование в системе отсутствует, максимальное значение которого для систем автоматического регулирования не должно превышать 30 % [78].
По результатам моделирования максимальное статическое отклонение поплавка гироблока ст при наличии по оси чувствительности гироблока входной угловой скорости, равной диапазону измерения младшего контура ИК 400 "/c (0,1 /с), составляет ст=648", при оптимальном значении порядка 10", определяющим допустимое отклонение оси чувствительности ИК.
Для устранения вышеописанных несоответствий системы контура обратной связи ИК предъявляемым к ней требованиям, в неё введена следующая передаточная функция: К 50 У WУ (s) (T1s +1)(T2s +1)(T3s +1) (0,0015s +1)(0,00015s +1)(0,0018s + 1) При этом корректирующие свойства в себе несёт только коэффициент усиления КУ, а апериодические звенья с постоянными времени Т1, Т2, Т3, необходимы для фильтрации высокочастотных шумов в УОС и БПИ и не влияют на ЛАЧХ и АФЧХ в диапазоне частот внутри полосы пропускания ИК.
Результаты моделирования в среде Simulink
Тепловые проводимости между элементами конструкции МГБ и их теплоёмкости рассчитывались по методике, изложенной в Разделе 2.2.2. Результаты расчёта представлены в Приложении П.1, где также указаны значения тепловых мощностей, выделяемых в элементах, и их источники.
В соответствии с тепловой моделью конструкции МГБ, представленной на Рис. 3.7, 3.8, в среде Simulink построена аналитическая тепловая модель ЧЭ с СТС (Рис. 3.9), позволяющая производить расчёт работы СТС в динамическом и статическом режимах. Simulink-модель состоит из следующих блоков: 1 – блок ЧЭ (элементы конструкции 1...8) , 2 – блок кронштейна (элемент конструкции 9), 3 – блок теплоизолирующей стойки №1 кронштейна (элемент конструкции 10), 4 – блок теплоизолирующей стойки №2 кронштейна (элемент конструкции 11), 5 – блок стабилизатора тока (элементы конструкции 17, 18, 19), 6 – блок внутреннего кожуха (элементы конструкции 14, 15, 16), 7 – блок внешнего кожуха (элементы конструкции 23...27), 8 – блок основания МГБ, предварительного усилителя, теплоизоляции и корпуса прибора (элементы конструкции 12, 13, 20, 21, 22, 28), 9 – блок управления контурами СТС. Внутренняя структура блоков 1...9 представлена в Приложении П.2.
Для определения температур элементов конструкции, таких как корпус ЧЭ, кронштейн, основание СТ, тепловая модель содержит осциллографы О1, О2, О3 соответственно. Дополнительно, для оценки точности поддержания температуры корпуса ЧЭ и кронштейна, имеются осциллографы О4, О5, определяющие отклонение температуры корпуса ЧЭ Тчэ от температуры настройки 2-го контура термо-статирования Тн2 и отклонение температуры кронштейна Ткр от температуры настройки 1-го контура термостатирования Тн1.
Тепловая модель также позволяет определять мощности тепловыделения в нагревательных элементах контуров термостатирования благодаря осциллографу О6, расположенному в блоке 9 тепловой модели.
Для задания внешних температурных условий для МГБ, предусмотрены: блок Т01 – задаёт температуру основания прибора и блок Т02 – задаёт среднюю температуру электронных устройств, окружающих МГБ.
Температура Тi объекта термостатирования и температура Тнi настройки контура СТС преобразуются через функции f(Ti) и f(Tнi) в сопротивление контрольного термодатчика Ri и сопротивление термозадатчика Rтзi контура термо-статирования соответственно.
Разница сопротивлений Ri и Rтзi умножается на коэффициент усиления контура термостатирования K и на выходе получаем напряжение Ui, подаваемое на нагревательные элементы контура СТС, максимальная величина которого ограничивается блоком «Saturation» («ограничение»). Напряжение Ui преобразуется через функцию f(Ui) в мощность Pi, выделяемую в нагревательных элементах контура СТС, а блок «Switch» («переключатель») обеспечивает отключение подачи мощности Pi в нагревательные элементы при перегреве термостатируемого элемента. 3.4 Результаты моделирования в среде Simulink
При помощи построенной аналитической тепловой модели МГБ, представленной на Рис. 3.9, проведён анализ работы системы термостатирования при крайних значениях температуры основания прибора Тосн= 0 С и Тосн= +35 С. При моделировании в среде Simulink процесс изменения температуры осуществлялся по линейной зависимости, имитирующей переход от +35 до 0 С за 30 мин. Результаты моделирования в виде графиков изменения мощностей P1, P2, выделяемых в 1-м и 2-м контурах, представлены на Рис. 3.11.
Влияние изменения температуры основания (Тосн) на величину мощности в 1-м (Р1) и 2-м (Р2) контурах СТС. При температуре основания прибора Тосн= +35 С мощность, выделяемая в контурах термостатирования, составила Р1=1,09 Вт и Р2=0,22 Вт, а при Тосн=0 С – Р1=7,00 Вт и Р2=1,25 Вт. Таким образом, мощность, потребляемая системой тер-мостатирования в установившемся режиме, не превышает 8,3 Вт.
Для оценки точности термостатирования кронштейна 1-м контуром и корпуса ЧЭ 2-м контуром, по результатам моделирования, на Рис. 3.12 представлено изменение отклонения Ткр температуры кронштейна Ткр от номинального значения температуры настройки 1-го контура СТС, равного Тн1= +59,2 С и изменение отклонения ТЧЭ температуры корпуса ЧЭ Тчэ от номинального значения температуры настройки 2-го контура СТС, равного Т&= +60 С. Отклонения определялись по следующим формулам: Т = Тн1-Ткр, ТЧЭ = Т -Т .
Влияние изменения температуры основания (Тосн) на величину отклонения температуры кронштейна от температуры настройки 1-го контура СТС (Ткр) и на величину отклонение температуры корпуса ЧЭ от температуры настройки 2-го контура СТС (Тчэ) При температуре основания прибора Тосн= +35 С отклонения температур кронштейна и корпуса ЧЭ от температур настройки контуров составили Ткр= 0,02 С и Тчэ= 0,01 С, а при Тосн=0 С – Ткр= 0,14 С и Тчэ= 0,07 С. Таким образом, по результатам моделирования при изменении температуры основания прибора в диапазоне от 0 до +35 С стабильность поддержания температуры кронштейна составляет 0,06 С, а корпуса ЧЭ – 0,03 С, что достаточно близко к требуемой точности термостатирования ЧЭ, равной 0,01 С. Для достижения полученных стабильностей поддержания температуры, для 1-го и 2-го контуров термостатирования выбраны оптимальные значения коэффициентов усиления K1, К2 (см. Рис. 3.3, 3.4) равные 60 В/Ом и 40 В/Ом соответственно. Время тепловой готовности измерительного канала прибора определяется временем тепловой готовности 2-го контура термостатирования – переходом контура из режима насыщения в режим линейного регулирования, т.е. временем достижения средней температуры корпуса ЧЭ требуемого значения +60 С с отклонением не более 0,38 С. По результатам моделирования время тепловой готовности измерительного канала прибора от момента его включения при температурах основания Тосн 0 С, +20 С и +35 С, составило 58 мин, 37 мин и 24 мин соответственно, что является приемлемым результатом.
Результаты моделирования разогрева прибора при температуре основания Тосн=0 С представлены на Рис. 3.13, где показаны графики изменения температур корпуса ЧЭ, кронштейна и основания СТ, в соответствии с которыми тепловая готовность 1-го контура СТС наступает за 56 мин, а 2-го за 58 мин от момента включения измерительного канала.
Определение времени тепловой готовности измерительного канала
Влияние температуры
Эффективность 1-го контура термостатирования, работающего по алгоритму представленному на Рис. 4.16, при внешних температурных воздействиях, проверена путем измерения нулевого сигнала ИК в течение 32,5 часов при дискретном изменении температуры основания под прибором с шагом 5 С в диапазоне от 0 до +35 С. Скорость изменения температуры не нормировалась, изменение производилось за минимально возможное время, обеспечиваемое термостатом. С целью улучшения стабильности поддержания температуры ЧЭ коэффициент усиления 2-го контура СТС К2 был увеличен с 40 В/Ом до 60 В/Ом. Результаты измерения нулевого сигнала ИК представлены на Рис. 4.17.
При проведении испытаний прибор устанавливался на теплоотводящее основание без использования теплопроводной пасты, таким образом, между основанием прибора и теплоотводящим основанием обеспечивался зазор величиной (0,2-0,4) мм, а физический контакт между прибором и основанием обеспечивался только через установочную поверхность трёх точностных опоры прибора диаметром 30 мм. Цель подобного способа установки прибора – уменьшение тепловой проводимости между прибором и теплоотводящим основанием и соответственно уменьшение мощности, затрачиваемой СТС на обогрев ЧЭ. В связи с этим для достижения стабильности нулевого сигнала 0 до уровня 0,002 /ч количество шагов изменения температуры настройки 1-го контура СТС составило 7 (вместо 8 ), а цена одного шага – 0,1 С (вместо 0,12 С).
Способ установки прибора без использования теплопроводящей пасты позволил снизить максимальное суммарное потребление двух контуров СТС Рсумм с 8,54 Вт (Рис. 4.15) до 5,43 Вт (Рис. 4.17), т.е. экономия составила 3,11 Вт для одного ИК, и 12,44 Вт для всего прибора (для четырёх ИК). Однако, при температуре основания Тосн= +35 С температура кронштейна Ткр превысила максимальную температуру настройки 1-го контура термостатирования (произошел перегрев), при этом мощность, выделяемая во 2-м контуре термостатирования составила P2=0,24 Вт, что близко к нижней границе допустимого потребления (0,2 Вт) этого контура. Таким образом, при Тосн= +35 С и одном работающем ИК отсутствует температурный запас в работе 2-го контура СТС виду недостаточного пассивного охлаждения прибора, вследствие чего при Тосн +35 С и четырёх работающих ИК может возникнуть перегрев ЧЭ, что недопустимо, поэтому необходимо использовать первоначальный способ установки прибора через слой теплопроводной пасты.
Однако, полученные результаты испытаний (Рис. 4.17) в части стабильности нулевого сигнала 0, актуальны, так как в проведённом эксперименте: – реализована основная идея адаптируемой температуры настройки Тн1 1-го контура термостатирования – поддержание мощности во 2-м контуре термостати-рования в диапазоне от 0,2 до 0,4 Вт; - проверено влияние работы СТС с адаптируемой температурой настройки Т н1 1-го контура на стабильность нулевого сигнала 0.
По результатам эксперимента максимальная разница между установившимися значениями нулевого сигнала в диапазоне температур Т осн=(0...+35) С составила о(Тосн)=0,00353 /ч (стабильность 0,0018 7ч) при требуемом значении не более 0,004 7ч, что подтверждает эффективность применения 1-го контура СТС с адаптируемой температурой настройки. Полученная стабильность температуры ЧЭ за 32 ч составила 0,01 С.
Влияние напряжения первичного электропитания и времени
Помимо влияния температуры теплоотводящего основания на величину нулевого сигнала 0, воздействующими факторами также являются время (случайная составляющая отклонения 0) и напряжение первичного электропитания прибора. Зависимость от этих двух факторов представлена на Рис. 4.18, 4.19. Выходная информация ИК измерялась в режиме точностной готовности (не менее чем через 3 ч после включения ИК) с тактом опроса 0,10 с и обрабатывалась путём осреднения с интервалами осреднения 900 с.
Учитывая, что изменение 0 во времени носит случайный характер, и изменение напряжения первичного электропитания является случайным процессом, то оценим стабильность 0 по среднему квадратичному отклонению его значений. Среднее квадратичное отклонение при Тосн=0 С и U=27 В на интервале времени /=(0...24) ч составило (/)=0,00035 7ч (Рис. 4.18), на интервале времени /=(0...П) ч - (t)=0,00032 7ч (Рис. 4.18), а при изменении напряжения первичного электропитания в диапазоне U=(26...29) В на интервале времени /=(0...П) ч -(У)=0,00032 7ч (Рис. 4.19). Так как посчитанные за время /=11 ч значения (t) и (U) равны, то можно сделать вывод, что изменение напряжения первичного электропитания ИК не отражается на стабильности его нулевого сигнала.
Также экспериментально исследовано влияние на 0 изменения напряжения первичного электропитания прибора в диапазоне U=(25...29) В. Результаты испытаний представлены на Рис. 4.20, 4.21, где напряжение первичного электропитания менялось скачкообразно от 25 В до 29 В и обратно, в процессе работы измерительного канала при температуре Тосн=0 С и мощности Р2, выделяемой во 2-м контуре термостатирования, равной 0,33 Вт и 0,46 Вт, что в соответствии с