CC BY
13
Солдаткин Вячеслав Владимирович, д-р техн. наук, доцент, профессор, w-sol datkin@mail.ru, Россия, Казань, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ,
Солдаткин Владимир Михайлович, д-р техн. наук, профессор, w-sol datkin@mail.ru Россия, Казань, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ
BUILDING, MODELS AND SIGNAL PROCESSING IN CHANNELS OF THE AIRCRAFT'S ULTRASONIC PANORAMIC SENSOR OF THE PARAMETERS OF THE AIR VELOCITY VECTOR
B.I. Miftakhov, V.V. Soldatkin, V.M. Soldatkin
The measuring features of magnitude (modulus) and angular position of airspeed vector of aircraft plane (AP) by traditional means implementing the aerodynamic and vane methods, and the limitations of their use on small-sized AP are considered. The functional scheme of the original ultrasonic panoramic sensor of the airspeed vector parameters of AP with one stationary receiver of the incoming air flow is presented. The methodic of forming and analytical models for processing informative signals and determining the aerodynamic angle and true airspeed of AP using frequency, time-pulse and phase information signals in the ultrasonic instrumentation channels of the sensor is considered. The competitive advantages of the ultrasonic panoramic sensor of airspeed vector parameters and the prospects of its application on small-sized AP of various classes are presented.
Key words: AP, airspeed vector, parameters, sensor, building, signal models, processing.
Miftakhov Bulat Ilgizarovich, postgraduate, w-soldatkin@mail.ru, Russia, Kazan, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI,
Soldatkin Vyacheslav Vladimirovich, doctor of technical sciences, docent, professor, w-soldatkin@mail.ru, Russia, Kazan, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI,
Soldatkin Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, w-sol dat-kin@mail.ru Russia, Kazan, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupo-lev-KAI
УДК 531.383
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-249-255
ДИНАМИКА ГИРОСКОПИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА С ВОЛНОВЫМ ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ ГИРОСКОПОМ
М.Н. Королёв, Д.М. Малютин
Представлены результаты исследования динамики информационно-измерительной системы на основе индикаторного гироскопического стабилизатора (ГС) на волновом твердотельном гироскопе (ВТГ) при трехкомпонентной качке основания.
Ключевые слова: информационно-измерительная система, индикаторный гироскопический стабилизатор, волновой твердотельный гироскоп.
Введение. Функционирование информационно-измерительной системы на подвижном объекте обуславливает необходимость применения в ее составе индикаторного гиростабилиза-тора (ГС). В статьях [1-2] описаны информационно-измерительные системы на основе ГС на следующих чувствительных элементах (ЧЭ): трехстепенной астатический гироскоп, волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ), микромеханический гироскоп (ММГ). Технические характеристики рассматриваемых систем представлены в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики ГС__
ЧЭ Диаметр, длина, мм Масса ГС и полезной нагрузки, кг Погрешность стабилизации
3х-степенной гироскоп в кардановом подвесе 200X210 6 менее 1 угл. мин.
ВОГ 116X86 0,78 менее 1 угл. мин.
ДНГ 116X90 1,3 менее 1 угл. мин.
ММГ 240 2 менее 1,5 угл. мин.
Использование ВТГ в качестве ЧЭ индикаторного ГС приводит к увеличению ресурса и надежности работы системы, обеспечивает высокие точностные характеристики и малое время готовности [3-8].
Математическая модель двухосного ГС на ВТГ. Система уравнений, описывающая динамику ГС на ВТГ, имеет вид:
юх 2 У а + da ю x2 cos Р cos Р
= Mdas + dа ( - юzlígР^MаТ^т СО^ + юг^ёР - ю^
у cos р
к0[а + +(АП + тРАР)( - az)- Jаот юx1
+
+
ю х2» у1 sin р
J,
а
+
СОБ2 р
((г2 -
юх2»у2 Sin Р
J,
а
соб2 Р
+2(7(2 - JX2)
-ю 21
р( + ^2 )-ю
у 2ю г!
+
юу1юг1
{?х! + )
2 о соб р
( Т р ^
х! + т П 2р т р + т р
-+ Jz2tg р-Jzl + -/у1
соб р
- У
П
У 2
+
УУП2 юу2 + ^Р®у2 = М^ + dрюу1 -Mртsign(юу2 -юу1 Р + + (тПА П + тР А Р )( - аХ ат юх!- ю х2ю г 2 (уХ2 - )[
х1Л
ю у1
Vю г! у
+ а
соба + ю^ sin а -ю^ Бта + ю^ соба
х 2 Л
ю у 2 Vю г 2 у
юх! собр-ю2!sinр
ю у! +Р ю 2! СОБ Р + ю х! sin р
(!)
ивых!(Р )
1
2 Twtgkwtglkwtg 3 +1
cwtg 2 kwtg 3
Р+
Twtgkwtg 2 kwtg 3
р +1
= ю х2 (Р )КЬивх!
kwtgl íwtg 2
р +1
ивых2(Р )
1
2 Twtgkwtglkwtg 3 +1
2 3
Р+
Twtgkwtg 2 3
р +1
= ю у 2 (Р )кЬи
вх 2
íwtgl
к
wtg 2
р +1
(р)=ивых1(р).hd[ME±.1), ф) = ивых2(р).
иа
Р Р
. kdsu а(р)-Md kdsu р(р)_ M f
м а =-, м ds =-—
а T ß T
1 ds 1ds
0
Л
t
а = j + dt, ß = j(©y2 _©ylsx = j©x2dt, sy = j©y2dt,
cos ß J SS J J
0 0 0
где JXl, Jy1' Jz1 и Jx2, Jy2, Jz2 - моменты инерции рамы и платформы относительно главных осей; Jа - приведенный момент инерции платформы; Maт, Mßj - амплитуды моментов сил сухого трения в осях подвеса платформы; da, dß - коэффициенты демпфирования; тр , тп - масса рамы и платформы; Ар, Ап - смещения центра масс рамы и центра масс
платформы; ax, ay, az - проекции вектора линейного ускорения; , kT - коэффициенты упругости токоподводов; Jaf0in, Jß - приведенные моменты инерции роторов в безредук-
торном варианте исполнения ГС; а, ß - относительные угловые скорости платформы, © x2, © y 2, © z 2 - абсолютные угловые скорости платформы; © xb © yb © zl - угловые скорости рамы; ©^, ©^, ©^ -угловые скорости основания; s x, s y - погрешностей стабилизации, определяемые как интегралы от абсолютных угловых скоростей платформы; kds , Tds - коэффициент передачи и постоянная времени двигателей стабилизации (ДС); иа ß - управляющий
сигнал на выходе усилителя мощности, M^ , Mß - моменты разгрузки ДС; Uex1, Uex2 -входное напряжение ВТГ1 и ВТГ2 соответственно; Ueblxi,Ueblx2- выходное напряжение ВТГ1 и ВТГ2 соответственно; Кь - коэффициент Брайана; kwtg1,kwtg2,kwtg3 - коэффициенты передачи в контурах регулирования ВТГ, Twtg - постоянная времени ЧЭ ВТГ; kkz1, kkz 2 -коэффициенты усиления контуров стабилизации; T^z1, Tkz 2- постоянные времени изодромных звеньев; р - оператор преобразования Лапласа.
Результатом решения уравнений (1) будут угловые скорости дрейфа платформы от ее первоначального положения и погрешности стабилизации. Система полученных уравнений позволяет исследовать устойчивость, динамическую точность системы ГС на ВТГ.
Структурная схема. На основании системы уравнений (1) разработана структурная схема информационно-измерительной системы ГС на ВТГ (рис. 1).
Полученная структурная схема позволяет построить имитационную модель информационно-измерительной системы на основе ГС на ВТГ.
Результаты исследования динамики ГС на ВТГ-ДУС. На основании структурной схемы (рис. 1) выполнена имитационная модель системы в среде Matlab-Simulink.
Моделирование контура стабилизации проведено при следующих параметрах: момент инерции платформы Ja = 0,01 кгм2, коэффициент демпфирования йа = 0,002 Нмс, постоянная времени корректирующего звена Tkz1 = 0,008 с, коэффициент усиления корректирующего звена kkz1 = 1575 , постоянная времени ДС Tkz1 = 0,001 с, коэффициент передачи по моменту ДС kkz1 = 0,438 Нм/В.
В табл. 3 приведены результаты моделирования в нескольких режимах при трехком-понентной качке основания, параметры которой представлены в табл. 2.
251
Качка основании
|
х-
-г-
инсрин(жнык чочснтош
■
со
[1 М, JE.jE.JEI
.....
-к, -х
I 4
-е-
и„.
■:> ПотфорМ!
je.j5.is tue.j5.j5> г
а гтгп [71 т ри
I I
р
Т.„Р' I !
г 51
"7 к.,
Т„,р.]
IV
I -
инерционных моментов-. й.
Рис. 1. Структурная схема информационно-измерительной системы
на основе ГС на ВТГ
Таблица 2
Параметры трехкомпонентной качки основания_
Качка основания Ю^ Ю^
Синусоидальное воздействие —siп(2лt) 30 4 7 Л2 —sin(2лt) 30 v ; л2 — sin(2лt) 30 У 7
Полигармоническое воздействие л2 . (7л ^ —Б1П! — 11 + 30 ^ 2 ) л . (7л л^ + — б1П| — t + — 1 20 ^ 4 2) л2 . (7л ^ —б1П! — t 120 ^ 2 ) л . (7л ^ --Б1П1 — t 1 20 ^ 3 ) л2 . (11л ^ —Б1П!-1 120 ^ 4 ) - —sin(5лt) 15 У '
Таблица 3
Результаты моделирования
Качка основания Возмущающий момент, Нм Угловая скорость платформы, рад/с Погрешность стабилизации, рад
М а М р Ю2 Юу2 £х £ У
Синусоидальное воздействие 0,1 0,08 до 0,025 до 0,012 3,5 -10-4 3•10-4
Полигармоническое воздействие 0,08 0,07 до 0,025 до 0,012 3-10-4 2,5 -10 - 4
График погрешности стабилизации, как реакция на возмущающий момент при трехкомпонентной качки показан на рис. 2, 3.
При подаче на вход контура управления управляющего воздействия (рис.4) график отклонения угла платформы имеет вид (рис. 5).
0.5
1.5
Время, с
2.5
Рис. 2. График погрешности стабилизации ех, как реакция на возмущающий момент
1.5 Время, с
Рис. 3. График погрешности стабилизации е , как реакция на возмущающий момент
1.5
И
ё 0.5
О А
П £
-0.5
0.02
0.04
0.06
0.14
0.16
0.08 0.1 0.12 Время, с
Рис. 4. Управляющее входное воздействие
0.18
0.2
0
2
3
0
0.5
2
2.5
3
1
0
Рис. 5. График угла отклонения платформы, как реакция на управляющее воздействие
Заключение. На основании системы дифференциальных уравнений получены структурная схема информационно-измерительной системы на основе ГС на ВТГ, а также имитационная модель системы, позволяющая исследовать ее динамику, произведено численное решение сложной, нелинейной системы дифференциальных уравнений, описывающих функционирование системы при трехкомпонентной качке основания, подтверждена работоспособность контура управления системы. Полученные значения погрешности стабилизации находятся на уровне погрешностей, приведенных в табл. 1.
Список литературы
1. Распопов В.Я. Измерительные приборы и системы для ориентации, стабилизации и управления // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 4. С. 372-386.
2. Малютин Д.М. Система стабилизации полезной нагрузки на динамически настраиваемом гироскопе // Приборы и методы измерений. 2016. Т.7. №1. С.32-40.
3. Распопов В.Я., Волчихин И. А., Волчихин А. И., Ладонкин А.В. Лихошерст В. В., Матвеев В.В. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором // Под ред. В.Я. Распопова. Тула: Издательство ТулГУ, 2018. 189 с.
4. Королев М.Н., Малютин Д.М. Анализ технических характеристик чувствительных элементов индикаторных гироскопических стабилизаторов // Известия Тульского Государственного Университета. Технические науки. 2019. Вып. 8. С. 30-46.
5. Королёв М. Н. Исследование технических характеристик современных типов датчиков угловой скорости // Приборостроение-2019: материалы 12-й Международной научно-технической конференции, 13-15 ноября 2019 года, Минск, Республика Беларусь / редкол.: О. К. Гусев (председатель) [и др.]. Минск: БНТУ. 2019. С. 21-23.
6. Малютин Д.М., Телухин С.В., Распопов В.Я. Гиростабилизаторы оптической аппаратуры // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 10. С. 290-300.
7. D.M. Malyutin, M.N. Korolyev Gyroscopic system based on wave solid-state gyros // 27 th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. Proceedings. Saint Petersburg, Russia, 2020. P. 196-198.
8. Малютин Д.М. Структурные решения, обеспечивающие увеличение динамической точности волнового твердотельного гироскопа // Приборы и методы измерений. 2021. Т.12. №2. С. 146-155.
Королёв Михаил Николаевич, аспирант, mkorolyew@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Малютин Дмитрий Михайлович, канд. техн. наук, профессор, Malyutindm@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
254
DYNAMICS GYROSCOPIC STABILIZER WITH A WAVE SOLID-STATE GYROSCOPE
M.N. Korolev, D.M. Malyutin
The results of the dynamics of an information and measurement system based on an indicator gyroscopic stabilizer on a wave solid-state gyroscope operating in the mode of an angular velocity sensor with a three-component pitching of the base are presented.
Key words: information and measurement system, indicator gyroscopic stabilizer, wave solid-state gyroscope.
Korolev Mikhail Nikolaevich, postgraduate, mkorolyew@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Malyutin Dmitriy Mikhailovich, candidate of technical sciences, professor, Malutindm@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 538.383
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-255-262
ИСПЫТАНИЯ КОРИОЛИСОВЫХ ВИБРАЦИОННЫХ ГИРОСКОПОВ
А.В. Каликанов, В.В. Лихошерст, А.С. Тимошенков, С.П. Тимошенков
Дано определение волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) принадлежащих к классу кориолисовых вибрационных гироскопов (КВГ) с вибрирующими оболочками. Изложены сведения о конструктивных особенностях кориолисовых вибрационных гироскопов. Приведены результаты испытаний отечественных КВГ изготовленных по технологии микроэлектроники, а также КВГ с цилиндрическим металлическим резонатором, изготовленным на программируемом станочном оборудовании и их анализ.
Ключевые слова: кориолисовые вибрационные гироскопы, волновой твердотельный гироскоп, микромеханический гироскоп, вариации Аллана, стендовые испытания, сравнительный обзор.
Кориолисовые вибрационные гироскопы (КВГ) - класс вибрационных гироскопов, которые в своей конструкции содержат материальный объект (резонатор), совершающий быстрые периодические движения, и чувствительный в следствие этого к вращению в инерциальном пространстве [1]. Следуя стандарту IEEE 1431-2004 «Standard Specification FormatGuide an Test Procedure for Coriolis Vibratory Gyros» [2] материальным объектом - носителем быстрых периодических движений могут быть вибрирующие пластины (vibrating plates), вибрирующие балки (vibrating beams), вибрирующие оболочки (vibrating shell), камертоны (tuning fork). Возбуждаемые в носителе быстрых периодических движений (резонаторе) колебания называются соответственно первичными колебаниями. При возникновении угловой скорости основания возникают Кориолисовы силы инерции, которые приводят к возникновению вторичных колебаний резонатора.
В зависимости от формы первичных и вторичных колебаний угловых (linear) или вращательных (rotary) гироскопы в виде вибрирующих пластин разделяются на гироскопы LL-типа, LR-типа, RL-типа RR-типа [3, 4].
Микромеханические гироскопы (ММГ), как и кориолисовые вибрационные гироскопы в целом имеют ряд контуров управления, таких как автоматическая настройка усиления амплитуды возбуждения, настройка частоты вибрации на резонансной частоте, обнуление квадратурной составляющей вибрации и т.д. Область применения подобных приборов чрезвычайно велика не только среди гражданского, но и военного назначения. В последние годы наметилась тенденция к увеличению спроса и востребованности приборов данного класса в качестве чувствительных элементов перспективных систем навигации, ориентации и управления движением подвижных объектов. Особенно актуальна проблема создания и проектирования приборов на базе Российских чувствительных элементов.
255
