Исследование динамических характеристик гироскопического стабилизатора на волновом твердотельном гироскопе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 531.383

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИРОСКОПИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА НА ВОЛНОВОМ ТВЕРДОТЕЛЬНОМ ГИРОСКОПЕ

М.Н. Королёв, Д.М. Малютин

Приведено математическое описание контура стабилизации гироскопического стабилизатора, чувствительным элементом которого является волновой твердотельный гироскоп, функционирующий в режиме датчика угловой скорости. Выполнено имитационное моделирование и исследование динамических характеристик гироскопического стабилизатора на волновом твердотельном гироскопе.

Ключевые слова: датчик угловой скорости, волновой твердотельный гироскоп, гироскопический стабилизатор.

Гироскопическая стабилизаторы широко применяются на подвижных объектах для стабилизации полезной нагрузки [1]. Гиростабилизиро-ванные оптико-электронные системы наблюдения, в основе которых лежит стабилизация платформы по 2-м осям применяются в следующих областях:

1. Проведение спасательных работ.

2. Обнаружение и распознавание подвижных объектов (машина, человек, животное).

3. Дистанционное обнаружение пожаров (в условиях сильной за-дымленности).

4. Контроль дорожных ситуаций (в том числе выявление и пресечение противоправных действий).

5. Охрана правопорядка.

6. Технический мониторинг нефтегазопроводов и линий электропередач и т.д.

В настоящее время в основном чувствительными элементами (ЧЭ) 2-осевого гироскопического стабилизатора (ГС) являются динамически настраиваемые и волоконно-оптические гироскопы, а в некоторых системах микромеханические гироскопы низкой точности. Перспективным чувствительных элементом для ГС является волновой твердотельный гироскоп (ВТГ).

По сравнению с другими видами гироскопов ВТГ имеет ряд преимуществ: высокий рабочий ресурс, способность переносить большие перегрузки, относительно небольшие массогабаритные характеристики, низкую энергоемкость, сохранение инерциальной информации при кратковременном отключении электропитания, малое время готовности, стойкость к ионизирующему излучению с высокой энергией, низкий уровень шума в выходном сигнале, высокую стабильность выходного сигнала при

129

неподвижном основании. ВТГ является перспективным ЧЭ также потому, что имеет минимальное число деталей и технологичен в производстве. Структурная схема ВТГ и принцип ее работы приведены в работах [2, 3].

Целью статьи является исследование динамики ГС на ВТГ.

Математическое описание ГС на ВТГ. Структурная схема одного канала ГС на ВТГ имеет вид, представленный на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема одного канала ГС на ВТГ

На рис. 1 введены следующие обозначения: Кь - коэффициент Брайана, - входное напряжение, kwtg2, К^ф - коэффициенты

передачи в контурах регулирования ВТГ, 3 у5 - эквивалентный момент инерции платформы, ¿1 - удельный момент вязкого трения, Т - постоянная времени ЧЭ ВТГ, крг - коэффициент передачи пьезоэлементов; Т - постоянная времени корректирующего звена, кы - коэффициент усиления контура стабилизации, Т постоянная времени двигателя стабилизации, к^1 - коэффициент передачи по моменту двигателя стабилизации, М -возмущающий момент, (у2 - абсолютная угловая скорость платформы, (pg.z - угол поворота внутренней рамки ГС относительно наружной.

На рис. 2. приведена имитационная модель одного канала ГС массой 5 кг на ВТГ, функционирующего в режиме ДУС. Параметры ВТГ соответствуют образцу, разработанному на кафедре «Приборы управления» ТулГУ. Уровень шума на выходе ВТГ при максимальной измеряемой скорости 500 град/с не превышает 0,1 град/с.

Для определения параметров контуров регулирования ВТГ в режиме датчика угловой скорости (ДУС) использовалась передаточная функция разомкнутой системы ВТГ с пропорционально-интегральным регулятором по огибающей выходного сигнала [4]:

130

ж

раз

(р )=^ыЫ

Юу 2 (Р )

КЪ иЬх к рг Twtg kwtg 2 кwtg 3 (тwgР + l)Р

к

wtg1

к

р +1

wtg 2

(1)

Рис. 2. Имитационная модель одного канала ГС на ВТГ

Для определения полосы пропускания и динамической точности ГС использована передаточная функция замкнутой схемы ВТГ в режиме ДУС с пропорционально-интегральным регулятором по огибающей выходного сигнала:

Жзам (Р ):

ивых(Р )

къиъ.

х

к

wtg1

к

Р +1

wtg 2

Ю

У 2

( Р )

1

Р 2 +

+

1)

(2)

Р +1

wtgkwtg1kwtg 3

кwtg 2 kwtg 3 Twtgkwtg 2 kwtg 3

На основании передаточных функций (1), (2) построены логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики (ЛАФЧХ) разомкнутой и замкнутой систем ВТГ в режиме ДУС с пропорционально-интегральным регулятором.

Согласно рис. 3 система устойчива, запас по фазе в разомкнутой системе составляет 73,40.

Как видно из рис. 4, полоса пропускания ВТГ равна

140 Гц.

На рис. 5 приведен график переходного процесса выходного сигнала ВТГ как реакция на ступенчатое входное воздействие с амплитудой 500 град/с. Величина перерегулирования составляет 8 %, а время переходного процесса - 0,02 с.

Рис. 3. ЛАФЧХразомкнутой системы ВТГ с пропорционально-интегральным регулятором

Рис. 4. ЛАФЧХ замкнутой системы ВТГ с пропорционально-интегральным регулятором

&

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1 0.12 Время, с

0.14

0.16

0.18

0.2

Рис. 5. График выходного напряжения ВТГ как реакция на ступенчатое воздействие

132

8

6

л 4 В

2

0

0

Динамические характеристики ГС на ВТГ в режиме ДУС.

В результате моделирования были получены ЛАФЧХ разомкнутой системы (рис. 6). На рис.7 представлена ЛАФЧХ замкнутой системы (входом является возмущающий момент, а выходом - погрешность стабилизации).

Частота (рад/с)

Рис. 6. ЛАФЧХ разомкнутой системы контура стабилизации

Анализ рис.6 показывает, что система устойчива. Запас по фазе составляет 33,20, а запас по амплитуде - 14,4 дБ.

•40

X

т -60 <

с

ф

I -80

03 Т Л

£ -100

-120 0

I

$ -90 а

й -135

га

я

в -180

-225

10'

1-«пбуЙ

......... ........ ........ .....

10

Частота (рад/с)

Рис. 7. ЛАФЧХ замкнутой системы контура стабилизации

Как видно из рис. 7, полоса пропускания ГС равна 40 Гц. Значение ЛАЧХ в полосе пропускания -42 дБ.

Построим график зависимости погрешности стабилизации от времени (рис. 8) как реакция на единичное ступенчатое воздействие.

Время переходного процесса составляет менее 0,05 с, а величина перерегулирования равна 10 %.

Рис. 8. График погрешности стабилизации при единичном ступенчатом воздействии

Заключение.

1. В результате исследования была подтверждена работоспособность ГС на ВТГ в режиме ДУС.

2. Синтезирован контур стабилизации, в котором обеспечены запасы по фазе 33,20 и по амплитуде -14,4 дБ.

3. Полоса пропускания контура стабилизации составляет 40 Гц. Значение ЛАЧХ, построенной по передаточной функции замкнутой системы, являющейся отношением погрешности стабилизации к возмущающему моменту относительно оси стабилизации, равно -42 дБ.

Список литературы

1. Малютин Д.М. Система стабилизации полезной нагрузки на динамически настраиваемом гироскопе // «Приборы и методы измерений». 2016. Т. 7. №1. С. 32 - 40.

2. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / В.Я. Распопов, И. А. Волчихин, А.И. Волчихин, А.В. Ладонкин, В.В. Ли-хощерст, В.В. Матвеев; под ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 189 с.

3. Волновые твердотельные гироскопы (аналитический обзор) / И. А. Волчихин, А.И. Волчихин, Д.М. Малютин, В.В. Матвеев, В.Я. Распопов, С.В. Телухин, А.П. Шведов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 2. С. 59 - 78.

4. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. Изд. 4-е, перераб. и доп. СПБ: Изд-во «Профессия», 2003. 752 с.

Королёв Михаил Николаевич, аспирант, mkorolyew @yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Малютин Дмитрий Михайлович, канд. техн. наук, профессор, malyutindm a yandex.ru, Тульский государственный университет

INVESTIGATION OF THE DYNAMIC CHARACTERISTICS OF A GYROSCOPIC STABILIZER ON A WAVE SOLID-STATE GYROSCOPE

M.N. Korolev, D.M. Mafyutin

A mathematical description of the gyroscopic stabilizer stabilization circuit is given, the sensitive element of which is a wave solid gyroscope operating in the mode of the angular velocity sensor. Simulation modeling and investigation of dynamic characteristics of gyroscopic stabilizer on wave solid-state gyroscope were performed.

Key words: angular velocity sensor, wave solid-state gyroscope, gyroscopic stabilizer.

Korolev Mikhail Nikolaevich, postgraduate, mkorolyew ayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Malyutin Dmitriy Mihailovich, candidate of technical scierne, professor, mal-yutindmayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 531.383

ОБ ОДНОМ ЗАКОНЕ ПОСТРОЕНИЯ УСИЛИТЕЛЬНО ПРЕОБРАЗУЮЩЕГО ТРАКТА ИНДИКАТОРНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА НА ДАТЧИКАХ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Д.М. Малютин

Приведены математическое описание и результаты исследования динамических характеристик индикаторного гиростабилизатора. Рассмотрен способ построения усилительно преобразующего тракта контуров стабилизации с целью увеличения точности функционирования прибора.

Ключевые слова: гироскоп, акселерометр, гиростабилизатор

На борту летательного аппарата (ЛА) для стабилизации и изменения положения в пространстве оптической аппаратуры применяется двухосный индикаторный гиростабилизатор (ГС).

Задача повышения точности о ГС является актуальной [1-7], так как позволяет повысить разрешающую способность оптической аппаратуры при ее использовании на борту ЛА.

Разработкой подобных систем активно занимаются такие фирмы и организации как «Honeywell», «SYSTRON DONNER», «Goodrich Corporation» (США), DST CONTROL AB (Швеция), Controp (Израиль), НТЦ «Рисса», ООО «ТеКнол», «Аэрокон», ЗАО «ЭНИКС», корпорация

135