CC BY
37
УДК 53.04.82
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ КВАРЦЕВОГО МАЯТНИКОВОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА С ЗАМКНУТЫМ КОНТУРОМ УПРАВЛЕНИЯ
Д.С. Гнусарев
Объект исследования - кварцевый маятниковый акселерометр компенсационного типа производства филиала ФГУП «НПЦАП» - «ПО «Корпус» (г. Саратов). Приводятся результаты моделирования работы прибора методом конечных элементов, графики переходных процессов. Рассматривается два способа балансировки маятника.
Ключевые слова: кварцевый маятниковый акселерометр, компьютерное моделирование, разбалансировка маятника.
Введение. В работе изложены результаты моделирования подвижной части чувствительного элемента кварцевого маятникового акселерометра (КМА) [5]. К текущему моменту не только реализована физическая модель прибора по рабочим чертежам с описанием используемых материалов, но и сформирован регулятор в виде системы дифференциальных уравнений в форме Коши. Реализация такой модели позволяет проводить компьютеризированное исследование поведения прибора как замкнутой системы автоматического управления [1], например, при изменении механических параметров чувствительного элемента акселерометра и оценке влияния контура регулирования на качество управления в случае изменения коэффициентов регулятора. В настоящем докладе рассмотрено решение задачи компенсации разбалансировки маятника, что в итоге позволяет провести оптимизацию параметров акселерометра с цифровой системой управления [2].
Основная часть. На рис. 1 показана схема упрощённой модели чувствительного элемента маятникового акселерометра с замкнутым контуром обратной связи. Маятник КМА является основной частью чувствительного элемента акселерометра и представляет собой физическую модель. Кду и Кдм - коэффициенты передачи датчиков угла и момента соответственно. Регулятор формируется в виде системы дифференциальных уравнений в форме Коши. Такой способ построения модели позволяет избежать применения нескольких программных комплексов и операций, связанных с передачей данных между программами в процессе моделирования, что делает сам процесс моделирования более контролируемым и снижает требования к аппаратным ресурсам.
На рис. 2 приведён график переходного процесса кварцевого маятникового акселерометра.
Время переходного процесса составляет около 8 мс. Хорошо заметно несовпадение графиков входного и компенсирующего воздействий после окончания переходного процесса. Наиболее вероятной причиной дан-
ного эффекта является разбалансировка маятника, связанная с несовпадением центра масс маятника и точки приложения компенсирующего воздействия.
При этом обратная связь вынуждена не только компенсировать входное воздействие, но и преодолевать жёсткость тонких перемычек, что и выражается в виде разницы между кривыми на рис. 2 после окончания переходного процесса.
I —'.....- ]
Рис. 1. Схем а модели чувствительного элемента кварцевого маятникового акслерометра с замкнутым контуром обратной связи
1
■э
2
I
Рис. 2. График переходного процесса кварцевого маятникового
акселерометра
На рис. 3 показано занимаемое при этом положение маятника. Максимальное значение отклонения маятника составляет 0,53 мкм.
Вследствие неравномерного распределения остаточных напряжений в объёме кварцевого стекла, а также того, что катушки датчика момента занимают неправильное положение относительно постоянных магнитов, этот эффект может приводить к ухудшению точностных характеристик прибора. В результате возникает задача балансировки маятника с целью улучшения его показателей.
Несмотря на то, что данный эффект для разных типов маятниковых акселерометров не раз освещался в научной литературе, решение этой задачи для каждого конкретного устройства маятника требует глубокой проработки и разработки собственной методики балансировки, связанной с имеющимися конструктивными особенностями чувствительного элемента. В случае рассматриваемого маятника одним из требований является минимизация изменений, касающихся конструктива диска, изготавливаемого из кварцевого стекла КУ-1 и являющегося основной частью чувствительного элемента кварцевого маятникового акселерометра. Требование связано с высокой сложностью его изготовления, и изменение технологических процессов производства может привести к затратам, несопоставимым с получаемыми улучшениями, что не является оптимальным. Также стоит сказать, что так как данный эффект связан с механической частью чувствительного элемента, то и решение задачи принято искать в части самого чувствительного элемента, не затрагивая при этом электронные блоки, а цифровая система обратной связи [4] позволяет быстро и без значительных доработок корректировать контур обратной связи под изменяющиеся свойства механической части.
В данной работе приводятся результаты моделирования маятника (методом конечных элементов) [5] с применением двух способов его балансировки. Трёхмерная модель, материалы составных частей и граничные условия соответствуют действующей документации на чувствительный элемент.
Одним из очевидных способов балансировки является добавление балансировочной массы со стороны тонких перемычек. Таким образом, центр масс маятника сопоставляется с точкой приложения компенсирующего воздействия. Необходимая для устранения эффекта масса составила 30,7 мг.
Рис. 3. Положение маятника в установившемся состоянии
79
На рис. 4 показан переходный процесс для системы после балансировки рассматриваемым способом.
О 2 А 6 В 10 12 14
Бремя (мО
Рис. 4. График переходного процесса КМА с ЦУОС с балансировочной массой
Максимальное отклонение маятника составило 8,5*10-3 мкм, что значительно меньше, чем до балансировки. Также хорошо заметно появление колебательной составляющей на графике компенсирующего воздействия, что говорит о необходимости корректировки регулятора. Несмотря на очевидность данного метода, реализация его затруднена рядом причин, связанных с технологией изготовления чувствительного элемента: масса должна быть идеально выверена и надёжно закреплена на составных частях маятника; массу необходимо распределять и закреплять симметрично относительно плоскости диска; учитывая допуски на геометрические размеры всех частей маятника, массу необходимо подбирать для каждого образца индивидуально. Все это делает реализацию данного способа балансировки затруднительной в условиях массового производства (значительно усложняется технология изготовления и увеличивается цикл производства).
Вторым из рассматриваемых способов балансировки является неоднородное распределение компенсирующего воздействия на катушках датчика момента. После балансировки максимальное отклонение маятника составило 4-10"5 мкм.
На рис. 5 показан переходный процесс замкнутой системы с применением данного способа балансировки.
80
о 1 4 б а ю и 14
Время
Рис. 5. График переходного процесса кварцевого маятникового акселерометра с балансировкой распределением компенсирующего
воздействия
Время переходного процесса несколько снижено. Графики не только сходятся к одному значению, что говорит о достаточности компенсации таким способом, но и само компенсирующее воздействие 2,5739 мН, необходимое для компенсации ускорения равного значительно ниже чем до компенсации (2,8402 мН). Следовательно, система в настоящий момент неэффективно расходует часть энергии и может быть оптимизирована в части снижения энергопотребления прибора с сохранением его точностных характеристик.
Из результатов моделирования видно, что такой способ даёт лучшие результаты в части решения проблемы разбалансировки маятника, позволяя добиться требуемого результата без внесения изменений в подвижную часть чувствительного элемента. Однако для его реализации необходимо более глубокое изучение работы магнитной системы датчика момента. Кроме того, моделирование показывает, что после балансировки маятника таким способом значительно снижается раскачка маятника под действием переменного ускорения (результаты моделирования в работе не приводятся), чего не происходит при добавлении балансирующей массы. Это говорит о том, что именно такой подход к решению поставленной задачи может также играть ключевую роль для решения задачи минимизации вибрационных ошибок [3]. В настоящий момент изучается возможность реализации данного способа балансировки, а также ведется поиск других вариантов решения поставленной задачи.
81
Заключение. Была реализована модель чувствительного элемента кварцевого маятникового акселерометра с замкнутым контуром обратной связи. В настоящий момент продолжается её уточнение и доработка в части реализации магнитной системы и ШИМ-управления датчика момента. Однако даже в имеющемся упрощённом виде модель находит широкое применение в решении ряда задач по улучшению точностных характеристик кварцевого маятникового акселерометра производства «ПО «Корпус». Кроме того, моделирование позволяет получать более глубокое понимание процессов, протекающих в чувствительном элементе при работе прибора, что также положительно сказывается на этапах разработки новых и модернизации существующих технических решений.
Список литературы
1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 767 с.
2. Изерман Р. Цифровые системы управления: пер. с англ. М.: Мир, 1984. 541 с.
3. Калихман Д.М., Депутатова Е.А., Гнусарёв Д.С. Анализ шумовых составляющих кварцевого маятникового акселерометра с цифровым усилителем обратной связи. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики, оптики. СПб. 2018. Т. 18. № 6. С. 1091 - 1098.
4. Калихман Д.М., Скоробогатов В.В. Перспективы развития кварцевых маятниковых акселерометров в БИНС авиационного и космического применения // Труды МИЭА. Навигация и управление летательными аппаратами. 2018. № 20. С. 21 - 50.
5. Мельников В.Е. Электро-механические преобразователи на базе кварцевого стекла. М.: Машиностроение, 1984. 159 с.
6. Найфэ А. Методы возмущений. М.: Мир, 1976. 456 с.
Гнусарев Дмитрий Сергеевич, инженер-электроник 1-й категории, men4egagmail. com, Россия, Саратов, Филиал ФГУП «НПЦАП» - «ПО «Корпус»
MODELING OF OPERATION OF QUARTZ PENDULUM ACCELEROMETER WITH
CLOSED CONTROL LOOP
D.S. Gnusarev
The object of research is a compensation type quartz pendulum accelerometer manufactured by the branch of FSUE "Academician Pilyugin Center " - Production Association "Korpus " (Saratov, Russia). The report presents the results of modeling of the studied device operation by finite element method. Graphs of transient processes are given. Two methods of pendulum balancing are considered.
Key words: quartz pendulum accelerometer, computer modeling, pendulum imbalance.
Gnusarev Dmitry Sergeevich, electronics engineer, men4eg@gmail. com, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Scientific-production Center of Automatics and Instrument-making" - "Production Association "Korpus"
УДК 53.084.2
ШЕСТИОСНЫЙ БЛОК АКСЕЛЕРОМЕТРОВ ДЛЯ КК «СОЮЗ» И «ПРОГРЕСС» ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ: ОТ АНАЛОГОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ КАНАЛОМ
К ЦИФРОВОЙ
Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, В.В. Скоробогатов, Е.А. Депутатова,
А.Ю. Николаенко, Д.С. Гнусарёв
Рассмотрена история разработки и развития шестиканального блока измерителей линейного ускорения (БИЛУ), который с 2002 года эксплуатируется в составе системы управления космического корабля (КК) «Союз». В настоящее время проведена разработка кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью, что позволило расширить функциональные возможности прибора БИЛУ, провести на практике политику импортозамещения. Учитывая полученные результаты, руководство ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия» приняло решение об использовании прибора в системе управления не только космического корабля «Союз - МС», но и транспортного корабля «Прогресс - МС». Разработанный прибор прошёл все виды отработочных испытаний и поставляется в РКК «Энергия» с января 2019 года.
Ключевые слова: акселерометр, цифровая обратная связь, импортозамещение, линейное ускорение.
Введение. В 1997 году РКК «Энергия» начала модернизацию транспортной системы в рамках программы Международной космической станции. Заместитель Генерального конструктора РКК «Энергия», д-р физ.-мат. наук Владимир Николаевич Бранец и главный специалист по разработке гироскопических приборов РКК «Энергия», канд. техн. наук Юрий Алексеевич Бажанов поставили конструкторскому бюро (КБ) производственного объединения (ПО) «Корпус» задачу разработки блока измерителей линейного ускорения для спускаемого аппарата космического корабля «Союз - ТМА». Инерциальным чувствительным элементом блока должен был стать кварцевый маятниковый акселерометр, в основу которого положены так называемые Q-Flex технологии на основе специализированной обработки кварцевого стекла [24], из которого изготавливается чувствительный элемент прибора - кварцевая пластина. Прибор должен был иметь 6 неортогонально ориентированных осей чувствительности, расположенных по образующим додекаэдра с углом полураствора у вершины 54,7356° (рис. 1). Такая ориентация обеспечивала существенное повышение надёжности работы прибора и возможность использования избыточной информации для системы управления [4, 23].
