CC BY
62
УДК 681.2.084
Ермаков Р.В.1, Кондратов Д.В, 2, Львов А.А3., Скрипаль Е.Н. 1
1АО «Конструкторское бюро промышленной автоматики», Саратов, Россия 2Поволжский институт управления им. П.А. Столыпина, Саратов, Россия
3ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ ВЕРТОЛЁТНОГО ТИПА
Рассмотрены особенности применения микромеханических датчиков угловой скорости и микромеханических датчиков линейного ускорения для построения блоков датчиков первичной информации, применяемых в системах автоматического управления летательными аппаратами вертолётного типа. Описаны сложности, возникающие при замене используемых ранее инерциальных датчиков классической конструкции — гироскопов и акселерометров на датчики иного типа, в частности микромеханические датчики угловой скорости ЬК типа и микромеханические акселерометры. Рассмотрены особенности динамических характеристик датчиков различных классов, препятствующих непосредственной замене приборов одного типа на приборы другого типа. Предложена методика проведения проектирования блока датчиков и последующих его испытаний, основанная на анализе накопленных ранее экспериментальных данных с учётом динамики использовавшихся датчиков, позволяющая учесть и устранить возникающие сложности Ключевые слова:
испытания, инерциальные датчики, микромеханические датчики, частотная характеристика датчика
Для построения автоматической системы управления летательным аппаратом на его борту требуются датчики различных физических величин, среди которых основными являются инерциальные чувствительные элементы [1]. Существенный прогресс в развитии микромеханических инерциальных чувствительных элементов позволяет применять их для построения систем управления летательными аппаратами. Применение микромеханических датчиков на различных летательных аппаратах рассматривалось в большом количестве работ, например [2-4].
При проектировании систем автоматического управления летательными аппаратами вертолётного типа возникает ряд сложностей. В частности, наличие сильных перекрёстных связей между каналами крена, тангажа и курса диктует повышенные требования к точностным показателям датчиков первичной информации. Наличие сильных вибраций, вызванных спецификой конструкции вертолёта, ещё более осложняет решение задачи построения блока инерциальных датчиков для вертолётной системы автоматического управления.
В АО «КБПА» возникла необходимость перевода вертолётных систем автоматического управления с устаревших датчиков на базе классических гироскопов на датчики, основанных на микромеханических инерциальных чувствительных элементах. Сложность выбора и сравнения инерциальных чувствительных элементов состоит в том, что параметры случайной составляющей погрешностей данных приборов производители (особенно отечественные) указывают для различных значений полосы пропускания прибора. Поэтому реальные показатели для используемой в системе управления полосы пропускания могут существенно отличаться. Часто вместо СКО шума от его среднего значения указывается его плотность, однако, поскольку шумы в полосе пропускания прибора распределены неравномерно, и каждый отдельный тип прибора имеет свой характер распределения, это всё равно не позволяет достоверно сравнивать приборы различных типов. Второй существенной сложностью при сравнении инерциаль-ных чувствительных элементов различных типов является специфические для каждого типа характер и источники погрешностей первичных преобразователей, не укладывающихся в распространенную модель:
у = Мх + % ,
где: у - выход датчика, х - физическая величина, воздействующая на датчик, М - масштабный коэффициент датчика, Е, - погрешность датчика, включающая систематическую и случайную составляющие.
В частности, смещение нулевого сигнала большинства инерциальных чувствительных элементов может скачкообразно изменяться от включения к включению прибора. Возможны низкочастотные дрейфы смещения и другие эффекты, каждый из которых оговаривается производителем прибора и оценивается по собственной методике. Несовпадение указанных методик не позволяет проводить полноценное сравнение различных датчиков.
Экспериментальные исследования инерциальных чувствительных элементов проводятся с использованием дорогостоящих стендов [6-9, 13, 15]. Однако имеющееся в распоряжении разработчиков испытательное оборудование, как правило, ориентировано на исследование линейности инерциальных чувствительных элементов и не позволяет задавать на испытуемый прибор одновременно и угловые скорости и вибрационные воздействия. Но проведенные теоретические исследования [10-12] показывают, что микромеханические приборы чувствительны к вибрационным воздействиям. Тем не менее, производители датчиков обычно не предоставляют достаточной информации относительно чувствительности своих изделий к вибрациям на различных рабочих частотах.
Помимо этого, реальные уровни вибраций на борту вертолёта в месте установки инерциального датчика, как правило, неизвестны, что и составляет основную сложность при разработке инерци-альных блоков. Более того, уровень вибраций может существенно зависеть от конкретного места установки блока внутри вертолёта. Таким образом, прямая замена одних инерциальных чувствительных элементов другими в вертолётных системах управления и навигационных системах сильно осложнена в связи с отсутствием достаточной достоверной информации о: - реальных частотных характеристиках датчиков; - распределении случайной составляющей погрешности датчиков из-за того, что различные производители пользуются нестандартными методиками её определения; - характере влияния вибраций на показания датчиков;
- уровне и спектре вибраций непосредственно в месте установки блока на борту вертолёта.
Устранение указанных неопределенностей возможно путём проведения обширных дорогостоящих лётных испытаний с замером реальных значений угловых скоростей, линейных ускорений и вибраций на борту вертолёта в полёте независимой аттестованной системой. Необходимо исследовать упомянутые параметры во всех возможных режимах полёта для нескольких экземпляров вертолётов, поскольку частоты и уровни вибраций могут разниться даже для различных воздушных судов, выпущенных по одной документации. Требование использования одного и того же блока инерциальных датчиков на летательных аппаратах различных типов ещё сильнее усложняет задачу.
Возможным решением обозначенной проблемы является исследование инерционных блоков при одновременном комбинированном воздействии на них угловой скорости и вибраций, причем параметры вибрации должны подбираться исходя из накопленного опыта по эксплуатации серийно выпускаемых блоков на устаревших датчиках. Предлагаемая методика испытаний, помимо стандартных методов определения статической характеристики и амплитудно-фазовых частотных характеристик (АФЧХ) датчиков в составе блока, предполагает также определение указанных параметров при одновременном действии на испытуемый датчик виброускорения, с амплитудами и частотами, соответствующими
вибрациям, существующими в местах установки третьей гармониками распределения дефекта массы блока инерциальных датчиков реальных вертолётов. вдоль поверхности резонатора.
Поскольку в распоряжении разработчиков имеется Следует заметить, что уравнение динамики не-
обширная накопленная информация по лётным испы- идеального ВТГ может быть записано в виде [5]: таниям серийных образцов блоков инерциальных датчиков на вертолётах различных типов, становится возможным обобщение накопленных данных и выявление наиболее тяжелых режимов полёта. Характеристики вибраций на данных режимах, записанные по показаниям серийных блоков, выбираются в качестве эталонных. Далее для восстановления реально действовавших вибраций производится определение АФЧХ серийно выпускаемых блоков. Полученные характеристики используются, с одной стороны, для генерации вибрационного воздействия, амплитудные и частотные характеристики
которого близки к реальным вибрациям на борту ( ^ ^^
вертолёта, и, с другой стороны, для коррекции V /"
АЧХ микромеханических датчиков, которые, как правило, имеют более широкую полосу пропускания. где полином Y*(б) для физической реализуемости
где ж -деформации по нормали, к - коэффициент определяющий физические свойства резонатора, точка означает производную по времени, а штрих означает производную по координате.
Обозначим через а^) проекцию ускорения на ось чувствительности акселерометра в интересующем нас канале; у^) - выход соответствующего акселерометра. Передаточная функция акселерометра может быть записана в виде:
Y'(s) '
В работах [5], [10] делается вывод о том, что системы дополнен необходимым числом нулей,
ле-
удары и вибрации не оказывают влияния на дина- жащих далеко за пределами рассматриваемого ча-
мику сбалансированного МИГ. Однако, дефекты стотного диапазона. Тогда оценка изображения по
массы резонатора, вызванные погрешностями при Лапласу исходного сигнала может быть найдена как его изготовлении, являются причиной распада из- А (5) = ^ (5)
начально возбуждённой стоячей волны и её расщепления на несколько мод колебаний, что зачастую детектируется электронной аппаратурой прибора как наличие угловой скорости у неподвижного резонатора. При этом угол ориентации стоячей волны определяется расположением дефекта массы резонатора. Более того, для вибрации, действующей перпендикулярно плоскости резонатора, он связан со второй гармоникой дефекта, а для вибраций, действующих в плоскости резонатора - с первой и
откуда нетрудно определить искомый сигнал.
Описанный подход позволяет максимально приблизить характеристики новых и ранее использовавшихся блоков, что необходимо для замены последних без внесения конструктивных изменений в имеющуюся систему управления. Кроме того, это позволит на этапе проектирования блоков принять необходимые инженерные решения, исключающие пагубное воздействие вибраций, реально действующих на борту вертолёта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Попов, А.Н. Пилотажные комплексы и навигационные системы вертолётов / А.Н. Попов, И.В. Сер-гушов, Д.П. Тетерин и др.; под ред. М.Ш. Ковадлина. М.: Инновационное машиностроение, 2017. 368с.: ил.
2. R. van der Merwe, Sigma-Point Kalman Filters for Nonlinear Estimation and Sensor Fusion: Applications to Integrated Navigation. / R. van der Merwe, E. Wan, S. Julier, A. Bogdanov, G. Harvey, and J. Hunt.// AIAA Guidance Navigation & Control Conference, 2004.
3. Гулевич, С.П. Использование современных высокоточных датчиков угловых скоростей и линейных ускорений для обеспечения автоматического захода на посадку летательных аппаратов / С.П. Гулевич, И.В. Сергушов, Е.Н. Скрипаль, А.В. Абакумов // XXIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. С.321-326
4. Гуцевич, Д.Е. Анализ применимости микромеханических датчиков для управления летательными аппаратами различного типа / Д.Е Гуцевич, Е.Н. Скрипаль // 15-я Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2016». Тезисы. М.: Типография «Люксор», 2016. С.506.
5. Лунин, Б.С. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. Монография. / Б.С. Лунин, В.А. Матвеев, М.А. Басараб. М.: Радиотехника, 2014. - 176 с.: ил.
6. Калихман, Д.М. Универсальный стенд с цифровой системой управления для контроля измерителей угловой скорости различного принципа действия/ Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, Ю.В. Садомцев, A.B. Пoлyшкин, Е.А. Депутатова, Р.В. Ермаков, С.Ф. Нахов, Е.А. Измайлов, А.В. Молчанов, М.В. Чиркин // XVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2010. С. 147-154.
7. Калихман, Д.М. Прецизионный стенд с гироскопическим датчиком угловой скорости в качестве инерциального чувствительного элемента с цифровой системой управления. / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, Ю.В. Садомцев, А.В. Пoлyшкин, Р.В. Ермаков, Е.А. Депутатова, С.Ф. Нахов // XV юбилейная Санкт - Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2008. С. 169-172.
8. Калихман, Д.М. Прецизионный широкодиапазонный стенд с инерциальными чувствительными элементами и цифровой системой управления. / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, Ю.В. Садомцев, А.В. Пoлyшкин, Р.В. Ермаков, Е.А. Депутатова, С.Ф. Нахов // 16 Санкт - Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам. - СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2009. С. 48-53.
9. Ермаков, Р.В. Основы разработки комплексного цифрового управления прецизионными стендами с инерциальными чувствительными элементами по сигналам с измерителей угловой скорости, кажущегося ускорения и оптического датчика угла / Р.В. Ермаков, Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, С.Ф. Нахов, В.А. Туркин, А.А. Львов, Ю.В. Садомцев, Е.П. Кривцов, А.А. Янковский// XXIII Санкт - Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2016. С.302-307.
10. Маслов, А.А. Исследование вибрационных и внешних воздействий на динамику микромеханического гироскопа / А.А. Маслов, И.В. Меркурьев, В.В. Подалков // XXII Санкт - Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам. - СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2015. С. 286-287.
11. Скоробогатов, В.В. Результаты экспериментальной отработки термоивариантного кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью и перепрограммируемым диапазоном измерения / В.В. Скоробогатов, В.И. Гребенников, Л.Я. Калихман, Д.М. Калихман, С.Ф. Нахов, Р.В. Ермаков // XXIII Санкт - Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2016. С.139-157.
12. Yoon, S.W., Vibration sensitivity analysis of MEMS vibratory ring gyroscopes / Yoon S.W., Lee S., Najafi K. // Sensors and Actuators A, 2011, no. 171, pp. 163- 177.
13. Ермаков, Р.В. Использование полигауссовской аппроксимации для описания свойств погрешностей оптического датчика угла / Р.В. Ермаков, Д.М. Калихман, А.А. Львов // Труды международного симпозиума надежность и качество. Том: 2 Пензенский государственный университет (Пенза), 2016. С.23-25.
14. Precision Navigation and Pointing Gyroscope CRM100 Technical Datasheet [электронный ресурс] режим доступа: http://www.siliconsensing.com/media/1158/crm100-00-0100-132 rev 10.pdf дата обращения 14.03.2017.
15. Доросинский, А.Ю. Особенности использования моделей нелинейных элементов в телеметрических системах контроля углового положения / А.Ю. Доросинский, А.Н. Винчаков, В.Г. Недорезов // Труды международного симпозиума надежность и качество. Том: 2 Пензенский государственный университет (Пенза), 2015, С. 60-62.
УДК 519.254
Балабан О.М., Львова Е.В., Серанова А.А., Томашевский Ю.Б.
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ В РЕЖИМЕ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
В работе предложена методика для проведения верификации измерителей мощности электрического сигнала промышленного назначения в несинусоидальных режимах работы. Описан метод планирования эксперимента, позволяющий тестировать эти измерители при совместном воздействии большого количества возмущающих факторов и дающий возможность выявить их влияние на точность измерения. Проведен предварительный анализ требуемого оборудования и описан экспериментальный образец системы для проведения верификации измерителей мощности при их работе с несинусоидальными сигналами. С помощью этого образца проведены сравнения измерений активной и реактивной мощности для режимов синусоидального и несинусоидального сигналов двух ваттметров, выпускаемых серийно. Получены экспериментальные зависимости погрешностей измерения от различных влияющих факторов. Показано, что предлагаемая методика может быть использована для анализа отечественных и зарубежных цифровых ваттметров
Ключевые слова:
измерение, обеспечение качества, верификация измерителей энергии, режим несинусоидальных сигналов, планирование эксперимента
Хорошо известно, что в последние годы большая часть электрических нагрузок в обычных силовых сетях стали нелинейными или нестационарными. Это происходит благодаря быстрому распространению среди промышленных, коммерческих и бытовых потребителей электроэнергии оборудования силовой электроники, например, приводов с регулируемой скоростью вращения, управляемых выпрямителей, понижающих преобразователей частоты. Подобные нагрузки могут создавать массу помех, как для своего предприятия, так и для оборудования других потребителей.
Большинство проблем возникают из того, что имеет место утекание реактивной энергии, порождаемой несинусоидальными токами и напряжениями. Поэтому коммунальные предприятия жизненно заинтересованы в минимизации таких энергетических потерь в силовых сетях, так как генераторы возмещают совершаемые потери, а распределяющие компании должны платить за это в соответствии с показаниями счётчиков энергии в точках измерения. Желательно, чтобы распределительные компании принуждали потребителей, являющихся источником подобных помех, платить соответствующие штрафы, в противном случае эти траты лягут на всех участников энергетического рынка.
Научное сообщество обсуждает проблему определения мощности в условиях несинусоидальных сигналов и/или несбалансированных условий в течение последних 35-40 лет, и в инженерной литературе можно найти различные предложения по этому вопросу [1,2].
При поверке измерителя необходимо учесть все наиболее важные явления, влияющие на качество электроэнергии, передаваемой на низких частотах [1,3], а именно: 1) колебания основной частоты; 2) временные понижение напряжения питания, то есть снижения амплитуды напряжения в до значений
порядка от 90 % до 1 % от номинального; 3) разбаланс напряжений, когда в многофазной силовой сети возникают ситуации, при которых действующие значения (ДЗ) линейных напряжений (на основной частоте) или разности фаз между последовательными линейными напряжениями не равны между собой; 4) суммарный коэффициент гармоник (СКГ), то есть отношение суммы ДЗ напряжений на всех гармониках вплоть до 40 к ДЗ напряжения на основной частоте.
Физическая сущность всех этих искажений, которые могут возникнуть в реальных силовых сетях, была рассмотрена в различных публикациях. Например, европейский стандарт ЕЫ 50160:2010 [4] определяет основные характеристики на входе сети электропитания потребителей в системе коммунального распределения электроэнергии низкого и среднего уровней напряжения в нормальных условиях. Этот стандарт задаёт пределы или величины напряжений, внутри которых любой потребитель может надеяться, что характеристики напряжения останутся неизменными. Некоторые числовые данные приведены в таблице 1. Но данный стандарт не применим при измерениях в присутствии гармоник основной частоты. Другим важным документом, формулирующим требования к качеству измерения активной и реактивной мощностей, является стандарт Международной электрической комиссии (МЭК) [5], определяющим технические условия для аппаратуры измерениях качества электроэнергии. Диапазоны изменения входных сигналов из-за действия влияющих величин, которые допустимы для измерительных приборов класса А , приведены в таблице 2.
Директива Европарламента 2004/22/ЕС [6], по-свящённая измерительной технике и более подробно освещающая измерители электроэнергии и мощности, ставит условия измерения, показанные в таблице 3.
Таблица 1
Пределы некоторых возможных искажений при измерении активной и реактивной мощностей, задаваемые стандартом ЕЫ 50160
Частота сигнала 50 Гц ± 1 % в течение 95 % времени работы; 50 Гц ± 4 % - 6 % в течение 100 % времени работы
ДЗ напряжения 230/400 В ± 10 % в течение 95 % времени работы
Уровень гармоник СКГ < 8 % в течение 95 % времени работы
Частота сигнала 5 0 Гц ± 15 %
ДЗ напряжения 0 % - 200 % от номинального напряжения
Уровень гармоник СКГ < 2 0 %
Пределы допустимых изменений входных сигналов у измерительных Таблица 2
приборов качества энергии класса А, задаваемые стандартом МЭК 61000-4-30
