отсчетная система гиростабилизации

Формула изобретения

Отчетная система гиростабилизации, содержащая последовательно соединенные блок датчиков угловых скоростей (ДУС), ориентированных по трем осям связанной системы координат, первый сумматор, первый преобразователь координат, первый интегратор и первый блок сравнения, а также блок выработки синусов и косинусов углов качки, второй и третий сумматоры, второй и третий интеграторы, второй и третий блоки сравнения, причем второй и третий выходы блока ДУСов подключены соответственно к первым входам второго и третьего сумматоров, выходы которых соответственно подключены ко второму и третьему входам первого преобразователя координат, второй и третий выходы первого преобразователя координат подключены соответственно к входам второго и третьего интеграторов, выходы первого и второго интеграторов подключены соответственно к первому и второму входам блока выработки синусов и косинусов углов качки, первый выход блока выработки синусов и косинусов углов качки подключен к четвертому входу первого преобразователя координат, выходы второго и третьего интеграторов также подключены к первым входам второго и третьего блокам сравнения, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены последовательно соединенные второй преобразователь координат, первый масштабирующий усилитель и четвертый сумматор, последовательно соединенный второй масштабирующий усилитель и четвертый интегратор, последовательно соединенный третий масштабирующий усилитель, и пятый сумматор, последовательно соединенный четвертый масштабирующий усилитель и пятый интегратор, последовательно соединенный пятый масштабирующий усилитель и шестой сумматор, последовательно соединенный шестой масштабирующий усилитель и шестой интегратор, блок акселерометров и блок выработки курса, причем первый и второй выходы блока акселерометров подключены соответственно к входам седьмого и восьмого масштабирующих усилителей, выходы которых подключены ко вторым входам первого и второго блоков сравнения, а выход блока выработки курса подключен ко второму входу третьего блока сравнения, выходы первого, второго и третьего блоков сравнения подключены соответственно к первому, второму и третьему входам второго преобразователя координат, первый, второй и третий выходы второго преобразователя координат подключены соответственно к входам второго, третьего и четвертого, пятого и шестого масштабирующих усилителей, соответственно выходы четвертого, пятого и шестого интеграторов подключены ко вторым входам четвертого, пятого и шестого сумматоров, выходы четвертого, пятого и шестого сумматоров подключены соответственно ко вторым входам первого, второго и третьего сумматоров, второй выход блока выработки синусов и косинусов подключен к четвертому входу второго преобразователя координат.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гироскопическим устройствам, предназначенным для выработки с высокой точностью угловых скоростей и параметров угловой ориентации:

- подвижных объектов, например экранопланов [1], для использования их в системах автоматического управления движением;

- железнодорожного пути (в путеизмерительных вагонах);

- испытательных стендов, имеющих поворотные платформы.

Для измерения углов тангажа и крена в качестве систем грубого и среднего класса точности традиционно используются гировертикали с маятниковой коррекцией типа ЦГВ. Однако ЦГВ присущи значительные погрешности, возникающие при маневрировании объекта. Для уменьшения (исключения) данной погрешности производят отключение маятниковой коррекции, т.е. вертикаль должна переходить в режим "память".

От указанных погрешностей свободны бесплатформенные системы ориентации, основанные на интегрировании кинематических уравнений движения объекта, работающие на малых интервалах времени. Однако недостатками таких систем являются накапливающиеся ошибки, обусловленные дрейфами датчиков угловых скоростей (ДУС) и погрешностями метода численного интегрирования [2]. Известно [2, стр. 199] , что зависимость точности выработки углов ориентации, найденных путем интегрирования кинематических уравнений Эйлера, от систематических уходов ДУС для случая регулярной качки имеет вид





,

где _x, _y, _z, - систематические уходы ДУС;

_o = _msin₁t, _o = _msin₂t, K_o = K_msin₃t - параметры регулярной качки.

Ошибки K, , содержат составляющие, возрастающие пропорционально времени, пропорционально квадрату времени и колебательные составляющие. Последние, действующие на частоте движения объекта, не могут быть отфильтрованы. Использование описанных систем выработки углов тангажа, крена и курса в течение длительного временного интервала невозможно без введения средств коррекции. Описанных последствий можно избежать, если компенсировать уходы ДУС на их выходе.

Известна система гироскопической стабилизации с высокой динамической точностью, содержащая построитель опорной системы координат, датчик угловой скорости, например, лазерный гироскоп, интегратор, масштабирующее устройство, второй интегратор, осуществляющий коррекцию выходной величины угла ориентации [1, стр. 44].

Известна также отсчетная система гиростабилизации, являющаяся прототипом заявляемого устройства [1, стр. 48-50]. Эта отсчетная система гироскопической стабилизации содержит опорный гиростабилизатор, блок датчиков угловой скорости, блок поправок, вычислитель полных значений углов крена и тангажа, в состав которого входят первый преобразователь угловых скоростей, интеграторы, элементы сравнения, фильтры и блок вычисления синусов и косинусов углов крена и тангажа, масштабирующие усилители, сумматоры, блок выработки географической широты, блок выработки курса, блок выработки путевой скорости и угла скольжения и преобразователь координат.

В указанной системе благодаря использованию информации о широте (), путевой скорости (V_П) и угле скольжения () блок поправок (БП) производит компенсацию ошибок, обусловленных вращением Земли и ходом объекта. Формирование поправок осуществляется вычислением проекций угловых скоростей, обусловленных вращением Земли и ходом объекта, на связанные оси.

Такие системы обеспечивают статическую точность выработки углов, соответствующую построителю опорной системы координат, а их динамическая точность определяется ошибками ДУСов и методическими ошибками преобразования и интегрирования их сигналов.

Недостатком таких систем является отсутствие автономности, необходимость использования построителя опорной системы координат, недостаточно высокая точность системы в статике, определяемая опорным гиростабилизатором, и невысокая точность выработки угловых скоростей из-за неоткалиброванности ДУСов.

Задача изобретения состоит в обеспечении автономности, повышении точности вычисления углов крена и тангажа и повышении точности выработки угловых скоростей объекта.

Поставленная задача решается тем, что в систему гиростабилизации, содержащую три ДУС, ориентированных по трем осям связанной с объектом системы координат, преобразователь координат угловой скорости крена, тангажа и курса 1, интеграторы углов крена, тангажа и курса, блок вычисления синусов и косинусов крена и тангажа, устройства сравнения углов крена, тангажа и курса, введены два акселерометра, ориентированные по продольной и поперечной осям связанной с объектом системы координат, преобразователь координат 2, восемь масштабирующих усилителей (МУ), три интегратора, три суммирующих устройства.

При этом входы седьмого и восьмого масштабирующих усилителей соединены с выходами акселерометров, а второй вход второго МУ по сигналу оценки cos соединен со вторым выходом блока выработки синусов и косинусов (БВСК). Выход седьмого МУ по сигналу угла крена соединен со вторым входом второго устройства сравнения. Выход восьмого МУ по сигналу крена _к соединен со вторым входом второго устройства сравнения. Блок выработки курса соединен со вторым входом третьего устройства сравнения. Выходы первого, второго и третьего блоков сравнения соединены соответственно с последовательно соединенными вторым преобразователем координат, первым МУ и четвертым сумматором.

В систему гиростабилизации дополнительно введены последовательно соединенный второй МУ и четвертый интегратор, последовательно соединенный третий МУ и пятый сумматор, последовательно соединенный четвертый МУ и пятый сумматор, последовательно соединенный пятый МУ и шестой сумматор, последовательно соединенный шестой МУ и шестой интегратор. Причем выходы блоков сравнения подключены соответственно к первому, второму и третьему входам второго преобразователя координат, первый, второй, третий выходы второго ПК соединены соответственно с входами первого и второго МУ, третьего и четвертого МУ, пятого и шестого МУ, выходы четвертого, пятого и шестого интеграторов соединены со вторыми входами четвертого, пятого и шестого сумматоров соответственно, выходы четвертого, пятого и шестого сумматоров подключены соответственно ко вторым входам первого, второго и третьего сумматоров, первый выход БВСК углов качки подключен к четвертому входу второго преобразователя координат.

Данное изобретение поясняется фиг.1, где изображена структурная схема предлагаемой отсчетной системы гироскопической стабилизации, содержащей следующие элементы и блоки:

1) блок ДУС, ориентированных по трем осям системы координат, связанной с объектом,

2) сумматоры;

3) Преобразователь координат 1, вырабатывающий по сигналам ДУС угловые скорости качек и курса;

4) интеграторы;

5) устройства сравнения;

6) блок выработки синусов и косинусов (БВСК) углов качки;

7) блок выработки курса;

8) блок акселерометров, ориентированных по продольной и поперечной осям объекта;

9) масштабирующие усилители;

10) преобразователь координат 2, преобразующий ошибки углов качек и курса (сигналы коррекции) в углы, спроектированные на связанную систему координат объекта;

11) блок поправок на вращение Земли и собственное движение объекта.

Данная схема обеспечивает более точное построение вертикали места и выработку угловых скоростей при перемещении объекта относительно Земли путем использования датчиков угловых скоростей, акселерометров, интеграторов, вычислительных устройств, блока выработки курса и введения коррекции по угловым скоростям.

Эта схема представляет собой замкнутую динамическую систему построения вертикали и курсоуказания.

Система гиростабилизации работает следующим образом.

По показаниям акселерометров (блок 8) умножением на масштабирующие коэффициенты 1/g по продольной оси и 1/(g cos) (блок 9) по поперечной оси оцениваются углы тангажа и крена _к. С другой стороны, используя сигналы ДУС 1, углы ориентации находятся путем интегрирования кинематических уравнений Эйлера (блоки 3 и 4). На выходе первого, второго и третьего интеграторов 4 получаются комплексированные оценки углов ориентации (тангажа , крена _к и курса К). С выхода первого и второго интеграторов углы качек и _к поступают в блок вычисления синусов и косинусов углов качек 6. На первые входы устройства сравнения 5 подаются сигналы первого, второго и третьего интеграторов 4, _к и К, а на вторые входы устройств сравнения подаются отмасштабированные оценки углов качек и _к, измеренные акселерометрами, и угол курса К с блока выработки курса. С выхода устройств сравнения 5 сигналы подаются соответственно на первый, второй и третий входы второго ПК, сигналы с выхода второго ПК подаются на входы первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого МУ (K_x ¹, K_y ¹, K_z ¹ - коэффициенты передачи демпфирующей цепи). По каждому каналу выход первого, третьего и пятого МУ подается на первые входы четвертого, пятого и шестого устройства суммирования, а выход второго, четвертого и шестого МУ на входы четвертого, пятого и шестого интеграторов, выходы четвертого, пятого и шестого интеграторов соединены со вторыми входами четвертого, пятого и шестого устройств суммирования. Выходы четвертого, пятого и шестого устройств суммирования соединены со вторыми входами первого, второго и третьего устройств суммирования. Преобразователь координат 2 (10) перепроектирует ошибки углов качек и курса на оси связанной системы координат по обратным формулам [2, стр. 12, (1.17)]

_x = _к-Ksin,

_y = Kcossin_к+cos_к,



При движении объекта сигналы, пропорциональные угловым скоростям _x, _y, _z с блока ДУС 1, корректируются в блоке суммирования 2 поправками на вращение Земли и собственное движение объекта, суммируются на устройствах суммирования 2 с поправками, пропорциональными проекциям угловых скоростей на связанные оси, обусловленными систематическими ошибками ДУС. Постоянные и медленно меняющиеся помехи в сигналах ДУС компенсируются четвертым, пятым и шестым интеграторами в цепи обратной связи. Постоянные и медленно меняющиеся помехи в сигнале датчика угла (акселерометра) проходят на выход измерителя и представляют собой погрешность измерения. Полученные суммарные сигналы _x, _y, _z являются комплексированными сигналами угловой скорости и далее поступают в преобразователь координат 1 интеграторы 4, а также выдаются потребителю. Сформированные таким образом в интеграторах 4 углы , _к К являются выходными комплексироваными оценками углов предлагаемой системы гироскопической стабилизации.

Углы и _к поступают в БВСК 6 для вычисления их синусов и косинусов, используемых для всех преобразований в схеме по приближенным формулам, например:

sinx = x-x^э/3!; cosx = l-x/2,

где х принимает значение или _к.

Реализация предлагаемого устройства по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:

- повышенную точность выработки углов ориентации и угловой скорости:

- повышенную автономность благодаря использованию акселерометров и имеет замкнутый контур коррекции, обеспечивающий отсутствие накапливающихся ошибок построения вертикали и более точную выработку угловых скоростей. Возможность достижения высоких точностей выработки углов крена, дифферента на уровне (3) - не более 1 угл. мин и угловой скорости на уровне (3) - не более 2l0^-4 гpaд/c, а также курса на уровне (1520)sec угл. мин при использовании гирокомпаса "Гюйс" подтверждена "Оценкой точности выработки основных параметров".

Проведено испытание макета предлагаемой системы гиростабилизации, построенной на трех волоконно-оптических гироскопах и трехосном измерителе ускорений. Результаты испытаний подтвердили расчетные данные. Предложенный гироориентатор был применен в испытательном динамическом стенде и в высокоскоростном поезде "Сокол". Его также предполагается использовать как переносное гироскопическое устройство для выставки курса летательных аппаратов.

На фиг. 2, 3 представлены графики угловых скоростей и углов ориентации работы испытательного динамического стенда в режимах свободного движения и стабилизации, измеренных предлагаемым гироориентатором. В разделе "динамический анализ" приведен анализ предлагаемой системы гиростабилизации.

Оценка точности выработки основных параметров

1. Основные составляющие погрешности отсчетной системы гиростабилизации (ОСГ).

Определим следующие основные составляющие погрешности ОСГ:

1) погрешность выработки углов крена и тангажа;

2) погрешность выработки курса;

3) погрешность выработки угловой скорости.

1.1. Погрешность выработки углов крена и тангажа.

Для выбранной функциональной схемы построения вертикали (одного канала) (фиг. 1) ошибку выработки угла крена (тангажа) можно представить в виде трех составляющих:

- систематической составляющей _p, обусловленной смещением акселерометра _A;

- методической ошибкой алгоритма интегрирования кинематических уравнений Эйлера первого порядка точности _в. (данная погрешность не накапливается, а носит колебательный характер);

- случайной погрешностью, обусловленной интегрированием белошумной составляющей погрешности измерений ДУС.

Примем, что смещение _A (предельное значение) акселерометра не должно превосходить 10^-4 от диапазона измерения, а диапазон измерений равен ускорению силы тяжести g. Тогда для систематической ошибки измерения угла при наклоне объекта можно записать



Методическая погрешность алгоритма первого порядка точности на шаге интегрирования носит колебательный характер. Максимальное значение этой погрешности при отбрасывании гармонических членов определяется выражением



где - максимальное угловое ускорение;

h = 110^-3с - шаг интегрирования;



Данная погрешность мала и в дальнейших расчетах не учитывается.

Рассмотрим случайную погрешность определения углов крена и тангажа, обусловленную интегрированием белошумной составляющей погрешности измерений угловой скорости ДУС. Упрощенно функциональную схему одного канала построителя вертикали можно представить в виде (фиг.4). В данном случае измерения ДУС и акселерометра обрабатываются с помощью комплексирующего фильтра.

Комплексирующий фильтр по входу угловых скоростей (1) проявляет себя как фильтр высоких частот, а это значит, что он не пропускает постоянную составляющую сигнала и инфранизкие частоты. Подъем характеристики (АЧХ) комплексирующего фильтра до уровня 1 достигается при частоте 1,0 Гц (фиг.5). Спад уровня собственных шумов ДУС до уровня "белого шума" N = к² = 1,610^-3 град²/ч наблюдается при частотах более 0,01 Гц (фиг.7). Таким образом, погрешность ДУС - шумовой процесс на входе интегратора можно рассматривать как белый шум с интенсивностью (уровнем спектральной плотности) N = 1,610^-3 град²/ч.

Определим дисперсию на выходе интегратора при интегрировании белого шума интенсивностью N = 1,610^-3 град²/ч

;



где N = k² = 16 10^-4 град²/ч = 4,4 10^-7 град²/с; = _в-_н,



_в = 6,2860 Гц = 376,8 1/c;

_н = 6,280,01 Гц = 0,06 1/c;

= 376,8-0,06_в;

;



Данная погрешность также мала и в дальнейших расчетах не учитывается.

Из приведенного анализа следует, что наиболее значимой погрешностью, собственно определяющей погрешность выработки углов крена и тангажа, является смещение акселерометра. Предельное значение этой погрешности не превышает 0,34 угл. мин.

1.2. Погрешность выработки курса

1.2.1. Для выбранной схемы выработки курса путем интегрирования третьего уравнения Эйлера



наиболее значимыми являются следующие погрешности.

1) Cистематическая составляющая блока выработки курса.

2) Cистематическая составляющая "вертикального" ДУС, обусловленная в основном остаточным дрейфом, после начальной калибровки. С целью снижения систематической составляющей погрешности в вертикальном канале используется комплексирование с блоком измерения курса.

3) Методическая погрешность (уход) алгоритма интегрирования кинематического уравнения Эйлера при наихудшем движении платформы стенда, при котором частоты колебательного движения стенда по углам крена, тангажа и курса совпадают (режим синхронных качек).

4) Случайная погрешность, обусловленная интегрированием бело-шумовой составляющей измерений ДУС.

1.2.2. В канале курса используется схема комплексирования, аналогичная той, которая используется в канале вертикали, с тем отличием, что в качестве опоры используется не акселерометр, а блок выработки курса. В соответствии с этим можно полагать, что систематическая погрешность канала курса будет определяться систематической составляющей блока выработки курса, а шумовая составляющая - белошумной составляющей ДУС. Для курсовой системы среднего класса точности систематическая составляющая погрешности составляет (15-20) sec угл. мин (где - широта места). Среднеквадратическое значение шума (по аналогии с каналом вертикали) будет составлять =0,06 угл. мин.

1.2.3. Методическая погрешность "уход" алгоритма интегрирования кинематических уравнений Эйлера первого порядка точности возникает при режиме синхронных качек стенда, т.е. при совпадении частот качек по крену, тангажу и курсу. Дисперсия ухода алгоритма курсового канала для данного режима движения стенда и равномерного распределения фаз колебаний в интервале 0-2 определяется выражением [2]

D_K = h²²_m²_m⁴f⁴,

где h - шаг интегрирования 110^-3 с;

_m, _m - амплитудное значение углов качки;

f - частота качки.

Примем _m = _m = 30 град.

Определим частоту качки исходя из следующих значений скорости и амплитуды движения

;

;

;

D_K = (10^-3)²(0,52)²(0,52)²(3,14)⁴(0,02)⁴=1,1310^-12 рад²/с²;



Данная погрешность не превышает допустимой точности выработки угловой скорости 310^-4 град/с.

1.3. Погрешность выработки угловой скорости.

Погрешность выработки угловой скорости имеет следующие основные составляющие:

1) cистематическая составляющая, обусловленная дрейфом ДУС;

2) погрешность, обусловленная нелинейностью и асимметрией выходной характеристики ДУС;

3) погрешность, обусловленная шумами измерителей и погрешностями цифровой обработки.

1.3.1. Систематические составляющие x, y ДУС_х, ДУС_у, выставляемых по "горизонтальным осям", компенсируются благодаря комплексированию с акселерометрами.

Систематическая составляющая "вертикального ДУС" будет обусловлена дрейфами z и y ДУС_z и ДУС_у. Учитывая, что построитель вертикали ОСГ использует в качестве опоры акселерометры, а курсовой канал - блок выработки курса, то можно предположить, что уходы z и y будут скомпенсированы, и систематическая составляющая в "вертикальном ДУС" будет скомпенсирована.

1.3.2. Относительная погрешность масштабного коэффициента (по паспорту ДУС) не должна превышать



где M - погрешность (нестабильность) масштабного коэффициента ДУС;

М - максимальная измеряемая угловая скорость.

Абсолютное значение погрешности масштабного коэффициента с учетом максимальной скорости движения равно



По мнению разработчиков основные проблемы при измерении угловой скорости возникают из-за собственных шумов ДУС, а также вибраций объекта.

1.3.3. Предварительные результаты испытаний ДУС показали, что уровень шумового сигнала ДУС (3) при осреднении на интервале 1 с на неподвижном основании составляет - 410^-6 рад/с (2,310^-4 град/с), что не превышает уровень - 310^-4 град/с. Примем _ш = 110^-4 град/c.

Результирующая погрешность измерения угловой скорости будет определяться нестабильностью масштабного коэффициента и шумами ВОГ



1.3.4. Упрощенный расчет точности был произведен при использовании характеристик реальных ДУС - волоконно - оптических гироскопов ВГ 951, акселерометров АК-10 и реальных параметров движения и предъявляемых технических требований объекта - испытательного динамического стенда. В качестве блока выработки курса использован гирокомпас "Гюйс".

Выводы

1. Для рассмотренных схемы построения вертикали и компаса, алгоритма интегрирования кинематических уравнений, датчиков угловых скоростей и ускорений получены следующие характеристики:

- погрешность измерения углов крена и тангажа, в основном, определяется неучтенным смещением акселерометра и не превышает 0,34 угл. мин;

- погрешность измерения курса определяется систематической погрешностью блока выработки курса и составляет по результатам испытаний (15-20) sec угл. мин;

- относительная погрешность масштабного коэффициента (по паспорту) не превышает 1,010^-4;

- абсолютное значение погрешности масштабного коэффициента с учетом максимальной угловой скорости равно 410^-4 град/с;

- уровень шумов 3 в сигнале угловой скорости, измеряемой ДУС, при осреднении на интервале 1 с 2,310^-4 град/с;

- погрешность измерения угловой скорости, определяемая нестабильностью масштабного коэффициента и шумовой составляющей погрешности ДУС на уровне (), равна 210^-4 град/с.

Динамический анализ системы гиростабилизации

Структурная схема гироориентатора представлена на фиг.1. Для иллюстрации ее динамических характеристик рассмотрим для простоты канал измерения тангажа, положив _к = K = 0.

Передаточная функция разомкнутого канала



где К_у ² - коэффициент усиления;

= K¹_y/K²_y - демпфирующая постоянная времени.

Передаточная функция замкнутой системы, связывающая величины и по левому входу



Передаточная функция замкнутой системы, связывающая величины и по правому входу



Запас устойчивости оценим по показателю колебательности, представляющему собой высоту резонансного пика АЧХ замкнутой системы (в данном случае это передаточная функция (3)).

Асимптотическая ЛАХ разомкнутой системы в соответствии с (1) изображена на фиг.8.

Здесь а частота среза _cp определяется из зависимости

W(j_cp) = 1

В соответствии с (1) имеем



Решение уравнения (4) дает



Для изображенной асимптотической ЛАХ типа 2-1 в работе [3] определены соотношения, которые надо вычислить, чтобы показатель колебательности замкнутой системы был бы равен значению М



из формулы (6) можно также определить необходимое соотношение между _о и _ср для заданного значения М



Считается, что в хорошо демпфированных системах регулирования показатель колебательности не должен превосходить значений 1.1-1.5. По формулам (6) и (7) составлена таблица для типовых значений М. При этом m₂ = m₁ ², а также m₃=m₁.

Передаточная функция замкнутой системы по правому входу будет



Характеристическое уравнение для (8)



Оно имеет корни



Переходные процессы могут быть представлены в следующем виде:

Для М=1.1



Для М=1.3



Для М=1.5



На фиг. 2 построены переходные процессы для трех значений М в функции относительного времени

t₀ = ₀t

Анализируя фиг.9, выберем показатель колебательности равным 1.3 (М=1.3). Относительное время переходного процесса равно 12. Задавшись t_пep = 180 с, определим значение базовой частоты



По значению ₀ определяется К_y ², а по таблице определяется параметр (демпфирующая постоянная времени).

Выводы

1. Запас устойчивости системы гиростабилизации определен по показателю колебательности М=1.3.

2. Для заданного времени переходного процесса (t_пep=180 с) и выбранного показателя колебательности указан путь определения параметров системы гиростабилизации.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. Б. Диомидов, Автоматическое управление движением экранопланов ГНЦ ЦНИИ "Электроприбор", СПб, 1996 г.

2. С. С. Ривкин, З.М. Берман, И.М. Окон, Определение параметров ориентации объекта бесплатформенной инерциальной системой ГНЦ ЦНИИ "Электроприбор", СПб, 1996 г.

3. В.А. Бесекерский, Цифровые автоматические системы, М.: Наука, 1978 г.