Широкодиапазонные поворотные стенды с цифровыми системами управления и навигационными приборами в качестве чувствительных элементов для контроля измерителей угловой скорости

В современном точном приборостроении наземные испытания измерителей угловых скоростей и блоков на их основе требуют применения прецизионных поворотных стендов, задающих с высокой точностью и стабильностью вращение с постоянной или изменяющейся по определенному закону угловой скоростью в широком диапазоне (от 0,01 до 10 000%-).

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке новых схемотехнических решений построения широкодиапазонных поворотных стендов с цифровыми системами управления (ЦСУ), где в качестве инерциальных чувствительных элементов (ИЧЭ) применяются различные навигационные приборы, а именно, измерители угловых скоростей и кажущихся ускорений. Принцип построения стендов как прецизионных систем на основе гироскопических стабилизаторов, работающих в режиме программного разворота, управляемых по информации ИЧЭ [83], лежит в основе создания нового класса малогабаритных, высокоточных, с приводом от маломощных двигателей, стендов.

Наряду с этим, развитие теории автоматического управления за последние 60 лет привело к появлению новых методов синтеза регуляторов, в том числе и цифровых, которые, в сочетании со всё возрастающими возможностями компьютерной и процессорной техники [14, 28], с успехом могут быть применены для разработки нового класса ИЧЭ и более совершенного испытательного оборудования, в частности, высокоточных поворотных стендов.

Введение

ЦСУ позволит выйти на новый уровень точностных характеристик, а также, в случае необходимости, позволит изменять динамические свойства стендов путем перепрограммирования цифровой части их регуляторов.

Цель работыповышение точности задания угловой скорости и улучшение динамических характеристик широкодиапазонных стендов с навигационными приборами в качестве ИЧЭ путем разработки новых схемотехнических решений построения стендов с ЦСУ.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать схемотехнические решения построения стендов нового поколения — стендов с ЦСУ и ИЧЭ.

2. Провести синтез и анализ цифровых регуляторов систем управления стендов и ИЧЭ.

3. Провести анализ синтезированных систем в частотной и временной областях и экспериментальные исследования для подтверждения правильности предлагаемых решений.

4. Оценить влияние помех широкодиапазонных стендов с ЦСУ.

5. Разработать методики и алгоритмы повышения точности задания угловых скоростей стендами нового поколения.

Объектом исследования в диссертационной работе являются широкодиапазонные стенды, построенные на базе одноосного карданова подвеса, где в качестве ИЧЭ используются прецизионные измерители угловых скоростей • и кажущихся ускорений. Цифровые регуляторы как системы управления двигателями стендов, так и ИЧЭ, реализованные в процессорных модулях, включённых в цепи обратных связей соответствующих приборов, в виде программ, полученных на основе разработанных алгоритмов.

Предметом исследования являются основные методики расчета и проектирования широкодиапазонных стендов с ЦСУ и ИЧЭ, методики расчета цифровых регуляторов, исследования путей повышения точности и стабильности задаваемых стендами угловых скоростей в сравнении с имеющимися аналогами, а также исследования влияния помех, действующих в системе управления стендов.

Методы исследования применены теоретические и экспериментальные. В теоретическом исследовании использован аппарат теории автоматического управления, методы программирования и компьютерного моделирования. Экспериментальное исследование широкодиапазонного стенда с ЦСУ производилось на филиале ФГУП «НПЦ АП» — «ПО «Корпус» (далее ПО «Корпус») в г. Саратове непосредственно на выпущенном технологическом образце — прибор КХ4.136.348.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются соответствием теоретических результатов, в том числе полученных математическим моделированием, с результатами экспериментальных исследований.

Использование результатов. Результаты, полученные в диссертационной работе, были использованы на ПО «Корпус» в качестве опытной разработки программно-математического обеспечения при решении задач синтеза цифровых регуляторов и способов повышения точности задания угловой скорости поворотными стендами, а именно:

— схемотехнические решения построения поворотных стендов и ИЧЭ с ЦСУ;

— алгоритмы реализации цифровых регуляторов в виде разностных уравнений вычисления управляющих воздействий в микроконтроллерах процессорных модулей, находящихся в цепях обратных связей приборов;

— методика калибровки приводного двигателя стенда.

Алгоритмы реализации цифровых регуляторов были апробированы при расчетах кварцевого маятникового акселерометра с ЦСУ и широкодиапазонного поворотного стенда с ЦСУ, имеющего датчик угловой скорости (ДУС) и акселерометры с аналоговыми системами управления в качестве ИЧЭ.

Расхождение расчетных значений выходных сигналов с экспериментальными результатами составило:

— для акселерометра — не более 5%;

— для стенда — не более 3%.

Было показано, что разработанные алгоритмы формирования управляющих сигналов в цепях обратных связей проектируемых приборов обеспечивают требуемые динамические характеристики и имеют преимущество при расчетах устройств с многоконтурной системой управления.

Внедрение результатов работ. Внедрение широкодиапазонного стенда с ЦСУ и ИЧЭ произведено на ПО «Корпус».

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на VIII ^ XIV конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», на XXV научно-технической конференции памяти.

H.H. Острякова, на XV ^ XVIII Международных конференциях по интегрированным навигационным системам, на IV Мультиконференции по проблемам управления (ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», г. С.-Петербург, 2006;2012 гг.) — на IV научно-технической конференции молодых специалистов (ФГУП «НПЦ АП им. H.A. Пилюгина», г. Москва, 2010 г.) — на конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24 (Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., 2011 г.). Победа в программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.») и получение гранта (от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере) на разработку широкодиапазонного акселерометра с цифровой системой управления.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 печатных работы, из них 6 статей в журналах из перечня ВАК, 3 статьи без соавторов и 3 патента РФ на изобретения.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

I. предложены два варианта построения широко/диапазонных стендов с ЦСУ. На базе предложенных вариантов разработаны частные схемотехнические решения построения стендов, защищенные патентами РФ на изобретения [99−101];

2. показано, что в стендах возможна смена ИЧЭ вне зависимости от класса ИЧЭ и типа его обратной связи. Смена ИЧЭ не ведет к изменению конструкции и функциональной электроники стенда, а обеспечивается за счет подстройки коэффициентов цифровой части регулятора в ЦСУ стенда;

3. получены новые алгоритмы цифровой стабилизации движений ИЧЭ и платформы стенда, обеспечивающие требуемые точностные характеристики и частотные свойства этих приборов;

4. разработано программно-математическое обеспечение, реализующее математические модели погрешностей предлагаемых стендов;

5. разработана методика калибровки приводного двигателя стенда, улучшающая точностные характеристики стенда.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:

1. повысить точность и стабильность задаваемой угловой скорости в предлагаемых схемотехнических решениях построения стендов;

2. снизить энергопотребление и габаритно-массовые характеристики;

3. обеспечить возможность задания широкого диапазона программных движений вращения платформы стенда, а не только постоянных по величине и направлению, либо изменяющихся по гармоническому закону;

4. обеспечить возможность изменения динамических характеристик стенда и ИЧЭ путем перепрограммирования цифровой части их регуляторов в управляющих процессорах без изменения функциональной электроники;

5. с введением ЦСУ ликвидировать зависимость масштабного коэффициента и полосы пропускания стенда от угловой скорости при использовании в качестве ИЧЭ акселерометров, измеряющих центростремительное ускорение.

Применение полученных результатов позволяет не только повысить точность задания угловой скорости поворотных стендов, но также дает возможность создания универсального стенда с требуемыми габаритно-массовыми, энергетическими, динамическими и точностными характеристиками. На защиту выносятся:

1. два варианта построения широкодиапазонных стендов с ЦСУ, представленные тремя схемотехническими решениями с различными навигационными приборами в качестве чувствительных элементов;

2. новые алгоритмы цифрового управления в контурах ИЧЭ и контурах стабилизации стендов;

3. программно-математическое обеспечение, реализующее математические модели погрешностей предлагаемых стендов на компьютере;

4. алгоритм адаптации системы управления стенда к смене ИЧЭ;

5. методика калибровки приводного двигателя стендов.

Личный вклад автора в этих работах состоит в разработке схемотехнических решений построения прецизионных стендов с ЦСУв формировании математических моделей стендов с процессорными устройствамив синтезе ЦСУ приводными двигателями стендов и цифровых регуляторов поплавкового датчика угловой скорости и кварцевого маятникового акселерометраИЧЭ стендовв анализе синтезированных системв оценке влияния помех, присущих системе управления широкодиапазонных стендовв разработке программно-математического обеспеченияв разработке алгоритмов и методик повышения точностив проведении экспериментальных исследований.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка источников, включающего .120 наименований, и четырех приложений. Объем пояснительной записки составляет 125 страниц, общий объем со списком источников и приложениями — 167 страницв работе имеется 83 рисунка и 20 таблиц.

5.6. Выводы, но главе 5.

В пятой главе диссертации выполнена следующая работа:

1) проведены различные исследования работы стендов нового поколения, связанные с оценкой влияния помех в системах управления и с повышением точности обработки выходной информации от избыточного количества первичных измерителей, а также разработаны методика и алгоритм, позволяющие повысить точности задания угловой скорости;

2) для акселерометра с ЦСУ собран макетный образец, и для рассчитанного регулятора с периодом дискретизации 3,348−10″ ° с проведены экспериментальные исследования и произведена отладка коэффициентов регулятора;

3) для широкодиапазонного стенда с ЦСУ, построенного по второму варианту с ДУС и акселерометрами с аналоговыми системами управления в качестве ИЧЭ, проведены экспериментальные исследования, связанные с определением нестабильности задания угловых скоростей. В частности, для 1-го режима работы стенда нестабильность задания угловой скорости не превысила 3,6−10−3%, а для 2-го.1,5−1 0~4%.

Таким образом, проведенные числовые и экспериментальные исследования позволяют еще раз подтвердить правильность предложенных схемотехнических решений построения приборов с ЦСУ.

Заключение

.

В рамках диссертации были получены следующие результаты:

1. разработаны два варианта построения широкодиапазонных стендов с ЦСУ, в соответствии с которыми предложено три схемотехнических решения построения стендов с различными навигационными приборами в качестве ИЧЭ. По первому варианту ЦСУ приводным двигателем стенда и ИЧЭ строится на базе единого процессорного модуля. В соответствии со вторым вариантом стенд строится как универсальный с возможностью применения различных ИЧЭ с автономными обратными связями;

2. разработаны функциональные и структурные схемы ИЧЭ и широкодиапазонных стендов с ЦСУ, построенные по блочной структуре с введением аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей;

3. сформулирована задача синтеза комплексного цифрового регулятора стенда и предложен метод се решения путем нахождения составляющих этого регулятора, представленного регуляторами измерительных контуров (контуров ИЧЭ) и регулятором контура стабилизации (контур управления приводным двигателем). Для чего проведена процедура синтеза регуляторов ИЧЭ с ЦСУ на базе метода /^^-оптимизации, цифровой фильтрации и теории наблюдающих устройств минимальной размерности типа Люенбергера. Показано, что независимо от того, по какому варианту построен стенд, методика синтеза носит общий характер и применима к любому схемотехническому решению построения стенда, представленному в работе. Из полученных передаточных функций цифровых регуляторов сформированы алгоритмы управления для программирования их в процессорных модулях;

4. проведена численная реализация систем управления ИЧЭ и широкодиапазонных стендов с ЦСУ в двух режимах работы, а также анализ всех систем в частотной и временной областях. Для ИЧЭ с ЦСУ проведено исследование периода дискретности на их динамические характеристики. Кроме того, реализация цифрового регулятора стенда во 2-ом режиме работы позволяет исключить нелинейность в канале управления приводным двигателем по сигналам акселерометров, измеряющих центростремительное ускорение точек их крепления к платформе стенда, что ведет к установившемся динамическим характеристикам в этом скоростном диапазоне;

5. проведена оценка влияния возмущающих воздействий на динамические характеристики стендов с ЦСУ, которая показала, что это влияние уменьшается по сравнению с существующим аналогом, в частности, реакция угловой скорости на возмущающий момент по оси вращения уменьшается в 2 раза;

6. разработана методика повышения точности задания угловой скорости стенда, заключающаяся в калибровке приводного двигателя в соответствии с предложенной технологической последовательностью;

7. проведены экспериментальные исследования акселерометра и стенда с рассчитанными цифровыми регуляторами в системах управления. Проведен сопоставительный анализ с результатами математического моделирования, который позволил подтвердить правильность обозначенного подхода к разработке приборов нового поколения.

Проведенные в рамках диссертации исследования, позволяют определить технические характеристики широкодиапазонных стендов с ЦСУ, работающих в двух режимах задания угловой скорости на различных ИЧЭ (табл. з 1).

Существенным отличием разработанных стендов с ЦСУ является то, что появляется возможность алгоритмической компенсации погрешностей программными методами в процессорном модуле, входящем в их обратную связь. Процессор, таким образом, выполняет не только управляющие функции, но и функции обеспечения требуемых динамических характеристик за счет программирования цифровых регуляторов, что позволяет сделать предлагаемые схемотехнические решения построения стендов более гибкими и мобильными, не требующими в случае изменения их динамических характеристик перестроения конструкции и функциональной электроники. Кроме того, наличие процессорного модуля позволяет улучшать точностные характеристики за счет алгоритмической компенсации погрешностей не в выходных каскадах, а в контурах управления стендов.

125 Табл. з1.

Технические характеристики стендов с цифровыми системами управления.

Характеристика, 1 размерность Величина.

I -1,1 й режим 2-ой режим с ДУС с НОГ с КЛГ.

1. Диапазон задаваемых углоот 0,01 от 0,01 от 0,01 от 30 (с ДУС), 80 (с ВОГ) вых скоростей, °/с до 30 до 80 до 400 или 400 (с КЛГ) до 1200.

2. Нестабильность задания угловой скорости. °/с 3,6−1 (Г5 3,5-КГ5 2.8−10″ 5 1,5−1 (И.

3. Масштабный коэффициент, °/с/В j j 30.

4. Погрешность масштабного коэффициента, % 0.01 0.005 0,0005 0,01.

5. Запасы устойчивости:

— по амплитуде. дБ 14,7 15 43 43.

— по фазе, 0 89,9 72 82 66,6.

6. Полоса пропускания, Гц 25 30 25 15.

7. Время переходного процесса, с 0,1 0,1 0,1 0,14.

8. Перерегулирование, % 7 0 0 6,7.

9. Грузоподъемность, кг 15 15 15 15.

10. Энергопотребление, Вт 40 30 60 30.

11. Габариты, мм 0480×580 0500×600 0550×650 0480×580.

12. Масса, кг 60 55 70 60 норнорнор;

13. Эксплуатационные условия мальмальмальнормальные.

1 ные ные ные.