Идентификация параметров математической модели датчика угловой скорости

KURS 3.docx

TOC o "1-3" h z u 1.Техническое задание PAGEREF _Toc278642186 h 2
Введение PAGEREF _Toc278642187 h 4
Описание метода расчета PAGEREF _Toc278642188 h 5
Сущность методики PAGEREF _Toc278642189 h 7
1.Расчет передаточных чисел и допустимых отклонений PAGEREF _Toc278642190 h 7
2.Аппроксимация PAGEREF _Toc278642191 h 9
Расчет PAGEREF _Toc278642192 h 11
1.Формулы для расчета передаточных чисел PAGEREF _Toc278642193 h 11
2.Критерий допустимости изолированного исследоания составляющей “рыскание-скольжение” и креновой составляющей бокового движения PAGEREF _Toc278642194 h 12
3.Расчет передаточных чисел PAGEREF _Toc278642195 h 13
4.Расчет скорректированных передаточных чисел PAGEREF _Toc278642196 h 14
5.Проверка результатов PAGEREF _Toc278642197 h 18
Датчик угловой скорости ДУСв-5 PAGEREF _Toc278642198 h 19
1.Назначение PAGEREF _Toc278642199 h 19
2.Принцип действия волоконно-оптического гироскопа PAGEREF _Toc278642200 h 20
3.Пределы обнаружения угловой скорости PAGEREF _Toc278642201 h 23
4.Описание ДУСв-5 PAGEREF _Toc278642202 h 24
5.Основные технические характеристики PAGEREF _Toc278642203 h 25
РАУ PAGEREF _Toc278642204 h 26
1.Описание рулевого агрегата управления PAGEREF _Toc278642205 h 26
2.Конструкция PAGEREF _Toc278642206 h 26
Список литературы PAGEREF _Toc278642207 h 28
Исходные данные для расчета автопилота крена:
Время регулирования: tрегγ=2..5 с
Перерегулирование: γ≤5 %
Точность стабилизации: γ=±5 %
Характерной особенностью современных маневренных самолетов (далее — ЛА) является существенное изменение пилотажных характеристик в эксплутационной области их применения. Эта особенность относится в первую очередь к характеристикам устойчивости и управляемости ЛА. Изменение этих характеристик влечет за собой изменения параметров автопилота (АП) в зависимости от режимов полета а это в свою очередь требует построения адаптивных (самонастраивающихся) АП для таких нестационарных объектов управления.
Общую стратегию синтеза АП для нестационарного объекта управления допустимо представить как "многорежимную" систему т.е. набор параметрически различных систем с постоянными параметрами. Синтез "многорежимной" системы существенно отличается от синтеза стационарной системы: вместо одной системы разработчик имеет дело с n параметрически различными системами для n различных объектов управления. Синтез структуры каждого из n различных АП если принять во внимание теорему разделения принципиально не вызывает затруднений но "увязка" n АП в единый самонастраивающийся АП (САП) с автоматически изменяемыми параметрами при условии обеспечения требуемого качества регулирования системы "ЛА-АП" во всем диапазоне скоростей и высот полета самолета представляет основную трудность.
В работе показана методика и расчет автопилота крена для 12 режимов полета ЛА.
Описание метода расчета
Для ускорения и удешевления проектных работ предлагается следующая методика предварительной коррекции законов изменения параметров САП в зависимости от режимов полета ЛА. Переходная функция системы "ЛА-АП" H(xуz) является функцией нескольких переменных а именно параметров АП. Тогда полный дифференциал этой функции запишем как
dHxyz=Hxxyzx+Hyxyzy+Hzxyzz (1)
где Hxix1 xk=Hx1 xkxi
к — максимальное количество параметров АП i=1k
Предлагаемая методика заключается в определении допустимых с точки зрения качества управления "нарушений" в строгих соотношениях между номинальными значениями параметров АП т.е. величин x y z.
Пусть з(t) – заданная точность при выводе системы “ЛА-АП” на заданную координату управления при единичном управляющем возмущении. Переходная функция Hija(t) будет удовлетворять требованиям технического задания если на заданном i-м режиме полета при j-м времени регулирования соблюдается условие
Hijat=Hijнt+1rUijtzrHijt (3)
Uijtzr=0tij(zr)Ф(t-)d (4)
здесь H U Ф(t) – входное воздействие.
Вычисление интеграла свертки (3.5) трудоемкая задача поэтому целесообразнее перейти в частотное пространство поскольку в этом случае поставленная задача может быть сведена к решению типовой задачи линейного программирования.
Расчет передаточных чисел и допустимых отклонений
Основная идея алгоритма состоит в том что в качестве времени регулирования задан некоторый временной диапазон [tрег_m tрег_max] что позволяет варьировать значения параметров АС хг для различных значений tper из этого диапазона. Определение этих пределов и есть главная задача поскольку на их основании на последнем этапе можно будет синтезировать единый закон управления для всей области полета.
В частотной области в качестве характеристик переходного процесса выступают две функции: A() - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и φ()- фазово-частотная характеристика (ФЧХ). Принципиально эти характеристики могут быть представлены в аналитическом виде при известной передаточной функции системы «самолет - АС».
Однако наряду с аналитическим методом расчета функций чувствительности возможно применение и численных методов целесообразность применения которых обоснована следующими соображениями:
передаточная функция системы «самолет - АС» представляет из себя довольно сложное выражение и разработчик вынужден при любом изменении структуры ее корректировать что создает излишние сложности при разработке единого автоматического алгоритма расчета;
погрешность численного метода относительно аналитического невелика
Для определения функций чувствительности частотных характеристик использован метод численного дифференцирования т.е. применены следующие формулы:
Адl=A l+Δl-A l-Δl2Δl (5)
φд()l=φ l+Δl-φ( l-Δl)2Δl (6)
Δl - некоторое небольшое приращение переменной l величина которого не должна превышать нескольких процентов от величины самой переменной и напрямую связана с разрядностью вычислительной машины.
В качестве эталона оптимизации выбирают так называемый «опорный режим» работы системы «самолет - АС» на некотором фиксированном режиме полета к параметрам движения которого будут приближены параметры движения всех остальных режимов полета за счет изменения параметров АС. Выбор опорного режима осуществляют исходя из следующего:
время регулирования (срабатывания) системы «самолет - АС» на опорном режиме должно соответствовать tрегm
значения параметров АС на опорном режиме xrоп должны быть технически реализуемыми и минимальными по их значениям т.к. варьирование параметров АС на расчетном режиме xrрас производят в сторону увеличения т.е. xrном≥xrрас≥xrоп
перерегулирование на опорном режиме должно соответствовать ТЗ.
Главным критерием при расчетах являются допустимые отклонения амплитудной ΔАдоп (АЧХ) и фазовой Δφдоп (ФЧХ) частотных характеристик переходной функции в качестве которых приняты
ΔАдоп=005 и Δφдоп=-01рад
При переходе в частотное пространство кроме переменных вида xr=xrном-xrоп появляются вследствие допустимости варьирования времени регулирования в пределах [tрегmin tрегmax] еще две переменные: тек и Атек.
Поскольку необходимо определить максимально допустимые отклонения значений параметров АС от их расчетных значений на каждом режиме полета то записываем линейную форму вида
и систему линеиных неравенств для решения задачи методом линеиного программирования :
r=1eAoxr()xrрас+Aominтек+Атек()≤ΔАдоп (8)
r=1eφoxr()xrрас+φominтек+φтек()≤Δφдоп (9)
xrрас≤xrном-xrоп r=1e (10)
В результате решения этой задачи линейного программирования для (e -1) режимов полета самолета получают для каждого из них допустимые отклонения параметров АС от их номинальных значений т.е. величины xrрас .
Тогда на каждом режиме полета вместо xrном допустимо реализовывать значение параметра xrкор=xrном-xrрас что может существенно упростить аппроксимацию законов коррекции параметров АС.
Предложенная методика легко поддается алгоритмизации что позволяет написать пакет программ для ПЭВМ исходными данными для которого будут формулы расчета передаточных чисел и математическая модель движения системы "ЛА-АП" a выходным результатом — зависимость передаточных чисел от какого-либо параметра движения ЛA.
Для анализа законов изменения параметров АП ранжируют расчетные режимы полета самолета по какому-либо признаку движения самолета (например по высоте). Учитывая что при расчете параметров на фиксированном режиме единственным варьируемым параметром является заданный интервал времени регулирования переходной функции системы «самолет - АП» и расчет параметров АП произведен для min и max допустимого времени регулирования строят графики изменения параметров АП.
Идеальной аппроксимацией каждого параметра АП по данной переменной состояния будет прямая параллельная оси абсцисс т.е. К = const или по крайней мере изменение параметров допускает кусочно-линейные аппроксимации их зависимостей от переменной или совокупности переменных движения самолета. Речь идет о получении наиболее простых законов изменения параметров АП от переменных режима полета.
Синтез начинают с построения зависимостей параметров АП для минимального и максимального значений tper по переменной движения самолета после их ранжирования на исследуемых режимах полета самолета. В случае если по какой-либо переменной движения самолета будут получены простейшие кусочно-линейные законы изменения параметров АП то на этом данную процедуру заканчивают. Этот случай как правило характерен для маломаневренных дозвуковых самолетов например пассажирско- транспортного класса.
Не редко в результате наложения минимальных и максимальных параметров на диаграммы переменных движения самолета на различных режимах его полета получают достаточно большие разбросы параметров АС при постоянных значениях параметров движения и сложные аналитические зависимости. В этом случае на эти же диаграммы наносят дополнительно рассчитанные значения параметров АС для каждого фиксированного режима полета самолета определенные в результате проведения первой процедуры т.е. xrкор=xrном-xrрас . Это существенно снижает диапазон разброса параметров АС при постоянных значениях переменных состояния движения системы «самолет - АС» на фиксированном режиме полета.
Реализация алгоритма состоит из следующих шагов:
Ввод временного интервала [tрег_m tрег_max] соответствующего ТЗ на систему «самолет - АС».
Ввод передаточных чисел хг для фиксированных режимов полета.
Ввод допустимых отклонений амплитудной ΔАдоп и фазовой Δφдоп частотных характеристик (ΔАдоп=005 и Δφдоп=-01рад).
Ввод фиксированного значения сдвига по фазе (-80°) которое выбирают исходя из соображения что при расчете интерес представляет только часть переходного процесса протекающая до tрег_min т.е. отсутствие перерегулирования и отжима при выходе на заданную координату стабилизации.
Выбор опорного режима и ввод его параметров.
Расчет функций АЧХ и ФЧХ для tрег_min
Определение исходя из выбранного сдвига по фазе значения Δдоп соответствующего интервалу времени [tрег_m tрег_max].
Расчет функций чувствительности АЧХ и ФЧХ по
Поиск максимальных по модулю величин функций чувствительности в диапазоне частот Δдоп
Расчет функций чувствительности по параметрам АС хг
Поискмаксимальных по модулю величин функций чувствительности по хг в диапазоне Δдоп
Расчетвеличин максимальных отклонений параметров АС на j-м режиме полета самолета от идентичного параметра опорного режима xr=xrном-xrоп
Ввод данных в систему линейных уравнений и неравенств (7-11):
F=maxr=1exrрасr=1eAoxr()xrрас+Aominтек+Атек()≤ΔАдопr=1eφoxr()xrрас+φominтек+φтек()≤Δφдопxrрас≤xrном-xrоп r=1eтек≤Δдоп (7-11)
Решение системы (7-11) относительно xrрас и вычисление максимального диапазона варьирования переменных состояния по формуле:
xrкор=xrном-xrрас (6)
Для окончательного определения законов коррекции все режимы ранжируют по какому-либо параметру или параметрам движения самолета (скоростному напору высоте полете и т.п.).
Если законы коррекции по выбранному параметру остались сложными или неудовлетворительно качество переходного процесса то повторяют расчеты для проблемных режимов с постепенным увеличением tрег_тек до величины tрег_max до достижения удовлетворительных результатов.
Блок-схема алгоритма приведена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма.
Формулы для расчета передаточных чисел
Рис. 2. Структурная схема автопилота.
Передаточная функция замкнутой системы “ЛА-АПγ” на управляющее возмущение имеет вид
Фγγзадs=b3s3+b1+эb3s2+iэb3+эb3
В качестве эталонной примем систему третьего порядка с кратными корнями характеристического уравнения системы detA-Iλ=0
Wэs=kэs3+3λэs2+3λэ2s+λэ3 kэ=λэ2
В форме Вышнеградского передаточные функции записываются как
Фγγзадsж=1sж3+3sж2+3sж+1 0=λэ3
Фγγзадsж=1sж3+b1+эb30sж2+iэb302+эb303
Получим что: э=30-b1b3 iэ=302b3 э=03b3
Учитывая что для рассматриваемого случая 0=6tрег γ окончательно получим:
э=18-b1tрегb3tрег с iэ=108b3tрег2 э=216b3tрег3 [с-1] (5.1)
Критерий допустимости изолированного исследоания составляющей “рыскание-скольжение” и креновой составляющей бокового движения
Математическим критерием возможности изолированного исследования движений - и движения γ служит критерий:
b1a1a4+a2A3-b2b4≥09 (5.2)
A3=b1a1a4+a2+b2b4-b6+a1b7-a6(a4b6+a2b7) (5.3)
Вычислим выражение для каждого режима:
Таким образом критерий допустимости изолированного движения выполняется на всех режимах.
Расчет передаточных чисел
Рассчитаем номинальные значения передаточных чисел используя формулы (5.1):
э=18-b1tрегb3tрег с iэ=108b3tрег2 э=216b3tрег3 [с-1]
Расчет скорректированных передаточных чисел
Задаем опорный режим полета ЛА на котором номинальные значения параметров АП технически реализуемы и минимальны
Определяем доп по графикам ФЧХ построенным для tрег_min и tрег_max
доп=max-min=1.51-0.6=0.91радc
Рис. 3. АЧХ и ФЧХ построенные для tрег_min(красн.) и tрег_max (син.)
Определив численным методом функции чувствительности Aoxr φoxr Ao φo и их максимальные по модулю значения решаем систему (7-11):
F=maxr=1exrрасr=1eAoxr()xrрас+Aominтек+Атек()≤ΔАдопr=1eφoxr()xrрас+φominтек+φтек()≤Δφдопxrрас≤xrном-xrоп r=1eтек≤Δдоп
Приняв ΔАдоп=0.05 а Δφдоп=-01
В результате решения этой задачи линейного программирования для каждого режимов полета получаем допустимые отклонения xrрас параметров АС от их номинальных значений и вычислим xrкор=xrном-xrрас.
Передаточные числа для 13-го режима были получены за два «прохода».
Сначала был произведен расчет передаточных чисел i по изложенной выше методике при tрегmin=2c и получены следующие значения: = 0602с i=1429 v = 0.763 с-1.
При этих значениях передаточных чисел переходный процесс не удовлетворял заданному качеству регулирования поэтому расчет был повторен при tрегmin=3c и в результате получены следующие передаточные числа: = 0566с i=1087 v = 0527 с-1.
При полученных после второй итерации передаточных числах переходный процесс стал удовлетворять заданным требованиям.
Для окончательного определения законов коррекции все режимы ранжируем по высоте полета.
Рис. 4. Зависимость расчетных передаточных чисел АС от высоты полета.
Используя эти графики и дополнительно рассчитанные значения параметров АС для каждого фиксированного режима полета самолета т.е. xrкор=xrном-xrрас снизим диапазон разброса параметров АС. И получим аппроксимированные значения передаточных чисел:
Рис. 5. Зависимость аппроксимирванных передаточных чисел АС от высоты.
Таблица 7. Расчетные скорректированные и аппроксимированные передаточные числа.
Проверка результатов
Необходимо проверить удовлетворяют ли переходные процессы для каждого режима ТЗ.
918402657475Рис. 6. Переходные процессы.
Рис. 6. Переходные процессы.
9184018097500На рисунке 6:
пунктирная линия - график переходного процесса 13-го режима (самый «тяжелый» режим полета) с числами опорного 2-го режима. После коррекции график переходного процесса 13-го режима - сплошная линия.
Графики переходных процессов остальных режимов после коррекции укладываются между штрихпунктирной и сплошной линиями.
Как видно из рис. 6 переходные процессы удовлетворяют требованиям ТЗ.
Датчик угловой скорости ДУСв-5
Датчик угловой скорости (ДУС) применяется для измерения абсолютной угловой скорости летательного аппарата. Для данной системы выбран волоконный датчик вращения ДУСв-5.
Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости в инерциальном пространстве и по праву может называться абсолютным тахометром являясь структурным элементом инерциальной навигационной системы обрабатывающей информацию о местонахождении самолета с целью выведения его на курс. Так как к самолетным гироскопам предъявляются очень высокие требования: разрешающая способность и дрейф нуля 001 °ч динамический диапазон 6 порядков высокая стабильность (10-5) масштабного коэффициента преобразования угла поворота в выходной сигнал.
До сих пор применялись в основном механические гироскопы работающие на основе эффекта удержания оси вращения тела в одном направлении инерциального пространства. Это дорогостоящие приборы поскольку требуется высокая точность формы тела вращения и минимальное возможное трение подшипников. Оптические гироскопы обладают устойчивостью к ускорению; простотой конструкции; коротким временем запуска; высокой чувствительностью; высокой линейностью характеристик; низкой потребляемой мощностью высокой надежностью.
Кроме того возможно снижение стоимости волоконно-оптических гироскопов за счет внедрения оптических интегральных схем.
Принцип действия волоконно-оптического гироскопа
По круговому оптическому пути благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства то оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины.
Поэтому при сложении лучей в расщепителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.
Рис. 7. Принципиальная схема ВОГ.
По сути это интерферометр Саньяка в котором круговой оптический контур заменен на катушку из длинного одномодового оптического волокна.
Разность фаз между двумя световыми волнами обусловленная эффектом Саньяка с учетом формулы:
где L=2aN — длина волокна; N — число витков в катушке из волокна; а — радиус катушки.
Следует обратить внимание на то что в основные формулы не входит коэффициент преломления света в волокне.
Благодаря совершенствованию технологии производства выпускается волокно с очень низкими потерями. Чтобы не повредить волокно намотка производится на катушку радиусом несколько сантиметров. При этом не наблюдается сколько-нибудь заметного увеличения потерь. Можно создать сравнительно малогабаритный и высокочувствительный интерферометр Саньяка с катушкой небольшого радиуса (2..5 см) намотав на нее волокно большой длины. Сформировав оптимальную оптическую систему можно измерять с высокой точностью изменения фазы (в инерциальной навигации — порядка 10-6 рад) а затем из формулы для Δ определять круговую скорость.
Пределы обнаружения угловой скорости
В состоянии покоя оптические пути для света в обоих направлениях обхода будут одинаковы по длине а поскольку сигнал на выходе светоприемника изменяется пропорционально 1+cosΔ то гироскоп нечувствителен к очень малым поворотам.
Для оптического волокна с потерями 2 дБкм пределы обнаружения примерно 10-8 радс (0001 °ч). Это те значения что и применяются в инерциальной навигации.
Благодаря увеличению радиуса катушки с оптическим волокном а также использованию света с длиной волны 155 мкм на которой потери в оптическом волокне очень низки возможно создание измерителя оборотов в инерциальном пространстве с чрезвычайно малым дрейфом. Это позволяет применять измеритель не только в навигации но и в геофизике.
В реальных волоконно-оптических гироскопах возможности ограничены шумовыми факторами.
Датчик вращения является цельноволоконным вариантом кольцевого оптического интерферометра Саньяка выполненного по сварной технологии и размещенного в герметичном корпусе. Корпус выполнен из алюминиевого сплава в виде цилиндрической призмы высотой 195 мм и диаметром 92 мм имеет фланец с 4-мя отверстиями для крепления.
Является аналоговым преобразователем угловой скорости вращения в выходной электрический сигнал (напряжение). Выходное напряжение пропорционально угловой скорости и определяется как разность потенциалов между соответствующими контактами выходного разъема. Начинает функционировать практически мгновенно после подачи всех напряжений. Последовательность подачи напряжений произвольная.
малой массой и габаритами;
быстрым запуском и выходом на рабочий режим;
высокой чувствительностью;
низким энергопотреблением;
высокой надежностью;
неограниченным количеством запусков;
отсутствием погрешностей присущих другим типам датчиков;
устойчивостью к внешним воздействиям.
Структурно содержит в себе два основных модуля:
- Чувствительный оптический модуль - волоконный оптический интерферометр включающий 100-метровый чувствительный контур (катушку) два сварных волоконно-оптических ответвителя волоконно- оптический поляризатор пьезокерамический фазовый модулятор (ПЗТ) модуль суперлюминесцентного диода фотоприемный модуль.
- Электронный модуль - печатная плата выполненная в технологии поверхностного монтажа которая конвертирует сигнал оптического блока в напряжение пропорциональное угловой скорости.
Основные технические характеристики
Диапазон измеряемых скоростей: ±200 °с
Случайная составляющая ухода нулевого сигнала: не более 5-15 °час
Время готовности: не более 1 с
Напряжение питания: ±12±06В ; 5±025В
Средняя наработка на отказ: 15000 часов
Ресурс: 25000 часов
Рулевой агрегат управления
Описание рулевого агрегата управления
Электромеханический рулевой агрегат управления является силовым исполнительным механизмом управления перемещением золотника гидроусилителя (бустера) и представляет собой раздвижную тягу винтового типа которая встраивается последовательно в проводку управления ЛА.
В РАУ вращательное движение якоря приводного электродвигателя преобразуется в поступательное движение штока агрегата с помощью передачи винт-гайка. Вращающий момент двигателя передается через упругую муфту редуктор и винтовую передачу на выходной шток.
Рулевой агрегат состоит из следующих основных узлов: электродвигателя с муфтой; редуктора; самотормозящейся винтовой пары; стопорного устройства; элементов электрической схемы управления; корпуса с элементами крепления и системой ограничения хода и поворота штока.
Все узлы РАУ размещены в корпусах редуктора (42) и штока (32). Механизм РАУ герметизируется с помощью прокладок в местах сопряжения.
В РАУ используется двигатель (9) постоянного тока мощностью 155Вт с независимым возбуждением. Вал электродвигателя соединяется с передаточным механизмом через упругую муфту предназначенную для предохранения вала от чрезмерных напряжений и деформаций при резких остановках штока на механических упорах и реверсе.
Упругая муфта состоит из ведущей полумуфты (23) закрепленной на валу двигателя посредством шпоночного соединения и ведомой полумуфты(24). Ведомая полумуфта свободно посажена на ступицу ведущей полумуфты и закреплена с помощью стопорящего кольца заведенного в кольцевой паз ступицы. Пружина закрывается крышкой муфты.
Вращающий момент двигателя от от ведущей полумуфты к ведомой передается через пружины (25) упирающиеся с одной стороны в выступ ведущей а с другой – в выступ ведомой полумуфт.
Двухступенчатый редуктор является передаточным механизмом для получения заданной максимальной скорости движения штока а также введения в кинематическую цепь агрегата незаклинивающих механических упоров.
Механические упоры представляют собой два упора (28 29) между которыми по винту (31) скользит гайка (30) установленные таким образом что через определенное число оборотов гайка упирается в один из упоров и останавливают редуктор а вместе с ним вал двигателя и выходной шток (38).
Выходное звено редуктора представляет собой винтовую пару с однозаходной трапецеидальной резьбой.
На винте закреплены два радиально-упорных подшипника (13). Шток рулевого агрегата центрируется и перемещается в двух подшипниковых опорах. Одна опора содержит три шарикоподшипника (15) так установленных под углом 1200 друг к другу что шток при движении скользит по наружным обоймам подшипников. Подшипник упирающийся наружной обоймой в лыску на штоке препятствует повороту штока при вращении ходового винта и совершает поступательное перемещение.
На цилиндрической поверхности вала редуктора имеется четыре паза в которые входит сердечник электромагнитного стопора (48) который стопорит механизм РАУ при выключении питания.
Электромеханический стопор представляет собой соленоид якорь которого со стопорящим язычком при подаче в обмотку соленоида напряжения +27 В втягивается а при выключении питания под действием пружин выталкивается.
Электрическая часть РАУ состоит из электродвигателя электростопора потенциометра (34) обратной связи контактных ламелей концевых выключателей (12). Ламельное устройство состоит из двух трубочек с зазором между ними и щеток.
Электрическое ограничение хода штока выполняется с помощью концевых выключателей. Концевые выключатели расположены так что при смещении штока относительно среднего положения на определенную длину под действием кулачка один из них срабатывает и размыкает цепь питания усилителя сервопривода.
Научно-теоретический и прикладной журнал “Вестник” 2001
Окоемов Б.Н. Петров В.М. Фомин А.О. “Методика предварительной коррекции законов изменения параметров автопилота в зависимости от режимов полета самолета”
Шереметьев А.Г. “Волоконный оптический гироскоп”. 1987
Михалев И.А. Окоемов Б.Н. “Типовые примеры расчета структур автопилота”. 1985

Стенд для испытаний датчиков угловой скорости 2014 06 05 00.docx

Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э. Баумана
СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ДАТЧИКОВ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Расчёт и конструирование элементов автопилотов»
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
Назначение конструкция технические характеристики и уравнения движение ДУСУ
Описание лабораторного стенда
Малогабаритная поворотная установка МПУ-1
Структурная схема системы «МПУ-ДУС»
Плата аналого-цифрового преобразования ЛА – 15 PCI
Расположение органов управления и подключение прибора
Блок коммутации сигналов
Расчёт делителя напряжений
Расчёт фильтра нижних частот
Схемотехническая проверка фаз питающего напряжения
Пульт (блок) управления стендом
Методические погрешности при проведении экспериментов
Подготовка стенда к работе
Порядок выполнения работы
Последовательность операций для снятия сигнала с ДУСа
Экспериментальное получение характеристик ДУСУ
Анализ полученных результатов и выводы
Указания по технике безопасности
Вопросы для самопроверки
Список рекомендованной литературы
ЛА – летательный аппарат
ДУС – датчик угловых скоростей
ДУСУ - датчик угловых скоростей унифицированный
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь
ПЭФМ – персональная электронно-вычислительная машина (компьютер)
МПУ – малогабаритная поворотная установка
ДПИ – датчик первичной информации
ВОГ – волоконно-оптический гироскоп
В связи с развитием и усложнением гироскопических систем и предъявлениям более жёстких требований к надёжности возникает необходимость моделирования поведения системы в целом и идентификация параметров отдельных приборов.
Моделируя работу приборов можно оценить реальные параметры и учесть их отклонения от расчётных при работе приборов в составе гироскопических систем.
Данный стенд (лабораторная установка) позволяет определить параметры ДУСов при случайном входном воздействии (при изменяющейся скорости вращения основания).
В лабораторной работе проводятся испытания датчика угловой скорости унифицированного (ДУСУ) изучаются аналого-цифровое преобразование фильтрация и спектральный анализ сигналов ДУСа.
Ознакомиться с принципом действия и конструкцией ДУС.
Получить экспериментально характеристики ДУС.
Провести исследования преобразования сигналов.
Датчики угловых скоростей применяются в демпферах крена рысканья (курса) и тангажа ЛА и в автопилотах ЛА для введения в закон управления (управляющую функцию) сигнала пропорционального угловой скорости. Принцип действия ДУСа показан в [1].
Конструкция и технические характеристики
Серия унифицированных датчиков угловой скорости (ДУСУ-1 и ДУСУ-2) конструктивно выполнена по схеме ДУС с механической пружиной и гидростатической разгрузкой опор.
Основными элементами являются герметичный поплавковый гироузел датчик момента датчик угла гидравлический демпфер передаточный механизм потенциометр сильфон токоподводы (рис. 1).
Крепление ДУСУ-1 на ЛА осуществляется через резьбовой фланец корпуса прибора соединение со жгутом подводящим питание штепсельным разъёмам.
Технические характеристики ДУСУ – 6АС:
Электропитание датчика:
- напряжение на потенциометре от источника постоянного тока 5-30 В;
- напряжение от источника переменного трёхфазного тока на гиромоторе 36±36 В;
- частота переменного тока на гиромоторе 400±8 Гц;
- потребляемы переменный ток не более 025 А.
Порог чувствительности при диапазоне измерения не более ±6с.
Выходной сигнал датчика при питании постоянным напряжением 27 В в диапазоне измерения ±6с не менее 135 В.
Время готовности датчика к работе не более 50 с.
Масса датчика не более 400 г.
Рис. 1. Конструкция прибора ДУСУ-1
Для создания математической модели движения ДУСа рассматривается система координат OXYZ где ось OX связана с рамкой (кожухом) прибора ось 0Y является осью чувствительности прибора ось OZ является осью собственного вращения ротора гироскопа. Тогда уравнение движения ДУСа относительно оси OX по принципу Даламбера [1] равно:
QUOTE – момент инерции гироблока относительно прецессии;
QUOTE – коэффициент демпфирования;
– угловая скорость пружины;
– сумма внешних возмущающих моментов.
ДУС устанавливается на поворотном столе который выставляется по уровню в плоскости горизонта поэтому составляющие угловой скорости по осям и равны нулю.
Тогда уравнение движения математической модели ДУСа равно:
Для осуществления процесса идентификации параметров датчика угловой скорости необходимо получить экспериментальные данные: напряжение ДУС пропорциональное измеряемой угловой скорости и значение истинной угловой скорости. Для этого прибор устанавливается на поворотном столе таким образом чтобы его ось чувствительности была ортогональна поверхности вращающейся платформы и совпадала с осью вращения последней. Измеряемая ДУС скорость равна сумме проекций скоростей вращения платформы и Земли на его ось чувствительности. Погрешностями связанными с отклонением оси чувствительности от оси вращения платформы и влиянием скорости вращения Земли в силу их малости пренебрегают.
В общем виде структурная схема лабораторного стенда представлена на Рис.2. Платформа приводится во вращение двигателем. В качестве датчика истинной скорости вращения платформы используется оптический датчик отсчетные импульсы которого поступают в вычислительное устройство (в данном случае – персональный компьютер). Выходной сигнал ДУС поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) перед последующей обработкой вычислительным устройством.
Рис. 2. Схема лабораторного стенда
Для реализации стенда для сбора экспериментальных данных использовались:
Поворотная установка МПУ-1;
Оптическая система на базе фотопрерывателя Sharp
Плата аналого-цифрового преобразования ЛА-15
Блок коммутации сигналов;
Персональный компьютер с программами для сбора и идентификации данных.
Крепёжный кронштейн;
Датчик угловой скорости унифицированный (ДУСУ);
Пульт управления (блок управления стендом)
Малогабаритная поворотная установка МПУ–1
Основой лабораторного стенда является малогабаритная поворотная установка МПУ-1 (Рис.3.) предназначенная для проверки гироскопических приборов на различных режимах в лабораторных условиях.
Установка выполнена в литом корпусе в котором смонтирован приводной механизм поворотной платформы коллектор механизм отсчета и узел щеток.
Платформа предназначена для установки закрепления гироскопических приборов и имеет плавно-регулируемую угловую скорость. Для подводки электроэнергии к токоведущим шинам коллектора и двигателю установка снабжена штепсельным разъемом.
Рис. 3. Малогабаритная поворотная установка МПУ-1
Основные технические характеристики установки:
Диапазон угловых скоростей 003 – 150 °с;
Неравномерность угловой скорости:
- в диапазоне 003 – 005 °с: 2%;
- в диапазоне 005 – 3 °с: 15%;
- в диапазоне 3 – 150 °с: 1%;
Регулировка скорости: плавная бесступенчатая;
Несовпадение угловых скоростей поворота платформы в разные стороны:
- в диапазоне 003 – 01 °с: 15%;
- в диапазоне 01 – 150 °с: 1%;
Максимально допустимая нагрузка на платформу не более 785 Н (8 кг);
Количество токоведущих шин 18 шт.;
Питание электродвигателя – 220 В 50 Гц;
Потребляемая мощность не более 40 Вт;
Масса установки не более 25 кг.
Рис. 4. Кинематическая схема МПУ-1
Рассмотрим принцип действия установки кинематическая схема которой приведена на Рис.4. Угловая скорость платформы 1 определяется передаточным отношением кинематической цепи «двигатель 2 – ведомый вал 6». Это передаточное отношение равно произведению передаточных отношений червячного редуктора 3 и фрикционного вариатора.
Передаточное отношение червячного редуктора постоянное: i=150. Передаточное отношение вариатора зависит от положения шариков относительно осей валов 4 5 6.
Изменение положения шариков определяется поворотом ходового винта 8 от маховика 9 связанного с винтом зубчатой парой с i=1. Винт перемещает каретку 7 с шариками.
С расчётным лимбом 10 ходовой винт связан зубчатой передачей с i=33. Отсчётный лимб проградуирован в °с в пределах от 003 до 150 °с.
Пружина 13 выбирает зазоры в винтовой паре и подшипниковой опоре ходового винта. Пружина 12 обеспечивает необходимое сцепление валов 5 и 6 пружина 11 – валов 5 и 4.
Вспомогательный лимб 14 предназначен для контроля малых угловых скоростей ( 1 °с) и связан зубчатой парой с валом 6. Перед работой необходимо обеспечить горизонтальное положение рабочего стола установки. Это требование обеспечивается с помощью четырёх винтов расположенных на нижней плите и уровня смонтированного на столе.
Отсчётный лимб отградуирован при частоте 50 Гц. Увеличение или умножение частоты питания влияет на величину угловой скорости. Поэтому когда требуется повышенная точность определения величины угловой скорости вращения платформы скорость платформы определяется специальными приборами.
Конструкция установки показана на Рис.5 6. Корпус установки состоит из двух частей: литого корпуса 20 и двух плит 1 и 2.
В корпусе установки смонтированы основные узлы: двигатель в амортизированном кронштейне червячный редуктор ведущий вал каретка нажимной механизм ведомый вал с платформой отсчётный механизм узел щёток вспомогательный лимб.
Кронштейн 7 уменьшает влияние вибрации двигателя на установку и крепится четырьмя шпильками 5 с помощью резиновых втулок 6 к плите 2. Двигатель привёрнут к кронштейну четырьмя винтами.
Рис. 5. Конструкция МПУ -1
– плита 1; 2 – плита 2; 3 – стакан; 4 –коллектор; 5 – шпилька; 6 –втулка резиновая; 7 – кронштейн 8 – указатель; 9 – редуктор червячный; 10 – ось; 11 – кронштейн; 12 – каретка; 13 – вал ведущий; 14 – вал промежуточный; 15 – шарик; 16 – механизм нажимной; 17 – гайка; 18 – винт ходовой; 19 – вал ведомый; 20 – корпус; 21 – рычаг; 22 – ручка; 23 – электродвигатель; 24 – розетка; 25 26 – стекло визирное; 27 – кронштейн в сборе.
Рис. 6. Конструкция МПУ -1
Рис. 7. Узел ведущего вала
А – ведущий вал; Б – шпонка призматическая; В – шарикоподшипник; Г – гайка; Д – кольцо; С – пружина; Ж – ступица червячного колеса; К – шарикоподшипник.
Электродвигатель 23 муфтой соединяется с червячным редуктором 9. Ступица червячного колеса Ж редуктора (Рис.7.) вращается на шарикоподшипниках В и К и соединяется с ведущим валом А призматической шпонкой Б.
Ведущий вал может перемещаться в осевом направлении в ступице червячного колеса с зазором 0015 – 0025 мм под действием пружины Е.
При отсутствии осевой нагрузки ведущий вал занимает положение при котором его рабочая плоскость находится ниже рабочей плоскости ведомого вала – на 02 – 05 мм.
Ведомый вал вращается на подшипниках смонтированных в стакане 3 и осевого перемещения не имеет.
На среднюю часть ведомого вала посажен коллектор с восемнадцатью кольцами от которых через отверстия в ведомом валу и фланце провода проходят к штепсельному разъёму платформы. Платформа привёрнута к фланцу посаженному на верхний конец ведомого вала.
Узел щёток крепится к плите 2 и служит для соединения электрических цепей идущих от штепсельного разъёма платформы и штепсельного разъёма расположенного на корпусе 20. В корпусе смонтирован нажимной механизм 16. Конструкция нажимного механизма показана на Рис.8.
Рис. 8. Механизм нажимной
О – вал промежуточный; М – кронштейн; Л – стакан; Ф – гайка; С – пружина; Р – палец; П – втулка; У – шарикоподшипник упорный; Ш – шарикоподшипник радиальный; Н – шарикоподшипник радиальный; Т – втулка.
Нажимной механизм состоит из кронштейна М в котором на двух подшипниках Н и Ш вращается промежуточный вал О который может свободно перемещаться во внутренних кольцах подшипников.
Между подшипниками в кронштейне размещён стакан Л внутри которого помещена предварительно сжатая пружина С упирающаяся верхним торцом во втулку П а нижним – в верхнее кольцо упорного подшипника У.
Между рабочими поверхностями ведущего вала 13 ведомого вала 19 и промежуточного вала 14 по призматическим направляющим ходит каретка 12 (Рис.6.). Для уменьшения потерь на трение увеличения точности передачи каждый шарик вращается «в колодце» образованном четырьмя шарикоподшипниками. Гайкой 17 каретка связана с ходовым винтом 18 отсчётного механизма.
Отсчётный механизм служит для передвижения каретки с шариками в положение соответствующее необходимой угловой скорости платформы. Отсчётный механизм смонтирован на кронштейне укреплённом на корпусе и плите и состоит из ходового винта который системой шестерён связан с отсчётным лимбом маховика связанного зубчатой передачей с ходовым винтом и ограничителя хода каретки.
Для облегчения контроля малых угловых скоростей с ведомым валом зубчатой передачи с передаточным отношением i=15 связан вспомогательный лимб.
Вспомогательный лимб жёстко сидит на оси которая смонтирована на двух подшипниках размещённых на кронштейне 27.
Для контроля скоростей свыше 1 °с на плите 1 имеется указатель 8. Кроме того на плите 1 расположены: визирное стекло 26 вспомогательного лимба визирное стекло 25 отсчётного лимба переключатель направления вращения двигателя маховик для установки скоростей.
Структурная схема системы «МПУ – ДУС»
Структурная схема системы «МПУ – ДУС» приведена на Рис.9. где
Uос – выходное напряжение с оптической системы;
Uпит – напряжение питания МПУ-1;
Uупр – напряжение управляющее с помощью которого происходит регулирование скорости и направления вращения платформы стенда;
– угловая скорость вращения платформы относительно корпуса поворотной установки;
– угловая скорость вращения Земли;
UДУС – выходное напряжение с ДУС.
Рис. 9. Структурная схема системы «МПУ – ДУС»
Из данной схемы следует что выходной сигнал с ДУС можно представить в виде:
К – коэффициент усиления ДУС;
QUOTE - измеряемая угловая скорость.
То есть измеряемая ДУСом скорость равна сумме проекций скоростей вращения платформы и Земли на ось чувствительности ДУСа. При достаточно большой угловой скорости платформы стенда скоростью вращения Земли можно пренебречь ( QUOTE >> QUOTE ).
Для определения истинной угловой скорости вращения платформы применяется оптическая система на базе щелевого фотопрерывателя Sharp GP1A71R. Он состоит из инфракрасного светодиода и фототранзистора (прерывателя) упакованных в пластиковый П-образный корпус. Фотодатчик работает по принципу датчика «на просвет» срабатывающего при прерывании светового потока между ИК светодиодом и фототранзистором вращающимся в щели корпуса диском с прорезями (кодирующим диском).
Кодирующий диск кинематически связан передаточным отношением 15:1 с ведомым валом поворотной установки на конце которого укрепляется рабочая платформа. В системе используется диск со 100 прорезями с шагом в 18° между ними. Посчитав количество импульсов фотодатчика за определенный период можно определить среднюю угловую скорость вращения платформы:
где количество импульсов за время .
Погрешность определения угла поворота платформы составляет:
Схема установки датчика относительно кодирующего диска приведена на Рис.10.
Рис. 10. Установка фотопрерывателя относительно кодирующего диска
Плата аналого-цифрового преобразования ЛА-15PCI
Расположение органов управления и подключения прибора
Расположение разъемов (ХР1 и ХР2) и переключателя SA1 показано на Рис.11.
Рис. 11. Схема размещения разъемов и переключателей на плате
Назначение разъемов платы АЦП ЛА-15PCI указано в REF _Ref316344387 h * MERGEFORMAT Табл. 1.
Табл. SEQ Табл. * ARABIC 1. Назначение разъемов платы
Цифровой порт вводавывода
Вставляется в слот PCI ПЭВМ. Предназначен для обмена данными между ПЭВМ и платой АЦП ЛА-15PCI а также питания платы АЦП ЛА-15PCI
Блок коммутации сигналов выполняет следующие функции:
питания гиромотора датчика угловой скорости трехфазным напряжением (36±36 В 400±8 Гц);
питания потенциометра ДУС постоянным током 5÷30 В;
питания фотодатчика постоянным током 5 В;
деление (уменьшение) выходного напряжения ДУС и его передача на аналоговый вход платы аналого-цифрового преобразования ЛА-15
передача сигнала фотодатчика на цифровой вход платы аналого-цифрового преобразования ЛА-15PCI.
Разъемы и делитель напряжения смонтированы на макетной плате и установлены в пластиковом корпусе. Схема размещения разъемов на плате показана на Рис.12. Для возможности исследовательской работы дальнейшей модернизации и использования блока для других целей для коммутации применяются разъемные соединения. Для этого на плате расположены штыревые разъемы типа PLS (шаг 254 мм) а для коммутации применяются провода с гнездами типа BLS на концах.
Рис. 12. Схема размещения разъемов на плате блока коммутации
Расчет делителя напряжения
Так как максимальное выходное напряжение ДУС превышает максимально допустимое входное напряжение платы АЦП его необходимо уменьшить используя делитель напряжения.
Используя закон Ома и пренебрегая малым током нагрузки делитель напряжения можно описать соотношением:
После преобразования можно определить:
Выходной сигнал ДУС – разность потенциалов между щеткой и средней точкой потенциометра (см. принципиальную электрическую схему блока коммутации). Вследствие этого делить нужно два напряжения: щетки и средней точки и подавать их на дифференциальный вход платы АЦП (Рис.13.). Для фильтрации (подавления) высокочастотных шумов в цепь добавляют конденсатор.
Рис. 13. Схема делителя выходного напряжения ДУС
Уточненный коэффициент делителя равен:
Расчет фильтра нижних частот
Чтобы уменьшить влияние высокочастотных шумовых помех на качество выходного сигнала ДУС в цепь делителя добавлен конденсатор (Рис.13.). Полученная таким образом RC-цепь () реализует электронный фильтр нижних частот эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже частоты среза ДУС и подавляющий частоты сигнала выше этой частоты.
Для настройки фильтра используется соотношение:
где частота настройки фильтра принимаемая равной частоте среза ДУС.
Учитывая что круговая частота среза ДУС-У1 около 20 радс и используя соотношение получим значение емкости конденсатора:
Ближайшее меньшее значение емкости стандартного конденсатора является 47 нФ.
Очень важно соблюдать правильный порядок следования фаз питающего напряжения гиромотора. Для исключения возможных ошибок подключения фаз можно реализовать схемотехническую проверку которая в случае ошибки будет либо информировать об этом либо блокировать подачу трехфазного напряжения.
На Рис. 14 представлен один из вариантов реализации такой проверки на основе триггерного фазометра. Напряжения фаз 1 и 3 а также фаз 2 и 3 поступают на компараторы. Формирующие устройства создают импульсы по переднему фронту и по спаду сигналов с компараторов. Эти импульсы поступают на входы триггеров меняя их состояние. Чем дольше триггер в состоянии логической единицы тем больше заряд на интеграторе на пассивных элементах RC-цепи. Сравнивая на компараторе заряды интеграторов можно определить какой из триггеров был открыт дольше а следовательно и соотношение разности фаз трех сигналов. Если фазы в правильной последовательности на верхнем интеграторе заряд должен быть меньше и на выходе компаратора будет логическая единица. В противном случае на выходе будет нуль.
Рис. 14. Структурная схема проверки фаз
Временные диаграммы работы схемы представлены на Рис.15.
Рис. 15. Временные диаграммы работы схемы проверки фаз
Реализация данного варианта показана на принципиальной электрической схеме проверки фаз на основе триггерного фазометра.
Крепёжный кронштейн предназначен для закрепления ДУСа на поворотном столе и придания ему определённого пространственного положения. Имеется возможность поворота ДУСа на некоторые углы вокруг его продольной и поперечной осей. Общиё вид кронштейна показан на Рис.16.
Рис. 16. Крепёжный кронштейн
Кронштейн состоит из основания 1 в котором сделаны 4 отверстия для крепления его к плите поворотного стола. К основанию 1 крепятся две стойки 2 в которых подвижно закреплена внешняя рама 4. Раму 4 можно поворачивать на некоторый угол с помощью червячной передачи 3 вращая рукоятку 14. Угол поворота внешней рамы определяется с помощью шкалы 9 и стрелки 8. Во внешней раме 4подвижно закреплена внутренняя рама 12 которая вращается вокруг перпендикулярной к раме оси с помощью зубчатой передачи при повороте рукоятки 11. Угол поворота внутренней рамы относительно наружной определяется по шкале 5. К внутренней раме крепится пластина 6 с помощью резьбового соединения 7 и направляющих 10. В пластине 6 имеется по центру отверстие для ДУС и четыре крепёжных отверстия предназначенные для фиксации ДУС.
Изображение панели пульта управления стендом приведено на Рис.17. а электрическая схема блока преобразования стенда показана на Рис.18.
Рис. 17. Панель пульта управления
Рис. 18. Электрическая схема блока преобразования
Методические погрешности при проведении эксперимента
Корпус ДУСУ устанавливают на борту ЛА так что оси OXK OYK и OZK совпадают соответственно с продольной OX нормальной OY и поперечной OZ осями ЛА.
В идеальном случае ось вращения стола OYст должна быть вертикальна а корпус ДУСУ должен быть закреплён на столе так чтобы его ось OYK совпадала с осью вращения стола OYст.
В реальных условиях проведения эксперимента выставка оси OYст параллельно истиной вертикали производится с погрешностями характеризуемыми углами QUOTE QUOTE .
При установке корпуса ДУСУ на стол МПУ выставка оси OYК параллельно оси вращения стола OYст производится с погрешностями характеризуемыми углами QUOTE QUOTE .
Неточность выставки поворотного стола и корпуса ДУСУ на нём порождает методические погрешности при проведении эксперимента:
где: – угол поворота стола.
Установить крепёжный кронштейн на платформе поворотного стенда (с точностью ±20’).
Установить датчик угловой скорости (ДУСУ) в кронштейне так чтобы измерительная ось ДУСУ была перпендикулярна оси вращения платформы поворотного стола.
Поворачивая ДУСУ вокруг выходной оси добиться положения при котором выходное напряжение не более ±02 В.
По окончании регулировки закрепить ДУСУ и снова проверить выходной сигнал (не более ±02 В).
Перед началом эксперимента убедиться что все тумблеры находятся в положении «Выкл.».
) Проверить очерёдность фаз поступающих на гиромотор ДУСУ для этого:
Запустить программу для регистрации выходного сигнала с ДУСУ.
Подать напряжение U1=36 В 400 Гц на блок преобразования. Здесь оно масштабируется и затем поступает на три канала АЦП где программно анализируется. Алгоритм проверки правильности подключения фаз питания ДУСУ заключается в следующем: на каждой фазе определяется текущее значение напряжения а также знак производной сигнала (возрастание или понижение напряжения). Далее с помощью функциональной зависимости определяется очерёдность фаз.
) Включить ДУСУ. Время разгона гиромотра: 1 мин.
) Подать напряжение U2=27 В на поворотный стол МПУ-1 после разгона гиромотора ДУСУ.
) Для задания угловой скорости вращения ЛА (ДУСУ) необходимо:
Повернуть вручную платформу поворотного стола против или по часовой стрелке на угол °.
Установить на лицевой панели стола МПУ значение угловой скорости QUOTE °с.
Установить тумблер «Переключатель мотора» в положение «Право». При этом начинается вращение стола.
После поворота стола на угол ° (нулевое деление напротив индекса расположенного на неподвижной части корпуса) остановить вращение стола установить тумблер «Переключатель мотора» в среднее положение.
) Включить вращение стола в обратную сторону установив «Переключатель мотора» в положение «Лево». После приведения стола в исходное положение установить тумблер «Переключатель мотора» в среднее положение.
) Сигнал пропорциональный угловой скорости вращения датчика с потенциометра ДУСУ поступает на блок преобразования где он масштабируется и фильтруется.
) Далее этот сигнал поступает на АЦП в компьютер.
) Сигнал в цифровой форме снимается с АЦП с помощью программы GRAFF выводится на экран и записывается в файл.
) Определение времени готовности ДУСУ.
Включить вращение поворотного стола МПУ-1 на заданную скорость.
Запустить в программе для регистрации выходного сигнала с ДУСУ подпрограмму для приёма сигнала с АЦП.
Подать питание на гиромотор.
Зарегистрировать время когда выходное напряжение ДУСУ выйдет на номинальный режим (по графику сигнала ДУСУ на экране компьютера).
) Определение сигнала ДУСУ при отсутствии угловой скорости вращения поворотного стола.
Подать питание на гиромотор ДУС.
Убедиться через 1 мин. о выходе на номинальный режим.
Запустить подпрограмму для приёма сигнала с АЦП в программе для регистрации выходного сигнала ДУСУ.
Определить сигнал с ДУСУ по параметру «Среднее значение» (при отсутствии угловой скорости вращения поворотного стола).
) Определение порога чувствительности ДУСУ.
Зафиксировать смещение нуля по параметру «Среднее значение» в окне программы для регистрации выходного сигнала ДУСУ.
Включить вращение поворотного стола МПЦ-1 на заданную скорость в любую сторону.
Зафиксировать после остановки поворотного стола остаточные значения напряжения.
Определить порог чувствительности ДУСУ (вычесть из остаточного значения напряжения смещение нуля).
) Определение зависимости выходного сигнала ДУСУ от угловой скорости (wу).
Выполнить операции необходимые для снятия сигнала с ДУСУ (Пункт 3).
Снять несколько значений выходного напряжения ДУСУ при различных угловых скоростях вращения поворотного стола.
Построить график зависимости сигнала с потенциометра ДУСУ от угловой скорости основания (по результатам нескольких измерений).
Анализ полученных результатов
1. Сравнить теоретические (паспортные) и экспериментальные значения параметров ДУСУ;
2. Объяснить причины их различия;
3. Сформулировать предложения по устранению погрешностей при проведении эксперимента.
К работе на лабораторной установке допускаются студенты ознакомившиеся с требованиями техники безопасности (роспись в журнале проведения лабораторных работ).
Включение источников питания присоединение к ним блоков лабораторной установки выполняется преподавателем.
Категорически воспрещается:
а) перемещать приборы и блоки отсоединять и подсоединять кабели и жгуты при включённом электропитании;
б) покидать рабочее место при включённой аппаратуре;
в) нарушать последовательность выполнения операций указанных в методических указаниях.
В случае возникновения неисправностей в работе немедленно обратить к преподавателю.
Цель работы. Назначение ДУСУ. Основные характеристики.
Результаты испытаний.
Каково назначение ДУСУ?
Объясните причину появления методических погрешностей?
Каково назначение блоков лабораторного стенда?
Какие характеристики ДУСУ можно определить на стенде?
Гироскопические системы. – Гироскопические приборы и системы. Ч.II. М.:Высшая школа 1988. – 424 с.
Испытания гироскопических систем: Учебное пособие Е.А.Малышева. – М.:Изд-во МГТУ 1975. – 80 с.
Конструкции элементов пилотажно-навигационных комплексов: Учебное пособие по курсу «Расчет и конструкции элементов автоматических устройств» В.К.Балтаян А.А. Малахов Е.Е. Рожченко В.Г. Чернышов; Под ред. И.А. Михалева. – М.: изд-во МГТУ 1989 - 30 с.
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Теория гироскопов и гиростабилизаторов» Малышева Е.А. Марианн Л.Н. Селиванова Л.М. и др.; под ред. В.В. Фатеева. – изд-во МГТУ 1991. – 52 с.

Идентификация параметров математической модели датчика угловой скорости 2014 06 05 00.docx

Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э. Баумана
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
Учебно – методическое пособие
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
Выбор схемы датчика угловой скорости платформы малогабаритной поворотной установки МПУ – 1
Программное обеспечение стенда
Воспроизведение сигнала
Генерирование тестового сигнала
Цифровая фильтрация сигнала
Функциональная схема стенда
Декомпозиция блока А0
Диаграмма А4 обработки сигнала
Декомпозиция блока А43. Обработка и анализ сигнала
Декомпозиция блока А432. Выбор фильтра
Декомпозиция блока А4323. Расчёт фильтра
Декомпозиция блока А433. Спектральный анализ
Идентификация параметров математической модели датчика угловой скорости (ДУС)
Математическая модель ДУСа
Алгоритм определения параметров (Алгоритм Качмажа)
Идентификация параметров
Список использованной литературы
ДУС – датчик угловой скорости
ЛА – летательный аппарат
МПУ – малогабаритная поворотная установка
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
ДУСУ – датчик угловой скорости унифицированный
ПЭВМ – персональная электронная вычислительная машина (компьютер)
ПО – программное обеспечение
Для осуществления процесса идентификации параметров датчика угловой скорости ЛА необходимо получить экспериментальные данные: напряжение ДУС пропорциональное измеряемой угловой скорости значение истиной угловой скорости и другие параметры.
Для этого был создан лабораторный стенд [1] функциональными задачами которого были:
создать угловую скорость вращения вдоль чувствительной оси исследуемого датчика угловой скорости;
зарегистрировать информацию с ДУСа о величине угловой скорости вращения;
зафиксировать информацию о истиной величине угловой скорости поворота платформы при помощи внешней (по отношению к ДУСу) системы или прибора;
обеспечить хранение и визуализацию этих экспериментальных данных;
обработать собранные данные по выбранным алгоритмам с целью определения параметров математической модели ДУСа типа ДУСУ.
При разработке стенда для испытаний датчиков угловых скоростей ЛА были рассмотрены два варианта выбора датчика для определения угловой скорости вращения платформы МПУ: электромагнитная и оптическая системы.
В стенде применена оптическая система на базе щелевого фотопрерывателя Sharp GR1A71R так как она более проста в реализации и исключает влияние электромагнитных полей.
Оптическая система предполагает наличие оптопары – светодиода и фотодиода. Для реализации данной системы потребуется сверление отверстий в отсчётном лимбе 14. Резистор R2 используется для ограничения тока через светодиод.
Электрическая принципиальная схема системы представлена на Рис.1.
Рис.1. Схема электрическая принципиальная.
В качестве светодиода используется светодиод АЛ107Б а в качестве фотодиода – ФД256 работающие в инфракрасном диапазоне излучения.
Позволяет проводить исследовательские работы по:
изучению преобразований сигналов;
спектральному анализу.
Снятый после эксперимента сигнал с потенциометра ДУСУ поступает сначала на блок преобразования где он масштабируется. Затем сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
После регистрации сигнала (записи его в файл с помощью программного обеспечения регистрации данных) предусмотрена его постпроцессорная обработка которая может проводиться в любое время на любой ПЭВМ.
Для постпроцессорной обработки результатов экспериментов полученных в ходе испытания ДУСУ разработано программное обеспечение анализа и обработки цифровых сигналов которое является составной частью программно-аппаратного обеспечения стенда испытания датчиков угловых скоростей.
В программном обеспечении (ПО) реализован классический алгоритм преобразования Фурье и быстрое преобразование Фурье а также алгоритмы цифровых фильтров (апериодического двоичного апериодического и интегрирующего звеньев).
ПО реализовано на языке Object Pascal в среде Borland Delphi 4© Inprise Corporation ©.
Предусмотрены следующие функциональные возможности:
Воспроизведение сигнала.
Данная функция предназначена для визуализации снятых в ходе эксперимента сигналов а также для масштабирования сигнала и выбора отрезка для спектрального анализа.
Сигнал снимаемый с ДУС записывается в файл с расширением .txt . Файлы данных могут содержать произвольное число отсчётов сигнала. В файл записывается информация либо с одного либо с двух каналов АЦП. Соответственно отображается на экране ли один сигнал либо два.
Первый сигнал поступает на АЦП непосредственно с потенциометра ДУС второй сигнал предварительно проходит через низкочастотный фильтр. В файле содержится информация о частоте съёма сигнала с АЦП и о цифровом фильтре применяемых к сигналу. Вся эта информация отображается в окне программы.
В ПО предусмотрена возможность открытия и одновременной работы с несколькими файлами данных. При необходимости можно открыть один и тот же файл данных в разных окнах и одновременно исследовать различные участки одного сигнала.
Генерация сигналов с известным спектром производится для тестирования алгоритмов преобразования Фурье и цифровой фильтрации.
Можно генерировать сигналы: монохроматический амплитудно-модулированный частотно-модулированный и постоянный.
Для всех сигналов задаётся амлитуда число точек в файле; частота с которой происходит запись сигнала. Для гармонических сигналов задаётся частота опорной гармоники.
Работа с тестовыми сигналами ничем не отличается от работы с сигналами полученными в результате проведения эксперимента.
Осуществляется спектральный анализ отдельных участков сигнала сравнение различных алгоритмов спектрального анализа определение собственной частоты ДУС определение источника помех в сигнале определение собственной частоты фильтра (необходимого для фильтрации помех) сравнение спектра исходного и !!!!! сигналов.
В ПО реализовано два алгоритма преобразования Фурье оба имеют своих достоинства и недостатки.
Классический алгоритм требует больших временных затрат. Причём эти затраты возрастают по экспоненциальному закону с увеличением числа точек над которыми проводится преобразование. Если интервал отсчётов достаточно велик (более 4000 точек) становится почти невозможным применение этого алгоритма из-за длительного времени вычисления. Однако преимуществом классического алгоритма является возможность проведения преобразования Фурье с любым числом точек.
Алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) отчасти лишён последнего недостатка из-за усовершенствованной схемы вычислений на этот алгоритм имеет другое ограничение – число отсчётов должно быть равно степени двойки. В противном случае данный алгоритм не может быть применён.
Пользователю ПО предоставляется возможность самому сделать выбор алгоритма спектрального анализа. Однако следует помнить что при выборе БПФ интервал отсчётов будет усекаться до ближайшего числа кратного двойки.
После расчёта спектра выводится информация о времени расчёта.
Таким образом пользователь программы проведя несколько вычислений спектра различных интервалов разными алгоритмами сможет определить зависимость времени расчёта спектра от числа отсчётов и алгоритма.
фильтровки помех питания;
сравнения результатов фильтрации (разными фильтрами) с различными параметрами;
тренировки навыков пользователей по выбору схемы и расчёту параметров фильтров.
Как уже отмечалось в программе реализовано четыре цифровых фильтра. Разностные уравнения этих фильтров были получены из их передаточных функций с помощью формулы Эйлера.
Постоянные времени этих фильтров (за исключением интегрирующего звена которое не имеет постоянной времени) задаются пользователем программы.
Пользователь должен знать также какого порядка величина собственной частоты ДУСа и какие помехи могут быть в сигнале снятом с АЦП.
Определив при помощи спектрального анализа частоту помех по питанию и собственную частоту ДУСа исследователь выбирает фильтр и рассчитывает постоянную времени фильтра.
Функциональная схема стенда представляет собой набор диаграмм связанных друг с другом иерархически. Диаграммы построены по технологии проектирования SADT и выполнены с помощью программы IDEF.
Краткое описание диаграмм:
Это самая первая схема в иерархии. Она описывает в наиболее общем виде функцию испытательного стенда. Итак главная функция испытательного стенда – изучение преобразования сигналов. В качестве входного воздействия служит угловая скорость вращения поворотного стола на котором установлен ДУС. В качестве управляющего воздействия выступают действия испытателя. На выходе блока – изучаемый сигналы.
Изучение преобразования сигналов
Угловая скорость вращения поворотного стола
Диаграмма А0 состоит из четырёх блоков: вращение ДУС масштабирование сигнала преобразование аналогового сигнала в цифровой обработка цифрового сигнала. Средства для выполнения этих функций: поворотный стол ДУС блок преобразования сигнала АЦП компьютер. Всё это позволяет получить сигнал ДУС затем преобразовать его для входа в АЦП и наконец получить изучаемый сигнал. Управление стендом разбивается на управление поворотным столом блоком преобразования АЦП и управление программой обработки сигнала.
Управление поворотным столом
Поворотный стол и ДУС
Масштаби-рование сигнала
Сигнал с преобразо-вателя
Управление блоком преобразования
Преобразо-вание аналогового сигнала в цифровой
Обработка цифрового сигнала
Управление программой обработки сигнала
Диаграмма состоит из трёх основных блоков: обработка прерывания измерение и сохранение сигнала обработка и анализ сигнала. Внешнее воздействие для схемы – сигнал АЦП который последовательно преобразуется в код сигнала АЦП сохранённый сигнал изучаемый сигнал. Для этих функций служит процедура обработки прерывания программа измерения и сохранения сигнала программа обработки и анализа сигнала. В качестве управляющих факторов служат действия пользователя по управлению данными программами.
Обработка прерывания
Управление обработкой прерывания
Процедура обработки прерывания
Измерение и сохранение сигнала
Управление программой измерения и сохранения сигнала
Программа измерения и сохранения сигнала
Обработка и анализ сигнала
Управление программой исследования сигналов
Программа обработки и анализа сигнала
Жиаграмма является дальнейшей детализацией блока обработки и анализа сигнала. Составляющие части: воспроизведение и отображение сохранённого сигнала расчёт и выбор фильтра спектральный анализ. Для выполнения данных функций служат процедуры воспроизведения фильтрации спектрального анализа. Управлением процедурами служат действия пользователя. На схеме показаны связи между функциональными блоками.
Воспроизве-дение и отображение сохранён-ного сигнала
Управление отображением
Процедура воспроизведе-ния
Расчёт и выбор фильтра
Исходные отфильтрован-ные сигналы
Управление фильтрацией
Процедура фильтрации
Спектраль-ный анализ
Исходный и отфильтрован-ные сигналы
Управление спектральным анализом
Процедура спектрального анализа
Диаграмма более детально освещает принципы фильтрации используемые в программе. Из схемы видно что фильтрация заключается в выборе коэффициентов фильтра и последующем расчёте. Для этих целей служат диалог выбора передаточной функции диалог выбора коэффициентов и процедура расчёта фильтра. Управлением являются действия пользователя по работе с диалогами.
Выбор передаточной функции фильтра
Передаточная функция фильтра
Управление выбором передаточной функции
Диалог выбора передаточной функции фильтра
Выбор коэффициен-тов фильтра
Коэффициент передаточной функции
Управление выбором коэффициентов
Диалог выбора коэффициента фильтра
Исходный сигнал передаточная функция фильтра коэффициенты передаточной функции
Исходный и отфильтрован-ный сигналы
Процедура расчёта фильтра
Данная диаграмма детализирует блок расчёта фильтра из предыдущей схемы. В этой схеме присутствуют блоки: масштабирование сигнала расчёт отфильтрованного сигнала обратное масштабирование. Блоки масштабирования и обратного масштабирования введены по той причине что сигнал снимаемый с АЦП является целым числом в пределах от -2048 до +2048 а между истинным значением сигнала и величиной снимаемой с АЦП есть пропорциональность.
Масштабирование сигнала
Исходный масштабирован-ный сигнал
Процедура масштабирова-ния
Расчёт отфильтрованного сигнала
Исходный отмасштабиро-ванный сигнал коэффициент передаточной функции передаточная функция фильтра
Исходный и отфильтрован-ный отмасштабиро-ванные сигналы
Процедура расчёта отфильтрован-ного сигнала
Обработанное масштабирование
Исходный и отфильтрвоан-ный отмасштабирован-ные сигналы
Процедура обратного масштабирова-ния
Раскрывает спектральный анализ функции: выбор участка для анализа (спектральный анализ производится не над всем сигналом а лишь над необходимой его частью) масштабирование сигнала (проводится по причинам описанным выше) преобразование Фурье отображение спектра. Все эти действия позволяют выполнить процедуры выбора участка сигнала масштабирования преобразования Фурье и процедуру вывода спектра. Управлением являются действия пользователя по управлению выбором участка для анализа и отображению спектра.
Выбор участка для анализа
Процедура выбора участка
Масштабиро-вание сигнала
Масштабирован-ный сигнал
Идентификация параметров математической модели ДУС
1. Математическая модель ДУСа
Уравнение движения ДУС:
где A- момент инерции гироблока относительно оси прецессии
D- коэффициент демпфирования
Kпр - коэффициент угловой жесткости пружины
H- кинетический момент ротора гироскопа
Mxвн - сумма внешних возмущающих моментов.
Также в Mxвн входят вредные моменты вокруг оси и погрешности от перекрестных угловых скоростей которыми можно пренебречь.
Из-за малости угла можно считать что cos=1 тогда уравнение движения ДУС записывается в следующем виде:
где =D2AKпр - коэффициент затухания системы
=KпрA - собственная круговая частота колебаний системы
K'=HA - коэффициент усиления.
Уравнение движения (1) в переменных Лапласа будет выглядеть:
T2s2+2Ts+1=K'02 (2)
где T=10=AKпр - постоянная времени системы.
Так как измеряется напряжение Uду=Kду то уравнение (2) будет перезаписано в следующем виде:
UдуT2s2+2Ts+1=K (3)
где K=K'Kду02=HKдуKпр - коэффициент усиления.
Уравнению движения ДУС соответствует следующая структурная схема:
Рис.2.Структурная схема уравнения движения ДУС
Найдем решение уравнения движения (3). Для этого запишем характеристическое уравнение в общем виде:
Начальные и граничные условия:
Корни характеристического уравнения равны:
Из (5) следует что решение уравнения (3) является зависимость:
t=HKпр(1-e-tsin(t+φ)) (6)
где =01-2 - частота демпфированных колебаний.
То есть собственное движение рамки прибора будет представлять собой затухающие колебания с частотой .
В установившемся режиме ==0 тогда Kпр=H=> =HKпр то есть гироскопический момент от движения основания будет полностью уравновешиваться противодействующим моментом пружины и угол отклонения будет пропорционален угловой скорости вращения основания .
Для определения переменной φ используются начальные и граничные условия:
U0=K1-e-sinφ=0=> φ=arctg(-1-2)
Следовательно в ходе идентификации необходимо определить параметры TK чтобы в дальнейшем определить KпрHADKду.
2. Алгоритм определения параметров (Алгоритм Качмажа)
Алгоритм Качмажа широко применяется в инженерной практике для решения задачи идентификации линейных дискретных систем вида:
где yk - скалярный выходной сигнал системы
xk - вектор входного сигнала
C - вектор неизвестных параметров системы (xk и С имеют размерность mk - дискретный параметр времени).
Алгоритм Качмажа позволяет оценить значения вектора параметров системы С по наблюдаемым последовательностям xk и yk (k=12..).
В настоящее время этот алгоритм получил широкое распространение для решения задачи идентификации нестационарных линейных систем.
Алгоритм имеет простую структуру и состоит из следующих рекуррентных соотношений: k=k-1+yk-k-1xkxTkxk k=23.. (8)
где k - оценка на k-м шаге неизвестного вектора C.
Значение вектора начального приближения 1 задается априорно.
Обобщенный алгоритм рекурретного оценивания Качмажа может быть описан следующими формулами:
k=k-1+yk-k-1xkxTkxk (9)
Сk-1=k-1+αk[Ck-2-k-1] (10)
αk=1если p2Сk-2Сk>(pСk-2Сk-1+)20 в противном случае
где pСiСj=yj-CTix(j)xTjxj
=yk-k-1xkxTkxk или =0.
Таким образом алгоритм Качмажа состоит из рекурретной процедуры с неизвестными начальными значениями С1С2С2 которые задаются априорно. В процессе работы алгоритма значения Сi и i постепенно уточняются. Предельное значение i при t и дает искомую оценку вектора C.
Для реализации этого алгоритма дифференциальное уравнение описывающее поведение системы необходимо преобразовать то есть получить уравнение переменных состояния в виде:
где X - вектор состояния системы
X- производная этого вектора
A - матрица состояния
B- матрица управления
U - вектор управления.
Пусть состояние системы определяется следующим вектором:
X=x1x2= тогда X=x1x2=.
Тогда матричное уравнение состояния будет иметь вид:
=0-KпрA1 -DA+000 HA0
То есть матрицы в уравнении будут равны:
A=0a11 a2=0-KпрA1 -DA
Это уравнение в дискретной форме учитывая что производные величин определяются следующим образом:
xk-1=limT0xtk-x(tk-1)tk-tk-1xk-xk-1T
Xk-Xk-1=TAXk-1+TBUk-1=>Xk=ФXk-1+GUk-1
где Ф=I+TA=1001+T0a11 a2=1a1TT a2T+1 - матрица перехода системы
G=TB=T000 b=000 bT - дискретная матрица входа.
Поскольку измерению доступно напряжение датчика угла а не сам угол то запишем это уравнение через переменную U:
KдуUkUk=Ф1KдуUk-1Uk-1+G0k-1=>UkUk=ФUk-1Uk-1+KдуG0k-1=>
UkUk=1a1TT a2T+1Uk-1Uk-1+000 bKдуT0k-1
Из этого уравнения выражение для Uk равно:
Uk=a1TUk-1+a2T+1Uk-1+bKдуTk-1 (12)
Значения производных Uk и Uk-1 равны:
Uk=Uk+1-UkT и Uk-1=Uk-Uk-1T
Подставляя эти выражения в (12) и получаем уравнения:
Uk+1-UkT=a1TUk-1+a2T+1Uk-Uk-1T+bKдуTk-1=>
Uk+1=a2T+1Uk+a1T2-a2T-1Uk-1+bKдуT2k-1
Таким образом принимаются:
за вход системы - вектор Xk=UkUk-1k-1
за скалярный выход системы - величину Yk=Uk+1.
Тогда вектор неизвестных параметров системы равен:
CT=c1c2c3=a2T+2a1T2-a2T-1bKдуT2.
Тогда рассматриваемая система записывается в виде:
Uk+1=a2T+2a1T2-a2T-1bKдуT2UkUk-1k-1.
Теперь можно применить рекуррентную формулу алгоритма Качмажа и определить значения элементов вектора C.
Но сначала задаётся начальное значение этого вектора. Пусть на первом шаге вычислений оно равно CT1=1.8-0.80.
Определив элементы вектора C рассчитываются следующие величины:
a2=c1-2T=-DAa1=с2+a2T+1T2=-KпрAbKдуT2=c3=HAKдуT2
Решение этой системы уравнений выполнено на языке программирования Delphi.
Как видно из результатов обработки данных использованный алгоритм позволяет определить параметры математической модели исследуемого объекта с точностью порядка 5%.
Недостатком метода является то что величина ошибки и его сходимость зависит от точности задания априорных значений элементов матрицы C которые в произвольном случае могут быть неизвестны. В этом случае для использования данного алгоритма сперва необходимо каким-то образом оценить значения элементов матрицы C. Например используя твердотельное моделирование исследуемого объекта.
3. Идентификация параметров
Для идентификации используются данные полученные программой съёма данных с ДУС и оптической системы. Данные содержатся в файле DUS_Data.dat который загружается в рабочую область программы.
Реальные параметры математической модели ДУС записываются в файл DUS_real_param.dat.
Идентификация параметров математической модели ДУС проводится с помощью линейной регрессионной процедуры с использованием метода наименьших квадратов.
Данный метод позволяет оценить отклонение реальных параметров ДУС от идеальных вследствие различных технологических погрешностей и измерительных шумов.
Идентификация проводится в программе MatCad. Файл открывается в рабочем поле программы MatCad и заносится в массив. Также открывается файл содержащий дополнительную информацию (число точек дискретизации шаг дискретизации по времени идеальные параметры датчика угловой скорости).
В программе сначала рассчитывается угловая скорость вращения платформы по данным с оптической системы а затем описывается метод идентификации результаты работы которого заносятся в вектор S (вектор неизвестных параметров системы).
После проведения идентификации параметров математической модели ДУСУ получается следующий результат:
S=7.037×10-24.155×10-33.1×10-2
АДУС - момент инерции гироблока относительно оси прецессии;
DДУС - коэффициент демпфирования;
KДУС - коэффициент усиления.
Стенд для испытаний датчиков угловой скорости: метод. указания к лабораторной работе по курсу «Расчёт и конструирование элементов автопилотов» А.В. Мищенко и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана 2013. - _.[ ]с.:ил.

схема сборки (технология).cdw

Втулка с подшипниками
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Автомат стабилизации движения маневренного самолета

Малогабаритная поворотная установка МПУ-1 2018.doc

Малогабаритная поворотная установка МПУ-1
Малогабаритная попоротая установка МПУ-1 (рис. 1 2) служит для
проверки гироскопических приборов в лабораторных условиях.
Проверяемым приборам на установке обеспечивается вращение в
горизонтальной плоскости в обе стороны с любой угловой скоростью в пределах
Диапазон угловых скоростей платформы от 003 до 150°с.
Неравномерность угловой скорости платформы не должна превышать:
% для угловых скоростей от 003 до 005°с:
5% для угловых скоростей свыше 005 до 03°с;
% для угловых скоростей свыше 03 до 150°с;
Погрешность установки угловой скорости по лимбу отсчетного
механизма не должна превышать:
±5% для угловых скоростей от 003 до 005°с;
±3% для угловых скоростей свыше 005 до 03°с;
+1% -2 % для угловых скоростей свыше 03 до 150°с.
2.4. Разность правых и левых угловых скоростей платформы должна
% для угловых скоростей от 003 до 01°с;
% для угловых скоростей от 01 до 150°с.
Регулировка угловых скоростей — плавная.
Максимально допустимая нагрузка на платформу—8 кг.
Температурный интервал работы от +15 до +35°С.
Количество токоведущих шип коллектора — 18.
Питание двигателя - 220 В 50 Гц.
В состав комплекта установки МПУ-1- входят:
собственно установка МПУ-1 —1 шт.
розетка 2PM 24 КПН 19Г1В1 —2 шт.
шарики диаметром 15875 мм —4 шт.
предохранители ПЦ-30-1 —3 шт.
УСТРОЙСТВО И РАБОТА ИЗДЕЛИЯ
Схемы и принцип работы
Кинематическая схема установки показана па рисунке 3. Вращение от
синхронного гистерезисного двигателя 3 через муфту 4 передается на
червячный редуктор. Ведущий вал связанный с червячным колесом
призматической шпонкой передает вращение парой шариков I—I на вал 17.
С вала 17 через пару шариков II--II вращение передается на ведомый вал
па конце которого укрепляется рабочая платформа 1. Угловая скорость
платформы зависит от передаточного отношения кинематической цепи:
двигатель—ведомым вал.
Передаточное отношение всей цепи равно i редуктора XI фрикционного
вариатора. Передаточное отношение червячного редуктора i = 150 = const а
передаточное отношение фрикционного вариатора зависит от положения шариков
относительно центров вращения валов 17 19 и 6.
Рисунок2 Габаритные и установочные размеры установки МПУ-1
Конструктивно расстояния А1=А2==А3=А==75 мм и следовательно Х1=Х2=Х;
Тогда передаточное отношение фрикционного вариатора будет равно:
Iфр.вар. = Х1 У1 * Х2 У2 = Х² У²
Положение шариков относительно центров вращения валов изменяется
перемещением каретки 16 ходовым винтом 12 отсчетного механизма. Ходовой
винт с помощью зубчатой передачи: Z4:Z5 = 88:88 = 1:1 связан с маховиком 9
а передачей: Z7:Z8 X Z9:Zl0 = 35:125X20:180 = 1:36Х1:9 = 1:33 — с
Отсчетный лимб 8 проградуирован в °с в пределах от 003 до 150°с им
соответствуют положения каретки при которых передаточное отношение
фрикционного вариатора соответственно изменяется от 1:4000 до 1:08. При i
= 1:4000 радиус Х = 116 мм. Шарики и диски при радиусе X менее 1 мм
интенсивно изнашиваются поэтому в отсчетном механизме предусмотрен на
шестернях Z5 = 88 и Z6 = 86 зубчато-кулачковый ограничитель хода каретки.
Кулачки шестерен стопорят вращение ходового винта через 32 оборота. Пружина
предназначена для выбора люфтов в винтовой паре и подшипниковой опоре
ходового винта 12. Ручка 10 вращает вал 11 механизма включения. Вал 11
имеет эксцентрик связанный с рычагом 13.
Рычаг 13 действуя на стакан 14 сжимает пружину 15 которая
обеспечивает необходимое сцепление промежуточного и ведомого валов
фрикционного вариатора.
Сцепление валов обеспечивается пружиной 5. Вспомогательный лимб при
помощи зубчатых колес Z2 и Z3 связан с ведомым валом и служит для контроля
малых угловых скоростей (1°с и ниже).
Рисунок 3. Кинематическая схема малогабаритной поворотной установки МПУ-
- платформа; 2 -фланец; 3 - электродвигатель; 4 - муфта; 5 - пружина;
- ведущий вал фрикционного вариатора; 7 - червячный редуктор; 8—лимб
отсчетный; 9 - маховик; 10 - ручка; 11 - механизм включения; 12—ходовой
винт отсчетного механизма; 13 - рычаг; 14 - стакан; 15—пружина; 16 -
каретка; 17 - вал промежуточный; 18 - пружина; 19 - вал ведомый; 20 - лимб
Электрическая схема установки показана на рис. 4. Установка имеет две
независимые электрические цени питания проверяемых приборов и схему питания
Цепь питания проверяемых приборов составлена вилкой 4 штепсельного
разъема закрепленного па корпусе установки; узлом щеток 2; коллектором 3 и
вилкой штепсельного разъема 1 закрепленного па платформе. Схема питания
электродвигателя составлена вилкой 8 переключателем 6 и конденсатором 7.
Рисунок 4. Электрическая схема малогабаритной поворотной установки МПУ-
а) схема питания платформы; б) схема включения электродвигателя;
—вилка штепсельного разъема платформы 2РМ24Б19Ш1В1; 2—узел щеток;
—коллектор; 4—вилка штепсельного разъема установки 2РМ24Б19Ш1В1;
—двигатель Г-31АУХЛ4; 6—переключатель П2Т-1; 7—конденсатор ОМБГ-2-
0—2±5%; 8—вилка на корпусе платформы; 9—предохранитель ПЦ-30—1.
Конструкция установки показана на рис. 5. Корпус установки состоит из
двух частей: литого корпуса 20 и двух плит 1 и 2.
В корпусе установки смонтированы основные узлы: двигатель в
амортизированном кронштейне червячный редуктор ведущий вал каретка
нажимной механизм ведомый вал с платформой отсчетный механизм коллектор
узел щеток вспомогательный лимб.
Кронштейн 7 уменьшает влияние вибрации двигателя на установку и
крепится четырьмя шпильками 5 с помощью резиновых втулок 6 к плите 2.
Двигатель привернут к кронштейну четырьмя винтами.
Электродвигатель 23 муфтой соединяется с червячным редуктором 9.
Ступица червячного колеса Ж редуктора (рис. 6) вращается на
шарикоподшипниках В и К и соединяется с ведущим валом А призматической
Ведущий вал может перемещаться в осевом направлении в ступице
червячного колеса с зазором 0015—0025 мм под действием пружины Е.
При отсутствии осевой нагрузки ведущий вал занимает положение при
котором его рабочая плоскость находится ниже рабочей плоскости ведомого
Ведомый вал вращается на подшипниках смонтированных в стакане 3 и
осевого перемещения не имеет.
На среднюю часть ведомого вала посажен коллектор с восемнадцатью
кольцами от которых через отверстия в ведомом валу и фланце провода
проходят к штепсельному разъему платформы. Платформа привернута к фланцу
посаженному на верхний конец ведомого вала.
Узел щеток крепится к плите 2 и служит для соединения электрических
цепей идущих от штепсельного разъема платформы и штепсельного разъема
расположенного па корпусе 20. В корпусе смонтирован нажимной механизм 16.
(Конструкция нажимного механизма показана на рис. 7).
Нажимной механизм состоит из кронштейна М в котором на двух
подшипниках Н и Ш вращается промежуточный вал О который может свободно
перемещаться во внутренних кольцах подшипников.
Между подшипниками в кронштейне размещен стакан Л внутри которого
помещена предварительно сжатая пружина С упирающаяся верхним торцом во
втулку П а нижним — в верхнее кольцо упорного подшипника У.
Между рабочими поверхностями ведущего вала 13 ведомого вала 19 и
промежуточного вала 14 по призматическим направляющим ходит каретка 12
В каретке размещены две пары шариков 15 служащих для передачи движения
с ведущего вала на промежуточный и с промежуточного па ведомый. Для
уменьшения потерь на трение увеличения точности передачи каждый шарик
вращается «в колодце» образованном четырьмя шарикоподшипниками. Гайкой 17
каретка связана с ходовым винтом 18 отсчетного механизма.
Кинематическая схема механизма отсчета показана на рис. 8.
Отсчетный механизм служит для передвижения каретки с шариками в
положение соответствующее необходимой угловой скорости платформы.
Отсчетный механизм смонтирован па кронштейне 1а укрепленном на корпусе и
плите 2 и состоит из ходового винта 2а который системой шестерен связан с
отсчетным лимбом 3а маховика 7а связанного с зубчатой передачей с ходовым
винтом и ограничителя хода каретки.
Для облегчения контроля малых угловых скоростей с ведомым валом
зубчатой передачи с передаточным отношением 15:1 связан вспомогательный
Вспомогательный лимб жестко сидит на оси которая смонтирована на двух
подшипниках № 18 размешенных в кронштейне 27.
Для контроля скоростей свыше 1°с на плите 1 имеется указатель 8. Кроме
того на плите 1 расположены: визирное стекло 26 вспомогательного лимба
визирное стекло 25 отсчетного лимба переключатель направления вращения
двигателя маховик для установки скоростей.
Рисунок 5. Общий вид малогабаритной попоротой установки МПУ-1: 1—плита
I; 2—плита 3—стакан; 4—коллектор; 5—шпилька; 6—втулка резиновая; 7-
кронштейн; 8-указатель; 9—редуктор червячный; 10-ось; 11—кронштейн;
—каретка; 1З—вал ведущий; 14—вал промежуточный; 15—шарик; 16—механизм
нажимной; 17—гайка; 18—винт ходовой; 19—вал ведомый; 20-корпус; 21—рычаг;
—ручка; 23—электродвигатель; 24—розетка; 25 6-стекло визирное;
Рисунок 6. Узел ведущего пала:
А—ведущий вал; Б—шпонка призматическая; В—шарикоподшипник; Г— гайка;
Д—кольцо; С—пружина; Ж—ступица червячного колеса; К—шарикоподшипник.
Взаимодействие основных узлов установки
Вращением маховика и соответствующую сторону по отсчетному лимбу
задается необходимая скорость вращения платформы при этом каретка ходового
винта установлена в соответствующем положении.
Вращением ручки 22 из положения «ВЫКЛ.» в положение «ВКЛ.» по часовой
стрелке нажимной механизм приводится в рабочее положение. При этом плечо
рычага 21 через пальцы Р нажимного механизма будет перемещать стакан Л с
пружиной С до упора верхним торном втулки П в буртик промежуточного вала О
При дальнейшем движении стакана с пружиной начнет подниматься
промежуточный нал и через пару шариков упрется в ведущий вал так как
пружина приблизительно в 2раза сильнее пружины ведущего вала то последняя
сожмется а промежуточный вал через вторую пару шариков поднимаясь
упрется в ведомый вал.
При дальнейшем передвижении стакана пружина будет сжиматься. В
результате этого сжатия пружина разовьет усилие порядка 36 кг и получит
возможность вращаться вместе с валом так как втулка П перестанет
соприкасаться со стаканом Л.
Таким образом все диски фрикционного вариатора будут связаны между
собой и между каждой фрикционной парой будет обеспечиваться приблизительно
равное нажатие так как пружина ведущего вала в рабочем состоянии развивает
усилие порядка 15 кг.
Рисунок 7. Механизм нажимной: О—вал промежуточный; М—кронштейн; Л—стакан;
Ф—гайка; С—пружина; Р—палец; П—втулка; У—шарикоподшипник упорный;
Ш—шарикоподшипник радиальный; Н—шарикоподшипник радиальный; Т—втулка.
Рис. 8. Кинематическая схема отсчетного механизма:
а—кронштейн; 2а—винт ходовой t-125; За—отсчетный лимб; 5а—упор I;
Монтаж установки производится в следующем порядке:
Открыть ящик и вынуть установку. Поставить установку на стол и при
помощи установочных винтов установить платформу горизонтально по
Произвести внешний осмотр для установления сохранности выведенных
наружу ручек и других частей. Секундомер завести вращением кнопки.
Протереть от пыли или влаги все наружные части установки;
Поставить рычажок переключателя электродвигателя в нейтральное
Проверить наличие предохранителя и подвести ток к вилке питания
электродвигателя. Напряжение должно быть 220 В а частота — 50 Гц;
Взять кронштейн и с помощью болтов и гаек укрепить его в пазах на
Закрепить па платформе шток с проверяемым прибором. Повернуть
ручку выключения привода в положение «ВКЛ»;
Подвести ток к вилке питания приборов;
Переключателем включить электродвигатель.
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
При эксплуатации установки необходимо соблюдать следующие правила:
стол для установки должен обеспечить ей устойчивое положение так
как иначе случайное колебание стола будут искажать характеристики
проверяемых приборов;
рекомендуется под установочные винты установки подкладывать
металлические шайбы или сплошной металлический лист так как ножки
под действием веса установки могут вдавливаться в крышку стола и
вывести из горизонтального положения платформы;
не включать электродвигатель установки в сеть 127 В 50 Гц и в сеть
до включения электродвигателя ручку включения привода повернуть и
по окончании работы выключить электродвигатель и ручку включения
повернуть в положение «ВЫКЛ.»;
изменение направления вращения платформы производить после полной
ее остановки переключением электродвигателя;
запрещается вращать платформу руками — это вызывает повреждение
по окончании работы питание электродвигателя отключать а нажимной
УПРАВЛЕНИЕ УСТАНОВКОЙ
Перед работой платформа установки при помощи четырех винтов
расположенных на корпусе вставляется в горизонтальное положение по уровню.
Затем включается нажимной механизм фрикционного вариатора.
Включение нажимного механизма осуществляется поворотом ручки на
передней стенке установки в положение «ВКЛ.» а выключение — поворотом
против часовой стрелки.
Маховиком отсчетного механизма задается по лимбу необходимая угловая
скорость платформы. При этом риска на отсчетном лимбе соответствующая
задаваемой угловой скорости должна быть совмещена с риской на стекле
При совмещении рисок погрешность угловой скорости не должна превышать:
% для скоростей от 003 до 005°с; 3% для скоростей свыше 005 до 03°с;
% для скоростей свыше 03 до 150°с.
Если требуется более высокая точность угловой скорости то необходимо
вращением маховика отсчетного механизма изменить угловую скорость
платформы. Величина угловой скорости контролируется по секундомеру
измерением времени поворота платформы на сданным угол.
Угловая скорость вычисляется по формуле:
где W - угловая скорость платформы °с;
— угол поворота платформы град.;
t — время поворота на угол с.
Для уменьшения ошибки при отсчете рекомендуется угол выбирать таким
чтобы время t было не менее 50—60 с.
Необходимое направление вращения платформы выбирается согласно табличке
Необходимо замерить частоту питающегося напряжения двигателя установки
так как отсчетный лимб установки градуирован при частоте и сети 50 Гц.
Увеличение или уменьшение частоты пропорционально сказывается па величине
Почти все вращающиеся части механизма смонтированы на
шарикоподшипниках не требующих дополнительной смазки в процессе работы.
Через 100 часов работы необходимо смазывать маслом ОКБ-122-16 рабочие
поверхности валов фрикционного вариатора и ось отсчетного механизма (рис.
Для смазывания указанных мест следует снять маховик настройки снять
боковую стенку со стороны штепсельных разъемов протереть торцевые
поверхности валов бязью смоченной в бензине просушить протертые места в
течение 1 часа при Т==+ 20°С и снова протереть торцевые места поверхности
валов бязью слегка пропитанной маслом ОКБ-122—16. Смазку оси отсчетного
механизма производить через отверстия втулки на которой крепится отсчетный
После окончания работы установку следует отключить от сети и
обязательно выключить нажимной механизм поворотом ручки привода в положение
Не выключение нажимного механизма приведет к бринелированию дисков и
деформации шариков что выведет установку из строя.
После работы рекомендуется держать установку под чехлом из дерматина
или прорезиненной ткани.
ИНСТРУКЦИЯ ПО ПОВЕРКЕ
После двух лет эксплуатации секундомер типа СОПпр-2а-3 подлежит поверке
Последующие поверки секундомера производить не реже 1 раза в год. При
нормальной работоспособности секундомера разрешается его дальнейшая

08. ДУСВ-5-final (1).cdw

Технические характеристики:
Диапазон измеряемых скоростей
г . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 130
Время готовности с . . . . . . . . . . . . . . . . не более 1
Напряжение питния В . . . . . . . . . . . . . . . . .
Срок службы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 лет
Принципиальная схема ВОГ
Электронное устройство
Датчик угловых скоростей
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Автопилот стабилизации движения маневренного самолета
Ось чувствительности
(устанавливается по оси X ЛА)

ДУСВ-5.cdw

Технические характеристики:
Диапазон измеряемых скоростей
г . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 130
Время готовности с . . . . . . . . . . . . . . . . не более 1
Напряжение питния В . . . . . . . . . . . . . . . . .
Срок службы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 лет
Принципиальная схема ВОГ
Электронное устройство
Датчик угловых скоростей
Ось чувствительности
(устанавливается по оси X ЛА)