Способ измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений посредством гидродинамических гироскопов, способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс и способ определения его плавучести

Изобретение относится к гироскопической технике. В способе измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений комплексируют два гидродинамических гироскопа (ГДГ), кинематически не связанных между собой, реализуют подвес чувствительного элемента (ЧЭ) одного из них с аксиальным смещением центра масс в направлении кинетического момента, уравнивают коэффициенты передачи системы съема сигнала, постоянные времени ГДГ, устанавливают их на объекте управления таким образом, чтобы кинетические моменты были параллельны заданному направлению, при определении параметров движения в первом ГДГ формируют сигналы только об угловых движениях основания, во втором ГДГ-сигналы об угловых и поступательных движениях основания, выделяют из сигналов второго ГДГ сигналы о поступательных движениях основания с использованием сигналов первого ГДГ. В способе подвеса ЧЭ ГДГ с аксиальным смещением центра масс частично заполняют камеру подвеса поплавка жидкостью, обеспечивают его аксиальную нейтральную плавучесть, осуществляют предварительную регулировку системы съема сигнала и отбраковку поплавков по величине радиального смещения центра масс относительно его геометрического центра, минимизируют перекрестные связи между измерительными каналами подвеса ЧЭ ГДГ, осуществляют аксиальное смещение центра масс ЧЭ, контролируют плавучесть ЧЭ и корректируют количество жидкости во внутренней полости подвеса ЧЭ, окончательно регулируют систему съема сигнала ГДГ при вертикальном расположении оси собственного вращения до получения на его выходе минимального выходного напряжения Uo, осуществляют калибровку измерительной системы гироскопа. Техническим результатом является возможность разделения сигналов с гироскопов об угловых и поступательных движениях основания при перемещении по определенному рельефу местности. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Данное техническое решение относится к области гироскопической техники и может быть использовано для подвеса сферического поплавка с аксиальным смещением центра масс в сферической камере гидродинамического гироскопа (ГДГ), используемого в качестве измерителя углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений.

На фиг.1 представлена конструктивная схема гироскопа со сферическим гидродинамическим подвесом сферического чувствительного элемента-поплавка (шарового ротора).

Известный гидродинамический гироскоп (ГДГ) показан в [1, стр. 7]. При этом реально существующая конструктивная схема гидродинамического гироскопа показана на фиг.1. ГДГ представляет собой вращающуюся в подшипниках качения сферическую камеру 1, частично заполненную жидкостью (не показана) и помещенный в нее сферический поплавок 2 (ЧЭ). Механическое устройство предварительного центрирования поплавка 2 относительно камеры 1, выполненное в виде шарика 3, закрепленного в центре поплавка 2, и упоров 4, установленных в торцах сферической камеры 1 [1]. Система съема сигнала (датчик угла) ГДГ представляет собой постоянный магнит 5 (ротор), закрепленный в диаметральной плоскости поплавка 2, и кольцевую сигнальную катушку 6 (статор), закрепленную в корпусе прибора. Ось катушки при сборке ГДГ устанавливают соосно с осью вращения камеры 1 и поплавка 2. Для разделения сигналов между измерительными осями служат две обмотки опорных напряжений, закрепленных на каркасе сигнальной системы и смещенных друг относительно друга на угол 90 градусов.

Задача технического решения состоит в расширении области применения гидродинамического гироскопа со сферическим подвесом сферического чувствительного элемента (ЧЭ, поплавка) за счет более эффективного использования измерительных свойств сферического гидродинамического подвеса.

Техническое решение «Способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс»

Из математической модели ГДГ [1] известна область применения такого прибора в качестве двухкоординатного датчика угловых перемещений для динамичных движущихся объектов. При этом для обеспечения заданной точности ГДГ осуществляют тщательную балансировку сферического ЧЭ. Эта операция совмещения центра масс поплавка и его геометрического центра позволяет минимизировать отклоняющий поплавок момент при действии ускорений, перпендикулярных оси собственного вращения ГДГ. Этот минимизированный при балансировке момент повышает достоверность определения угловых перемещений основания, где установлен прибор, относительно его осей чувствительности, перпендикулярных оси собственного вращения подвеса (поплавковой камеры).

Из [1, глава 6] известен способ подвеса ЧЭ ГДГ, включающий частичное заполнение камеры подвеса поплавка жидкостью, обеспечивающей его аксиальную нейтральную плавучесть, и собственное вращение подвеса (прототип способа подвеса ЧЭ ГДГ).

Недостатком прототипа является отсутствие рекомендаций для реализации подвеса ЧЭ ГДГ с аксиальным смещением центра масс поплавка относительно его геометрического центра. А именно это смещение центра масс относительно геометрического центра поплавка дает возможность повысить «чувствительность» подвеса поплавка к действию ускорений, перпендикулярных оси его собственного вращения. Это необходимо для применения ГДГ по новому для него назначению - измерение углов отклонения заданного направления от вертикали и ускорений, перпендикулярных оси собственного вращения гидродинамического подвеса (ГДП) сферического поплавка. Кроме этого, при реализации ГДП поплавка со смещенным центром масс необходимо контролировать (определять) его плавучесть. Ранее такая задача не ставилась для ГДГ, и поэтому решение ее также отсутствует.

Частная задача 1 технического решения - это реализация подвеса ЧЭ ГДГ с аксиальным смещением центра масс. Здесь под термином «подвес» понимается не только непосредственное «взвешивание» (радиальное и аксиальное центрирование) поплавка в жидкости, а и реализация подвеса его относительно измерительных осей сигнальной системы и определение масштабного коэффициента, умножение на который выходного сигнала ГДГ позволит непосредственно определить искомые параметры (угол между заданным направлением и вертикалью и ускорений, перпендикулярных оси собственного вращения подвеса ЧЭ ГДГ).

Кроме этого, частная задача 1.1 - это определение плавучести ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс относительно его геометрического центра.

Задача решается так, что способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс, включающий частичное заполнение камеры подвеса поплавка жидкостью, обеспечивающее его аксиальную нейтральную плавучесть, и собственное вращение подвеса, отличающийся тем, что осуществляют предварительную регулировку системы съема сигнала так, что кольцевую сигнальную катушку системы съема сигнала путем последовательных поворотов вокруг осей чувствительности подвеса устанавливают в положение, когда ее электрическая ось совмещена с осью собственного вращения поплавка, а на выходе гироскопа получено выходное напряжение Uo, менее заданной величины, в случае, если выходное напряжение превышает наперед заданную величину, изменяют направление собственного вращения и определяют выходное напряжение U1 гироскопа, по величине которого отбраковывают поплавки с повышенным радиальным смещением центра масс относительно его геометрического центра, минимизируют перекрестные связи между измерительными каналами подвеса поплавка гироскопа, осуществляют аксиальное смещение центра масс поплавка, контролируют плавучесть поплавка и корректируют количество жидкости во внутренней полости подвеса поплавка, окончательно регулируют систему съема сигнала гироскопа при вертикальном расположении оси собственного вращения до получения на его выходе минимального выходного напряжения Uo. Минимизируют перекрестные связи между измерительными каналами таким образом, что вращают подвес вокруг одной из осей чувствительности и определяют при этом по сдвигу фаз выходного напряжения относительно одного из опорных напряжений коэффициент перекрестных связей между измерительными каналами гироскопа при определенном положении полусферических чашек поплавковой камеры, затем меняют взаимное расположение чашек поплавковой камеры путем изменения радиального зазора в аксиальном направлении и определяют повторно коэффициент перекрестной связи, находят, помечают положение чашек камеры, где минимизируется по абсолютной величине коэффициент перекрестной связи, и фиксируют в этом положении полусферические чашки поплавковой камеры после аксиального смещения центра масс поплавка. Осуществляют аксиальное смещение центра масс поплавка таким образом, что перед непосредственным смещением центра масс удаляют жидкость из камеры и извлекают из нее поплавок, замечают при этом фактическое положение поплавка относительно полусферических чашек камеры, на одном из торцев осевого отверстия поплавка удаляют массу m3, а на другом его торце размещают такую же массу m4, при этом суммарную величину m3+m4 выбирают из соотношения:

m3+m4≤(bω/2g) (Ro-Rуп)/(R22-Ro2), (M)

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении только углов отклонения заданного направления от вертикали;

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении углов

отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений;

где b - коэффициент сил вязкого трения поплавка о жидкость;

ω - угловая скорость собственного вращения подвеса поплавка гидродинамического гироскопа; g - ускорение силы тяжести;

R2, Ro, Rуп - радиусы поплавка, отверстия в нем и упора камеры;

А0 = {2γо2- (Ro-Rуп)2 / (R22 - Ro2)};

A1={2γoW/g}; A2=2(W/g)2, при

где γo - наибольший угол отклонения заданного направления от вертикали, W - максимальная величина поперечных ускорений перемещения основания.

затем помещают поплавок снова в поплавковую камеру с учетом помеченного в момент разборки камеры взаимного положения поплавка относительно чашек и взаимного положения чашек друг относительно друга, повторно заполняют поплавковую камеру жидкостью объемом, который обеспечивает аксиальную плавучесть поплавка, близкую к нейтральной. Корректируют количество жидкости во внутренней полости подвеса до минимизации по абсолютной величине скорости изменения выходного сигнала гироскопа.

Задача решается так, что способ определения плавучести чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным центром масс, включающий частичное заполнение камеры подвеса поплавка жидкостью, обеспечивающее аксиальную плавучесть чувствительного элемента гироскопа, близкую к нейтральной, и собственное вращение подвеса, отличается тем, что компенсируют постоянную составляющую выходного сигнала, обусловленную аксиальным смещением центра масс поплавка, определяют величину скорости изменения разбалансировки системы жидкое тело - поплавок таким образом, что центрируют поплавок относительно камеры и определяют скорость изменения выходного сигнала U* с подвеса чувствительного элемента гироскопа, ось собственного вращения которого наклонена к плоскости горизонта под углом 45°±15° так, что определяют приращение выходного напряжения ΔU гироскопа за фиксированный промежуток времени Δt и вычисляют ее по формуле: U*=ΔU/Δt, судят о плавучести поплавка по величине скорости изменения выходного сигнала с подвеса поплавка гироскопа.

Задача решается так, что способ определения плавучести чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным центром масс, по п.8, отличающийся тем, что компенсируют постоянную составляющую выходного сигнала, обусловленную аксиальным смещением центра масс поплавка, для чего вычитают из выходного напряжения компенсационный сигнал, который формируют из пары опорных напряжений системы съема сигнала путем суммирования их и согласования суммарного напряжения по фазе и по амплитуде с выходным сигналом гироскопа, определенным сразу после центрирования поплавка относительно камеры.

Новизна данной части технического решения состоит в том, что предложено дополнительно осуществлять смещение центра масс вдоль оси собственного вращения, окончательное регулирование системы съема сигнала при вертикальном расположении оси собственного вращения, а также проведение калибровки ГДГ, как измерителя углов отклонения заданного направления от вертикали.

Кроме этого, предложена конкретная методика по реализации операции аксиального смещения центра масс поплавка относительно его геометрического центра, позволяющая обеспечить отклонение поплавка относительно камеры на углы, не превышающие допускаемых аксиальным отверстием поплавка. То есть реализованное соотношением (М) и (ММ) смещение центра масс поплавка исключает возможность возникновения механического контакта поверхности его осевого отверстия и упоров, установленных в торцах поплавковой камеры. Дополнительно указано место нахождения новых операций (из отличительной части существенных признаков) технического решения в общей последовательности операций способа подвеса ЧЭ ГДГ. Рассмотрена достаточно подробно каждая из основных операций технического решения для осуществления способа подвеса ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс его поплавка вдоль оси собственного вращения.

Дополнительно разработан способ оценки плавучести ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс. Решение этой задачи потребовалось в связи с тем, что величина выходного сигнала гироскопа со смещенным центром масс ЧЭ и наклоненной осью собственного вращения к плоскости горизонта значительно превышает величины изменения его выходного сигнала, обусловленного остаточной не нулевой плавучестью поплавка. Данная не нулевая плавучесть ЧЭ ГДГ может образоваться после проведения регулировки перекрестных связей между его измерительными каналами и после смещения центра масс из-за не точности уравнивания удаляемой m3 и дополнительно размещаемой m4 масс поплавка.

На фиг.2 представлен вариант простейшей схемы, которую можно использовать для формирования компенсационного сигнала ГДГ при определении плавучести его ЧЭ со смещенным центром масс. На фиг.З показан ГДГ при регулировании системы съема сигнала и проведении его калибровки как измерителя углов отклонения заданного направления от вертикали.

На фиг.4 показан ГДГ в стволе скважины при определении угла наклона этой скважины к вертикали. При этом такое же положение ГДГ может занимать при жестком креплении его во внутренней полости бурового инструмента во время проведения направленного наклонного бурения.

Обоснование предложенного технического решения.

Рассмотрим получение инженерного соотношения (М) для расчета удаляемой и дополнительно размещаемой масс на поплавке ГДГ. Выпишем из [1 стр. 99] соотношение для расчета угла отклонения ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс на расстояние d в осевом направлении относительно геометрического центра. Учтем предварительно полученную нулевую аксиальную плавучесть поплавка (Δm=0) ГДГ, находящегося только в поле ускорения силы тяжести g: α2=m2dg/b2ω+m2dg/b1ω), где m2 - масса поплавка, b1, b2 -коэффициенты сил вязкого трения камеры и поплавка о жидкость [1, стр.99], причем b1≅b2 (при малом радиальном зазоре δ≪R1,R2 между поплавком, радиус которого R2, и камерой, радиус которой R: R1≅R2). С учетом этого угол отклонения поплавка можно оценить по формуле:

α2= 2m2 d g / b2ω, (1)

При получении соотношения (1), как и в книге [1] предполагается, что ось собственного вращения подвеса поплавка ГДГ горизонтальна. В этом положении, когда отклонение от вертикали оси собственного вращения ЧЭ ГДГ максимально, т.е. составляет 90 градусов, поплавок также отклонятся на наибольший фактический угол α2.

Учтем далее, что для смещения центра масс используется не вся масса поплавка m2, а только суммарная масса грузов m3+m4, тогда соотношение (1) приобретает вид:

С целью минимизации изменения общей массы поплавка предлагается размещать и удалять эти грузы с минимальной по величине массой. При этом для получения достаточного по величине отклонения поплавка относительно системы съема сигнала ГДГ из-за аксиального смещения центра масс предлагается размещать и удалять грузы на максимально возможном удалении от центра поплавка. Так как предложено удалять и размещать эти массы m3, m4 на торцах аксиального отверстия в поплавке, то d=(R22-Ro2)1/2, где Ro - радиус его осевого отверстия.

Введем в рассмотрение параметр подвеса ЧЭ ГДГ, определяющий момент возникновения механического контакта упоров, установленных в торцах поплавковой камеры, и поверхности осевого отверстия поплавка:

где Rуп - радиус упора устройства механического центрирования поплавка; (α2, β2)max - максимально возможные углы отклонения поплавка ГДГ относительно камеры и системы съема сигнала.

Соотношение (3) строго получено в [4]. Полагая для простоты, что поплавок отклоняется только относительно одной из осей чувствительности ГДГ, т.е. что β2max=0, приходим к следующей формуле:

Учтем далее, что упоры устройства предварительного центрирования поплавка, установленные в торцах поплавковой камеры ГДГ, не должны касаться поверхности его осевого отверстия во время измерений углов отклонения заданного направления от вертикали. Это означает, что максимальный возможный угол отклонения поплавка при проведении измерений должен быть не меньше наибольшего фактического, т.е. (α2)max≥α2. Подставляя в это неравенство формулы (3*) и (2), окончательно получаем: m3+m4≤(bω/2g)(Ro-Rуп)/(R22-Ro2), (М)

В соотношении (М) используется обозначение коэффициента, момента силы вязкого трения поплавка о жидкость b≡b2.

Обоснование соотношения (ММ) содержится в «Обосновании...» технического решения «Способ измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений»

Далее определим связь плавучести (Δm) ЧЭ ГДГ и изменения во времени разбалансировки системы жидкое тело - поплавок при перемещении его вдоль оси собственного вращения со скоростью е* (е - смещение поплавка относительно камеры в поле силы тяжести), когда ось вращения подвеса наклонена к плоскости горизонта под углом 45 градусов.

В упомянутой книге [1, стр.99] получено соотношение для приращения угла между осями поплавка и камеры, обусловленного разбалансировкой системы жидкое тело - поплавок. Когда отсутствует смещение центра масс (т.е. d=0 или m3=m4=0) и ускоренное перемещение подвеса отсутствует (W1×1=0), это приращение может быть оценено по формуле: α2=Δm g е/bω, где b - коэффициент сил вязкого трения камеры (или поплавка, т.к. b1≈b2=b) о жидкость, ω - скорость вращения подвеса поплавка, g - ускорение силы тяжести. Вводя в рассмотрение коэффициент передачи датчика угла Ксс системы съема сигнала с учетом угла наклона (α=45)° оси собственного вращения подвеса ЧЭ ГДГ, приращение выходного напряжения прибора будет равно: .

Дифференцируя по времени это соотношение, получим:

U*=k е*, (5)

где k=Δm g cosα/bω.

Далее учтем, что в поле силы тяжести ([1, стр. 91] z*=e*) скорость е* аксиального перемещения поплавка в рассматриваемом случае может быть определена по формуле (при W1z1=gsinα):

где Kμ, и Кρ - коэффициенты вязкого и гидродинамического демпфирования аксиальных движений поплавка ГДГ (выражения для их расчета также имеются в [1, стр. 95].

Подставляя (6) в (5), находим связь плавучести Δm поплавка ГДГ и скорости U* изменения выходного напряжения:

Таким образом, получено, что скорость изменения выходного напряжения ГДГ пропорциональна квадрату плавучести его ЧЭ. Из [1, стр.91] также известно, что коэффициенты инерционного гидродинамического и вязкого демпфирования связаны соотношением: Кμ≪Кρ, причем коэффициент Кρ пропорционален ω2, поэтому при пониженной угловой скорости собственного вращения в 1,5-2 раза коэффициент пропорциональности между U* и (Δm)2 будет в (1,5-2) раза больше. Пониженная скорость собственного вращения подвеса упрощает выявление U* и может быть определена при помощи обычного стрелочного вольтметра.

Обоснуем далее выбор количества жидкости, которое нужно добавить в поплавковую камеру, для получения нулевой плавучести ЧЭ ГДГ с учетом определенной скорости изменения выходного сигнала с подвеса ЧЭ ГДГ после выполнения регулировки коэффициента перекрестных связей и смещения центра масс поплавка ГДГ.

Так в [1, стр. 94] записана формула для расчета массы вытесненной поплавком жидкости, откуда следует, что объем вытесненной поплавком жидкости можно вычислить в соответствии с соотношением:

Vп=(4π/3)(R22-R32)3/2, где R2 - радиус сферического поплавка. В случае, если радиус сферы будет равен R1-радиусу камеры, тогда

Vк=(4π/3)(R12-R32)3/2, здесь R3-радиус свободной поверхности, характеризующий частичное заполнение подвеса жидкостью. Составляя разность Vк-Vп, находим объем жидкости, который необходимо залить в сферическую часть подвеса поплавка:

Vк-Vп=(4π/3)((R12-R32)3/2-(R22-R32)3/2). Вводя в рассмотрение торцевые полости (камеры) стабилизации плавучести цилиндрической формы (на фиг.1 не показаны), находим верхнюю границу количества заливаемой жидкости:

R3=R2 sinθ1 - радиус свободной поверхности жидкости цилиндрической формы в торцевых частях подвеса ЧЭ ГДГ; θ1=arccos ((1/R2)(3m2/4πρ)1/3); π=3.14; m2 - масса поплавка; ρ - плотность рабочей жидкости; R4, Н - радиус и ширина цилиндрических камер стабилизации плавучести.

Учтем далее, что после всех операций, изменяющих радиальный зазор подвеса и массу поплавка ГДГ, фактический радиус свободной поверхности изменится (в самом общем случае увеличится или уменьшится): R3→R5, причем |R3-R5|≪R3. Заменяя в (8) радиус свободной поверхности R3 на R5, находим нижнюю границу для объема залитой в подвес жидкости:

R5=(1,1-1,2) R3<R6 - расстояние от оси вращения поплавковой камеры до оси соединительных каналов цилиндрических камер стабилизации плавучести.

Для обеспечения выполнения закона Архимеда радиус свободной поверхности R3 выбирают из условия выполнения равенства массы поплавка m2 и вытесненной им жидкости. Выполнение этого закона отражает соотношение для вычисления угла-параметра θ1 (далее его будем называть «углом свободной поверхности жидкости»). Объединяя (9) и (8), находим соотношение для оценки объема залитой жидкости в подвесе: V1<V≤V2 (10)

Здесь выполнено главное условие, что при заполнении камеры подвеса поплавка жидкостью и последующих регулировках ГДГ нужно обязательно не нарушить «связь» между сферической камерой и торцевыми камерами стабилизации плавучести ЧЭ ГДГ. При этом не исключается возможность заполнения подвеса и номинальным количеством жидкости V2 (на это указывает знак нестрогого неравенства в правой части (10): ≤). Только в этом случае последующая настройка подвеса будет более трудоемкой, так как потребуется как доливка, так и удаление излишков жидкости ΔV после регулировки коэффициента упругой связи между измерительными каналами ГДГ и смещения центра масс его ЧЭ.

Для реализации высокоточной заливки важно знать связь между плавучестью ЧЭ ГДГ и количеством доливаемой жидкости. Покажем эту связь. Для этого составим разность ΔV=V2-V1:

ΔV=(4/3)π((R12-R32)3/2-(R22-R32))3/2-(4/3)π((R12-R52)3/2-(R22-R52))3/2)+2π(R42-R32)H-2π(R42-R52)H;

Введем в рассмотрение угол θ1 (см. [1, стр. 93]) и приращение Δθ1 угла свободной поверхности жидкости, характеризующие частичное заполнение камеры подвеса поплавка и изменение радиуса R3, соответственно, причем

Δθ1≪θ1 (sinθ1=R3/R2).

Учтем далее, что

(R12-R32)3/2=((R1)cosθ1)3; (R22-R32)3/2=((R2)cosθ1)3;

(R12-R52)3/2=((R1)cos(θ1+Δθ1))3; (R22-R52)3/2 =((R2)cos(θ1+Δθ1))3;

R52=((R2)sin(θ1+Δθ1))2; R32=((R2)sin(θ1))2,

а также, что известные формулы тригонометрии при Δθ1≪θ1 преобразуются следующим образом:

cos(θ1+Δθ1)=cosθ1-sinθ1·Δθ1; sin(θ1+Δθ1)=sinθ1+cosθ1·Δθ1.

Тогда выражение для приращения ΔV, примет вид:

где δ=R1-R2 - радиальный зазор между камерой и поплавком.

Таким образом, получено, что с учетом малости Δθ1 по сравнению с θ1, объем доливаемой жидкости ΔV пропорционален приращению угла свободной поверхности жидкости Δθ1.

С учетом введенного угла свободной поверхности жидкости θ1 формула для расчета массы вытесненной поплавком жидкости mвж=(4π/3)ρ(R22-R32)3/2, выписанная из [2, стр. 94], приобретает вид: mвж=(4π/3)ρ(R2)3cos3θ1.

Рассмотрим далее связь изменения угла свободной поверхности Δθ1 и изменения (приращения) массы вытесненной поплавком жидкости. То есть определим плавучесть ЧЭ ГДГ: Δm=mвж-m2 при изменении вытесняемой поплавком массе жидкости mвж:

Отсюда находим, что ΔV=K·Δm, где

В результате этих рассуждений получен значимый инженерный результат: изменение плавучести поплавка пропорционально изменению количества жидкости в поплавковой камере при принятых допущениях, которые имеют место на практике. С учетом выражений (13) и (7) можно выбрать посредством предварительного расчета с последующим уточнением опытным путем количество жидкости, которое нужно добавить (или удалить) из внутренней полости подвеса ЧЭ ГДГ, чтобы восстановить нулевую плавучесть поплавка после всех проведенных операций с его гидродинамическим подвесом с использованием измеренной скорости U*.

Угол наклона α оси собственного вращения подвеса поплавка ГДГ к плоскости горизонта выбран исходя из обеспечения максимальной скорости изменения выходного напряжения ГДГ. Дифференцируя (7) по углу α:

(Kcc(Δmg)2cosαsinα/bω(Kμ+Kρ))*=(Kcc(Δmg)2соs2α/bω(Кμ+Кρ),

и приравнивая полученный результат к нулю: В cos2α=0,

где B=Kcc(Δmg)2/bω(Кμ+Кρ), находим оптимальный угол наклона оси собственного вращения к плоскости горизонта: α=45°. Далее определив вторую производную (7) по углу и подставив в нее α=45°, можно убедиться, что в этом случае скорость изменения выходного сигнала ГДГ будет наибольшей. Отсюда и назначены пределы изменения угла наклона оси собственного вращения к плоскости горизонта: α=(45±15)°.

Способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс (для измерения углов отклонения от вертикали заданного направления и, в случае необходимости, измерения поперечных ускорений) реализуется следующим образом.

Частично заполняют камеру подвеса поплавка жидкостью, обеспечивая при этом аксиальную нейтральную плавучесть чувствительного элемента гироскопа. Выполнение данной операции сводится к заливке подвеса жидкостью частично строго определенного объема, выбранного из условия обеспечения равенства массы поплавка и вытесненной им жидкости в аксиальном направлении. (см. формулу (10) из обоснования к данной части технического решения).

Осуществляют собственное вращение подвеса с номинальной угловой скоростью. При выполнении этой операции подают номинальное напряжение питания на электродвигатель привода подвеса (на фиг.1 не показан).

Осуществляют предварительную регулировку системы съема сигнала и отбраковку поплавков по величине радиального смещения центра масс относительно его геометрического центра.

Регулируют систему съема сигнала таким образом, что кольцевую сигнальную катушку системы съема сигнала путем последовательных поворотов вокруг осей чувствительности подвеса устанавливают в положение, когда ее электрическая ось совмещена с осью собственного вращения поплавка, а на выходе гироскопа получено выходное напряжение Uo, менее заданной величины в отсутствие входных угловых воздействий.

Данную операцию можно выполнять как при вертикальной оси собственного вращения подвеса, так и при горизонтальной его оси собственного вращения. Только при горизонтальной оси собственного вращения подвеса желательно предварительно центрировать поплавок относительно камеры. Центрирование поплавка относительно камеры осуществляют посредством последовательного ее разгона до угловых скоростей, превышающих номинальную в 1,5-2 раза с последующим ее торможением до номинальной угловой скорости собственного вращения. Обоснование способа центрирования можно найти в [7]. Предварительная регулировка системы съема сигнала считается законченной, если удалось получить на выходе ГДГ напряжение, менее заданного.

Однако в некоторых случаях установить такое выходное напряжение не удается. Причина этого явления состоит в том, что, использованный при этом поплавок имеет недопустимо значительное радиальное смещение центра масс относительно его геометрического центра. Для подтверждения этой причины изменяют направление собственного вращение подвеса и определяют при этом выходное напряжение U1 гироскопа. Этот параметр ГДП пропорционален радиальному смещению центра масс ЧЭ ГДГ. В связи с этим по его величине судят о повышенном радиальном смещении центра масс поплавка. Такие поплавки и отбраковывают. Именно для этого и проводится предварительная регулировка (настройка) системы съема сигнала ГДГ.

Минимизируют перекрестные связи между измерительными каналами ГДГ, поплавок, которого еще не имеет аксиального смещения центра масс относительно его геометрического центра. Эту операцию выполняют так.

Вращают подвес вокруг одной из осей чувствительности и определяют при этом по сдвигу фаз выходного напряжения относительно одного из опорных напряжений коэффициент перекрестных связей между измерительными каналами гироскопа при определенном положении полусферических чашек поплавковой камеры.

Затем меняют взаимное расположение чашек поплавковой камеры таким образом, что изменяют радиальный зазор в аксиальном направлении и определяют повторно коэффициент перекрестной связи.

В заключение находят и помечают (например, риской или краской на внешней цилиндрической поверхности) положение чашек камеры, где минимизируется по абсолютной величине коэффициент перекрестной связи всей взаимодействующей совокупности элементов подвеса, и фиксируют в этом положении полусферические чашки поплавковой камеры (после смещения центра масс поплавка). Взаимодействующими элементами подвеса ЧЭ при формировании перекрестных связей ГДГ являются: сам поплавок, поплавковая камера и сигнальная катушка системы съема сигнала гироскопа.

Далее следует основная операция, отличающая настройку подвеса ЧЭ ГДГ, для последующего измерения углов отклонения заданного направления от вертикали или ускорений, перпендикулярных его оси собственного вращения.

Осуществляют смещение центра масс поплавка в аксиальном направлении.

При выполнении этой операции удаляют жидкость и извлекают поплавок из камеры. При этом разъединяют полусферические чашки поплавковой камеры с нанесенными на ее внешней поверхности отметками.

Помечают фактическое взаимное расположение поплавка относительно полусферических чашек (например, также наносят отметку смываемой краской определенного цвета на полусферической поверхности поплавка и соответствующей ей поверхности чашки).Это необходимо для последующего воспроизведения (восстановления) взаимного положения поплавка относительно полусферических чашек, чтобы сохранить величину минимизированного коэффициента перекрестных связей между измерительными каналами после аксиального смещения центра масс.

На одном из торцов осевого отверстия поплавка удаляют массу m3 (см. фиг.1). Например, удаляют одно из торцевых балансировочных колец поплавка (для реально существующей конструкции массой около 2-3 г.)

На другом его торце размещают дополнительно такую же массу m4. Например, устанавливают вместо такого же балансировочного кольца, кольцо в два раза большей массы. При этом массу увеличивают за счет увеличения размеров кольца и применения металла большей плотности (например, из свинца). При этом суммарную величину m3+m4 выбирают из соотношения:

m3+m4≤(bω/2g) (Ro-Rуп)/(R22-Ro2), (М)

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении только углов отклонения заданного направления от вертикали;

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений; где b - коэффициент сил вязкого трения поплавка о жидкость (расчетная формула для вычисления b известна из [1, стр. 99];

ω - угловая скорость собственного вращения подвеса поплавка гидродинамического гироскопа; g - ускорение силы тяжести;

R2, Ro, Rуп - радиусы поплавка, отверстия в нем и упора камеры.

А0={2γ02-(Ro-Rуп)2/(R22-Ro2)};

A1={2γ0W/g}; A2=2(W/g)2, при d=√(R22-Ro2)

где γ0 - наибольший угол отклонения заданного направления от вертикали, W - максимальная величина поперечных ускорений перемещения основания.

Удаление и дополнительное размещение одинаковых масс увеличивает смещение центра масс при практически неизменной общей массе поплавка ГДГ. Следует отметить, что можно дополнительно размещать недостающую массу, распределяя ее вдоль образующей цилиндрической поверхности осевого отверстия поплавка, т.е. несколько уменьшая его радиус.

Далее помещают доработанный поплавок снова в поплавковую камеру и с учетом отмеченного в момент разборки камеры взаимного положения поплавка относительно чашек и взаимного положения самих чашек друг относительно друга фиксируют полусферические чашки поплавковой камеры в этом положении.

Повторно заполняют поплавковую камеру жидкостью того же объема, что и ранее. То есть заливают в камеру удаленную из нее жидкость, количество которой выбрано из условия обеспечения нейтральной (нулевой) аксиальной плавучести ЧЭ ГДГ.

Далее контролируют (определяют) плавучесть ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс и корректируют, в случае необходимости, количество жидкости во внутренней полости подвеса. Эту операцию выполняют следующим образом.

В начале контролируют плавучесть поплавка по величине скорости изменения разбалансировки системы жидкое тело - поплавок таким образом, что центрируют поплавок относительно камеры и определяют скорость изменения выходного сигнала с подвеса ЧЭ гироскопа, ось собственного вращения которого наклонена к плоскости горизонта под углом 45±15 градусов. Судят о плавучести поплавка по величине скорости изменения выходного сигнала с подвеса поплавка гироскопа.

При центрировании поплавка разгоняют камеру до угловых скоростей, превышающих номинальную в 1.5-2 раза с последующим ее торможением до номинальной угловой скорости собственного вращения. При этом в сферическом гидродинамическом подвесе возникает центрирующая поплавок сила, которая совмещает центры поплавка и камеры.

При наклоне оси собственного вращения ГДП под углом к плоскости горизонта в поле силы тяжести за счет ненулевой плавучести поплавок ГДГ начинает осевое перемещение. При этом возникает разбалансировка системы жидкое тело - поплавок, т.е. он отклоняется постепенно на некоторый угол относительно камеры и системы съема сигнала ГДГ. Таким образом, происходит изменение его выходного напряжения. При этом скорость изменения выходного сигнала зависит от величины ненулевой плавучести ЧЭГДГ.

Перед определением скорости изменения выходного сигнала (обусловленной ненулевой плавучестью ЧЭ ГДГ) компенсируют его постоянную составляющую, обусловленную аксиальным смещением центра масс поплавка. Для чего вычитают из выходного напряжения компенсационный сигнал, который формируют из пары опорных напряжений системы съема сигнала путем суммирования их и согласования суммарного напряжения по фазе и по амплитуде с выходным сигналом гироскопа, определенным сразу после центрирования поплавка относительно камеры.

Следует отметить, что в выходном сигнале ГДГ сразу после центрирования поплавка (когда его аксиальное смещение относительно камеры отсутствует) составляющая выходного напряжения, обусловленная разбалансировкой системы жидкое тело - поплавок равна нулю. Именно поэтому уравнивают фазу и амплитуду компенсационного сигнала с фазой и амплитудой выходного напряжения ГДГ, зафиксированного сразу после центрирования поплавка относительно камеры.

Формируют компенсационный сигнал с использованием схемы, представленной на фиг.2. При вращении подвеса ЧЭ ГДГ с выхода обмоток опорного напряжения сигналы Uoп1 и Uoп2 подают соответственно на входы усилителей 1 и 2 и далее на вход фазосдвигающего устройства 3. Подбирая коэффициенты передачи усилителей 1 и 2, грубо выставляют необходимое совпадение фазы компенсационного сигнала и фазы выходного сигнала с подвеса ЧЭ ГДГ. Устройство 3 представляет собой сумматор, где при помощи регулировки параметров R1, R2, R3 выставляется необходимое точное совпадение фазы компенсационного сигнала Uк и выходного сигнала Ucc с подвеса ЧЭ ГДГ. Контролируется это совпадение фаз при помощи обычного двухлучевого осциллографа Ос (например, типа С 1-69). На один его вход подают выходной сигнал Ucc с подвеса ЧЭ ГДГ, обусловленный наклоном оси собственного вращения к плоскости горизонта в момент завершения центрирования поплавка. На другой вход Ос подают компенсационный сигнал Uк. Сигнал с выхода сумматора 3, согласованный по фазе с выходным сигналом с подвеса ЧЭ ГДГ, поступает на инвертирующий вход усилителя 4. В нем при помощи регулирования параметров R4, R5 изменяют коэффициент усиления и осуществляют при этом грубое согласование компенсационного сигнала по амплитуде с выходным сигналом с подвеса ЧЭ ГДГ. С выхода усилителя 4 сигнал компенсации поступает на один из входов сумматора 5, где при помощи резистора R7 происходит его точное согласование по амплитуде с выходным сигналом с подвеса ЧЭ ГДГ. При этом компенсационный сигнал Uк поступает на вход сумматора 5 уже в противофазе по отношению к выходному напряжению Ucc с кольцевой катушки системы съема сигнала с подвеса ЧЭ ГДГ. На другой вход сумматора 5 поступает сигнал Ucc с выхода кольцевой катушки системы съема сигнала ГДГ, пропорциональный углу наклона оси собственного вращения к плоскости горизонта в момент завершения центрирования поплавка. В сумматоре 5 эти сигналы алгебраически суммируются и таким образом минимизируется постоянная составляющая выходного напряжения ГДГ.

После «удаления» таким образом постоянной составляющей из выходного сигнала с подвеса ЧЭ ГДГ, обусловленной смещением центра масс поплавка, выходное напряжение существенно уменьшается и поэтому упрощается выявление скорости изменения выходного напряжения, обусловленного ненулевой плавучестью ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс. При этом для измерения выходного напряжения используют более чувствительный диапазон измерения стрелочного вольтметра (например, типа В3-7, В7-27).

Находят скорость изменения выходного сигнала U* гироскопа таким образом, что определяют приращение выходного напряжения ΔU гироскопа за фиксированный промежуток времени Δt и вычисляют ее по формуле: U*=ΔU/Δt. Эта скорость характеризует скорость изменения разбалансировки системы жидкое тело - поплавок ГДГ. По ее величине судят о наличии ненулевой плавучести поплавка гироскопа с ЧЭ, имеющем аксиальное смещение центра масс (см. формулу (7)).

Корректируют объем жидкости во внутренней полости подвеса ЧЭ ГДГ до минимизации по абсолютной величине U* - скорости изменения выходного сигнала гироскопа. Эту операцию выполняют так.

Центрируют поплавок относительно камеры (тем же способом, что и ранее). Определяют скорость U* изменения выходного сигнала ГДГ. Затем доливают (через торцевые заливочные отверстия) во внутреннюю полость подвеса количество жидкости, определенной из соотношений (14) и (15):

После этого повторно определяют скорость U*. Если ее величина уменьшилась на столько, что даже при снижении угловой скорости собственного вращения подвеса ее сложно определить, то считают корректировку объема жидкости в подвесе завершенной. Следует учитывать, что при снижении скорости собственного вращения подвеса ЧЭ ГДГ выходное напряжение системы съема сигнала несколько возрастет из-за изменения углового положения поплавка относительно сигнальной катушки.

Это связано с тем, что возмущающий момент, обусловленный остаточным радиальным смещением центра масс, проявляющийся при аксиальной качке в подшипниках качения поплавковой камеры, который определяет угловое положение поплавка относительно сигнальной катушки, зависит от частоты собственного вращения. Поэтому для выявления скорости изменения выходного сигнала необходимо лишь уточнить величину и фазу компенсационного сигнала, формируемого при помощи схемы, представленной на фиг.2. Далее окончательно герметизируют камеру подвеса поплавка ГДГ. Так может завершиться корректировка, если при настройке подвеса радиус свободной поверхности увеличивался относительно номинального, соответствующего нулевой плавучести поплавка ГДГ. Однако возможно после проведения всех манипуляций радиус свободной поверхности R3 не увеличился, а уменьшился. В этом случае проведенная доливка будет причиной дальнейшего уменьшения радиуса свободной поверхности. А величина скорости изменения выходного сигнала с гироскопа увеличится. В этом случае удаляют из внутренней полости подвеса объем жидкости, равный 2ΔV (т.е. удаляют «ошибочно» залитое и расчетное количество жидкости). Следует отметить, что даже без использования соотношений (14) и (15) методом последовательных приближений (доливок и удалений жидкости) можно получить скорость U*, близкую к нулю.

Далее уточняют окончательно регулировку системы съема сигнала ГДГ. При этом устанавливают ось собственного вращения подвеса ЧЭ ГДГ вертикально и путем последовательных разворотов кольцевой сигнальной катушки минимизируют выходное напряжение ГДГ в отсутствие входных угловых воздействий. Получают на выходе прибора минимальное напряжение Uo. По существу, так формируют «начало отсчета» измерительной системы ГДГ.

Способ подвеса чувствительного элемента ГДГ с аксиальным смещением центра масс предназначен для реализации подвеса поплавка прибора, который может быть использован в качестве инклинометра при определении текущих значений углов отклонения скважин от вертикали при проведении буровых работ. Кроме того, предложенный способ также предназначен для реализации аксиального смещения центра масс в измерителе угловых отклонений заданного направления от вертикали и поперечных ускорений, называемого иногда гироскопической инерциальной системой измерения пространственного положения (ГИСИПП) (технический результат).

Технический эффект способа подвеса его сферического поплавка с аксиальным смещением центра масс состоит в реализации основных операций. К ним относятся следующие.

Осуществляют частичное заполнение камеры подвеса поплавка, прошедшего предварительную аксиальную балансировку, жидкостью, обеспечивающее его аксиальную нейтральную плавучесть, и собственное вращение подвеса.

Осуществляют предварительную регулировку системы съема сигнала и отбраковку поплавков по величине радиального смещения центра масс относительно его геометрического центра.

Минимизируют перекрестные связи между измерительными каналами подвеса поплавка гироскопа.

Осуществляют аксиальное смещение центра масс поплавка.

Контролируют плавучесть поплавка и корректируют количество жидкости во внутренней полости подвеса поплавка.

Окончательно регулируют систему съема сигнала гироскопа при вертикальном расположении оси собственного вращения до получения на его выходе минимального выходного напряжения Uo.

Осуществляют аксиальное смещение центра масс поплавка таким образом, что перед непосредственным смещением центра масс удаляют жидкость из камеры и извлекают из нее поплавок, замечают при этом фактическое положение поплавка относительно полусферических чашек камеры, на одном из торцов осевого отверстия поплавка удаляют массу m3, а на другом его торце размещают такую же массу m4, при этом суммарную величину m3+m4 выбирают из соотношения:

m3+m4≤(bω/2g)(Ro-Rуп)(R22-Ro2), (М)

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении только углов отклонения заданного направления от вертикали;

m3+m4≤(bω/2dg)(-A1±√(A12)-A0A2)/A2 (MM)

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений;

где b - коэффициент сил вязкого трения поплавка о жидкость;

ω - угловая скорость собственного вращения подвеса поплавка гидродинамического гироскопа; g - ускорение силы тяжести;

R2, Ro, Rуп - радиусы поплавка, отверстия в нем и упора камеры;

А0={2γ02-(Ro-Rуп)2/(R22-Ro2)};

A1={2γ0W/g}; A2=2(W/g)2, при d=√(R22-Ro2),

где γ0 - наибольший угол отклонения заданного направления от вертикали, W - максимальная величина поперечных ускорений перемещения основания. Затем помещают поплавок снова в поплавковую камеру с учетом помеченного в момент разборки камеры взаимного положения поплавка относительно чашек и взаимного положения чашек друг относительно друга, повторно заполняют поплавковую камеру жидкостью объемом, который обеспечивает аксиальную плавучесть поплавка, близкую к нейтральной.

Определяют плавучесть чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным центром масс таким образом, что компенсируют постоянную составляющую выходного сигнала, обусловленную аксиальным смещением центра масс поплавка, определяют величину скорости изменения разбалансировки системы жидкое тело - поплавок так, что центрируют поплавок относительно камеры и определяют скорость изменения выходного сигнала U* с подвеса чувствительного элемента гироскопа, ось собственного вращения которого наклонена к плоскости горизонта под углом 45°±15° так, что определяют приращение выходного напряжения ΔU гироскопа за фиксированный промежуток времени Δt и вычисляют ее по формуле: U*=ΔU/Δt, судят о плавучести поплавка по величине скорости изменения выходного сигнала с подвеса поплавка гироскопа.

Компенсируют постоянную составляющую выходного сигнала, обусловленную аксиальным смещением центра масс поплавка, для чего вычитают из выходного напряжения компенсационный сигнал, который формируют из пары опорных напряжений системы съема сигнала путем суммирования их и согласования суммарного напряжения по фазе и по амплитуде с выходным сигналом гироскопа, определенным сразу после центрирования поплавка относительно камеры.

Дополнительный технический эффект от реализации данного способа также состоит в том, что при калибровке пары гироскопов, предназначенных для измерения углов отклонения заданного направления от вертикали, определяют коэффициенты передачи систем съема сигнала К1 и К2, постоянных времени Т1 и Т2 обоих гироскопов, а также маятниковости km2 второго гироскопа. Более подробно он отражен в техническом решении «Способ измерения углов отклонении заданного направления от вертикали и поперечных ускорений».

Рассмотрим далее применение гидродинамического гироскопа (ГДГ), чувствительный элемент (сферический поплавок) которого имеет аксиальное смещение центра масс в качестве измерителя углов отклонения заданного направления от вертикали. Такое применение ГДГ предполагает дистанционное измерение углов.

Техническое решение «Способ измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений посредством гидродинамических гироскопов».

Аналогом для заявляемого технического решения является способ гидродинамического подвеса сферического чувствительного элемента (поплавка) гидродинамического гироскопа (см. [1, стр.7]), включающий полное заполнение жидкостью радиального зазора между сферическим поплавком и камерой, обеспечивающее при этом положительную плавучесть поплавка, а также собственное вращение сферической камеры и поплавка.

Недостатком аналога является зависимость плавучести чувствительного элемента гидродинамического гироскопа (ЧЭ ГДГ) от температуры окружающей среды из-за изменения от температуры плотности поддерживающей поплавок жидкости. В связи с этим для получения необходимой точности измерения параметров углового движения основания гидродинамический гироскоп необходимо термостатировать, что усложняет конструкцию подвеса ЧЭ и прибора в целом.

Прототипом для заявляемого способа выбран способ подвеса ЧЭ ГДГ, представленный в [1, глава 6], который включает частичное заполнение радиального зазора между поплавком и камерой рабочей жидкостью, обеспечивающей равенство массы поплавка и вытесненной им жидкости в аксиальном направлении, и собственное вращение подвеса поплавка гироскопа.

Недостаток технического решения, выбранного за прототип, состоит в том, известный способ подвеса ЧЭ ГДГ реализует подвес поплавка, позволяющего определять только углы отклонения заданного направлении от направления оси собственного вращения ЧЭ ГДГ. При этом в нем отсутствуют операции позволяющие, дополнительно осуществлять изменение поперечных ускорений.

Задачей технического решения является расширение области применения подвеса ЧЭ ГДГ для измерения одновременно углов отклонения основания от заданного ЧЭ ГДГ направления (z) и переносных ускорений, ему перпендикулярных Wx и Wy.

Поставленная задача решается так, что способ измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений посредством гидродинамических гироскопов, включающий частичное заполнение радиальных зазоров между поплавками и камерами рабочей жидкостью, обеспечивающей равенство массы поплавков и вытесненной ими жидкости в аксиальном направлении, и собственное вращение подвесов поплавков гироскопов, отличающийся тем, что реализуют подвес чувствительного элемента одного из гироскопов с аксиальным смещением центра масс в направлении кинетического момента, определяют коэффициенты передачи системы съема сигнала К1 и К2, постоянные времени гироскопов Т1 и Т2, маятниковость km2 второго гироскопа таким образом, что устанавливают ось вращения 1 и 2 гироскопов горизонтально и определяют в отсутствие вращения платформы выходные сигналы Uα1(1)=Uα10, Uα2(1)=Uα20, вращают платформу поворотной установки, где установлен измеритель, с заданной угловой скоростью ωвх, вокруг оси, перпендикулярной оси собственного вращения гироскопов в плоскости горизонта, и определяют выходные сигналы Uα1(2)=Uα1 и Uα2(2)=Uα2, осуществляют импульсный останов платформы поворотной установки, где размещен измеритель, и определяют при этом интервалы времени t1 и t2 переходных процессов уменьшения сигналов

Uα1(2)=Uα1 и Uα2(2)=Uα2 до Uα1(1)=Uα10, Uα2(1)=Uα20,

вычисляют постоянные времени каждого из гироскопов в соответствии с соотношениями T1=t1/3, T2=t2/3, а коэффициенты передачи гироскопов по углу К1 и К2 и второго гироскопа по ускорению km2, находят по формулам K1=(Uα1(2)-Uα1(1))/T1ωвх, K2=(Uα2(2)-Uα2(1))/T2ωвх, km2=Uα2(1)/К2, уравнивают коэффициенты передачи К1=К2=К системы съема сигнала, постоянные времени Т1=Т2=Т гироскопов, устанавливают гироскопы на объекте управления таким образом, чтобы кинетические моменты были параллельны заданному направлению, при определении параметров углового и поступательного движения в первом гироскопе формируют сигналы только об угловых движениях основания, во втором гироскопе формируют сигналы, содержащие информацию об угловых и поступательных движения объекта управления, выделяют из сигналов второго гироскопа информационные сигналы о поступательных движениях объекта управления, для чего используют информационные сигналы первого гироскопа.

Уравнивают постоянные времени Т1 и Т2, коэффициенты передачи датчиков углов К1 и К2 так, что изменяют скорость собственного вращения одного или обоих гироскопов и изменяют коэффициент передачи канала съема сигнала у одного или обоих гироскопов.

При отклонении основания от вертикали на углы α, β и перемещении его с поперечными ускорениями Wx, Wy формируют на выходе первого гироскопа сигналы об угловых движениях основания

U3=U(αω)=Uα1=К(-Тр/(Тр+1))α, U4=U(βω)=Uβ1=K(-Тр(Тр+1))β,

выделяют из сигналов второго гироскопа Uα2 и Uβ2 сигнал о поступательных движениях объекта управления с использованием сигналов первого гироскопа в соответствии с соотношениями:

U(αW)=Uα2-Uα1=K(km/(Tp+1))(Wx/g)+(km2/(Tp+1)2))β),

U(βW)=Uβ2-Uβ1=K(km/(Tp+1))(Wy/g)-(km2/(Tp+1)2))α),

кроме того, пропускают выходные сигналы первого гироскопа Uα1 и Uβ1 через звенья с передаточной функцией Кк/р(Тр+1) и далее определяют выходные сигналы о поступательных движениях основания по формулам

U1=U(αω)Кк/p(Tp+1)-U(βW)=-K((km2(Тр+1))Wy/g,

U2=U(βω)Kк/p(Tp+1)+U(αW)=К((km2(Tp+1))Wx/g,

где Кк=km2/T=m1g/bωТ, К1=К2=К, Т1=Т2=Т

при этом выделяют из сигналов второго гироскопа сигналы о поступательных движениях объекта управления, для чего используют найденные при калибровке и уравненные при настройке параметры (К1, К2)=К, (Т1, Т2)=Т, km2 первого и второго гироскопов.

На фиг.5 представлена конструктивная схема измерителя отклонений заданного направления от вертикали и поперечных ускорений (гироскопическая инерциальная система измерения пространственного положения ГИСИПП) с блоком преобразования информации (БПИ), реализующая предложенный способ.

На фиг.6 представлен ГИСИПП при реализации способа его испытаний (т.е. при калибровке с целью определения параметров) во время настройки и формирования идентичности параметров каналов измерения углового и поступательного движений основания.

Обоснование способа измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений посредством гидродинамического гироскопа

Пусть у ГДГ 1 отсутствует маятниковость, в ГДГ 2 имеется смещение центра масс поплавка вдоль оси собственного вращения.

Запишем линейные прецессионные уравнения для 2 ГДГ [1, стр.101] с учетом маятниковости Нβ2*+bωβ2+m1gα2=-Hβ*+m1(Wy-gα)

-Нα2*-bωα2+m1gβ2=Нα*-m1(Wx+gβ) (1)

Применяя прямое преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях к уравнениям (1), запишем их в виде

(Т2р+1)β2+km2α2=-Т2рβ+km2(Wy/g-α) (2)

km2β2-(Т2р+1)α2=Т2pα-km2(Wx/g+β) (3)

где Т2=Н2/bω=Io/b; km2=m1g/bω, р - оператор дифференцирования.

Для определения β2 и α2, запишем определители

Полагая, km22≪1, получаем Δ=-(Т2р+1)2

Для 1 ГДГ уравнения движения имеют вид

Из (8), применяя прямое преобразование Лапласса, имеем

выходные напряжения датчиков углов ГДГ с учетом К1=К2=К - крутизны представляются в виде: Uα1=Kα1, Uβ1=Kβ1; Uα2=Kα2, Uβ2=Kβ2.

Далее полагаем, что параметры гироскопов 1 и 2 определены и уравнены в соответствии со специальными методиками, которые рассматриваются ниже. Для определения параметров углового движения определяются следующие сигналы:

Для оценки параметров поступательного движения находятся следующие вспомогательные сигналы:

Соотношения (10) - (13) назовем вычислениями 1 этапа. Введем в рассмотрение звенья компенсации Кк/р(Тр+1) (14.1), где Кк - коэффициент усиления, Т - постоянная времени ГДГ [1, стр.101], тогда при

Т*Кк=km (14.2) вычисления 2 этапа будут следующие:

Kк=km/T=m1g/bωT (здесь km≡km2)

Таким образом, выходные сигналы гироскопического измерителя параметров движения основания (называемого далее ГИСИПП) будут по ускорениям U1, U2, а по угловым движениям U3, U4. Другими словами при движении основания, где установлен измеритель, один из гироскопов формирует сигналы только об угловых движениях, а при помощи пары гироскопов имеется возможность выделения информационного сигнала о поступательных его поперечных перемещениях основания. Данный вывод и лежит в основе предложенного способа определения углов отклонения от заданного направления от вертикали и ускорений, ему перпендикулярных (т.е. поперечных).

Обоснование величины аксиального смещения центра масс для гироскопической инерциальной системы измерения пространственного положения измерителя (ГИСИПП).

Замечание. Данное обоснование описывается в этой части технического решения, т.к. оно основано на использовании теоретических выводов, полученных именно здесь.

Важнейшим условием, которое необходимо выполнить, является обеспечение бесконтактности при угловых и поступательных движениях основания. Для его реализации необходимо, чтобы суммарные отклонения ЧЭ ГДГ не превышали определенных угловых величин, определяемых осевым отверстием в поплавке ГДГ. Суммарная величина угла отклонения ЧЭ ГДГ должна быть менее наперед заданной конструкцией (радиусом осевого отверстия в поплавке Ro) ГДГ. В установившемся режиме (при р→0) поступательного движения наибольшее отклонение ЧЭ 2 ГДГ, обусловленное (Wx, Wy)(max) и (α*, β*)(max) может быть найдено из следующих рассуждений. Из (7) следует, что

Введем в рассмотрение параметр, определяющий момент начала взаимодействия элементов центрирующего поплавок устройства строго полученный в [4]: (α2)2+(β2)2≤(Ro-Rуп)2/(R22-Ro2). Из (16) и (17) находим (α2)2=((-Т2)α*)2+2((-Т2)α*)km2((Wx(max)/g+β)-(Т2)β*)+(km2(Wx(max)/g+β)-(T2)β*)2,

(β2)2=((- T2)β*)2+2((-T2)β*)km2((Wy(max)/g-α)+(T2)α*)+(km2(Wy (max)/g-α)+(T2)α*))2. Отсюда получаем:

(Ro-Rуп)2/(R22-Ro2)≥(α2)2+(β2)2=

((-T2)α*)2+2((-T2)α*)km2((Wx(max)/g+β)-(T2)β*)+(km2(Wx(max)/g+β)-(T2)β*))2+((-T2)β*)2+2((-T2)β*)km2((Wy(max)/g-α)+(T2)α*)+(km2(Wy(max)/g-α)+(T2)α*))2 или

(Ro-Rуп)2/(R22-Ro2)≥2γ02+2γ0km2 2W/g+2(km2(W/g))2

2{(W/g)2}km22+2{γ0(2W/g)}km2+{2γ02-(Ro-Rуп)2/(R22-Ro2)}≤0

(Здесь символом (*) отмечен знак производной) (18)

при ((-Т2)α*)=((-T2)β*)=-γ0,→((-T2)α*)2+((-T2)β*)2=2γ02

Wx(max)=Wy(max)= W, →2((-Т2)α*)km2((Wx(max)/g+β)-(T2)β*)+

+2((-T2)β*)km2((Wy(max)/g-α)+(T2)α*)=4γ0km2(W/g). Введем обозначения А0={2γ02-(Ro-Rуп)2(R22-Ro2)}<0; А1={-2γ0W/g}<0;

А2=2(W/g)>0, (19)

откуда находим уравнение для определения km2:

А2(km2)2+2А1km2+А0=0, (20)→km2=(-A1±√(A12)-A0A2)/A2. (21)

Таким образом, для смещения центра масс ЧЭ второго ГДГ необходимо удалить на одном торце поплавка массу m3, а на другом торце разместить дополнительно массу m4, которые должны удовлетворять соотношению, полученному из следующих рассуждений. Раннее была введена в рассмотрение маятниковость km2=m1g/bω. При этом полагаем, что

Замечание. В (22) параметр b и является параметром прецессионных уравнений [1, стр. 101]. Он связан с этой же величиной из полных уравнений модели ГДГ [1, стр.99] известным соотношением b≡(1/2)b2.

.

При W=g и γ0=0, что соответствует смещению центра масс для измерения ГДГ только углов отклонения заданного направления от вертикали, получаем в отсутствие угловых движений основания

А0={2γ02-(Ro-Rуп)2/(R22-Ro2}=-(Ro-Rуп)2(R22-Ro2)

А1={2γ0W/g}=0; А2=2(W/g)2=2, при d=√(R22-Ro2) получаем формулу (23) соответствующую ранее найденному соотношению m3+m4≤(b2ω/2g)(Ro-Rуп)/(R22-Ro2). Отличие состоит в том, что при одновременном отклонении поплавка на углы α2 и β2 величина суммарной массы (m3+m4) дополнительно уменьшается в √2 раза:

(m3+m4)≤(b2/2)ω(-A1±√(A12)-A0А2)/А2)/dg=b2ω(√(-А0А2)/А2)/2dg=b2ω((Ro-Rуп)/(R22-Ro2). / 2√2g. Этот параметр внесен в формулу технического решения «Способ подвеса ЧЭ ГДГ с аксиальным смещением центра масс». Окончательно (23) приобретает вид

m3+m4≤(bω/dg)(-A1±√A12)-A0A2)/А2 (MM)

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений посредством ГИСИПП.

В соответствии с предложенным алгоритмом (15) может быть реализован гироскопический измеритель угловых отклонений от вертикали и поперечных ускорений (называемый также гироскопической инерциальной системой измерения пространственного положения - ГИСИПП), блок преобразования информации которого раскрыт на фиг.5. Измеритель содержит два поплавковых гидродинамических гироскопа 1, 2 с двухкоординатными датчиками угла и смещением центра масс ротора одного из гироскопов в направлении вектора кинетического момента и блок преобразования информации 3 с четырьмя входами и четырьмя выходами, включающий в себя четыре сумматора 6, 7, 8, 11, два апериодических усилителя 4, 9 и два интегратора 5 и 10, при этом оси вращения гироскопов 1, 2 соосны или параллельны заданному направлению, а выходы датчиков угла гироскопов соединены с четырьмя входами блока преобразования информации 3, причем первый вход блока преобразования информации 3 через последовательно соединенные первый апериодический усилитель 4 первый интегратор 5 и третий сумматор 6 соединен с первым выходом блока преобразования информации 3, второй вход этого блока соединен через последовательно соединенные первый 7 и четвертый 8 сумматоры со вторым выходом блока преобразования информации, третий вход этого блока соединен через последовательно соединенные второй апериодический усилитель 9, второй интегратор 10 и четвертый сумматор 8 со вторым выходом блока преобразования информации, четвертый вход этого блока подключен через последовательно соединенные второй сумматор 11 и инверсный вход третьего сумматора 6 с первым выходом блока преобразования информации, при этом первый вход блока преобразования информации 3 дополнительно соединен с инверсным входом первого сумматора 7 и третьим выходом блока преобразования информации, а третий вход этого блока дополнительно соединен с инверсным входом второго сумматора 11 и четвертым выходом блока преобразования информации 3.

Параметры апериодических усилителей 4 и 9 выбираются с учетом равенства коэффициента передачи Кк=km2/T2=m1g/bω T2, где m - масса поплавка и ее аксиальное смещение l, g - ускорение силы тяжести; b - коэффициент сил вязкого трения поплавка о жидкость: (см. [1, стр. 99, 100]), b1≈b2=2πμ(R2)4(1-(R3/R2)2)1/2+(1-(R3/R2)2)3/2/3)/(2ν/ω1)1/2=2πμ(R2)4(cosθ1+(cosθ1)3/3)/(2ν/ω1)1/2; т.к. R1≈R2 (при δ=R1-R2≪R1, R2, причем b=b2/2; ω - угловая скорость собственного вращения подвеса ЧЭ ГДГ; T2 - постоянная времени 2 ГДГ.

Рассмотрим далее обоснование способа определения параметров измерителя с целью их последующей идентификации (уравнивания) (фиг.6).

Необходимо так расположить измеритель в поле силы тяжести, чтобы появилась возможность определить основные коэффициенты передачи каналов измерения ускорений km2 и каналов определения углов отклонения от заданного направления (постоянных времени T1, T2 и коэффициентов передачи K1, K2 систем съема сигнала). Для этого устанавливают ось собственного вращения измерителя горизонтально.

Такое положение оси собственного вращения не случайно. Именно в нем наиболее простым способом выделяется сигнал второго ГДГ, пропорциональный его маятниковости km2. Измеритель не вращают, т.е. α, β=0, чтобы исключить влияние на показания 2 ГДГ сигналов, обусловленных угловыми движениями основания. В этом случае в установившемся режиме у 2 ГДГ, где смещен центр масс, в поле ускорения силы тяжести g, на выходе появится сигнал

U2(1)=K2(km2/(T2 p+1))(Wx/g+β)=K2 km2 Wx/g=K2 km2, т.к. Wx=g.

Далее можно определить постоянные времени T1, T2 и коэффициенты передачи датчиков углов K1, K2 обоих ГДГ. Определение этих величин основано на использовании известной математической модели ГДГ.

Из [1, стр. 101] известно, что передаточная функция ГДГ с минимизированным коэффициентом перекрестной связи между измерительными каналами имеет вид: П(s)=-То/(То s+1), где s - оператор дифференцирования, а То - постоянная времени ГДГ. Для такого гироскопа выходной величиной является угол отклонения поплавка относительно камеры α2 и системы съема сигнала, а входной величиной является угловая скорость собственного вращения основания ωвх: П102вх. Вводя в рассмотрение коэффициент передачи системы съема сигнала К, получим:

U/ωвх=-К To/(Tos+1). Левую часть этого равенства называют коэффициентом передачи S ГДГ. При этом в установившемся режиме вращения основания с заданной угловой скоростью ωвх (то есть при s→0), коэффициент передачи S может быть определен из соотношения: S=U/ωвх. Из теории автоматического регулирования известно, что для апериодического звена время переходного процесса tпп связано с постоянной времени То соотношением: tпп≅3To. Из этих рассуждений следует инженерная методика определения параметров подвеса ЧЭ ГДГ на вращающемся основании.

Вращая платформу поворотной установки с заданной угловой скоростью ωвх и определяя выходное напряжение U, коэффициент передачи ГДГ может быть найден по формуле: S=U/ωвх. С дугой стороны S=К То.

Осуществляя скачкообразный останов платформы поворотной установки и определяя время переходного процесса снижения выходного напряжения U, можно найти остальные параметры ГДГ - постоянную времени То и коэффициент передачи системы съема сигнала К по формулам:

To=tпп/3; K=S/To.

Таким образом, могут быть найдены постоянные времени Т1 и Т2 и коэффициенты передачи К1 и К2 датчиков углов системы съема сигнала каждого из гироскопов Т1=t1пп/3; K1=S1/Т1 и Т2=t2пп/3; К2=S2/Т2. Особенность определения времени переходного процесса состоит в том, что сигнал U первого ГДГ изменяется от U1(2) до U1(1)≈0, а у второго - U2(2) до U2(1)=К2 km2, который соответствует сигналу, обусловленному аксиальным смещением центра масс. Отсюда находим km2=U2(1)/К2.

Для реализации предлагаемого способа необходимо уравнять параметры 1 и 2 ГДГ. Т.к. все соотношения (15) по выделению выходного сигнала о поступательных движениях основания получены для равных параметров 1 и 2 ГДГ. Уравнивание параметров также основано на известной модели ГДГ. Уравнивание постоянных времени проводится в первую очередь, т.к. оно вытекает от зависимости коэффициента сил вязкого трения b (см. [1, стр. 100]) от скорости собственного вращения ω1.

b1≈b2=2πμ(R2)4(1-(R3/R2)2)1/2+(1-(R3/R2)2)3/2/3)/(2ν/ω1)l/2=2πμ(R2)4(cosθ1+(cosθ1)3/3)/(2ν/ω1)1/2; (см. [1, стр. 99]), т.к. R1≈R2 (при δ=R1-R2≪R1,R2, причем b=b2/2 (см. [1, стр. 100]).

Изменяют скорость собственного вращения у одного или обоих ГДГ до получения равных величин их постоянных времени Т1 и Т2.

Далее необходимо уравнять коэффициенты передачи системы съема сигнала, включающую датчики углов и усилительно преобразующие звенья. Именно после уравнивания постоянных времени Т1=Т2=Т осуществляют уравнивание коэффициентов передачи каналов измерения угловых воздействий ГДГ электрическим путем. Важно отметить, что уравнивание постоянных времени Т1 и Т2 осуществляют первым, т.к. от изменения частоты собственного вращения основания несколько зависит и коэффициент передачи К1 и К2 примененных в ГДГ датчиков углов.

После идентификации (уравнивания) параметров каналов углового движения 1 и 2 ГДГ окончательно определяют коэффициент маятниковости второго ГДГ km2=U2(1)/К2 по той же методике. Их и заносят в блок преобразования информации (БПИ). Тем самым реализуют операцию: «выделяют из сигналов 2 гироскопа сигналы о поступательных движениях объекта управления, для чего используют найденные при калибровке параметры К1, К2, Т1, Т2, km2 и уравненные при настройке 1 и 2 ГДГ».

После этого измеритель угловых отклонений от заданного направления от вертикали и поперечных ускорений реализует предложенный здесь способ.

Новизна предложенного решения состоит в том, что предложен наиболее завершенный комплекс мероприятий по реализации предлагаемого способа. В нем основными элементами вошли операции по установке измерителя на объекте управления, определение и уравнивание основных параметров кинематически не связанных ГДГ, а также выделение сигналов об угловых и поступательных движениях основания с использованием найденных и уравненных основных параметров измерителя параметров движения основания. Именно данный комплекс действий позволит реализовать предложенный здесь способ измерения отклонений заданного направления от вертикали и поперечных ускорений с заданной точностью. Важной особенностью является то, что предложенный способ предполагает смешение центра масс только у одного из ГДГ. При этом снижаются затраты на настройку и снимается проблема уравнивания параметров ГДГ по маятниковости пары гироскопов. Если иметь смещение центра масс одновременно у 1 и 2 ГДГ, то уравнивая постоянные времени гироскопов неизбежно маятниковости km гироскопов останутся неодинаковыми, т.к. величины смещения центров масс пусть даже незначительно, но все же будет отличаться. В итоге останется определенная инструментальная погрешность измерителя, обусловленная этим фактором. При этом, как показывают конечные соотношения для коэффициентов передачи каналов (U1, U2) измерения поступательных движений блока преобразования информации в случае применения смещения центра масс только у одного из ГДГ они существенно упрощаются.

Способ измерение углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений реализуется следующим образом. Частично заполняют радиальный зазор между поплавком и камерой рабочей жидкостью, обеспечивающей радиальное центрирование поплавка и практическую устойчивость подвеса в радиальном направлении, т.е. обеспечивают плавучесть поплавка ГДГ, близкую к нейтральной [1, стр.91] (т.е. обеспечивают насколько позволяет технология заливки равенство массы поплавка и вытесненной им жидкости в осевом направлении).

При этом заливают камеру подвеса поплавка жидкостью, фиксированное количество которой выбирают из соотношения: V1<V≤V2, где

V1=(4/3)π((R12R52)3/2-(R22-R52))3/2+2π(R42-R52) Н;

V2=(4/3)π((R12R32)3/2-(R22-R32))3/2+2π(R42-R32) Н;

R1, R2 - радиусы камеры и поплавка соответственно;

R3=R2sinθ1 - радиус свободной поверхности жидкости цилиндрической формы; m2 - масса поплавка (ЧЭ ГДГ);

θ1=arccos((1/R2)(3m2/4πр)1/3) - угол свободной поверхности жидкости (расчетная формула); π=3.14; ρ - плотность рабочей жидкости;

R4, Н - радиус и ширина цилиндрических камер стабилизации плавучести; R5=(1,1-1,2) R3<R6 - расстояния от оси вращения поплавковой камеры до оси соединительных каналов цилиндрических камер стабилизации плавучести, (R6≅1,4R3).

В результате заполнения камеры подвеса поплавка таким количеством жидкости получают плавучесть ЧЭ ГДГ, близкую к нейтральной. При этом заполнение поплавковой камеры осуществляется заведомо меньшим количеством жидкости настолько, что не нарушаются центрирующие свойства подвеса в радиальном направлении (см. [1, стр. 91, 92]), т.е. обеспечивается практическая устойчивость подвеса ЧЭ ГДГ. Кроме этого, заполнение известным количеством жидкости определяет величину фактического угла свободной поверхности θ1*, близкую к расчетной θ1. Осуществляют собственное вращение подвеса поплавка гироскопа.

Осуществляют подвес чувствительного элемента одного из них с аксиальным смещением центра масс в направлении кинетического момента (в соответствии с техническим решением «способ подвеса ЧЭ ГДГ с аксиальным смещением центра масс»).

Определяют коэффициенты передачи системы съема сигнала К1 и К2, постоянные времени Т1 и Т2 гироскопов, маятниковость km2 второго гироскопа. При выполнении этой операции

- устанавливают ось вращения 1 и 2 гироскопов горизонтально и определяют в отсутствие вращения платформы выходные сигналы Uα1(1)=Uα10, Uα2(1)=Uα20,

- вращают платформу поворотной установки, где установлен измеритель, с заданной угловой скоростью ωвх, вокруг оси, перпендикулярной оси собственного вращения гироскопов в плоскости горизонта, и определяют выходные сигналы Uα1(2)=Uα1 и Uα2(2)=Uα2,

- осуществляют импульсный останов платформы поворотной установки, где размещен измеритель, и определяют при этом интервалы времени t1 и t2 переходных процессов уменьшения сигналов Uα1(2)=Uα1 и Uα2(2)=Uα2 до Uα1(1)=Uα10, Uα2(1)=Uα20,

- вычисляют постоянные времени каждого из гироскопов в соответствии с соотношениями Т1=t1/3, T2=t2/3, а коэффициенты передачи гироскопов по углу К1 и К2 и 2 гироскопа по ускорению km2, находят по формулам K1=(Uα1(2)-Uα1(1))/T1 ωвх, K2=(Uα2(2)-Uα2(1))/T2 ωвх, km2=Uα2(1)/К2.

Уравнивают коэффициенты передачи К1=К2=К системы съема сигнала: постоянные времени Т1=Т2=Т гироскопов. При выполнении этой операции изменяют скорость собственного вращения одного или обоих гироскопов и изменяют коэффициент передачи канала съема сигнала у одного или обоих гироскопов.

Устанавливают гироскопы на объекте управления таким образом, чтобы кинетические моменты были параллельны заданному направлению.

При определении параметров углового и поступательного движения в 1 гироскопе формируют сигналы только об угловых движениях основания, во втором гироскопе формируют сигналы, содержащие информацию об угловых и поступательных движения объекта управления, выделяют из сигналов 2 гироскопа информационные сигналы о поступательных движениях основания объекта управления, для чего используют информационные сигналы 1 гироскопа. Данную операцию реализуют следующим образом.

При отклонении основания от вертикали на углы α, β и перемещении его с поперечными ускорениями Wx, Wy

- формируют на выходе 1 гироскопа сигналы об угловых движениях основания

U3=U(αω)=Uα1=К(-Тр/(Тр+1))α,

U4=U(βω))=Uβ1=K(-Тр/(Тр+1))β,

- выделяют из сигналов 2 гироскопа Uα2 и Uβ2 сигнал о поступательных движениях объекта управления с использованием сигналов 1 гироскопа в соответствии с соотношениями:

U(αW)=Uα2-Uα1=K(km/(Tp+1))(Wx/g)+(km2/(Tp+1)2))β),

U(βW)=Uβ2-Uβ1=K(km/(Tp1))(Wy/g)-(km2/(Tp+1)2))α),

кроме того,

- пропускают выходные сигналы 1 гироскопа Uα1 и Uβ1 через звенья с передаточной функцией Кк/р(Тр+1) и далее

- определяют выходные сигналы о поступательных движениях основания в соответствии с соотношениями:

U1=U(αω)Кк/p(Tp+1)-U(βW)=-K((km2/(Tp+1))Wy/g,

U2=U(βω)Кк/p(Tp+1)+U(αW)=К((km2/(Tp+1))Wx/g,

где Кк=km2/T2=m1g/bωТ2, К1=К2=К, Т1=Т2=Т при этом

- выделяют из сигналов 2 гироскопа сигналы о поступательных движениях объекта управления, для чего используют найденные при калибровке и уравненные при настройке параметры K1, K2, Т1, Т2, km2 1 и 2 гироскопов.

Применение предложенного способа позволит решить задачу измерения одновременно параметров углового движения основания - определить углы отклонения основания от заданного направления и при этом дополнительно определить параметры поступательного движения перпендикулярно оси собственного вращения комплекса из двух ГДГ, установленных определенным образом на этом основании; перспективой является разработка ГИСИПП для определения качества железнодорожного полотна (особенно скоростных магистралей типа Санкт-Петербург - Москва) и автомобильных дорог (значительной протяженности) посредством размещения «Гироскопической гидродинамической инерциальной системы измерения пространственного положения» (ГТИСИПП) в качестве пассажира непосредственно на колесных парах локомотивов и инспектирующих качество дорожного полотна (с том числе и бездорожья) автомобилей (ожидаемый технический результат).

Технический эффект решения - определение и уравнивание соответствующих параметров ГИСИПП и разделение сигналов с гироскопов об угловых и поступательных движениях основания при перемещении ГИСИПП по определенному рельефу поверхности.

Источники информации

1. Андрейченко К.П. Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров. - М.: Машиностроение, 1987 (прототип способа подвеса с.7, глава 6).

2. Патент ФРГ №2226737. Гироскопический прибор с установленным в жидкости шаровым ротором, G 01 с 19/00. Изобретения за рубежом №13, 1974 г. (частичная заливка, устройство центрирования поплавка).

3. Иващенко В.А., Смарунь А.Б. Особенности динамики гидродинамического гироскопа, обусловленные механическим контактом поплавка и его центрирующего устройства. (Саратовский политехнический институт. - Саратов, 1987. - 22 с, - деп.в ВИНИТИ - 174 В 88 от 13.01.88 г.).

4. Никитин Е.А., Балашова А.А. Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров. - М.: Машиностроение, 1969 г.

5. Андрейченко К.П., Смарунь А.Б. Об эффекте возникновения аксиальной инерционной движущей силы в сферической гидродинамической опоре. (Саратовский политехнический институт. - Саратов, 1983. - деп. в ВИНИТИ №3937 В 83).

1. Способ измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений посредством гидродинамических гироскопов, включающий частичное заполнение радиальных зазоров между поплавками и камерами рабочей жидкостью, обеспечивающей равенство массы поплавков и вытесненной ими жидкости в аксиальном направлении, и собственное вращение подвесов поплавков гироскопов, отличающийся тем, что реализуют подвес чувствительного элемента одного из гироскопов с аксиальным смещением центра масс в направлении кинетического момента, определяют коэффициенты передачи системы съема сигнала К1 и К2, постоянные времени гироскопов Т1 и Т2, маятниковость km2 второго гироскопа таким образом, что устанавливают ось вращения первого и второго гироскопов горизонтально и определяют в отсутствии вращения платформы выходные сигналы Uα1(1)=Uα10, Uα2(1)=Uα20, вращают платформу поворотной установки, где установлен измеритель, с заданной угловой скоростью ωвх вокруг оси, перпендикулярной оси собственного вращения гироскопов в плоскости горизонта и определяют выходные сигналы Uα1(2)=Uα1 и Uα2(2)=Uα2, осуществляют импульсный останов платформы поворотной установки, где размещен измеритель, и определяют при этом интервалы времени t1 и t2 переходных процессов уменьшения сигналов

Uα1(2)=Uα1 и Uα2(2)=Uα2 до Uα1(1)=Uα10, Uα2(1)=Uα20,

вычисляют постоянные времени каждого из гироскопов в соответствии с соотношениями Т1=t1/3, T2=t2/3, а коэффициенты передачи гироскопов по углу К1 и К2 и второго гироскопа по ускорению km2, находят по формулам K1=(Uα1(2)-Uα1(1))/T1 ωвх, K2=(Uα2(2)-Uα2(1))/T2 ωвх, km2=Uα2(1)/K2, уравнивают коэффициенты передачи К1=К2=К системы съема сигнала, постоянные времени Т1=Т2=Т гироскопов, устанавливают гироскопы на объекте управления таким образом, чтобы кинетические моменты были параллельны заданному направлению, при определении параметров углового и поступательного движения в первом гироскопе формируют сигналы только об угловых движениях основания, во втором гироскопе формируют сигналы, содержащие информацию об угловых и поступательных движениях объекта управления, выделяют из сигналов второго гироскопа информационные сигналы о поступательных движениях объекта управления, для чего используют информационные сигналы первого гироскопа.

2. Способ измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений посредством гидродинамических гироскопов по п.1, отличающийся тем, что уравнивают постоянные времени T1 и Т2, коэффициенты передачи датчиков углов К1 и К2 так, что изменяют скорость собственного вращения одного или обоих гироскопов и изменяют коэффициент передачи канала съема сигнала у одного или обоих гироскопов.

3. Способ измерения углов отклонения от заданного направления и поперечных ускорений посредством гидродинамических гироскопов по п.1, отличающийся тем, что при отклонении основания от вертикали на углы α, β и перемещении его с поперечными ускорениями Wx, Wy формируют на выходе первого гироскопа сигналы об угловых движениях основания U3=U(αω)=Uα1=K(-Tp/(Tp+1))α, U4=U(βω)=Up1=K(-Tp/(Tp+1))P, выделяют из сигналов второго гироскопа Uα2 и Uβ2 сигнал о поступательных движениях объекта управления с использованием сигналов первого гироскопа в соответствии с соотношениями

U(αW)=Uα2-Uα1=K(km/(Tp+1))(Wx/g)+(km2/(Tp+1)2))β),

U(βW)=Uβ2-Uβl=K(km/(Tp+l))(Wy/g)-(km2/(Tp+1)2))α),

кроме того, пропускают выходные сигналы первого гироскопа Uα1 и Uβ1 через звенья с передаточной функцией Кк/р(Тр+1) и далее определяют выходные сигналы о поступательных движениях основания по формулам

U1=U(αω)Кк/р(Тр+1)-U(βW)=-К((km2(Tp+1))Wy/g,

U2=U(βω)Кк/p(Tp+1)+U(αW)=К((km2(Тр+1))Wx/g,

где Кк=km2/T=m1g/bωТ, K1=К2=К, T1=Т2=Т, р - оператор дифференцирования, при этом выделяют из сигналов второго гироскопа сигналы о поступательных движениях объекта управления, для чего используют найденные при калибровке и уравненные при настройке параметры (K1, К2)=К, (T1, Т2)=Т, km2 первого и второго гироскопов.

4. Способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс, включающий частичное заполнение камеры подвеса поплавка жидкостью, обеспечивающее его аксиальную нейтральную плавучесть и собственное вращение подвеса, отличающийся тем, что осуществляют предварительную регулировку системы съема сигнала так, что кольцевую сигнальную катушку системы съема сигнала путем последовательных поворотов вокруг осей чувствительности подвеса устанавливают в положение, когда ее электрическая ось совмещена с осью собственного вращения поплавка, а на выходе гироскопа получено выходное напряжение Uo менее заданной величины, в случае, если выходное напряжение превышает наперед заданную величину, изменяют направление собственного вращения и определяют выходное напряжение U1 гироскопа, по величине которого отбраковывают поплавки с повышенным радиальным смещением центра масс относительно его геометрического центра, минимизируют перекрестные связи между измерительными каналами подвеса поплавка гироскопа, осуществляют аксиальное смещение центра масс поплавка, контролируют плавучесть поплавка и корректируют количество жидкости во внутренней полости подвеса поплавка, окончательно регулируют систему съема сигнала гироскопа при вертикальном расположении оси собственного вращения до получения на его выходе минимального выходного напряжения Uo.

5. Способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс по п.4, отличающийся тем, что минимизируют перекрестные связи между измерительными каналами таким образом, что вращают подвес вокруг одной из осей чувствительности и определяют при этом по сдвигу фаз выходного напряжения относительно одного из опорных напряжений коэффициент перекрестных связей между измерительными каналами гироскопа при определенном положении полусферических чашек поплавковой камеры, затем меняют взаимное расположение чашек поплавковой камеры путем изменения радиального зазора в аксиальном направлении и определяют повторно коэффициент перекрестной связи, находят, помечают положение чашек камеры, где минимизируется по абсолютной величине коэффициент перекрестной связи, и фиксируют в этом положении полусферические чашки поплавковой камеры после аксиального смещения центра масс поплавка.

6. Способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс по п.4, отличающийся тем, что осуществляют аксиальное смещение центра масс поплавка таким образом, что перед непосредственным смещением центра масс удаляют жидкость из камеры и извлекают из нее поплавок, замечают при этом фактическое положение поплавка относительно полусферических чашек камеры, на одном из торцов осевого отверстия поплавка удаляют массу m3, а на другом его торце размещают такую же массу m4, при этом суммарную величину m3+m4 выбирают из соотношения m3+m4≤(bω/2g)(Ro-Rуп)/(R22-R02) для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении только углов отклонения заданного направления от вертикали;

m3+m4≤(bω/2d g) (-Al±√/(A12)-A0 A2)/A2 для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений,

где b - коэффициент сил вязкого трения поплавка о жидкость;

ω - угловая скорость собственного вращения подвеса поплавка гидродинамического гироскопа;

g - ускорение силы тяжести;

R2, Ro, Rуп - радиусы поплавка, отверстия в нем и упора камеры;

А0={2γ02-(Ro-Rуп)2/(R22-Ro2)};

A1={2γ0 W/g}; A2=2(W/g)2, при

где γ0 - наибольший угол отклонения заданного направления от вертикали;

W - максимальная величина поперечных ускорений перемещения основания,

затем помещают поплавок снова в поплавковую камеру с учетом помеченного в момент разборки камеры взаимного положения поплавка относительно чашек и взаимного положения чашек относительно друг друга, повторно заполняют поплавковую камеру жидкостью объемом, который обеспечивает аксиальную плавучесть поплавка, близкую к нейтральной.

7. Способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс по п.4, отличающийся тем, что корректируют количество жидкости во внутренней полости подвеса до минимизации по абсолютной величине скорости изменения выходного сигнала гироскопа.

8. Способ определения плавучести чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным центром масс, включающий частичное заполнение камеры подвеса поплавка жидкостью, обеспечивающее аксиальную плавучесть чувствительного элемента гироскопа, близкую к нейтральной, и собственное вращение подвеса, отличающийся тем, что компенсируют постоянную составляющую выходного сигнала, обусловленную аксиальным смещением центра масс поплавка, определяют величину скорости изменения разбалансировки системы жидкое тело-поплавок таким образом, что центрируют поплавок относительно камеры и определяют скорость изменения выходного сигнала U* с подвеса чувствительного элемента гироскопа, ось собственного вращения которого наклонена к плоскости горизонта под углом 45±15° так, что определяют приращение выходного напряжения ΔU гироскопа за фиксированный промежуток времени Δt и вычисляют ее по формуле U*=ΔU/Δt, судят о плавучести поплавка по величине скорости изменения выходного сигнала с подвеса поплавка гироскопа.

9. Способ определения плавучести чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным центром масс по п.8, отличающийся тем, что компенсируют постоянную составляющую выходного сигнала, обусловленную аксиальным смещением центра масс поплавка, для чего вычитают из выходного напряжения компенсационный сигнал, который формируют из пары опорных напряжений системы съема сигнала путем суммирования их и согласования суммарного напряжения по фазе и по амплитуде с выходным сигналом гироскопа, определенным сразу после центрирования поплавка относительно камеры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, корабль, автомобиль, микроробот и другие, где требуется информация об угловых скоростях и кажущихся ускорениях.

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения и может найти применение в гироскопах, гироскопических инклинометрах и гирокомпасах. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано в гироскопических приборах для стабилизации вертикального направления. .

Изобретение относится к области построения датчиков угловых координат для систем автоматического управления движением, главным образом, в качестве авиагоризонта (вертикали) для летательных аппаратов любого типа.

Изобретение относится к устройствам для измерения углов ориентации летательных аппаратов, а также наземных транспортных средств и других подвижных объектов. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для систем стабилизации, наведения и управления, работающих на подвижных объектах. .

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано в измерительных системах и системах управления подвижных объектов. .

Изобретение относится к авиационной технике. .

Изобретение относится к области гироскопических приборов, предназначенных для определения истинной вертикали на движущихся или неподвижных объектах и применяющихся, например, в качестве датчиков крена и тангажа летательных аппаратов.

Изобретение относится к области измерительной техники, конкретно к той ее части, которая занимается вопросами азимутального ориентирования подвижных объектов, имеющих в системах управления гиростабилизаторы.
Наверх