Система коррекции гиростабилизатора морского гравиметра

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при проведении морских гравиметрических съемок. Заявлена система коррекции гиростабилизатора морского гравиметра, содержащая два идентичных канала, включающих в каждом канале акселерометр, апериодическое звено, изодромное устройство, датчик момента гироскопа, интегратор, усилитель обратной связи, вычитатель, второе апериодическое звено, фильтр верхних частот, измеритель спектра, управляющее устройство, фильтр верхних частот первого порядка, сумматор. Технический результат: повышение точности измерения ускорения силы тяжести. 4 ил.

 

Изобретение относится к гироскопической технике, а более конкретно - к двухосным гиростабилизаторам, работающим на подвижных объектах, выполняющим функцию гировертикали и предназначенных для стабилизации гравиметров.

Известно устройство системы коррекции двухосного гиростабилизатора [Ривкин С.С., Береза А.Д. Гироскопическая стабилизация морских гравиметров. - М.: Наука, 1985, стр.131], содержащее два идентичных канала, включающее в каждом канале последовательно соединенные акселерометр, апериодическое звено первого порядка, изодромное устройство и датчик момента гироскопа. Передаточная функция гиростабилизатора с таким устройством системы коррекции имеет наклон логарифмической амплитудно-частотной характеристики в полосе частот выше частоты среза системы - 40 дБ/дек.

Недостатком такой системы коррекции является то, что гиростабилизатор имеет фазовый сдвиг на частоте качки основания между горизонтальными ускорениями и ошибкой стабилизации, близкий к -180°, что приводит к большой систематической погрешности измерения величины ускорения силы тяжести гравиметром, установленным на стабилизированной площадке, из-за совместного влияния горизонтальных ускорений качки и наклонов гиростабилизированной площадки.

Наиболее близким (прототипом) является устройство системы коррекции двухосного гиростабилизатора [Патент на изобретение РФ RU №2244261 С1, G 01 С 19/54 «Система коррекции гиростабилизатора морского гравиметра», опубликовано 10.01.2005. Бюл.№1]. Устройство содержит два идентичных канала, включает в каждом канале акселерометр, апериодическое звено, изодромное устройство, датчик момента гироскопа, интегратор, усилитель обратной связи, вычитатель, второе апериодическое звено, фильтр верхних частот, измеритель спектра, управляющее устройство, причем выход акселерометра связан с первым входом вычитателя, выход которого связан с входом интегратора, выход которого связан с входом апериодического звена, выход которого связан с входом усилителя обратной связи, выход которого связан со вторым входом вычитателя, выход апериодического звена связан также с входом изодромного устройства, выход которого связан с входом второго апериодического звена, выход которого связан с входом датчика момента гироскопа, кроме того, выход акселерометра связан со входом фильтра верхних частот, выход фильтра верхних частот посредством измерителя спектра связан с входом управляющего устройства, выход которого связан со вторым апериодическим звеном. Наличие вычитателя, интегратора, апериодического звена, усилителя обратной связи, выполняющих роль фильтра нижних частот второго порядка, эффективно сглаживающего высокочастотную составляющую сигнала акселерометра, обеспечивает увеличение точности стабилизации гравиметра, а следовательно, повышение точности измерения ускорения силы тяжести. Управляющее устройство изменяет постоянную времени апериодического звена в соответствии с изменением преобладающей частоты качки таким образом, что фазовый сдвиг между горизонтальными ускорениями качки и ошибкой стабилизации точно равен -270°, что, в свою очередь, увеличивает точность измерения ускорения силы тяжести гиростабилизированным гравиметром.

Недостатком такой системы коррекции является следующее. Если в начальный момент значение преобладающей частоты качки составляет величину ω_к1, а значение постоянной времени второго апериодического звена таково, что фазовый сдвиг между горизонтальными ускорениями качки и ошибкой стабилизации точно равен -270°, то при изменении значения преобладающей частоты качки для осуществления процесса самонастройки устройства системы коррекции (нахождения новых значений преобладающей частоты качки ω_к2 и такой постоянной времени второго апериодического звена, чтобы сдвиг между горизонтальными ускорениями качки и ошибкой стабилизации был вновь точно равен -270°) требуется интервал времени t. В течение этого интервала времени устройство системы коррекции остается настроенным на частоту ω_к1, а фазовый сдвиг между горизонтальными ускорениями качки и ошибкой стабилизации уже не точно равен -270°, что приводит к большой систематической погрешности измерения величины ускорения силы тяжести гравиметром, установленным на стабилизируемой площадке, из-за совместного влияния горизонтальных ускорений качки и наклонов ГСП.

Задачей изобретения является повышение точности измерения ускорения силы тяжести гиростабилизированным гравиметром при изменении значения преобладающей частоты качки в течении интервала времени, необходимого для самонастройки устройства системы коррекции.

Задача решается тем, что предлагаемое устройство системы коррекции гиростабилизатора морского гравиметра содержит два идентичных канала, включает в каждом канале акселерометр, апериодическое звено, изодромное устройство, датчик момента гироскопа, интегратор, усилитель обратной связи, вычитатель, второе апериодическое звено, фильтр верхних частот, измеритель спектра, управляющее устройство, фильтр верхних частот первого порядка, сумматор, причем выход акселерометра связан с первым входом вычитателя, выход которого связан с входом интегратора, выход которого связан с входом апериодического звена, выход которого связан с входом усилителя обратной связи, выход которого связан со вторым входом вычитателя, выход апериодического звена связан также с входом изодромного устройства, выход которого связан с входом второго апериодического звена, выход которого связан с первым входом сумматора, выход которого связан с входом датчика момента, второй вход сумматора связан с выходом фильтра верхних частот первого порядка, вход которого связан с выходом изодромного устройства, кроме того, выход акселерометра связан со входом фильтра верхних частот, выход фильтра верхних частот посредством измерителя спектра связан с входом управляющего устройства, выход которого связан с вторым апериодическим звеном, а также связан с фильтром верхних частот первого порядка.

На фиг.1 показана структурная схема одного канала системы коррекции гиростабилизатора морского гравиметра. Один канал осуществляет горизонтирование стабилизируемой площадки двухосного гиростабилизатора по оси наружной рамы, а второй - по оси стабилизируемой площадки. Работа каждого канала одинакова и независима друг от друга.

Выход акселерометра 1 соединен с первым входом вычитателя 2, выход вычитателя 2 соединен с входом интегратора 3, выход интегратора 3 соединен с входом апериодического звена 4, выход апериодического звена 4 соединен с входом усилителя отрицательной обратной связи 5, выход усилителя 5 соединен со вторым входом вычитателя 2, выход апериодического звена 4 соединен также со входом изодромного устройства 6, выход изодромного устройства 6 соединен со входом второго апериодического звена 7, выход которого соединен с первым входом сумматора 12, выход которого соединен с входом датчика момента 8, второй вход сумматора 12 соединен с выходом фильтра верхних частот первого порядка 13, вход которого соединен с выходом изодромного устройства 6. Кроме того, выход акселерометра 1 соединен с входом фильтра верхних частот 9, выход фильтра верхних частот 9 соединен со входом измерителя спектра 10, выход которого соединен с входом управляющего устройства 11. Выход управляющего устройства 11 соединен со вторым апериодическим звеном 7, а также соединен с фильтром верхних частот первого порядка 13.

Работа устройства происходит следующим образом.

Сигнал на выходе акселерометра 1, содержащий низкочастотную составляющую, обусловленную собственным движением стабилизированной площадки к горизонту от начального угла отклонения, и переменную составляющую, обусловленную горизонтальными ускорениями качки, поступает на первый вход вычитателя 2. Вычитатель 2, интегратор 3, апериодическое звено 4 и усилитель обратной связи 5, выход которого соединен со вторым входом вычитателя 2, образуют колебательное звено с передаточной функцией

где Т₂ - постоянная времени колебательного звена, полученного в результате охвата интегратора 3 и апериодического звена 4 отрицательной обратной связью, ξ - относительный коэффициент демпфирования колебательного звена, k₂ - коэффициент передачи колебательного звена, p - оператор Лапласа.

Причем постоянная времени, относительный коэффициент демпфирования и коэффициент передачи колебательного звена могут быть выражены через постоянную времени интегратора 3 - Т, постоянную времени апериодического звена 4 - T₁, коэффициент передачи апериодического звена 4 - k и коэффициент передачи усилителя обратной связи 5 - k₁ следующим образом:

Значение коэффициента ξ обеспечивается равным 0,707. Постоянная времени Т₂ выбирается большей постоянной времени Т_k, характеризующей качку основания. Колебательное звено (1) пропускает низкочастотную составляющую сигнала акселерометра 1 и эффективно сглаживает переменную составляющую сигнала акселерометра 1. Сигнал с выхода апериодического звена 4 поступает на вход изодромного устройства 6, имеющего передаточную функцию:

где Т₃ - постоянная времени изодромного устройства. Изодромное устройство 6 обеспечивает интегрирование входного сигнала в области низких частот и требуемые запасы устойчивости на частоте среза системы.

Постоянная времени T₃ выбирается большей постоянной времени Т_cp, характеризующей частоту среза системы. Сигнал с выхода изодромного устройства 6 поступает на вход второго апериодического звена 7, имеющего переменную постоянную времени Т₄, кроме того, сигнал с выхода изодромного устройства 6 поступает на вход фильтра верхних частот первого порядка 13, имеющего передаточную функцию вида:

где Т₄ - переменная постоянная времени фильтра верхних частот первого порядка, а l - переменный параметр фильтра верхних частот первого порядка.

Сумматор 12 осуществляет суммирование выходных сигналов второго апериодического звена 7 и фильтра верхних частот первого порядка 13. Второе апериодическое звено 7, фильтр верхних частот первого порядка 13, входы которых соединены с выходом изодромного устройства 6, и сумматор 12, первый вход которого соединен с выходом второго апериодического звена 7, а второй вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот первого порядка 13, образуют звено с передаточной функцией:

которое предназначено для создания небольшого дополнительного фазового сдвига в системе, необходимого для обеспечения фазового сдвига между горизонтальными ускорениями качки и ошибкой стабилизации на частоте качки основания, точно равным -270°.

Кроме того, сигнал с выхода акселерометра 1 поступает также на вход фильтра верхних частот 9. Фильтр верхних частот 9 имеет передаточную функцию вида:

где Т₅ - постоянная времени фильтра верхних частот.

Фильтр верхних частот 9 пропускает высокочастотную составляющую сигнала акселерометра 1 и эффективно сглаживает низкочастотную составляющую сигнала акселерометра 1. Сигнал с выхода фильтра верхних частот 9 поступает на вход устройства измерения спектра 10, в котором определяется преобладающая частота качки. Сигнал, пропорциональный преобладающей частоте качки с выхода устройства 10, поступает на вход управляющего устройства 11, которое в соответствии с текущим значением преобладающей частоты качки ω_к изменяет величину постоянной времени Т₄ второго апериодического звена 7, а также постоянную времени Т₄ и переменный параметр l фильтра верхних частот первого порядка в соответствии с условием:

Сигнал с выхода сумматора 12 поступает на вход датчика момента гироскопа 8 и обеспечивает приведение к горизонту и удержание в горизонте стабилизируемой площадки с гравиметром при качке основания. Передаточная функция гиростабилизатора с предлагаемой системой коррекции имеет вид:

где k₀=k_A·k₂·k_г,

α(р) - ошибка стабилизации, W_ξ(р) - горизонтальные ускорения качки,

k_A - коэффициент передачи акселерометра,

k_г - коэффициент передачи гироскопа по управляющему воздействию,

g - ускорение силы тяжести.

График логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик передаточной функции (7) при следующих числовых параметрах: k₀=1,3·10^-5, ξ=0,707, Т₃=150 с, ω_к=1 с^-1, Т₄=0,078 с приведен на фиг.2.

Использование для создания небольшого отрицательного фазового сдвига звена с передаточной функцией:

где значение постоянной времени Т₄, определяемой в соответствии с (6), больше постоянной времени Т_k, характеризующей качку основания, а значение Т₄/l, определяемое в соответствии с (6), меньше постоянной времени Т_k, характеризующей качку основания, позволяет обеспечить на соответствующих частотах в окрестности преобладающей частоты качки меньшие значения амплитудно-частотной характеристики передаточной функции гиростабилизатора (7) по сравнению с прототипом и значения фазовой частотной характеристики передаточной функции гиростабилизатора (7) в окрестности преобладающей частоты качки на соответствующих частотах ближе к -270° по сравнению с прототипом, а следовательно, уменьшение систематической составляющей измерения ускорения силы тяжести гиростабилизированным гравиметром из-за совместного влияния горизонтальных ускорений и наклонов в гиростабилизированной площадке при изменении преобладающей частоты качки в течении интервала времени, необходимого для самонастройки устройства системы коррекции. Систематическая составляющая измерения ускорения силы тяжести гиростабилизированным гравиметром из-за совместного влияния горизонтальных ускорений и наклонов в гиростабилизированной площадке определяется по формуле

где A(ω_k) - значение амплитудно-частотной характеристики передаточной функции гиростабилизатора на частоте качки;

Y(ω_к) - значение фазовой частотной характеристики передаточной функции гиростабилизатора на частоте качки.

На фиг.3 приведены графики зависимости величины от частоты гиростабилизированного гравиметра с предлагаемым устройством системы коррекции (кривая 1) и прототипа (кривая 2). В обоих случаях параметры устройства системы коррекции определены в соответствии с частотой ω_к=0,5 с^-1, а амплитуда горизонтальных ускорений качки равна W_ξ=1 м/c·c. При этом предлагаемое устройство системы коррекции имеет следующие числовые значения параметров: k₀=1,3·10^-5, ξ=0,707, Т₃=150 с, Т₂=17 с, Т₄=2,33 с, 1=1,36; а прототип имеет следующие числовые значения параметров устройства системы коррекции: k₀=1,3·10^-5, ξ=0,707, Т₃=150 с, Т₂=17 с, Т₄=0,31 с.

Из приведенных графиков видно, что, например, при изменении значения преобладающей частоты качки от значения 0,5 с^-1 к значению 0,6 с^-1 в период времени самонастройки гиростабилизированный гравиметр с предлагаемым устройством системы коррекции имеет ошибку в 2,8 раза меньше, чем у прототипа, а при изменении значения преобладающей частоты качки от значения 0,5 с^-1 к значению 0,45 с^-1 ошибка в 2 раза меньше, чем у прототипа.

На фиг.4 приведены графики зависимости величины от частоты гиростабилизированного гравиметра с предлагаемым устройством системы коррекции (кривая 1) и прототипа (кривая 2). В обоих случаях параметры устройства системы коррекции определены в соответствии с частотой ω_к=1 с^-1, а амплитуда горизонтальных ускорений качки равна W_ξ=1 м/c·c. При этом предлагаемое устройство системы коррекции имеет следующие числовые значения параметров: k₀=1,3·10^-5, ξ=0,707, T₃=150 с, Т₂=17 с, Т₄=1,08 с, 1=1,1664; а прототип имеет следующие числовые значения параметров устройства системы коррекции: k₀=1,3·10^-5, ξ=0,707, Т₃=150 с, Т₂=17 с, Т₄=0,078 с.

Из приведенных графиков видно, что, например, при изменении значения преобладающей частоты качки от значения 1 с^-1 к значению 1,4 с^-1 в период времени самонастройки гиростабилизированный гравиметр с предлагаемым устройством системы коррекции имеет ошибку в 3,3 раза меньше, чем у прототипа, а при изменении значения преобладающей частоты качки от значения 1 с^-1 к значению 0,7 с^-1 ошибка в 1,55 раза меньше, чем у прототипа.

Таким образом, совокупность признаков предлагаемого устройства системы коррекции, реализация которых может быть выполнена в соответствии с фиг.1, позволяет повысить точность измерения ускорения силы тяжести гиростабилизированным гравиметром.

Система коррекции гиростабилизатора морского гравиметра, содержащая два идентичных канала, включающая в каждом канале акселерометр, апериодическое звено, изодромное устройство, датчик момента гироскопа, интегратор, усилитель обратной связи, вычитатель, второе апериодическое звено, фильтр верхних частот, измеритель спектра, управляющее устройство, причем выход акселерометра связан с первым входом вычитателя, выход которого связан с входом интегратора, выход которого связан с входом апериодического звена, выход которого связан с входом усилителя обратной связи, выход которого связан со вторым входом вычитателя, выход апериодического звена связан также с входом изодромного устройства, выход которого связан с входом второго апериодического звена, кроме того, выход акселерометра связан со входом фильтра верхних частот, выход фильтра верхних частот посредством измерителя спектра связан с входом управляющего устройства, выход которого связан со вторым апериодическим звеном, отличающаяся тем, что в каждый канал дополнительно введены фильтр верхних частот первого порядка и сумматор, причем выход второго апериодического звена связан с первым входом сумматора, второй вход сумматора связан с выходом фильтра верхних частот первого порядка, вход которого связан с выходом изодромного устройства, выход сумматора связан с входом датчика момента гироскопа, а выход управляющего устройства связан с фильтром верхних частот первого порядка.