Система коррекции
Владельцы патента RU 2282148:
Государственное образовательное учреждение высшего професионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) (RU)
Изобретение относится к двухосным системам стабилизации и может найти применение в системах стабилизации видеокомпьютерных систем сопровождения объектов, навигации и наведения. В систему коррекции, содержащую устройства для измерения ускорений в каждом канале и датчик моментов, введены два прямых канала от цифровых устройств измерения ускорений к датчикам моментов и две перекрестные связи между каналами. Причем, первый канал реализован от первого цифрового устройства для измерения ускорений к первому датчику моментов через последовательно соединенные по информационным входам первый двоичный умножитель, первый реверсивный двоичный счетчик и первый электронный ключ. Второй канал реализован от второго цифрового устройства для измерения ускорений к второму датчику моментов через последовательно соединенные по информационным входам второй двоичный умножитель, второй реверсивный двоичный счетчик, второй электронный ключ. Одна перекрестная связь реализована с выхода первого реверсивного двоичного счетчика первого канала на вход второго реверсивного двоичного счетчика второго канала через третий и четвертый двоичные умножители. Вторая перекрестная связь реализована с выхода второго реверсивного двоичного счетчика второго канала на вход первого реверсивного двоичного счетчика первого канала через шестой и пятый двоичные умножители, причем четвертый и пятый двоичные умножители соединены с цифровым устройством для измерения угловой скорости. Введение в систему коррекции двух прямых каналов и двух перекрестных связей позволяет существенно повысить точность стабилизации. 1 ил.
Предлагаемая система коррекции предназначена для применения в двухосных системах стабилизации. Изобретение может найти применение в системах стабилизации видеокомпьютерных систем сопровождения объектов, навигации и наведения.
Известна система коррекции двухосного гиростабилизатора (Ривкин С.С., Береза А.Д. Гироскопическая стабилизация морских гравиметров. М.: Наука, 1985, с.131), содержащая два идентичных канала. В каждом независимом канале последовательно соединены акселерометр, апериодическое звено первого порядка, изодромное звено и датчик моментов гироскопа.
Недостатком такой системы коррекции является то, что не учитывается динамика движения основания (маневр объекта). Значительный фазовый сдвиг гиростабилизатора на частоте возмущения приводит к снижению точности стабилизации.
Наиболее близким по техническому решению является система коррекции (пат. RU 2244261 C1, G 01 С 19/54, опубл. 10.01.05, Бюл. №1), содержащая два идентичных канала, включающая в каждом: акселерометр, апериодическое звено, изодромное устройство, датчик моментов гироскопа, интегратор, фильтр верхних частот, усилитель обратной связи, вычитатель, второе апериодическое звено, измеритель спектра, управляющее устройство. Выход акселерометра связан с первым входом вычитателя, выход которого связан с входом интегратора, а выход интегратора соединен с входом апериодического звена. Выход апериодического звена соединен с входом усилителя обратной связи, выход которого связан с вторым входом вычитателя. Выход апериодического звена соединен также с входом изодромного устройства, выход которого связан с входом второго апериодического звена и выход которого соединен с входом датчика момента гироскопа. Кроме того, выход акселерометра связан с входом датчика момента гироскопа и с входом фильтра верхних частот. Выход фильтра верхних частот через измеритель спектра связан с входом управляющего устройства, выход которого соединен с входом второго апериодического звена.
Недостатком подобной системы коррекции является то, что ее практическая реализация строится в предположении симметрии колебания объекта относительно вертикали (что в реальных условиях движения объекта практически невозможно), не учитываются условия разгона, торможения, циркуляции и неравномерности движения объекта. В пределах 1% неравномерности движения основания возникают ошибки датчика вертикали и отклонение его за допустимые нормы. Кроме того, невозможно обеспечить независимость одного канала от другого при маневре объекта, что в свою очередь приведет к снижению точности стабилизации (Расчет и проектирование гироскопических стабилизаторов. Д.С.Пельпор, Ю.А.Колосов, Е.Р.Рахтенко. М.: Машиностроение, 1972, с.216. Александров А.Г. Синтез регуляторов многомерных систем. М.: Машиностроение, 1986, с.272).
При разработке высокоточной системы коррекции гиростабилизаторов основным моментом является обеспечение работоспособности системы коррекции при наличии реальных возмущений и возможность интегрирования сигналов в подвижной системе координат.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности стабилизации.
Это достигается за счет введения в систему коррекции гиростабилизатора, содержащую два канала, устройства для измерения ускорений и датчики моментов, двух перекрестных связей между каналами. Причем первый канал реализован от первого цифрового устройства для измерения ускорений к первому датчику моментов через последовательно соединенные по информационным входам первый двоичный умножитель, первый реверсивный двоичный счетчик и первый электронный ключ. Второй канал реализован от второго цифрового устройства для измерения ускорений к второму датчику моментов через последовательно соединенные по информационным входам второй двоичный умножитель, второй реверсивный двоичный счетчик, второй электронный ключ. Одна перекрестная связь реализована с выхода первого реверсивного двоичного счетчика первого канала на вход второго реверсивного двоичного счетчика второго канала через третий и четвертый двоичные умножители. Вторая перекрестная связь реализована с выхода второго реверсивного двоичного счетчика на вход первого реверсивного двоичного счетчика первого канала через шестой и пятый двоичные умножители, причем четвертый и пятый двоичные умножители соединены с цифровым устройством для измерения угловой скорости. Входы первого, второго, третьего, шестого двоичных умножителей, схемы управления ключами соединены с выходом генератора вспомогательной частоты. Выходы схемы управления ключами соединены с одним из входов первого и второго электронного ключа, другие входы которых соединены с выходом генератора тока. Один из входов пятого двоичного умножителя соединен с выходом третьего двоичного умножителя.
На чертеже изображена функциональная схема системы коррекции гиростабилизатора.
Система коррекции содержит первое цифровое устройство для измерения ускорений - 1, выход которого соединен с одним из входов первого двоичного умножителя - 2, другой вход которого соединен с выходом генератора вспомогательной частоты - 3. Выход первого двоичного умножителя - 2 соединен через первый реверсивный двоичный счетчик - 4, первый электронный ключ - 5 с входом первого датчика моментов - 6. Выход первого реверсивного двоичного счетчика - 4 соединен с входом третьего двоичного умножителя - 7, выход которого соединен с входами четвертого - 8 и пятого - 9 двоичных умножителей, другие входы которых соединены с цифровым устройством для измерения угловой скорости - 10. Вход шестого двоичного умножителя - 11 соединен с одним из выходов генератора вспомогательной частоты - 3, а выход соединен с входом пятого двоичного умножителя - 9. Второе цифровое устройство для измерения ускорений - 12 соединено с входом второго двоичного умножителя - 13, выход которого соединен с одним из входов второго реверсивного двоичного счетчика - 14. Один из выходов второго реверсивного двоичного счетчика - 14 соединен с входом шестого двоичного умножителя - 11 и с входом второго электронного ключа - 15. Другой вход второго реверсивного двоичного счетчика - 14 соединен с выходом четвертого двоичного умножителя - 8, а выход пятого двоичного умножителя - 9 соединен с одним из входов первого реверсивного двоичного счетчика - 4. Первый - 5 и второй - 15 электронные ключи соединены с выходом схемы управления ключами - 16. Дополнительные входы третьего - 7, второго - 13, шестого - 11 двоичных умножителей и схемы управления ключами - 16 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты - 3. Одни из входов первого - 5 и второго - 15 электронных ключей соединены с выходом генератора тока - 17, а выход второго электронного ключа - 15 соединен с входом второго датчика моментов - 18.
Внутреннее содержание блоков, реализующих систему коррекции, описаны в книгах: Майоров С.А., Новиков Г.И. "Принцип организации цифровых машин", Л.: Машиностроение, 1974, 432 с.; Хоровиц П., Хилл У. "Искусство схемотехники". М.: Мир, т.1-3, 1993. Цифровые устройства для измерения ускорений и угловой скорости могут быть реализованы по одному из пат. RU 2226695 С1, кл. G 01 Р 15/13 опуб. 10.04.2004, Бюл.№10., пат. RU 2190858 С1 кл. G 01 Р 15/13 опуб. 10.10.02 Бюл.№28, которые обеспечат выдачу информации в 16-разрядном цифровом коде.
Работа системы коррекции осуществляется следующим образом. При маневре объекта первое цифровое устройство для измерения ускорений - 1 выдает информацию в виде цифрового двоичного кода, который поступает на вход первого двоичного умножителя - 2. Двоичный умножитель - 2 выдает на выходе импульсы, число которых пропорционально двоичному коду с устройства - 1. Если выход с устройства - 1 принять за Х (Х - ускорение объекта вдоль продольной оси), то на выходе первого двоичного умножителя - 2 имеем сигнал, равный X·f/2n (f - частота генератора вспомогательной частоты - 3, n - разрядность первого двоичного умножителя - 2). Для разделения во времени поступления сигналов с двоичных умножителей прямых каналов - 2, 13 и перекрестных связей - 7, 8, 9, 11 генератор вспомогательной частоты - 3 вырабатывает две серии тактирующих импульсов, которые поступают на входы синхронизации двоичных умножителей - 2, 13. Выходной сигнал с первого двоичного умножителя - 2 поступает на один из входов первого реверсивного двоичного счетчика - 4, который осуществляет подсчет импульсов с двоичного умножителя - 2 (т.е. интегрирование). Выходной сигнал с первого реверсивного двоичного счетчика - 4 поступает на вход первого электронного ключа - 5, управление которым осуществляется схемой управления ключами - 16 на тактовой частоте генератора вспомогательной частоты - 3. Схема управления ключами - 16 формирует пилообразный цифровой опрашиваемый сигнал в диапазоне 2n-1 и его схема реализована на основе реверсивного двоичного счетчика, переключение которого с режима суммирования на режим вычитания осуществляется путем дешифрации 2-х крайних состояний (коды 01111...11 и 1000...01) с помощью двух n-разрядных схем И, выходы которых переключаются RS-триггером. Сигнал с генератора - 3 опрашивает с помощью 2-х схем И прямой и инверсный выход RS-триггера и подает "0" на суммирующий и "1" на вычитающий входы реверсивного двоичного счетчика. В режиме суммирования при достижении значения кода 0111...1 RS-триггер переключается в состояние "1" и реверсивный счетчик начинает работать в режиме вычитания. При достижении счетчиком значения 1000...01 RS-триггер устанавливается в состояние "0" и переводит реверсивный счетчик в режим суммирования. Выходом схемы - 16 является текущий цифровой параллельный код с реверсивного счетчика со всех разрядов, включая знаковый. Амплитуда тока, поступающая на токовую обмотку первого датчика моментов - 6 гиростабилизатора поддерживается неизменной с помощью генератора тока - 17. Аналогичным образом работает второй прямой канал, при действии поперечного ускорения Y, состоящий из генератора - 3, второго цифрового устройства для измерения ускорений - 12, второго двоичного умножителя - 13, второго реверсивного двоичного счетчика - 14, второго электронного ключа - 15 и второго датчика моментов - 18. Электронные ключи 5 и 15 осуществляют сравнение цифровой информации с выходов 4 и 14 с информацией с 16 и сравнение осуществляется путем параллельного двоичного сложения. Реализация сложения происходит на комбинационном сумматоре всех n-разрядов реверсивного двоичного счетчика, включая знаковый. При коде "0" знакового разряда электронные ключи 5 и 15 выдают на датчики моментов 6 и 18 ток с генератора - 17 положительной полярности и при коде "1" - отрицательной полярности. При отсутствии сигнала с цифрового устройства для измерения угловой скорости - 10 на входы первого и второго датчика моментов - 6, 18 будут поданы сигналы, пропорциональные интегралу выходных сигналов с устройств - 1 и 12. При наличии угловой скорости движения объекта dα/dt (измерение угловой скорости осуществляется устройством - 10) и для реализации предлагаемой системы коррекции необходимо на входы первого - 4 и второго - 14 реверсивных двоичных счетчиков подать сигналы, пропорциональные Х·dα/dt, на вход второго реверсивного двоичного счетчика - 14 и Y·dα/dt - на вход первого реверсивного двоичного счетчика - 4. Для реализации произведения Х·dα/dt и Y·dα/dt в систему коррекции введены перекрестные связи с выхода - 4 на вход - 14 через третий - 7 и четвертый - 8 двоичные умножители и с выхода - 14 на вход - 4 через шестой - 11 и пятый - 9 двоичные умножители. Управление двоичными умножителями - 8 и 9 осуществляется цифровым устройством для измерения угловой скорости - 10. Предлагаемая система коррекции позволяет подавать на входы датчиков моментов - 6 и 18 интегралы входных сигналов Х и Y в подвижной системе координат.
Работу системы коррекции можно пояснить математически. Пусть имеется неподвижная система координат XOY и система X1OY1, связанная с объектом. Прямоугольные системы координат повернуты относительно друг друга на угол α так, что в любой момент времени осуществляется связь
В неподвижной системе координат XOY система коррекции реализует зависимость
где Х2 и Y2 - входные сигналы с устройств 1 и 12.
Преобразуем выражения (2) к виду Y'=Y2 и Х'=Х2 (3), где Y' и X' - величины скоростей. Продифференцируем (1) и, учитывая, что Х2 и Y2 входные сигналы с устройств 1 и 12 в подвижной и неподвижной системе координат связаны соотношениями (1) после подстановки в (3), получим
После ряда преобразований (4) получим:
Полученное выражение (5) реализуется в предлагаемой системе коррекции и из выражения (5) следует, что для ее реализации необходима информация о текущем значении угловой скорости поворота системы координат. Информацию об угловой скорости объекта имеем с устройства - 10.
Определим величину ухода гиростабилизатора при наличии коррекции, реализуемой по зависимости (5), при следующих значениях: VX=6 м/с - скорость движения объекта вдоль продольной оси, R=6378 км - радиус Земли, α'=0.05 1/с - угловая скорость разворота объекта, Т=84.4 м - период Шуллера.
При развороте объекта (переход на новый курс) за время t=3.14/α' сигнал с устройства для измерения ускорений при отсутствии интегральной коррекции и перекрестных связей и после интегрирования, будет равен
где W - ускорение движения объекта.
Датчик моментов гиростабилизатора будет развивать момент, в результате которого гиростабилизатор будет поворачиваться в абсолютном пространстве со скоростью
и угловое отклонение гиростабилизатора будет равно 
После подстановки (6), (7) в (8) получим величину ухода 
При настройке гиростабилизатора на период Шуллера и наличии интегральной коррекции уход будет равен 51,42 угл.мин. При наличии перекрестных связей зависимость (9) будет иметь вид: β=VX·3.14·Т·δ/R, где δ - относительная погрешность компенсации ускорения движения объекта по перекрестной связи. Двоичные умножители - 7, 8, 9, 11, входящие в перекрестную связь, и реверсивные двоичные счетчики - 4 и 14 прямых каналов системы коррекции обеспечивают точность не хуже 0.1%. В этом случае величина ухода гиростабилизатора составит β=51.42·10-3 угл.мин.
Таким образом, введение в структуру системы коррекции двух прямых каналов и двух перекрестных связей между каналами позволяет сушественно повысить точность стабилизации.
Система коррекции гиростабилизатора, содержащая два канала, устройства для измерения ускорений и датчики моментов, отличающаяся тем, что в систему коррекции введены две перекрестные связи между каналами, причем первый канал реализован от первого цифрового устройства для измерения ускорений к первому датчику моментов через последовательно соединенные по информационным входам первый двоичный умножитель, первый реверсивный двоичный счетчик и первый электронный ключ, второй канал реализован от второго цифрового устройства для измерения ускорений к второму датчику моментов через последовательно соединенные по информационным входам второй двоичный умножитель, второй реверсивный двоичный счетчик, второй электронный ключ, одна перекрестная связь реализована с выхода первого реверсивного двоичного счетчика первого канала на вход второго реверсивного двоичного счетчика второго канала через третий и четвертый двоичные умножители, вторая перекрестная связь реализована с выхода второго реверсивного двоичного счетчика второго канала на вход первого реверсивного двоичного счетчика первого канала через шестой и пятый двоичные умножители, причем четвертый и пятый двоичные умножители соединены с цифровым устройством для измерения угловой скорости, а входы первого, второго, третьего, шестого двоичных умножителей, схемы управления ключами соединены с выходом генератора вспомогательной частоты, выходы схемы управления ключами соединены с одним из входов первого и второго электронного ключа, другие входы которых соединены с выходом генератора тока, и один из входов пятого двоичного умножителя соединен с выходом третьего двоичного умножителя.
