Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Информационно-измерительные системы

Диссертационная работа:

Иванов Юрий Владимирович. Инерциальные измерительные системы параметров движения объектов на основе короткопериодных маятников. Теория и проектирование : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.16 : Тула, 2004 351 c. РГБ ОД, 71:05-5/583

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕИЯ ПАРАМЕТРОВ

ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ И ВОЗМУЩЕНИЯ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ

НА НИХ 17

1.1. Параметры движения объектов и инерциальные методы

их измерения 17

  1. Угловые скорости и ориентация объекта 17

  2. Ускорения, скорости и линейные перемещения точек объекта 24

  3. Ускорение произвольной точки объекта, движущегося по вращающейся Земле 30

1.2. Характеристики внешних воздействий, обусловленных

качкой корабля 33

  1. Характеристики внешних воздействий, обусловленных колебаниями подводных буксируемых объектов 43

  2. Характеристики внешних воздействий, обусловленных колебаниями железнодорожных транспортных средств 46

  3. Математическая модель рельсового пути 48

  4. Математическая модель динамического взаимодействия движущегося железнодорожного транспортного средства и упругого пути 51

  5. Статистические характеристики возмущений, действующих на инерциальные измерительные системы, размещенные на железнодорожных транспортных средствах 59

  6. Характеристики внешних воздействий, обусловленных колебаниями автомобильных транспортных средств 63

  7. Анализ погрешностей гироскопических систем с маятниковой горизонтальной системой коррекции 68

1.10. Направления повышения точности инерциальных измерительных систем на базе короткопериодных маятников с использованием

принципов самонастройки 83

Выводы к главе 1 92

Постановка задачи исследования 93

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ КОРОТКОПЕРИОДНЫХ
МАЯТНИКОВ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 95

  1. Обзор литературы 95

  2. Уравнения движения возмущённого физического маятника 99

  3. Исследование влияния вибрации оси подвеса на динамику маятника 106

  4. Исследование влияния угловых колебаний основания на динамику маятника 112

  5. Малые колебания монокристаллического маятника 122

2. 6. Уравнения движения и динамика монокристаллического

маятника 133

2.7. Результаты численного исследования динамики

монокристаллического маятника 141

Выводы к главе 2 146

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ УГЛОВЫХ И ЛИНЕЙНЫХ КОЛЕБАНИЙ ОБЪКТОВ НА ОСНОВЕ КОРОТКОПЕРИОДНЫХ МАЯТНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПРИНЦИПА САМОНАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ 147

^ 3.1. Постановка задачи синтеза 147

  1. Этапы синтеза контура самонастройки 150

  2. Выбор критерия самонастройки и принципа построения контура самонастройки гировертикали с самонастраивающейся системой коррекции 153

  3. Синтез алгоритмов идентификации параметров возмущения 161

3.5. Синтез закона изменения настраиваемых параметров.

Структура контура самонастройки 168

3.6. Математическая модель гировертикали с самонастраивающейся

системой коррекции 174

Выводы к главе 3 184

$ ГЛАВА 4. СИНТЕЗ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
ВЕРТИКАЛЬНОЙ КАЧКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГОИНЦИПОВ
САМОНАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ 186

  1. Аналоговые интегрирующие устройства 186

  2. Цифровые интегрирующие устройства 195

  3. Синтез самонастраивающихся интегрирующих устройств 201

Выводы к главе 4 215

ГЛАВА 5. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ И
^ УГЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ

КОРОТКОПЕРИОДНЫХ МАЯТНИКОВ 217

  1. Исследование устойчивости гировертикали с самонастраивающейся системой коррекции при использовании линейного датчика вертикали 217

  2. Исследование устойчивости гировертикали с самонастраивающейся системой коррекции при использовании нелинейного датчика вертикали 227

  3. Исследование погрешности гировертикали с самонастраивающейся системой коррекции и линейным датчиком вертикали 232

^ 5.4. Исследование погрешности гировертикали с самонастраивающейся

системой коррекции и нелинейным датчиком вертикали 238

Выводы к главе 5 245

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОЙ ГИРОВЕРТИКАЛИ С
САМОНАСТРАИВАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ
КОРРЕКЦИИ ПРИ СЛУЧАЙНЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ 247

6.1. Постановка задачи анализа точности гировертикали

с самонастраивающейся системой горизонтальной коррекции

при случайных возмущениях 247

  1. Неканоническое спектральное разложение колебаний подвижных объектов .249

  2. Алгоритм анализа точности гировертикали с самонастраивающейся системой горизонтальной коррекции интерполяционным методом .. .256

  3. Пакет прикладных программ для исследования гировертикали с самонастраивающейся системой горизонтальной коррекции интерполяционным методом 263

  4. Результаты исследования гировертикали с самонастраивающейся системой горизонтальной коррекции на корабле

при случайных возмущениях 267

Выводы к главе 6 276

7. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ 278

  1. Гиростабилизированный компенсатор качки серии «Волна» 278

  2. Экспериментальное исследование гировертикали с самонастраивающейся системой коррекции 283

  1. Задачи испытаний 283

  2. Методики и результаты экспериментальных исследований гировертикали с самонастраивающейся системой коррекции в лабораторных условиях 284

  3. Методики и результаты натурных испытаний гировертикали с самонастраивающейся системой коррекции в условиях

морской качки 300

  1. Реализация и экспериментальные исследования самонастраивающегося интегрирующего устройства 310

  2. Измерители уровня путевых машин с переменными параметрами серии ИИУ 318

&

Выводы к главе 7 324

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 326

СПИСОК ОСНОВНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 330

ПРИЛОЖЕНИЯ 348

Введение к работе:

Решение комплексной проблемы обеспечения конкурентоспособности изделий отечественной промышленности возможно только на основе внедрения прогрессивных и наукоемких технологий. Неотъемлемой частью таких технологий являются информационно-измерительные и управляющие системы, обеспечивающие требуемую точность выполнения технологических процессов и высокие качественные показатели изделий. Известно, что на подвижных объектах военного и гражданского назначения широко применяются инерциальные измерительные системы угловых и линейных колебаний. Вертикальные и угловые перемещения судна оказывают отрицательное влияние на работу целого ряда приборов и систем, к которым относятся гравиметры, одно- и многолучевые эхолоты, профилографы, гидролокаторы бокового обзора (в том числе рыбопоисковые), антенны гидроакустических систем слежения за автономными подвижными объектами, лазерные и радиотехнические устройства для измерения параметров и состояния поверхности океана и атмосферы, антенны радиолокационных станций, систем спутниковой связи и телевидения. Влияет качка также и на аппаратуру в автономных буях для исследования морского волнения и экологии океана, гидроакустические приборы буксируемых необитаемых подводных аппаратов.

Знание вертикального перемещения судна имело и имеет в настоящее время большое значение в военном деле. Как известно, баллистическая траектория снаряда зависит от соотношения высот точки пуска и цели.

Измерение превышения одного рельса над другим является одной из важных технологических операций при строительстве, капитальном ремонте и контроле качества железнодорожного пути. В настоящее время для этого используются маятниковые датчики прямого измерения на базе физического маятника и датчики косвенного измерения на основе линейного акселерометра.

Измерение угловых и линейных колебаний подвижных объектов возможно путем применения оптических, радиотехнических (в том числе спутниковых) и инерциальных методов. Преимущество инерциального метода измерения заключается в его автономности. Такие измерения могут производиться на надводном, подводном, сухопутном объектах без использования дополнительных ориентиров. Кроме того, при использовании инерциального измерителя практически не имеют значения размеры объекта, на котором он установлен.

Построение вертикали места на подвижном объекте при помощи инерциальных построителей также основано на инерциальном методе.

Существенный вклад в развитие теории и практики инерциальных измерительных систем угловых и линейных колебаний подвижных объектов, и их элементной базы внесли М. Шулер, А.Н. Крылов, А. Ю. Ишлинский, Б.В. Булгаков, Ч.С. Дрейпер, В.Д. Андреев, и др.

Анализ современного состояния инерциальных измерительных систем на основе короткопериодных маятников показывает, что в целом ряде гироскопических приборов, имеющих систему горизонтальной коррекции, вследствие нелинейности характеристики ее чувствительного элемента и наличия ухода гироскопа от действия возмущающих моментов по оси прецессии, а также видимого ухода от вращения Земли, имеет место систематическая погрешность приведения к горизонту. Причем, эта погрешность зависит от амплитуды и периода линейного горизонтального ускорения качки объекта. Для целого ряда подвижных объектов указанные параметры возмущения изменяются в широких пределах, и на этапах разработки и настройки системы известны лишь границы изменения этих параметров. В результате этого, при определенных значениях амплитуд и периодов линейного ускорения объекта систематическая погрешность горизонтирования достигает недопустимо больших значений, а в ряде случаев система вообще теряет устойчивость, что приводит к потере работоспособности.

В системах определения вертикальной качки объектов, построенных на инерциальном методе измерения, параметры интегрирующего устройства (постоянные времени, коэффициенты передачи) зависят от преобладающей частоты качки и ее интенсивности. В силу того, что указанные параметры качки изменяются в широких пределах и зависят от многих факторов, при проектировании таких систем их параметры выбираются исходя из того, чтобы обеспечить заданную погрешность интегрирования при наименьшем значении преобладающей частоты качки. Недостатком такого подхода к проектированию является то, что постоянные времени интегрирующего устройства имеют сильно завышенную величину, так как при эксплуатации системы минимальные значения преобладающей частоты качки встречаются редко. В то же время, большие значения постоянных времени интегрирующего устройства делают систему нединамичной и восприимчевой к импульсным воздействиям, в результате которых возникают длительные переходные процессы и резко возрастает погрешность интегрирования.

Существуют также измерительные системы на основе короткопериодных маятников, которые работают в нескольких режимах измерения, связанных с изменением скорости движения объекта. В этом случае частота полезного сигнала и частота помехи изменяются в широких пределах и на этапе проектирования практически невозможно выбрать параметры системы, чтобы она одинаково хорошо работала во всех режимах эксплуатации.

Таким образом, проблема, поставленная и решаемая в диссертации, заключается в создании теоретических основ построения и методов проектирования, позволяющих повысить точность инерциальных систем измерения угловых и линейных колебаний подвижных объектов на основе короткопериодных маятников, функционирующих в условиях возмущений, параметры которых (интенсивность и частота максимума спектра) изменяются в широких пределах.

Решение поставленной проблемы связано с применением методов общей теории автоматического управления.

Развитие теории автоматического управления в значительной мере связаны с работами Р. Калмана и Р. Бьюси [36] по оптимальной линейной фильтрации, а также A.M. Летова [11] и Р. Калмана [7] по синтезу линейных динамических систем, оптимальных по квадратическому критерию качества. Данные работы сформировали теоретические основы для широкого применения теории в различных областях науки и техники и позволили решить принципиально новые теоретические и прикладные задачи.

В то же время практика применения теории оптимальных систем при решении конкретных технических задач показала, что оптимальные системы, синтезированные по квадратическому критерию качества, являются чувствительными к параметрам модели реального объекта и характеристикам внешних возмущений, т. е. являются негрубыми, и иногда теряют не только оптимальность, но и работоспособность в тех случаях, когда априорная информация об объекте и внешней среде известна не точно, а лишь с некоторой достоверностью.

Современный период развития теории управления характеризуется постановкой и решением задач, учитывающих неточность знаний об объектах управления и действующих на них внешних возмущений. Задачи синтеза регулятора и оценивания состояния с учетом неопределенности в характеристиках входных воздействий являются одними из центральных в современной теории управления. Их важность обусловлена прежде всего тем, что практически в любой инженерной задаче конструирования системы управления присутствует неопределенность (или ошибка) в модели объекта (математическая модель объекта, полученная на основе теории или в результате идентификации, отличается от реальной технической системы) и в знании класса входных возмущений.

Основная и принципиально новая идея по синтезу робастного управления состоит в том, чтобы единственным регулятором обеспечить

устойчивость замкнутой системы не только для номинального объекта, но и для любого объекта, принадлежащего множеству «возмущенных» объектов, определяемых классом неопределенности.

В работе [62] предложен критерий оптимальности на основе Н -нормы многомерной передаточной функции замкнутой системы. В скалярном случае норма такой функции конечна и равна максимальному значению амплитудно-частотной характеристики.

Основной особенностью #-регуляторов является тот факт, что в процессе функционирования робастной системы используется только априорная информация о возможных внешних возмущениях. Это приводит к тому, что робастные системы управления отличаются некоторым консерватизмом. Это объясняется тем, что робастные системы должны оставаться работоспособными (сохранять робастную устойчивость и заданный уровень качества) при максимально допустимых возмущениях, не «имея информации» о том, когда это возмущение произойдет.

В реальных условиях эксплуатации инерциальных измерительных систем функция распределения возмущений заранее неизвестна и её параметры изменяются, то есть имеет место априорная и текущая неопределенность в описании модели внешних возмущений. В этих условиях повышение точности возможно за счёт использования самонастраивающихся систем, в которых для восполнения недостающей информации о возмущениях активно используется текущая информация.

Таким образом, наиболее целесообразное решение проблемы повышения точности инерциальных измерительных систем угловых и линейных колебаний подвижных объектов построенных на основе короткопериодных маятников связано с использованием принципа самонастройки.

Самонастраивающиеся системы имеют ряд неоспоримых преимуществ при работе в условиях априорной неопределенности возмущений. Однако использование принципа самонастройки в инерциальных измерительных

12 системах угловых и линейных колебаний подвижных объектов сдерживается отсутствием общей методологии и теоретической базы, позволяющих исследовать и обосновывать направления его эффективного использования, синтезировать критерии и законы самонастройки параметров систем и м разрабатывать алгоритмические и программные средства для решения различных задач.

Научная значимость работы заключается в разработке теории и обобщении результатов исследований самонастраивающихся инерциальных систем измерения угловых и линейных колебаний подвижных объектов на основе короткопериодных маятников.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит:

- в создании теоретических основ построения, инерциальных
измерительных систем угловых и линейных колебаний подвижных объектов
построенных на базе короткопериодных маятников;

в разработке функционально-структурной организации инерциальных измерительных систем с переменными параметрами;

в разработке математических моделей инерциальных измерительных систем с переменными параметрами и их элементов;

в создании методик анализа и расчета инерциальных измерительных систем с переменными параметрами на основе короткопериодных маятников.

в разработке и реализации алгоритмов получения информации о параметрах возмущения, критериев и законов изменения параметров системы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обобщенная схема измерительной системы, основанная на
использовании принципов самонастройки.

2. Методы и результаты синтеза критериев и законов самонастройки
инерциальных измерительных систем.

3. Методы и алгоритмы идентификации параметров возмущения,
1 действующего на измерительную систему, по сигналу короткопериодного

маятника без привлечения дополнительной информации.

4. Математические модели самонастраивающихся инерциальных
измерительных систем, построенных на базе короткопериодных маятников.

*> 5. Неканонические спектральные разложения для случайных процессов

угловых и линейных колебаний корабля, железнодорожного и автотранспортного средств, позволяющие использовать интерполяционный метод исследования точности самонастраивающихся инерциальных измерительных систем угловых и линейных колебаний объектов на базе короткопериодных маятников.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований самонастраивающихся инерциальных измерительных систем угловых и линейных колебаний объектов на базе короткопериодных маятников.

Диссертация состоит из семи глав. Первая глава посвящена анализу
инерциальных методов измерения параметров движения объектов и
действующих на них возмущений. Приводится математическое описание
параметров движения объектов, рассматриваются характеристики внешних
воздействий, обусловленных качкой корабля, колебаниями

железнодорожных и автомобильных транспортных средств. Проводится анализ погрешностей инерциальных измерительных систем на базе короткопериодных маятников и формулируются направления повышения их точности с использованием принципов самонастройки параметров.

Во второй главе получены математические модели маятниковых

~ датчиков, используемых в инерциальных измерительных системах с учетом

условий их эксплуатации на подвижных объектах. Проводятся аналитические и численные исследования влияния вибрации и угловых колебаний объекта на динамику маятникового измерителя угла отклонения от вертикали с учетом величины расстояния от точки подвеса маятника до центра качания. Получены зависимости амплитудных и фазовых погрешностей маятника от

14 его конструктивных параметров. Разработаны математические модели чувствительного элемента акселерометра с монокристаллическим маятником. Получены аналитические зависимости для определения

N.

собственных частот и форм колебаний монокристаллического мятника. Проведено численное исследование математических моделей акселерометра с монокристаллическим маятником и даны рекомендации по предпочтительной ориентации маятника относительно основания для измерения угловой или линейной вибрации.

В третьей главе разработана функционально-структурная организация инерциальных измерительных систем с переменными параметрами на базе короткопериодных маятников, которая позволяет существенно повысить их точностные характеристики при работе в условиях текущей и априорной неопределенности возмущений. Предложен математический аппарат, базирующийся на методах общей теории самонастраивающихся систем, позволяющий создавать инженерные методы синтеза инерциальных систем измерения угловых и линейных колебаний подвижных объектов на основе короткопериодных маятников. Разработаны алгоритмы идентификации параметров возмущения, позволяющие без привлечения дополнительных источников информации по сигналу нелинейного маятникового датчика вертикали получать информацию о значениях амплитуды и периода линейного горизонтального ускорения колебаний подвижного объекта в реальном масштабе времени. Получены законы самонастройки, которые обеспечивают независимость обобщенного коэффициента передачи системы горизонтальной коррекции от изменения параметров возмущения. Разработаны математические модели самонастраивающихся инерциальных измерительных систем, построенных на базе короткопериодных маятников, дающие возможность проводить аналитическое и численное исследование их динамики.

В четвертой главе рассматриваются методы синтеза инерциальных измерительных систем с разомкнутым основным контуром. Предложен

15
критерий самонастройки параметров интегратора вертикальной качки,
основанный на нормировании его фазовой погрешности. Такой подход
позволяет существенно уменьшить погрешность измерения вертикального
перемещения объекта и повысить устойчивость системы к импульсным
воздействиям. В результате синтеза получены алгоритмы самонастройки
*> измерительной системы, которые мало чувствительны к погрешности

вычисления преобладающей частоты качки, то есть обладают свойством «грубости». Приводятся результаты моделирования, показывающие, что при одинаковой фазовой погрешности реакция самонастраивающегося интегрирующего устройства на импульсное воздействие меньше по амплитуде более чем 3 раза, а по времени — более чем в 2 раза по сравнению ' с аналогичными характеристиками обычного интегратора.

В пятой главе рассматриваются аналитические методы исследования инерциальных измерительных систем с переменными параметрами на базе короткопериодных маятников. Разработаны методы исследования устойчивости и погрешности гировертикали с самонастраивающейся системой коррекции при использовании линейного и нелинейного датчика вертикали. Приводятся результаты исследования, которые показывают, что использование предложенных впервые в данной работе подходов, основанных на использовании принципов самонастройки параметров, для целого класса приборов средней точности, в которых широко применяется маятниковая горизонтальная коррекция, дает возможность значительно (более чем на порядок) уменьшить систематическую погрешность, обусловленную влиянием линейного горизонтального ускорения качки. При этом обеспечивается устойчивость системы коррекции во всем диапазоне возможных частот качки.

В шестой главе рассмотрены методики численного исследования гировертикали с маятниковой самонастраивающейся системой горизонтальной коррекции. Получены неканонические спектральные разложения для случайных процессов колебаний корабля, железнодорожного

и автомобильного транспортных средств. Результаты численного
исследования математической модели гировертикали с

самонастраивающейся системой коррекции при случайных возмущениях
подтверждают вывод о том, что при использовании системы коррекции с
самонастройкой коэффициента передачи, систематическая погрешность
-4} силовой гировертикали и его устойчивость не зависят от параметров

возмущения.

В седьмой главе показано, что выполненный в диссертации комплекс теоретических и экспериментальных исследований нашел практическое применение при создании опытных и промышленных образцов. Приведены методики и результаты лабораторных исследований и натурных испытаний инерциальных измерительных систем на базе короткопериодных маятников.

Результаты диссертации опубликованы в двух монографиях [53, 126] и в пятидесяти научных работах. На основе полученных теоретических результатов разработаны и внедрены следующие образцы инерциальных измерительных систем на базе короткопериодных маятников:

1. Гиростабилизированный компенсатор качки «Волна-М»
(Гидрографическое предприятие г. Санкт-Петербург, Арктическая морская
инженерно-геологическая экспедиция г. Мурманск, НПО «Южморгеология»,
НИПИ «Океангеофизика» г. Геленджик).

2. Гиростабилизированная платформа «Юг» (КБ «Южное» г.
Днепропетровск»)

3. Инерциальные измерители угла серии ИИУ (ОАО «Кушвенский завод
транспортного оборудования», г. Кушва, ГУП Калужский завод

" «Ремпутьмаш», г. Калуга, ОАО «Тулажелдормаш», г. Тула, ПРМЗ, г.

Екатеренбург., путевые машинные станции железных дорог Российской Федерации, Украины, Казахстана и Монголии.)

Подобные работы
Орлов Василий Алексеевич
Инерциальные измерительные системы параметров движения объектов на микромеханических датчиках
Алимбеков Азат Лиерович
Информационно-измерительная система для определения параметров движения объектов с применением алгоритмических способов повышения их точности
Чекотило Елена Юрьевна
Параметрическая оптимизация информационно-измерительной системы определения параметров движения изображения подстилающей поверхности
Лихошерст Владимир Владимирович
Микромеханические приборы информационно-измерительных систем определения параметров движения с улучшенными характеристиками
Парамонов Павел Павлович
Методология информационного проектирования систем авионики
Венедиктов Анатолий Захарович
Методика проектирования триангуляционных измерительных систем для промышленного контроля и дефектации изношенных деталей
Гайдуков Борис Александрович
Проектирование информационно-измерительных систем сканеров с микрофильма
Курочкин Сергей Александрович
Методология проектирования информационно-измерительных систем тренажеров подвижных наземных объектов
Секачёв Виктор Александрович
Компьютерная поддержка процесса структурного проектирования сложных информационно-измерительных систем
Шпак Андрей Николаевич
Сложная специализированная измерительная система параметров процесса фрезерования

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net