Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование системы термостатирования прецизионного измерителя вектора угловой скорости на поплавковых гироскопах)

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана(национальный исследовательский университет)»На правах рукописиБОРДАЧЕВ Дмитрий АнатольевичТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕСИСТЕМЫ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯПРЕЦИЗИОННОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЕКТОРА УГЛОВОЙСКОРОСТИ НА ПОПЛАВКОВЫХ ГИРОСКОПАХСпециальность: 05.11.03 «Приборы навигации»Диссертацияна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:к.т.н., доцентПодчезерцев В. П.Москва – 20172ОглавлениеСтр.Перечень принятых сокращений ............................................................................4Введение ....................................................................................................................5Глава 1.

Гироскопические приборы для измерения вектора угловой скоростикосмических аппаратов ............................................................................................161.1 Типы гироскопических измерителей вектора угловой скорости ..............161.2 Технические особенности систем термостатирования современныхпрецизионных ГИВУС .........................................................................................221.3 Постановка задач исследования ....................................................................241.4 Выводы по главе 1 ..........................................................................................26Глава 2.

Измерительный канал ГИВУС и построение тепловой модели егочувствительного элемента .......................................................................................272.1 Датчик угловой скорости на ПИГ .................................................................272.1.1 Принцип действия, уравнение движения ПИГ .....................................272.1.2 Формирование режима датчика угловой скорости ..............................302.1.3 Особенности построения измерительного канала ГИВУС .................342.2 Построение тепловой модели чувствительного элемента ГИВУС ...........432.2.1 Конструктивные и теплофизические параметры чувствительногоэлемента .............................................................................................................442.2.2 Метод построения тепловой модели .....................................................462.2.3 Оценка погрешностей выбранного метода построения тепловоймодели ................................................................................................................502.3 Выводы по главе 2 ..........................................................................................57Глава 3.

Система термостатирования ГИВУС .......................................................593.1 Конструктивное исполнение .........................................................................593.2 Алгоритм управления контурами термостатирования ...............................623.3 Тепловая модель .............................................................................................653.4 Результаты моделирования в среде Simulink ..............................................733.5 Выводы по главе 3 ..........................................................................................773Стр..Глава4.ЭкспериментальныеисследованияГИВУСссистемойтермостатирования ...................................................................................................794.1 Методика исследования .................................................................................794.2 Рабочее место проведения испытаний .........................................................854.3 Результаты экспериментальных исследований ГИВУС с СТС (этап 1) ...874.3.1 Определение стабильности нулевого сигнала измерительногоканала при внешних температурных воздействиях ......................................874.3.2 Измерение тепловых параметров СТС ..................................................894.3.3 Определение времени тепловой готовности измерительногоканала .................................................................................................................4.3.4Численноесравнениерезультатовмоделирования92иэкспериментальных исследований ..................................................................944.3.5 Исследование причин изменения нулевого сигнала измерительногоканала при внешних температурных воздействиях ......................................964.4 Результаты экспериментальных исследований ГИВУС с СТС, имеющейадаптируемую температуру настройки 1-го контура (этап 2) .........................994.4.1 Алгоритм работы 1-го контура СТС ......................................................

1014.4.2 Определение стабильности нулевого сигнала измерительногоканала при внешних воздействиях .................................................................. 1024.4.3 Технические решения по модернизации 1-го контура СТС ................ 1094.4.4 Моделирование работы СТС с модернизированным 1-м контуром ... 1154.5 Выводы по главе 4 ..........................................................................................

119Общие выводы и заключение .................................................................................. 123Список литературы ................................................................................................... 125Приложение ............................................................................................................... 1334Перечень принятых сокращенийБПИ – блок преобразования информации;БУСТ – блок усилителей системы термостатирования;ВОГ – волоконно-оптический гироскоп;ГИВУС – гироскопический измеритель вектора угловой скорости;ДНГ – динамически настраиваемый гироскоп;ДМ – датчик момента;ДУ – датчик угла;ДУС – датчик угловой скорости;ИК – измерительный канал;КА – космический аппарат;ЛАЧХ – логарифмическая амплитудно-частотная характеристика;ЛФЧХ – логарифмическая фазо-частотная характеристика;МГБ – модуль гироблока;ММВГ – микромеханический вибрационный гироскоп;ПИГ – поплавковый интегрирующий гироскоп;ПУ – предварительный усилитель;СТ – стабилизатор тока;СТС – система термостатирования;УОС – усилитель обратной связи;ЧЭ – чувствительный элемент;ШИМ – широтно-импульсная модуляция;ЭКМ – электронный коммутирующий мост.5ВведениеАктуальность работы.

В настоящее время в Российской Федерации ведется разработка космических аппаратов (КА) для дистанционного зондированияЗемли (например КА серии Электро) и космических обсерваторий (Спектр-УФ,Спектр-М, Гамма-400) [36, 37, 46, 47, 48, 49]. Угловая ориентация КА подобныхклассов должна выдерживаться в инерциальном пространстве с достаточно высокой точностью – порядка 0,1 угл. сек, и стабильностью 10-3–10-5 °/с при движенииКА по орбитальной траектории [8, 9, 38, 59, 65, 72].Для решения задач управления ориентацией и стабилизации КА он должениметь в своем составе прецизионный измеритель вектора угловой скорости.В современных КА преимущественно используются бесплатформенные гироскопические измерители вектора угловой скорости (ГИВУС) в силу простотыих конструкции, малого энергопотребления, небольших габаритно-массовых характеристик.

Также их применение стало возможным благодаря достаточной вычислительной мощности бортовых цифровых вычислительных машин КА для обработки первичной информации, поступающей с измерительных датчиков, и расчета ориентации КА. Главными достоинствами ориентирования по гироскопическим измерителям является автономность, не требующая использования внешнихисточников информации, и соответственно высокая помехозащищённость.ГИВУС должен обеспечивать свои точностные параметры с высокой степенью повторяемости в реальных условиях эксплуатации. На борту КА температураокружающей среды вокруг ГИВУС может меняться в диапазоне от 0 до +35 °С, афлуктуации напряжения первичного электропитания находятся в диапазоне от 25до 29 В. Диапазон рабочих температур прибора определяется параметрами системы терморегулирования КА, представляющей собой, как правило, совокупностьпассивных и активных подсистем терморегулирования [12, 13].

Диапазон напряжения первичного электропитания прибора определяется параметрами бортовойэнергетической установки КА, для которой основными источниками электроэнергии являются солнечные батареи, работающие совместно с буферными аккумуля-6торными батареями [12, 71]. В силу ограниченной электрической емкости современных аккумуляторных батарей максимальная мощность, потребляемая ГИВУС,не должна превышать 100 Вт.

Изменение температуры и напряжения питания наборту КА обусловлено включением или выключением приборов и устройств, входящих в состав КА, которые являются источниками тепловыделения и потребления электрической мощности, а также суточным вращением КА, вследствие которого КА находится либо на солнечной стороне Земли (происходит нагрев КА изаряд аккумуляторной батареи за счет работы солнечной батареи), либо на теневой стороне Земли (происходит охлаждение КА и разряд аккумуляторной батареивследствие прекращения работы солнечной батареи) [14, 61, 62].Точность системы ориентации и стабилизации КА в условиях невесомостиопределяется стабильностью компоненты скорости дрейфа ГИВУС, не зависящейот ускорения, которую принято называть «нулевым сигналом».

Стабильность нулевого сигнала прибора должна быть не хуже 0,002 °/ч при заданных измененияхтемпературы окружающей среды и напряжения первичного электропитания. Временной интервал, в течение которого должна обеспечиваться стабильность нулевого сигнала, составляет 24 часа и определяется периодичностью калибровкиГИВУС, выполняемой 1-2 раза в сутки по показаниям оптических астродатчиков,установленных на КА [50, 60, 63].На сегодняшний день самыми точными ГИВУС, производимыми в Российской Федерации, являются приборы типа КИНД34-020, разработанные в филиалеФГУП «ЦЭНКИ» – «НИИ ПМ им. акад.