Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование системы термостатирования прецизионного измерителя вектора угловой скорости на поплавковых гироскопах), страница 5

раздел 1.1) стабильность нулевого сигнала ГИВУС должна быть не хуже 0,002 °/ч.25С целью достижения подобной точности ГИВУС на борту КА в заданныхтемпературных условиях эксплуатации прибора в диапазоне от 0 до +35 °С, с учётом возможных флуктуаций напряжения первичного питания в диапазоне от 25 до29 В, необходимо обеспечить стабильность поддержания температуры поплавковых ЧЭ прибора ориентировочно на уровне 0,01 °С.Требование поддержания температуры ЧЭ на уровне 0,01 °С выбрано предварительно исходя из анализа ряда трудов [5, 6, 51], в соответствии с которымиоптимальная точность термостатирования поплавкового ЧЭ должна находиться вдиапазоне от 0,01 до 0,1 °С, но при этом не приводится её связь со стабильностьюскорости дрейфа гироскопов.Принимая во внимание, изложенное выше, для достижения цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:1.

Разработать концепцию построения СТС ГИВУС, способной обеспечитьтребуемую точность ГИВУС и стабильность поддержания температуры корпусапоплавкового гироскопического ЧЭ на уровне 0,01 °С.2. Разработать аналитическую тепловую модель СТС ГИВУС и провеститеоретические исследования для подтверждения требуемых точностных и эксплуатационных характеристик СТС.3. Разработать методику экспериментальных исследований точностных характеристик измерительного канала ГИВУС с СТС.4. Провести экспериментальные исследования измерительного каналаГИВУС с СТС для оценки точности термостатирования корпуса ЧЭ, стабильностинулевого сигнала измерительного канала и их взаимосвязи при температурныхвоздействиях на прибор.5.

Выполнить верификацию аналитической тепловой модели путем сравнения результатов моделирования СТС ГИВУС с результатами экспериментальныхисследований.6. По результатам экспериментальных исследований и моделированияпредложить технические решения по модернизации СТС ГИВУС, позволяющей26достигнуть стабильности нулевого сигнала измерительного канала прибора науровне 0,002 °/ч.7. Провести экспериментальные исследования измерительного каналаГИВУС с модернизированной СТС для оценки стабильности нулевого сигналаизмерительного канала в течение 24 часов при изменении температуры основанияи напряжения первичного электропитания ГИВУС в диапазонах соответствующихусловиям эксплуатации прибора в составе КА.1.4 Выводы по главе 11. Для систем ориентации и стабилизации перспективных космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли и космических обсерваторийтребуются измерители вектора угловой скорости, обладающие точностью не хуже 0,002 °/ч.2.

На сегодняшний день в Российской Федерации наиболее точными и надёжными чувствительными элементами для создания гироскопических измерителей вектора угловой скорости, способных удовлетворить потребности системориентации и стабилизации современных и перспективных КА, являются поплавковые интегрирующие гироскопы.3. Для обеспечения точностных характеристик поплавковых интегрирующих гироскопов необходима система термостатирования, способная поддерживать их рабочую температуры с высокой степенью точности до 0,01 °С.4. На базе прибора типа КИНД34-020 можно создать новый прецизионныйГИВУС с повышенной стабильностью нулевого сигнала, отвечающей требованиям систем ориентации и стабилизации перспективных КА, путем совершенствования системы термостатирования чувствительных элементов прибора.27Глава 2.

Измерительный канал ГИВУС и построение тепловой моделиего чувствительного элемента2.1 Датчик угловой скорости на ПИГ2.1.1 Принцип действия, уравнение движения ПИГОсновным элементом ГИВУС, определяющим его точность, является выбранный чувствительный элемент – поплавковый интегрирующий гироскоп.ПИГ представляет собой двухстепенный гироскоп, в котором создаетсядемпфирующий момент за счет вязкости заполняющей его жидкости. В ПИГ гиромотор помещен в герметичный цилиндрический поплавок 1 (Рис. 2.1). Поплавок фиксируется в опорах 2, расположенных в герметичном корпусе 3.

Пространство между поплавком и корпусом заполнено плотной (ρ=(1,9...2,4) г/см3) вязкой(η=(100...250) мПа·с) жидкостью 4 на основе перфторполиэфиров, которая обеспечивает гидростатическую разгрузку опор поплавка и создаёт большой демпфирующий момент вокруг оси подвеса x пропорциональный его угловой скорости [1,26].Однако ρ и η в значительной степени зависят от температуры. Поэтому вПИГ предусматривают систему термостатирования, чтобы обеспечить стабильность его теплового поля, способствующую сохранению статической балансировки и нулевой плавучести поплавка, коэффициента демпфирования и, как следствие, повышению точностных характеристик ПИГ [1, 6].Также в случае неравномерности температурного поля в зазоре между поплавком и корпусом, при наличии внешних температурных градиентов, возникают конвекционные потоки жидкости, создающие вредные моменты вокруг выходной оси гироскопа, которые зависят от вязкости жидкости, её плотности идействующего ускорения [1, 5, 64].28yк , y (t=0)ωyк 2yβ241• x ,xD β& кМв••• ωxкА &&βМдмДМ•3oДУβАω• xкМгH•••&&βzH (t=0)ωzк•β&zк , z (t=0)УРис.

2.1. Кинематическая схема ПИГoxyz – система координат поплавка ПИГ, oxкyкzк – система координат корпусаПИГ, Н – кинетический момент гиромотора, Мг – гироскопический момент, Мдм –момент от датчика момента, Мв – возмущающий момент, А – момент инерции по-& && – угол повоплавка относительно оси х, D - коэффициент демпфирования, β,β,βрота, угловая скорость и угловое ускорение поплавка относительно корпуса, ω yк ,& хк – проекции угловых скоростей и углового ускорения корпуса, ДМ – датω zк , ωчик момента, ДУ – датчик угла, У – усилитель контура обратной связи (используется в режиме датчика угловой скорости)Благодаря гидростатической разгрузке опор поплавка, при которой выталкивающая сила Fв компенсирует вес поплавка G, остаточная сила, действующаяна каждую опору, незначительна (10-4...10-3 Н) и определяется следующим выражением:F=Fв − G.2(2.1)В ПИГ преимущественно используются камневые опоры, имеющие малыймомент трения вследствие малости нагрузки действующей на них, а в прецизион-29ных ПИГ применяются системы магнитного центрирования поплавка, обеспечивающие центральное расположение поплавка относительно внутренней поверхности корпуса ПИГ, исключая механический контакт между ними [67, 68].В двухстепенных гироскопах, в том числе и в ПИГ, принято следующееобозначение осей [1, 2]:x – выходная ось или ось подвеса;y – входная ось или ось чувствительности;z – ось вращения гиромотора или ось кинетического момента (Н).Уравнение движения ПИГ имеет следующий вид [6]:• •• • А  β − ω хк  + Dβ − Н (ω yк cosβ − ω zк sinβ) + M в = 0 ,(2.2)• •• • где А  β − ω хк  – инерционный момент, Dβ – демпфирующий момент,Н (ω yк cosβ − ω zк sinβ) – гироскопический момент Мг.Уравнение (2.2) можно преобразовать следующим образом: • А ω хк   M в Т β + β = i ω yк cosβ − ω zк sinβ + i −i, H   H ••где Т =•()(2.3)AH– постоянная времени ПИГ (обычно Т<10-3 с), i =– коэффициент пеDDредачи ПИГ (от 2 до 8).Принцип работы ПИГ состоит в следующем.

При вращении корпуса ПИГ, сугловыми скоростями ω yк , ω zк возникает гироскопический момент Мг под действием которого, поплавок начинает поворачиваться относительно корпуса вокруг•оси x с угловой скоростьюβ,вследствие чего возникает демпфирующий мо-•мент D β .••Для установившегося движения поплавка ( β =0,•ωyк=0) и при отсутствиивозмущающего момента Мв вокруг оси х уравнение (2.3) примет вид:30•β = i (ω yк cosβ − ω zк sinβ) .(2.4)Реальные углы поворота поплавка β в рабочем режиме (в составе гиростабилизатора или в режиме ДУС) не превышают 10'', что вызвано необходимостьюуменьшения влияния на показания ПИГ перекрестной угловой скорости ωzк .Следовательно, cosβ≈1 и sinβ ≈ β << 1, тогда уравнение (2.4) преобразуется к виду•β = iω yк ,(2.5)интегрируя которое получимtβ(t ) = i ∫ ω yк (t )dt = i ⋅ψ (t ) ,(2.6)0где ψ = ω yк t — угол поворота корпуса ПИГ вокруг оси yк.Из (2.6) следует, что ПИГ является гироскопическим интегратором угловойскорости, что и объясняет название чувствительного элемента.

При этом ПИГможет измерять угол поворота основания на котором установлен, для этого егоось чувствительности в исходном положении (t=0) должна совпадать с той осью,вокруг которой необходимо измерять угол поворота.2.1.2 Формирование режима датчика угловой скоростиДля ГИВУС датчик угла и датчик момента ПИГ включены в контур обратной связи (Рис. 2.1), обеспечивая функционирование ПИГ в режиме ДУС.Уравнение движения ДУС вокруг оси x аналогично (2.2), но дополнительноприсутствует момент Мдм от датчика момента:••••А  β − ω хк  + Dβ − Н (ω yк cos β − ω zк sin β) + M в + М дм = 0 .(2.7)В соответствии с (2.7) структурная схема ПИГ в режиме ДУС имеет вид,представленный на Рис.

2.2.31Dωyкωzк••cos(β)Hsin(β)Мг- Мв••1 β − ω xк 1 β − ω xкAs•β1sβωxкМдмkдмJдмWУ(s)RиUвыхРис. 2.2. Структурная схема ПИГ в режиме ДУСkдм – крутизна характеристики датчика момента, J дм – ток в катушке датчикамомента, WУ(s) – передаточная функция усилителя контура обратной связи,s – оператор Лапласа, Rи – измерительный резистор, Uвых – выходное напряжениеДУС пропорциональное входной угловой скорости по оси чувствительностиУсилитель контура обратной связи ДУС обеспечивает требуемые запасы устойчивости системы по амплитуде, фазе и динамические характеристики ДУС,такие как полоса пропускания, величина перерегулирования, длительность переходных процессов.Преобразуя (2.7) получим • А ω хк   M в   M дм −i−i.Т β + β = i ω yк cosβ − ω zк sinβ + i  H   H   H •••()(2.8) M дм Величину  принято называть скоростью управления. H  Mв  называют собственной скоростью прецессии гироскопа, H Величину скоростью дрейфа или нулевым сигналом ωдр.