ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2014, № 2, с. 130-146
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ
УДК 531.383
ПРЕЦИЗИОННЫЕ ПОВОРОТНЫЕ СТЕНДЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ С ИНЕРЦИАЛЬНЫМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
© 2014 г. Е. А. Депутатова, Д. М. Калихман, В. М. Никифоров, Ю. В. Садомцев
Саратов, ПО "Корпус" (Филиал ФГУП "НПЦАПим. акад. Н.А. Пилюгина"), Саратов, Институт проблем точной механики и управления РАН, Москва, ФГУП "НПЦАПим. акад. Н.А. Пилюгина" Поступила в редакцию 28.06.13 г., после доработки 19.11.13 г.
Рассматриваются прецизионные поворотные стенды (управляемые основания), особенностью которых является использование в качестве чувствительных элементов инерциальных датчиков угловой скорости различного принципа действия (волоконно-оптических, лазерных, поплавковых и других гироскопов) как для однорежимного стенда, работающего по принципу "самоконтроля", так и для широкодиапазонного, работающего в низкоскоростном и высокоскоростном режимах и снабженного (для расширения его функциональных возможностей) триадами кварцевых маятниковых акселерометров. Проблема связана с построением цифровых систем управления рассматриваемых стендов, обеспечивающих высокоточную стабилизацию заданных движений управляемых оснований. Дается решение данной проблемы, позволяющее находить алгоритмы цифрового управления при использовании разных инерциальных датчиков угловой скорости. Проводится анализ полученных решений во временной и частотной областях, подтверждающий высокое качество регулирования.
DOI: 10.7868/S0002338814020061
Введение. Разработка и создание высокоточных калибровочных стендов (управляемых оснований), необходимых для испытания и контроля гироскопических приборов, является актуальной научной и технической проблемой, решение которой во многом определяет прогресс в развитии гироскопического приборостроения. В рамках этой проблемы сформировалось несколько направлений, одно из которых связано с построением управляемых оснований, отличающихся тем, что в качестве измерителей угловой скорости используются различные инерциальные чувствительные элементы [1]. Такой принцип построения калибровочных стендов позволяет создать новый класс малогабаритных, недорогих прецизионных управляемых оснований с приводом от маломощных двигателей, ориентированных на испытания современных измерителей угловой скорости. Следует отметить, что зарубежные аналоги, например, калибровочные стенды фирмы "Acutronic" [2], имеющие практически те же точностные характеристики, представляют собой крупногабаритное, энергоемкое и дорогостоящее оборудование, обеспечивающее стабильность задаваемой угловой скорости за счет большой инерционной массы платформы, использующее воздушный подвес ее оси вращения, ртутные токоподводы и т.д.
В работах [3, 4] рассматривались два типа поворотных стендов с инерциальными чувствительными элементами, заявленных в патентах [5, 6]: однорежимный [3, 5] с применением поплавкового датчика угловой скорости (ДУС) и двухрежимный (широкодиапазонный) стенд [4, 6]. Причем в этом стенде в первом (низкоскоростном) режиме работает поплавковый ДУС совместно с триадой маятниковых акселерометров, измеряющих тангенциальные ускорения точек их крепления на платформе и позволяющих повысить стабильность движения платформы с заданной угловой скоростью, а во втором (высокоскоростном) — две триады маятниковых акселерометров, одна из которых по-прежнему служит для повышения стабильности задаваемых движений путем измерения тангенциальных ускорений, а другая, используемая вместо поплавкового ДУС, служит для измерения центростремительных ускорений, пропорциональных квадрату угловой скорости, и позволяет расширить диапазон измеряемых угловых скоростей [7]. При этом основная проблема, которая рассматривалась в [3, 4], была связана с разработкой методик синтеза алгоритмов цифрового управления как для контуров измерений (поплавкового ДУС и акселеро-
Траверса
УЭ
Преобразователь сигнала УЭ
БПИ
ИУС с СЭ
БПНП
К
П
Б
а
я 8
ПЛИС
АЦП
р м
- е и
о- р м и л л о тро £ а ч е
М н о р е
м П
Двигатель
УМ
двигателя
Управляющий процессор ПВВ4
ПВВ3
ПВВ2
ПВВ1
ыст(0
ЦАП
Ыст(0
Цуэ
РЧ-
или
ИК-
канал
РЧ- или ИК-
приемник
иза
Угловая скорость от ИУС и УЭ
ПВВ
Управляющий компьютер
Рис. 1. Функционально-кинематическая схема однорежимного стенда с цифровой системой управления
а
У
метров), так и для основных контуров (контуров стабилизации), обеспечивающих движение платформы стендов с заданными угловыми скоростями.
Следует отметить, что электромеханические ДУС, несмотря на их высокую точность, обладают некоторыми недостатками, в частности, ограниченным диапазоном задаваемых угловых скоростей (не более 30 град/с) и достаточно сложной структурой собственных контуров управления, вследствие инерционности их чувствительных элементов и наличия кинетического момента. Этих недостатков лишены лазерные (ЛГ) и волоконно-оптические (ВОГ) гироскопы [8, 9], которые также могут использоваться в качестве измерителей угловых скоростей (ИУС). Поэтому в настоящей статье, которая по существу является развитием работ [3, 4], исследуется возможность замены поплавкового ДУС на лазерные или волоконно-оптические ИУС. При этом, как и в [3, 4], рассматривается два типа стендов: однорежимный, который в отличие от [3, 5] работает по принципу "самоконтроля", когда испытуемый прибор (ВОГ, ЛГ или поплавковый ДУС), снабженный собственной сервисной электроникой (системой управления), одновременно является и чувствительным элементом стенда [10], и двухрежимный стенд [4, 6], в котором вместо поплавкового ДУС в низкоскоростном режиме используется ВОГ или ЛГ. С использованием методики, разработанной в [3, 4], дается решение задач синтеза цифровых регуляторов контуров стабилизации указанных стендов с ВОГ или ЛГ вместо поплавкового ДУС и проводится анализ полученных решений во временной и частотной областях.
1. Функциональный состав и принцип работы стендов. Функционально-кинематическая схема однорежимного поворотного стенда, работающего в режиме "самоконтроля", изображена на рис. 1. В корпусе стенда на шарикоподшипниках подвешена траверса, ось вращения которой вертикальна. На траверсе установлена платформа, предназначенная для крепления испытуемого ИУС со своей сервисной электроникой (СЭ), в качестве которого могут быть использованы поплавковый ДУС, ВОГ, ЛГ и другие инерциальные измерители. На оси вращения траверсы закреплены подвижная часть приводного двигателя постоянного тока и диск углового энкодера (УЭ) — прецизионного датчика угла (ДУ) с разрешающей способностью не хуже 0.01 угл. с. На платформе также закреплены: блок преобразования напряжения питания (БПНП), блок преобразования информации (БПИ), в состав которого входят программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), используемая в случае цифрового выхода испытуемого измерителя, и
аналого-цифровой преобразователь (АЦП), применяемый при аналоговом выходе ИУС, а также микроконтроллер, обеспечивающий передачу информации в последовательном коде по инфракрасному (ИК) или радиочастотному (РЧ) каналу. Закрепление на платформе стенда плат, реализующих перечисленные блоки, и применение беспроводного канала связи позволяют сократить число линий коллектора до двух, необходимых для подвода питания к БПНП, что повышает точностные характеристики стенда.
На корпусе стенда в виде плат закреплена электронная часть системы управления стендом, в состав которой входят: управляющий процессор с соответствующими портами ввода-вывода (ПВВ1-4), приемник ИК- или РЧ-сигналов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), усилитель мощности (УМ) приводного двигателя и преобразователь сигнала УЭ, выход которого соединен с одним из ПВВ процессора, причем последний соединен с ПВВ управляющего компьютера через стандартный интерфейс. При этом обычными стрелками указано направление прохождения сигнала от одного блока к другому; серией обычных стрелок показывается прохождение однотипных сигналов; двойные одно- и двунаправленные стрелки отображают прохождение потока различных сигналов: от блока к следующему блоку — однонаправленные; информационного обмена между функциональными блоками — двунаправленные стрелки.
Система работает следующим образом. С управляющего компьютера через ПВВ в процессор поступает (в виде цифрового кода) задающий сигнал изад, соответствующий заданной угловой скорости вращения платформы юа0. Он сравнивается с сигналом обратной связи иос от испытуемого ИУС, пропорциональным действительной скорости вращения юа и формируемым в процессоре по сигналу у от РЧ- или ИК-приемника. По разностному сигналу е = изад — иос в регуляторе контура стабилизации, реализованном в процессоре, формируется управляющее воздействие ист(0 в цифровом виде, которое преобразуется в ЦАП в аналоговое напряжение ист(0 и поступает на УМ приводного двигателя, задающего вращение траверсе. При этом сигнал обратной связи контура стабилизации формируется в виде иос = кос ■ у, где кос выбирается таким образом, чтобы получить необходимый статический коэффициент передачи управляемого основания как замкнутой системы (от входа изад к выходу юа), называемый коэффициентом преобразования стенда [1], желаемое значение которого может быть определено как КС1 = юа0/изад.
С УЭ через соответствующий преобразователь сигнала снимается последовательность импульсов, число которых пропорционально углу поворота платформы. Эти импульсы поступают в ПВВ управляющего процессора, где происходит вычисление угловой скорости платформы в виде отношения измеренного угла ко времени опроса, определяемого таймером процессора. Информация о вычисленной угловой скорости через ПВВ процессора поступает в управляющий компьютер. По тому же каналу поступает информация об угловой скорости от испытуемого ИУС, одновременно являющегося чувствительным элементом стенда. При этом калибровка статической характеристики испытуемого ИУС в процессе его "самоконтроля" осуществляется в управляющем компьютере путем сопоставления полученной информации.
Функционально-кинематическ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.