Задачи курса

Московский Авиационный Институт

(Государственный технический университет)

курс лекций: «Физико-теоретические основы и конструкции элементов приборов систем управления движением и навигации»

Профессор Мельников В.Е.

Москва 2009

Оглавление

Оглавление

Московский Авиационный Институт. 1

II. Физико-технические свойства пространства. 7

(вернуться к оглавлению) 7

Общая характеристика Измерительных Преобразователей. 8

III. Акселерометры. (вернуться к оглавлению) *. 10

1. Блок – схема и характеристика элементов в составе акселерометра. 10

Функционально необходимые элементы. 11

Это группа элементов ИП, наличие которых необходимо для основного контура преобразования измеряемого параметра среды в форму, удобную для непосредственной или косвенной визуализации, с целью использования этой информации для решения поставленной задачи. 11

Функционально необходимые элементы, их передаточные функции или коэффициенты находят отражение на структурной схеме в звеньях структуры со своими передаточными функциями. Это – ЧЭ, непосредственно воспринимающий измеряемый параметр и преобразующий его в промежуточный параметр в структуре ИП (в деформацию, смещение, угол, силу, момент силы и др.); 11

ЧЭ –это узел, способный непосредственно воспринимать измеренную величину и преобразовывать ее в форму, удобную для дальнейшего преобразования. 11

КЗ – колебательное звено, под воздействием внешних и внутренних силовых факторов смещающееся относительно корпуса прибора. Например, линейное или угловое смещение ЧЭ акселерометра. 11

ДП или ДУ. Преобразователь линейного или углового смещения ЧЭ в электрический сигнал. Иначе – это прямой преобразователь механической энергии, запасаемый ЧЭ в электрическую энергию для последующего преобразования, измерения и визуализации информации. 11

- Упругая связь ЧЭ с корпусом. 11

· Механический упругий элемент с жесткостью С для акселерометров и датчиков угловой скорости (ДУС) разомкнутой структуры. 11

· «Электрическая жесткость» - С_э. –Для компенсационных акселерометров и ДУС с главной отрицательной обратной связью, осуществляющей обратное преобразование электрической энергии в механическую (в силу или момент сил). 11

- Скоростная связь ЧЭ с корпусом. К_д – коэффициент демпфирования. 11

- Усилитель – преобразователь электрического сигнала. – Усилитель по току - К_i, напряжению – К_u, мощности - К_p. 11

Дополнительные элементы. 12

Это элементы, которые скрытно присутствуют в структурной схеме ИП и лишь косвенно проявляют себя в выходных характеристиках, если они не являются идеальными в инструментальном смысле. Неидеальность реализации дополнительных узлов и элементов в конечном итоге проявляется в появлении дополнительных источников дестабилизирующих факторов на ЧЭ, источники которых полезно прогнозировать и минимизировать конструктивными или алгоритмическими способами. 12

Опоры и подвесы ЧЭ ИП и Д. 12

Конструкционный узел, назначение которого – обеспечить требуемые законы движения ЧЭ относительно корпуса. 12

· Контактные: 12

- с трением скольжения; 12

-стрением качения: шарикоподшипниковые; 12

· Упругие. 12

· Неконтактные. 12

· Комбинированные. 12

Корпус – конструкционный узел, объединяющий все элементы в единый, взаимосвязанный узел. Должен иметь наружные базовые поверхности и гарантировать однозначную ориентацию оси чувствительности относительно строительных осей ЛА или осей платформы, несущей приборное оборудование, в свою очередь однозначно ориентированной относительно осей ЛА. 12

Корпус должен: 12

- герметизировать внутренний объем, изолировать основные функционально необходимые узлы от дестабилизирующего влияния внешней среды. Внутренняя полость корпуса может быть вакуумирована, заполнена инертным газом или приборной жидкостью. 13

- экранировать внутренние элементы и схемы от внешних электромагнитных наводок. 13

- обеспечить базировку «внутренней» приборной оси чувствительности ИП относительно его внешних базовых поверхностей, с помощью которых оси ИП выставляется на борту ЛА. 13

- обеспечить термостабилизацию внутреннего объема ИП с требуемой точностью во всем эксплуатационном диапазоне температур. 13

Гермовводы. 13

Или гермопроходники. Обеспечивают ввод питания и подсоединение электрических и электронных элементов внутри корпуса к внешним потребителям. Это гальванически развязанные и между собой и от корпуса проводники, количество которых определяется спецификой электрических цепей, расположенных во внутреннем объеме. 13

Токоподводы. 13

Безмоментные токоподводы к подвижным элементам. К ЧЭ элементам акселерометра, к рамкам подвеса гироузла и к самомугироузел. 13

Арретирующие устройства. 13

В гироскопических датчиках, в первую очередь, в трехстепенных свободных или корректируемых гироскопах необходимы специальные устройства и механизмы, принудительно фиксирующие взаимное расположение рамок карданового подвеса в исходном взаимно ортогональном положении и относительно строительных осей ЛА. 13

Это необходимо как в условиях транспортировки прибора в нерабочем, обесточенном состоянии, так и при вводе его в рабочий режим непосредственно на борту. В таком заарретированном состоянии включается питание гиромотора и функционально необходимых элементов. При достижении номинальных оборотов в заарретированном состоянии такой прибор готов к началу работы. Непосредственно перед началом работы происходит разарретирования и оси гироскопа образуют дазовую, приборную систему координат, относительно которой оценивается положение осей ЛА и принимаются меры, например, по их стабилизации относительно этих направлений. 13

Упоры. Ограничители хода ЧЭ. 13

Ограничивают предельные смещения ЧЭ относительно корпуса. Это – упоры, расстояние между которыми превосходят удвоенное предельное рабочее смещение ЧЭ при максимальном измеряемом ускорении. В зоне «от упора до упора наблюдаемая точка ЧЭ не должна выпадать из поля зрения датчика перемещения. 13

Узлы балансировки ЧЭ. 14

В основном для гироскопических приборов. Обеспечивают статическую балансировку гироузла при сборке и настройке прибора на заводе. 14

Экран. 14

Применение заземлённого металлического или металлизированного экрана с высокой электрической или магнитной проводимостью для снижения (подавления или значительного ослабления) влияния внешних паразитных электромагнитных полей, помех и наводок, мешающих работе электро- и радиотехнических установок, аппаратуры передачи и обработки данных и т.п. 14

Сильфон. 14

В поплавковых ИП (акселерометрах, ДУС-ах, трехстепенных гироскопах) наличие приборной жидкости во внутренней полости требует введения в конструкцию специфического узла, компенсирующего объемное расширение приборной жидкости в эксплуатационном диапазоне температур. В противном случае при полном заполнении внутренней полости, т.е. при отсутствии не заполненных жидкостью объемов, что является непременным условием правильной работы, из-за «несжимаемости» жидкости возможна разгерметизация корпуса при повышении температуры среды. 14

Задачу компенсации объемного расширения приборной жидкости может выполнять анероидная коробка, плоская или гофрированная мембрана, разграничивающая внутреннюю полость ИП от внешней среды, и сильфон. 14

Система термостатирования. 14

Это достаточно сложная система регулирования, стабилизации температуры внутреннего объема, размещенная в корпусе ИП. Содержит термочувствительные элементы, логические устройства, реагирующие на отклонение температуры в интересующей зоне ИП от требуемого значения, исполнительные элементы. 14

Как правило, это тепловыделяющие устройства, подключающиеся к источнику питания при понижении температуры во внутренней области ИП ниже номинальной. Для такой схемы стабилизации необходимо, чтобы температура стабилизации была выше наивысшей эксплуатационной температуры с учетом возможного дополнительного перегрева при наличии внутренних источников тепловыделения от функционально необходимых узлов и элементов. 14

Это – активное термостатирование, в противовес с пассивной термоизоляции ИП от внешней среды, например, с использованием сосуда Дюара, попросту – принципа термоса. 15

Полезно сочетание пассивного и активного методов, увеличивающее постоянную времени системы термостатирования. 15

Особенно важно иметь систему термостатирования в прецизионных маятниковых акселерометрах поплавкового типа, в которых внутренняя полость ИП заполнена приборной жидкостью. Таким путем удается минимизировать статические и динамические характеристики ИП. 15

2. Электрокинематическая схема осевого акселерометра. 15

(вернуться к оглавлению) 15

3. Электрокинематическая схема маятникового компенсационного акселерометра. 18

(вернуться к оглавлению) 18

4. Уравнения идеальной работы акселерометра. 21

(вернуться к оглавлению) 21

5. Акселерометры. Инструментальная специфика. 25

Акселерометр относится к классу электромеханических измерительных преобразователей (ИП). Одним из существенных показателей ИП является их структурные схемы, которые могут быть разомкнутые или замкнутые, с главной отрицательной обратной связью (ОС). 25

IV. Опоры и подвесы ЧЭ ИП и Д. 27

Твердое, абсолютно жесткое тело обладает ничесм не оганиченными 6-тью степенями свободы. 27

Ω.. 55

Ω = Ω_КР. 56

6. Контактные опоры с виброподставкой (вернуться к оглавлению) 74

Тема 3. Преобразователи вида энергии в составе ИП и Д. Прямые преобразователи – датчики угловых и линейных перемещений ИП.. 78

I. 112

I. 112

Постоянные магниты.. 117

I. 117

W... 117

магнитопровод. 117

Расчет постоянных магнитов. 121

Проводимости воздушных зазоров. 122

Свободная магнитная энергия. 123

Моментные датчики (двигатели) с постоянными магнитами. 124

Аналогия с электрическими цепями: 125

Расчет постоянных магнитов. 125

Расчет постоянных магнитов. 126

Стабилизация магнитных полей. 127

Элементы расчета. 128

Тема 7. Демпфирующие устройства. 151

Задачи курса

Получение студентами базовых знаний о назначении, месте и роли измерительных преобразователей (ИП) неэлектрических величин, приборов и датчиков (Д) в инфраструктуре, в составе технических систем различного назначения.

Ознакомление с физическими основами, особенностями конструкторских решений и с ролью элементов ИП и Д в формировании информации заинтересованным потребителям, в первую очередь, применительно к задачам управления движением подвижных объектов и навигации.

Обретение практических навыков исследования, расчета и проектирования элементов ИП и Д с учетом конкретики их применения в задачах объектов различного класса.

I. Основные понятия.

(вернуться к оглавлению)

Навигация – это наука о законах движения центра масс объекта, перемещающегося из одной точки пространства в другую точку по желаемой траектории в заданное время при минимальных энергозатратах с требуемым качеством.

Для реализации задач навигации требуется:

§ Знание свойств окружающего пространства, в окрестности которого осуществляется движение.

§ Наличие объективных - естественных или субъективных - искусственных ориентиров или их комбинаций известным образом связанных с предполагаемой областью пространства, где осуществляется навигация.

§ Знание свойств самого перемещаемого объекта: наземный, морской, подводный, воздушный, космический, многосредный и др. Какими возможностями и ресурсами этот объект обладает.

§ Знание цели и задач, решаемых в процессе навигации с учетом наличных ресурсов.

§ Возможности моделирования на борту фрагментов, отражающих доминирующие свойства пространства с учетом поставленных целей. Моделирование ориентиров Пространства (физическое или математическое) с использованием бортового оборудования.

§ Начальная выставка приборных моделей по реальным ориентирам и последующая коррекция для компенсации инструментальных дрейфов и методических «уходов».

§ Измерения, вычисления текущего пространственного положения объекта относительно приборных осей и выработка команд управления. Здесь соединены воедино и задачи смещения центра масс объекта в пространстве и времени, и задачи угловой ориентации строительных осей объекта относительно базовых приборных моделей реальных или искусственных ориентиров пространства.

1. Физическими, естественными ориентирами могут быть:

· местная или истинная вертикаль (равнодействующая гравитационной и центробежной силы);

· гравитационная вертикаль (радиус-вектор из точки наблюдателя в центр тяжести Земли),

· геоцентрическая вертикаль, (линия Север-Юг, как проекция оси мира на плоскость горизонта);

· параметры атмосферы;

· гравитационные и магнитные поля и их аномалии;

· координаты объекта относительно искусственной координатной сетки Земли (меридианы, параллели, плоскость экватора и др.).

2. Свойства самого объекта (его тактико-технические характеристики, энергетические возможности, органы управления, приборное оборудование, авионика).

3. Приборное оборудование системы ориентации и навигации (СОН). Которое должно обеспечить моделирование на борту системы ориентиров. Относительно базовых приборных моделей появляется возможность оценивать текущее состояние строительных осей летательного аппарата (ЛА) и удерживать эти оси в требуемом состоянии.

4. Систему начальной выставки приборных ориентиров относительно начальной базы.

5. Систему непрерывной (периодической) коррекции приборных моделей пространственных ориентиров от внешних или дополнительных внутренних источников информации.

Под навигационными параметрами понимают параметры определяющие положение центра масс (долгота, широта и высота, скорость, ускорение).

Рисунок 1. Определение положения в земных координатах

- P_N P_S – ось вращения Земли, совпадает с осью мира;

- : вертикаль места (геоцентрическая вертикаль, гравитационная вертикаль);

- плоскость экватора,

- параллель;

- - широта места. Угол наклона вертикали места к плоскости экватора;

h, P_N, P_S - плоскость меридиана места. Плоскость, включающая вертикаль места (точки 1 и 2 наблюдателя, ЛА) и ось Мира (ось вращения Земли).

Плоскости меридианов, проходящие через точки 1 и 2, образуют двугранный угол - приращение долготы между точками 1 и 2.

В результате получаем приращение (изменение) координат ЛА при смещении из исходной точки 1 в точку 2:

, - приращение долготы, , - приращение широты,

Гринвичский нулевой меридиан;

Ортодромия – дуга большого круга, линия на поверхности земли, образованная пересечением поверхности земли с плоскостью ортодромии. Это – плоскость, проходящая через точки 1 и 2 (начальную и конечную точки маршрута) и центр земли. Ортодромия - это минимальное расстояние между двумя точками, лежащими на дуге большого круга, включающего центр Земли, а также начальную и конечную точку траектории.

Ориентация – Текущее угловое положение объекта, относительно базовых осей (системы координат).

Угол курса – угол, измеренный в горизонтальной плоскости, между плоскостью меридиана места и проекцией продольной оси ЛА на плоскость горизонта. Или – угол в горизонтальной плоскости между проекциями на плоскость горизонта оси вращения земли (линия NS) и продольной оси ЛА.

Различают:

–истинный курс – , если в качестве базы отсчета используется истинный меридиан (вертикаль места – ось Мира);

–магнитный курс – , измеряемый относительно плоскости магнитного меридиана (вертикаль места – ось магнитного диполя Земли).

Для определения курса движения ЛА необходимо смоделировать меридиан линию Север-Юг.

оливаж

- истинный курс ЛА,

N_м- направление магнитного меридиана,

- магнитное склонение,

			Магнитный курс

Рис 2. Угол курса.

Магнитное склонение характеризует несовпадение истинного и магнитного меридианов, зависящее от координат места (функция широты и долготы места).

Система управления – комплексные мероприятия, обеспечивающие реализацию задач навигации и ориентации в соответствии с поставленной задачей. Как правило, используются текущие навигационные параметры, текущие параметры ориентации, их обработка для формирования команд управления силовыми и аэродинамическими возможностями ЛА, с требуемым качеством.