Способ увеличения точности гироскопа со сферическим шарикоподшипниковым подвесом

Обсуждается способ повышения точности гироскопа со сферическим шарикоподшипниковым подвесом, работающим в режиме измерителя угла отклонения основания, на котором он установлен. При работе гироскопа в составе информационно-измерительной и управляющей системы определяющее значение имеет такая эксплуатационная характеристика, как точность показаний, зависящая от шумовой составляющей выходного сигнала гироскопа. Решение вопроса уменьшения шумовой составляющей выходного сигнала при сохранении широкой полосы пропускания прибора и минимального фазового отставания выходного сигнала по отношению к измеряемой величине является целью данного исследования. Приведен обзор существующих схем построения прибора. Представлено математическое описание функционирования гироскопа, на основании которого получены передаточные функции по моменту (возмущающему, управляющему или суммарному) по прямому и перекрестному каналам. Получены также передаточные функции, являющиеся отношением выходного сигнала к измеряемой величине по прямому и перекрестному каналам. Построены частотные и переходные характеристики прибора. Отмечено, что частоты преобладающих составляющих шума выходного сигнала соответствуют нутационной частоте колебаний ротора гироскопа, частоте вращения ротора гироскопа и кратным частотам вращения ротора гироскопа. Предложена структура измерительной системы, в которой сигнал с датчика угла гироскопа со сферическим шарикоподшипниковым подвесом по соответствующей координате суммируется с выходным сигналом дополнительного датчика угловой скорости, и далее суммарный сигнал сглаживается с помощью апериодического звена первого порядка. Получены выражения для определения параметров канала измерителя угловой скорости, при которых удается компенсировать в канале измерения угла ограничения полосы пропускания, обусловленные постоянной времени сглаживающего фильтра, и обеспечить в то же время эффективное подавление шумовой составляющей выходного сигнала. Исследования проведены с использованием методов теории автоматического управления. Предложенная схема построения измерителя обеспечивает уменьшение составляющих шума в выходном сигнале гироскопа со сферическим шарикоподшипниковым подвесом на частоте вращения ротора гироскопа 250 Гц в 156 раз, на частоте нутационных колебаний ротора гироскопа 404 Гц — в 256 раз, на частоте 500 Гц — в 316 раз, на частоте 750 Гц — в 474 раза, на частоте 1000 Гц — в 630 раз, на частоте 1250 Гц — в 785 раз при сохранении широкой полосы пропускания 285 Гц при измерении угла с фазовым отставанием выходного сигнала от измеряемого, близким к нулю градусов в полосе пропускания.

1. Пешехонов В. Г. Гироскопы начала XXI века // Гироскопия и навигация. 2003. № 4 (43). С. 5—18.

2. Харламов С. А. Гироскоп с внешним кинетическим моментом — история первых исследований модели собственной вибрации // Сб. матер. III конф. молодых ученых "Навигация и управление движением". Под общ. ред. В. Г. Пешехонова. СПб.: Изд-во ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор",2001. С. 8—12.

3. Николаи Е. Л. Гироскоп в кардановом подвесе. М.: Наука, 1964. 52 с.

4. Магнус К. Гироскоп. Теория и применение / Под ред. Д. Блюмина. М.: Мир, 1974. 526 с.

5. Ишлинский А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: Наука, 1976. 470 с.

6. Пельпор Д. С. и др. Гироскопические системы / Под ред. Д. С. Пельпора. М.: Высшая школа, 1988. 423 с.

7. Матвеев В. А. Гироскоп это просто: Учеб. пособ. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. 209 с.

8. Лукьянов Д. П., Распопов В. Я., Филатов Ю. В. Прикладная теория гироскопов. СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2015. 315 с.

9. Мелешко В. В. Гироскоп направления с интегрально-позиционной горизонтальной коррекцией на качке // Вiсник нацiанального технiчного унiверситету Украiни "Киiвски полiтехнiчний iнститут". Сер. Приладо будувания. 2010. № 39. С. 14—20.

10. Карасун В. В., Мельник В. Н. Гироскоп направления со структурной избыточностью // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2011. Т. 2. С. 51—55.

11. Останин С. Ю. Состояние теории и практических реализаций систем электропитания и электроприводов гироскопов с механическим носителем кинетического момента // Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н. Е. Жуковского. 2017. № 5. С. 534—543.

12. Патент 3225609 США, МКИ G01C, НКИ 74-5.7. Twoaxis Gyroscope. Приоритет 1962.

13. Патент 3408874 США, МКИ G01C, НКИ 74-5. Twoaxis, nonfloated ball bearing Gyroscope. Приоритет 1965.

14. Патент 3417627 США, МКИ G01С, НКИ 74-5.6. Freerotor gyro. Приоритет 1966.

15. Патент 3517562 США, МКИ G01C, НКИ 74-5.6. Inertial Gyroscope. Приоритет 1967.

16. Патент. 1473893 ФРГ, МКИ G01C, НКИ 42с, 25/51. Federgetriebener Kreisel. Приоритет 1970.

17. Патент 3019662 США, МКИ G01C, НКИ 74-5.7. Gyroscopic Control Mechanism. Приоритет 1975.

18. Патент 7707452 Франция, МКИ G05D 1/00//B 64G 1/100. La systeme gyroscopiques. Приоритет 1978.

19. Патент. 4309005 США, МКИ F423 13/30, F4 1G7/22, НКИ 244/3.16. Target seeking Gyro. Приоритет 1982.

20. Подшипники качения. Подшипники прогрессивных конструкций. Специальный двухрядный сферический шарикоподшипник: информационный листок. М.: ОАО "НПО "ВНИИП", 1986.

21. Распопов В. Я. Гироскопы с шарикоподшипниковым подвесом. Тула: Гриф и К, 2003. 175 с.

22. Патент 1345770 Российская Федерация, МПК G01C 25/00. Устройство для технологической приработки сферического шарикоподшипника гироскопа / Андреев А. А., Грязнов Е. А., Фрейман В. С. № 3978852/22; заявл. 15.11.85; опубл. 10.08.05, Бюл. № 22.

23. А.с. 282956 СССР. Гироскопический прибор / В. Я. Распопов, Ю. Н. Оськин (СССР). № 3177926; заявл. 31.07.87; опубл. 3.10.88.

24. Патент 2308680 Российская Федерация, МПК G01C 19/02, G01P 9/04. Гироскоп (варианты) / Гуськов А. А, Макаров А. М., Грязнов Е. А., Уракова Л. Е. № 2005137296/28; заявл. 30.11.05; опубл. 20.10.07, Бюл. № 29.

25. Патент 2460040 Российская Федерация, МПК G01C 19/02. Гироскоп (варианты) / Макаров А. М., Кожин В. В., Грязнов Е. А., Уракова Л. Е., Горбачев В. М. № 2011109981/28; заявл. 16.03.11; опубл. 27.08.12, Бюл. № 24.

26. Патент 2446382 Российская Федерация, МПК G01C 19/02. Гироскоп / Макаров АМ., Кожин ВВ., Грязнов ЕА., Уракова ЛЕ. № 2010133531/28; заявл. 10.08.10; опубл. 27.03.12, Бюл. № 9.

27. Патент 2572501 Российская Федерация, МПК G01C 25/00. Способ коррекции дрейфа гироскопа и устройство для его осуществления / Макаров АМ., Патрушев ИП. № 2014140387/28; заявл. 06.10.14; опубл. 10.01.16, Бюл. № 1.

28. Мокров А. П., Макаров А. М. Малогабаритный гироскоп со сферическим шарикоподшипниковым подвесом // Межвуз. сб. статей по материалам III всеросс. науч.-практ. конф. "Социально-экономические и технические проблемы оборонно-промышленного комплекса". 2016. С. 156—161.

29. "... По имени "Прогресс". ОАО "Мичуринский завод "Прогресс". Рязань: Изд-во "ИП Потапов В. С.", 2007. 216 с.

30. URL: www.sagem-ds.com.

31. Распопов В. Я., Малютин Д. М., Алалуев Р. В., Телухин С. В., Шепилов С. И. Гироскопический датчик углов со сферическим шарикоподшипниковым подвесом с улучшенными эксплуатационными характеристиками // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26, № 2 (101). С. 88—94.

32. Распопов В. Я., Малютин Д. М., Иванов Ю. В. Гироскопы в системах гироскопической стабилизации // Справочник. Инженерный журнал. 2009. № 7 (148). С. 52—58.