Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Захарін Фелікс Михайлович, Науковий центр військово-повітряних сил, Провідний науковий співробітник

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Незважаючи на розвиток альтернативних засобів навігації, зокрема глобальних супутникових навігаційних систем, гірокомпас залишається одним з найважливіших навігаційних приладів. Відповідно до Міжнародної Конвенції SOLAS-74 на суднах водотоннажністю понад 500 тонн обов'язково повинен бути встановлений гірокомпас.

З ростом інтенсивності судноплавства і вимог до надійного навігаційного забезпечення катерів та яхт на порядок денний постало завдання підвищення точності гірокомпасів, надійності, технологічності, зниження вартості, габаритів, маси і часу готовності. Одним з найбільш перспективних напрямків створення приладу, що відповідає зазначеним вимогам, є розробка коректованих гірокомпасів (КГК) на базі індикаторної гіростабілізованої платформи, побудованої на основі динамічно настроюваних гіроскопів (ДНГ).

Теорія КГК із непрямим керуванням розроблена достатньо повно. При цьому, в основному, досліджувалися КГК із рідинно-торсійним підвісом гіроблока. Однак, через істотну відмінність у конструкції і схемі керування КГК, побудованого на основі ДНГ, питання, пов'язані з поведінкою такого гірокомпаса за різних умов плавання, вимагають більш ретельного розгляду. Особливу актуальність ці питання набули у зв'язку із створенням першого в Україні КГК на ДНГ "Круїз".

Невирішені питання теорії КГК на ДНГ зумовлюють актуальність наступних задач: дослідження особливостей похибок КГК типу "Круїз"; дослідження динаміки КГК як дворежимного курсового приладу із змінною структурою контурів керування; розробка методики вибору значень параметрів контуру керування дворежимного КГК; розробка ефективних алгоритмів компенсації динамічних похибок КГК.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась як складова частина досліджень, що проводяться кафедрою приладів та систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) відповідно до державних та галузевих науково-технічних програм:

1. "Розробка інтегрованої навігаційної системи на базі автономної і супутникової навігаційних систем для керування наземним і морським транспортом" за договором №1/97 від 17.11.1997 р. із Міжнародним науково-навчальним центром інформаційних технологій і систем НАН України і Міністерства освіти і науки України.

2. "Розробка технічних пропозицій по створенню конструкції службових бортових приладів систем управління і контролю" за договором 1/02 від 15.08.2002 р. із інститутом Космічних Досліджень НАНУ - НКАУ згідно "Плану НДДКР за прикладними розробками у сфері космічної галузі на 2002 рік", КФПК 6381080, затверджений наказом НКАУ від 06.03.2002р. (номер державної реєстрації 0102U006715).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності курсовказування КГК, побудованого на базі ДНГ. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

Розробити математичну модель КГК, побудованого на ДНГ, яка враховує особливості такого приладу.

Дослідити особливості похибок КГК на ДНГ, зумовлені відмінностями кінематики карданового підвісу і функціонування у порівнянні з традиційними схемами КГК, і виробити рекомендації по зменшенню цих похибок.

Дослідити динаміку КГК типу "Круїз" як дворежимного курсового приладу із змінною структурою контуру керування.

Розробити методики вибору значень параметрів контурів керування і стабілізації дворежимного КГК, які забезпечують заданий рівень похибок курсовказування при досягненні максимальної швидкодії гірокомпаса.

Об'єктом дослідження є дворежимний КГК, побудований на основі ДНГ.

Предметом дослідження є динаміка гіроскопічних приладів із складними законами керування змінної структури.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач у роботі використано методи теоретичної механіки, теорії гіроскопів, теорії лінійних систем автоматичного керування, синтезу пристроїв спостереження. Для перевірки результатів теоретичних досліджень використовувалися методи математичного моделюва ння.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті проведених досліджень одержано наступні нові результати, що виносяться на захист:

Розроблено математичну модель КГК на основі ДНГ, яка містить рівняння руху гіростабілізованої платформи, ДНГ і акселерометра з фільтром для дослідження кінематичних, статичних і динамічних похибок. Модель враховує особливості досліджуваного малогабаритного КГК типу "Круїз", що має оригінальну кінематичну схему і структуру контуру керування, які істотно відрізняються від широко використовуваних у даний час КГК.

Виявлено особливості динаміки дворежимного КГК, пов'язані із зміною структури і параметрів контурів керування в залежності від режиму роботи. Розроблено алгоритм функціонування КГК, який дозволяє зменшити динамічні похибки гірокомпаса при збільшенні його швидкодії з урахуванням забезпечення умов приходу його головної осі в площину меридіана за будь-яких початкових відхилень.

Отримано вирази, які дозволяють оцінити точність дворежимного КГК в основних динамічних режимах плавання.

Розроблено алгоритм компенсації балістичної девіації КГК за допомогою пристрою спостереження без використання зовнішньої інформації про прискорення судна.

Отримано вирази, які дозволяють синтезувати астатичну слідкуючу систему контуру стабілізації КГК виходячи з вимог до точності гірокомпаса.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено структурну схему контуру керування КГК, яка реалізує автоматичну зміну режимів роботи КГК із відповідною зміною значень параметрів.

За допомогою запропонованої методики розраховано значення параметрів контуру керування дворежимного КГК, які дозволяють забезпечити виконання вимог до точності курсовказування за різних умов плавання з урахуванням мінімізації часу перехідного процесу КГК.

Розроблено методику динамічного синтезу астатичного регулятора контуру гіростабілізації платформи КГК, яка дозволяє врахувати вимоги до максимально припустимої похибки стабілізації.

Розроблено рекомендації з використання пристроїв спостереження з метою підвищення точності дворежимних КГК.

Основні результати дисертаційної роботи, використані та впроваджені на КЗА ім. Г.І.Петровського при розробці КГК на базі ДНГ за темами “Круїз” та “Славутич”:

- математична модель КГК на ДНГ;

- алгоритми функціонування контуру керування КГК;

- методика вибору параметрів КГК;

- методика синтезу астатичних слідкуючих систем контурів стабілізації КГК.

Особистий внесок здобувача. У співавторстві з науковим керівником досліджено вплив структури передаточної функції індикатора горизонту на динаміку КГК та балістичну девіацію КГК при періодично повторюваних прискореннях судна, розроблено методику динамічного синтезу систем автоматичного регулювання з астатичними регуляторами. Особисто дисертантом розроблено математичну модель КГК на ДНГ, досліджено особливості похибок КГК у порівнянні з традиційними схемами КГК та особливості динаміки дворежимного КГК із змінною структурою контуру керування, розроблено методику вибору значень параметрів контуру керування КГК та алгоритм компенсації балістичної девіації КГК за допомогою пристрою спостереження.

Апробація результатів дисертації. Наукові результати дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися і отримали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях: II Міжнародній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація та управління рухом”, 1997 р., Київ, НТУУ "КПІ"; III Міжнародній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація, управління рухом і конструювання рухомих об'єктів”, 2001 р., Київ, НТУУ "КПІ", а також на науково-технічних семінарах кафедри теоретичної механіки і кафедри приладів та систем керування літальними апаратами НТУУ "КПІ".

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 9 науково-технічних статтях у наукових спеціалізованих виданнях України і у 3 тезах доповідей на конференціях.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 108 найменувань, додатка. Повний обсяг дисертації складає 189 сторінок, з них ілюстрацій - 8 стор., таблиці - 3 стор., список використаних джерел - 10 стор., додаток - 2 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі охарактеризовано проблему, обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано її мету, наведено основні наукові і практичні результати, що отримані в дисертації і виносяться на захист, показано структуру і обсяг дисертації.

У першому розділі подано огляд сучасного стану досліджень КГК на ДНГ на основі аналізу науково-технічної літератури, сформульовано задачі, які вимагають вирішення.

У другому розділі розроблено математичну модель КГК на ДНГ типу "Круїз". Основним чутливим елементом КГК "Круїз" є ДНГ, який містить електропривод, що обертає ротор із внутрішнім пружним кардановим підвісом. Датчики кута, вимірюють кути відхилення ротора відносно корпуса ДНГ. Датчики моменту, призначені для прикладання моментів керування до ротора гіроскопа. ДНГ і акселерометр розташовані на платформі, яка слідкує за положенням в просторі ротора гіроскопа. Платформа встановлена в горизонтальній і азимутальній рамах карданового підвісу. Стабілізація платформи відносно двох осей підвісу здійснюється моментними двигунами, якими керують підсилювально-перетворюючі пристрої за сигналами відповідних датчиків кута ротора ДНГ. До внутрішньої рами підвісу кріпляться два маятникових вантажі, що забезпечують маятникову стабілізацію платформи відносно осі підвісу, яка збігається з віссю обертання ротора гіроскопа. Заспокоєння коливань платформи відносно вказаної осі здійснюється демпфером, розташованим у цапфах підвісу горизонтальної рами. На осі обертання азимутальної рами розміщено датчик кута курсу. Для надання приладу властивостей гірокомпаса і демпфування його коливань на датчики моменту ДНГ через підсилювально-перетворюючі пристрої подаються сигнали, пропорційні вихідному сигналу акселерометра, який виконує функцію індикатора горизонту. Забезпечення положення рівноваги головної осі гірокомпаса у площинах меридіану і горизонту досягається за рахунок подачі на датчики моменту ДНГ коректуючих сигналів, що формуються пристроєм корекції 18 на основі зовнішньої інформації про швидкість судна і географічну широту. Розроблено математичну модель КГК на ДНГ типу “Круїз”, яка містить рівняння руху гіростабілізованої платформи, ДНГ і акселерометра з фільтром. Як окремий випадок розробленої моделі отримано рівняння компасного руху КГК:

(1)

;

Порівняльний аналіз рівнянь руху КГК на ДНГ (1) з відомими рівняннями класичного КГК із рідинно-торсійним підвісом чутливого елемента дозволяє зробити наступні висновки:

використання ДНГ призвело до появи збурюючих моментів, зумовлених похибками системи стабілізації платформи, які через залишкову жорсткість підвісу і в'язке тертя в ДНГ впливають на рух гірокомпаса;

схема керування гірокомпаса з рідинно-торсійним підвісом побудована так, що сигнал широтної корекції впливає і на вихідний сигнал індикатора горизонту. У досліджуваному гірокомпасі завдяки розподілу функцій керування такий вплив відсутній.

Зміна кінематики карданового підвісу КГК "Круїз" у порівнянні з КГК з традиційним тривісним підвісом, дозволила розвантажити двигуни стабілізації при хитавиці судна за рахунок зменшення збурюючих моментів навколо осі обертання азимутальної рами й усунення збурюючого моменту навколо осі обертання горизонтальної рами, викликаного маятниковою системою стабілізації гіроблока навколо його головної осі.

Відмінною рисою розглянутого гірокомпаса у порівнянні з дослідженими раніше однороторними КГК на ДНГ є наявність тривісного карданового підвісу платформи. Це призводить до необхідності розгляду рівняння руху платформи навколо головної осі гірокомпаса - як складової частини компасного руху.

У третьому розділі досліджено особливості похибок КГК, викликаних відмінностями кінематики карданового підвісу від традиційних схем КГК, а також дослідження балістичних девіацій КГК при прискореннях судна, що періодично повторюються

Основна карданова похибка досліджуваного КГК за будь-яких значень кутів крену і диференту відсутня на курсах 0^о і 180^о, у той час як у КГК із традиційною схемою розташування рам карданового підвісу вона відсутня на курсах 90^о. Максимальні значення карданових похибок для обох схем однакові.

Крім основної карданової похибки досліджуваний КГК має додаткову складову , де _П - кут відхилення платформи відносно горизонтальної рами. Ця складова карданової похибки може досягати істотних значень при інтенсивній хитавиці і циркуляціях судна, що виконуються із креном.

Отримано вираз для балістичної девіації КГК при періодично повторюваних прискореннях судна з амплітудою W_m, тривалістю , періодом повторення . У випадку, коли загальний час дії повторюваних прискорень набагато менший за тривалість перехідного процесу КГК, максимум цієї девіації можна оцінити за наступною формулою:

, (2)

де s = - m ( = 1,…,3) - дійсні корені характеристичного рівняння системи з перших трьох рівнянь руху КГК (1);

;

При виведенні формули (2) враховано характерне для КГК "Круїз" співвідношення між коренями характеристичного полінома m₁ >> m₂ >> m₃.

Як випливає з аналізу виразу (2), способи зниження девіації КГК при повторюваних прискореннях - ті ж самі, що й для зниження балістичної девіації КГК при типових маневрах судна. Це - збільшення сталої часу Т фільтра акселерометра і зменшення крутості маятникового керуючого сигналу r_x. Кардинальним засобом зниження девіації КГК є відключення маятникового керуючого сигналу від акселерометра (r_x = 0) при інтенсивних прискореннях.

У четвертому розділі досліджено динаміку КГК у режимах гірокомпаса, гіроазимута, прискореного автоматичного приведення в меридіан з урахуванням зміни структури контуру керування.

Показано, що автоматичне переключення КГК у режим гіроазимута, яке здійснюється для зниження балістичної девіації, може привести до того, що при початковому виставленні КГК не прийде в площину меридіану. Це має місце при наявності кута

,

де

Щоб уникнути цього, необхідно у режимі гіроазимута збільшити крутість керуючого сигналу, який подається на вертикальний датчик моменту гіроскопа, і ввести часові затримки на переключення між режимами гірокомпаса і гіроазимута. Приведення КГК у меридіан за будь-якого початкового відхилення головної осі гірокомпаса буде гарантовано при дотриманні умови

,

де u - граничне значення вихідного сигналу фільтра акселерометра, при якому відбувається переключення КГК у режим гіроазимута.

Для істотного зниження балістичної девіації КГК при маневруванні судна крім автоматичного переключення приладу в режим гіроазимута необхідно вводити часову затримку при зворотньому переключенні КГК із режиму гіроазимута в штатний режим гірокомпаса.

Лінія показує балістичну девіацію при відсутності переключення КГК у режим гіроазимута; лінії показують поведінку КГК з автоматичним переключенням у режим гіроазимута відповідно без часової затримки при переключенні з режиму гіроазимута в режим гірокомпаса і при наявності затримки. Як впливає з порівняння графіків, завдяки введенню часової затримки балістична девіація КГК істотно знизилася. Для ще більшого зменшення балістичної девіації необхідно в режимі гіроазимута збільшувати значення коефіцієнта і зменшувати сталу часу Т фільтра акселерометра, що видно з результатів моделювання.

При рекомендованій зміні параметрів контуру керування КГК набагато швидше після закінчення маневру починає надавати достовірну інформацію про курс судна.

У дисертації розроблено структурну схему контуру керування КГК, що реалізує автоматичну зміну режимів роботи КГК із відповідною зміною значень параметрів. На схемі введено наступні позначення: a - вихідний сигнал акселерометра; U_ДМx, U_ДМz - сигнали керування датчиками моментів гіроскопа; К1, К2, К3, К4 - ключі.

У штатному режимі ключі К1, К2, К3, К4 знаходяться у положенні "ГК", що забезпечує роботу КГК у режимі гірокомпаса. Сигнал акселерометра a через фільтр із сталою часу Т подається на датчики моментів гіроскопа ДМ_X , ДМ_Z у вигляді напруг керування U_ДМx, U_ДМz.

Поточне значення вихідного сигналу фільтра акселерометра постійно аналізується на наявність прискорення руху судна. При цьому абсолютне значення || сигналу , згладженого додатковим фільтром з передаточною функцією W_фс(p), порівнюється з заданим граничним значенням u. Виконання умови || > u свідчить або про початок маневру судна, коли КГК необхідно переключати у режим гіроазимута, або про короткочасний удар, який, через велику інерційність КГК, практично не впливає на його точність і тому немає необхідності у переключенні КГК у режим гіроазимута. Для розрізнення зазначених двох причин збільшення сигналу || вводиться часова затримка. Якщо після закінчення часу затримки має місце нерівність || < u, то збільшення сигналу || було короткочасним і КГК у режим гіроазимута не переключається. Якщо після закінчення заданого часу затримки маємо || > u, тобто судно рухається з прискоренням, КГК переключається у режим гіроазимута шляхом замикання ключів К1, К2, К3, К4 у положення "ГА", що реалізується схемою керування ключами. У такому положенні ключ К2 відключає подачу вихідного сигналу фільтра акселерометра на датчик моменту ДМ_X, що означає відключення маятникового керуючого моменту гірокомпаса. Завдяки замиканню ключів К1 і К3 у положення "ГА" встановлюється нове значення сталої часу фільтра акселерометра Т і нове значення коефіцієнту передачі r_z, що необхідно для режиму гіроазимута.

У режимі гіроазимута при виконанні умови || < u, яка свідчить про закінчення маневру судна, після закінчення заданого часу затримки, яке вводиться для забезпечення приведення КГК у меридіан, КГК переключається в штатний режим гірокомпаса. Якщо після часової затримки умова || < u не виконується, тобто маневр судна продовжується, то КГК продовжує працювати у режимі гіроазимута.

Структурна схема контуру керування КГК, реалізує автоматичну зміну режимів роботи КГК із відповідною зміною значень параметрів контуру керування, що забезпечує значне зменшення балістичної девіації КГК при маневрах судна.

Розроблено методику вибору значень параметрів контуру керування КГК, яка дозволяє істотно зменшити динамічні похибки гірокомпаса при збільшенні його швидкодії. При цьому обґрунтовується вибір як основних параметрів контуру керування гірокомпаса (r_x, r_z, T), так і додаткових, що визначають роботу КГК як дворежимного курсового приладу - граничного значення u відключення сигналу акселерометра, тривалості часових затримок на переключення і значень параметрів r_z, T для режиму гіроазимута.

Отримано універсальний вираз для інтеркардинальної девіації КГК за будь-якої структури передаточної функції Ф(р) фільтра акселерометра:

К_и =

Тут Ф(j) - передаточна функція фільтра акселерометра; _m, _k - амплітуда і частота гармонічної бортової хитавиці; - коефіцієнт, що залежить від зсуву фази у фільтрі акселерометра на частоті хитавиці _k.

Найбільший ефект у зниженні інтеркардинальної девіації дає використання фільтрів Ф(р) непарних порядків. Запропоновано структуру і розраховано значення параметрів фільтра акселерометра, що дозволяють реалізувати режим прискореного приведення КГК у меридіан після вмикання приладу в умовах інтенсивної хитавиці судна. При цьому забезпечується заданий час перехідного процесу в КГК.

У дисертації розроблено алгоритм компенсації балістичної девіації КГК за допомогою поправки, що виробляється спеціальним пристроєм спостереження без використання зовнішньої інформації про прискорення судна. На рис.5 показана блок-схема такого пристрою, де введені позначення: К - справжній курс судна; К_п = К + - значення кута курсу, яке формує за допомогою КГК. Віднімаючи з кута курсу К_п оцінку похибки , яка формується у пристрої спостереження, можна компенсувати похибку КГК (t) з точністю до помилки оцінювання .

коректований гірокомпас кардановий гіроскоп

Рис. 5. Блок-схема КГК з пристроєм спостереження

Рівняння пристрою спостереження мають вигляд

k₁ ( - );

k₂ ( - );

, (3)

де , , - оцінки дійсних змінних , , ; індексом "м" позначено параметри моделі КГК; k₁, k₂ - коефіцієнти передачі, значення яких наведені у табл.1.

Таблиця 1

Значення коефіцієнтів передачі пристрою спостереження

Використання запропонованого пристрою спостереження із змінними коефіцієнтами передачі у КГК, що постійно працює в режимі гірокомпаса, еквівалентно фізичному переключенню КГК у режим гіроазимута на час маневру і зворотно у режим гірокомпаса після закінчення маневру. У той же час, на відміну від дворежимного КГК, при використанні пристрою спостереження не виникає проблеми із приходом КГК у меридіан при великих початкових відхиленнях головної осі гірокомпаса, що дозволяє більш гнучко підійти до вибору коефіцієнтів передачі пристрою спостереження. Запропонований пристрій спостереження має властивість робастності і мало чутливий до неточності завдання в моделі параметрів КГК.

У дисертації також розроблено методику динамічного синтезу астатичного регулятора для гіростабілізатора платформи КГК, яка дозволяє врахувати вимоги до максимально припустимої похибки стабілізації при забезпеченні заданих запасів стійкості. Синтезована відповідно до розробленої методики передаточна функція регулятора КГК “Круїз” має вигляд

, (4)

де K_1k - коефіцієнт підсилення регулятора,

T_i - стала часу.

Параметри передаточної функції (4) мають наступний вигляд:

;

; ; ,

де - максимально припустима похибка стабілізації; m - значення збурення відносно осі стабілізації; М - заданий показник коливальності; - бажана частота зрізу; , ₁, ₂, ₃ - коефіцієнти.

У п'ятому розділі наведено результати експериментального дослідження КГК на ДНГ, у тому числі стендові випробування в лабораторії і ходові випробування.

Стендові і швартові випробування КГК "Круїз" підтвердили ефективність використання в КГК режиму прискореного автоматичного приведення у меридіан, що дозволило істотно зменшити час готовності гірокомпаса до 20...45 хвилин у порівнянні з вимогами Морського Регістра і Міжнародної морської організації (ІМО) (не більше 6 годин). Реалізовані в КГК "Круїз" параметри контуру керування для режиму автоматичного приведення, а також методика їх розрахунку наведено у розділі 4 дисертаційної роботи.

Ходові випробування підтвердили правильність вибору параметрів контуру керування КГК "Круїз" для штатного режиму роботи, що забезпечило досить низький рівень динамічних похибок курсовказання при циркуляції і безперервному маневруванні судна. Графік балістичної девіації КГК "Круїз" після швидкого розвороту теплохода "Юрій Левітан" з курсу 0^о на курс 180^о при швидкості 7 вузлів. Як видно, максимальна похибка КГК мала місце безпосередньо після закінчення маневру і дорівнювала 1,4 градуси, що менше припустимої похибки (3 градуси) згідно вимог Морського Регістру і ІМО.

Дослідження поведінки КГК "Круїз" при хитавиці судна показало, що, незважаючи на прискорення у місці встановлення центрального приладу, КГК не переключався у режим гіроазимута, що було б неприпустимим в умовах тривалої хитавиці. Це підтверджує правильність вибору параметрів КГК як дворежимного курсового приладу.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі наведено вирішення важливої для народного господарства України проблеми забезпечення безпеки судноплавства, яка тісно пов'язана з підвищенням точності навігаційних приладів, насамперед - гіроскопічних компасів як основних технічних засобів судноводіння. Проведені дослідження дозволили зробити такі висновки:

1. Розроблено математичну модель КГК типу "Круїз", який відноситься до перспективного класу морських КГК, побудованих на базі ДНГ. Дана модель містить рівняння руху гіростабілізованої платформи, ДНГ та акселерометра з фільтром і враховує особливості досліджуваного КГК, що має оригінальну кінематичну схему і структуру контуру керування, які істотно відрізняються від широко використовуваних у даний час моделей КГК.

2. Як окремий випадок загальної математичної моделі КГК типу "Круїз" отримано рівняння компасного руху головної осі досліджуваного гірокомпаса відносно площин меридіану і горизонту, а також руху платформи гірокомпаса відносно площини горизонту навколо головної осі.

3. Досліджено особливості похибок КГК типу “Круїз”, що зумовлені відмінностями кінематики карданового підвісу, типом використаного гіроскопа, особливостями функціонування у порівнянні з традиційними схемами КГК.

4. Отримано вирази для девіації КГК при прискореннях судна, що періодично повторюються, які дозволяють досліджувати залежність девіації від значень параметрів контуру керування КГК і параметрів прискорень, а також оцінити максимум девіації.

5. Досліджено особливості КГК типу “Круїз”, пов'язані із зміною структури і параметрів контуру керування в залежності від режиму роботи (режими гірокомпаса, гіроазимута, прискореного автоматичного приведення у меридіан). Запропоновано рекомендації з вибору параметрів КГК і умов переключення його режимів, що забезпечують належне функціонування КГК при будь-якому початковому відхиленні головної осі від площини меридіана, а також високу точність курсовказування в умовах маневрування і хитавиці судна.

6. Розроблено структурну схему контуру керування КГК, яка реалізує автоматичну зміну режимів роботи КГК із відповідною зміною значень параметрів.

7. Розроблено методику вибору значень параметрів контуру керування КГК, яка дозволяє істотно зменшити динамічні похибки гірокомпаса при збільшенні його швидкодії. При цьому обґрунтовано вибір як основних параметрів контуру керування гірокомпаса, так і додаткових, що визначають роботу КГК як дворежимного (гірокомпас/гіроазимут) курсового приладу.

8. Отримано універсальний вираз для інтеркардинальної девіації КГК за будь-якої передаточної функції фільтра акселерометра. Показано, що найбільший ефект у зниженні інтеркардинальної девіації дає використання фільтрів непарних порядків.

9. Розроблено алгоритм компенсації балістичної девіації КГК за допомогою поправки, яка виробляється спеціальним пристроєм спостереження без використання зовнішньої інформації про прискорення судна.

10. Розроблено методику динамічного синтезу астатичного регулятора для гіростабілізатора платформи КГК, яка дозволяє врахувати вимоги до максимально припустимої похибки стабілізації при забезпеченні заданих запасів стійкості.

11. Для перевірки основних висновків, зроблених в результаті теоретичних досліджень, проведено ряд експериментів із КГК "Круїз" на ДНГ, включаючи стендові і ходові випробування. Експериментальні дослідження підтвердили правильність вибору параметрів контуру керування, реалізованих у серійних зразках КГК "Круїз".

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Збруцький О.В., Іванов С.В., Рижков Л.М. Вплив структури передаточної функції індикатора горизонту на динаміку коректованого гірокомпаса //Механіка гіроскопічних систем. - 1999-2000. - Вип.15-16.- С. 58-63. Вибрано структури і параметри передаточних функцій індикатора горизонту з точки зору мінімізації часу приведення гірокомпаса у меридіан.

2. Іванов С.В., Рижков Л.М. Особливості динаміки дворежимного гірокомпаса // Вісник Центрального наукового центру Транспортної академії України. - 1999. - №2. - С. 54-56. Методом фазової площини розроблено алгоритм функціонування КГК як дворежимного приладу.

3. Іванов С.В., Рижков Л.М. Про одну методику динамічного синтезу систем автоматичного регулювання // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 1999. - №3. - С. 71-74. Запропоновано зводити астатичну слідкуючу систему до умовно стійкої, що дозволяє використовувати методи синтезу, які базуються на використанні показника коливальності.

4. Іванов С.В., Кришталь В.Ф., Рижков Л.М. Експериментальне дослідження однієї схеми віброзахисту коректованого гірокомпаса // Механіка гіроскопічних систем. - 1999-2000. - Вип.15-16.- С. 79-85. Виконано оцінку доцільності використання системи віброзахисту для зменшення низькочастотних збурень.

5. Іванов С.В., Рижков Л.М., Кришталь В.Ф. Методика визначення систематичних похибок гіроскопічних систем // Механіка гіроскопічних систем. - 1999-2000. - Вип.15-16.- С. 86-93. Розглянуто ефективність використання частотних методів визначення систематичних похибок гіроскопічних приладів.

6. Іванов С.В., Рижков Л.М. Динаміка коректованого гірокомпаса з автономним спостерігаючим пристроєм // Наукові вісті НТУУ "КПІ". -2002. - №12. - С.112-117. Розроблено алгоритм функціонування пристрою та виконано математичне моделювання.

7. Прохорчук О.В., Іванов С.В., Нестеренко О.І. Дослідження похибок коректованого гірокомпаса з цифровим контуром керування // Механіка гіроскопічних систем. -2002. - Вип.17.- С. 184-188. Розроблено математичну модель гірокомпаса

8. Рыжков Л.М., Иванов С.В. О синтезе астатических систем стабилизации // Механика гироскопических систем. - 1997. - Вып.14.- С. 140-147. Проведено розрахунок параметрів слідкуючої системи

9. Рижков Л.М., Іванов С.В. Про інерційні девіації коректованих гірокомпасів // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 1999. - №1. - С. 132-135. Отримано формули для обчислення девіації гірокомпаса за наявності прискорень, що періодично повторюються

10. Иванов C.В., Рыжков Л.М.. Вопросы проектирования корректируемых гирокомпасов с заданными динамическими характеристиками // Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции “Гиротехнологии, навигация и управление движением” - К.: НТУУ "КПИ". - 1997. - С. 37. Показано доцільність використання в коректованих гірокомпасах на базі ДНГ астатичних слідкуючих систем

11. Иванов С.В., Рыжков Л.М. Система автоматического управления движением судна с заданным курсом // Сборник докладов III Международной научно-технической конференции “Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование подвижных объектов” - К.: НТУУ "КПИ". - 2001. - С. 183-186. Розглянуто питання взаємодії КГК із системою автоматичного управління рухом судна.

12. Рижков Л.М., Іванов С.В., Симоненко В.М. Аналіз динаміки коректованих гірокомпасів на ДНГ як систем із змінною структурою // Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции “Гиротехнологии, навигация и управление движением” - К.: НТУУ "КПИ". - 1997. - С. 38. Запропоновано алгоритм зміни коефіцієнтів контуру керування в залежності від режиму плавання.

АНОТАЦІЯ

Іванов С.В. Особливості динаміки коректованих гірокомпасів на базі ДНГ. -Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.03 - Гіроскопи та навігаційні системи, НТУУ "КПІ", Київ, 2003.

Досліджено основні особливості коректованого гірокомпаса (КГК) типу "Круїз", побудованого на основі динамічно настроюваного гіроскопу. Розроблено його математичну модель, досліджено особливості похибок КГК, що зумовлені відмінностями кінематики карданового підвісу, типом використаного гіроскопа, особливостями функціонування у порівнянні з традиційними схемами КГК. Розроблено структурну схему контуру керування КГК, що реалізує автоматичну зміну режимів роботи КГК із відповідною зміною значень параметрів. Розроблено методику вибору значень параметрів контуру керування КГК, що дозволяє істотно зменшити динамічні похибки гірокомпаса та час готовності. Обґрунтовано вибір як основних параметрів контуру керування гірокомпаса, так і додаткових, які визначають роботу КГК як дворежимного (гірокомпас/гіроазимут) курсового приладу. Отримано універсальний вираз для інтеркардинальної девіації КГК при будь-якій структурі передаточної функції фільтра акселерометра.

Показано, що найбільший ефект у зниженні інтеркардинальної девіації дає використання фільтрів непарних порядків. Розроблено алгоритм компенсації балістичної девіації КГК за допомогою поправки, яка виробляється спеціальним пристроєм спостереження без використання зовнішньої інформації про прискорення судна. Розроблено методику динамічного синтезу астатичного регулятора для гіростабілізатора платформи КГК, яка дозволяє врахувати вимоги до максимально припустимої похибки стабілізації при забезпеченні заданих запасів стійкості. Проведено стендові і ходові випробування КГК у морі, які підтвердили отримані теоретичні результати.

Ключові слова: коректований гірокомпас, дворежимний гірокомпас, динамічно настроюваний гіроскоп.

АННОТАЦИЯ

Иванов С.В. Особенности динамики корректируемых гирокомпасов на основе ДНГ. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.03 - Гироскопы и навигационные системы, НТУУ "КПИ", Киев, 2003.

В диссертационной работе исследованы основные особенности корректируемого гирокомпаса (КГК) типа "Круиз", построенного на основе динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ). Разработана математическая модель КГК, включающая уравнения движения гиростабилизированной платформы, ДНГ и акселерометра с фильтром. Данная модель учитывает особенности исследуемого малогабаритного КГК типа "Круиз", имеющего оригинальную кинематическую схему и структуру контура управления, существенно отличные от широко используемых в настоящее время КГК. Как частный случай общей математической модели получены уравнения компасного движения КГК типа "Круиз", описывающие прецессионное движение главной оси исследуемого гирокомпаса относительно плоскостей меридиана и горизонта, а также движение платформы гирокомпаса относительно плоскости горизонта вокруг главной оси.

Выявлены особенности динамики двухрежимного КГК, связанные с изменением структуры и параметров контура управления в зависимости от режима работы. Показано, что автоматическое переключение КГК в режим гироазимута, необходимое для снижения баллистической девиации, может привести к тому, что при начальной выставке КГК не придет в плоскость меридиана. Доказано, что для устранения указанного недостатка необходимо в режиме гироазимута увеличить крутизну управляющего сигнала с акселерометра на вертикальный датчик момента гироскопа и ввести временные задержки на переключения между режимами гирокомпаса и гироазимута. Получены условия прихода главной оси двухрежимного КГК в плоскость меридиана при любых начальных отклонениях. Разработана структурная схема контура управления КГК, реализующая автоматическое изменение режимов работы КГК с соответствующим изменением значений параметров.

Исследованы особенности погрешностей КГК, вызванные отличиями кинематики карданова подвеса, типом использованного гироскопа, особенностями функционирования по сравнению с традиционными схемами КГК. Получены выражения, позволяющие оценить точность двухрежимного КГК в основных динамических режимах плавания. Получено универсальное выражение для интеркардинальной девиации КГК при любой структуре передаточной функции фильтра акселерометра. Показано, что наибольший эффект в снижении интеркардинальной девиации дает использование фильтров нечетных порядков. Предложена структура и рассчитаны значения параметров фильтра акселерометра, которые позволяют реализовать режим ускоренного приведения КГК в меридиан после включения прибора в море в условиях интенсивной качки судна. При этом обеспечивается заданное время переходного процесса в КГК.

Разработана методика выбора значений параметров контура управления КГК, позволяющая существенно уменьшить динамические погрешности КГК при увеличении его быстродействия. При этом обоснован выбор как основных параметров контура управления гирокомпаса, так и дополнительных, определяющих работу КГК как двухрежимного курсового прибора.

Разработан алгоритм компенсации баллистической девиации КГК с помощью поправки, вырабатываемой специальным наблюдающим устройством без использования внешней информации об ускорении судна. Показано, что динамические свойства КГК с наблюдающим устройством аналогичны двухрежимному КГК, в котором осуществляется физическое переключение гирокомпаса в режим гироазимута и обратно. В то же время, в отличие от двухрежимного КГК, при использовании наблюдающего устройства не возникает проблемы с приходом КГК в меридиан при больших начальных отклонениях главной оси гирокомпаса, что позволяет более гибко подойти к выбору коэффициентов передачи наблюдающего устройства. Показано, что предложенное наблюдающее устройство обладает свойством робастности и мало чувствительно к неточности задания в модели действительных параметров КГК.

Разработана методика динамического синтеза астатического регулятора для гиростабилизатора платформы КГК, позволяющая учесть требования к максимально допустимой ошибке стабилизации при обеспечении заданных запасов устойчивости. Проведены стендовые и ходовые испытания КГК, подтвердившие полученные теоретические результаты.

Приведены результаты экспериментальных исследований КГК на ДНГ "Круиз", которые подтвердили основные выводы, полученные в диссертационной работе. Эксперименты включали как стендовые испытания на предприятии-изготовителе КГК "Круиз" (ОАО "Научно-производственный комплекс "Киевский завод автоматики им. Г.И. Петровского"), так и ходовые испытания КГК на судах Азовского Морского пароходства.

Ключевые слова: корректируемый гирокомпас, двухрежимный гирокомпас, динамически настраиваемый гироскоп.

SUMMARY

Ivanov S.V. Features of dynamics of corrected gyro-compasses based on DTG. - Manuscript

Thesis for obtaining of a philosophy doctor in engineering degree on speciality 05.11.03 - gyroscopes and navigation systems. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Politechnic Institute", Kyiv, 2003.

The main features of corrected gyro-compass (CGC) such as "Cruise", based on dynamically tuned gyroscope are investigated. Its mathematical model is designed, the features of CGC errors called by differences of Cardano suspension kinematics, by the type of the used gyroscope, features of the operation, as contrasted to conventional schemes of CGC are investigated. The block diagram of CGC control loop, that realize automatic change of CGC operating modes with respective alteration of parameter values is designed. The technique of a choice of CGC control loop parameters is designed, which permit essentially to decrease CGC dynamic errors with increasing of its operating speed. Thus the choice of both main specifications of CGC control loop, and additional specifications that determine a CGC work as two-mode heading instrument (gyro-compass / gyro-azimuth) is substantiated. Universal expression for CGC intercardinal deviation is received for any structure of a transfer function of the accelerometer filter. It is shown, that using of filters of odd orders gives the greatest effect in lowering of intercardinal deviation. The algorithm of compensation of CGC ballistic deviation with the help of the correction made by the special observer device without usage of the external information on vessel acceleration is designed. The technique of dynamic synthesis of a astatic regulator for CGC gyrostabilized platform is designed, which permit to take into account requirements to maximal error of stabilization at providing the given stability margins. Are conducted bench and sea trails CGC on the sea, acknowledged received theoretical outcomes.

Keywords: corrected gyro-compass, two-mode gyro-compass, dynamically tuned gyroscope. Размещено на Allbest.ru