Устройство для определения угла наклона подвижного объекта

Устройство для определения угла наклона подвижного объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТГОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА по авт.св. № 1О02844, отличающееся тем, что, с целью расширения рабочего диапазона путем рас ширения частотного диапазона пропорциональности выходной характеристики yciw ройства, в него введены рииаюшнй усилитель , усилитель обратной связи гидроскопического датчика угловой скорости 1-АЧХистройства целом 2 - АЧХ актиЛ( 3-AVi( келавгюя А ство . I VJ и функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу датчика угловой cKopocTHi, соединенного ереэ. масштабные резисторы с неннвертирую щщк входами решающего усилителя в усилителя обратной связи, а первый, втсм рой, третий и т. д. выходы функционала )ного преобразователя через масшта ые резисторы подключены к неинвертируюшим входам усилителя обратной связи и решающего усилителя, выход которого через масштабный резистор и рез1ютор обратной связи подключен к неннверт рукшшм входам активного фильтра и шакяцего усилителя, при этом инвертиру ® юшие входы решающего усилителя, усв лителя обратной связи и активного через переменные резисторы пооклкь. чены к источнику напряжения питания, д выход усилителя обратной связи через резистор обратной связи и ограничвтвш ный резистор подключен к неинвертярукх щему входу усилителя и на вход гидроскопического датчика угловой скорости. ра нюой

СОЮЗ CGBETCHNX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПжЛИН (19) (11)!

tl(Q

02

ГОСХЦАРСТВЕННЫй НОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (61) 1002844 (21) 3565439/18-10 (22 ) 15.03.83 (46) 23.03.84. Бюл. ¹ 11 (72 ) В. Л. Никулин, А. М. Глазков и А.Д. Никитин (71) Московский орцена Ленина и орцена

Октябрьской Революции авиационный ин ститут им. Серго.Орцжоникицзе и Институт океанологии AH СССР (53) 528 543 (088.8) (56) 1. Авторское свицетельство СССР № 1002844, кл. Cj 01 С 9/08,, С, 01 С 9/12, 1982 (прототип) (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА ПОДВИЖНОГО

ОБЪЕКТА по авт.св. N 1002844, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения рабочего циапазона путем рас . ширения частотного диапазона пропорциональности выхоцной характеристики усе ройства, в него введены решающий усилитель, усилитель обратной связи гицроскопического цатчика угловой скорос ти 5д G 01 С 9/08; G 01 С-9/12 и функциональный преобразователь, вхоц которого подключен к выходу датчика угловой скорости, соединенного "ерез. масштабные резисторы с неинвертируюкими входами решающего усилителя и усилителя обратной связи, а первый,вто" рой, трежй и т.ц. выходы функциональ-)ного преобразователя через масштабные резисторы подключены к неинвертирующим вхоцам усилителя обратной связи и решающего усилителя, выход которого через масштабный резистор и резистор обратной связи подключен к неинвертирующим входам активного фильтра и ре", шающего усилителя, при этом инвертируье.. ющие входы petuatamexo усилителя, уси=Д лителя обратной связи и активного фильтр-: аа через переменные резисторы поцклю= чены к источнику напряжения питания, а (==выход усилителя обратной связи через резистор обратной связи и ограничитель а ный резистор подключен к неинвертирую щему входу усилителя и Hà axon anpo скопического датчика угловой скорости.

1 16814

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к устройствам для определения углов и угловой скорости наклона, а также стабилизации и управления подвижных обь5 ектов, например обитаемых, телеуправляемых, буксируемых, автономных и пру» гих подводных аппаратов.

По основному авт.св. N 1002844 известно устройство для определения угла наклона подвижного обьекта (l3, содержащее чувствительный элемент (фи зический маягник, кинематически связанный с преобразователем), гироскопический датчик угловой ОКоросТН и активный фильтр в виде операционного усилителя, охваченного активноемкостной обратной связью. Один ахоп усилителя через масштабные резисторы эоединен соотвеп:т венно с выходами преобразователя и дач чика угловой скорости, а выход операционного усилителя через параллельно включенные К и С соединен с упомянутым входом усилителя, второй вход которого соединен через переменный резистор с источником опорного напряжения. Ось чувствительного гироскопического датчика угловой скорости параллельна оси вращения маятника, а постоянная времени RCфильтра определяется в соответствии с формулой КЬ

Т =

Км Км

fv

Белью изобретения является расширение рабочего диапазона путем расширения частотного диапазона пропорциональности выходной характеристики устройства.

Указанная цель постигается тем, что в устройство дополнительно введены решающий усилитель, усилитель обратной связи гироскопического датчика угловой скорости и функциональный преобразователь, axotI которого подключен к выходу датчика угловой скорости, соединенного через масштабные резисторы с неинвертируюшими входами решающего усилителя и усилителя обра гной связи, а первый, второй, третий и т.д. выходы функционального преобразователя через масштабные резисторы подключены к неинвертируюшим входам усилителя обратной связи и peaaKIIIего усилителя, выход которого через масштабный резистор и резистор обратной связи подключен к неинверти51й/Зй О;

М„)) где 1 д - коэффициент усиления датчика 35 угловой скорости;

K - коэффициент усиления преобраМ зова теля;

М . K отношение сопротивлений резис-,г. тора на выходе преобразователя;40 и резистора БС-фильтра;

К - отношение сопротивлений рем

А эистора на выходе датчика угловой скорости и резистора

ЙС-филь тра. 45

В известном устройстве амплитудночастотная характеристика (АЧХ) эквивалентна пропорционального звена в диапазоне частот от 0 до 2,5 e " . Это обьясняется тем, что выходная харак ге- 50 ристика реальных датчиков угловой скорости имеет ограниченный диапазон линейности, определяемый следующими условиями.

14 1 где p - угол поворота внешней рамки скоростного гироскопа относительно его корпуса; йк - измеряемая угловая скорость корпуса датчика, жестко связанного с подвижным объектом;

u) - угловая скорость дрейфа скоростного . гироскопа, характеризующая несовершенство его конс трукции, изготовления, балансировки и механической пружины.

В современных датчиках максимальное значение угла Р огганичено 5-7 градусами, что не позволяет увеличи= вать отношение Mк х к п,1п, так как при увеличении tu (за счет уменьшек мах ния кривизны выходной характеристики датчика) пропорционально возрастает и и,, а следовательно и tv«„. Это расширяет зону нечувствительности дат чика ы и накладывает существенные ограничения на максимально допустимое значение постоянной времени Т активного фильтра, так как динамическая ошибка устройства определяется формулой

3 i08i руюшим входам активного фильтра и решаюшего усилителя, при этом инвертируюшне вхоцы решаюшего усилителя, усилителя обратной связи и активного филь|»ра через переменные резисторы поц- 5 ключены к источнику напряжения питания, а выхоц усилителя обратной связи через резистор обоатной связи и ограничительный резистор подключен к неинвертируюшему входу усилителя и на вход гироско- 10 пического датчика угловой скорости.

На фиг. 1 и 2 приведены графики характеристик датчиков; на фиг. 3 - схема устройства.

Схема соцержит физический маятник 15 и преобразуюшее устройство 1, поцклю ченное через масштабный резистор 2 к неинвертируюшему входу усилителя 3.

На этот же вхоц с выхода усилителя,3 через ЯС-фильтр, составленный из ре- зистора 4 и конценсатора 5, поступает сигнал обратной связи, а также через переменный резистор 6 сигнал с выхода решаюшего усилителя 7, пропорциональный угловой скорости подвижного объекта

Второй вход (инвертируюший) усилителя 3 поцключен к резистору 8 и подвижному контакту переменного резистора

9 цля балансировки нулевого уровня выходного напряжения всего устройства. °

Преобразуюшее устройство 10 гироскопического цатчика угловой скорости 11 (например, в вице кругового потенциомеч ра с отводом от срецней точки) через масштабные резисторы 12 и 13 подклю- 35 чено к неинвертируюшим входам решаюшего усилителя 7 и усилителя 14 обратной связи соответственно. На эти же вхоцы усилителей 7 и 14- через резисторы 15 и 16 обратной связи поступают сигналы 40 обратной связи, соответственно с усилителя 7 и 14. Кроме того, преобразуюшее устройство 10 через функциональный преобразователь 17 и масштабные резисторы 18-20, а также резисторы 21-23,45 поцключено к неинвертируюшим входам соответственно решающего усилителя 7 и усилителя 14 обратной связи. Функциональный преобразователь 17 состоит, например, из ряда циоцов обратной про- 50 воцимости с возрастаюшим ряцом напржк жения пробоя, включенных в диагонали циоцных мостов.

Выход усилителя 14 ображой связи через ограничивающий резистор 24 поц- 55 ключен к моментному датчику 25, раавиваюшему момен т, пропорциональный величине выходного сигнала (напряжения) 414 усилителя 14. Инвертируюшие входы решаюшего усилителя 7 и усилителя 14 обратной связи с целью балансировки их уровней выходного сигнала поцключены к к резисторам 26 и 27 и поцвижным контактам переменных резисторов 28 и

2S, подключенных к источнику питающего напряжения.

Устройство работает следуюшим обре« зом.

При появлении угла наклона поцвижного объекта (обозначим его буквой V ) на выхоце преобразователя 1 появляется сигнал пос тоянного тока (/„(пропорциональный величине наклона К(. Через масштабный резистор 2 этот сигнал по ступает на неинвертируюший вход усилителя 3. На выходе преобразователя 10 гироскопического цатчика 11 также по является сигнал постоянного тока 0 но пропорциональный угловой скорости . наклона Рv (символ/(безынерцион:оператором дифференцирования по времени P = d /Ж ). Этот сигнал поступает, непосредственно на функциональный преобразователь 17 и через резисторы 12 и 13 — на неинвертируюшие вхоцы усилителей 14 и 7.

Функциональный преобразователь состоит из ряца полупроводниковых циоцов обратной проводимости, причем напряжашие пробоя этих циоцов образует возрастаюший ряд. Поэтому при увеличении (или умень шенин) выходного сигнала (напряжения)

0> преобразователя 10 первоначально, когда выхоцное напряжение преобра:-ювателя 10 близко к нулю, диоды всех мос» товых схем заперты и токи через них не проходят (полупровоцниковый циоц считаем "идеальным, т.е. при Ug >r U пр

его динамическое сопротивление равно нулю, а при U> (Ц„- бесконечности). пр

В цанном случае выхоцной сигнал дат чика Ug, усиленный усилителем 14 обратной связи, через ограничительный ре зистор 24 поступает íà вход момжтногО цатчика 25, который развивает противо действующий момент относительно оси крашения внешней рамки гироскопа. Веди чина момента пропорциональна сигналу усилителя 14 обратной связи, а следовэ» тельно и углу р отклонения внешней рамки гироскопа 11.

В результате действия гироскопичео кого момента Н пропорционального к угловой скорости объекта Озк и про п водействуюшего момента датчика 25, 5 1081414 внешняя рамка гироскопа 11 повернется

Ва уг"л

Р= "к .(+ к

0 6 16 ,1р (А ст1)Я (a) K H (J „-UI

4 (+K

1 гце

4 (6 м*

R2 <++K

К

®(Р) = - (+)

Р

В этом случае изображение выходного сигнала устройства 9 можно представить в слецуюшем виде

К

VIPI=(K К" K P) У

®ААТ1

Р

Р где К = — - коэффициеьт усиления 2 сигнала преобразователя 2 физического мая щика 1 °

М

) = коэффициент усиления

6 . сигнала с предбразователя 10 цатчика

11 угловой скорости.

Если коэффициеяты .)(и К выбрать

М

М 4 таким образом, чтобы выполнялось соотг ношение

16

Д Ю* 15 (ст

Я

Если коэффициент усиления Я16 / 021 по второй составляющей входного сигнала усилителя 14 выбрать таким образом, чтобы крутизна характеристики )5 = f (Ф„) 5 где Н - кинематический момен т скорост ного гироскопа;

К

К - ) К Q M&pKbRR коэф

0 ФМАR$2

30 фициент усиления разомкнутой системы из последовательно соединенных преоб разователя 10, усилителя 14 и момент ного датчика 25.

На выходе решающего усилителя 7 также появляется сигнал постоянного тока 0, пропорциональный o oé скорости ш„подвижного объекта

U = {2)

Ч .)+ < Я

13

При этом, если величину входного резистора R 1 и величину обратной связи R1g усилителя 7 выбрать таким 25 образом, чтобы выполнялось соотношу», ние — =1+К - ()

Х, то на выходе рещаюшего усилителя 7 З0 получаем информацию об угловой скорос4 ти объекта с коэффициентом передачи

Кд Н.

Информация об угловой скорости обв екта м через масштабный резистор 6 поступает не неинвертируюший вхоц усилителя 3 (активный фильтр) с перецаточной функцией

К к н т — 4 A, (6) м

) м км то изображение выхоцного сигнала об изменении угловой ориентации поцвижного обьекта пример следующим вид ч(Р) К К K v (7) т,е. динамические характеристики устройства не зависят от величины постоянной времени Т активного фильтра 3 и эквивалентны пропорциональному (беэинерционному) звену.

При цальнейшем увеличении угловой скорости подвижного объекта ю угол к поворота внешней рамки р а следовательно и величина выхоцного сигнала преобразова теля 10 также увеличиваются. И есин величина выходного сит нала 0> превышает наименьшее из пробивных напряжвний U „.какого-либо из п1 диодов (например, в верхнем мосту), то через резисторы R18и R2 потекут вхо

21 ные токи, пропорциональные разности напряжений U - V В этом случае на выходе усилителя 14 и преобразова-» тели 10 появляются цополнительные сос тавля юшие

К. =К К вЂ” +— (6 Ь

1 A А Я2 К2

Выходной сигнал решающего усилителя 7 также состоит из двух составляющих р я и - о )2 Д Ст1

1Ý

Подставляя в последнее выражение соотношение цля 0„, получаем . 1

U =

Ф Ык

19 16 Я

Ъ

1 я1

7 датчика 11 в диапазоне угловых скоростей межцу Cg и и соответствовала желаемой (фиг. 1), а коэффициент усиления по второй составляющей вхоцного сигнала усилителя 7 выбрать так, чтобы вы- 5 полнялось соотношение м

Р„в А. мА R24

10 то, принимая во внимание (3), выражение (11) цля второго участка характеристики p = (и к) можно переписать в следующем вице () дн,, (И

Т.е. несмотря на изменение крутизны выхоцной характеристики цатчика 11, коэффициент перецачи решающего усилителя 7

7 остается без. изменения.

Аналогичное решение можно найти и цля послецуюших диапазонов угловой скорости поцвижного обьекта. Например, если в циапазоне между g и 4 «о 25 16 . эффициент усиления, по третьей со22 . ставляющей вхоцного сигнала выбрать

"аким, чтобы крутизна характеристики

Ц -- i (øК ) соответствовала желаемой 30 (фиг. 1), а коэффициент усиления соот ветствуюшей составляющей вхоцного сиг нала усилителя 7 выбрать так, чтобы

:выполнялось соотношение

0 6 — — (<+) W А 22

Э то и цля третьего участка выхоцной характеристики P = f (И)к.) коэффициент перецачи усилителя 7 остаешься без иэУ =К Н . (15 т оК

Таким образом, ввоц в схему извес тного устройства гироскопического цат» чика угловой скорос TH компенсанионног типа позволяет снизить максималыую величину угловой скорости дрейфа uf и уменьшить тем самым зону нечувстви тельности цатчика за счет замены меха.» нической пружины моментным цатчиком

l. и охвата обратной связью всего устройства. . Кроме того, ason в схему функцион нального преобразователя и решающего Ъ„ усилителя позволяет обеспечить постоянство крутизны выхоцной характеристи ки Ц = f(u><) pauasmего усилителя во всем циапазоне измеряемых угловых скоростей при нелинейной характеристике датчика угловой скорости. Это позволяет расширить циапазон измеряемых угловых. скоростей поцвижного обьекта при зацан» ных ограничениях на величину максималь ного отклонения внешней рамки и зоны нечувствительности цатчика и достичь тем самым положительного эффектапов»ышения цинамической точности изме. р ия угла наклона объекта по сравнению с известным устройством.

Реализация изобретения позволяет прамерно вдвое расширить циапазон измеря емых угловых скоростей и частотный -. циапазон пропорциональности выкоцной характеристики всего устройства при прак .тически тех же габаритах, массе и по тззеблении,энергии.

1081414

Составитель Ю. Кулагин

Редактор П. Коссей Техрец С.Мигунова: Корректор Я. Шароши

Заию 1519/ЗЗ Тираж 587 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., ц. 4/5

Филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4