Например, Бобцов

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА ПОГРЕШНОСТЬ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

32 С. В. Лучко, С. Ю. Балуев, М. А. Ватутин, И. С. Гурьев
УДК 681.511.4
С. В. ЛУЧКО, С. Ю. БАЛУЕВ, М. А. ВАТУТИН, И. С. ГУРЬЕВ
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА ПОГРЕШНОСТЬ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ
Приводится математическая модель движения чувствительного элемента маятникового акселерометра компенсационного типа, обобщаются результаты численного интегрирования и оценивается влияние возмущений на погрешность измерений акселерометром ЦЕ-199, функционирующим в периодическом режиме с широтно-импульсным модулятором второго рода.
Ключевые слова: акселерометр, датчик угловой скорости, периодический режим, погрешность измерений.
В состав систем управления движением современных летательных аппаратов (ЛА) входят датчики первичной информации. Точность ориентации и навигации ЛА непосредственно зависит от погрешностей таких датчиков. Проблема снижения погрешностей, особенно в условиях влияния различных возмущений, наиболее актуальна для задачи минимизации ошибок при ориентации ЛА. К датчикам первичной информации относятся акселерометры, датчики угловой скорости и другие приборы. Среди многочисленных типов акселерометров широкое распространение имеют маятниковые акселерометры компенсационного типа, которые имеют средние точностные характеристики и относительно невысокую стоимость.
В настоящее время существует возможность улучшения точностных характеристик маятниковых акселерометров путем минимизации нелинейностей в системе, которые обусловливают инструментальную погрешность измерения ускорений [1]. Минимизация погрешностей достигается с помощью перевода чувствительного элемента (ЧЭ) акселерометра в режим гармонических колебаний. Такой перевод можно осуществить несколькими способами: к примеру, с использованием внешнего генератора, путем введения ЧЭ в режим автоколебаний, с помощью широтно-импульсного модулятора второго рода (ШИМ-2). Как показал сравнительный анализ точностных характеристик маятникового акселерометра, самые лучшие показатели по минимизации погрешностей имеет способ приведения ЧЭ в режим вынужденных колебаний с помощью ШИМ-2 [2, 3].
Режим вынужденных колебаний с ШИМ-2 имеет существенную особенность, состоящую в том, что ЧЭ совершает колебания в строгом соответствии с последовательностью управляющих импульсов. Такой режим функционирования называется периодическим. Другая важная причина перевода ЧЭ в периодический режим — приобретение маятниковым акселерометром свойств временного модулятора, при этом выходная величина является параметром времени, а зависимость выход—вход легко преобразуется в цифровой вид, что удобно для последующей статистической обработки.
В настоящей статье рассматривается математическая модель акселерометра с ШИМ-2 и приводятся результаты исследований влияния внешних возмущений на погрешность измерений ускорения акселерометром. Проведение такого рода исследований необходимо не только для учета влияния внешних возмущений, но и для определения граничных условий функционирования данных приборов.
В ходе исследований использовался акселерометр ЦЕ-199 с ШИМ-2, функциональная схема которого приведена на рис. 1.
В состав чувствительного элемента акселерометра входят подвижная масса (ПМ) и измерительный элемент (ИЭ); на рисунке ДУ — датчик угла, ДМ — датчик момента. Функционально ЧЭ обеспечивает сравнение входного инерционного Ми и компенсационного МДМ
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1

Влияние внешних возмущений на погрешность инерциальных датчиков

33

моментов. Внешние воздействия неучтенных сил, природа которых различна, характеризуются
моментом Мf. На чувствительный элемент воздействует входное ускорение авх, являющееся причиной возникновения момента Ми. Разностью ∆М обусловливается отклонение ЧЭ на угол β, который преобразуется датчиком угла в сигнал u. Сигнал u поступает в ШИМ-2, состоящий из
генератора пилообразного напряжения (ГПН), компаратора (К), электронного ключа (ЭК) и ис-
точника опорного напряжения (тока) — ИОН. Функционально ШИМ-2 — это устройство, ко-
торое предназначено для формирования импульсной последовательности с заданным периодом
дискретизации Т, заданной амплитудой h и модулированной скважностью γi. Скважность импульсной последовательности γi в ШИМ-2 формируется при сравнении текущего значения сигнала u с некоторым опорным сигналом uоп. При воздействии ускорения длительности τ1 и τ2 управляющих импульсов ШИМ-2 будут различны. Преобразование интервалов τ1 и τ2 в код осуществляется классическим способом — заполнением временных интервалов тактовыми им-
пульсами стабильной частоты; далее определяются их разность, сумма и отношение. На выходе
измерительной схемы формируется число, пропорциональное входному ускорению.

Мf и иоп ШИМ-2

авх

Ми ПМ

∆М ИЭ

ЧЭ МДМ

β ДУ

и1

К

ГПН

ДМ ЭК ИОН Выход

Рис. 1

Принцип действия акселерометра ЦЕ-199 с ШИМ-2 поясняется схемой, представленной

на рис. 2, где m — масса маятника акселерометра. Маятник под воздействием управляющих

импульсов, поступающих с ШИМ-2, совершает колеба-

тельные движения с заданным периодом Т0 и углом отклонения β. При ускорении, действующем в плоскости

О

колебаний, положение динамического равновесия изме-

няется.

Особенность функционирования маятникового аксе-

l

лерометра с ШИМ-2 состоит в том, что такого типа прибор способен измерять постоянные или медленно изме- Маятник

β

няющиеся входные воздействия:

ω(t + T0 ) − ω(t)