Исследование функционирования системы измерения вертикального перемещения объекта с самонастройкой параметров

УДК 531.385

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА С САМОНАСТРОЙКОЙ ПАРАМЕТРОВ

Ю.В. Иванов, Р.В. Алалуев

Предложена функционально-структурная организация инерциальных измерительных систем с переменными параметрами на базе короткопериодных маятников, которая позволяет существенно повысить их точностные характеристики при работе в условиях текущей и априорной неопределенности возмущений. Приведены результаты исследования системы измерения вертикальной качки судна, реализованной в виде микропроцессорного блока.

Ключевые слова: акселерометр, вертикальная качка, самонастройка параметров системы.

Вертикальная качка является одной из составляющих колебаний судна на морском волнении. Вертикальные перемещения оказывают отрицательное влияние на работу целого ряда приборов и систем, к которым относятся гравиметры, одно- и многолучевые эхолоты, профилографы, гидролокаторы бокового обзора, антенны гидроакустических систем слежения за автономными подвижными объектами, лазерные и радиотехнические устройства для измерения параметров и состояния поверхности океана и атмосферы, антенны радиолокационных станций, систем спутниковой связи и телевидения, автономные буи для исследования морского волнения и экологии океана, гидроакустические приборы буксируемых необитаемых подводных аппаратов.

Для реализации инерциального метода измерения вертикальной качки в качестве чувствительного элемента системы используется линейный акселерометр. Его ось чувствительности должна быть ориентирована по вертикали. Это может быть реализовано физически путем размещения акселерометра на гировертикали в кардановом подвесе, или математически с помощью бесплатформенной системы ориентации. В этом случае акселерометр жестко связан подвижным объектом, а его показания корректируются с помощью сигналов системы ориентации, пропорциональных углам крена и дифферента.

При проведении измерений параметров движения объектов приходится решать задачу интегрирования периодической составляющей сигнала инерциального датчика в условиях действия периодических и постоянных возмущений, в частном случае имеющих тренд. Такие процессы можно назвать инерциальными измерениями в динамическом режиме (ИИДР) [1].

В случае измерения вертикальной качки динамический режим измерения обусловлен медленным изменением фона ускорения свободного падения, направленного наряду с ускорением вертикальной качки вдоль оси чувствительности акселерометра. Кроме того, интенсивность и спектр полезного сигнала вертикальной качки изменяется в очень широких пределах.

Проведение инерциальных измерений в динамическом режиме имеет ряд особенностей, которые можно сформулировать в следующем виде.

Полезный сигнал и возмущение находятся в очень близких частотных диапазонах, что вызывает трудности в применении обычных методов фильтрации.

Измерение угла отклонения основания от вертикали с помощью инерциального датчика производится путем измерения проекции на его ось чувствительности ускорения свободного падения. В связи с этим, с одной стороны, практически невозможно в сигнале разделить составляющие, пропорциональные углу и ускорению, если они находятся в одном частотном диапазоне, с другой стороны инерциальный датчик содержит информацию о полезном сигнале и о возмущении. Таким образом, информация о возмущении, при необходимости, может быть получена из сигнала инер-циального датчика.

Составляющая возмущения в сигнале инерциального датчика (например, линейное ускорение качки судна) изменяется в очень широком диапазоне частот и амплитуд.

Эти особенности ИИДР в большинстве случаев не позволяют создавать системы управления или системы обработки информации, одинаково хорошо работающие во всем диапазоне амплитуд и частот ускорений. В связи с этим необходимо применять системы с переменными параметрами.

Перспективным направлением применения принципа самонастройки в инерциальных измерительных устройствах является повышение точности систем, коэффициенты передачи которых зависят от возмущений.

Обобщенная схема адаптивной системы обработки информации при проведении ИИДР показана на рис. 1.

Она содержит основной контур, состоящий из инерциального датчика и системы обработки информации, а также контур самонастройки. В контуре самонастройки вычисляется текущее значение спектра сигнала инерциального датчика и выделяется его наибольшая интенсивность и частота, на которую в данный момент приходится максимальная мощность сигнала. По этим элементам спектра с помощью устройства вычисления параметров системы настраивается система обработки информации в соответствии с выбранным критерием самонастройки.

Система обработки информации, построенная по схеме, показанной на рис. 1, относится к беспоисковым аналитическим самонастраивающимся системам с разомкнутым контуром самонастройки.

Улучшение качества работы такой измерительной системы достигается вследствие применения не сигнальных, а параметрических связей.

Рис. 1. Обобщенная схема адаптивной системы обработки информации при проведении ИИДР: X(t) - вектор измеряемых возмущений; Y(t) - вектор выходных переменных системы;

M(t) - вектор возмущений, недоступных измерению; 0(t) - вектор параметров системы; I(t) - вектор параметров

алгоритма адаптации

Частным случаем обобщенной схемы адаптивной системы обработки информации является схема устройства измерения вертикальной качки с переменными параметрами [2], приведенная на рис. 2.

Сигнал акселерометра, ось чувствительности которого ориентирована вертикально, интегрируется устройствами, выполненными в виде апериодических звеньев, реализованных в цифровом виде. Для обеспечения возможности работы интегрирующего устройства в течение длительного времени без насыщения, в нем предусмотрено обнуление постоянной составляющей сигнала на выходе за счет применения интегрирующей обратной связи. Контур самонастройки состоит из устройства вычисления спектра и алгоритма адаптации.

Необходимость применения контура самонастройки обусловлена тем, что преобладающая частота вертикальной качки может изменяться в очень широких пределах от 0,05 Гц до 1 Гц. Для получения сигнала вертикального перемещения без амплитудных и фазовых искажений на минимальной частоте качки необходимо выбирать большие (100...120 с) постоянные времени интеграторов. В случае импульсного воздействия на такую систему (удар волны по корпусу судна) в ней возникает переходный процесс большой амплитуды и длительности, во время которого погрешность

253

интегрирования значительно превышает заданные пределы. Такие импульсные воздействия характерны для движения судна против волны, когда частота качки близка к максимальной, и составляет 0,25.. .1 Гц.

Контур самонастройки

Рис. 2. Схема устройства измерения вертикальной качки с переменными параметрами

Для интегрирования сигнала на таких частотах можно уменьшить постоянные времени интеграторов более чем на порядок без увеличения фазовой погрешности [3].

Реализация самонастраивающегося интегрирующего устройства. Интегрирующее устройство реализовано на базе промышленного компьютера в стандарте РС-104. В его состав входят модуль АЦП РСМ-1817И (рис. 3) и одноплатная микро-ЭВМ РСМ-5820Ь (рис.4) производства фирмы «ЛОУШТЕСИ».

Рис. 3. Модуль АЦПРСМ-1817Н

254

Рис. 4. Одноплатная микро-ЭВМ РСЫ-5820Ь

В табл.1 и 2 приведены основные технические характеристики модуля АЦП РСМ-1817Н и одноплатной микро-ЭВМ РСМ-5820Ь.

Таблица 1

Основные технические характеристики модуля АЦП PCM-1817H

Параметр Значение

Количество однополярных аналоговых входов 16

Количество дифференциальных аналоговых входов 8

Количество разрядов 12

Частота выборки, кГц 30

Время преобразования, мкс 33

Количество 8-разрядных портов дискретного ввода-вывода 2

Пределы основной погрешности измерения: коэффициент усиления 1 % полной шкалы ±1 МР коэффициент усиления 2,4 % полной шкалы ±1 МР коэффициент усиления 8 % полной шкалы ±1 МР 0,01 0,02 0,04%

Напряжение питания, В + 5 ± 0,25

Номинальный потребляемый ток, А 0,18

Максимальный потребляемый ток, А 0,4

Диапазон рабочих температур, оС 0...60

Габаритные размеры, мм 102x102

Таблица 2

Основные технические характеристики одноплатной микро-ЭВМ PCM-5820L

Параметр Значение

Процессор Cyrix GXM встроенный, МГц 233

BIOS Award флэш-BIOS, Кбайт 256

ОЗУ SDRAM, Мб 16

Флэш-диск Compact Flash, Мб 8

Напряжение питания, В + 5 ± 0,25

Максимальный потребляемый ток, А 5

Диапазон рабочих температур, оС 0...60

Габаритные размеры, мм 145x102

Масса, кг 0,22

С целью повышения быстродействия алгоритма параметры интегрирующего устройства, соответствующие заданному значению преобладающей частоты качки, вычисляются предварительно и размещаются в ОЗУ микро-ЭВМ.

Алгоритм самонастройки работает таким образом, что при включении интегрирующего устройства используются минимальные значения постоянных времени, соответствующие максимальному значению преобладающей частоты качки ю = 6,28 рад/с. Как показано на рис. 5, этим обеспечивается наименьшее время переходного процесса.

Рис. 5. Вид переходного процесса при включении интегрирующего устройства: ю = 7,8 рад/с

256

Если значение преобладающей частоты качки отличается от максимальной величины, то во время переходного процесса происходит изменение параметров интегрирующего устройства. На рис. 6 и рис. 7 показан вид переходного процесса при включении интегрирующего устройства для значений преобладающей частоты качки ю = 3,14 рад/с и ю = 1 рад/с.

Рис. 6. Вид переходного процесса при включении интегрирующего устройства: ю = 3,14 рад/с

н

400,00 см 200.00

0,00

-200,00

-400,00

^ 600,00

-800,00

-1000,00

-1200,00

-1400,00

1»

\ к м шшш 1Ш1, ШШ1 шшш щшш шш

/ ММ ЩШ 11Ш

Г \ /

/

\

I

1 г

41 100 150 200 150 300 350 400 450 500 550 600 650

с

Рис. 7. Вид переходного процесса при включении интегрирующего устройства: ю = 1 рад/с

257

На рис. 8 показан график переходного процесса интегрирующего устройства гиростабилизированного компенсатора качки (ГКК) «ВолнаМ» без самонастройки параметров [4].

Рис. 8. Вид переходного процесса интегрирующего устройства

ГКК «Волна-М»

Сравнивая переходные процессы, показанные на рис. 5 - 7 и рис. 8, можно сделать вывод о том, что применение самонастраивающегося интегрирующего устройства позволяет значительно (в некоторых случаях до десяти раз) уменьшить время готовности после включения измерителя вертикальной качки.

На рис. 9 показана реакция интегрирующего устройства на импульсное воздействие, полученная в результате эксперимента, который проводился для наиболее распространенной на практике частоты качки ю = 1 рад/с.

Импульсное воздействие на интегрирующее устройство моделировалось путем кратковременного отключения источника входного сигнала. Расчет вертикального перемещения проводился параллельно в реальном масштабе времени по одному алгоритму интегрирования, но с разными параметрами. На рис. 9 кривая 1 представляет собой реакцию самонастраивающегося интегрирующего устройства на импульсное воздействие, кривая 2 - тот же процесс, но для интегрирующего устройства без самонастройки.

Из рис. 9 видно, что оба процесса имеют практически одинаковую фазовую погрешность, но реакция самонастраивающегося интегрирующего устройства на импульсное воздействие меньше по амплитуде более чем 3 раза, а по времени - более чем в 2 раза.

На рис. 10 показана реакция самонастраивающегося интегрирующего устройства на изменение частоты вертикальной качки, полученная в результате эксперимента. В ходе эксперимента частота сигнала на входе

258

интегрирующего устройства очень быстро (ориентировочно за 1 секунду) изменялась с величины со1 = 3 рад/с на величину с2 = 5 рад/с. Такое изменение частоты качки характерно для смены курса судна на 180о. При этом на практике частота вертикальной качки не изменяется так быстро потому что разворот выполняется за время не мене 120 с. Поэтому такие условия проведения эксперимента можно считать предельным случаем. Первый переходный процесс, начало которого ориентировочно совпадает с моментом времени ? = 34 с, обусловлен быстрым изменением частоты качки. Второй переходный процесс, который начинается с момента времени ? = 102 с, обусловлен изменением параметров интегрирующего устройства в процессе самонастройки. Из графика видно, что переходные процессы затухают за время сопоставимое с временем разворота судна.

8(Ю,00 см 600,00

400,00

Н 200,00

0,00

-200,00

А

2 г

Г \

К \ АЬ&ЙЙЙ

\ /

V ддПt/r

-400,00

0 50 100 150 200 250 .400 350 -100 450 500 550 600 650 700 750

t -* с

Рис. 9. Реакция интегрирующего устройства на импульсное

воздействие: ю = 1 рад/с

Рис. 10. Реакция интегрирующего устройства на изменение частоты вертикальной качки

259

Заключение

Таким образом, применение цифровых интеграторов с самонастройкой параметров позволяет повысить точность и устойчивость к импульсным воздействиям, а также уменьшить время готовности устройства измерения вертикальной качки. Причем такой тип интегрирующего устройства может применяться при любом способе (платформенном или бесплатформенном) построения вертикали.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ. Грант №1708-00434 А.

Список литературы

1. Иванов Ю.В. Инерциальные измерения в динамическом режиме с помощью короткопериодных маятников // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т. 46, № 9. С. 56 - 60.

2. Пат. 2184675 РФ. Устройство для измерения вертикальной качки судна / Ю. В. Иванов, Р. В. Алалуев (РФ) // Открытия. Изобретения, 2002. № 19.

3. Иванов Ю.В., Алалуев Р.В. Адаптивная система измерения вертикальной качки судна // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 2. С. 105-110.

4. Иванов Ю.В. Гироскопические системы измерения вертикальной качки. Тула: Тул. гос. ун-т, 2004. 184 с.

Иванов Юрий Владимирович, д-р техн. наук, профессор, tgupu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Алалуев Роман Владимирович, канд. техн. наук, доцент, tgupu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE RESEARCH OF THE FUNCTIONING OF THE SYSTEM OF THE MEASURING OF THE VERTICAL TRANSFERENCE OF THE OBJECT WITH THE PARAMETERS

SELF-ADJUSTMENT

Yu.V. Ivanov, R.V. Alaluev

The functional and structural organization of the inertial measuring systems with variable parameters on the base of the short period pendulums which allows to rise significantly their precision characteristics while the working in the conditions of the current and a priori indeterminacy of the disturbances is offered. The results of the research of the system of the measuring of the ship pitching motion fulfilled in the form of the microprocessor unit are given.

Key words: accelerometer, heaving, self-adjustment of the system parameters.

Ivanov Yuri Vladimirovich, doctor of technical science, professor, tgupu@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Alaluev Roman Vladimirovich, candidate of technical science, docent, tgupu@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University