RU2783728C1 - Method for increasing the stability of the gyrostabilizer - Google Patents
Method for increasing the stability of the gyrostabilizer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2783728C1 RU2783728C1 RU2022110374A RU2022110374A RU2783728C1 RU 2783728 C1 RU2783728 C1 RU 2783728C1 RU 2022110374 A RU2022110374 A RU 2022110374A RU 2022110374 A RU2022110374 A RU 2022110374A RU 2783728 C1 RU2783728 C1 RU 2783728C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gyroblock
- gyrostabilizer
- force
- moment
- suspension supports
- Prior art date
Links
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000000087 stabilizing Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 2
- 230000003019 stabilising Effects 0.000 abstract 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static Effects 0.000 description 2
- 241001442055 Vipera berus Species 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000011022 operating instruction Methods 0.000 description 1
- 230000003094 perturbing Effects 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к точному приборостроению и может быть применено для построения силовых гиростабилизаторов различных типов.The invention relates to precision instrumentation and can be used to build power gyrostabilizers of various types.
Известен способ [1] обеспечения устойчивости гиростабилизаторов различных типов, содержащий измерение углового положения гироскопа относительно платформы и создающий момент, пропорциональный этому отклонению относительно оси стабилизации по типу отрицательной обратной связи, дополненный измерением угловой скорости платформы гиростабилизатора относительно оси стабилизации, формированием дополнительного момента, пропорционального этой угловой скорости, приложенного относительно оси стабилизации по типу отрицательной обратной связи.There is a known method [1] to ensure the stability of gyrostabilizers of various types, containing the measurement of the angular position of the gyroscope relative to the platform and creating a moment proportional to this deviation relative to the stabilization axis by the type of negative feedback, supplemented by measuring the angular velocity of the gyrostabilizer platform relative to the stabilization axis, the formation of an additional moment proportional to this angular velocity applied relative to the axis of stabilization by the type of negative feedback.
Недостатком данного способа являются повышенные динамические ошибки стабилизации при колебаниях объекта относительно оси, совпадающей с осью стабилизации, источником которых является момент, порождаемый процессом измерения угловой скорости.The disadvantage of this method is the increased dynamic stabilization errors when the object oscillates about an axis coinciding with the stabilization axis, the source of which is the moment generated by the process of measuring the angular velocity.
Известен способ [2] обеспечения устойчивости силового гиростабилизатора, который применен в гировертикали, построенной по силовой схеме. Для каждого контура стабилизации, содержащего измерение углового положения гироблока относительно платформы и создающего момент, пропорциональный этому отклонению относительно оси стабилизации по типу отрицательной обратной связи, обеспечение устойчивости достигается путем увеличения демпфирования относительно оси стабилизации с помощью увеличения приведенного электрического демпфирования, создаваемого стабилизирующим мотором посредством повышения редукции. В этом способе используется противоЭДС стабилизирующего мотора, которая трансформируется в создание момента демпфирования, пропорционального крутизне скоростной характеристике, умноженной на квадрат коэффициента редукции. There is a known method [2] to ensure the stability of the power gyrostabilizer, which is used in the vertical gyro, built according to the power circuit. For each stabilization circuit containing the measurement of the angular position of the gyroblock relative to the platform and creating a moment proportional to this deviation relative to the stabilization axis in the form of negative feedback, stability is achieved by increasing the damping relative to the stabilization axis by increasing the reduced electrical damping created by the stabilizing motor by increasing the reduction . This method uses the counter-EMF of the stabilizing motor, which is transformed into the creation of a damping torque proportional to the steepness of the speed characteristic, multiplied by the square of the reduction factor.
Недостатком данного способа являются повышенные динамические ошибки стабилизации при колебаниях объекта относительно оси, совпадающей с осью стабилизации, а также люфты в редукторах, которые могут приводить к нелинейным колебаниям. The disadvantage of this method is increased dynamic stabilization errors when the object oscillates about an axis coinciding with the stabilization axis, as well as backlash in the gearboxes, which can lead to non-linear oscillations.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении устойчивости работы контура стабилизации – расширении области устойчивости.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to increase the stability of the stabilization circuit - to expand the stability area.
Технический результат достигается тем, что в способе повышения устойчивости гиростабилизатора, включающем измерение угла поворота гироблока гиростабилизатора и формирование относительно оси стабилизации момента пропорционального измеренному углу, новым является то, что в опорах подвеса гироблока измеряют усилия, преобразуют в напряжение и далее создают дополнительный момент по оси стабилизации в функции усилия в опорах подвеса гироблока, направленный на уменьшение усилия в опорах подвеса гироблока, при этом область параметров при формировании дополнительного момента определяется неравенством The technical result is achieved by the fact that in the method of increasing the stability of the gyrostabilizer, including measuring the angle of rotation of the gyrostabilizer gyroblock and forming a moment proportional to the measured angle relative to the stabilization axis, the new thing is that forces are measured in the gyroblock suspension supports, converted into voltage and then an additional moment is created along the axis stabilization as a function of the force in the gyroblock suspension supports, aimed at reducing the force in the gyroblock suspension supports, while the range of parameters in the formation of an additional moment is determined by the inequality
, ,
где крутизна характеристики при измерении усилия; коэффициент усиления по напряжению при создании дополнительного момента; коэффициент момента и сопротивление обмотки ротора стабилизирующего мотора; расстояние между опорами подвеса гироблока; передаточное число редукции момента.where steepness of the characteristic when measuring force; voltage gain when creating an additional moment; torque coefficient and resistance of the rotor winding of the stabilizing motor; distance between gyroblock suspension supports; torque reduction gear ratio.
Способ повышения устойчивости гиростабилизатора поясняется чертежом фиг.1, на котором представлена кинематическая схема гиростабилизатора со структурной схемой управления и на котором приняты следующие обозначения.The way to increase the stability of the gyrostabilizer is illustrated by the drawing figure 1, which shows the kinematic diagram of the gyrostabilizer with a block diagram of control and which adopted the following notation.
1. Гироблок (гироузел).1. Gyroblock (gyro node).
2. Полуоси подвеса гироблока.2. Gyroblock suspension axles.
3.1, 3.2 Опоры подвеса гироблока. 3.1, 3.2 Gyroblock suspension supports.
4. Наружная рама. 4. Outer frame.
5. Полуоси подвеса наружной рамы.5. Suspension axles of the outer frame.
6. Датчик угла прецессии. 6. Precession angle sensor.
7. Усилитель стабилизации. 7. Amplifier stabilization.
8. Преобразователь усилий в напряжение. 8. Force-to-stress converter.
9. Усилитель дополнительного контура. 9. Amplifier of the additional circuit.
10. Сумматор.10. Adder.
11. Стабилизирующий мотор. 11. Stabilizing motor.
угол, угловая скорость и угловое ускорение прецессии гироблока. angle, angular velocity and angular acceleration of the gyroblock precession.
угол, угловая скорость и угловое ускорение наружной рамы. angle, angular velocity and angular acceleration of the outer frame.
усилия в опорах подвеса гироблока. forces in the gyroblock suspension supports.
расстояние между опорами подвеса гироблока. the distance between the gyroblock suspension supports.
возмущающий момент. disturbing moment.
напряжение управления для формирования основного момента. control voltage to form the main moment.
напряжение управления для формирования дополнительного момента. control voltage to generate additional torque.
Для пояснения способа повышения устойчивости гиростабилизатора рассмотрим работу основного и дополнительного контуров, например одноосного силового гиростабилизатора, представленного на фиг.1. Гиростабилизатор состоит из гироблока 1, помещенного своими полуосями 2 с помощью опор подвеса 3.1 и 3.2 в наружную раму 4, которая своими полуосями 5 установлена в опорах подвеса корпуса. Основной контур – контур силовой стабилизации состоит из датчика угла прецессии 6, по сигналу которого с помощью усиления в усилителе 7 формируют основной момент стабилизирующего мотора 11, который компенсирует действие возмущающего момента , устанавливая вектор кинетического момента в положение перпендикулярное оси 5 подвеса наружной рамы 4 с точностью до статической погрешности. Для обеспечения устойчивости гиростабилизатора предлагается способ, основанный на измерении усилий в осях подвеса 2 гироблока 1, которые будут определяться действием гироскопического момента со стороны гироблока и инерционным моментом со стороны наружной рамы, к которой приложены возмущающий момент и момент стабилизирующего мотора. При этом измеренное усилие с помощью преобразователя усилия в напряжение 8 создает дополнительный момент, который при определенных условиях повышает устойчивость работы гиростабилизатора. To explain how to improve the stability of the gyrostabilizer consider the operation of the main and additional circuits, such as a single-axis power gyrostabilizer shown in Fig.1. The gyrostabilizer consists of a gyroblock 1, placed by its
Доказательство повышения устойчивости.Proof of improved stability.
Для этого запишем уравнения движения гиростабилизатора в обобщенном виде с инерционными членами, учет которых необходим для исследования устойчивости To do this, we write the equations of motion of the gyrostabilizer in a generalized form with inertial terms, which must be taken into account to study the stability
где (1) – уравнение моментов относительно оси стабилизации; (2) – уравнение моментов относительно оси подвеса гироблока; (3) – уравнение электрической цепи стабилизирующего мотора; (4) – уравнение управления для формирования основного момента; (5) – уравнение управления для формирования дополнительного момента; (6) – уравнение формирования усилия в опорах; моменты инерции подвижных элементов относительно осей подвеса рамы и гироблока; кинетический момент гироблока; ток ротора стабилизирующего мотора; электрическая постоянная времени, коэффициенты момента и противо-ЭДС, активное сопротивление ротора стабилизирующего мотора; возмущающий момент; крутизна датчика угла прецессии; коэффициенты усиления в цепях формировании основного и дополнительного моментов; коэффициент преобразования усилия в напряжение.where (1) is the equation of moments about the stabilization axis; (2) - the equation of moments relative to the axis of the suspension of the gyroblock; (3) - the equation of the electric circuit of the stabilizing motor; (4) is the control equation for the formation of the main moment; (5) is the control equation for the formation of an additional moment; (6) - the equation of force formation in the supports; moments of inertia of the moving elements relative to the axes of the suspension of the frame and the gyroblock; kinetic moment of the gyroblock; rotor current of the stabilizing motor; electrical time constant, torque coefficients and back-emf, active resistance of the rotor of the stabilizing motor; disturbing moment; slope of the precession angle sensor; gain factors in the circuits for the formation of the main and additional moments; force-to-stress conversion factor.
Анализ повышения устойчивости проведем с помощью алгебраического критерия Гурвица. Для этого, записав систему (1) – (6) в операторной форме, составим характеристическое уравнениеWe will analyze the increase in stability using the algebraic Hurwitz criterion. To do this, having written the system (1) - (6) in operator form, we compose the characteristic equation
Или в развернутом видеOr expanded
где коэффициенты характеристического уравнения равныwhere the coefficients of the characteristic equation are
Составив из коэффициентов характеристического уравнения (7) определитель Гурвица, составим в соответствии со стандартной процедурой необходимые и достаточные условия устойчивости гиростабилизатораCompiling the Hurwitz determinant from the coefficients of the characteristic equation (7), we compose, in accordance with the standard procedure, the necessary and sufficient conditions for the stability of the gyrostabilizer
Анализ условий устойчивости. Analysis of stability conditions.
Определители будем обозначать с двумя нижними индексами, при этом первая цифра соответствует номеру определителя в критерии Гурвица, а вторая цифра наличие дополнительного контура: соответствует гиростабилизатору без дополнительного контура, а гиростабилизатору с дополнительным контуром, в котором реализован предлагаемый способ повышения устойчивости на основе измерения усилий в опорах подвеса гироблока. The determinants will be denoted with two subscripts, while the first digit corresponds to the number of the determinant in the Hurwitz criterion, and the second digit corresponds to the presence of an additional contour: corresponds to a gyro stabilizer without an additional circuit, and a gyrostabilizer with an additional circuit, in which the proposed method for increasing stability is implemented based on the measurement of forces in the gyroblock suspension supports.
1. Гиростабилизатор без дополнительного контура.1. Gyrostabilizer without additional circuit.
Коэффициенты характеристического уравнения (8), кроме и , останутся неизменными, при этом и условия устойчивости (9) принимают видThe coefficients of the characteristic equation (8), except for and , will remain unchanged, while and stability conditions (9) take the form
которое всегда выполняется,which is always executed
или после преобразований и сокращения на , запишем в видеor after transformations and reduction by , write in the form
2. Гиростабилизатор с дополнительным контуром.2. Gyrostabilizer with an additional circuit.
Условия устойчивости (9) принимает видThe stability conditions (9) takes the form
т.е. . those. .
Анализ соотношения определителей и . Determinant Ratio Analysis and .
В соответствии с формулами (8) и (9) определитель принимает видIn accordance with formulas (8) and (9), the determinant takes the form
сократив который на , перепишем какreducing which to , rewrite as
а с учётом (10) полученный определитель примет окончательный вид and taking into account (10), the resulting determinant will take the final form
На основании анализа (11) - (13) под расширением области устойчивости будем понимать выполнение очевидных гарантированных условийBased on the analysis of (11) - (13), by the expansion of the stability region we mean the fulfillment of the obvious guaranteed conditions
в которых последнее неравенство накладывает ограничение на суммарный коэффициент усиления in which the last inequality imposes a restriction on the total gain
если принять, что , тоif we accept that , then
Пример, поясняющий расширение области устойчивостиAn example explaining the expansion of the stability area
Рассмотрим гиростабилизатор со следующими параметрами:Consider a gyro stabilizer with the following parameters:
Исходя из заданной статической точности из уравнений (1)-(4) без наличия дополнительного контура определяем суммарный коэффициент усиления с учетом крутизны датчика углов прецессииBased on the given static accuracy from equations (1)-(4) without the presence of an additional circuit, we determine the total gain taking into account the slope of the precession angle sensor
1). Область устойчивости без измерения усилия в опорах подвеса гироблокаone). Stability area without force measurement in gyroblock suspension supports
При этом способе формирования управления область устойчивости определяется выражением (10)With this method of control formation, the stability region is determined by the expression (10)
Следовательно, гиростабилизатор неустойчив. Therefore, the gyro stabilizer is unstable.
2). Область устойчивости при измерении усилия в опорах подвеса гироблока2). Stability area when measuring the force in the gyroblock suspension supports
При этом способе формирования управления область устойчивости определяется выражением (13), но предварительно необходимо определить , задав коэффициент , например, в середине допустимой области . На основании (15) имеемWith this method of control formation, the stability region is determined by expression (13), but it is first necessary to determine , setting the coefficient , for example, in the middle of the allowable area . Based on (15), we have
Следовательно, гиростабилизатор с введением в контур стабилизации измеренной информации об усилии в опорах подвеса гироблока становится устойчивым, при прочих равных условиях. Consequently, with the introduction of the measured information about the force in the gyroblock suspension supports into the stabilization circuit, the gyrostabilizer becomes stable, all other things being equal.
Область устойчивости (13) была исследована в функции ключевого комплексного параметра , который также определяет область положительности коэффициента . The stability region (13) was studied as a function of the key complex parameter , which also determines the region of positivity of the coefficient .
Выводы.Conclusions.
1. Область устойчивости (13) остается положительной при изменении параметра в диапазоне 1. The stability region (13) remains positive when changing the parameter in the range
2. При , что соответствует отсутствию контура создания дополнительного момента, пропорционального усилию в опорах подвеса гироблока, данный гиростабилизатор становится неустойчивым.2. When , which corresponds to the absence of a circuit for creating an additional moment proportional to the force in the gyroblock suspension supports, this gyrostabilizer becomes unstable.
3. При контур создания дополнительного момента, пропорционального усилию в опорах подвеса гироблока, начинает играть отрицательную роль гиростабилизатор также становится неустойчивым.3. When the circuit for creating an additional moment proportional to the force in the gyroblock suspension supports begins to play a negative role; the gyrostabilizer also becomes unstable.
4. При гиростабилизатор становится структурно неустойчивым.4. When the gyro stabilizer becomes structurally unstable.
5. График зависимости , характеризующий границу области устойчивости в функции параметра , имеет параболический характер, а максимальный запас по устойчивости соответствует для гиростабилизатора с приведенными выше параметрами.5. Dependency graph characterizing the boundary of the stability region as a function of the parameter , has a parabolic character, and the maximum stability margin corresponds to for a gyrostabilizer with the above parameters.
6. Применение данного способа с одной стороны расширяет область устойчивости, что упростит построение корректирующих устройств гиростабилизатора, а с другой стороны позволяет уменьшить нагрузки на опоры подвеса гироблока, что повышает долговечность этих опор.6. The use of this method, on the one hand, expands the stability area, which will simplify the construction of corrective devices of the gyrostabilizer, and on the other hand, it allows to reduce the load on the gyroblock suspension supports, which increases the durability of these supports.
Источники информацииSources of information
1. Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации / Ленинград: Издательство «Судостроение», 1968. – 351с. 1. Besekersky V.A., Fabrikant E.A. Dynamic synthesis of gyroscopic stabilization systems / Leningrad: Shipbuilding Publishing House, 1968. - 351p.
2. Малогабаритная гировертикаль МГВ-1С. Техническое описание и инструкция по эксплуатации / М.: Машиностроение, 1974. 2. Small-sized vertical gyro MGV-1S. Technical description and operating instructions / M .: Mashinostroenie, 1974.
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2783728C1 true RU2783728C1 (en) | 2022-11-16 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2120109C1 (en) * | 1990-06-04 | 1998-10-10 | Миасский электромеханический научно-исследовательский институт научно-производственного объединения электромеханики | Method of regulation of dynamically adjustable gyroscope being part of gyrostabilizer, dynamically adjustable gyroscope |
RU2285902C1 (en) * | 2005-04-15 | 2006-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. акад. Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦ АП") | Method for determining and compensating for deviation of gyro-stabilized platform and device for realization of said method |
US20150057959A1 (en) * | 2013-08-26 | 2015-02-26 | Robert Bosch Gmbh | System And Method For Gyroscope Zero-Rate-Offset Drift Reduction Through Demodulation Phase Error Correction |
RU2614924C1 (en) * | 2015-12-31 | 2017-03-30 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Method of stabilising gyroscopic platform and device therefor |
CN107462261A (en) * | 2017-08-15 | 2017-12-12 | 歌尔科技有限公司 | A kind of compensation method of gyroscope, device and gyroscope |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2120109C1 (en) * | 1990-06-04 | 1998-10-10 | Миасский электромеханический научно-исследовательский институт научно-производственного объединения электромеханики | Method of regulation of dynamically adjustable gyroscope being part of gyrostabilizer, dynamically adjustable gyroscope |
RU2285902C1 (en) * | 2005-04-15 | 2006-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. акад. Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦ АП") | Method for determining and compensating for deviation of gyro-stabilized platform and device for realization of said method |
US20150057959A1 (en) * | 2013-08-26 | 2015-02-26 | Robert Bosch Gmbh | System And Method For Gyroscope Zero-Rate-Offset Drift Reduction Through Demodulation Phase Error Correction |
RU2614924C1 (en) * | 2015-12-31 | 2017-03-30 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Method of stabilising gyroscopic platform and device therefor |
CN107462261A (en) * | 2017-08-15 | 2017-12-12 | 歌尔科技有限公司 | A kind of compensation method of gyroscope, device and gyroscope |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109323711B (en) | Gyroscope modal reversal zero self-correction method and system | |
Deng et al. | Enhanced disturbance observer based on acceleration measurement for fast steering mirror systems | |
US5333819A (en) | Self tuning motion/vibration suppression system | |
US20110005315A1 (en) | Angle-measuring method and angle-measuring gyroscope system for implementing the same | |
Maruki et al. | Adaptive backstepping control of wheeled inverted pendulum with velocity estimator | |
RU2716599C1 (en) | Uniaxial horizontal power gyrostabilizer | |
CN106354013A (en) | Linear active-disturbance-rejection controlling method of attack angle | |
RU2783728C1 (en) | Method for increasing the stability of the gyrostabilizer | |
Ivoilov et al. | Detection of unrevealed non-linearities in the layout of the balancing robot | |
Ivoilov et al. | The tilt angle estimation in the inverted pendulum stabilization task | |
Malekzadeh et al. | Robust attitude and vibration control of a nonlinear flexible spacecraft | |
TW442425B (en) | State control device of moving body and its state control method | |
Reis et al. | Dynamic model and line of sight control of a 3-DOF inertial stabilization platform via feedback linearization | |
Fedorov et al. | Development of deflection angle stabilizing system for balancing robot | |
JPS6342203B2 (en) | ||
RU2256882C2 (en) | Method of in-roll stabilization of inertial platform for quickly rotating objects and in-roll stabilized inertial platform | |
US20230081478A1 (en) | Drive unit adopting admittance control | |
Brown et al. | Tsis experiences with ISS jitter from inception to on-orbit operation | |
RU2382331C1 (en) | Monaxonic power gyrostabiliser | |
Boghiu et al. | Stability and control of a parametrically excited rotating system. Part II: Controls | |
Grebennikov et al. | Method to increase stability of the scale factor of a precision pendulum accelerometer with digital feedback | |
RU2789307C1 (en) | Gyroscopic stabilizer with a force control loop in the gyroblock supports | |
Bogolyubov et al. | Astatic Gyrocompass Based on a Hybrid Micromechanical Gyroscope | |
RU2750027C1 (en) | Uniaxial horizontal indicator gyrostabilizer | |
Malykin et al. | Topological phase in classical mechanics |