SE446663B - Fjederupphengd ringlasergyroanordning - Google Patents

Description

20 25 30 35 446 663 \............._...-_. 2 kvarstår i anläggningen och alstrar mindre fel än de ovan beskrivna anläggningarna med öppen slinga, så uppvisar den sådana nackdelar att den ej kan användas vid fjäderupp- É \ hängda anläggningar av det slag som visas i amerikanskt z patent 3 373 650. Dylika anläggningar har vanligen en hög Q-faktor för att upprätthålla vibrationsamplituden utan någon större energianvändning. När återkoppling kommer till användning så skulle momentgivaren ha tvingats att ge omåttligt stor effekt för att framtvinga en ändring av den -.;.s.~._4.. . ~ vibrationsfrekvens som upprättats av torsionsfjädern och gyrots tröghet.

Redogörelse för uppfinningen Den föreliggande uppfinningen undanröjer det ovan angivna problemet genom att använda en dynamisk återkopp- ling mellan ringlasergyrots utgång och vibrationsfrekvens- signalingången. För detta ändamål genereras en vibrations- signal som undanröjer låsningsstorheten genom återkoppling av uppmätt vinkel och vibrationsfrekvens. Insignalen till en momentgivare styrs sålunda medelst en återkopplingsan- ordning, vars insignaler utvinnes från gyrots optiska fas- vinkel och víbrationssignalens vinkelhastighet. Dessa stor- heter matas till en återkopplingsstyrenhet, som reglerar fjäderupphängningens vínkelacceleration. Styrenheten kan byggas upp av analoga eller digitala komponenter. Uppfin- ningen har den fördelen framför ovan beskrivna gyron att restfel på grund av låsningseffekter blir väsentligt mindre.

'Föredragna“utföríngsformer Uppfinníngen kommer nedan att beskrivas i samband med bifogade ritningar, där fig. 1 visar ett blockschema över en återkopplings- krets för undanröjande av låsning enligt uppfinningen, fig. 2 visar ett blockschema över en krets som lämpar sig som återkopplingsstyrningsenhet enligt fig. 1, fig. 3 visar ett blockschema över en alternativ utföringsform av återkopplingskretsen och fig. 4 visar ett blockschema över en krets som lämpar sig som återkopplingsstyrningsenhet enligt fig. 3. 10 15 20 25 30 35 4416 663 3 Ett väsentligt särdrag hos uppfinningen är styr- ningen av insignalen till en momentgivare, vilken utnyttjas för att bringa ett fjäderupphängt gyro i svängning eller vibration, medelst en återkopplingsanordning som har in- .u-...M-U. ...H » signaler vilka utvinnes från den optiska fasvinkeln m och vibrationssignalens vinkelhastighet md. Anordningens all- männa uppbyggnad återges i fig. 1 där vibrationssignalens vinkelhastighet md alstras av en fjäderupphängning 2 för ett ringlasergyroblock H och insignalens vinkelhastighet w visas inmatad på summeraren 6. Vibrationssignalens vinkel- hastighet md mäts medelst en vinkelhastighetsavkännare 8.

Den yttre vinkelhastigheten är i själva verket en mekanisk insignal på ringlaserns gyroblock 4 men dess effekt återges ur analytisk synpunkt såsom en insignal pà en summerare, vilket lätt förstås av fackmannen. Den optiska fasvinkeln m, som i ett idealt gyro är proportionell mot den mekaniska vinkel Q vid vilken gyroblocket roterar, mäts medelst en avkännare 10, som kan vara av optisk typ och vars elektriska utsignal betecknas W och är ungefär lika med m. Vibrations- signalens hastighet såsom den uppmäts medelst vinkelhastig- hetsavkännaren 8, som kan utgöras av en tackometer eller en piezo-elektrisk omvandlare, är en elektrisk signal Ed som är i huvudsak lika med den verkliga hastigheten md. Uppmätt optisk fas E och uppmätt vinkelhastighet Ed inmatas som elektriska signaler på återkopplingsstyrkretsen 12, vilken genererar en styrsignal c som i sin tur matas till moment- givaren lb. Momentgivaren 14 är mekaniskt kopplad till fjäderupphängningen 2 och tillför denna en vinkelaccelera- tion U som svar på styrsignalen C.

Den av momentgivaren alstrade vinkelaccelerationen U följer den matematiska ekvationen: U=-«[Q¿+wLHn fl+D %..“U.. H) och utsignalen C = U/F varvid F = momentgivarens skalfaktor,“ m_~m~~ «._.M“»fl _» D = upphängningsanordningens dämpningsfaktor, mL = frekvensen för låsning, k'= förstärkningsfaktor och E = uppmätt optisk fas. 10 15 20 25 30 35 446 663 4 Förstärkningsfaktorn k är tillräckligt stor för att göra kvarstående làsningseffekt minimal men tillräckligt liten för att resultera i moment som kan alstras av moment- givaren.

En dylik funktion kan uppnås med den återkopplíngs- styrkrets som visas i fig. 2. Den signal som därvid repre- senterar den optiska fasen É bildar insignal på en icke- linjär funktionsgenerator 18, vars utsignal är sinusvärdet av insignalen. Härvid kan någon av de inom tekniken kända generatorerna komma till användning, exempelvis en opera- tionsförstärkande funktionsgenerator eller en anordning med utläsningsminne (ROM) där den analoga utsignalen från multiplikatorn 25 omvandlad till en digital signal och matad till utläsningsminnet, genererar en utsignal som där- efter àteromvandlas till en analog signal. Resultatet, som är sin W, multipliceras därefter med storheten mL i multi- plikatorn 20, som kan vara en lagom tilltagen funktions- förstärkare. Den därvid erhållna utsignalen adderas i en summerare 22 till vinkelhastighetsavkännarens 8 utsignal Ba. Summan Ga + mL sin W matas till den inverterande för- stärkaren 2H, som har förstärkningsfaktorn K. Förstärkarens 24 utsignal matas till en ytterligare summerare 26 där den kombineras med multiplikatorns 28 utsignal för att matas till en ytterligare multiplikator 30, där den multipliceras med den inverterade skalfaktorn F för momentgivaren. REsul- terande storhet C matas, såsom framgår av fig. 1, till momentgivaren lä. Den ytterligare summeraren 26 matas även med produkten av värdet på bäst gjorda approximation av vibrationssignalens frekvens Üa och dämpningsfaktorn D för upphängningsanordningen. Denna sista funktion ger den sista termen i ekvation (1).

I fig, 3 och R visad alternativa utföringsform ut- nyttjar principerna för uppfinningen på ett ringlasergyro med en elektrisk utsignal U som är lika med sinusvärdet för den optiska vinkeln W. En sådan signal är lätt erhållbar i en "gränsdetektor" som normalt ingår i instrumenteringen för ett ringlasergyro och denna signal kan användas direkt i styrekvation (1): !r\ 10 15 20 25 30 -35 446 ess É 5 u=-1<[md+wLa]+ nwd <2) i sinlp. (3).

Ett blockschema för.den anordning där É utnyttjas där E = . . . . . .. i stället för Ü som återkopplingsstorhet visas i fig. 3 och en styrenhet för genomförande av nödvändiga operationer på signalerna beskrivs i samband med fig. H. Ett ändamål med denna utföringsform av uppfinningen är att undvika annars nödvändiga ickelinjära operationer i styrenheten.

I anordningen enligt fig. 3 drivs ringlasergyrots fjäderupphängning H0 med en vinkelhastighet md för att bringa ringlasergyrots block 42 i svängning eller vibration.

Blocket 42 har en elektrisk utsignal 5, som är ungefär- ligen lika med sinusvärdet för den optiska vinkeln w, matas till en âterkopplingsstyrkrets 46. Liksom tidigare matas återkopplingsstyrkretsen H6 med en elektrisk signa1_wd från vinkelhastighetsavkännaren H8, som representerar den elekt- riska ekvivalenten för svängningshastigheten md. Återkopp- lingsstyrkretsens H6 utsígna1'är en styrsignal C som matas 9 till momentgivaren 49 för generering av den vinkelaccelera- tion U som är nödvändig för att driva fjäderupphängningen NO. Återkopplingsstyrkretsen 46 enligt fig. H fungerar på det sätt som anges med styrekvation (2). Insignalen É multipliceras med làsningsfrekvensen mL i förstärkaren 50, som har ett värde som är lagom för detta ändamål och vars utsignal matas till en summerare 52 där den kombineras med den elektriska signalen Ga från vinkelhastighetsav- kännaren H8. Summeraren 52 kan utgöras av den summerande ingången på en förstärkare SU, som multiplicerar den av summeraren alstrade summan med en förstärkningsfaktor K.

Förstärkaren 5H kan vara en inverterande funktionsförstärk- are liksom i anordningen enligt fig. 2. Den ger en utsignal som är det negativa värdet av dess insignal. Förstärkarens SN utsignal matas till en ytterligare summerare 56 där den kombineras med förstärkarens 58 utsignal, vilken bildas av produkten av vibrationssignalens vinkelhastighet Ed och dämpningsfaktorn D för upphängníngsanordningen. Den första ínsignalen på den ytterligare summeraren 56 bildar sålunda 10 15 20 25 30 35 446 663 6 storheten -K [Hk + NLE] och dess andra insignal är D Ba, vilka storheter utgör de båda termerna i ekvation (2).

Liksom är fallet i anordningen enligt fig. 1 och 2 matas den från den ytterligare summeraren 56 erhållna utsignalen som en spänning till momentförstärkaren 60 där, efter multi- plicering med det inverterade värdet på momentgivarens skalfaktor F, utsignalen C genereras för inmatning på moment- givaren H9.

Uppfinningens funktionspríncip kan förklaras med hjälp av de differentialekvationer som styr gyrots och upphängningens uppförande. Gyroutsignalen ges i “Aronowitz ekvation": ¿=w + md + mL sin w där w=G(q,+ß), _ Q: den mekaniska vinkel vid vilken gyrot roterar, (4) ß= godtycklig startfasvinkel och G = gyrots skalfaktor.

Vibrationssignalens vinkel ëd satisfierar ëd = md .........(5) med Jód+ B md + K ed =-I .........(s) där J= blockets tröghet, B = dämpningskonstanten, .K = fjäderkonstanten och 1 = det moment som ges av momentgivaren..

Genom att dividera båda leden av ekvation (6) med J erhålles: â>d+Dmd+§22 éd=u .........(7) där D = B/J, Q = K/J = upphängningens naturliga frekvens, u = T/J = den av momentgivaren alstrade vinkel- accelerationen.

Om den av ekvation (1) givna vínkelhastigheten in- förs í ekvation (7) erhålles: åd + Dwd + Qzed = -K Ga ¥@L sin G (5 + gfl-+ Dßa ... (8).

Under antagande att Ga z d och çïç kommer dämp- ningstermen Dmd i det vänstra ledet av ekvation (8) att utjämnas av motsvarande term i det högra ledet. Resultatet blir: 10 15 20 25 30 35 446 663 7 åd + :zzwd = -Klïmd + mL sin G +ß y] (s) Bkvationen (H) kan därvid skrivas: ._ _ . 2 da-w [md+S2 6d]/l<.

Felet kan sålunda definieras av: é=¿-w=-[ Såväl fid é förblir alltså På grund som ßd är begränsade storheter och felet begränsat och stiger ej med tiden. av ett approximativt förverkligande av och (2) så föreligger en liten störkompo- till det högra ledet av ekvation (10) innehålla en liten vandringskomponent. ekvationerna (1) nent som tillägg och é kommer att Denna vandringskomponent kan emellertid förväntas vara mycket mindre än det slumpvisa vandringsvärde som av- siktligt införts genom införande av en slumpstörsignal på svängnings- eller vibrationsgeneratorn såsom beskrivs i amerikanskt patent 3 467 472.

Fackmannen på området inser att då gyrots para- metrar, momentgivarens skalfaktor, upphängningsanordningens dämpningsfaktor och gyrots skalfaktor har beräknats exakt så är låsningseffekten helt eliminerad. I praktiken kommer dock en viss avvikelse att föreligga hos dessa parametrars nominella värde och vissa därav beroende funktionsfel hos anläggningen. Dylika fel kommer emellertid att vara mycket mindre då den föreliggande uppfinningen kommer till använd- ning än vid hittills känd teknik.

Det bör även observeras att även om den föreligg- ande uppfinningen ovan beskrivits som förverkligad med analoga kretsar så kan återkopplingsstyrkretsen 12 enligt fig. 1 lika gärna förverkligas med digitala medel eller i ett analog/digitalhybridsystem. I så fall är det endast nödvändigt att utläst storhet E från gyroblocket U eller utläst storhet E från gyroblocket 42 kan omvandlas till ett digitalt värde i en analog/digitalomvandlare till- sammans med vinkelhastighetsvärdet Ba och att de båda värdena matas till mikrodatorn. Mikrodatorn skulle då programmeras till att lösa ekvationerna (1) och (2), var- vid mikrodatorns utsignal återomvandlad till analog form 446 663 8 medelst en digital/analogomvandlare för att alstra driv- signalen för momentgivaren 11+ eller 148.

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 446 663 9 PATENTKRAV

1. Fjäderupphängd ringlasergyroanordning där gyrots utsignal är proportionell mot vinkelhastigheten för en ínsignal, varvid en momentgivare (14; RS) är anordnad att aktivera gyrots fjäderupphängning (2; H0), k ä n n e - t e c k n a d styrningavnwmentgivaren (14; u9) till att bringa gyrot av en âterkopplingsstyrkrets (12; 46) för i svängning eller vibration med en hastighet som är i huvudsak lika med för gyrot karakteristiskt låsningsvärde, varvid återkopplingsstyrkretsen som insignaler erhåller värden som utgör funktioner av gyrots optiska fasvinkel (W) och vibrationshastighet (w).

2. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e - t e c k n a d av att momentgivaren (ln) är anordnad att alstra en vinkelaocelerationssignal (U) enligt ekvationen U = -K [md + mL sin ¶]+ Dßd där D fjäderupphängningens (2) dämpningsfaktor, LU ll låsningsfrekvensen, L K: en förstärkningsfaktor, Ed= uppmätt svängningshastighet och ¶= uppmätt optisk fasvinkel. k ä n n e t e c k- av att momentgivaren (H9) är anordnad att alstra

3. Anordning enligt patentkravet 1, n a d en vinkelaccelerationssignal (U) enligt ekvationen u = -kfäd + mL ¶+ nöd där o = en signal som representerar sinusvärdet för den optiska fasvinkeln, D = fjäderupphängningens (H0) dämpningsfaktor, mL = låsningsfrekvensen, K = en förstärkningsfaktor och Ed = uppmätt svängningshastighet. H.

4. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a d aw att återkopplingsstyrkretsen (12) omfattar en sinusgenerator (18), vars insignal utgörs av gyrots fas- vinkelsignal (W) och vars utsignal är proportionell mot sinusvärdet för dess ínsignal, vilken utsignal utgör ín- signal till en första förstärkare (20) avsedd att multi- 10 15 20 25 446 663 10 plicera sin insignal med en vinkelhastighet (mL) som mot- svarar låsningsfrekvensen, varvid den första förstärkarens utsignal bildar den ena insignalen på en summerare (22), vars andra insignal utgörs av uppmätt svängningshastighet (md) och vars utsignal inmatas på en andra förstärkare (24) för multipliceríng med en faktor (K) som är tillräcklig för att minimera kvarstående låsningseffekt och invertera produkten medan en tredje förstärkare (28) matas med upp- mätt svängningshastighet (Ga) som multipliceras med en faktor (D) som är proportionell mot gyrots skalfaktor samt av att de andra och tredje förstärkarnas (2h, 28) utsignal- er inmatas på en tredje summerare (26). k ä n n e t e c k- av att återkopplingsstyrkretsen (RS) omfattar en

5. Anordning enligt patentkravet 1, n a d första multiplíkator (50) avsedd att multiplicera den ut- signal (0) från gyrot som representerar sinusvärdet för den optiska vinkeln (w) med en vinkelhastighet (mL) som mot- svarar lâsningsfrekvensen, varvid den första multiplikatorns utsignal ínmatas på en första summerare (52), vars andra insignal utgörs av uppmätt svängningshastighet (Ba) och vars utsignal tillförs en andra multiplikator (54) för multi- plicering med en faktor (K) som är tillräcklig för att minimera kvarstående lâsningseffekt och invertera produkten medan en tredje multiplikator (58) är anordnad att multi- plicera uppmätt svängningshastighet (Ga) med en faktor (D) som är proportionell mot gyrots skalfaktor, varvid de andra och tredje multiplikatorernas (54, 58) utsignaler inmatas på en andra summerare (56).