3.8. Введение поправок на смещение нуля и анализ эффективности

Многочисленными исследованиями установлено, что именно систематические составляющие ошибок ДУС вносят основной вклад в ошибки определения углов, скоростей и координат. Поэтому всегда предусматривается введение поправок на смещение нуля (или постоянную систематическую погрешность) вычисления компенсирующих поправок на смещение нуля и, возможно, на линейный дрейф. Но после введения поправок основную роль играют остаточные погрешности, т.е. неисключенные систематические составляющие (после введения поправок).

Схемные решения процедур компенсации погрешности многочисленны и разнообразны. Выработка поправок может осуществляться различными способами, в частности, осреднением (равномерным или неравномерным) выходного сигнала датчика угловой скорости на неподвижном основании за определенное время. Несмотря на то, что алгоритмы и программы вычисления этих поправок могут быть различными, но они влияют мало. Существенными и объективно задаваемыми являются два параметра: интервал времени Т₁ , на котором эти поправки определяются, и интервал времени Т₂ , до момента начала включения БИНС в режим автономной работы.

Однако при испытаниях с использованием схемы преобразования сигналов рис. можно решать другие важные задачи. Ниже рассмотрено несколько схем автоматической компенсации, выработки и введения поправок на постоянную составляющую. Выработка постоянной поправки на выходной сигнал ДУС может быть реализована в обобщенной схеме с помощью цепи обратной связи со сглаживающим устройством СУ и запоминающим устройством ЗУ (рис. ). В дополнение к цепи выработки корректирующих поправок на схеме рис. изображен первый интегратор схемы БИНС.

Режимы работы задаются положением ключей к1, к2 и к3. Сглаживающее устройство СУ, структура и параметры которого могут задаваться различным образом, может быть любым, оно может осуществлять осреднение за фиксированный или нарастающий интервал времени. На этапе выработки поправки на сглаженное или осредненное значение выходного сигнала ДУС ключ к2 разомкнут, в момент окончания выработки после того, как считается, что осреднение закончено, он замыкается, запоминающее устройство ЗУ фиксирует это значение, ключ к2 снова размыкается, и запомненное осредненное значение подается с обратным знаком на выход ДУС, оно играет роль поправки на выходной сигнал. В рабочем режиме испытаний ключ к1 остается включенным, выходной сигнал является постоянным и играет роль поправки. Может оказаться целесообразной замена запоминающего устройства экстраполятором, который вырабатывает поправку, изменяющуюся во времени.

Упрощенная схема, построенная на той же идее, изображена на рис.

к3

ДУС

1

к1

к2

-

Рис.

1/р

а/р

Коэффициент а интегратора в цепи обратной связи должен быть малым, и тогда постоянная времени замкнутого контура будет большой. На этапе выставки (калибровки) ключи к1 и к2 замкнуты, ключ к3 разомкнут, на выходе интегратора обратной связи вырабатывается сглаженный сигнал ДУС, его постоянная времени равна а^-1. Замкнутый контур на вход первого интегратора не наряду с постоянной составляющей пропускает только очень низкие частоты, в диапазоне которых происходит компенсация. При переходе в режим нормальной работы ключ к3 замыкается, сигнал с замкнутого контура поступает на первый интегратор БИНС, ключ к2 размыкается, на выходе интегрирующего элемента цепи обратной связи запоминается последнее сглаженное значение выходного сигнала ДУС, оно рассматривается, как полученная оценка смещения нуля (постоянной составляющей систематической погрешности) на момент окончания выставки. Приведенная схема может быть модифицирована заменой интегратора более сложным устройством, сохраняющим возможности запоминания. В принципе может быть поставлена и решена более сложная задача экстраполяции не постоянной, а медленно изменяющейся (детерминированной по определенному закону или недетерминированной) составляющей погрешности.

Исследование работы такой как на рис. или другой схеме с компенсацией смещения нуля и интегратором может предусматривать анализ поправок, и оценку эффективности по самим сигналам после введения поправок и погрешностей результатов вычисления углов. При экспериментальном исследовании процессов выработки поправок и анализе эффективности в данной схеме тремя основными параметрами являются интервал или постоянная времени Т₁ сглаживания или осреднения, длительность t использования поправки в нормальном режиме работы БИНС и временной разрыв, интервал времени Т₂, разделяющий два предыдущих интервала. Два характерных варианта расположения указанных интервалов времени показаны на рис.

На рис. предполагается, что поправка используется сразу же после окончания ее выработки, т.е. этап калибровки сразу же сменяется режимом нормальной работы. На рис. предполагается, что поправка выработана при выставке на начальном интервале T₁, возможно, отдаленном во времени от режимом нормальной работы.

При исследованиях нужно установить, при каких значениях, или на каком интервале осреднения T₁ и насколько компенсация систематической составляющей является эффективной. Можно было бы предполагать, что чем больше интервал Т₁ сглаживания или осреднения, то тем выше эффективность (меньше остаточная погрешность). Анализ эффективности целесообразно проводить по выходу схемы перед первым интегратором БИНС, а также по выходам первого, второго и третьего интеграторов. Но если предполагать наличие медленной переменности составляющей погрешности, которая считалась постоянной, то закономерно предположение, что значительное увеличение этого интервала осреднения становится невыгодным. С другой стороны, можно предполагать, что сведения об этой составляющей погрешности устаревают (поскольку составляющая погрешности, которая считалась постоянной, в действительности может быть медленно изменяющейся) и эффективность коррекции снижается по мере увеличения временного разрыва Т₂ . На таком пути задача оценивания роли нестабильности смещения нуля, в отличие от необоснованного использования этого понятия в алгоритме Аллана становится привязанной к конкретным показателям точности после введения коррекции.

Однако накопленный опыт работы с вариацией Аллана может быть активно использован. Как и при обработке результатов исследования схемы рис. без введения корректирующих поправок, возможно, анализ результатов имеет смысл производить с использованием алгоритмов, подобным алгоритму Аллана, но при специально подбираемых весовых функциях и нормирующих множителях. Предполагаемый характер нестационарностей по разным выходам будет различным, а именно будет определяться в первую очередь порядком интегрирования выходного сигнала, но будет отличаться от вида нестационарностей, когда поправки на выходной сигнал не вводятся. Это нужно учитывать при составлении адекватной модели сигнала при представлении его в виде суммы составляющих. Может получиться так, что на малых интервалах времени введение поправок существенно снижает погрешности, а на больших – увеличивает.

Возможно практическое использование схемы, подобной рис. при выставке не только на неподвижном основании или при неподвижном объекте, на котором он размещен, но и во время движения объекта постоянным курсом, но, естественно, при угловых колебаниях. Принципиальная возможность таких режимов выставки определяется тем, что в стационарных режимах движения угол наклона подвижного основания не накапливается, не возрастает. Очевидно, что в таких режимах постоянная времени Т^* должна быть достаточно большой, значительно большей, чем на неподвижном основании, чтобы эффективно сглаживать угловые колебания объекта во время движения на интервале выставки.

Дальнейшие исследования алгоритмов введения поправок могут предусматривать замену постоянной поправки на выходной сигнал переменной поправкой, изменяющейся по определенному закону, например, по линейному или экспоненциальному. В более общей постановке задача может сводиться к построению оптимального экстраполятора погрешности ДУС. Изменчивость поправок непрерывно во времени или от пуска к пуску может сама по себе важной характеристикой нестабильности характеристик ДУС. По этим данным можно установить, или проверить, какую долю составляет постоянная составляющая (для данного гироскопа или для данного пуска) и поэтому установить, насколько эффективно запоминание и введение постоянной поправки, определяемой при аттестационных испытаний. Подобного рода характеристики датчиков никогда не входили в число нормируемых, однако именно они в конечном счете будут определять «профессиональную пригодность» приборов при высоких требованиях к точности. Их расчет по традиционным показателям возможен, но лишь их непосредственное прямое измерение при специально организованных испытаниях в соответствии с сформулированными предложениями даст надежные результаты.

Альтернативными могут быть испытания ДУС в составе реального навигационного комплекса. Но в этих случаях наблюдаются суммарные погрешности, обусловленные совместным воздействием многих факторов. Существуют методики, которые позволяют выделять в процессе комплектных испытаний вклад в результирующие погрешности любых элементов. Но сложность структуры ИНС и большое число элементов приводит к серьезным трудностям в разделении влияния погрешностей. Важно, для предлагаемого метода, что схема вычислительного устройства проста и погрешности вычислений легко могут быть сделаны пренебрежимо малыми.

Схемы с интеграторами и с устройствами компенсации постоянной составляющей ошибки ДУС характеризуются быстрым нарастанием ошибок. Для описания требуется новые модели, и типовые модели вариации Аллана могут быть полезными.

Остается открытым вопрос о том, в какой степени показательными для реальных условий эксплуатации можно считать результаты исследования свойств погрешностей, выполненные на неподвижном основании. Чисто качественно можно констатировать, что угловые движения объекта оказывают влияние на точность. Проявляется в первую очередь нелинейность характеристики измерения, параметры которой никак не могут быть определены на неподвижном основании. С другой стороны, для тяжелых объектов (судов) в большинстве режимов движения амплитуды качки малы, воздействия, приведенные к угловой скорости, низки по уровню, так что можно предполагать, что погрешности по угловой скорости и накопленные погрешности после интегрирования получаются примерно такими, как на неподвижном основании. Известно, что для механических гироскопов подобное предположение несправедливо, для них существенную роль, особенно на неподвижном основании, могут иметь моменты сил сухого трения. В отличие от механических приборов у электронномеханических приборов отсутствует зона нечувствительности, поэтому результаты испытаний на неподвижном основании можно считать подходящими для оценки точности при воздействиях невысоких уровней. Очень важный для практики вопрос о границах параметров области, в которой влиянием воздействий (для ДУС это в первую очередь угловые колебания) можно пренебрегать, остается открытым и является предметом дальнейших исследований.

Для механических воздействий в естественных условиях нахождения на большинстве подвижных объектов для воздействий характерны колебательные режимы, с периодами порядка одной-десяти секунд, такие процессы относительно времени автономной работы ИНС являются высокочастотными. Применительно к рассматриваемым задачам определения важен эффект накопления погрешностей по углу, скорости и перемещению, причем нет необходимости использовать точные стенды для воспроизведения и средства измерения углов и линейных перемещений в динамических режимах. При этом резко снижаются требования к точности воспроизведения воздействий в динамике, но вместо этого на заданном интервале необходимо точно фиксировать начальное и конечное положение.