Адаптация маятникового акселерометра компенсационного типа к возмущающим факторам космического пространства

Одной из важнейших задач по дальнейшему развитию космической техники является значительное продление сроков активного существования малых космических аппаратов (МКА). Продление сроков службы МКА в большой степени зависит от исправной работы с заданными характеристиками многих систем и устройств, их составляющих, в частности метрологических характеристик датчиков первичной информации (ДПИ).

Одним из основных ДПИ бортового информационно-измерительного комплекса (БИИК) являются акселерометры. Важнейшая характеристика акселерометра – стабильность его работы как средства измерения [9]. Важным параметром ДПИ является коэффициент преобразования входной величины в выходной сигнал k _пр и стабильность его значения во времени [5]. Использование методики метрологического самоконтроля маятникового акселерометра компенсационного типа [1] позволяет проводить метрологический диагностический самоконтроль в процессе эксплуатации: определение отклонения от опорного значения диагностического параметра – собственной частоты акселерометра, характеризующего критическую составляющую его погреш ности – дрейф k _пр [2]. Современные средства эл ектронной компонентной базы позво-

56 Выпуск 1/2020

ляют идентифицировать данное отклонение с относительной предельной погрешностью 5 к ПР = 0,00042% = 4,2 - 10 - 4 %.

В процессе орбитального полета возмущающие факторы с априорно неопределенными характеристиками [3] воздействуют как на параметры самого датчика, так и на параметры регулирующего устройства, используемого для адаптации [6].

Исходя из сказанного, необходима разработка соответствующего способа адаптации, учитывающего данную деградацию и использующего методику самоконтроля, основанную на контроле собственной частоты акселерометра [Там же].

Способ адаптации маятникового акселерометра компенсационного типа к возмущающим факторам с априорно неопределенными характеристиками

Исходными данными является структурно-динамическая схема акселерометра с аппаратным регулированием k _пр (рис. 1).

Рис. 1. Структурно-динамическая схема акселерометра с аппаратным регулятором: a_ВХ – измеряемое ускорение; a_ИЗМ – измеренное ускорение; m – масса чувствительного элемента (ЧЭ); F_И – сила, обусловленная измеряемым ускорением; F_ОС – сила обратной связи, создаваемая датчиком силы (ДС); Δ F – разность сил; W_ЧЭ , W_ДП , W_У, W_ДС – передаточные функции ЧЭ, датчика перемещения, усилителя, ДС соответственно; Δh – величина отклонения ЧЭ акселерометра; u₁ – напряжение на выходе электромеханической части акселерометра; u – напряжение на выходе акселерометра (замкнутой системы); u_Р – регулирующее напряжение; ω ± Δω – гармонический сигнал; Р – регулятор; ГПС – генератор прямого синтеза; УОРЧ – устройство определения резонансной частоты; МК – микроконтроллер

Коррекция коэффициента преобразования (адаптация) производится изменением сигнала u _P, который осуществляет регулирование коэффициента передачи регулятора, встроенного в датчик силы [7; 8; 10].

Рассматривая данный способ адаптации акселерометра с точки зрения функционирования бортового комплекса управления (БКУ) МКА, поясним его суть блок-схемой (рис. 2).

Разработанный способ заключается в выполнении следующих операций:

• 1.    Ввод начальных условий, заданных на этапе предстартовой подготовки МКА, начальных значений параметров акселерометра.

• 2.    Обеспечение a _вх ≈ 0 путем выключения целевой аппаратуры и приводов. Данное условие позволит определить текущее смещение нуля ∆ a ₀ акселерометра.

• 3.    Выдача команды из БКУ МКА в БИИК на подготовку ДПИ к проведению измерений. Для акселерометра как составной части измерительного модуля, определяющего параметры движения центра масс МКА, это подразумевает проведение самоконтроля параметров и адаптацию.

• 4.    Проведение самоконтроля параметров акселерометра перед началом измерений согласно методике.

• 5.    Получение результата самоконтроля: наличие отклонения коэффициента преобразования A k пр = | k пр - k Д | от допустимых пределов A к пр > A к доп .

• 6.    Подбор коэффициента передачи регулирующего устройства k _P( u _P) итерационным алгоритмом (методом двоичного поиска) для обеспечения условия ∆ k _пр ≤ ∆ k _доп [4]. Суть данного процесса можно отразить следующим выражением:

Буянкин М.П., Ватутин М.А., Ключников А.И. Адаптация маятникового...    57

Рис. 2. Блок-схема адаптации акселерометра к возмущающим факторам в процессе эксплуатации

min

• u р - 1 - u Р

• u Р , = —^----, пРи ^k ПР >  ^k пр

max

• u р   ^- u р , 1

  
  

• u р , = —2—, ^пР^{и к} Пр <  k пр

• u Р , = u Р , _-1 , ^ПРи | ^k пр ^- k Др | ^ ^A k доп ^V | ^u Р , ^- u Р , _-1 | = ^A u Р min

• 7.    Выдача в БКУ МКА текущего смещения нуля акселерометра и команды готовности к проведению измерений.

• 8.    Проведение самоконтроля параметров акселерометра в процессе измерений.

• 9.    Получение результата самоконтроля: наличие отклонения текущей собственной частоты ω ^Д от допустимых пределов ∆ω ^Д ≥ ∆ω _доп.

• 10.    Организация на всем временном интервале измерений следящей подстройки коэффициента передачи регулирующего устройства к _Р ( и _Р ) путем изменения соответствующего значения u _Р согласно выражению

где [ ^u p'ⁱn , u ”a^x J - диапазон допустимых значений сигнала регулятора; ^А и _Р min - минимальный шаг изменения значения u Р .

58 в ыпуск 1/2020

u _{Р j} = u _{Р j –1} -∆ u _{Р min}sign( ∆ k _п^Д_р).                         (2)

Выводы

Разработанный способ адаптации маятникового акселерометра компенсационного типа к возмущающим факторам с априорно неопределенными характеристиками обладает следующими достоинствами:

• •    позволяет в процессе проведения измерений с высокой точностью идентифицировать текущий коэффициент преобразования акселерометра и осуществить его автоматическую коррекцию;

• •    дает возможность учесть деградацию параметров составных элементов акселерометра в условиях длительного воздействия факторов космического пространства, так как, независимо от изменения параметров составных элементов акселерометра и регулирующего устройства, обеспечивает выполнение условия ∆ k _пр ≤ ∆ k _доп .