Using the two-channel method to increase the accuracy of a new piezoelectric sensitive element of the weapon stabilization system

МЕТРОЛОГІЯ Технічна інженерія ТА ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНА ТЕХНІКА УДК 528.563 DOI: https://doi.org/10.26642/ten-2020-1(85)-158-164 О.М. Безвесільна, д.т.н., проф. Національний технічний університет «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» А.Г. Ткачук, к.т.н., доц. А.А. Гуменюк, к.т.н., доц. В.М. Янчук, к.т.н., доц. О.О. Добржанський, к.т.н., доц. Державний університет «Житомирська політехніка» Використання методу двоканальності для підвищення точності нового п’єзоелектричного чутливого елемента системи стабілізації озброєння У статті розглянуто будову та принцип роботи системи стабілізації озброєння, яка технічно являє собою набір датчиків і обчислювальний комплекс, що з’єднаний з приводом гармати. Система стабілізації забезпечує сталість кутів між осями нерухомої системи координат і осями, жорстко зв’язаними з об’єктом стабілізації. Встановлено, що якість функціонування систем стабілізації озброєння, як в режимі стабілізації, так і в режимі наведення, оцінюється вказаними далі показниками: стійкість, точність стабілізації зброї, якість стабілізації, швидкість наведення і характер розподілу по куту повороту пульта управління, час готовності стабілізатора, час безперервної роботи стабілізатора, надійність функціонування та характер і час перехідних процесів при відпрацюванні кутів неузгодженості. Точність стабілізації є основним показником, що характеризує роботу системи управління вогнем у режимі стабілізації. Зовнішні збурення, обумовлені безперервними випадковими коливаннями корпусу рухомою легкою броньованою технікою, викликають відхилення стабілізованого озброєння від заданого напрямку наведення. Розглянуто новий п’єзоелектричний чутливий елемент системи стабілізації озброєння та доцільність використання методу двоканальності для підвищення його точності. Встановлено, що завдяки використанню додатково введеного у конструкцію чутливого п’єзоелектричного елемента другого каналу вимірювання забезпечується відсутність у його вихідному сигналі похибок від впливу вертикального прискорення, від залишкової неідентичності конструкцій однакових п’єзоелектричних пластин та мас, від впливу зміни температури, вологості та тиску зовнішнього середовища (тобто інструментальних похибок), які можуть бути значними. Ключові слова: п’єзоелектричний чутливий елемент; точність; похибка; двоканальність. Актуальність теми. Системи стабілізації різних видів застосовуються сьогодні у навігаційних пристроях і системах управління кораблів, літальних апаратів, автомобілів, а також у системах орієнтації антен, телескопів та інших приладів, що встановлені на рухомих об’єктах. У зв’язку з тим, що необхідна точність подібних пристроїв безперервно підвищується, ростуть і вимоги щодо точності, які ставляться до комплексів стабілізації. Стабілізатор озброєння легкої броньованої техніки являє собою набір датчиків і обчислювальний комплекс, що з’єднаний з приводом гармати. На основі показників датчиків визначаються параметри переміщення платформи та надходять керуючі команди приводу гармати, який компенсує відхилення [1, 2]. Системи стабілізації, які існують сьогодні, не можуть достатньо ефективно виконувати поставлені перед ними завдання. Досвідом воєнних конфліктів свідчить, що найбільша частина втрат парку броньових машин є наслідком використання малоефективних систем стабілізації озброєння. Тому забезпечення покращення експлуатаційних характеристик комплексу стабілізації озброєння є актуальним. Аналіз останніх досліджень та публікацій. Досягнення високої точності комплексів стабілізації (КС) стало можливим сьогодні завдяки досить високій якості сучасних елементів гіроскопічної техніки та значного розвитку теорії гіроскопічних пристроїв працями найвизначніших вчених-математиків і механіків: А.Н. Крилова, Б.В. Булгакова, О.Ю. Ішлінського, Я.М. Ройтенберга, С.С. Рівкіна, В.А. Павлова, Е.Г. Попова, А.І. Лур’є, В.В. Солодовнікова та інших. Провідну роль відіграють і досягнення у галузі інерціальних систем навігації (ІНС) та чутливих елементів ІНС, що висвітлені у наукових працях школи видатних вчених НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського»: А.А. Одинцова, М.А. Павловського, О.В. Збруцького, Б.Б. Самотокіна, В.В. Карачуна, Л.М. Рижкова та інших. Питання метрології, що корисні під час досліджень похибок чутливих елементів комплексів стабілізації, широко висвітлені у роботах В.П. Кваснікова, Л.В. Коломійця, В.П. Короткова, П.В. Новицького, Р.В. Бичківського та інших. © О.М. Безвесільна, А.Г. Ткачук, А.А. Гуменюк, В.М. Янчук, О.О. Добржанський, 2020 158 ISSN 2706-5847 № 1 (85) 2020 У [3] побудовано схемотехнічні моделі та проведено моделювання п’єзоелектричних одноканальних перетворювачів з додатковими електричними коливальними контурами, які можуть бути використані як чутливий елемент стабілізатора озброєння. Використання таких моделей дозволяє за допомогою прикладних програм оцінювати характеристики та прогнозування параметрів і режимів роботи п’єзоелектричних перетворювачів. Проте отримані результати не можуть бути використані як доказ того, що датчик такої конструкції має вищу точність від аналогів, оскільки не розглянуто двоканальні схеми компенсації похибок вимірювання. У [4] виконано синтез нейромережевої системи наведення і стабілізації озброєння легкої броньованої техніки. Розроблено структурну схему системи, компонентами якої є пропорційно-диференціальний регулятор положення і нейромережевий регулятор швидкості. Виконано синтез нейрорегулятора з прогнозуванням. Однак не розглянуто доцільність використання нейромережевого підходу для компенсації інструментальних похибок. У [5–9] запропоновано як чутливий елемент системи стабілізації використовувати коріолісовий вібраційний гіроскоп. Проаналізовано склад і принцип роботи відомої системи ударо- і віброзахисту навігаційного комплексу легкої броньованої техніки. Однак відсутні пропозиції щодо покращення технічних характеристик системи, аналізу математичної моделі та похибок чутливих елементів системи. У [10, 11] розглянуто систему стабілізації з оптичним гіроскопом та приведено основні конструкційні розрахунки. Запропоновано програмні методи фільтрації вихідних сигналів акселерометрів та гравіметрів. Відсутнє порівняння із відомими аналогами. У [12] описано новий мобільний прилад для вимірювання динамічного вектора прискорення сили тяжіння і його градієнтів у підводному середовищі. Цей датчик може встановлюватися на озброєнні військових підводних човнів. Отримані результати досліджень можна використовувати й у проєктуванні системи стабілізації озброєння легких броньованих машин, проте необхідно враховувати особливості наземної експлуатації системи. Метою статті є дослідження доцільності використання методу двоканальності для підвищення точності нового п’єзоелектричного чутливого елемента системи стабілізації озброєння. Викладення основного матеріалу. Як система стабілізації у статті розглядається система автоматичного регулювання, що забезпечує збереження певної кутової орієнтації башти, на якій встановлено озброєння, відносно системи (...truncated)