Nâng cao độ chính xác bộ định phương thẳng đứng nhờ thiết bị hấp thu rung có tính chất ma sát nhớt

Bài báo nghiên cứu phương án nâng cao độ chính xác cho bộ định phương thẳng đứng nhờ sử dụng bộ hấp thu rung. Bộ định phương thẳng đứng sử dụng hai con quay có trục tiến động vuông góc với trục ổn định tương ứng và có vector mô men động lượng hướng ngược chiều nhau. Các con quay hai bậc tự do có tác dụng làm tăng mạnh độ cứng của hệ thống ổn định. Chính điều này cũng làm cho hệ thống ổn định xuất hiện tính chất cộng hưởng và nó là nguyên nhân làm cho sai số của hệ thống ổn định tăng. Để giải quyết vấn đề này, trong bài báo nghiên cứu phương án sử dụng bộ hấp thu rung có tính chất nhớt. Ngoài ra, trong bài báo cũng đưa ra cách tính toán các tham số thiết kế bộ hấp thu rung và thực hiện mô phỏng, khảo sát đánh giá phương án đưa ra.

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BỘ ĐỊNH PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG NHỜ THIẾT BỊ HẤP THU RUNG CĨ TÍNH CHẤT MA SÁT NHỚT Lê Tuấn Anh1*, Phan Tương Lai1, Hoàng Mạnh Tưởng2, Nguyễn Văn Hùng3 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu phương án nâng cao độ xác cho định phương thẳng đứng nhờ sử dụng hấp thu rung Bộ định phương thẳng đứng sử dụng hai quay có trục tiến động vng góc với trục ổn định tương ứng có vector mô men động lượng hướng ngược chiều Các quay hai bậc tự có tác dụng làm tăng mạnh độ cứng hệ thống ổn định Chính điều làm cho hệ thống ổn định xuất tính chất cộng hưởng ngun nhân làm cho sai số hệ thống ổn định tăng Để giải vấn đề này, báo nghiên cứu phương án sử dụng hấp thu rung có tính chất nhớt Ngồi ra, báo đưa cách tính tốn tham số thiết kế hấp thu rung thực mô phỏng, khảo sát đánh giá phương án đưa Từ khóa: Đế ổn định; Định phương thẳng đứng; Hấp thu rung; Tính chất nhớt ĐẶT VẤN ĐỀ Thiết bị định phương thẳng đứng sử dụng để xác định hướng so với mặt phẳng ngang vật mang khác tàu biển, máy bay, tên lửa, đo lực hút trái đất, … Với thiết bị định phương thẳng đứng dạng đế thường sử dụng hiệu ứng quay để tăng độ xác ổn định thời gian hoạt động [1, 4, 5, 8,9] Trong báo nghiên cứu định phương thẳng đứng đế ổn định treo hai trục cardan đặt hai quay hai bậc tự 2, hình Hai quay hai bậc bố trí cho hướng mơ men động lượng chúng vng góc với đế có chiều ngược Để tạo mơ men ổn định tín hiệu tỷ lệ với góc quay quay đế lấy từ chiết áp 10, 12 đưa đến động ổn định 1, để sinh mô men cân với mô men ngoại lực tác động lên trục ổn định Để điều khiển đế cho hướng vng góc với đế trùng với phương thẳng đứng ta sử dụng bọt nước 11 động hiệu chỉnh 5, Khi đế lệch so với phương ngang ОХp tín hiệu từ đo 11 đưa đến phát mơ men Do đó, tạo mô men so với trục giá treo quay làm cho đế tiến động theo hướng làm giảm độ lệch so với mặt phẳng ngang Tương tự, đế lệch so với phương ngang so với trục ОYв tín hiệu từ bọt nước tỷ lệ với độ lệch đưa đến phát mô men tạo mô men điều khiển quay làm cho đế tiến động theo hướng làm giảm độ lệch đế so với phương ngang [1, 8] Như vậy, hoạt động hệ thống định phương thẳng đứng gồm vịng bám để khử góc lệch vịng ổn định Sai số vòng ổn định đế ảnh hưởng trực tiếp đế độ xác định phương thẳng đứng Khi định phương thẳng đứng hoạt động tác động ma sát ổ trục, cân động, liên hệ chéo đế kênh ổn định làm giảm độ xác thiết bị Để đảm bảo độ xác cao định phương sử dụng hai quay hai bậc Khi có tác động mô men nhiễu loạn quay sinh mô men cân với mô men nhờ hiệu ứng quay Đặc tính mơ men quay sinh có tác dụng tăng độ cứng hệ thống ổn định [6-8] Tuy nhiên, đặc tính quay làm cho hệ thống ổn định xuất tần số cộng hưởng làm tăng sai số ổn định đế Thông thường để loại bỏ ảnh hưởng tính chất cộng hưởng hệ thống động lực học thường sử dụng tính chất ma sát nhớt chất lỏng [3] Trong nghiên cứu thực nghiên cứu ứng dụng tính chất nhớt hấp thụ rung thụ động nhằm loại bỏ đặc tính cộng hưởng hệ thống ổn định đế dạng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, - 2020 25 Tên lửa & Thiết bị bay M1 Xp Z1 H1 X1 10 Yp M2 12 11 H2 X2 13 Z2 Hình Sơ đồ động học định phương thẳng đứng: 1,8 – Động ổn định; 2,7 – Con quay hai bậc tự do; – Khung cardan; – Đế ổn định; 5,6 – Bộ phát mô men; 9,13 – Thiết bị đo góc;10, 12 – Cảm biến góc; 11 – Thiết bị đo độ nghiêng ĐẶC TÍNH BIÊN ĐỘ TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ĐẾ Để nghiên cứu phương án ứng dụng hấp thu rung ban đầu ta phải nghiên cứu đặc tính biên độ tần số hệ thống ổn định Hoạt động định phương thẳng đứng diễn hai trình: trình ổn định đế trình hiệu chỉnh Hệ phương trình mô tả chuyển động đế định phương thẳng đứng theo hai trục ổn định có dạng [1]: A11  f11  H11  22  K1 ( D )1  M 1nl B      H   M đk 1 1 1 A22  f 2  H 2  11  K ( D )  M B      H   M đk 2 2 2 (1)     1   1   đó, αi, βi – Các góc quay trục ổn định góc tiến động khơng gian qn tính tương ứng; Ai, fi – Mơ men qn tính hệ số nhớt trục ổn định tương ứng; Bi, µi – Mơ men quán tính hệ số nhớt trục tiến động quay; Hi – Mô men động lượng quay; Ki(D) – Hàm truyền hiệu chỉnh hệ thống ổn định theo trục tương ứng; εi – Góc tiến động quay so với đế ổn định tương ứng; M 1nl , M 2nl - Các mô men nhiễu loạn tác động lên trục Xp Yp tương ứng; M 1đk , M 2đk - Các mô men điều khiển tác động lên trục tiến động phát mô men tạo Để thuận tiện cho việc khảo sát mà không ảnh hưởng đến chất ta cho tham số 26 L T Anh, …, N V Hùng, “Nâng cao độ xác … có tính chất ma sát nhớt.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ hai kênh (Ai = A, fi = f, Bi = B, µi = µ, Hi = H, Ki(D) = K(D), i = 1,2) Với quay hai bậc tự treo nhờ khung cardan sử dụng ổ trục khơ số µ nhỏ Ngồi ra, tốn ta quan tâm đến độ xác ổn định đế định phương nên ta giả sử mơ men điều khiển tác động lên trục tiến động quay ổn định M 1đk , M 2đk không Trong báo [1] đưa giải pháp loại bỏ ảnh hưởng liên hệ chéo kênh ổn định nên ta giả sử rằng, hệ thống ổn định cho định phương thẳng đứng bao gồm hai kênh ổn định độc lập Do đó, tiếp theo, ta nghiên cứu đặc tính biên độ tần số hệ thống ổn định kênh Phương trình hệ thống ổn định cho kênh có dạng: A  f   H   K   M nl B    H   (2) Viết hệ phương trình (2) dạng tốn tử Laplace ta có:  As  f1s Hs  K ( s )      M nl         Hs Bs   s       (3a) Biểu thức (3a) biến đổi vể dạng: 1     As  fs Hs  K ( s )   M nl         Bs   s        Hs (3b) Và từ đây, ta có:  Bs   M nl As  fs Hs  K ( s )  Hs Bs   s (3c) Từ hệ phương trình (3c) ta tính hàm truyền góc quay đế ổn định theo công thức: W M nl  (s)  Bs   ABs  ( A  fB ) s  ( f  H ) s  HK ( s ) (4) Trong trường hợp ta sử dụng quay có ổ trục khơ đế hoạt động mơi trường khơng khí số độ nhớt  f nhỏ bỏ qua Từ đây, hàm truyền biểu thức hàm truyền hệ thống ổn định đế kênh viết: nl WM ( s )  Bs ABs  H s  HK ( s ) (5) Hàm truyền hiệu chỉnh K (s ) biểu diễn dạng tích hệ số khuếch đại K hàm hiệu chỉnh W HC(s) Trong đó, hàm hiệu chỉnh W HC(s) có tác dụng thay đổi đặc tính biên độ - pha tần số dải tần số cắt  c hệ thống ổn định hệ số khuếch đại K sử dụng để làm sai số tĩnh hệ thống ổn định không Khi hệ số K không hàm Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, - 2020 27 Tên lửa & Thiết bị bay truyền hệ thống ổn định lúc có dạng: nl WM ( s )  B ABs  H (6) Sai số tĩnh hệ thống ổn định lúc tính cơng thức: T  B M Max H2 (7) Trong đó, M Max mô men cực đại tác động lên trục ổn định Khi giá trị B nhỏ sai số tĩnh T tính cơng thức (7) nhỏ sai số cho phép H2 hệ thống định phương thẳng đứng ta xây dựng hệ thống ổn định khơng cần liên hệ ngược theo góc tiến động  quay hai bậc Dựa vào công thức (6) ta thấy, hệ số khuếch đại K khơng hệ thống xẩy cộng hưởng tần số   H AB Hiện tượng nguyên nhân gây sai số hệ thống ổn định tăng lên đáng kể Thông thường để loại bỏ ảnh hưởng tượng cộng hưởng toán chống rung kỹ thuật thường sử dụng đặc tính nhớt hấp thu rung [3] Tiếp theo ta nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị việc loại bỏ ảnh hưởng đặc tính cộng hưởng hệ thống ổn định đế xác định tham số ỨNG DỤNG THIẾT BỊ HẤP THU RUNG CĨ TÍNH CHẤT NHỚT TRONG BỘ ĐỊNH PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG Trên hình đưa sơ đồ động học hệ thống đế ổn định sử dụng hấp thu rung Trong đó, vỏ thiết bị hấp thụ rung gắn với đế cho trục song song với trục ổn định Hình Sơ đồ động học hệ thống ổn định trục sử dụng hấp thu rung - Đế ổn định; – Con quay hai bậc tự do; – Bộ điều khiển với hệ số khuếch đại K; – Động ổn định; – Cảm biến xác định góc; – Bộ giảm chấn; – Vật nặng giảm chấn Phương trình động lực học mơ tả hệ thống ổn định đế kênh sử dụng hấp thụ rung có dạng: A   H (  1 )  H   K   M nl J H H   H ( H   )  B  H   28 (8) L T Anh, …, N V Hùng, “Nâng cao độ xác … có tính chất ma sát nhớt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Ở đây, J H – Mơ men qn tính vật nặng hấp thu rung;  H - Hằng số nhớt hấp thụ rung Trong trường hợp này, hệ số khuếch đại K khơng hệ thống ổn định lúc tương đương với hệ dao động bao gồm vật nặng có mơ men qn tính A H2 Dựa vào hệ phương trình (8) ta có hàm truyền B nl góc quay đế ổn định với tác động đầu vào lên trục ổn định mơ men ngoại lực M gắn với lị xo có độ cứng C  tính theo cơng thức: nl WM ( s )  J H s  H AJ H s  H ( A  J H ) s  JH H  H s H B B (9a) Viết phương trình (9a) dạng tần số ta được: J H ( j )   H nl WM ( j )  AJ H ( j )3   H ( A  J H )( j )  JH H  H ( j )  H B B (9b) Từ phương trình (9b) ta xác định đặc tính biên độ tần số hệ thống ổn định: 1/2     J H    2H    M nl W ( )    2 2   JHH H H       AJ H   B       H ( A  J H )  B        H2 Tiếp theo ta thay C  chia tử mẫu biểu thức (10a) cho B (10a)  C  JH  A  thu được: 1/ 2              J H    H       C  C  JH   JH    nl 1  A  A  W M ( )    2 C         2 2   AJ  J C  J  A A C       (  H )  H    H   H     CJ H   C   A C C   C  C   CJ H    JH    A  A    (10b) Ta xác định giá tri biên độ theo công thức: 1/ W M nl   1   412 ( )   2 2 2 C  (1   )  41 [1   (1  h)]  Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, - 2020 (10c) 29 Tên lửa & Thiết bị bay Với 0  J H C  , 1  , h H ,   A 0 J H 0 A Với, 0  H C J  , 1  , h H ,   J H 0 A 0 A Dựa vào phương trình (10c) ta thấy, biên độ dao động vật cần chống rung tần số định phụ thuộc tham số hấp thụ rung Do đó, để thiết kế hấp thu rung ta cần xác định tham số để cho hiệu hấp thụ rung cực đại Ở tần số tác động lên đối tượng hấp thụ rung ta cần xác định độ nhớt  H cho biên độ dao động vật cần ổn định có biên độ nhỏ Xét đường đặc tính biên độ tần số hệ thống ổn định sử dụng thiết bị hấp thụ rung với hệ số nhớt thay đổi từ không đến vô Đường đặc tính biên độ tần số hệ số độ nhớt  H   cắt đường đặc tính với  H  điểm P có tọa độ P( 2 , 1 ) Rõ ràng rằng, tọa độ điểm P không phụ thuộc vào số nhớt  H 2h h nên P điểm bất biến đồ thị đặc tính biên độ tần số hệ thống ổn định hình Do đó, ta xác định giá trị độ nhớt hấp thu rung  H để thỏa mãn giá trị tung độ đặc tính biên độ tần số hệ thống ổn định đạt cực đại Hình Đặc tính biên độ tần số hấp thu rung  /  Để đặc tính biên độ tần số góc lệch đế đạt cực trị điểm P phải thỏa mãn điều kiện: nl d WM ( ) 0 d (11)  P Sử dụng điều kiện phương trình (11) ta suy hệ số cản: 1  30 2(2  h )(1  h ) (12) L T Anh, …, N V Hùng, “Nâng cao độ xác … có tính chất ma sát nhớt.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Từ cơng thức (8) ta xác định hệ số nhớt hấp thu theo biểu thức: H  J H H 1 AB Dựa vào tung độ điểm P ta thấy, hệ số h  (13) JH lớn khả hấp thụ rung A lớn Tuy nhiên, đặc trưng kích thước nên mơ men qn tính hấp thu lựa chọn dải (0,1  0,5) A Để kiểm tra hiệu hấp thụ rung ta thực mô phần mềm Matlab Simulink Trên hình đưa kết mơ q trình q độ hệ thống ổn định đế trục có tác dụng hàm step đầu vào Hình Đặc tính q độ góc lệch đế ổn định - Khi sử dụng thiết bị hấp thu rung; 2- Khi không sử dụng thiết bị hấp thu rung Kết mơ hình cho thấy, sử dụng hấp thu rung đặc tính độ hệ thống ổn định sử dụng thiết bị hấp thụ rung suy giảm trạng thái thiết lập nhanh cịn trường hợp khơng sử dụng thiết bị hệ thống có tính dao động cao KẾT LUẬN Bài báo phân tích nguyên nhân xuất đặc tính cộng hưởng hệ thống ổn định định phương thẳng đứng trường hợp hệ số khuếch liên hệ ngược góc tiến động quay hai bậc tự nhỏ Đưa phương án sử dụng hấp thu rung có tính chất nhớt để loại bỏ đặc tính cộng hưởng Ngoài ra, báo đưa cách tính tham số nhớt tối ưu phục vụ cho việc tính tốn thiết kế hấp thụ rung cho lớp đế ổn định thiết kế theo phương án sử dụng hiệu ứng quay để đảm bảo độ ổn định cao Kết mô Matlab-Simulink thể hiệu hấp thu rung có tính chất nhớt việc hấp thu dao động dải tần số cộng hưởng đưa Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, - 2020 31 Tên lửa & Thiết bị bay Phương án xây dựng đế ổn định không sử dụng liên hệ ngược theo góc tiến động quay hai bậc tự giúp ta đơn giản hóa kết cấu giảm kích thước hệ thống ổn định đế cho định phương thẳng đứng Kết nghiên cứu báo làm sở cho việc thiết kế chế tạo, cải tiến định phương thẳng đứng tàu máy bay nước ta TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] А B Cоколов, А.А Краснов, Л.К., “Железняк методы повышения точности морских гравиметров Гироскопия и навигация”, Том 27, № (105), 2019 [2] В.В Карамышкин, “Динамическое гашение колебаний”, Под Ред К.М Рагульскиса.-Л Машиностроение Ленингр Отд-ние, 1988.-108с [3] Hồng Mạnh Tưởng, Dỗn Văn Minh, Nguyễn Vỹ Thuận, Trần Ngọc Hưởng, Trịnh Lê Hoài Phương, “Ảnh hưởng liên hệ chéo đến độ dự trữ ổn định đế định phương thẳng đứng giải pháp khắc phục”, Journal of Science and Technique - N.201 (82019) - Le Quy Don Technical University [4] Дзюба А.Н, Лопарев А.В, “Нестационарный алгоритм коррекции гировертикали авиационного гравиметра”, Гироскопия и навигация № 3, 2015 С.52-60 ABSTRACT IMPROVING THE PRECISION OF THE VERTICAL GYROSCOPE BY USING VIBRATION ABSORPTION DEVICE Nowadays, optimum power allocation in multi- user environment is considered widely due to the limitation of power resource Make powerless when to keep SINR constant at mobile is the purpose of this paper The paper is to give optimum beam pattern when taking accounting interference from other users This article also uses simulation to prove this proposal to reduce total power comparing with traditional beam patterns Keywords: Large interesting field; The particular field; Interesting subject Nhận ngày 23 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 21 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện KH-CN quân sự; Học viện Kỹ thuật quân sự; Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng * Email: tuananhlemta@gmail.com 32 L T Anh, …, N V Hùng, “Nâng cao độ xác … có tính chất ma sát nhớt.” ... hưởng đặc tính cộng hưởng hệ thống ổn định đế xác định tham số ỨNG DỤNG THIẾT BỊ HẤP THU RUNG CĨ TÍNH CHẤT NHỚT TRONG BỘ ĐỊNH PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG Trên hình đưa sơ đồ động học hệ thống đế ổn định sử... số định phụ thu? ??c tham số hấp thụ rung Do đó, để thiết kế hấp thu rung ta cần xác định tham số để cho hiệu hấp thụ rung cực đại Ở tần số tác động lên đối tượng hấp thụ rung ta cần xác định độ nhớt. .. thống ổn định hình Do đó, ta xác định giá trị độ nhớt hấp thu rung  H để thỏa mãn giá trị tung độ đặc tính biên độ tần số hệ thống ổn định đạt cực đại Hình Đặc tính biên độ tần số hấp thu rung 