Tính toán tham số thiết bị hấp thụ rung động lực cho hệ thống ổn định đế dạng lực

Bài viết nghiên cứu tính toán các tham số thiết kế thiết bị hấp thụ rung động lực cho đế ổn định dạng lực. Đế ổn định dạng lực là đế ổn định sử dụng tính chất lực của con quay hồi chuyển để ổn định. Khi mô men ngoại lực tác động lên đế ổn định theo trục con quay sẽ sinh ra mô men con quay cân bằng. Do đó, đế ổn định được ổn định mà ta không cần sử dụng động cơ ổn định.

Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa TÍNH TỐN THAM SỐ THIẾT BỊ HẤP THỤ RUNG ĐỘNG LỰC CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ĐẾ DẠNG LỰC Lê Tuấn Anh1*, Phan Tương Lai1, Hồng Mạnh Tưởng2, Phan Thế Sơn1 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu tính tốn tham số thiết kế thiết bị hấp thụ rung động lực cho đế ổn định dạng lực Đế ổn định dạng lực đế ổn định sử dụng tính chất lực quay hồi chuyển để ổn định Khi mô men ngoại lực tác động lên đế ổn định theo trục quay sinh mô men quay cân Do đó, đế ổn định ổn định mà ta không cần sử dụng động ổn định Tuy nhiên, đặc điểm hệ thống xuất tần số cộng hưởng Để loại bỏ đặc tính cộng hưởng hệ thống ổn định ta sử dụng thiết bị hấp thụ rung khác Trong đó, thiết bị hấp thụ rung động lực có tác dụng mạnh toán loại bỏ ảnh hưởng tác động cộng hưởng gây Bài báo đề xuất phương án sử dụng thiết bị hấp thụ rung đưa phương pháp tính tốn tham số thiết kế thiết bị Kết mô phần mềm Matlab Simulink thể hiệu thiết bị hấp thụ rung việc loại bỏ tượng cộng hưởng đế ổn định dạng lực Từ khóa: ĐOĐ- Đế ổn định; Định phương thẳng đứng; Hấp thụ rung động lực; Đặc tính biên độ- tần số; GINS- hệ thống dẫn đường qn tính có đế ĐẶT VẤN ĐỀ Đế ổn định GINS sử dụng với chức thiết bị để cách ly tác động rung lắc lên gia tốc kế xác định góc hướng vật mang Để thực chức đế ổn định có ba bậc tự Nó treo không gian nhờ trục cardan với trục giao tâm đế ổ trục đỡ có ma sát mong muốn nhỏ Sau thiết kế chế tạo, hệ đế ổn định cần cân động với độ xác cao Hiện nay, đế ổn định chia làm hai loại: đế ổn định dạng thị đế ổn định dạng lực Trong nhiều toán, tác động nhiễu loạn lớn dải tần khác hệ thống ổn định đế khơng đáp ứng độ xác yêu cầu Một yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đế ổn định gây dao động đế tác động ngoại lực Bản chất thiết bị hấp thụ rung nhờ trình biến đổi lượng dao động đế ổn định thành nhiệt nhờ tính chất nhớt chuyển vào phần tử đàn hồi thiết bị hấp thụ rung Với yêu cầu hấp thụ rung dải rộng, ta sử dụng thiết bị hấp thụ rung có tính chất nhớt [3] Tuy nhiên, với phương án này, hiệu hấp thụ rung theo dải bị hạn chế Để hấp thụ rung dải định, ta sử dụng thiết bị hấp thụ rung động lực Với thiết bị hấp thụ rung này, lượng dao động đế chuyển thành lượng dự trữ phần tử đàn hồi phần chuyển thành nhiệt nhờ tính chất nhớt chất lỏng Hiệu hấp thụ rung không phụ thuộc vào dải cường độ tác động rung lắc mà phụ thuộc vào tham số hệ ổn định đế Do đó, để việc hấp thụ rung đạt với hiệu cao, ta phải xác định tham số cho phù hợp với yêu cầu đặc tính động học hệ ổn định đế Chính thế, việc đưa phương án tính toán tham số thiết kế thiết bị hấp thụ rung có ý nghĩa quan trọng việc thiết kế chế tạo thiết bị cho hệ ổn định đế khác Để nghiên cứu sâu phương pháp sử dụng thiết bị hấp thụ rung động lực vào toán ổn định đế GINS, báo đề xuất lắp thiết bị hấp thụ rung lên định phương thẳng đứng trình bày [3] ỨNG DỤNG THIẾT BỊ HẤP THU RUNG ĐỘNG LỰC VÀO BÀI TOÁN NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐẾ Trên hình sơ đồ động học hệ thống đế ổn định sử dụng hấp thụ rung; đó, vỏ thiết bị hấp thụ rung gắn với đế cho trục song song với trục ổn định 84 L T Anh, …, P T Sơn, “Tính tốn tham số thiết bị hấp thụ rung … ổn định đế dạng lực.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Phương trình động lực học mơ tả hệ thống ổn định đế kênh sử dụng hấp thụ rung có dạng sau:  A   H (  1 )  CH (  1 )  H   K  s    M nl   J H 1   H (1   )  CH (1   )    B  H   (1) Trong đó, J H - Mơ men qn tính vật nặng hấp thụ rung; 1 - Góc quay đế có ngoại lực tác động;  - Góc tiến động trục ổn định;  H - Hằng số nhớt hấp thụ rung; CH - Độ cứng phần tử đàn hồi thiết bị hấp thụ rung; M nl - Mô men nhiễu loạn tác động lên trục ổn định; H - Mô men động lượng quay; A - Mơ men qn tính trục ổn định; B - Mô men quán tính trục tiến động quay; K  s  - Hàm truyền hiệu chỉnh động ổn định đế Hình Sơ đồ động học đế ổn định trục sử dụng thiết bị hấp thụ rung động lực 1- 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; - Thiết bị hấp thụ rung; - Vật nặng hấp thụ rung; - Phần tử đàn hồi dạng thiết bị hấp thụ rung Theo [3] [5], hàm truyền hệ thống ổn định đế kênh cho (1) có dạng: WM ( s)  nl Bs ABs  H s  HK (s ) (2) Hàm truyền hiệu chỉnh K ( s) biểu diễn dạng tích hệ số khuếch đại K hàm hiệu chỉnh Whc ( s) Trong đó, hàm hiệu chỉnh Whc ( 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 tiến tới không Khi hệ số K tiến tới không, hàm truyền hệ thống ổn định lúc có dạng: B (3) ABs  H Dựa vào công thức (3), ta thấy, hệ số khuếch đại K tiến tới khơng hệ thống xảy cộng hưởng tần số 0  H AB Hiện tượng nguyên nhân gây sai số WM ( s)  nl hệ thống ổn định tăng lên đáng kể Ở đây, ta xét trường hợp tần số 0  H dải thông động chấp hành K tiến tới không, (1) viết lại là: AB lớn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 85 Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa  A   H (  1 )  CH (  1 )  H   M nl   J H 1   H (1   )  CH (1   )    B  H   (4) Sau biến đổi (4), thu hệ phương trình sau:  H2   M nl  A   H (  1 )  CH (  1 )  B   J    (   )  C (   )  H H  H (5) Sau chuyển sang biến phức biến đổi Laplace, ta có:  H2  As   H s  CH  B     s  C H H   nl      M        J H s   H s  CH       H s  CH (6) Từ hệ phương trình (6), ta nhận hàm truyền góc lệch đế có tác động mơ men ngoại lực có dạng sau: J H s   H s  CH (7) H2 ( As   H s  CH  )( J H s   H s  CH )  (  H s  CH ) B Hàm truyền góc quay vật nặng thiết bị hấp thụ rung có dạng biểu thức (8) đây: WM ( s)  nl As   H s  CH  WM1 ( s)  nl H2 B (8) H2 ( As   H s  CH  )( J H s   H s  CH )  (  H s  CH ) B Từ (7) (8) ta nhận được: J H s +CH + mH s nl WM (s)= AJ H s + ACH s +(CH +  H2 H2  )  J H s +CH  - CH + mH s  J H s + As + B B   (9) As  CH  WM1 ( s)  nl AJ H s  ACH s  (CH  H2  H s B  H2 H2  )  J H s  CH   CH   H s  J H s  As  B B   (10) Từ công thức (9) (10), ta nhận đặc tính biên độ tần số hàm truyền góc quay đế góc quay vật nặng tương ứng sau: 1/     2 (  J H   CH )    H     M nl W ( )    2 2  H H H   2  2 2   AJ H   ACH   (CH  B ) J H   B CH     H     J H   A  B        86 (11) L T Anh, …, P T Sơn, “Tính tốn tham số thiết bị hấp thụ rung … ổn định đế dạng lực.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 1/   H2 2   (  A   C  )      H H nl   B WM1 ( )    2 2  H H H   2  2 2 AJ   AC   ( C  ) J   C     J   A      H  H H H H  H  H B B B      (12) Sau biến đổi ta nhận biểu thức hàm truyền: 1/2 WM nl WM1 nl   (1   02 )  412 02 B   ( )    H  (1   )(1   )  h   4 2 [1   (1  h)]2     (13) 1/2 với: 0     412 02 B   ( )    H  (1   )(1   )  h   4 2 [1   (1  h)]2     (14) CH J  H2   , H  , 0  CH J H 1  H , h  H ,   , 0  JH AB 0 0 H A Từ (13) suy ra, với   tần số tác động  trùng với tần số hấp thụ H dao động đối tượng cần hấp thụ thì: 1/2 WM nl   412 B   ( )    2 2 H   h   4 [1   (1  h)]      (15) Như vậy, với tham số hấp thụ rung 1  giá trị biên độ WaM1  tức dao nl động hấp thụ hoàn tồn WM nl   ,dB Hình Đặc tính biên-độ tần số hệ tương ứng với tham số hấp thụ rung khác Bằng khảo sát hàm tốn học sử dụng cơng cụ Maple, xây dựng đồ thị biên độ - tần số [2] theo cơng thức (14) Trên hình minh họa đặc tính biên độ tần số hệ sử dụng hấp thụ với tham số hấp thụ rung khác Khi hệ số suy giảm lớn, đặc tính biên độ tần số hệ khơng thay đổi so với hệ ban đầu Lúc này, đặc tính biên độ tần số hệ thống lúc khác mơ men qn tính lúc mơ men qn tính khối lượng hệ ban đầu khối lượng hấp thụ Nếu khối lượng hấp thụ khơng lớn đặc tính hệ không đổi Ở giá trị độ nhớt nhỏ ta thấy đặc tính biên độ tần số độ dịch chuyển có hai tần số cộng hưởng Ở dải tần đặc tính hệ xấu Tuy nhiên, dải tần số riêng hấp thụ rung tức tần số tác Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 87 Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa động trùng với tần số hấp thụ   hiệu hấp thụ mạnh Do đó, việc lựa chọn tham số hấp thụ làm tăng hiệu hấp thụ rung XÁC ĐỊNH THAM SỐ CHO THIẾT BỊ HẤP THỤ RUNG ĐỘNG LỰC Việc mở rộng dải tần số mà hấp thụ rung hoạt động đạt nhờ việc sử dụng tính chất hấp thụ rung vật Như hình thể đặc tính biên độ tần số hệ thống sử dụng hấp thụ với giá trị hệ số độ nhớt 1 khác Do đặc tính biên độ tần số hệ hàm đơn điệu theo đoạn mà đồ thị đặc tính giá trị 1 tiến tới vô lớn 1 tiến tới không cắt hai điểm P Q nên với giá trị độ nhớt khác đặc tính biên độ hệ thống qua hai điểm mà không phụ thuộc vào giá trị số độ nhớt Để nghiên cứu đặc điểm hiệu hấp thụ ta nghiên cứu đặc điểm tọa độ hai điểm P, Q Để hai điểm đường đặc tính biên độ tần số bất biến thay đổi hệ số nhớt 1 tọa độ phải thỏa mãn phương trình: 1/   (1   02 )  412 02     2 2 2 2  (1   )(1   )  h   1  [1   (1  h)]    1 1/   (1   02 )  412 02     2 2 2 2  (1   )(1   )  h   1  [1   (1  h)]  (16)  1 Từ suy đẳng thức: (1   02 )2 (1   )(1   )  h  2 2  [1   (1  h)]2 17) Từ (16) ta xác định tần số  điểm P Q Phương trình (17) ngồi nghiệm tần số khơng cịn có nghiệm tần số  thỏa mãn phương trình:   2   (1  h) 2  0 2h 2h (18) Đặt   H 0 Để sử dụng hấp thụ rung với dải hấp thụ lớn tham số hấp thụ phải thỏa mãn điều kiện cho tung độ điểm P Q chúng giá trị cực đại đặc tính biên độ tần số Để xác định tung độ điểm P, Q đường đặc tính tần số hệ thống ta sử dụng công thức: WM ( )  nl B 2 H   (1  h) (19) Giả sử tung độ điểm P, Q tương ứng với tần số   nghiệm (18), suy chúng thỏa mãn biểu thức: 12   22  1 h (20) Sử dụng hệ thức Viète cho (18) ta có: 12   22  88   (1  h) 2h (21) L T Anh, …, P T Sơn, “Tính tốn tham số thiết bị hấp thụ rung … ổn định đế dạng lực.” Nghiên cứu khoa học công nghệ So sánh hai đẳng thức (20) (21) ta nhận tham số cần tìm hấp thụ: (22) 1 h Từ điều kiện này, ta xác định độ cứng thiết bị hấp thụ rung biểu thức:  H 2J (23) J AB(1  ) A Thay giá trị   vào biểu thức tính tung độ P, Q (19) ta thu biểu thức: CH  B (24) 1 H h Để kiểm chứng hiệu thiết bị hấp thụ rung động lực, thực mô phương pháp sử dụng hấp thụ rung động lực có tính chất nhớt trình bày Matlab/Simulink với tham số đầu vào sau: WM ( )  nl B1  10 g.cm.s2 M nl  103 g.cm H  10 g.cm.s  opt  10'' А  103 g.cm.s2 Н  104 g.cm.s Kết mô với tác động đầu vào tần số cộng hưởng hệ thống Trên hình thể kết mơ tác động đầu vào có tần số tần số cộng hưởng hệ thống Kết mô thể rằng, dải tần số cộng hưởng hấp thụ rung có tác động mạnh đến tác động nhiễu loạn dải tần Do đó, ta sử dụng thiết bị hấp thụ rung để hấp thụ dải tác động lân cận với tần số riêng thiết bị hấp thụ tăng khả hấp thụ phương pháp  ,rad time, sec Hình Đặc tính độ góc lệch đế ổn định sử dụng hấp thụ rung động lực 1-Khi không sử dụng hấp thụ rung động lực; 2-Khi sử dụng hấp thụ rung động lực KẾT LUẬN Bài báo đưa phương pháp sử dụng thiết bị hấp thụ rung động lực để nâng cao độ ổn định đế hệ thống dẫn đường qn tính có đế Để loại bỏ tượng cộng hưởng toán ổn định đế, sử dụng hấp thụ rung có tính chất nhớt [3] Tuy nhiên, thiết bị bay hoạt động thời gian dài, tác động nhiễu loạn lớn dải tần khác Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 89 Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa lên hệ thống ổn định đế gây dao động đế làm ảnh hưởng đến độ xác hệ thống dẫn đường quán tính Do đó, cần thiết phải sử dụng hấp thụ rung để loại bỏ tần số cộng hưởng dải tần nhiễu loạn khác Bài báo đưa cách tính tham số nhớt tối ưu phục vụ cho việc tính tốn thiết kế hấp thụ rung động lực 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 thụ động lực việc hấp thụ dao động dải tần số cộng hưởng đưa Tùy thuộc vào tốn thiết kế hệ thống, lựa chọn số lượng thiết bị hấp thụ rung động lực với tần số dao động lựa chọn tần số cộng hưởng dải tần số khác mô men nhiễu loạn tác động lên hệ thống để khử dao động gây ổn định đế Kết nghiên cứu báo làm sở cho việc thiết kế chế tạo, cải tiến hệ thống dẫn đường qn tính có để sử dụng vũ khí, khí tài quân quân đội 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] Lê Tuấn Anh, Phan Tương Lai, Hoàng Mạnh Tưởng, Nguyễn Văn Hùng, “Nâng cao độ xác định phương thẳng đứng nhờ thiết bị hấp thu rung có tính chất ma sát nhớt”, ISSN 1859- 1043, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân ,số 67, 6-2020, tr 2532 [4] Дзюба А.Н, Лопарев А.В, “Нестационарный алгоритм коррекции гировертикали авиационного гравиметра”, Гироскопия и навигация № 3, 2015 С.52-60 [5] Пельпор Д.С, “Гироскопические системы Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов”, М Высшая школа, 1986 г ABSTRACT CALCULATING PARAMETERS OF DYNAMICS TUNNED VIBRATION DAMPER FOR THE FORCE STABILIZATION SYSTEM In the paper, the design parameters of vibration absorbing device for the force stabilizer base are calculated Force stabilizer base is a stabilizer base that uses the force properties of a gyroscope to stabilize To eliminate the resonant characteristic in the stabilization system, we can use different vibration absorption device In particular, vibration absorption device has a strong effect in the problem eliminating the impact of resonance In the paper, a plan to use a vibration-absorbing device and provides a method for calculating this device design parameter is proposed Simulation results on Matlab/Simulink software show the effect of vibration absorption device in eliminating the resonance in force-stabilized substrate Keywords: Stabilizer platform; Tunned vibration damper; Gyroscope inertial navigation system Nhận ngày 30 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện KH-CN quân sự; Học viện Kỹ thuật quân * Email: hanoixa@gmail.com 90 L T Anh, …, P T Sơn, “Tính tốn tham số thiết bị hấp thụ rung … ổn định đế dạng lực.” ... khiển – Tự động hóa động trùng với tần số hấp thụ   hiệu hấp thụ mạnh Do đó, việc lựa chọn tham số hấp thụ làm tăng hiệu hấp thụ rung XÁC ĐỊNH THAM SỐ CHO THIẾT BỊ HẤP THỤ RUNG ĐỘNG LỰC Việc... lệch đế ổn định sử dụng hấp thụ rung động lực 1-Khi không sử dụng hấp thụ rung động lực; 2-Khi sử dụng hấp thụ rung động lực KẾT LUẬN Bài báo đưa phương pháp sử dụng thiết bị hấp thụ rung động lực. .. học đế ổn định trục sử dụng thiết bị hấp thụ rung động lực 1- 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; - Thiết bị hấp