SE439199B - Anordning for kompensering av temperaturberoende variationer av dempningen av ett vinkelhastighetsgyroskop - Google Patents

Description

77113734 2 I alla dessa kända system erfordras emellertid komplicerade och dyrbara mekanismer för att.kompensera dämpningsförhållandet för ändringar, som förorsakas av temperaturvariationer. I motsats till de kända systemen åstadkommas enligt föreliggande uppfinning ett elektroniskt organ för att direkt kompensera utsignalen i proportion till av temperaturen förorsakade dämpningsvariationer, varigenom det tidigare behovet av temperatur- eller dämpningskompenseringsmekanis- mer huvudsakligen elimineras.

Enligt föreliggande uppfinning innefattar signalkompense- ringsorganet dels ett aktivt filter med en första förstärkare med en ingång för mottagande av den ovannämnda utsignalen, en andra för- stärkare med en ingång, som är ansluten till en utgång hos den första förstärkaren, samt en tredje förstärkare med en ingång, som är ansluten till en utgång hos den andra förstärkaren och en utgång ansluten till nyssnämnda ingång hos den första förstärkaren till bildande av en sluten slinga, dels en av mediets temperatur påverk- bar dämpningsvariationsgivare och dels en summerande förstärkare med en första ingång ansluten till utgångarna från de respektive första, andra och tredje förstärkarna och en andra ingång ansluten till den andra förstärkaren och till dämpningsvariationsgivaren, samt en utgång för avgivande av den kompenserade signalen.

Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till bifogade ritning, på vilken fig. 1 visar ett blockschema över sys- temet i enlighet med föreliggande uppfinning, fig. 2 visar ett krets- schema över anordningen innefattande kompenseringsorganet enligt föreliggande uppfinning, fig. 3 visar ett diagram över systemets dämpningsförhållande som funktion av temperaturen, fig. 4 visar i perspektiv en uppskuren girindikator, avsedd att kombineras med signalkompensatorn enligt fig. 2 i enlighet med den föredragna utfö- ringsformen av uppfinningen och fig. 5 visar schematiskt en mikro- synsignalgenerator.

Det funktionella blockschemat enligt fig. 1 visar hur signal- kompensatorn 1, 2 användes tillsammans med ett andraordningssystem 5, exempelvis av den typ som alstrar en signal es i beroende av ett däm- pat organs rörelse, i och för kompensering av signalen es för dämp- ningsvariationer, så att en utsignal e alstras, vilken karakterise- rar insignalen 4 och är opåverkad elle: oberoende av variationer av den valda dämpningsfaktorn för andraordningssystemets 3 rörliga or- gan.

Dämpningsvariationsgivaren 2 är fysikaliskt fäst vid syste- met 3 men är funktionellt del av signalkompensatorn 1. Givaren in- 7711373-6 3 nefattar ett variabelt element, som är känsligt för andraordningssys- temets 3 dämpningsfaktor (eller någon annan egenskap, exempelvis sys- temets 3 temperatur, som står i relation till, påverkar, regleras av eller reglerar dämpningen) för att variera signalkompensatorns 1, 2 överföringsfunktion allteftersom andraordningssystemets dämpningsfak- tor varierar.

I beroende av av dämpningsvariationsgivaren 2 detekterade dämpningsvariationer tillför signalkompensatorn l en signalspännings- komponent till utsignalen es från andraordningssystemet 3 i och för åstadkommande av den kompenserade utsignalen ec.

I allmänhet och i enlighet med föreliggande uppfinning bring- as nollvärdena 1 överföringsfunktionen för signalkompensatorn 1, 2 att utsläcka de variabla polerna i andraordningssystemets 3 överför- ingsfunktion. Signalkompensatorns poler är fasta och dessa i stäl- let för andraordningssystemets variabla poler bestämmer hela syste- mets gensvar pà en godtycklig insignal 4.

Fig. 2 kommer nu att beskrivas, vilken figur visar en föredra- gen utföringsform av föreliggande uppfinning.

Den föredragna utföringsformen av uppfinningen använder som det i fig. l visade andraordningssystemet 3 exempelvis ett fluiddäm- pat vinkelhastighetsgyroskop eller girindikator 5 med en frihetsgrad.

Vinkelhastighetsgyroskopet 5 är en typ av givare som i beroende av en vinkelhastighäxänsnyml 7 (radianer/sekund) avger en utsignal. Denna utsignal är en växelspänning, som genom sin amplitud och fas represen- terar storleken oçh riktningen av utslaget av den kardanska ringen,dvs. det rörliga organet i.andraordningssystemet. Utsignalen från vinkel- hastighetsgyroskopet 5 matas till ingången av en demodulator 6. De- modulatorn 6, som icke utgör del av uppfinningen, användes i den fö- redragna utföringsformen av uppfinningen för att avlägsna växelströms- bärfrekvensen. Det bör här framhållas att vid andra, icke visade ut- föringsformer av föreliggande uppfinning såsom exempelvis andraord- ningssystem, vilka icke utnyttjar någon bärfrekvens, användes icke demodulatorn 6, varför signalspänningen es fortsättningsvis kommer att kallas för andraordningssystemets, dvs. vinkelhastighetsgyrosko- pets 5 utsignal, Såsom anförts ovan, påverkas gyroskopets 5 signal es av dämp- ningsvariationer förorsakade exempelvis av temperaturändringar. Den i fig. 2 visade signalkompensatorn l, 2 är avsedd att kompensera gy- roskopets 5 utsignal es för dylik påverkan och åstadkommer därför en kompenserad utsignal eo, som representerar vinkelhastighetsinsignalen 7 och är huvudsakligen oberoende_avMdämpnings/temperaturvariationer. 77113796 - 4 Signalkompensatorn 1, 2 är konstruerad till att uppvisa en överföringsfunktion Ge, dvs. ett förhållande som relaterar den kompen- serade utsignalen ec till gyroskopsignalen es genom förhållandet GC = eo/es med komponenttermer vilka kompenserar för ändringar i dämp- ningskomponenttermerna i överföringsfunktionen GS för vinkelhastig- hetsgyroskopet 5, så att överföringsfunktionen Ys för hela systemet/ nätet innefattande kombinationen av vinkelhastighetsgyroskopet 5 och signalkompensatorn 1, 2 förblir huvudsakligen konstant med dämpnings- variationer, Förhållandet i hela systemet kan helt enkelt uttryckas medelst följande ekvation: yš = GS-. GC, (1A) där Yš är oberoende av dämpningsvariationer. Detta förhållande kom- mer att förklaras närmare i samband med den i fig. 2 visade signal- kompensatorn 1, 2.

Dämpningsförhållandevariationerna i överföringsfunktionen GS är beroende av temperaturen hos gyroskopets 5 vätskedämpningssystem.

Temperaturens förhållande till dämpningsfaktorn gör det önskvärt i en- lighet med den föredragna utföringsformen av föreliggande uppfinning att använda en dämpningsvariationsgivare 2, som är känslig för vätske- dämpningssystemets temperatur, i och för att göra den kompenserande överföringsfunktionen Ge beroende av en ändring av gyroskopets 5 dämp- ningsförhållande. Detta åstadkommas genom att man förser signalkom- pensatorn 1, 2 med en överföringsfunktion, som varierar med tempera- turen omvänt mot överföringsfunktionen för gyroskopet 5, så att över- föringsfunktionen Ys för kombinationen av gyroskopet 5 och signalkom- pensatorn 1, 2 förblir huvudsakligen konstant inom ett stort tempera- turområde.

Signalkompensatorn 1 innefattar ett aktivt filter och en sum- merande förstärkare. Eftersom aktiva filter är kända genom exempel- vis den amerikanska patentskriften 5 987 370 och "Active Filters" Wireless World, mars 1970, sid. 134-139, kommer dylika filter icke att beskrivas närmare 1 detta sammanhang. Det aktiva filtret inne fattar emellertid helt kortfattat tre operationsförstärkare 10, ll och 12, vilka är anslutna i en sluten slinga, som innefattar motstånd R2. Rë, R1, Ra och Ro samt kondensatorer Cl och CO samt återkopplings- förbindelsen 13. Var och en av operationsförstärkarna 10, ll och 12 har en inverterande och en icke-inverterande ingång, vilka är marke- rade med ett minustecken respektive ett plustecken. Motståndet RX kopplar gyroskopets 5 utsignal es till operationsförstärkarens 10 in- verterande ingång. Utsignalspänningen Y2 från operationsförstärkarenf 7711373-6 5 10 matas via motståndet H1 till operationsförstärkarens ll inverteran- de ingång. Utsignalspänningen Yl från operationsförstärkaren ll matas via motståndet RO till operationsförstärkarens 12 inverterande ingång.

MotståndetIRë är anslutet mellan utgången från operationsförstärka- ren 10 och dess inverterande ingång. Motståndet R'1 och kondensatorn Cl är parallellkopplade mellan utgången från operationsförstärkaren ll och dess inverterande ingång. Kondensatorn Co är ansluten mellan utgången från operationsförstärkaren 12 och dess inverterande ingång.

Utsignalspänningen YO från operationsförstärkaren 12 matas via mot- ståndet H2 till operationsförstärkarens 10 inverterande ingång. De icke-inverterande ingångarna hos operationsförstärkarna 10, ll och 12 är anslutna till jordpotential.

Med återkopplïngsförbindelsen 13 på 1 fig. 2 visat sätt. dvs. med operationsförstärkarens 12 utgång ansluten till operationsförstär- karens 10 inverterande ingång och under antagande av att följande för- hållanden råder: R'1 = H1 Rx = H2 To = ROC0 . 1 _ R2=R2 Tfëm: T1~R1°1 R = R = R = R S = L 1 - w »fl w z 032.222. kan signalspänningen Y2 över operationsförstärkarens lO utgång repre- senteras på följande sätt: -Y -Y Yê = -Yo -es, Y1 = ïïåíš och Yo = Tšš (IB) Signalspänningarna Yo, Y1 och Y2 matas till en operationsförstärkares 14 inverterande ingång, markerad medelst ett minustecken, via ett re- sistivt nät Ryo, Ryl respektive Rya. Motståndet Hz är ett återkopp- lingsmotstånd, som kopplar den kompenserade utsignalen eo från opera- tionsförstärkaren 14 till dess inverterande ingång. Det 1 fig. 2 vi- sade arrangemanget med motstånden Ry yl, Rya och Rz samt opera- tionsförstärkaren lä utgör vad som normalt kallas en summerande för- stärkare. Spänningen e- över operationsförstärkarens lü inverterande ingång kan på känt sätt uttryckas på följande sätt: o'R _=Yo+Y1+Y,-2+ec Ä ..:..._.._.._......_..,.,_.. 7711375'6 6 Dämpningsvariationsgivaren 2 innefattar ett motstånd Ht, som är ett temperaturkänsligt element, exempelvis en termistor med nega- tiv temperaturkoefficient, i värmeväxlingsförhållande (antytt medelst en punktstreckad linje) med temperaturen hos gyroskopets 5 vätske- dämpningsorgan. Motståndet Rt kan på känt sätt fästas antingen inuti eller utanför gyroskopets 5 hus.

Signalspänningen Yl över operationsförstärkarens ll utgång kopplas via motstånd Ra och Rc till dämpningsvariationsgivaren 2.

Detta arrangemang resulterar i ett resistivt nät innefattande mot- stånden Ra, Rc och Et, vilket är anslutet till operationsförstärka- rens 14 icke-inverterande ingång, markerad med ett plustecken, på så- dant sätt att ett spänningsdelningsnät bildas, så att spänningen e+ över operationsförstärkarens 14 icke-inverterande ingång kan uttryc- kas på följande sätt: Rb e+ _ Rà + Eb . Yl, (lD) dä? = Rc + Rt- Förstärkaren lä gör e- = e+ eller l 4Rb YO+Y1+Y2+8c= .Y1. (lE) a Ekvationen (lE) kan kombineras med de tre ekvationerna i (1B) för er- hållande av överföringsfunktionen Ge för signalkompensatorn: 1 + 4 mos + Tomlsg i"“ïï7äï' G e + a b . (iF) es 1 + ros + Torlsz Den mellersta termen 1 täljaren i (lF) har en temperaturberoende ko- efficient, eftersom resístansen hos Bb ingår i resistansen Hb.

Eftersom vinkelhastighetsgyroskopet 5 är ett andraordnings- system, kan dess överföringsfunktion GS matematiskt representeras me- delst följande ekvation: Go GS = TEïT-STFTÉ' UG) 8 E E där f = 1/(2fTTg) är den odämpade egenfrekvensen, Dg är gyroskopets 5 dämpningsförhållande, S är Laplace-operatorn och GO är gyroskopets 5 lågfrekvenssignalförstärkning.

I enlighet med förhållandet (lA) och genom insättning i det- ta av ekvationerna (lF) och (lG) kan överföringsfunktionen Ys för he- la det i fig. 2 visade systemet representeras medelst följande uttryck:_ 7711373~6 7 GO 1 + 2 D T s + T 2 sz Ys = 1 l 2 D T s 2 2 ' 1 e 8 2 Å? (IH) _. gg +TgS +2DcTgS+Tge där _ 2 . T De-TT _°= + _ê T Rb 3 DMLÉQ. 0 _ 2 Tš och 2 T TI = 3 .

To Av uttrycket (IH) framgår det att' den signalkompenseraride överföringsfunktienen Ge kan uttryckas som ett bråk med ett täljar- polynom som blir lika med nämnarpolynomet i gyroskopets 5 överförings- funktion GS då De är lika med Ds. Resístansvärdena för Ra øch Rc väl- jes därför med avseende på värdet av Rt, en termistor vars resistans minskar allteftersom temperaturen ökar, så att faktorn De hàlles huvud- sakliga-n lika med dämpningsfaktorn Ds inom ett brett temperaturomräde.

Då termen De hållas exakt lika med termen Dg, förenklas Iittryc- ket (IH) till: G Ys=---9---a-a <1I> 1+2DcTgS+Tg S där DC är konstant och lika med hela systemets l, 2 och 5 valda dämp- ningsförhàllande som uppgår till ca. 0,7 av den kritiska dämpning-en.

Då De endast är approximativt lika med Dg, har hela systemets överföringsfunktion YS ett ekvivalent dämpningsförhållande Do + AD, där avvikelsen AD från det konstanta värdet DC erhålles ur ekvationen 1:89 (D " De) AD =----§--- _ (1J) 1 + 1,7 Dgne Den i fig. 2 visade signalkompensatorn 1 ger de i tabellerna 2 och 3 angivna resultaten med de i tabellen l angivna komponentvär- dena (vilka kan väljas empiriskt eller beräknas). 7711373-6 8 Tabell 1 fg=2}HZ Tg=6,9|TISV To = 9,8 ms co = 0,5 mr Ryo _ yl = nya _ BZ = 20 kn Tl = 4,9 HIS Cl = Û,25 [HF Rx = Ra =R'2 = 20 kn, Vinkelhastíghetsgyroskop (med _ demodulator) Ra " l1'Ol4 kn' Tillv. Timex Corporation Modell nr. SD-OOO Series Rc = 0,523 kxx Materialet 1 termistorn Rt har en negativ temperaturkoefficient lav ca. -119%/OC vid 25°C. Värdena för Rt vid valda temperaturer ges i tabell 2. Dylika termistorer marknadsföres av exempelvis -Western Thermístor Corporation, Oceanside, Kalifornien, U.S.A.

Tabell 2 Tabell 3 e" 1 ^ av? 0 .

IT ( C) Ht (K ) De = ï-ïrfiš t ( C) De Dg JÄD Bb 2,3 0,09 _ -40 1,9 -40' 22,00 1,90 1'8 '°'°3 7 1,22 0 02 _20 7,42 1,185 _20 1,18 * ' 0 2,85 0,663 °'98 '°'12 38 0,620 “ 0,266 °'59 '°'°8 so 0,45 0,09 0,290 0,195 20 0,39 85 0,137 0,160 °”58 '°*°2 0,33 0,10 se 0,27 0,27 -0,00 0,23 0,06 eo 0,195 0,185 -0,02 0,165 0,01 ss 0,160 0,132 -0,05 I fig. 3 visas som ett exempel ett diagram för att belysa hur väl kretsen enligt rig, 2 kompenserar för temperaturinduoerade dämp- ningsvariationer i ett vinkelhastighetsgyroskop. Den empiriskt be- stämda dämpningegnrvan men ett toleransband_av t 10% yisar_att det . Jr»

Claims (2)

7711373-6 9 okompenserade dämpningsförhållandet D (Jfr. tabell 3) kan sträcka sig från ett högt värde av 2,3 vid -4o°c :111 ett lagt värde av 0,152 vid 85%. var-dena för De från tabell 2 är 1 rig. 3 ploutaae 1 form av små cirklar och de ligger samtliga inom toleransbandet för D . Värdena för De från tabell 2 har använts i formeln (IJ) till- sammans med värdena för Dg vid toleransbandets gränser för att beräk- na avvikelser AD från det nominella dämpningsförhallandet DC. Dessa värden på AI)förefinnes i tabell 3 och de har även adderats till 0,7 för erhållande av ett nytt toleransband för hela det kompenserade sys- temet, såsom visas i fig. 3. Såsom framgår, är dämpningsförhållandet De +.AD för hela systemet begränsat till mellan extremvärdena 0,58 och 0,80. Fig. 4 visar i perspektiv ett uppskuret vinkelhastighetsgyro- skop med en frihetsgrad. Eftersom dylika gyroskop är välkända, kom- mer de icke att beskrivas närmare 1 detta sammanhang. Fig. 5 visar en förenklad skiss av en mikrosynsignalgenera- tor. Eftersom även dylika signalgeneratorer är välkända, kommer de icke att beskrivas 1 detta sammanhang. Mikrosynsignalgeneratorn är emellertid helt kortfattat en elektromagnetisk anordning med varia- bel reluktans som alstrar en utspänning. Vilken är proportionell mot produkten av strömexciteringen, axelrotationen och exciteringsfrekven- sen. Av ovanstående beskrivning torde framgå att syftet med före- liggande uppfinning är att förse ett dämpat andraordningssystem med signalbehandlingsorgan i och för att kompensera för eventuell varia- tion i systemets dämpningsförhållande. Även om en föredragen utför- ingsform av uppfinningen visats, är det uppenbart att uppfinningen alltefter olika uppkommande behov ytterligare kan varieras och modi- fieras av fackmannen inom ramen för uppfinningens grundtankar, såsom dessa definieras 1 efterföljande patentkrav. Patentkrav

1. Anordning för kompensering av temperatnrberoende variationer i dämpningen av gyroskopet i en girindikator med en kardansk ring och en däri uppburen rotor, vilken ring är anordnad i ett hus, i vilket ringen är vridbar kring en mot rotorns axel vinkelrät axel i beroende av en vinkelhastighetsinsignal och vilket inrymmer ett dämpningsmedium för dämpning av ringens rörelser, och med ett organ avsett att alstra en utsignal som är proportíonell mot ringens vinkel- rörelse, vilken anordning innefattar ett signalkompenseringsorgan (1) som är påverkbart i beroende av variationer i dämpningsverkan « 7711373-6 10 och utsignalen för att åstadkomma en kompenserad signal (e ) som C .indikerar vinkelhastighetsinsignalen (7) och som är i huvudsak opå- verkad av dämpningsvariationer orsakade av temperaturvariationer, k ä n n e t e c k n a d av att signalkompenseringsorganet (1) inne- fattar dels ett aktivt filter med en första förstärkare (10) med en ingång för mottagande av den ovannämnda utsignalen, en andra för- stärkare (11) med en ingång, som är ansluten till en utgång hos den första förstärkaren (10), samt en tredje förstärkare (12) med en ingång, som är ansluten till en utgång hos den andra förstärkaren (11) och en utgång ansluten till nyssnämnda ingång hos den första för- stärkaren till bildande av en sluten slinga (13), dels en av mediets temperatur påverkbar dämpningsvariationsgivare (2) och dels en sum- merande förstärkare (14) med en första ingång ansluten till utgång- arna från de respektive första, andra och tredje förstärkarna (10, 11, 12) och en andra ingång ansluten till den andra förstärkaren (11) och till dämpningsvariationsgivaren (2), samt en utgång för avgivande av den kompenserade signalen (ec).

2. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att gyroskopets överföringsfunktionêü=lika med Go ä 2 D T S S 1 + 2 g g + Tg där D är gyroskopets dämpningsfaktor och varierar med temperaturen och att signalkompenseringsorganets överföringsfunktion är lika med . . . . ._ 2 1 + 2 nemg s>+ mg s ”-*'--“*-f-“"-:r- 1 + 2 D T s + T sz 0 s s där dämpningsvariationsgivaren (2) bringar De att vara huvudsakligen lika med och variera på samma sätt som Dg med temperaturen och DC är en vald, konstant dämpningsfaktor för kombinationen av gyroskopet och signalkompenseringsorganet, varvid Dg är den icke kompenserade dämpningsfaktorn, S är Laplace-operatorn, T är gyroskopets tids- konstant, G0 är gyroskopets lågfrekvenssignalförstärkning, och De väljes i huvudsak lika med det icke kompenserade dämpningsförhållan- det Dg hos gyroskopet (5).