
книги из ГПНТБ / Свешников А.А. Вероятностные методы в прикладной теории гироскопов
.pdf§ 9.7] |
ПРИМ ЕРЫ ОП РЕДЕЛЕН И Я СХЕМ И ПАРАМЕТРОВ ГУ |
497 |
ности, |
чем быстрее затухает К ѵ(т) с ростом t сравнительно с за |
туханием і£а(т). Это предположение в рассматриваемой задаче
обычно может быть принято. |
|
и |
V(t) взаимно |
||
Предположим, что случайные функции U(t) |
|||||
не коррелированьи |
|
|
|
сигнала X(t) |
|
Р е ш е н и е . |
По условию задачи для входного |
||||
имеем |
X(t) = U(t)+V(t). |
|
[(9.79) |
||
|
|
||||
Требуемый сигнал Z(t) в данном случае есть |
производная от |
||||
U(t), т. е. |
|
|
|
|
|
|
Z{t) = ± U { t ) . |
|
(9.80) |
||
Сигнал Y(t)~на выходе |
системы связан с X(t) соотношением |
||||
|
Y<t) = |
LX(t), |
|
1(9.81) |
|
где L — искомый оптимальный оператор.^ |
|
рассматривае |
|||
Для определения передаточной функции Ь(ш) |
|||||
мой динамической системы, соответствующей оператору L, имеем |
|||||
окончательное |
выражение |
(19), |
справедливое |
при отсутствии |
запаздывания.
Согласно (79) спектральная плотность5 Sx ( ш) вследствие не связанности случайных функций U(t) и V(t) определяется со отношением
Sx (^) — Su(o>) + |
St (o)). |
|
(9.82) |
При этом взаимная спектральная |
плотность |
Sxz (со) имеет вид |
|
s x, H = iiüSu(«>)• |
|
(9.83) |
|
Обозначив |
|
|
(9.84) |
G = 4з>, |
|
|
|
перепишем (77) следующим образом: |
|
|
|
С ( \ ______________ ______________ |
(9.85) |
||
0 9 — :2к (ü)2 + 2 ш + 62) |
_ 2Хо) + 62) |
|
|
|
* |
Учитывая (85) и (78), имеем
(9.86)
что после приведения к общему знаменателю дает
„ , , _ 1 |
С \<оі + |
2 (62 — 2 1 2 ) М2 4 - щ + |
G62 |
(9.87) |
|
2% |
(со* + |
2Хш + 62) (са2 — 2U + |
б«) * |
||
|
|||||
Обозначая |
|
|
|
(9.88) |
|
|
|
ix.2 — X2 |
|
498 ВЫ БОР ОПТИМАЛЬНЫХ СХЕМ И ПАРАМЕТРОВ ГУ [ГЛ. 9
и учитывая |
(84), преобразуем (87) к виду |
|
|
||||||
|
|
1 |
Сші + |
2 6 , 0 ) 2 + |
62 (G + С62) |
(9.89) |
|||
|
S » = - 271 |
(ü)2 + 2Хсо + 62) (и)2 _ |
2Хо) + 62) |
||||||
Найдем нули функции Sx (ш); имеем |
|
|
|
|
|||||
|
С |
+ |
2 Ѵ 2 + Ь 2 (й2 + |
| - |
) 1 |
= 0. |
(9.90) |
||
Обозначим |
|
|
w — со2; |
|
|
|
(9.91) |
||
|
|
|
|
|
|
||||
тогда уравнение (90) перепишем в виде |
|
|
|
||||||
|
|
w2 |
2 bxw -f- Ъ2 (ь2 -}- |
|
= |
О, |
(9.92) |
||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
w'і.* = - Ь і ± \ |
|
% - & ( & + %)• |
(9.93) |
|||||
Принимая во внимание (84) |
и (8 8 ), |
получим |
|
||||||
}/ГЪ\ - |
Ь2 (б2 + |
| - ) = |
/([X 2 - |
^ 2) 2 - |
(Р-2 |
+ |
X2) ([X2 + |
X2 + £ ) , |
|
откуда следует, что при р <( X подкоренное выражение будет отри |
|||||||||
цательным. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обозначая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d = y |
- Ъ \ + Ѵ-(Ъ*+^), |
|
(9.94) |
||||
имеем |
|
|
w12 = —b1+ id. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
Принимая во внимание (91), находим |
|
|
|
|
|||||
|
|
U),joj3>4==: + |
V—b1 + |
Id• |
(9.95) |
||||
Пользуясь формулой Муавра, получим |
|
|
|
|
|||||
|
со, = |
(6 2 + |
d2)'/<(cos |
----і sin у ) , |
|
||||
|
ü>2 = |
— (b\ -f d2)'l<('cos у — i sin у ) , |
(9.96) |
||||||
|
(ö3 = |
(b2 + |
d2),/i (cos |
-f- г sin у ) , |
|||||
|
|
o)4 — — (Щ+ d2)4>(cos у -f і sin y ) ,
где
(9.97)
cp = arctg

§ 9,7] |
ПРИМ ЕРЫ ОП РЕДЕЛЕН И Я СХЕМ И ПАРАМЕТРОВ ГУ |
501 |
|||
следовательно, |
|
|
|
|
|
|
q1— b2> 0 , |
|
|
||
поэтому коэффициент А <С 0. |
мы |
получаем |
обычную формулу |
||
Если в (114) Тг ^> 1, то |
|||||
(3.127) |
для передаточной функции двухстепенного ГТ с «механи |
||||
ческой» |
пружиной. Если |
С ->0 |
(помеха |
отсутствует), |
то |
L{s) —>5 , т. е. оптимальный ГТ осуществляет при этом лишь дифференцирование полезного сигнала. Если С 0, то помимоэтого оптимальный ГТ должен еще и сглаживать помеху V(t)r что обеспечивается видом знаменателя выражения (114) для L(s).
Выясним, как изменится выражение для L(s), если отказаться от предположения, что помеха V(t) является белым'шумом. Пред положим, в качестве примера, что V(t) является случайным
стационарным процессом, имеющим корреляционную |
функцию |
||||||||
|
|
|
|
К,(ч) = |
а У ' М |
|
(9.115) |
||
и, следовательно, |
спектральную |
плотность |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
л2м |
|
|
(9.116) |
|
|
|
|
|
ТТ(Ш2 + У) ' |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Применяя тот же метод, |
что |
и ранее, получим *) |
выражение |
||||||
для оптимальной передаточной функции системы |
|
||||||||
|
|
|
L ’ ( s ) = k ' 0 |
(7 > - 1 )( Г І * + |
1) |
(9.117) |
|||
|
|
|
|
опт |
(r')2S2+ 2rjCs + 1 ’ |
|
|||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о п т |
|
Q*q\1 I |
|
: 2 a2v |
|
|
|
|
|
|
|
V ’ |
|
|
|
|||
|
В- |
62[feg y /g ^ -P V(d + 2 p ^ G * ) |
— 6 у1G *6 2 + G v 2] |
j (9.118) |
|||||
|
|
(b \/G*b2 + |
Gv2 — 62 v/g 5)2 + |
’ |
I |
||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
+ (d + 2p vTT*) (62d + |
2(a6 ^ * 6 2 + Gv2) |
] |
||||
r ; = - |
•-1 |
|
/-tyw. |
|
r: = -. |
|
|
|
|
В ’ |
|
V 2І — ? |
|
|
|
||||
r: |
|
|
6 tf + |
(2p + |
v) T G yS + |
G *62 — |
v6 6 G* |
(9.119) |
|
B |
|
b [v (2[X v'G* 4■ d) — 6 v'Gys + G*62 + 62 6g*] ’ |
|
||||||
|
|
|
|||||||
d = |
V 2aG* + Gb2+ 2 ^G* (Gb'-A + G*V)' |
|
|||||||
|
|
|
( T ' f = |
— — i - 1 / ____—___ |
I |
|
|||
|
|
|
v A |
q |
b f |
G v 2 + G * 6 2 ’ |
|
(9.120) |
|
|
|
|
27”r = |
__ |
“ - - |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
2 ’ |
b^G^-^-G*b‘i ’ |
|
|
|
*) Последующая часть примера решена А. В. Костровым.
502 |
ВЫ БОР ОПТИМАЛЬНЫХ СХЕМ И ПАРАМЕТРОВ ГУ |
[ГЛ. 9 |
|
То обстоятельство, что и в данном случае мы получили опти |
мальную передаточную функцию системы в виде (114) (при Т'я < 1), т. е. близкую к передаточной функции реального ГТ, позволяет сделать вывод о том, что применяемые в технике гиротахометры, основанные на использовании двухстепенного гироскопа, близки по своим свойствам к оптимальным дифференцирующим системам для помех, спектральные плотности которых могут выражаться дробно-рациональными функциями.
Пример 9.2. Определить оптимальное значение постоянной времени Т гировертикали, основанной на использовании трех степенного астатического гироскопа с маятниковой коррекцией, учитывая при этом ошибки ГВ из-за колебаний маятника-кор ректора и вследствие вращения Земли; скоростная погрешность ГВ не компенсируется.
Уравнение движения ГВ по координате а, согласно (3.62), с учетом вращения Земли и в предположении, что в осях карда-
нова подвеса отсутствуют возмущающие моменты, |
имеет вид |
71<х-}-а = —'^ич] + Х(0> |
(9.121) |
где Т — постоянная времени ГВ; — переносная угловая ско рость системы отсчета, обусловленная вращением Земли; у — угол отклонения маятника-корректора от вертикали из-за качки объекта, являющийся случайной стационарной функцией времени.
Система отсчета связана с траекторией объекта; при движении его по дуге большого круга (по ортодромии) и определяется со отношением [см. (3.20)]
|
|
|
— U |
cos cp cos К, |
|
|
|
(9.122) |
где U — угловая скорость суточного вращения Земли; |
ср — ши |
|||||||
рота места; К — курс объекта. |
функции |
y(t) |
примем |
|||||
Математическое |
ожидание |
случайной |
||||||
равным нулю |
X = M [ Z(f)]=0, |
|
|
|
(9.123) |
|||
|
|
|
|
|
|
|||
а корреляционную |
функцию возьмем в виде |
|
|
|
||||
|
|
К%(т) = Ле-^М ^cos X- 4- у sin X| т |
, |
|
[(9.124) |
|||
где |
A = D |
] — дисперсия |
колебаний |
маятника; |
p — коэффи |
|||
циент нерегулярности этих колебаний; X — частота, |
вблизи кото |
|||||||
рой |
спектральная |
плотность |
угла отклонения |
маятника y(t) |
||||
достигает |
максимума. |
|
Х=3,5 |
1/сек; t/= 7 ,2 9 x |
||||
Дано: |
Л = о^=1 |
град2; р=0,2 1/сек; |
X10-5 1/сек; <р=0; курс объекта К произвольный. Требуется опреде лить оптимальное значение постоянной времени Т гировертикали.
§ 9.7] |
ПРИМ ЕРЫ О П РЕД ЕЛЕН И Я СХЕМ |
И ПАРАМЕТРОВ |
ГУ |
503 |
||||||||
Р е ш е н и е . |
Будем |
считать, |
что |
курс |
объекта |
К является |
||||||
случайной величиной, распределенной |
по |
равномерному |
закону |
|||||||||
в пределах |
от 0 |
до 2 к. Тогда для |
вероятностных характеристик |
|||||||||
угловой |
скорости |
имеем |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
и = |
U cos <рcos К, |
|
|
(9.125) |
||||
|
|
|
D [иТ|] = |
{U cos <р) 2 D [cos К]. |
|
(9.126) |
||||||
Так |
как |
случайная |
величина |
К |
распределена |
равномерно |
||||||
в интервале |
(0 ,2 |
г:), |
то *) |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
со.чА^=0 , |
D[cos/£j— |
|
|
(9.127) |
|||||
Подставляя (127) |
в (125) и (126), получим |
|
|
|
||||||||
|
|
|
й — 0, |
|
D [н•I = \ - { U cos cp)2. |
|
(9.128) |
Согласно (121) случайные ошибки a(t) ГВ обусловливаются случайным характером изменения курса объекта и отклонений маятника-корректора от вертикали. Так как уравнение (121) является линейным, то ошибку a(t) можно рассматривать как сумму погрешности аx(t), вызванной вращением Земли, и слу чайной погрешности а2 (г) вследствие ошибок в определении на правления вертикали маятником-корректором. Согласно (121) имеем
|
Таг -f- а, = |
— Tu , |
|
|
(9.129) |
|||
|
7а2 + а2 = |
X 00- |
|
|
|
(9.130) |
||
Уравнения (129), (130) |
позволяют найти дисперсии D Га! (^)] и |
|||||||
D [а2 (0]> |
a следовательно, |
|
и дисперсию |
D [а (£)], |
так как |
вслед |
||
ствие независимости а, (t) и а., (t) |
|
|
|
|
|
|||
|
D[a(0] = |
D[a1 (0] + |
DK(01. |
(9.131) |
||||
Для |
дисперсии D [а2 (i)J, |
согласно |
(129), при а2 (0) = 0 |
имеем |
||||
|
D[*1(t)] = |
T * D [ u A i - e ~ r ) ’ |
(9Л32) |
|||||
откуда по окончании переходного процесса получим |
|
|||||||
|
D К |
(*)1 = r zD [а ]. |
|
|
(9.133) |
|||
Так как М [cos ЛГ] = 0 , |
то |
Г1 |
|
|
|
|
||
|
D [cos К] = М [cos2 Я[ = М |
|
1 1 |
-rj- > |
|
|||
|
у (1 + |
cos 2Ä")J = |
|