ЭНП Конспект короткий

31

К гирокамерам 1 жестко прикреплены кронштейны 2, обращенные в противоположные стороны. Кронштейны соединены шарнирной тягой 3, которая связана с корпусом гиросферы при помощи двух пружин 4. Эти пружины устанавливают гироскопы так, что их главные оси образуют между собой угол 90о.

Относительно гиросферы гироскопы могут поворачиваться одновременно только вокруг их вертикальных осей в противоположные стороны и на одинаковые углы, при этом пружины 4 будут соответственно растягиваться. Если разло-

жить векторы Н1 и Н2 на составля-

ющие по осям гиросферы, то видно,

что составляющие Ну направлены в

противоположные стороны и ком-

пенсируют друг друга. Составляю-

щие Нх одинаковы по величине и

направлению, поэтому кинетический момент гиросферы Нг = 2Нх. То есть, двухгироскопный ЧЭ можно рассматривать как одногироскопный с Нг = 2Нх. На этом основании линию,

определяемую вектором 2Нх, и называют главной осью гиросферы.

При качке судна силы FW(Е) каждые полпериода (перид качки τк = 5 – 15 сек.) стремятся повернуть гиросферу вокруг оси Х–Х, создавая моменты Lx, Моменты располагается на главной оси Х–Х и меняет свое направление также каждые полпериода. Соответственно гироскопы будут периодически поворачиваться вокруг своих вертикальных осей (Н1 и Н2 стремятся к Lx), что приводит к растягиванию пружин антипараллелограммного механизма.

Таким образом, вместо того, чтобы разворачивать гиросферу вокруг главной оси N – S, сила инерции FW(Е). будет вызывать прецессионное движение гироскопов вокруг их вертикальных осей то в одну, то в другую сторону.

Благодаря этому гиросфера приобретает значительную динамическую инерцию в плоскости E – W, в чем и проявляется стабилизирующее действие гироскопов.

Ось Y–Y двухгироскопного ЧЭ при качке судна остается практически горизонтальной, а это значит, что составляющая Lz отсутствует и погрешность качки не возникает.

Наличие 2-х гироскопов в гиросфере обеспечивает незатухающие колебания оси Х–Х с периодом Т′к, составляющим 15 – 20 мин.

Отношение к2 /Т'к2 – коэффициент снижения погрешности качки по сравнению с одногироскопной системой составляет примерно 1/1000. В реальных условиях плавания суммарная погрешность δк у ГК типа “Курс” при значительной качке составляет 1,0 – 1,5о.

33

Примеры некоторых гирокомпасов с АЧЭ.

Гирокомпасы “Standard 20/22” – разработка «Anschutz», Германия – представляют собой наиболее совершенные и высокоточные приборы в классе двухгироскопных гирокомпасов с автономным чувствительным элементом [6].

Основной прибор, изображенный на рис. 2.20, слева, показан в разрезе, где видны гиросфера, в верхней части – панель электроники, включая навигационный микропроцессор; на виде сбоку (рис. 2.20, справа) видны помпа, обеспечивающая гидродинамический подвес гиросферы (диаметром 115 мм), резервуар с гиросферой, сильфонный подвес, панель электроники).

Рис. 2.20. Основной прибор гирокомпаса “Standard 20”

Основные технические характеристики гирокомпаса “Standard 20”:

Гирокомпасы “Navigat X MK1/МК2” – разработка «Sperry Marine», США и YOKOGAWA CMZ900 (Япония) относятся к классу двухгироскопных гирокомпасов с автономным чувствительным элементом, имеющим гидростатический подвес [7].

Существенным конструктивным отличием этих гирокомпасов является способ центрирования чувствительного элемента (гиросферы) осуществляемый с помощью механического, утонченного на конце стержня, в который упирается гиросфера, имеющая всегда положительную плавучесть.

Технические характеристики гирокомпасов практически такие же, как и у гирокомпасов “Standard 20/22”.

34

3.ГИРОКОМПАСЫ С КОРРЕКТИРУЕМЫМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ

3.1. Принцип действия (базовая модель)

Значительная часть гирокомпасов, используемых на флоте, представлена

ввиде двух основных классов: гирокомпасы с непосредственным управлением и гирокомпасы с косвенным управлением.

Гирокомпасом с косвенным управлением называется такой компас, чувствительный элемент которого представляет собой астатический гироскоп, управление движением которого осуществляется с помощью датчиков моментов по сигналам индикатора горизонта, вырабатывающего сигнал, пропорциональный углу отклонения главной оси гироскопа от плоскости горизонта.

Кроме того, гирокомпасы с косвенным управлением, как правило, являются корректируемыми т.е. такими, у которых положение равновесия главной оси чувствительного элемента в азимуте и по высоте можно целенаправленно изменять. Крректирующие сигналы на основе внешней информации о скорости судна и географической широте формируются в вычислительном устройстве гирокомпаса.

Типичным представителем корректируемых гирокомпасов с косвенным управлением является гироазимуткомпас (ГАК) "Вега", имеющий два режима работы[3, 5, 9].

Впервом режиме прибор работает в качестве корректируемого ГК с косвенным управлением, главная ось которого при движении судна с постоянной скоростью и неизменным курсом располагается вдоль полуденной линии NS и указывает плоскость истинного меридиана.

Во втором режиме прибор работает в качестве гироазимута. В этом случае главная ось прибора будет с определенной точностью в течение некоторого интервала времени сохранять то азимутальное направление, которое указывал гироскоп при переключении его с режима гирокомпаса на режим гироазимута.

Рассмотрим функциональную схему гироазимуткомпаса в ее упрощенном виде и представленную на рис. 8.

Основной частью ГАК является гироблок, к которому относятся: гиросфера, подвес, следящая система.

Чувствительным элементом является гиросфера ГС, внутри которой размещен астатический гироскоп, представляющий собой асинхронный, трехфазный двигатель. Ось Х–Х является главной (направление вектора кинетического момента Н). Центр тяжести гиросферы совмещен с ее геометрическим центром.

Гиросфера ГС размещена внутри следящей сферы 1, представляющей собой сферическую выточку внутри гироблока. Весь корпус гироблока находится

восновном приборе гирокомпаса и подвешен с помощью системы кардановых колец – установочного горизонтального, внутреннего горизонтального, наружного вертикального и имеет три степени свободы.

Относительно следящей сферы гиросфера центрируется с помощью двух

35

пар торсионов 2 – тонких стальных нитей – горизонтальных и вертикальных. Горизонтальные торсионы жестко связывают гиросферу с промежуточным кольцом 3, а само кольцо посредством вертикальных торсионов имеет такую же жесткую связь с внутренней поверхностью следящей сферы.

Кроме этого, через торсионы обеспечивается наложение управляющих моментов на гиросферу и подача электропитания на гиромотор ЧЭ.

На установочном кардановом кольце, непосредственно связанном с корпусом гироблока, вдоль его оси Y–Y размещен индикатор горизонта ИГ – электромеханическое маятниковое устройство, реагирующее на положение главной оси гиросферы относительно плоскости горизонта.

Рис. 8. Функциональная схема гироазимуткомпаса

Функциональная схема реализует три системы: следящую, управления и коррекции.

Следящая система. На корпусе гиросферы установлены статоры двухкоординатных электромагнитных датчиков углов ДУ, а их роторы размещены на следящей сфере строго против статорной их части. Положение гироскопа относительно горизонтной системы координат (ONEn) определяется углами α и β, а положение следящей сферы – углами αс и βс Тогда, измеряемые датчиком ДУ углы рассогласования следящей сферы и гиросферы по азимуту будут составлять (α – αс), а по высоте – (β – βс).

Чтобы гиросфера была свободна от внешних моментов, необходимо торсионы постоянно удерживать в раскрученном состоянии. Для этой цели в гироазимуткомпасе имеются две следящие системы стабилизации:

– азимутальная, включающая ДУ (по углу α), усилитель Ус.А и двигатель азимутальной стабилизации Двм;

36

– горизонтная, включающая ДУ (по углу β), усилитель Ус.Г и двигатель горизонтной стабилизации Дгм;

При рассогласовании следящей сферы относительно гиросферы с ДУ снимаются электрические сигналы

Uα = kду (α – αс) и Uβ = kду (β – βс),

где kду – коэффициент передачи датчика угла.

Эти сигналы через соответствующие усилители подаются на двигатели стабилизации, которые работают до тех пор, пока поступающие на них сигналы не станут равными нулю, т.е. когда выполнятся равенства α = αс и β = βс.

Таким образом, любой поворот судна либо его рыскание на волнении, как вокруг вертикальной оси так и вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной вектору кинетического момента Н гироскопа, будут тот час же отрабатываться стабилизирующими двигателями. Следящая сфера будет сохранять согласованное положение с гиросферой, в котором торсионы остаются незакрученными.

В этом режиме работы следящей системы ЧЭ обладает свойством сво-

бодного гироскопа, т.е. главная ось гиросферы будет сохранять неизменным свое направление в инерциальном пространстве.

Система управления. Чтобы превратить полученный свободный гироскоп в чувствительный элемент гирокомпаса необходимо обеспечить непрерывное приведение главной оси ГС в плоскость истинного меридиана путем наложения на гиросферу управляющих моментов.

С этой целью используется управляющий электрический сигнал индикатора горизонта ИГ, который представляет собой плоский физический маятник, укрепленный по оси Y–Y гироблока. Его ось чувствительности параллельна главной оси гироскопа, поэтому он реагирует как на изменение угла βс наклона следящей сферы, так и на линейное ускорение VN вследствие маневрирования судна.

В схеме применяются два канала управления:

– горизонтальный – создает горизонтальный момент относительно оси Y- Y и тем самым вызывает прецессию ЧЭ в азимуте – включает в себя индикатор горизонта ИГ, усилитель Ус.Г, двигатель горизонтальной стабилизации Дгм и горизонтальные торсионы;

– вертикальный (горизонтный)– создает вертикальный момент относительно оси Z-Z и тем самым вызывает прецессию ЧЭ по высоте, т.е. относительно плоскости истинного горизонта – включает в себя индикатор горизонта ИГ, усилитель Ус.А, двигатель вертикальной стабилизации Двм и вертикальные торсионы;

Для уяснения работы канала управления считаем, что судно неподвижно и главная ось гиросферы первоначально находится в меридиане и параллельна плоскости истинного горизонта. Но, уже в следующий момент времени, из-за вращения Земли, северный конец оси ГС окажется в восточной половине гори-

37

зонта (появляется угол α), которая, как известно, непрерывно опускается –

наблюдается видимый подъем оси ГС над горизонтом – появляется угол β.

Следящая система синхронно отрабатывает возникающие углы рассогласования и следящая сфера так же получает подъем по высоте на угол β.

Поскольку индикатор горизонта жестко связан со следящей сферой по оси Y–Y, то с его выхода снимается сигнал пропорциональный углу βс. Этот сигнал поступает в оба канала управления. Уровни сигналов (напряжений) различны, они суммируются с сигналами Uβ и Uα, поступающих от датчиков углов, и через усилители подаются на двигатели. Поэтому двигатели горизонтальной и азимутальной стабилизации работают до тех пор, пока результирующие сигналы на входе усилителей не станут равными нулю:

В результате работы двигателей следящая сфера будет развернута относительно гиросферы на некоторые углы (α – αс) и (β – βс), что приведет к закрутке горизонтальных и вертикальных торсионов. Торсионы имеют определенную жесткость – сопротивление к закручиванию. Возникшие крутящие моменты через установочное кольцо 3 (на схеме рис. 8) будут приложены к гиро-

где Ay и Az – модули горизонтального и вертикального моментов соответственно, учитывающие жесткость торсионов и приведенный коэффициент передачи индикатора горизонта.

Момент Ly служит для образования незатухающих колебаний, а Lz обеспечивает образование затухающих колебаний. При действии на свободный гироскоп двух моментов, значения которых пропорциональны углу β, его главная ось непрерывно будет прецессировать к истинному меридиану и стремиться одновременно занять горизонтальное положение.

Информация о текущем значении компасного курса КК поступает к внешним потребителям от сельсина-датчика курса СДК, который механически связан с двигателем канала азимутальной стабилизации Двм.

Таким образом, при движении судна и любом изменении его курса (и при отсутствии движения) двухканальная следящая система непрерывно обеспечивает согласование следящей сферы с чувствительным элементом, а двухканальная система управления непрерывно оказывает на него управляющее воздействие, выполняя функцию превращения свободного гироскопа в курсоуказатель.

Система коррекции. Для коррекции статических погрешностей гирокомпаса в блоке коррекции (в его вычислительном устройстве ВУ) формируются корректирующие сигналы Uк1 и Uк2, которые подаются в соответствующие каналы управления. Наличие этих сигналов приводит в конечном счете к дополнительному закручиванию вертикальных и горизонтальных торсионов, т.е. к созданию дополнительных компенсирующих моментов Lyк и Lzк.

На вход ВУ подается внешняя информация о компасном курсе КК, скоро-

38

сти судна Vc и широте плавания φ.

На основе данных о КК, Vc и φ вырабатывается напряжение Uк1, что соответствует создаваемому корректирующему моменту Lyк, позволяющему компенсировать так называемую широтную погрешность δφ, возникающую у гирокомпасов данного типа.

При использовании тех же входных данных в ВУ вырабатывается напряжение Uк2, что соответствует создаваемому корректирующему моменту Lzк, позволяющему компенсировать в показаниях гирокомпаса скоростную погрешность δv, неизбежно возникающую при движении судна.

Врезультате коррекции главная ось ЧЭ в равновесном положении будет находиться в плоскости истинного меридиана и в плоскости горизонта.

Врежиме гироазимута (в этом случае переключатель ГА/ГК должен быть разомкнут) сигнал с индикатора горизонта поступает только на вертикальный (горизонтный) канал косвенного управления, благодаря которому главная ось гиросферы удерживается в плоскости горизонта. Горизонтальный же канал отключен (управление от ИГ в азимуте отсутствует). Однако, при этом

сохраняется действие корректирующего сигнала Uк1 – создаваемый момент Lyк обеспечивает следование главной оси ЧЭ за меридианом наблюдателя (с определенной точностью).

Этот режим используется при маневрировании судна, особенно в высоких широтах и на больших скоростях, для уменьшения погрешностей, вызываемых действием сил инерции на индикатор горизонта.

3.2. Анализ работы гирокомпаса

Система дифференциальных уравнений, описывающих движение главной оси ЧЭ без корректирующих моментов для гирокомпаса, установленного на неподвижном основании, выглядит следующим образом [2, 3 ]:

где Ay и Az – модули горизонтального и вертикального моментов соответственно и выражаются через соответствующие коэффициенты передачи данных каналов управления.

Модуль Ay выполняет функцию маятникового момента и служит для образования незатухающих колебаний ЧЭ, а Az – демпфирующего момента и обеспечивает гашение этих колебаний.

Положение динамического равновесия главной оси ЧЭ. Используем систему уравнений (3.1). В равновесном положении ось ЧЭ неподвижна, поэтому α β 0. Частное решение уравнений в виде α = αr = сonst и β = βr = сonst даст результат: из первого уравнения находим

39

~sin

β H ω ;

r Ay

подставляя найденное значение βr во второе уравнение, получим

r Az tg . Ay

Наличие угла βr (подъем над горизонтом) обеспечивает угловую скорость прецессионного движения главной оси ЧЭ равной угловой скорости меридиана наблюдателя, следовательно, относительная скорость равна нулю. Этот процесс “погони” главной оси за меридианом наблюдателя происходит непрерывно.

Угол βr имеет небольшую величину – единицы дуговых минут – и уменьшается с уменьшением широты.

Однако ось не установится точно в плоскости истинного меридиана, как это было у гирокомпаса с автономным чувствительным элементом, а будет сдвинута в азимуте на угол αr, что видно из решения уравнения (3.1).

У гирокомпаса с непосредственным управлением для образования затухающих колебаний использовался метод горизонтального момента (дополнительный момент по оси Y–Y, создаваемый масляным успокоителем), здесь же

используется метод вертикального момента Lz, что приводит к появлению погрешности, называемой девиацией затухания либо широтной погрешностью:

r Az tg .

Ay

Широтная погрешность δφ зависит от конструктивных параметров гирокомпаса – отношения Az/Ay и от широты места. Для уменьшения δφ отношение Az/Ay стремятся сделать по возможности малым (0,03 – 0,05). В высоких широтах плавания δφ, имея тангенциальную зависимость, может достигать значительной величины. Для ее исключения используется корректирующее устройство.

Закон движения главной оси ЧЭ в азимуте. Работа ГАК с косвенным управлением (без коррекции), установленного на неподвижном основании, описывается дифференциальными уравнениями (3.1). Общее решение системы уравнений (3.1), определяющее движение главной оси гиросферы в азимуте, имеет вид:

Ae-ht sin(ωdt ψ),

где А – постоянная интегрирования; h – коэффициент затухания;

ωd – частота затухающих колебаний; ψ – начальная фаза.

40