книги из ГПНТБ / Нечаев П.А. Электронавигационные приборы учебник

плотностью и малой вязкостью. Конструкция гидравлического маятни­ ка рассчитана таким образом, чтобы период свободных колебаний ртути в сосудах составлял 13—15 с. Это необходимо для предотвращения влияния качки на гирокомпас. Для обеспечения такого периода колеба­ ний нижняя соединительная трубка подбирается соответствующего диаметра и длины и подвергается специальной обработке.

В двухгироскопных компасах маятниковый эффект достигается снижением центра тяжести чувствительного элемента относительно его центра симметрии.

Момент, создаваемый гидравлическим маятником, противоположен по знаку моменту твердого маятника, поскольку избыток жидкости, создающий момент, образуется в опустившемся сосуде. Поэтому у ги­ рокомпасов с гидравлическим маятником вектор кинетического момен­ та направлен в противоположную, чем у гирокомпасов с твердым маятником, сторону (к югу, а не к северу).

Для погашения незатухающих колебаний гирокомпаса около ме­ ридиана служат успокоители колебаний. В одногироскопных компа­ сах успокоитель колебаний обычно представляет собой небольшой груз, присоединенный к гирокамере с западной стороны. Он гасит ко­ лебания чувствительного элемента методом вертикального момента (см. § 11). Вес груза и его расстояние от точки подвеса чувствительного элемента подбираются такими, чтобы был обеспечен нужный фактор затухания (обычно 2—7) при погашении колебаний.

В двухгироскопных компасах погашение колебаний происходит с помощью гидравлического успокоителя, присоединенного к чувстви­ тельному элементу. Принципиально он устроен так же, как гидравли­ ческий маятник одногироскопных компасов, обеспечивающих связь гироскопа с Землей, т. е. состоит из двух сообщающихся сосудов, соединенных трубками малого диаметра. Но для обеспечения затухания период колебаний рабочей жидкости успокоителя должен быть значи­ тельно больше, чем период колебаний ртути в сосудах одногироскопного компаса, и равен периоду собственных незатухающих колебаний гирокомпаса. Для обеспечения такого большого периода в качестве рабочей жидкости успокоителя применяют вязкое масло. В некото­ рых конструкциях двухгироскопных компасов предусмотрено выклю­ чение успокоителя колебаний на время маневра. С этой целью перекры­ вают нижнюю соединительную трубку успокоителя с помощью электро­ магнитного реле выключателя затухания.

У корректируемых одногироскопных компасов превращение сво­ бодного гироскопа в гирокомпас достигается приложением к нему моментов, пропорциональных углу отклонения главной оси от плоско­ сти истинного горизонта. Моменты создаются закручиванием торсионов на определенный угол с помощью специальных датчиков мо­ мента. Горизонтальный торсионный момент эквивалентен маятнико­ вому моменту гирокомпаса, вертикальный — гасящему колебания.

Тем же путем создаются моменты, компенсирующие непосредствен­ но на гироскопе скоростную и широтную погрешности гирокомпаса.

Отключение сигнала, создающего момент, эквивалентный маятни­ ковому, превращает прибор в гироскоп направления (гироазимут).

120

§ 32. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ

Сведения о системах автоматического регулирования. Некоторые современные технические средства судовождения основаны на приме­ нении систем автоматического регулирования. Эти системы позволяют автоматизировать различные операции и процессы управления судном, а также автоматизировать работу различных приборов и механизмов, устранив полностью или частично вмешательство человека в их работу.

В общем случае система автоматического регулирования состоит из регулятора и регулируемого объекта. Регулятор включает в себя ряд элементов, оказывающих регулирующее воздействие на регули­ руемый объект. К этим элементам относятся (рис. 78) датчик Д , срав­ нивающее устройство СУ, усилительно-преобразующее устройство и регулирующий орган.

Рис. 78. Принципиальная схема системы автоматического регулирования

Основной особенностью всякой системы автоматического регулиро­ вания является то, что она замкнута с помощью так называемой об­ ратной связи. Обычно под обратной связью понимается передача вы­ ходного сигнала одного из последующих элементов обратно на вход одного из предшествующих элементов того же автоматического ус­ тройства. Различают положительную и отрицательную обратную связь. Если выходной сигнал, передаваемый на предшествующий элемент, складывается с его сигналом, т. е. имеет тот же знак, то такая обратная связь называется положительной; если он вычитается, т. е. имеет об­ ратный знак, то обратная связь называется отрицательной. В системах автоматического регулирования чаще всего применяется отрицатель­ ная обратная связь. В частности, в большинстве электронавигационных приборов применяются именно такие системы автоматического регулирования.

Принцип работы системы автоматического регулирования заклю­ чается в следующем. В результате воздействия каких-либо внешних причин на регулируемый объект на входе системы появляется так на­ зываемая р е г у л и р у е м а я в е л и ч и н а , т. е. та физическая величина, которая либо поддерживается постоянной, либо может ме­ няться произвольно или по любой заданной программе.

121

Д а т ч и к , в который поступает регулируемая величина, служит для преобразования неэлектрической регулируемой величины (напри­ мер, угла 0) в электрический сигнал и.

Если регулируемая величина не может быть непосредственно пре­ образована в электрический сигнал, то ее вначале преобразуют в меха­ ническое перемещение с помощью так называемого чувствительного элемента (например, мембрана гидравлического лага, преобразующая гидродинамическое давление в механическое перемещение контакт­ ного устройства), а затем уже в электрический сигнал. Таким образом, датчик фактически является преобразователем регулируемой вели­ чины.

С р а в н и в а ю щ е е у с т р о й с т в о (дифференциальный узел), куда поступает с датчика сигнал и и одновременно сигнал обратной связи, служит для сравнения двух величин: регулируемой и и сигнала обратной связи ult т. е. оно вырабатывает сигнал рассогласования «2, равный алгебраической разности этих сигналов, т. е.

И2 == Н J r III •

Знак перед сигналом обратной связи зависит от того, положитель­ ная или отрицательная обратная связь применена в данной системе автоматического регулирования. Далее сигнал рассогласования и2 поступает в усилительно-преобразующее устройство.

У с и л и т е л ь н о - п р е о б р а з у ю щ е е у с т р о й с т в о предназначено для усиления и преобразования сигнала рассогласова­ ния. Введение усилителя объясняется тем, что в большинстве систем автоматического регулирования слабые управляющие сигналы на входе не могут непосредственно управлять работой автоматического устрой­ ства. Поэтому сигналы датчика, поступающие в это устройство, уси­ ливаются и преобразуются в нем в достаточно мощные импульсы, спо­ собные воздействовать на регулируемый объект. Далее усиленный сиг­ нал и'2 поступает на регулирующий (исполнительный) орган.

Р е г у л и р у ю щ и й о р г а н , получая усиленный и преобра­ зованный сигнал, оказывает регулирующее воздействие 0Хна регули­ руемый объект в соответствии с изменением регулируемой величины. Если на регулируемый объект должна воздействовать механическая энергия, то обычно в качестве исполнительного механизма применяется электродвигатель. Одновременно с регулирующим воздействием испол­ нительный механизм с помощью специальных устройств вырабаты­ вает сигнал обратной связи иг, который поступает на сравнивающее устройство. Следовательно, вырабатываемое исполнительным механиз­ мом регулирующее воздействие стремится компенсировать внешнее воздействие на регулируемый объект, т. е. устранить с помощью обрат­ ной связи сигнал рассогласования. Применение отрицательной обрат­ ной связи заставляет исполнительный механизм всегда точно следить за любым изменением регулируемой величины. Иными словами, он постоянно стремится уничтожить возникший сигнал рассогласования.

Таким образом, характерной особенностью системы автоматиче­ ского регулирования является то, что само рассогласование есть дви­ жущий сигнал для системы. Всякое появление рассогласования, неза­

122

висимо от причины его возникновения, одновременно создает в системе воздействие, направленное на устранение этого рассогласования. Та­ ким образом, система будет «отрабатывать» задаваемый на входе сигнал.

Главная задача системы автоматического регулирования состоит в том, чтобы как можно точнее отработать входную величину, т. е. как можно полнее компенсировать влияние всех возмущающих воздейст­ вий на регулируемый объект.

Все системы автоматического регулирования подразделяются на две основные группы.

Си с т е м ы с т а б и л и з а ц и и — такие системы, в которых регулируемая величина поддерживается постоянной. Примером дан­ ной системы могут служить приборы стабилизации напряжения и час­ тоты генераторов гирокомпасов с помощью блока регулировки частоты (БРЧ-201) или магнитного регулятора оборотов (РОМ-ЮМ).

Сл е д я щ и е с и с т е м ы — такие системы, в которых на выходе воспроизводится входная величина, произвольно изменяющаяся во вре­

мени.

Следящие системы. Принцип действия следящих систем аналогичен общему принципу работы системы автоматического регулирования. Возникший на входе системы сигнал рассогласования должен быть скомпенсирован исполнительным механизмом. Таким образом, испол­ нительный механизм постоянно как бы «следит» за сигналом датчика и согласует систему с определенной степенью точности.

Следящие системы по режиму работы разделяются на два основных вида: релейные и непрерывные.

Р е л е й н ы е с л е д я щ и е с и с т е м ы характеризуются по­ стоянством скорости отработки независимо от величины и скорости из­ менения сигнала рассогласования. Примером такой системы является следящая система отечественного гидродинамического лага, которая обеспечивает измерение гидродинамического давления с помощью спе­ циальной компенсационной системы.

С л е д я щ и е с и с т е м ы н е п р е р ы в н о г о д е й с т в и я характеризуются плавной отработкой сигнала рассогласования, а так­ же пропорциональностью вращающего момента исполнительного дви­ гателя величине этого сигнала. Примером следящей системы непре­ рывного действия может служить следящая система гирокомпаса.

Как уже указывалось выше, следящая система гирокомпаса пред­ назначается для устранения рассогласований чувствительного элемента гирокомпаса с поддерживающими его частями, появляющихся в про­ цессе работы прибора, а также для обеспечения дистанционной пере­ дачи показаний основного компаса.

Рассмотрим блок-схему следящей системы гирокомпаса типа «Курс»

(рис. 79).

Допустим, что на управляемый объект (следящую сферу основного прибора) в какой-то определенный момент воздействует внешнее воз­ мущающее усилие (например, рыскание судна). В результате следящая сфера поворачивается относительно гиросферы и на входе системы появляется угол рассогласования 0. Датчик сигнала рассогласования (жидкостный электрический мост сопротивлений — мост Уитстона)

123

преобразует угол рассогласования в электрический сигнал рассогла­ сования и. Если мощность сигнала и недостаточна для управления пре­ образующим устройством, то он предварительно подается на усили­ тель. Затем усиленный сигнал их поступает в преобразующее устройст­ во на вспомогательную обмотку следящего электродвигателя, механи­ чески связанного с датчиком дистанционной передачи. При наличии сигнала их во вспомогательной обмотке следящего двигателя последний начнет вращаться и одновременно поворачивать ротор датчика дистан­ ционной передачи. Датчик дистанционной передачи электрически свя­ зан с исполнительным органом системы (азимут-мотором основного

Рис. 79. Принципиальная блок-схема следящей системы гирокомпаса типа «Курс»

компаса) и приемниками дистанционной передачи. При вращении ро­ тора датчика в цепи фазных обмоток датчика и приемников возникнут уравнительные токи / и'роторы приемников начнут синхронно повора­ чиваться вслед за ротором датчика (см. § 34). Следовательно, азимутмотор, ротор которого механически связан со следящей сферой (об­ ратная связь), начнет поворачивать управляемый объект в сторону уменьшения угла рассогласования. С уменьшением сигнала рассогла­ сования скорость отработки уменьшается, и при исчезновении рассо­ гласования, т. е. в тот момент, когда азимут-мотор возвратит следя­ щую сферу в согласованное положение относительно гиросферы, систе­ ма останавливается. Для того чтобы система не переходила согласо­ ванное положение, применяются специальные демпфирующие устрой­ ства, обеспечивающие высокую точность отработки следящей системы.

Таким образом, следящая система гирокомпаса как бы следит за согласованным положением следящей сферы относительно гиросферы. Так как гиросфера неподвижна относительно гирокомпасного мери­ диана, то всякое отклонение объекта (судна) от курса фиксируется следящей системой и с помощью дистанционной передачи показаний передается на принимающие приборы.

Кроме рассмотренной системы, работающей только по величине угла рассогласования, имеются следящие системы, которые свою задачу выполняют не только по углу, но и по скорости изменения угла рассогласования. Примером подобной системы может служить следя-

124

щая система отечественного бесконтактного авторулевого. Введение в следящую систему элемента скорости изменения угла рассогласова­ ния значительно повышает точность отработки следящей системы и и создает более благоприятные условия для работы исполнительного органа.

Элементы следящих систем гирокомпасов. В зависимости от типа гирокомпаса применяют и различные конструктивные варианты их следящих систем, наиболее отвечающие требованиям каждого типа гирокомпасов. В одногироскопных компасах применяется так назы­ ваемая индукционная следящая система; у двухгироскопных компасов с жидкостным подвесом чувствительного элемента — мостовая следя­ щая система на сопротивлениях.

двигателя.

Вкачестве первых индукционных датчиков в схеме одногироскоп­ ных компасов применяли следящие трансформаторы.

Однако конструктивные параметры следящего трансформатора, несмотря на его огромные преимущества по сравнению с контактными датчиками, не удовлетворяли высоким требованиям, предъявляемым

ксовременным следящим системам.

Внастоящее время для гирокомпасов созданы высокоточные ин­ дукционные следящие системы, чувствительность которых состав­ ляет менее одной дуговой минуты. В частности, разработана сле­ дящая система на базе индукционного датчика угла типа ДУ-11, чувствительность которого значительно больше, чем у любого из из­ вестных типов следящих трансформаторов.

Индукционный датчик угла ДУ-11 (рис. 80) состоит из статора и ротора-съемника.

Статор (см. рис. 80, а) представляет собой разрезанный торо­ идальный сердечник /, набранный из листового трансформаторного железа, на который намотана обмотка возбуждения.

При питании обмотки переменным током повышенной частоты в за­ зоре 2 статора возникает переменное магнитное поле.

Ротор-съемник (см. рис. 80, б) датчика угла состоит из двух плос­ ких катушек 3, опрессованных компаундной массой в тонкую пластин­ ку, которая может перемещаться вдоль зазора 2 статора, причем плос­ кости катушек остаются всегда перпендикулярными направлению магнитного потока статора.

125

Катушки имеют одинаковое число витков, соединены последова­ тельно и включены навстречу друг другу.

Принцип действия датчика угла аналогичен принципу действия следящего трансформатора и заключается в следующем.

Магнитный поток статора, пересекая катушки ротора, индукти­ рует в них переменную э. д. с.

Когда сердечник статора симметрично перекрывает обе катушки ротора, сопротивления магнитных цепей катушек равны между собой и благодаря встречному включению индуктируемые в них э. д. с. одинаковы но величине, но противоположны по направлению. Следо­ вательно, когда ротор занимает среднее положение относительно ста­ тора, суммарное напряжение на выходе этих катушек равно нулю.

Отклонение ротора в любую сторону нарушает равенство сопротив­ лений магнитных цепей катушек, и через одну из них будет прохо­ дить большая часть магнитного потока статора. В результате наруша­ ется равенство индуктируемых э. д. с. и на выходе катушек ротора появляется разностная э. д. с. (сигнал рассогласования), фаза которой зависит от направления, а величина—от угла поворота ротора от нейтрального положения относительно статора.

При согласованном положении следящего элемента и гирокамеры ротор располагается в зазоре симметрично относительно статора и, следовательно, сигнала рассогласования не будет.

При воздействии на гирокомпас каких-либо внешних возмущений (поворот судна, рыскание на курсе, качка и т. и.) происходит рассо­ гласование чувствительного и следящего элементов компаса. В резуль­ тате ротор-съемник датчика угла смещается в ту или иную сторону относительно согласованного положения со статором и на выходе ка­ тушек ротора возникает сигнал рассогласования, который поступает на вход усилителя.

Усиленный сигнал рассогласования с выхода усилителя подается на вспомогательную обмотку следящего двигателя.

Начальная фаза тока во вспомогательной обмотке следящего двига­ теля, а следовательно, и направление его вращения зависят от взаим­ ного расположения статора и ротора-съемника датчика угла.

При возникшем рассогласовании следящей двигатель начинает отработку.

Вращение ротора двигателя, передаваемое через редуктор следя­ щему элементу, происходит всегда в направлении согласования чув­ ствительного и следящего элементов, т. е. следящий двигатель всегда

вновь в согласованном положении (ротор датчика угла займет среднее положение относительно статора), сигнал рассогласования исчезнет и двигатель остановится.

При рассогласовании в другую сторону на выходе катушек роторасъемника появится сигнал рассогласования, отличный по фазе от предыдущего на 180°. Следящий двигатель начнет вращение в проти­ воположную сторону, опять согласовывая следящий и чувствитель­ ный элементы.

126

Благодаря высокой чувствительности следящей системы (которая характеризуется тем минимальным углом рассогласования, при до­ стижении которого начинает отработку следящий двигатель) угол

на ничтожно малую величину.

Таким образом, при воздействии внешних возмущений следящий элемент практически остается неподвижным относительно гирокамеры и вредные моменты в подвесе сводятся к минимальным величинам, которые не оказывают заметного влияния на точность показаний ги­ рокомпаса.

Кроме того, высокочувствительная следящая система обеспечи­ вает весьма точную передачу соответствующих торсионных моментов на чувствительный элемент.

Следовательно, точность показаний одногироскопных компасов в первую очередь зависит от качества работы следящей системы, ко­ торая (в отличие от схем двухгироскопных компасов) в этом слу­ чае принципиально необходима. Без следящей системы одногироскопные компасы с торсионным и комбинированным подвесами работать не могут.

Применение индукционной следящей системы в схеме гирокомпа­ сов позволило устранить механическое взаимодействие между чувст­ вительным и следящим элементами, повысив тем самым их точность, а также позволило значительно уменьшить габариты и вес основного компаса, не уменьшая его надежности и долговечности.

Индукционная следящая система применяется только в одно­ гироскопных компасах с торсионным и комбинированным (жидкост­ но-торсионным) подвесами чувствительного элемента. В гирокомпа­ сах с одним жидкостным подвесом чувствительного элемента она не применяется.

М о с т о в а я с л е д я щ а я с и с т е м а применяется в двух­ гироскопных компасах типа «Курс». Она основана на принципе электрического моста сопротивлений (мост Уитстона).

Следящая система в двухгироскопных компасах типа «Курс», так же как и в одногироскопных, служит для дистанционной передачи пока­ заний, а также для уменьшения трения в подвесе гиросферы, так как при отработке следящей системы небольшой слой поддерживающей жидкости между гиросферой и следящей сферой благодаря молеку­ лярному сцеплению практически остается неподвижным. Кроме того, следящая система в таких гирокомпасах служит также для подвода электропитания к гиросфере.

На рис. 81 представлена принципиальная электрическая схема мостовой следящей системы гирокомпаса с жидкостным подвесом чувствительного элемента. В состав следящей системы (рис. 81, а) входят: гиросфера, следящая сфера, сигнальный трансформатор, усилитель, следящий двигатель и дистанционная передача, состоящая из датчика и азимут-мотора.

Мост сопротивления является датчиком сигнала рассогласования следящей системы. Эквивалентная схема моста дана на рис. 81, г.

127

Мост составлен двумя омическими и переходными сопротивлениями жидкости RJ и R2 между следящими электродами W1 и W2, следящей сферы и концами широкой части экваториального пояса гиросферы и постоянными индуктивными сопротивлениями Ri, являющимися

Рис. 81. Принципиальная электрическая схема мостовой следящей системы на сопротивлениях:

/ — гиросфера; 2 —следящая сфера; 3 — сигнальный трансформатор; 4 — усилитель; 5 — вспо­ могательная обмотка; 6 — следящий двигатель; 7 — главная обмотка; 8 — датчик; 9 — азимутмотор

половинами первичной обмотки сигнального трансформатора с вы­ веденной средней точкой. Схема моста в точках А и Б получает питание от второй и третьей фаз трехфазного переменного тока. Диагональ ВГ является вспомогательной обмоткой 5 следящего двигателя 6. Глав­ ная обмотка 7 этого двигателя питается от второй и третьей фаз трех­ фазного тока. Вторичная обмотка сигнального трансформатора не­ обходима только при работе следящей системы через усилитель.

128

Если следящая сфера находится в согласованном положении от­ носительно гиросферы, то переходные сопротивления R 1 и ^2 равны между собой (рис. 81, б), а следовательно, будут равны и токи, про­ текающие в плечах моста, т. е. последний будет находиться в элект­ рическом равновесии R I R L = R2R L-

В этом случае в диагонали моста между токами В я Г напряжение равно нулю и тока во вспомогательной обмотке следящего двигателя не будет.

При рассогласовании сфер, т. е. при повороте следящей сферы от­ носительно неподвижной гиросферы, или наоборот (с приходом гиро­ сферы в меридиан), переходные сопротивления RI и R2 не будут равны между собой (рис. 81, в), так как расстояние между одним из следя­ щих контактов и срезом широкого экваториального полупояса гиро­ сферы увеличится (или уменьшится), а между другим следящим кон­ тактом и противоположным срезом полупояса уменьшится (или уве­ личится). Равновесие моста нарушится, между точками В я Г появится разностная э. д. с., и через диагональ моста, т. е. вспомогательную обмотку следящего двигателя, потечет уравнительный ток.

Взаимодействие токов главной и вспомогательной обмоток следя­ щего двигателя создает вращающееся магнитное поле, которое увле­ кает за собой ротор последнего. Вращение следящего двигателя через механическую связь передается датчику дистанционной передачи, от которого работает азимут-мотор основного прибора.

Азимут-мотор начинает вращать следящую сферу в сторону умень­ шения угла рассогласования. Когда он возвратит следящую сферу в ис­ ходное (согласованное) положение, переходные сопротивления R 1 и R2 станут равны между собой, равновесие моста восстановится, ток во вспомогательной обмотке следящего двигателя исчезнет, и по­ следний остановится.

Таким образом, следящая система постоянно следит за чувствитель­ ным элементом, и показания картушек основного компаса, связанных со следящей сферой, практически всегда согласуются с показаниями гиросферы. Чувствительность следящей системы при работе без уси­ лителя составляет 0,5°.

Усилители применяют для увеличения чувствительности следя­ щей системы (иными словами, для увеличения точности показаний ги­ рокомпаса). Обычно в гирокомпасных схемах применяют различные типы усилителей. Вход любого усилителя подключен к вторичной об­ мотке сигнального трансформатора, а выход — к вспомогательной об­

случае, при согласованном положении гиросферы и следящей сферы, т. е. при равновесии схемы моста, через обе половины первичной об­

мотке трансформатора э. д. с. индуктироваться не будет. Нарушение равновесия моста вызывает появление в его диагонали ВГ уравни­ тельного тока. В этом случае по половинам первичной обмотки сигналь-