книги из ГПНТБ / Карпухин А.В. Приборы систем управления ракет учебное пособие

150

характеризует порог чувствительности ДУС. Движение гироузла под действием гироскопического момента начинается только тогда,

с которой гироскоп начнет реагировать на вращение основания своей прецессией:

штп ■

Величину угловой скорости шт1Пназывают порогом чувствитель­ ности ДУС. Если основание прибора вращается со скоростью,мень­ шей comin, гироузел отклоняться не будет. Для уменьшения порога,

чувствительности, т .е . для повышения восприимчивости прибсра к ма­ лым угловым скоростям,необходимо уменьшать величину момента сил трения в опорах оси гироуэла или увеличивать кинетический мо­ мент гироскопа.Порог чувствительности удается существенно уменьшить

Рис.3.16

применением поплавкового подвеса гироузла. Зависимость устано­ вившихся значений угла руСтот угловых скоростей вращения осно­ вания выражается статической характеристикой ДУС.

На рис.3.16а показана идеальная статическая характеристика, где fimax ~ максимальный угол отклонения гироузла, ограниченный упорами,Штах~ максимальная угловая скорость, измеряемая ДУС.

На ри с.3.166 приведена статическая характеристика с учетом мо­ мента сил трения. При вращении основания с угловыми скоростями, находящимися в диапазоне от - и>тсп до + сот ^л(этот диапазон на­

151

зывают зоной нечувствительности), гироскоп не реагирует на вращение.

Важной характеристикой ДУС является диапазон измеряемых скоростей

^max

Порог чувствительности современных ДУС с шарикоподшипниковым подвесом гироузла и механической противодействующей пружиной менее 0,01 1Т?ад/сек, а диапазон измерений 60 и более.

Датчик угловой скорости, как правило, используется в си­ стемах дистанционного измерения угловой скорости с и в си­ стемах автоматического управления полетом летательного аппа­ рата (ракеты, самолета, управляемого снаряда, космического корабля). При этом угол поворота гироузла, являющийся мерой угловой скорости, с помощью датчика угла преобразуется в про­ порциональный электрический сигнал. Датчики углов могут быть потенциометрическими, трансформаторного типа, емкостными, фо­

случае линейного (пропорционального) датчика величина снимаемо­

ДУ, $

"пр

Пружины, используемые в ДУС, делятся на механические и электрические. Механические пружины бывают винтовыми, торсион­ ного типа и пластинчатыми перекрещивающимися.

Механические пружины обладают рядом существенных недостат­ ков, которые приводят к инструментальным ошибкам прибора. Вопервых, они обладают гистерезисом. Реальная статическая харак­ теристика с учетом гистерезиса пружин имеет вид, показанный на ри с.3 .17 а. Во-вторых, невозможно добиться симметричности пружин, т .е . равенства развиваемых пружинами усилий при р = 0,

152

пружине практически невозможно иметь большой диапазон измере­ ний.

Указанные недостатки механических пружин ограничивает их использование при проектировании ДУС. В точных приборах для создания жесткой обратной связи находят широкое применение пэлектрические пружины" (ри с.3 .1 8 ). Устройство и принцип дей­ ствия электрической пружины выглядит следующим образом. На оси прецессии гироузла крепится ротор датчика момента ДЫ, статор которого жестко связан с корпусом прибора. Выход датчика угла ДУ связав со входом усилителя обратной связи. Выход усилителя через сопротивление нагрузки Й соединен с управляющей обмоткой датчика момента ДМ. Напряжение V tfS p с датчика угла ДУ посту­ пает на усилитель обратной свяви. С выхода усилителя напряже­ ние Vyc^Hyt Udyt где Нус - коэффициент усиления усилителя, по­ ступает на управляющую обмотку датчика момента ДМ, который создает момент Ч$н , равный

* МПрш На UyC—к[I t

где Hjj - коэффициент датчика момента по напряжению, зависящий от его конструктивных особенностей, Гсм/в;

153

Kj - коэффициент датчика ДМ по току, протекающему по об­ мотке управления ДМ, Гсм/а;

I- ток, протекающий по сопротивлению нагрузки и обмотке управления ДМ.

В установившемся режиме гироскопический момент уравнове­ шивается противодействующим моментом от датчика ДМ и отклоне­ ние гироузла прекращается. При этом

Измеряя падение напряжения на сопротивлении, судят о ве­ личине угловой скорости вращения основания. Напряжение l/^апо­ ступает в систему управления, где используется для качествен­ ного управления полетом объекта.

154

Датчики угловой скорости находят широкое применение в ав­ топилотах самолетов, в системах угловой стабилизации ракет и их головных частей, в орудийных прицелах и т .д .

Орудийные прицелы авиационных и зенитных артиллерийских установок имеют ДУС, которые автоматически определяют угод прицеливания, нужный для поражения воздушной цели. Гироскопы при этом вычисляют упреждение при наводке орудия. В процессе прицеливания ось ротора гироскопа (точнее ось Z i , с которой ось ротора совпадает лишь в начальный момент прицеливания) па­ раллельна прямой, соединяющей глаз наводчика с целью. Так как

Р ** irP^< •

Электрическое напряжение с датчика угла поступает в счет­ но-решающее устройство, которое при помощи следящей системы управляет установкой орудийных стволов при ведении огня с нуж­ ным упреждением.

По сообщениям печати во время второй мировой войны зенит­ ная артиллерия одного из кораблей, вооруженного гироскопиче­ скими орудийными прицелами, сбила в течение одного боя 32 са­ молета противника.

Баллистическая ракета иТитан" (США) имеет бортовую систему пДарак", которая включается в работу при падении-головной части на высоте 90 км и служит для стабилизации носового конуса ра­ кеты при входе в атмосферу. Небольшие датчики угловых скоростей регистрируют угловые отклонения по трем осям (реагируют на угловую скорость отклонения) и регулируют подачу рабочего те­ ла - гелия из баллонов в четыре сопла. Сопла расположены по

усилия, которые используются для стабилизации головной части. Для измерения угловой скорости вращения ракеты датчик угло­

вой скорости устанавливают на ней таким образом, чтобы его из­ мерительная ось была строго параллельна той оси ракеты, отно­ сительно которой измеряется угловая скорость вращения. Чтобы исключить неправильную установку гироприбора,на его корпус, который, как правило, выполняется закрытым и герметическим,

155

наносится точка со стрелкой 4^74. обозначающей направление измерительной оси прибора. Кроме того, на корпусе прибора име­ ются технологические метки, которые при креплении гироприбора совмещают с метками, находящимися на крепежных деталях объекта. Несоблюдение параллельности измерительных осей прибора и раке­ ты приводит к появлению ошибки в измерениях, которая называ­ ется установочной.

§ 3 .5 . ИНТЕГРИРУЮЩИЙ ДВУХСТЕПЕННЫЙ ГИРОСКОП

Интегрирующий двухстепенный гироскоп служит для измере­ ния угла поворота его корпуса (основания) вокруг оси, перпен­ дикулярной осям ротора и гироузла в их исходном положении.

Основными его элементами (ри с.3.19) являются: гиродвигатель,

Рис.3.19

Кинематическая схема интегрирующего гироскопа подобна схе­ ме дифференцирующего гироскопа (ДУС). Отличие состоит в том,

что интегрирующий гироскоп не имеет противодействующей пружины или каких-либо устройств, одинаковых с ней по назначению,т.е.

1Ь6

отсутствует жесткая отрицательная связь. Кроме того, удельный демпфирующий момент Кд гораздо выше, чем у дифференцирующего гироскопа.

Так как основным противодействующим моментом вращению ги­ роузла является момент от демпфера Мд , пропорциональный угло­ вой скорости вращения гироузла, интегрирующий гироскоп в авто­ матике называют гироскопом с гибкой обратной связью.

При вращении корпуса прибора вокруг измерительной оси с

дет к ускоренному повороту гироузла вокруг оси прецессии (вы­ ходной оси ). С началом движения гироузла возникнет момент, со­ здаваемый демпфером, который будет препятствовать вращению.

С учетом сил трения суммарный момент по оси прецессии будет выражаться Мх= Мгх-Мд-Мтх и угловое ускорение ех в начале прецессии будет

о_ Мгх Мд Мтх

------ — г*---------- 7

где Мтх - момент сил трения (для простоты будем считать, что

MJX= const) ;

1Х - момент инерции всех подвижных частей гироскопа от­ носительно оси прецессии;

Мд - момент, создаваемый демпфером, Ыд—Ндшх.

Так как угловая скорость и)х прецессии гироскопа непрерыв­ но возрастает (вследствие наличия ускорения), создаваемый демп­ фером момент Мд будет также увеличиваться, пока не достигнет величины МГХ~МТХ. При этом ускорение ех станет равным нулю и гироузел будет по инерции вращаться вокруг своей оси с постоян­ ной угловой скоростью со1(/ст,при которой соблюдается соотноше­ ние

Мд —Kg OJXyaTimMrx-Mrx .

Из этого равенства величина установившейся угловой скорости вращения гироуала

Шгуст ( 1 - е Ь ) г

где - постоянная времени интегрирующего гироскопа, характеризующая темп нарастания угловой скорости прецессии.

Так как коэффициент демпфирования в ряде случаев имеет большое числовое значение, постоянная времени невелика. Поэто­

му с достаточной степенью точности выполняется ли­ нейная зависимость угла

Р от <*. .

Интегрирующий гиро­ скоп в качестве прибора непосредственной оценки не используется, т .е . самостоятельного значе­ ния прибор не имеет, а используется в качестве чувствительного элемен­ та в различных автома­ тических системах ста­

билизации. Для дистанционной передачи своих показаний (угла поворота гироузла /3 ) прибор имеет датчик угла ДУ, с выхода которого снимается электрическое напряжение

Вращение гироузла продолжается в течение времени вращения корпуса прибора. Если в какой-либо момент времени вращение основания прекратится, то гироузел почти мгновенно прекратит свое вращение при некотором угле р , в исходное положение гироузел не возвратится, как это происходит у дифференцирующе­ го гироскопа, так как нет восстанавливающего в нулевое лоложе-

159

ние устройства в виде пружины (жесткой обратной связи ). Для возвращения гироузла в исходное нулевое положение включается жесткая обратная связь, для чего выход датчика ДУ через усили­ тель подключается к датчику ДМ. Развиваемый датчиком ДМ момент будет устанавливать гироузел в такое положение, при котором на выходе ДУ сигнал равен нулю, что соответствует исходному положению гироскопа.

Вследствие несовершенства изготовления прибора относитель­ но оси прецессии (оси гироузла) могут действовать вредные уво­ дящие моменты такие, как момент от несбалансированности гиро­

т .д . Под влиянием этих моментов гироузел будет поворачиваться вокруг своей оси даже при отсутствии вращения корпуса прибора

собой инструментальную погрешность прибора.

Дрейф интегрирующего гироскопа является одним из основных технических данных гироскопа, так как характеризует собой ка­ чества прибора, определяет его точность и перспективность ис­ пользования в различных практических целях. Величина дрейфа оценивается угловой скоростью и зависит от совершенства кон­ струкции, технолог» изготовления и методов сборки и контроля гироскопа. Чем больше дрейф гироскопа, тем ниже точность при­ бора.

Каждый тип интегрирующего прибора имеет строго установлен­ ную величину ухода. В процеосе производства производят тщатель­ ную балансировку гироузла, используют сверхточные подшипники с малыми люфтами и малым Мтх , применяют безмоментные токоподводы и датчики углов. После сборки производится обязательный контроль величины ухода.

Имеются точные интегрирующие гироскопы, скорость ухода ко­ торых 0,01 град/час и менее. Технические образцы приборов сред­ ней точности имеют уход 0,25 град/час.

Для уменьшения ппроизводственных" погрешностей гироскопов процесс их изготовления ведется с особой тщательностью при жест­ ком выполнении всех технологических требований и норм.

Для компенсации постоянных по величине и направлению вред­ ных моментов, вызывающих уход гироскопа, можно использовать