
книги из ГПНТБ / Карпухин А.В. Приборы систем управления ракет учебное пособие
.pdf190
чика появляется электрическое напряжение, пропорциональное углу прецессии:
Ugy “ Sp ,
где S - чувствительность (крутизна) датчика, в/град. Напряжение Ugy поступает на усилитель УС, где оно усили
вается и преобразуется. С выхода УС напряжение UyC= HyCUdy по ступает на управляющую обмотку двигателя СД, который создает момент, которые через редуктор будет приложен к оси наружной рамы:
|
|
Мд = |
UyC |
S КуСнgf р ир |
, |
где КуС - |
статический коэффициент усиления усилителя; |
||||
нй6 |
- |
моментный коэффициент двигателя совместно с редук |
|||
и |
|
тором, Гсм/в; |
|
|
к=$КуС ндь . |
- |
коэффициент передачи |
стабилизатора, |
Момент |
Мд прикладывается к оси |
наружной рамы так, |
что он |
|||||
направлен |
всегда |
навстречу |
моменту Мтн. При угле |
р |
= |
0 Мд = 0. |
||
Таким образом, моменту внешних |
сил |
Мтн будут |
противодейст |
|||||
вовать в сумме два момента |
Мгн и Мд . |
Когда сумма Мгн и Мд ста |
||||||
нет больше |
Мтн |
, угловая |
скорость прецессии будет уменьшаться, |
|||||
а затем изменит |
свой знак, |
момент |
МГи |
также изменит |
свой знак. |
|||
В результате возникнут колебания гироскопа вокруг осей X и Y ,, |
||||||||
после затухания которых прецессия гироскопа прекратится при |
||||||||
некотором |
остаточном угле |
р дш и момент внешних |
сил |
будет це |
||||
ликом уравновешиваться моментом от |
двигателя, т .е . |
ось наруж |
ной рамы как бы разгрузится от момента внешних сил при помощи двигателя СД. Поэтому двигатель называют разгрузочным или ста билизирующим.
Ось Yу гироскопа в этом случае называют осью стабилизации
или измерительной осью, |
а ось X - |
осью прецессии. |
|
Величина остаточного |
угла |
прецессии р ош определяется из |
|
соотношения |
|
|
|
МГн |
Мд |
SKyC Кдд |
Рост нРост г |
откуда |
|
|
|
|
|
|
Mr |
|
|
Дост |
ML |
|
|
Н |
Выбирая коэффициент передачи стабилизатора к достаточно
191
большой величины, можно добиться малых значений остаточных углов прецессии даже при значительных моментах внешних сил.
Таким образом, |
сущность |
с и л о в о й |
гироскопической |
|
стабилизации сводится к |
с о в м е с т н о м у |
использова |
||
нию стабилизирующих |
свойств |
гироскопа и разгрузочного дейст |
вия стабилизирующего двигателя. У гиростабилизаторов по каж дой оси стабилизации имеется следящая система, датчиком кото рой является сам гироскоп. Гироскоп пследит" за моментом внеш них сил по оси стабилизации и выдает для его компенсации сиг нал, пропорциональный величине внешнего момента.
В течение некоторого времени внешнему моменту противодей ствует гироскопический момент - силовой гироскоп мгновенно про являет сопротивляемость любому внешнему возмущению. Окончатель ный же эффект стабилизации достигается за счет стабилизируемо го двигателя СД.
Гиростабилизатор является системой автоматического регу лирования, поэтому точность стабилизации будет опреде/шться точностью гироскопа как чувствительного элемента и элементов автоматики, входящих в состав следящей системы (датчики углов, усилитель, стабилизирующие двигатели). Применение высокоточных элементов автоматики позволило построить гироскопические стаби лизаторы, у которых точность несколько выше, чем у обычных трехстепенных гироскопов. Вследствие этого гиростабилизаторы применяются не только для стабилизации различных блоков, но и в качестве приборов для измерения углов поворота летательного аппарата (самолета, ракеты) вокруг осей связанной системы ко ординат.
§ 4 .2 . ОДНООСНЫЙ ГИРОСТАБИЛИЗАТОР НА ДВУХСТЕПЕННОМ ГИРОСКОПЕ Одноосный гиростабилизатор на двухстепенном гироскопе лежит
в основе конструирования двухосных гиростабилизаторов и гиростабилизированных платформ. Уяснив принцип его работы и постро ения, легко можно представить устройство и работу гиростабилизированной платформы.
Кинематическая схема одноосного стабилизатора на двухсте пенном гироскопе показана на рис.4 .3 . Стабилизируемый блок Б установлен на площадке П, которая имеет ось вращения I , уста новленную в опоре основания 2. Ось I является осью стабилиза ции блока. На основании 2 располагаются:
192
- стабилизирующий двигатель СД, связанный через редуктор
сосью площадки;
-датчик угла ДУ2 ( трансформаторного типа или потенциоме трический), статор которого закреплен на основании, а ротор
соединен посредством редуктора с осью стабилизации; - усилитель стабилизации УС.
На площадке установлен двухстепенный гироскоп с большим кинетическим моментом Н. Оси гироскопа располагаются так,чтобы
X X
|
Рис.4 .3 |
в |
исходном положении его измерительная ось была параллельна, |
а |
главная ось и ось прецессии были перпендикулярны оси стаби |
лизации. По отношению к площадке гироскоп имеет две степени свободы, но вместе с площадкой по отношению к основанию (кор пусу самолета, ракеты) - три степени свободы. Следовательно, стабилизатор в целом можно рассмотреть как трехстепенный гиро скоп. Ось Y, называют измерительной или осью стабилизации.
Предположим, что основание 2 получило вращение вокруг оси
193
Y, в направлении, указанном стрелкой. |
Из-за |
наличия |
трения |
в опоре оси площадки возникнет момент |
трения |
MTyi , |
действую |
щий относительно оси I и стремящийся повернуть площадку за основанием. Площадка получит начальное смещение с некоторой
УГЛОВОЙ СКОРОСТЬЮ
С появлением с р о т о р будет участвовать в. сложном движе нии ( Q, и tx)yf ) и возникшие при этом кориолисовы силы инер ции создадут направленный по оси X гироскопический момент
Нгх-Ниу, ■
Момент Urx вызовет вращение (прецессию) гироскопа вокруг оси X с угловой скоростью сох . С возникновением прецессии появится новое сложное движение гироскопа ( Q и u)t ) , в ре зультате которого возникнет гироскопический момент МГу , на
правленный по оси Y . Составляющая |
этого момента на ось |
Y, |
|
будет направлена против момента М |
, вследствие |
этого |
мо |
мент иГу( , величина которого мгновенно становится |
равной |
|
|
прекратит движение площадки относительно оси Y, и тем самым |
будет стабилизировать ее заданное положение, несмотря на вра щение основания. Но в результате прецессии гироскопа датчик
угла |
ДУj , ротор которого связан с осью |
прецессии гироскопа, |
|
а статор закреплен на площадке, выдаст |
электрический |
сигнал, |
|
пропорциональный углу прецессии: |
|
|
|
|
иау = Sp . |
|
|
Этот |
сигнал поступает на усилитель стабилизации для |
усиления |
|
и преобразования, а с выхода усилителя |
электрическое |
напряже |
|
ние |
Uyc= Нус 1/}у подается на управляющую обмотку стабилизирующе |
го двигателя СД. Двигатель СД развивает момент, который через редуктор прикладывается к оси площадки:
|
|
Мд = к<)б uyc =s нус нт Р , |
|
где (3 |
- |
угол прецессии гироскопа; |
|
S |
- |
крутизна выходной характеристики, или чувствитель |
|
НуС - |
ность датчика угла ДУр в/град; |
||
коэффициент усиления усилителя; |
|||
нд6 - |
коэффициент двигателя совместно с редуктором, Гсм/в. |
||
Направление момента Mfl |
всегда противоположно моменту |
||
внешних |
сил, в нашем случае |
- моменту сил трения М . В итоге |
194
моменту внешних сил будут противодействовать два момента:
и . Когда суша моментов Мг^ и Мй станет больше Мг^ , скорость вращения площадки сиУ/ начнет уменьшаться до нуля, а затем изменит свое направление, т .е . площадка начнет повора чиваться в обратную сторону. Гироскопический момент Мгг изме
нит |
свой знак, скорость прецессии шх будет уменьшаться, а за |
теи |
изменит свое направление, и гироскоп начнет возвращаться |
к своему исходному положению. В результате возникнут колебания площадки вокруг оси Y, около некоторого пренебрежимо малого значения угла и колебания гироскопа относительно оси прецес сии X . Амплитуда колебаний зависит от величины внешнего мо мента U14t , воздействующего на ось У, , и кинетического момен та гироскопа. Она тем меньше, чем больше кинетический момент гироскопа, и тем больше, чем больше момент Мг^ и момент инер ции площадки вместе с установленными на ней гироскопом и бло ками относительно оси У, . Поэтому для получения точной, без больших колебаний стабилизации больших объектов, когда момент инерции площадки и внешний момент Мгу/ могут быть значительны ми, следует выбирать гироскоп с достаточно большим кинетиче ским моментом Н.
Для быстрого затухания колебаний очень часто в усилителе при помощи корректирующих устройств формируют сигнал, пропор циональный угловой скорости прецессии и на двигатель подается сложный сигнал С/ус = КуСр+н'и)х. При этом двигатель стабилиза ции развивает момент с опережением по отношению к углу откло нения гироскопа (и, следовательно, стабилизируемой площадки), что и обеспечивает быстрое затухание колебаний площадки и ги роскопа.
Когда переходный процесс закончится и колебания платформы затухнут, прецессия гироскопа прекратится при некотором оста точном угле fiocmи момент внешних сил Мгу будет целиком урав новешиваться моментом, развиваемым двигателем: Мгу/ * Мд (см.
рис.4 .3 ). Следовательно, в результате одновременного использо вания свойства прецессии двухстепенного гироскопа и разгрузоч ного усилия двигателя ось стабилизации оказывается разгружен ной от момента внешних сил (алгебраическая сумма моментов,дей ствующая относительно оси стабилизации, равна нулю) и площадка вместе со стабилизируемым блоком Б сохранит свое первоначаль ное положение относительно оси Y, практически неизменным.
Рассмотренный одноосный стабилизатор можно использовать
195
для измерения углов поворота основания вокруг оси стабилизи рованной площадки. Для этой цели предусмотрен датчик угла ДУ2. В исходном положении гиростабилизатора электрические оси обмо
ток |
статора и ротора взаимно перпендикулярны и сигнал на выхо |
де датчика равен нулю. |
|
|
При вращении основания вместе с ним будет вращаться ста |
тор |
датчика угла ДУ2. Ротор датчика скреплен посредством редук |
тора с осью площадки, стало быть, сохраняет свое положение не изменным. Нулевое положение обмоток статора и ротора нарушает ся, и в статорной обмотке наводится э .д .с ., амплитуда которой пропорциональна углу поворота основания оС : U=S'oC. Замеряя напряжение на выходе датчика, можно судить о величине угла по ворота основания.
Если основание гиростабилизатора прекратит свое вращение,
то момент МTyf |
станет равным нулю и под действием момента от |
двигателя Мд |
гироскоп возвратится в исходное положение, при |
котором сигнал с датчика flyj равен нулю и момент от двигателя также обращается в нуль. При изменении направления вращения основания стабилизация происходит подобным образом, только меняется направление прецессии гироскопа и знак момента от двигателя.
Преимущество подобных гиростабилизаторов выражается в том, что, выбирая двигатель достаточной мощности, можно осуществить стабилизацию блоков, имеющих большую массу.
Рассмотренный стабилизатор обладает зоной нечувствитель ности, которая определяется величиной трения в опорах подвеса
оси прецессии гироскопа. Как |
было установлено в § 3 .4 , прецес |
||
сия двухстепенного гироскопа начинается только тогда, когда |
|||
гироскопический |
момент Шгх |
становится больше момента трения |
|
Urx , т .е . Мгх |
> М7а . Исходя из этого, |
можно определить |
|
минимальную угловую скорость сот п вращения |
основания, начиная |
||
с которой гиростабилизатор будет стабилизировать площадку: |
|||
При скорости вращения основания, меньшей |
скорости и>тщ, площад |
ка будет поворачиваться вслед за основанием. Момент трения МГ1 определяет также точность работы стабилизатора, так как он вызывает систематический уход площадки относительно оси стаби лизации.
196
Для понижения зоны нечувствительности (2tL)min) и повышения точности гиростабилиаатора применяют гироскопы с очень малым моментом трения в опорах оси прецессии, например гироскопы с воздушным или жидкостным подвесом, а также гироскопы с вращаю щимися опорами.
Устройство рассмотренного выше гиростабилизатора позволяет осуществить разворот площадки относительно неподвижного оско-1- вания на любой угол и производить выставку площадки в исходное, нулевое, положение. Для этого предусмотрен датчик момента ДМ, ротор которого скреплен с осью прецессии гироскопа (осью ра мы), а статор - с корпусом прибора. Чтобы произвести разворот платформы (площадки), на управляющую обмотку датчика ДМ пода ется электрическое напряжение U (рис.4 .4 ) . Датчик развивает
момент M,jm , под влиянием которого гироскоп получает началь
ное |
смещение (вращение) вокруг оси рамы с некоторой скоростью |
||
шх . |
Наличие скорости сох приводит к |
появлению гироскопическо |
|
го |
момента МГу . |
|
|
|
При отсутствии трения в опорах оси площадки момент МГу |
||
вызывает поворот площадки вокруг оси |
стабилизации |
с практи |
197
чески постоянно!’ углозой скоростью |
с |
. При |
этой повороте |
|||
площадки в результате сложного движения ротора гироскопа ( Q и |
||||||
^>yf ) возникает другой гиромомент |
|
, который будет направ |
||||
лен по оси рамы, уравновесит М |
и воспрепятствует |
вращению |
||||
гироскопа вокруг оси X |
. Вращение |
площадки начинается |
практи |
|||
чески одновременно с созданием момента от ДМ, |
т .е . |
с подачей |
||||
питания на обмотку датчика. Если пренебречь трением в |
опоре |
|||||
оси площадки, вследствие совместного действия |
моментов |
Мгх и |
||||
UgM движение гироскопа |
вокруг оси |
прецессии |
происходить не |
будет, а площадка будет разворачиваться относительно своей оси на требуемый угол. Величину разворота можно контролировать
по выходному |
напряжению.с датчика угла ДУ2. |
|
||
|
Но в опоре оси площадки в реальном случае существует тре |
|||
ние, |
поэтому |
по оси Y, будет действовать момент сил трения |
||
МТу |
, препятствующий вращению площадки. Поворот площадки может |
|||
начаться только в том случае, когда по оси Y, будет действо |
||||
вать вращающий момент (гироскопический МГу |
или от двигателя |
|||
Ыв |
, или же |
их сумма МГу + |
), больший |
по величине момента |
сил трения и |
направленный в обратную сторону. Момент UgM , со |
|||
здаваемый датчиком ДМ, вызовет поворот гироскопа вокруг оси |
||||
прецессии X |
с угловой скоростью |
ооа . При этом возникнет гиро |
момент Uryt , составляющая которого на ось площадки будет стре миться повернуть ее.
Кроме того, в результате прецессии на выходе датчика ДУ^ появится электрическое напряжение, пропорциональное углу пре
цессии р . Это напряжение поступит на |
усилитель УС, |
а с выхода |
|||
усилителя - |
на разгрузочный двигатель |
СД. Двигатель |
создаст |
||
вращающий момент М9 , направленный навстречу моменту Мг^ . |
|||||
Когда сумма моментов Мг^ |
и Мд |
станет больше момента сопро |
|||
тивления Мг^ |
, площадка |
начнет |
поворачиваться в нужную сторону |
||
с некоторой |
скоростью |
. При вращении площадки со |
скоростью |
u)yt |
в результате сложного |
движения ротора возникнет направлен |
|
ный по оси рамы гироскопа |
гиромомент МГ1= Hufy, который прекра |
||
тит при некотором угле /3 |
поворот гироскопа вокруг оси |
прецео- |
|
сии, |
уравновесив момент от |
датчика ДМ. При этом момент |
МГу |
становится равным нулю. Угловая скорость вращения площадки
Таким образом, при подаче напряжения на обмотку датчика момента ДМ площадка вместе с установленным на ней гироскопом
198
и стабилизируемым блоком будет поворачиваться вокруг своей оси
за счет момента, создаваемого |
двигателем СД; гироскоп при атом |
|||||
будет отклонен на такой угол, |
при котором сигнал с датчика ДУ^- |
|||||
достаточен для создания необходимого вращающегося момента |
||||||
Мд * Мщ . Направление поворота площадки зависит от |
фазы |
(по |
||||
лярности) напряжения U , которое определяет направление |
мо |
|||||
мента |
Ыцм . |
|
|
|
|
|
Если отключить напряжение |
с управляющей |
обмотки |
датчика |
|||
ДМ (U |
в 0) и пренебречь нутациями, вращение |
площадки мгновен |
||||
но прекратится и под действием |
момента |
от двигателя |
Мд |
гиро |
||
скоп вернется в свое исходное, |
нулевое, |
положение, |
при котором |
|||
Р * 0 |
и Mj = 0. |
|
|
|
|
|
Особенностью гиростабилизатора на двухстепенном гироскопе является то, что гиростабилизатор уходит (вращается) относи тельно оси стабилизации в результате суточного вращения Земли (кажущийся уход) и под действием уводящих моментов (от сил трения, несбалансированности гироузла, токоподводов, датчика угла) по оси прецессии гироскопа. Угловая скорость собственно го ухода стабилизатора с вычетом кажущегося ухода (см.§ 3 .7)
|
а ш |
1 |
> х |
1 |
|
|
|
Н |
|
где |
суммарный момент по оси |
прецессии. Этот уход харак |
||
теризует |
собой точность гиростабилизатора. |
По датчику ДУ2 можно осуществить начальную выставку пло щадки, т .е . установить ее в такое положение, при котором сиг нал, снимаемый с датчика ДУ£, равен нулю. Для этого выход дат чика ДУ2 через промежуточный усилитель коррекции или выставки соединяется со входом датчика момента ДМ. Если площадка не находится в исходном положении, датчик ДУ2 выдаст сигнал, ко торый после усиления поступит на датчик ДМ и вызовет поворот площадки, как указано выше, в сторону уменьшения сигнала с ДУ2.
По мере возвращения площадки в нулевое |
положение сигнал |
с датчика ДУ2 уменьшается, следовательно, |
уменьшается и вели |
чина момента, развиваемого ДМ. Равновесие |
моментов Мдн и Мгх |
нарушается, и под влиянием преобладания гироскопического момен та Мгх над моментом Мдм гироскоп начнет возвращаться в свое нулевое положение. При установке площадки в исходное положение сигнал с датчика ДУ2 станет равным нулю и к этому времени ги роскоп возвратится в свое первоначальное положение. На выходе
199
датчика ДУ^ сигнала не будет и вращение площадки вокруг ее оси прекратится.
Датчик момента может быть использован также для компенса ции вредных внешних моментов, действующих относительно оси прецессии (рамы) гироскопа, под влиянием которых гироскоп бу дет поворачиваться вокруг этой оси и тем самым вызывать пово рот площадки относительно оси стабилизации. Для этой цели на управляющую обмотку датчика момента ДМ подается электрическое напряжение такой величины и такого знака (фазы), чтобы созда ваемый датчиком момент был равен и обратно направлен суммар ному моменту внешних сил по оси рамы. Таким образом, возмущаю щий момент по оси прецессии станет равным нулю и дрейфа гиро скопа не будет, а следовательно, и не будет ухода стабилиза
тора при неподвижном основании. |
|
|
||
Нами была рассмотрена гироскопическая стабилизация |
на |
|||
с и л о в ы х |
гироскопах. Стабилиааторы на |
м а л ы х |
ги |
|
роскопах, т .е . |
гироскопах с малым кинетическим |
моментом Н, от |
||
личаются тем, что в |
них гироскопы не оказывают |
н е п о |
||
с р е д с т в е н н о |
стабилизирующего воздействия на |
пло |
||
щадку (величина Мгу |
по сравнению с возмущающими моментами |
|||
очень мала и поэтому влиянием гироскопического |
момента 11 |
пре |
небрегают), а используются только в качестве воспринимающих, или чувствительных элементов. Такие стабилизаторы, в частно сти стабилизаторы на поплавковых интегрирующих гироскопах, в
отличив от |
силовых иногда называют |
и н д и к а т о р н ы м и . |
||
Индикаторный гиростабилизатор на поплавковом интегрирующем |
||||
гироскопе |
может быть выполнен |
гораздо меньших, по |
сравнению |
|
с силовыми |
ГС размеров и веса |
, что |
особенно важно |
при проекти |
ровании ГС для ракет.
Работа индикаторного ГС упрощенно может быть объяснена следующим образом (р и с Л .5 ). Представим, что по оси гироста билизатора действует постоянный возмущающий момент ИУ/ ( за счет сил трения, токоподводов, небаланса, упругих деформаций платформы; приводящих к ее небалансу, и т . д . ) . Так как момент Uy, будет вначале единственным действующим моментом по оси платформы, он начнет поворачивать платформу вокруг ее оси с некоторой скоростью t . Интегрирующий гироскоп, реагируя на зто вращение платформы появлением гироскопического момента по оси поплавка, повернется вокруг оси гироузла на угол, про порциональный углу поворота платформы. На выходе датчика угла