Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

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

.pdf
Скачиваний:
62
Добавлен:
30.10.2023
Размер:
13.29 Mб
Скачать

190

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

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ