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

200

ДУ^ появится электрический сигнал, пропорциональный углу по­ ворота гироузла. Сигнал поступит на усилитель, откуда после усиления и преобразования (при необходимости) - на управляю­ щие обмотки двигателя СД. Момент от двигателя будет действо­ вать по оси платформы навстречу возмущающему моменту . При некотором угле отклонения гироузла момент от двигателя уравно­ весит момент сил трения. В этот момент скорость движения плат­ формы под влиянием момента иу/ достигнет своего максимального значения. Если пренебречь постоянной времени гироскопа, ско­ рость вращения гироузла (скорость прецессии) в это время также достигнет своей наибольшей величины.

Рис.4.5

В дальнейвем момент от двигателя U,? начнет преобладать над моментом , возникнет отрицательное угловое ускорение по оси платформы и ее скорость вращения начнет уменьшаться, а следовательно, начнет уменьшаться угловая скорость прецес­

201

будет соответствовать остановке платформы и прекращению вра­ щения гироузла. Такое положение не является устойчивым и уста­ новившимся. Вследствие преобладания момента U# над моментом возмущающим Му платформа после своей остановки начнет воз­ вращаться к своему исходному, первоначальному, положению. При этом гироскоп также начнет прецессировать в обратную сторону, уменьшая угол Д и электрический сигнал на выходе датчика ДУр что, в свою очередь, приведет к уменьшению момента, развива­ емого двигателем.

Когда момент двигателя снова станет равным моменту возмуще­ ния, угловая скорость обратного движения платформы, так же как и угловая скорость прецессии, достигнет своих максимальных зна­ чений. Далее момент Mg станет меньше момента , что при­ ведет к замедлению вращения платформы и гироузла. В результа­ те платформа, практически вернувшись в свое исходное положение, остановится и гироузел также займет нулевое положение, при ко­ тором сигнал на выходе датчика ДУ^ будет равен нулю и момент Ма тоже будет равен нулю. Затем колебательный процесс начнет повторяться, постепенно затухая под влиянием вязкого трения по оси платформы и оси гироузла (поплавка).

После прекращения колебаний платформа, отклонившись от своего первоначального положения на пренебрежимо малый угол оСст , который принято называть статической ошибкой стабилиза­ тора, будет сохранять свое положение неизменным. Гироузел бу­

от возмущающего момента (алгебраическая сумма моментов, дей­ ствующих по оси y i платформы, равна нулю):

202

Н - кинетический момент гироскопа; нд ~ удельный момент демпфирования по оси гироузла.

При вращении гироузла вокруг его оси возникает гироскопи­ ческий момент, составляющая которого будет направлена по оси платформы навстречу возмущающему моменту. Но так как гироузел поплавкового гироскопа находится в жидкости с большой вязко­ стью, скорость вращения его оказывается небольшой. Кроме того, величина кинетического момента Н поплавкового гироскопа по сравнению с силовыми гироскопами мала и не превышает, как пра­ вило, 4000 Гем*сек. Это приводит к тому, что возникающий при прецессии гироузла гироскопический момент невелик и не оказы­ вает непосредственно стабилизирующего воздействия на платфор­ му (он во много раз меньше возмущающего момента). Поэтому с достаточной степенью точности им пренебрегают при рассмотрении индикаторной стабилизации, чего нельзя делать при анализе си­ ловой гироскопической стабилизации.

Поскольку стабилизация осуществляется работой следящей си­ стемы, управляемой интегрирующим гироскопом, при проектирова­ нии индикаторных ГС к следящей системе предъявляют жесткие требования для получения приемлемого качества по статической ошибке, колебательности, динамической ошибке, времени переход­ ного процесса и быстродействию системы. Выполнение требований достигается соответствующим подбором двигателя с редуктором, усилителя и гироскопа. Для уменьшения запаздывания следящей системы и получения требуемого качества работы, особенно при действии знакопеременного возмущающего момента при колебаниях основания, в замкнутый контур, обычно в усилитель, вводят раз­ личные корректирующие устройства.

Самостоятельного примененения на подвижных объектах одно­ осный ГС не имеет, так как на его работу оказывает влияние движение корпуса вокруг осей X, и Z4. Он применяется для заводских испытаний и регулировок интегрирующих и свободных двухстепенных гироскопов (см. § 3 .7 ). Кроме того, одноосный ГС используется как составная часть при проектировании двух­ осных и трехосных гиростабилизаторов.

Качество стабилизатора характеризуется величиной ухода площадки при неподвижном основании за единицу времени, при этом уход площадки за счет суточного вращения Земли вычитает­ ся из общего ухода стабилизатора. Уровень гироскопического приборостроения в настоящее время таков, что имеются одноосные

203

но-измерительной аппаратуры следует ожидать значительного сни­ жения величины уходов стабилизаторов.

§ 4 .3 . ДВУХОСНЫЙ ГИРОСТАБИЛИЗАТОР

Рассмотренное в § 4 .2 принципиальное построение одноосного гиростабилизатора может быть использовано для стабилизации при­ бора относительно большего числа осей. Выясним сущность работы и устройства двухосного стабилизатора, кинематическая схема которого приведена на рис.4 .6 .

Рис.4 .6

Стабилизируемая площадка П устанавливается в кардановом подвесе, благодаря которому она может свободно поворачиваться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей X и Y , являющихся осями стабилизации. На площадке размещаются два одинаковых двухстепенных гироскопа Гх и Гу с большим кинетическим момен­ том Н. В исходном положении стабилизатора глав»» оси гироско­ пов располагаются горизонтально (параллельно площадке) и таким

строенные так , что в исходном положении площадки сигнал на их выходе равен нулю.

С осями карданова подвеса площадки посредством зубчатых передач связаны стабилизирующие двигатели СДд. и СД у . Гироотабиливатор имеет двухканальный усилитель УС для усиления и преобразования сигналов, снимаемых с датчиков углов прецес­ сии и подаваемых затем на управляющие обмотки двигателей.Пред­ положим, что гиростабилизатор установлен на летательном аппа­

рате, движение которого происходит вертикально вверх по направ­ лению оси Y .

Пусть по какой-либо причине аппарат начнет поворачиваться вокруг оси, параллельной оси X . Вместе с ним будет поворачи­ ваться и полукольцо подвеса. Момент сил трения Мгх будет стремитьоя повернуть площадку в сторону разворота полукольца. При этом возникнет прецессионное движение гироскопа Гх вокруг оси его рамы, в результате которого появится гироскопический момент Мгх , направленный по оси площадки X в сторону, противополож­ ную направлению момента трения М тх .

Направление прецессии будет определяться направлением внешнего момента: вектор кинетического момента гироскопа Нх будет стремиться совпасть с вектором момента внешних сил, в нашем случав с вектором момента трения М тх . Гироскопический момент Urx первоначально уравновесит момент сил трения и воспрепятствует вращению площадки, удерживая ее в заданном положении.

Так как гироскоп Гх будет прецессировать, датчик

выдаст сигнал, который поступит на разгрузочный двигатель Cflj. Двигатель СДХ создаст момент Мдд , пропорциональный величине угла прецессии. В результате совместного действия по оси пло­ щадки моментов Шгх , Маг и Ига вокруг оси X возникнут ну­ тационные колебания, после затухания которых прецессия гиро­

при котором сигнал с датчика ДУ| вызывает момент двигателя M,jt , равный IIгх . Таким образом, несмотря на вращение основания

205

гиростабилизатора, площадка П сохраняет свое положение отно­ сительно оси X неизменным.

Для измерения углов поворота основания (летательного аппа­ рата) вокруг оси X служит датчик угла ДУа , на выходе которо­ го возникает электрическое напряжение, пропорциональное углу поворота основания. После прекращения вращения основания мо­ мент от двигателя возвращает гироскоп Гх в первоначальное по­ ложение, когда его главная ось перпендикулярна оси X .

Аналогичным образом происходит стабилизация площадки отно­ сительно оси V . При действии внешнего момента по оси полу­ кольца прецессирует гироскоп Ту и вместе с двигателем СДу осуществляет стабилизацию площадки вокруг оси Y .

Врассматриваемом гиростабилизаторе оси рам гироокопов Га

иТу не являются измерительными осями. Они служат только для регистрации появления моментов, действующих по оси карданова подвеса, и для их компенсации посредством подачи управляющего сигнала на стабилизирующие двигатели. Измерительными осями стабилизатора являются оси карданова подвеса.

Двухосный гиростабилизатор может быть испольвован на лета­ тельном аппарате в качестве точного измерителя двух позиционных углов. Например, в качестве центральной гировертикали на само­ лете или гировертиканта на ракете.

Стабилизация тела относительно двух взаимно перпендикуляр­ ных осей означает стабилизацию тела в плоскости. Поэтому двух­ осный стабилизатор может быть использован также для стабилиза­ ции фотоаппарата или прицела в заданной плоскости. В системах астроинерциальной навигации данное устройство применяется для стабилизации наведенного на какую-либо звезду телескопа.

Система стабилизации рассмотренного гиростабилизатора раз­

нием моментов, действующих по осям рам гироскопов, площадка за счет гироскопического момента и момента от двигателя будет поворачиваться относительно осей стабилизации, т .е . со време­

нем будет уходить от заданного положения. Скорость ухода будет определяться отношением возмущающего момента по оси гироскопа к его кинетическому моменту Н. Например, при действии момента

206

по оси рамы гироскопа Гя площадка будет вращаться вокруг оси Л". Моменты, действующие по осям рам гироскопов, образуются

за счет трения в опорах подвеса, несбалансированности гироузла и нагрузок от датчиков углов и токоподводов. При необходимости стабилизировать площадку длительное время с достаточной точно­ стью следует компенсировать вредные моменты по осям рам. Для зтой цели служат датчики моментов и ДМ2* На управляющие обмотки датчиков моментов подается напряжение такого знака и величины, что датчики создают относительно осей рам моменты, равные по величине и противоположные по направлению уводящим моментам, и тем самым компенсируют их и исключают собственные уходы стабилизатора.

Гиростабилизатор, как отмечалось в § 4 .2 , обладает зоной нечувствительности, определяемой моментами трения по осям рам гироскопов. Полагая, что гироскопы Гх и имеют одинаковые параметры, можно приближенно определить величину нечувствитель­

гироскопической стабилизации, имеет величину 20000 Гсм*сек и более, а момент трения за счет использования воздушных и жидко­ стных подвесов гироузла - 0,05 Гем и менее. У таких гироскопов величина угловой скорости вращения основания, на которую не будет реагировать стабилизатор, примерно вычисляется следую­ щим образом

со = -^£- * в,05 _ 0 5 угл.мин/мин.

Н20000

Двухосный гиростабилизатор обладает кажущимся уходом вслед­ ствие суточного вращения Земли. Поэтому при точных и продолжи­ тельных измерениях углов с помощью стабилизатора необходимо учитывать кажущийся уход. Кажущийся уход стабилизатора (его методическую погрешность) можно компенсировать корректирующим устройством. Корректирующее устройство вызывает принудительное вращение стабилизатора относительно его осей с угловыми скоро­ стями, равными и обратно направленными скоростям кажущегося ухода по этим осям. В итоге площадка П будет сохранять свое положение относительно земных ориентиров неизменным.

20?

§ 4 .4 . ГИР0СТАБИЛИЗИР0ВАННАЯ ПЛАТФОРМА (ГСП)

Чтобы измерять одним гироскопическим прибором три угловых параметра движения ракеты, необходимо иметь тело, полностью изолированное от углового движения ракеты, т .е . тело, стаби­ лизированное относительно трех взаимно перпендикулярных осей. В дальнейшем это тело будем называть опорной платформой или просто платформой.

Стабилизированную по трем осям платформу получают приме­ нением трехосной гироскопической стабилизации и гироскопический прибор в этом случае называют трехосным гиростабилизатором или гиростабилизированной платформой (ГСП).

Платформа может быть стабилизирована либо в неподвижном мировом (инерциальном) пространстве, либо относительно плоско­

бии будет рассмотрена ГСП, стабилизированная относительно ми­ рового пространства и, следовательно, имеющая относительно Земли кажущийся уход, обусловленный ее суточным вращением. Та­ кие платформы являются основой инерциальных систем управления и навигации летательных аппаратов, в частности ракет.

В механике платформу рассматривают как твердое тело, имею­ щее одну неподвижную точку по отношению к вращающемуся основа­ нию и обладающее, таким образом, тремя степенями свободы.Плат­ форма представляет собой как бы трехстепенный свободный гиро­

подвесе, три двухстепенных гироскопа (свободных или интегри­ рующих) с датчиками угла прецессии и датчиками момента, три стабилизирующих двигателя, трехканальный усилитель стабилиза­ ции, акселерометры или интеграторы ускорений, оси чувствитель­ ности которых располагаются в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Все элементы, за исключением усилителя стабили­ зации, объединяются в одном корпусе. В некоторых случаях уси­ литель стабилизации монтируется также в общем корпусе стаби­ лизатора. Кроме перечисленных элементов в состав ГСП входят датчики управлящих сигналов, программные механизмы ПМ и арретирующее устройство.

208

Иарцжная

рама

Платформа

Платформа

Ш НоРпУс

Рис.4.7

Карданов подвес может быть наружным (рис.4 .7а) или обра­ щенным, внутренним (рис.4 .7 6 ). Обращенный подвес поаволяет расположить все элементы ГСП более компактно и тем самым по­ лучить стабилизатор меньших размеров и, что особенно важно при рассмотрении динамики ГСП, равные и постоянные по величине зна­ чения моментов инерции ГСП относительно ее трех осей. Но углы

Рис.4.8