7. Интеграторы угловой скорости

7.1. Гироскопический интегратор угловой скорости. Поплавковый интегри-

рующий гироскоп

Гироскопический интегратор угловой скорости (ГИУС) предназначен для измере- ния интеграла от проекции абсолютной угловой скорости объекта на ось чувствительности при- бора. Схема прибора изображена на рис.38. ГИУС включает двухстепенной астатический ги- роскоп 1, датчик угла 2 и демпфер 3. Как вид- но, схема ГИУС отличается от схемы ГТ только отсутствием пружины. Как и в ГТ, выходным сигналом ГИУС является угол поворота гиро- скопа вокруг оси подвеса . Он снимается с дат- чика угла 2. Ось чувствительности прибора - ось

, которая есть перпендикуляр к оси и векто-

ру ^H при = 0.

Как и применительно к ГТ, при вращении ги- роскопа вместе с объектом вокруг оси со скоро- стью u создается гироскопический момент во- круг , но, в отличие от ГТ, он уравновешивается моментом, создаваемым демпфером. Поскольку

демпфер создает усилие только при движении, равновесию моментов соответствует вра-

щение гироскопа вокруг c постоянной скоростью ^& , пропорциональной (в линейном приближении) u . Следовательно, сам угол пропорционален интегралу от u .

^{Чтобы получить этот результат аналитически, обратимся к уравнению (52), приняв в}

нем с=0 (что соответствует исключению пружины) и полагая, как и ранее, малым. То-

_{гда вместо (52) получим}

H M

_Tb^&& _b^&

^ku_h

^{k Ju&}_x ^{/ H}

^u_z ^b

1

вр

, (60)

где k = H/h l ², T = J/h l ², а остальные обозначения сохраняют прежний смысл. Парамет-

ры k и Т называют коэффициентом усиления и постоянной времени ГИУС.

Как видно из (60), ГИУС - апериодическое интегрирующее звено, которое по затухании переходного процесса выдает значение интеграла от u с коэффициентом усиления k. Основные ошибки ГИУС обусловливаются вторым слагаемым правой части (60), по- грешностью коэффициента усиления k и динамической ошибкой.

Из приведенного анализа вытекает одно важное обстоятельство, касающееся условий

применения ГИУС. Поскольку угол должен находиться в ограниченных пределах (при

= 90 ГИУС, очевидно, просто теряет работоспособность), прибор может использо- ваться, главным образом, в индикаторном режиме, т.е. основание прибора должно отра- батывать измеряемую ГИУС скорость (при этом ГИУС измеряет ошибку отработки). В частности, ГИУС может успешно применяться (и применяется) в гиростабилизаторах.

На практике наиболее широко используется конструкция ГИУС, предложенная в 1945 г. рус- ским ученым Л.И.Ткачевым - поплавковый ин- тегрирующий гироскоп (ПИГ). Его схема изображена на рис.39. Прибор включает по- плавок 1 в виде цилиндра, внутри которого размещен гироскоп 2 (при этом корпус по- плавка является одновременно кожухом гиро- скопа) и датчик угла 3. Для управления ориен- тацией ПИГ (при его размещении, например, на ГСП) на ось подвеса 4 поплавка может быть установлен датчик момента 5. Ось подвеса 4 ус- танавливается в камневых опорах 6, по- добных опорам, используемым в часовых механизмах. Вся полость между корпу-

сом 7 и поплавком заполняется вязкой

жидкостью 8.

Использование вязкой жидкости пре-

следует две цели.

Во-первых, она создает момент вязко- го трения, что обеспечивает требуемое функционирование прибора.

Во-вторых, благодаря создаваемой ею архимедовой силе разгружаются опоры. Для этого конструкция разрабатывается таким образом и подбирается такая жид- кость, чтобы плотность последней была равна средней плотности поплавка. Таким образом, поплавок имеет нейтральную

плавучесть. Благодаря разгрузке опор в качестве них могут использоваться опоры с мини- мальной площадью контакта трущихся моментов - опоры типа "игла-камень", применяе- мые, как отмечалось, в часах. Это позволяет существенно снизить влияние на точность вредного момента трения (см. (60)). В качестве упомянутой выше жидкости использу- ются, как правило, фторорганическая (плотность 1,9 г/см³) и хлорорганическая (плот- ность 2,7 г/см³) жидкости.

ПИГ, хотя и являются достаточно дорогими в изготовлении приборами, широко применяются в высокоточных системах навигации объектов, движущихся с высокими пе- регрузками, поскольку в этих условиях обеспечивают высокий уровень точности измере- ний.