Гиростабилизированные платформы

Трехосные гиростабилизаторы, как следует из их названия, обеспечивают стабилизацию платформы относительно трех взаимно перпендикулярных осей и, следовательно, могут моделировать с достаточно высокой точностью любую произвольно ориентированную в пространстве систему координат. Поэтому они находят широкое применение в системах управления, навигации и ориентации различных подвижных объектов (самолетов, ракет, космических ЛА, кораблей морского флота).

Т рехосные гиростабилизаторы чаще называют гиростабилизированными платформами (ГСП), иногда пространственными ГС. Следуя принципу силовой гироскопической стабилизации, легко предположить, что трехосная ГСП должна иметь три оси стабилизации и соответственно три гироскопа. На практике ГСП могут отличаться схемами подвесов платформы, ориентацией двухстепенных гироскопов относительно платформы и др. Выбор расположения и ориентации осей гироскопов на платформе связан с обеспечением их устойчивости и точности и зависит от режима работы, а также характерных особенностей движения основания (объекта).

На рис. Показана схема простейшей ГСП, имеющей три канала стабилизации (три одноосных ГС). Платформа 1 подвешена в кардановом подвесе, состоящем из рамок 5 (внутренняя) и 6 (внешняя). На платформе размещены три гироскопа 2, 3 и 4, обеспечивающие соответственно стабилизацию вокруг осей у, х, z и управление двигателями разгрузки ДРУ, ДРх и ДРz. В данной схеме ГСП ось стабилизации платформы (ось Z_П) расположена вертикально, векторы кинетических моментов гироскопов перпендикулярны оси платформы; оси прецессий гироскопов 2, 3 перпендикулярны платформе, а гироскопа 4 - параллельна ей. На первый взгляд принцип стабилизации такой ГСП ничем не отличается от принципа стабилизации, например одногироскопных двухосных ГС. Вообще говоря, так оно и есть, если рассматривать работу ГСП раздельно по каналам при условии ориентации ее элементов, как это изображено на рисунке. При действии возмущающего момента по оси внешней рамки начинает прецессировать гироскоп 2, с датчика угла прецессии на ДРУ поступит управляющий сигнал на включение. Пропорционально углу прецессии гироскопа 2 разгрузочный двигатель ДРУ приложит момент, противодействующий возмущающему. По окончании переходного процесса эти моменты уравновесятся. Ориентация внешней рамки останется неизменной. Так же осуществляется стабилизация относительно оси х внутренней рамки и оси zП платформы. Однако введение третьей оси стабилизации приводит к дополнительным взаимосвязям каналов. Это обусловлено тем, что при повороте основания ГСП вокруг оси zП меняется взаимная ориентация измерительных осей гироскопов и осей подвеса платформы. При действии возмущающих моментов по осям стабилизации х и у гироскопы 2 и 3 будут прецессировать не только от "своего", но и от "чужого" возмущающего момента. В случае прямой связи ДУП2 с ДРУ и ДУП3 с ДРх (как показано на рис.12) в цепях разгрузки появятся искаженные управляющие сигналы, а это приведет к дополнительным нежелательным нагрузкам на стабилизирующие двигатели, усложнит функционирование систем стабилизации, что в конечном итоге снизит точность стабилизации, и в некоторых случаях приведет к потере устойчивости.

Поскольку ГСП обеспечивает стабилизацию относительно трех осей, ее удобно использовать для измерения углов пространственной ориентации различных подвижных объектов. Например, на самолетах с помощью ГСП измеряют углы крена, тангажа и курса. При использовании трехосных ГСП на маневренных ЛА возникает необходимость в дополнительной - следящей рамке. Эта рамка со специальным следящим приводом предотвращает совмещение оси платформы с осью внешней рамки при угловых отклонениях (близких к ±900) ЛА относительно оси, совпадающей с осью внутренней рамки. В итоге платформа становится невыбиваемой при любых эволюциях ЛА.

Н а рис.16 показана кинематическая схема подвеса ГСП со следящей рамкой. Платформа с кардановым подвесом (внутренняя рамка 2 и внешняя рамка 3) размещена в следящей рамке 4. Отклонение оси zП платформы 1 от перпендикуляра к плоскости внешней рамки 3 фиксируется датчиком угла (ДУ), который через усилитель управляет следящим двигателем СД. СД поворачивает следящую рамку 4 таким образом, чтобы ось zП платформы оставалась перпендикулярной к оси у внешней рамки. На рисунке показаны также преобразователь координат ПК и его связи с датчиками углов прецессии гироскопов. С целью упрощения рисунка по осям стабилизации на рисунке не изображены ДР.

Рис.16

К индикаторным ГС относят такие, в которых возмущающие моменты, действующие по осям стабилизации, компенсируются только стабилизирующим двигателем. Гироскопические моменты гироскопов, противодействующие возмущающим, либо отсутствуют, либо настолько малы, что ими можно пренебречь. Индикаторные ГС не имеют внутренней обратной связи. Процесс стабилизации обеспечивается за счет моментов, развиваемых стабилизирующими двигателями. Гироскопические элементы выполняют роль индикаторов отклонения платформы. В качестве гироскопических чувствительных элементов в индикаторных ГС применяются астатические гироскопы, ДУС, интегрирующие и дважды интегрирующие гироскопы с двумя степенями свободы (в том числе и нетрадиционных схем). Сигналы с гироскопов через усилители поступают на стабилизирующие двигатели. В соответствии с типом чувствительного элемента управление стабилизирующими двигателями осуществляется по углу стабилизации, по угловой скорости изменения угла стабилизации и по интегралу изменения угла стабилизации.

Н а рисунке показана кинематическая схема индикаторного ГС на астатических гироскопах. На платформе 3, подвешенной во внутренней и внешней рамках 4 и 5, размещены два астатических гироскопа 1 и 2. На оси внешней рамки астатического гироскопа 1 установлен датчик угла ДУ, а на осях внешней и внутренней рамок гироскопа 2 установлены соответственно датчики углов ДУ2 и ДУ3 .

При отклонениях платформы от ориентации, задаваемой астатическими гироскопами, с датчиков углов через усилители на стабилизирующие двигатели поступают управляющие сигналы, пропорциональные углам отклонения вокруг соответствующих осей стабилизации. С ДУ1 сигнал через усилитель поступает непосредственно на СДz, который развивает стабилизирующий момент и разворачивает платформу

вокруг оси стабилизации z к согласованной с астатическим гироскопом 1 ориентации. С ДУ2 и ДУ3 управляющие сигналы вначале поступают на преобразователь координат (ПК), а затем на СДx или СДУ, или на оба вместе, в зависимости от того, как отклонилась платформа - вокруг оси х или оси у, или вокруг обеих осей одновременно.

Далее стабилизирующие двигатели, вращая платформу каждый вокруг своей оси, приводят ее в согласованное с астатическими гироскопами угловое положение. Так обеспечивается стабилизация платформы относительно заданной ориентации. В случае необходимости управление ориентацией индикаторной ГСП можно обеспечить, если на осях подвеса гироскопов предусмотреть датчики моментов (коррекционные двигатели), которые, заставляя прецессировать тот или другой гироскоп, через соответствующие ДУ и СД развернут платформу по заданному закону.

Так, индикаторная ГСП, изображенная на рисунке, может выполнять функции гирокурсовертикали (ГКВ), если на платформе 3 установить жидкостный маятниковый переключатель, соединив его надлежащим образом с установленными на осях внешней и внутренней рамок гироскопа 2 датчиками моментов. На оси внутренней рамки гироскопа 1 также требуется установить датчик момента, управляющие сигналы на который могут поступать от внешних источников информации (какого-либо компаса). (Маятниковый переключатель и датчики моментов на рисунке выше не показаны.)

Таким образом, как видим, платформа индикаторного ГС отслеживает ориентацию астатических гироскопов. Причем и в режиме стабилизации, и в режиме управления силовыми элементами, обеспечивающими развороты платформы, являются стабилизирующие двигатели. Трехстепенные гироскопы в каналах стабилизации играют роль измерительных элементов - индикато­ров. В общем случае в индикаторных ГС любой из ранее перечисленных чувствительных элементов (гироскопов) является измерительным элементом - индикатором. Именно поэтому такие ГС называют - индикаторными.

Силовые ГС имеют внутреннюю и внешнюю стабилизирующие связи. При этом обе обратные связи достаточно равноправны. Для повышения эффективности внутренней обратной связи обычно кинетические моменты гироскопов стараются сделать по возможности большими. Гироскопические элементы в данном случае играют роль индикаторов нагрузки, реагирующих на изменение ориентации платформы. Внутренняя обратная связь обеспечивается непосредственно гироскопами; она безынерционна и тем эффективнее, чем больше собственные кинетические моменты гироскопов. Гироскопы в данном случае играют роль непосредственных стабилизирующих элементов. Силовые ГС широко используют в случаях, когда необходимо стабилизировать приборы и устройства, имеющие относительно большую массу (прицелы, головки самонаведения, телескопы и т.д.), или как первичные датчики ориентации в непрецизионных системах информации (в пилотажных центральных курсовых приборах, гировертикалях, гирокурсо-вертикалях и т.д.).

18