Гироскопическая система стабилизации и ориентации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящем КП разрабатывается модель управляемого ОГС индикаторно-силового типа на базе ПИГ; проектируются его электрокинематическая и структурная схемы с описанием принципа действия и особенностей конструкции; составляются уравнения движения и ПФ проектируемого ОГС; рассматриваются условия его работы и точность при установке на качающемся основании. В качестве основного метода исследования динамики и направленного синтеза ОГС в настоящем КП используется метод логарифмических частотных характеристик, позволяющий на основе предъявляемых к ОГС технических требований произвести его динамический синтез и выбор основных параметров, а также необходимых корректирующих средств. Выбор данного метода обусловлен тем, что он хорошо развит, относительно прост и широко используется при синтезе САУ.

Системы гироскопической стабилизации различных видов применяются в навигационных устройствах и системах управления кораблей и ЛА, а также в системах ориентации антенн, телескопов и других приборов, установленных на движущихся объектах.

Одноосные гироскопические стабилизаторы применяются как для непосредственной стабилизации отдельных приборов и устройств, так и для измерения угловых отклонений объектов, на которых они установлены, от заданного положения относительно одной оси. ОГС в основном представляют собой платформенные (физическое моделирование) гироскопические системы и в зависимости от принципа построения и роли используемых в них ЧЭ подразделяются на непосредственные ГС, ГС силового типа, индикаторно-силовые ГС и индикаторные ГС. Тем не менее, существуют также ОГС в бесплатформенных (аналитическое моделирование) системах стабилизации и ориентации, установленные непосредственно на подвижном объекте.

Непосредственные ГС не имеют внешней стабилизирующей обратной связи. Такие ГС применяют в координаторах цели, для непосредственной стабилизации космических аппаратов. Индикаторные ГС не имеют внутренней обратной связи.

Такие ГС широко применяются в ИНС. Силовые ГС имеют внутреннюю и внешнюю стабилизирующие обратные связи. Для повышения эффективности внутренней обратной связи в силовых ГС кинетический момент гироскопов стараются сделать как можно большей величины. Такие ГС широко используются для стабилизации в пространстве приборов и устройств больших масс (прицелы, телескопы, гравиметры, головки самонаведения и т. п.) или как первичные датчики ориентации в грубых системах.

Индикаторно-силовые ГС имеют внутреннюю и внешнюю стабилизирующие обратные связи, причём ГС ведёт себя либо как индикаторный, либо как силовой в зависимости от характера изменения внешнего возмущающего момента, приложенного к оси стабилизации.

В зависимости от числа применяемых гироскопов ОГС могут быть одногироскопными и двухгироскопными с различными типами гироскопических ЧЭ и приводов разгрузочных устройств.

Основное требование, предъявляемое к ГС - точность сохранения заданного положения платформы относительно опорного трехгранника при действии на неё различных динамических возмущений и ускорений со стороны объекта, на котором она установлена, линейных и вибрационных перегрузок.

Точностные характеристики ГС - главные факторы, определяющие эффективность выполнения задачи, поставленной перед системой ориентации или навигации.

Целью данного КП является закрепление полученных в процессе обучения знаний о системах гироскопической стабилизации, ориентации и навигации подвижных объектов, содействие сознательному их усвоению и осмысленному применению при решении реальных прикладных задач. В этом смысле КП играет завершающую роль в общем комплексе учебных занятий по дисциплинам, изучающим такие системы.

Задание на проектирование

Требуется спроектировать одноосный гироскопический стабилизатор на безе чувствительного элемента заданного типа, удовлетворяющий предъявляемым ниже требованиям по точности сохранения заданного положения платформы в инерциальном пространстве при действии на неё различных возмущающих воздействий линейных и вибрационных перегрузок, а также по качеству стабилизации, надёжности и экономичности.

Таблица 1 - Точностные параметры проектируемого ОГС и особенности его конструкции:

№ варианта	Тип ЧЭ	Jn, г*см*с^2	Точностные характеристики	Конструктивные блоки для разработки
			Динамическая точность, угл. Мин.	Скорость некорректируемого дрейфа, град/ч	Скорость выставки, град/с	ДУв	ДУс	ГМ	ЧЭ	ДМв
13	ПИГ	700	2	0.5	5		X		X

Таблица 2 - Условия эксплуатации проектируемого ОГС:

Время работы, мин	Перегрузка, ед.	Кратковременные перегрузки, ед.	Качка основания	Частота вибраций, Гц	Угловое движение	Расположение оси стабилизации
			Частота, Гц	Амплитуда, град.		щx	щy	щz
9	2	5	0.2-3	3	110	Х	X		х

Примечание к таблице 1: динамическая точность проектируемого ОГС должна быть не менее указанной в табл.1, а скорость некорректируемого дрейфа - не более указанного значения; система управления ОГС должна обеспечивать значение скорости выставки ГСП в заданное положение не менее заданного в табл.1; знаком отмечены узлы ОГС, подлежащие конструктивной проработке.

Примечание к таблице 2: качка основания с заданными в табл. 2 частотами и амплитудами происходит вокруг осей, отмеченных символом «x»; ось стабилизации расположена параллельно оси, указанной в табл. 2.

1. Принципиальная кинематическая схема и описание принципа действия проектируемого ОГС

Принципиальная кинематическая схема силового одноосного ГС представлен на рис. 1, на котором обозначено:

СС - ось стабилизации;

ВВ - ось прецессии гироскопа;

АА - главная ось ротора гироскопа;

Г - двухстепенной гироскоп;

П - платформа;

ДУ - датчик угла стабилизации;

ДУП - датчик угла прецессии;

ДМ - датчик момента;

УСС - усилитель;

СД - стабилизирующий двигатель.

Рисунок 1 - Принципиальная схема:

Принцип действия:

Предположим, что относительно оси стабилизации действует постоянный момент внешней силы m_п. Под действием этого момента гироскоп начинает прецессировать относительно оси Oy с угловой скоростью . При этом появляется гироскопический момент m_г.р = Н, который на начальном этапе уравновешивает внешний момент m_п, обеспечивая тем самым стабилизацию платформы. После поворота гироскопа на некоторый угол и контактное устройство подает напряжение на двигатель цепи разгрузки, который через редуктор прикладывает момент m_c к оси стабилизации. Теперь внешний момент уравновешивается суммой гироскопического момента и момента двигателя:

m_п = m_г.р+ m_c

Когда угол отклонения гироскопа достигнет некоторого значения и₀, момент на оси стабилизации будет равен нулю:

m_п + m_c = 0

И прецессия гироскопа прекратится. Гироскопический момент примет нулевое значение. Контактное устройство, двигатель и редуктор совместно с гироскопом образуют цепь стабилизации.

Для того чтобы выставить стабилизируемую платформу в исходное положение, а также компенсировать ее уходы под действием вредных моментов или из-за переносной угловой скорости, в ГС применяется цепь коррекции, состоящая из измерительного устройства, усилителя и моментного двигателя на оси прецессии гироскопа. Если на моментный двигатель подать напряжение, то под действием момента, приложенного по оси прецессии, гироскоп будет прецессировать вместе с рамой относительно наружной оси до тех пор, пока она не придет в исходное положение.

Таким образом, за счет особенностей формирования цепей управления ГС обеспечивает неизменное положение стабилизируемой рамы при длительном воздействии внешнего момента по оси стабилизации. При этом гироскоп реагирует на изменение величины и знака внешнего момента, то есть выполняет слежение за этим моментом.

2. Оценка условий эксплуатации проектируемого ОГС

Проектируемое в настоящем КП гироскопическое устройство предназначено для работы в условиях длительного воздействия внешних перегрузок, значение которых составляет 2g. При этом значении кратковременных внешних перегрузок на протяжении всего времени работы устройства могут достигать величины 5g. Время работы проектируемого ОГС составляет 9 минут. Работа также осуществляется в условиях гармонической качки основания, на котором закреплено проектируемое устройство, вокруг осей Ох и Оу с максимальной частотой 3 Гц и амплитудой 3 град. Частота вибраций составляет 110 Гц.

Следует также оценить величину возмущающего момента, действующего по оси стабилизации проектируемого ОГС, компенсация которого будет впоследствии осуществляться при помощи исполнительного двигателя. Наибольшее значение такого момента Mn max, кг*м, при гармоническом режиме работы проектируемой системы может быть рассчитано по формуле:

Mn max = Jnб''max + J_pn²и”max + Mn тр + Mn иб + Mn тп + Mn нр (1)

Где:

Jn и J_pn² - момент инерции платформы и приведенный к оси стабилизации момент инерции исполнительного двигателя совместно со связанными с ротором вращающимися элементами, кг*м*с²;

б''max и и”max - ожидаемые амплитуды абсолютного ускорения платформы и ускорения обкатки соответствующего кольца подвеса, рад/с²;

Mn тр - момент сил "сухого" трения в опорах подвеса платформы, кг*м;

Mn иб - момент, возникающий из-за несбалансированности ОГС, кг*м;

Mn тп - моменты, развиваемые токоподводами, кг*м;

Mn нр - момент, возникающий от неравножесткости подвеса, кг*м.

Момент сил "сухого" трения в опорах подвеса платформы Mn тр оценивается приблизительно а пределах 50 - 100 г·см (1). Для данного типа проектируемого ОГС примем его равным:

Mn * тр = 50 г·см

Момент, возникающий из-за несбалансированности ОГС относительно оси стабилизации, является приблизительно равным моменту трения в опорах подвеса платформы, поэтому имеем:

Mn * иб = Mn * тр = 50 г·см

Рассмотрим отдельно первое слагаемое в формуле (1), которое представляет собой гармоническую составляющую Мn гарм, г·см максимального возмущающего момента, действующего по оси стабилизации платформы. Рассчитаем величину этой составляющей момента, предварительно получив для этого в нужном нам виде соответствующее выражение.

Поскольку рассматривается гармоническое движение объекта, то абсолютный угол поворота платформы б относительно оси стабилизации можно рассматривать в виде гармонической функции:

б = б max*sin (щ _Kt)

При этом абсолютная угловая скорость поворота платформы б' относительно оси стабилизации может быть определена как первая производная по времени от угла поворота:

б' = б max щ_{K *} cos (щ _Kt)

А абсолютное угловое ускорение - как вторая производная по времени от угла поворота:

б” = -б max щ²_K * sin (щ _Kt)

При этом максимальное значение амплитуды абсолютного углового ускорения платформы будет равно:

б” = б max щ²_K

Где:

щ_K - частота гармонической качки, рад/с.

Таким образом, с учетом полученного выше выражения для определения максимальной величины абсолютного углового ускорения платформы, формула для расчёта гармонической составляющей максимального возмущающего момента, действующего по оси стабилизации платформы, будет иметь вид:

Mn гарм = Jn ·бmaxщ²_K (2)

Следовательно, согласно формуле (2), получаем:

Mn гарм = 700·0,0175·(2р·3)² = 700·0,0175·354,9 = 4347,525 (г·см).

Теперь определим, согласно формуле (1), ориентировочную величину максимального возмущающего момента, действующего по оси стабилизации платформы проектируемого ОГС.

Поскольку величина момента инерции двигателя J_pn² , а так же момент, развиваемый токоподводами Mn тп и момент от неравножесткости подвеса Mn нр нам пока неизвестны, оценим величину максимального возмущающего момента вначале без учета этих слагаемых:

M'n max = 4347,525 + 50 + 50 = 4447,525 (г·см).

Недостающие слагаемые будут учтены в дальнейшем при выборе соответствующей элементной базы проектируемого ОГС.

3. Аналитическое описание проектируемой системы

3.1 Математическая модель проектируемого ОГС

Для последующего анализа статических и динамических характеристик проектируемого ОГС представим математическую модель проектируемой системы с подробным описанием её составных элементов, на базе которой в дальнейшем будет построена структурная схема проектируемого устройства.

Примем в качестве обобщенных координат проектируемого прибора угол б абсолютного поворота платформы вокруг оси стабилизации и относительный угол поворота гироскопа вокруг оси прецессии и (угол прецессии).

Уравнения динамики механической части структурно совпадают с уравнением динамики трех степенного гироскопа в кардановом подвесе. Таким образом, система уравнений, в полной мере описывающая динамику проектируемого в настоящем КП ОГС с учетом специфики выбора обобщенных координат и действий внешних моментов, будет иметь следующий вид:

J'пб”-H(и'+ д')= Qб +Mc + Mп+Mи;

Jв(и”+ д”)+ Hб'= Qи+Mк + Mв+R;

J'п= Jп+ Jр n²;

д'= -щВ= - щy cos в+щz sin в;

R= -Hи щА=- Hи(щy sin в+ щz cos в);

Qб=- м_п(б'- щz)- М_тпsign(б'- щz)- с_т(б- б_x); (3)

Qи=- м_Bи'- М_тВ sign и';

М_и= Jр n(n-1) щx';

М_С=k_pW_p(s) и;

б_x=? щxdt.

Система уравнений (3) составлена для малых значений углов б и и при неограниченно фиксированном значении угла в поворота объекта по отношению к платформе. В этой системе уравнений приняты следующие обозначения:

Jп, Jв, Jр - моменты инерции платформы, гироскопа и ротора СД, кг*м*с²;

n - передаточное отношение редуктора привода оси стабилизатора;

д - угловая скорость переносного поворота платформы для оси прецессии гироскопа, рад/с;

щА, щВ - проекция угловых скоростей вращения объекта на направлениях АА и ВВ, определяемые при произвольном в, рад/с;

Н - кинетический момент гироскопа, кг*м*с;

щx, щy, щz - абсолютные угловые скорости вращения основания, рад/с;

Qб, Qи - обобщённые моменты для стабилизации и прецессии, кг*м;

М_С, М_К - моменты СД и ДМ гироскопа, кг*м;

М_n, Мв - возмущающие моменты, действующие вокруг осей стабилизации и прецессии, кг*м;

R - малый нелинейный гироскопический момент, кг*м;

М_тп, М_тВ - модули моментов сил сухого трения, кг*м;

с_т - коэффициент возможного упругого момента для оси стабилизации;

k_pW_p(s) - ПФ регулятора системы стабилизации;

М_и - инерционный возмущающий момент, кг * м;

м_п, м_B - коэффициенты моментов сил вязкого трения, кг*м*с.

В предположении отсутствия моментов сил сухого трения, действующих по осям стабилизации и прецессии, возможного упругого момента на оси стабилизации (ст = 0), а также полагая, что работа прибора осуществляется на неподвижном основании (щx, щy, щz =0), система уравнений (3), описывающая динамику механической части проектируемого ОГС, примет следующий вид:

J'пб” - Hи' = Qб + Mc + Mп;

Jви” + Hб' = Qв + Mв;

J'п = Jп + J_p n²;

Qб = - мпб';

Qи = - мви';

Mc = kpWp(s)и;

Приведя систему уравнений (4) к более удобному виду, окончательно получаем:

(Jп + J_pn^2) б”- Hи' = - мпб' + Mn + kpWp(s)и;

Jв и” + Hб' = - мви' + Mв;

3.2 Структурная схема проектируемого ОГС

На основе полученной в предыдущем разделе системы уравнений (5), описывающей динамику механической части проектируемого ОГС, расположенного на неподвижном основании, была составлена его структурная схема, внешний вид которой представлен на рис.2. Для последующего анализа контура стабилизации платформы воспользуемся аппаратом передаточных функций, механическая часть ОГС описывается следующими основными передаточными функциями:

W_о.р(S)_и^Мп = и(S) / M_П(S) = W_П(S) ·W_Г(S) / 1 - W_П(S) ·W_Г(S) ·W_Г.Р.(S) = - k_и / S(T₂²S² + T₁S + 1); (6)

W_о.р(S)_б^Мп = б(S) / M_П(S) = W_П(S) / 1 - W_П(S) ·W_Г(S) ·W_Г.Р.(S) = - k_б(T_ГS + 1) / S(T₂²S² + T₁S + 1);

Где Wп(s) - передаточная функция платформы;

Wг(s) - передаточная функция гироблока;

W_r.p.(s) - передаточная функция гироскопической реакции;

k_и = H / (H² + мп·мв) ; k_б = мв / (H² + мп·мв);

T₂² = J'_П·J_B / (H² + мп·мв) ; T₁ = (J'_П·мв + J_B·мп) / (H² + мп·мв).

Весь контур стабилизации проектируемой системы можно охарактеризовать ее передаточными функциями в разомкнутом и замкнутом состояниях:

W(S) = W_о.р(S)_и^Мп· k_pW_p(S) = - k_и· k_pW_p(S) / s(T₂²s² +T₁s + 1);

K(S)_и^Мп = W_о.р(S)_и^Мп / (1 - W(S)) = - k_и / (s(T₂²s² +T₁s + 1) + k_и· k_pW_p(S));

K(S)_б^Мп = W_о.р(S) _б^Мп /(1 - W(S)) = k_б (T₁s + 1) / (s(T₂²s² +T₁s + 1) + k_и·k_pW_p(S));

K(S)_Mc^Мп = W(S) / (1 - W(S)) = - k_и· k_pW_p(S) / (s(T₂²s² +T₁s + 1) + k_и· k_pW_p(S));

K(S)_Mr.p.^Мп = K(S)_и^Мп·W_r.p(S) = K(S)_и^Мп·Hs = - H·k_иs / (s(T₂²s² +T₁s + 1) + k_и· k_pW_p(S)).

В дальнейшем с помощью передаточной функции W(s) будут проанализированы условия устойчивости проектируемого гиростабилизатора, а остальные передаточные функции позволяют исследовать процессы в контуре стабилизации по координатам и, б, Мс, Мг.р. при действии внешнего возмущающего момента Мп.

Следует в свою очередь отметить, что ПФ регулятора системы стабилизации представляет собой следующее:

k_pW_p(S) = W_ДУ(S)·W_КК(S)·W_У(S)·W_Д(S),

Где:

Wду(S) = k_ДУ - передаточная функция датчика угла прецессии;

- передаточная функция корректирующего контура;

W_y =

- передаточная функция усилителя системы стабилизации;

=

- передаточная функция СД. Развернутая структурная схема системы с учетом вышеуказанных замечаний представлена на рис. 3.

Рис. 2 - Структурная схема проектируемого ОГС:

Рис. 3 - Развёрнутая структурная схема проектируемого ОГС:

4. Выбор элементной базы

4.1 Стабилизирующий двигатель

По устоявшейся методике расчет гиростабилизатора начинается с выбора стабилизирующего двигателя.

Стабилизирующий (исполнительный) двигатель предназначен для создания разгрузочных моментов и системах гироскопической стабилизации. Он представляет собой электромеханическое устройство, скорость вращения вала которого в установившемся режиме Щ является функцией двух переменных: подведенного к обмотке управления напряжении U и момента нагрузки на валу Мн.

В САУ и, в частности, в системах стабилизации двигатель питается не от источника с фиксированным напряжением, а от выхода усилителя того или иного типа (рис.4).

Определим ориентировочно наибольшую требуемую мощность стабилизирующего двигателя. При гармоническом режиме работы системы наибольшая требуемая мощность двигателя Рmax, Вт, (без учёта КПД передач) вычисляется по формуле:

Pmax = 4,9·(Jпб'maxб”max + J_pn² и'max и”max) + 9,8·Mт и'max

Где:

Jп и J_pn² - момент инерции платформы и приведённый к оси стабилизации момент инерции двигателя совместно со связанными с ротором вращающимися элементами, кг*м*с²;

б'max и и'max - ожидаемые амплитуды абсолютной скорости платформы и скорости обкатки соответствующего кольца подвеса, рад/с;

б”max и и”max - амплитуды соответствующих ускорений, рад/с²;

Мт - момент трения на оси стабилизации, кг*м.

Поскольку величина J_pn² момента инерции двигателя, приведённого к оси стабилизации, пока низвестна, найдём значение вначале без учёта слагаемого, содержащего J_pn².

Следовательно, согласно формуле (9), получаем:

Рmax = 4,9·Jп·б'maxб”max + 9,8·Mти'max = 4,9·б²maxщ³_k + 9,8·Mтиmaxщ_k = 4,9·700·10^-5·0,0175²·18,84³+9,8·50·10^-5·0,0175·18,84= 0,07 (Вт)

Номинальную мощность двигателя возьмём с двукратным запасом [6], то есть:

Р_ном = 2Рmax = 0,14 (Вт)

В качестве СД возьмём асинхронный двухфазный двигатель с короткозамкнутым ротором серии АД, схема которого представлена на рис.5. Обмотка возбуждения ОВ питается от сети с фиксированным напряжением переменного тока U_B. Обмотка управления ОУ питается от усилителя. Напряжение на обмотке управления может изменяться как по величине, так и по знаку. Изменение знака соответствует изменению фазы на 180°.

По найденной величине Р_ном устанавливаем, что наиболее подходящим типом двигателя является двигатель АД-20Г, имеющий при частоте питания 400 Гц следующие характеристики:

- максимальная полезная мощность - 0,3 Вт;

- скорость холостого хода - Q_H0M = 6000 об/мин;

- пусковой момент - 13 г·см;

- момент инерции ротора - Jp = 0,0003 г·см·с²;

- электромеханическая постоянная времени - Т_д = 0,01 с.

Далее найдём передаточное число редуктора n, которое при найденном ранее моменте внешней нагрузки М'n max и известном номинальном моменте выбранного типа СД Мном определяется следующим соотношением:

n ? (1,2 ч 1,5) M'п max / Mном (10)

При этом одновременно должно выполняться следующее условие:

n < ? ном / и'max

Поскольку данные номинального режима двигателя в каталоге не приведены, то будем ориентироваться на его номинальную скорость, приблизительно равную Щном = 6000 об/ мин. По механической характеристике, соответствующей выбранному типу двигателя, находим, что этой скорости соответствует момент, приблизительно равный М_ном = 20 г·см. Таким образом, согласно выражению (10). Получаем, что передаточное число редуктора будет равно: n > 1,2·4347,525 /20 = 260

Теперь после выбора передаточного числа редуктора подсчитаем слагаемое, ранее не учтённое при расчёте наибольшей требуемой мощности двигателя Рmax. Оно будет равно:

Pmax = 4,9· J_pn² и'max и”max = 4,9· J_pn² (иmax)²· щ³_k = 4,9·0,0003·10^-5·300²·0,0175²·18.84³ = 0,003 (Вт)

Найдём также слагаемое, не учтённое ранее при расчёте величины максимального возмущающего момент Мn max, действующего по оси стабилизации.

Оно будет равно:

J_pn² и”max = J_pn² иmax щ²_k = 0,0003·300²·0.0175·18,84² = 167,7 (г·см)

Следует уточнить величину максимального возмущающего момента, действующего по оси стабилизации.

Его величина составит:

Mn max = M'n max + J_pn² и”max = 4347,525 + 167,7 = 4515,225 (г·см)

Если учесть также ранее не включенные во внимание моменты, развиваемые токоподводами, Мn тп, момент от неравножесткости подвеса платформы Мn нр и прочие паразитные внешние моменты, тo можно в итоге принять:

Mnmax = 4615,225 г·см.

4.2 Чувствительный элемент

В качестве чувствительного элемента системы стабилизации в настоящем КП предполагается использование ПИГ.

В герметичном корпусе 1 укреплена в подшипниках ось герметичного поплавка 2, внутри которого установлен ротор гироскопа 3.

Пространство между корпусом и поплавком заполнено жидкостью 4.

Имеется датчик угла, статор 5 которого жестко связан с корпусом прибора.

А ротор 6 с осью поплавка; аналогично закреплены статор 7 и ротор 8 датчика момента.

Плотность жидкости выбирается такой, чтобы опоры поплавка были практически полностью разгружены от его веса.

Жидкость играет также роль демпфера.

Ее высокий коэффициент вязкости и малый зазор между корпусом прибора и поплавком обеспечивают весьма значительное демпфирование колебаний поплавка вокруг оси Ох.

Рис. 4 - Устройство поплавкового интегрирующего гироскопа:

Демпфированием от моментов сил вязкого трения по оси стабилизации в силу мп<<мв можно пренебречь в данном случае (мп? 0).

Ось Оx является осью чувствительности прибора, направляемой вдоль соответствующей оси стабилизации платформы; ось Оy - ось прецессии гироскопа; вектор кинетического момента направлен по оси Oz.

По указанным в табл.1 точностным характеристикам, предъявляемым к проектируемому устройству, находим, что наиболее подходящим типом гироскопа, удовлетворяющим требованию по скорости ухода, является поплавковый интегрирующий гироскоп ПИГ-6, разработанный фирмой Миннеаполис - Хонейуэлл и имеющий следующие основные характеристики:

- постоянная времени Т_г =0,0031 с;

- скорость ухода - 0,05 град/ч.

4.3 Датчик угла

Датчик угла представляет собой устройство, предназначенное для преобразования механического угла поворота одного узла прибора относительно другого в электрический сигнал. Обычно датчики угла состоят из двух частей: статора, устанавливаемого на неподвижной части прибора, и ротора, устанавливаемого на подвижной части прибора. В гироскопических приборах наиболее широко применяются индукционные датчики угла и значительно реже фотоэлектрические, потенциометрические, емкостные.

4.3.1 Датчик угла прецессии

В настоящем КП при разработке данного типа ОГС, у которого в качестве чувствительного элемента используется ПИГ, не требуется привлечения в качестве датчика угла прецессии какого-либо дополнительного устройства в силу наличия уже встроенного в сам гироскоп датчика угла, статор которого жёстко связан с его корпусом, а ротор - с осью поплавка.

Это облегчает задачу проектирования, а также позволяет снизить массогабаригные и экономические показатели системы.

Технические характеристики встроенного в ЧЭ датчика угла прецессии в имеющемся каталоге не приведены.

4.3.2 Датчик угла по оси стабилизации

В качестве датчика угла, располагаемого на оси стабилизации проектируемого ОГС и предназначенного для измерения углов абсолютного поворота платформы относительно основания, на котором она закреплена.

Применим абсолютный датчик углового положения типа ЛИР-ДА-158А (с CAN интерфейсом). Принцип действия данного датчика - фотоэлектрический, основан на фотоэлектрическом эффекте - явление испускания электронов веществом под действием внешнего источника света. По сравнению с другими принципами действия, фотоэлектрический обладает большим потенциалом по точности и разрешению, однако более требователен к технологии производства, условиям эксплуатации, размерам, конструкции и т.д.

Таблица 3 - Технические характеристики датчика ЛИР-ДА-158 А:

Тип выходного сигнала	CN
Тип выходного кода	CANopen
Интервал рабочих температур	от-25Сдо+85С
Класс точности	8 класса ±150
Модификация преобразователя	А
Количество разрядов	1...I7
Напряжение питания	+5B
Масса (без кабеля)	0.4 кг
Степень защиты от внешних воздействий	IP64:IР65
Максимальная скорость вращения вала	10000 об/мин
Вибрационное ускорение в диапазоне частот (55...2000) Гц	? 100 м/ с2
Момент трогания ротора (20°С)	?0.01 Нт
Допустимая осевая нагрузка на вал	? 10 Н
Допустимая радиальная нагрузка на вал	? 20 Н
Ударное ускорение	? 300 м/ с2
Момент инерции ротора	1.7*10^(-6) кг*м^2
Максимальная скорость вращения вала без сбоя выходного сигнала	3000 об/мин
Toк потребления	? 90 мА
Диаметр корпуса, мм	57

4.4 Датчик момента

Датчик момента представляет собой устройство, создающее момент, прикладываемый к гироскопу, и предназначен для управления движением гироскопа или ГСП (при начальной ориентации, программном развороте, коррекции); компенсации постоянных составляющих вредных моментов, создаваемых конструктивными элементами ОГС, измерения гироскопических моментов и сил инерции (в акселерометрах). В настоящем КП в качестве датчика момента. расположенного на оси прецессии проектируемого устройства, как и в случае с датчиком угла прецессии, используется встроенный датчик момента, расположенный в корпусе ЧЭ. Его параметры в имеющемся каталоге также не приведены.

4.5 Усилитель

Усилители в системах гироскопической стабилизации предназначаются для питания обмоток управления исполнительных двигателей и датчиков момента. Должны обладать высоким сопротивлением входной цепи, так как потребление мощности на входе приводит к появлению реактивных моментов в ДУ индуктивного типа, которые могут заметно увеличить уходы гироскопа.

К сожалению, в настоящем KП выбрать конкретный тип операционного усилителя, на базе которого строится усилитель системы стабилизации проектируемое ОГС, не представляется возможным ввиду отсутствия необходимых для этого сведений о системе. Но коэффициент усиления этого усилителя, который необходимо реализовать, будет в дальнейшем учтен при расчете коэффициента передачи разомкнутой системы (добротности контура). Постоянную времени усилителя примем равной Tусс = 0.001с.

4.6 Токоподводы

Передача электрической энергии от источника питания к корпусу проектируемого гироприбора осуществляется с помощью проводов и стандартных электрических разъёмов. Более сложная задача - подведение электрической энергии к элементам, расположенным внутри корпуса гироприбора на взаимно поворачивающихся конструктивных узлах. Решение этой задачи осуществляется с помощью специальных устройств, называемых токоподводами.

Токоподводами называются устройства, передающие электрическую энергию между узлами гироприбора, движущимися относительно друг друга. Основными характеристиками токоподводов являются: допускаемый токоподводом угол поворота одного узла гироприбора относительно другого; ток, пропускаемый токоподводом; значение и стабильность момента, прикладываемого токоподводом к подвижному узлу.

Основные характеристики используемых токоподводов:

- допускаемый токоподводом угол поворота - 1.. .2°;

- допускаемая плотность тока - 100.. .200 А/мм²;

- материал - золото;

- поперечное сечение ленты - прямоугольник;

- постоянная составляющая момента тяжения узла токоподводов - порядка:

10 ^ ( -6 ) * Н * см

5. Расчет канала стабилизации

5.1 Анализ устойчивости проектируемого ОГС

Анализ устойчивости проектируемого ОГС проведем в предположении отсутствия в его структуре корректирующего контура с передаточной функцией Wкк(S), актуальность использования которого и подтвердится или не подтвердится в результате проведенного исследования.

Предварительно следует найти вид ПФ проектируемого объекта регулирования, рассчитав недостающие параметры по соотношениям, указанным в п 3.2. Получаем:

Таким образом, согласно соотношениям (6), получаем:

W_о.р(S)_и^Мп= -98,04/ S(0,887·10^-3S²+0,285S+1)

W_о.р(S)_б^Мп= -39,22· (0,0031S+1)/ S(0,887·10^-3S²+0,285S+1)

В соответствии с полученными ПФ объекта регулирования проектируемого устройства построим при помощи пакета Simulink системы MatLab 6.5 его логарифмические частотные характеристики (без использования регулятора), на основании которых сделаем оценку его устойчивости.

Соответствующий график представлен на рис.5.

Рис. 9:

Как видно из полученных выше графиков, сам объект регулирования, а, следовательно, и вся разомкнутая система в целом, предполагающая наличие в канале стабилизации дополнительно УСС и СД, передаточные функции которых представляют собой апериодические звенья первого порядка, и вносящих дополнительные ошибки, будет абсолютно неустойчива. Таким образом, наличие в канале стабилизации проектируемого ОГС корректирующего контура, обеспечивающего нормальную его работу, просто необходимо.

5.2 Расчёт параметров скорректированной системы

В качестве корректирующего контура в настоящем КП наиболее оптимальным представляется использование звена с передаточной функцией:

Таким образом, из сказанного ранее следует, что ПФ всей системы в разомкнутом состоянии при условии:

T²₂ S+ T1S +1? (T1S + l)(T1S +1)

В соответствии с соотношением, будет иметь следующий вид:

k * (TkS + l)

_S(T_l S+ l)(Tr_S +l)(T_yccS+l)(TдS+1)(T'кS+1)

Где: T_K,T'к - постоянные времени корректирующего контура, с;

Тr - постоянная времени гироскопа, с;

T_ycc - постоянная времени усилителя, с;

Тд - постоянная времени двигателя, с.

Коэффициент k в выражении представляет собой произведение передаточных коэффициентов всех звеньев, входящих в состав канала стабилизации, то есть:

k = k_дуп * kкк * k_ycc* k_д,

И является коэффициентом усиления разомкнутой статической системы. Его значение вычисляется по формуле:

k ? м_в·М_{n max} / H²бmax

Следовательно согласно формуле, получаем:

k ? 408·10^-5·4615,225 ·10^-5/ (1020·10^-5)²·0,0175=1034 (c^-1)

Постоянные времени корректирующего контура будут равны:

Т_к > ( Т₁·Т_Г / Т₁+Т_Г ) - 1/k =(0,285·0,0031/0,285+0,0031)-1/1034=0,002

Примем в данном случае Тк = 0,2, а Т'к = 0,002.

Таким образом, ПФ скорректированной системы в разомкнутом состоянии, согласно выражению, будет иметь вид:



Графики ЛАЧХ и ЛФЧХ соответствующие скорректированной системе с передаточной функцией W(s), представлены на рис.11. В соответствии с ними система обладает некоторым запасом устойчивости как по амплитуде, так и по фазе.

Рис. 10 - ЛАЧХ и ЛФЧХ соответствующие скорректированной системе с передаточной функцией W(s):

В заключение этого раздела приведем графики процессов, происходящих в спроектированном ОГС при различных входных воздействиях. При этом установившиеся значения статической ошибки по углам прецессии и стабилизации в целях самопроверки могут быть вычислены по формулам:

Заключение

В ходе выполнения данного КП была спроектирована система одноосной гироскопической стабилизации на базе поплавкового интегрирующего гироскопа. В рамках всего процесса проектировании была предложена кинематическая схема проектируемого устройства с описанием принципа действия, приведена с подробным описанием ее математическая модель и структурная схема, на основе которой осуществлялся анализ его статических и динамических характеристик. Также был подобран элементный состав ОГС с приведением конкретных моделей датчиков и исполнительных устройств. В конечном итоге была синтезирована система, практически в полной мере удовлетворяющая предъявляемым к ней требованиям по точностным характеристикам, качеству переходных процессов и запасам устойчивости.

В завершении хотелось бы выделить то главное, что следует вынести для себя из всей проделанной работы: гироскопическая система стабилизации и ориентации представляет собой сложную, двухконтурную взаимосвязанную систему автоматического управления, включающую в себя чувствительные элементы ориентации и коррекции (приборы и устройства, определяющие параметры ориентации платформы или реагирующие на их изменение), элементы и устройства преобразования информации и линии связи, исполнительные элементы (коррекционпые и стабилизирующие двигатели и устройства, решающие задачу коррекции и управления ориентацией платформы), Это говорит о том, что к разработке реальных систем ориентации, стабилизации и навигации, особенно тех, которые применяются в военной технике, следует подходить достаточной серьёзностью и ответственностью.

кинематический гироскопический датчик

Список литературы

1. Бабаева Н Ф, Расчет и проектирование элементов гироскопических устройств: Л, «Машиностроение», 1967.

2. Бесекерский В А, Фабрикант Е А Динамический синтез систем гироскопической стабилизации : СПб, «Судостроение», 1968.

3. Бесекерский В А , Теория систем автоматического управления: СПб, «Профессия», 2003.

4. Северов Л А Механика гироскопических систем: Москва, Издательство МАИ , 1996.

5. Пельпор Д С Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч2: Москва, «Высшая школа», 1997.

Размещено на Allbest.ru

...