Теория, расчёт и проектирование гироскопических стабилизаторов Южно-Уральский государственный университет Кафедра «Приборостроение» © Лысов А. Н., 2005 © Лысова А. А., 2005 Лекции

Структура дисциплины Осенний семестр Лекции 36 ч. Лекции 36 ч. Лабораторные работы 36 ч. Лабораторные работы 36 ч. Экзамен Курсовая работа Весенний семестр Лекции 30 ч. Лекции 30 ч. Лабораторные работы 30 ч. Лабораторные работы 30 ч. Экзамен, зачёт Экзамен, зачёт Курсовой проект

Литература Основная литература: Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Теория гироскопов и гиростабилизаторов: Учебник для вузов. - 2-е издание. - М.: Высшая школа, Лысов А.Н. Одноосные гироскопические стабилизаторы. Челябинск: ЧПИ, Лысов А.Н. Двухосные и трехосные гироскопические стабилизаторы. - Челябинск: ЧПИ, Пельпор Д.С., Колосов Ю.А., Рахтеенко Б.Р. Расчет и проектирование гироскопических стабилизаторов. - М.: Машиностроение, Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч.2. Гироскопические стабилизаторы./ Под ред. Д.С. Пельпора. М.: Высшая школа, Дополнительная литература: Виниченко Н.Т., Лысов А.Н. Силовые гировертикали: Учебное пособие./Под ред. А.Н. Лысова. - Челябинск: ЧПИ, Индикаторные гироскопические платформы. /Под ред. А.Д. Александрова. - М.: Машиностроение, Репников А.В., Сачков Г.П Черноморский А.И. Гироскопические системы: Учебное пособие для авиационных вызов./ Под ред. А.В. Репникова. - М.: Машиностроение, Фабрикант Е.А., Журавлев Л.Д. Динамика следящего привода гироскопических стабилизаторов. - М.: Машиностроение, 1984.

Одноосные гироскопические стабилизаторы

Содержание Лекция 1. Одноосный силовой ГС. Лекция 2. Принцип действия одноосного силового ГС. Лекция 3. Вывод уравнения движения ГС на неподвижном основании. Лекция 4. Обеспечение устойчивости гиростабилизатора за счет увеличения демпфирования по оси стабилизации. Лекция 5. Гиростабилизатор на «малых» гироскопах. Лекция 6, 7. Обеспечение устойчивости гиростабилизатора с помощью корректирующих контуров. Лекция 8, 9. Движение одноосного силового гиростабилизатора на подвижном основании. Лекция 10. Компенсация влияния углового движения основания. Лекция 11. Одноосный индикаторно-силовой гиростабилизатор. Лекция 12. Одноосный гиростабилизатор, построенный на базе датчика угловой скорости. Лекция 13. Одноосный гиростабилизатор с форсирующим гироскопом. Лекция 14. Одноосный индикаторный гиростабилизатор. Лекция 15. Системы ориентирования гиростабилизатора. Лекция 16. Влияние конечной жесткости элементов конструкции на динамику ГС Лекция 17. Учёт конечной жёсткости редуктора. Лекция 18.

Лекция 1. Введение Развитие современной авиационной и ракетной техники характеризуется значительным ростом скорости, высоты полета и маневренности летательных аппаратов. Основные задачи по управлению летательным аппаратом решаются с помощью гироскопических приборов и систем, точность работы которых определяет эффективность действия самолетов, ракет и космических кораблей.

Введение Кроме того, на гироскопические системы возлагаются сложные задачи по стабилизации и управлению целым рядом специальных бортовых систем (антенны бортовых радиолокационных станций, чувствительные элементы головок самонаведения ракетных снарядов, авиационные прицелы, аэрофотоаппараты и др.). Гироскопический стабилизатор линии визирования лазерного пеленгатора-дальномера "Луч" Гиростабилизированный антенный пост

Введение Бортовые системы, подлежащие стабилизации на заданном направлении в пространстве, обладают большим весом и моментом инерции; при этом в условиях интенсивных колебаний летательного аппарата гироскопическая стабилизация испытывает значительные динамические нагрузки. Требования высокой точности стабилизации бортовых систем на заданном направлении в пространстве и тяжелые условия их эксплуатации привели к созданию гироскопических стабилизаторов.

Введение Инерциальные системы управления подвижными объектами (ракетами, самолетами, подводными лодками, космическими аппаратами и т.п.) требуют стабилизации положения чувствительных элементов (ньютонометров) в пространстве с высокой точностью. В любом случае стабилизация сводится к определению параметров углового положения некоторой площадки (платформы) с установленными на ней приборами и выработке соответствующих сигналов управления, обеспечивающих требуемое положение платформы в выбранной системе координат. В системах управления баллистическими ракетами ньютонометры обычно стабилизируют относительно неподвижной в пространстве (инерциальной) системы координат, в системах управления другими подвижными объектами, как правило, - относительно некоторой вращающейся, например земной, системы координат.

Введение Параметры положения платформы и управляющие сигналы для ее стабилизации могут определяться и вырабатываться различными приборами: например, электромеханическими измерителями угловых ускорений и скоростей, лазерными датчиками угловых скоростей. Платформу, предназначенную для размещения объектов стабилизации и гироскопов, обеспечивающих ее стабилизацию в совокупности с некоторыми элементами автоматики, принято называть гироскопическим стабилизатором или гиростабилизатором (ГС). Однако наибольшее распространение до настоящего времени для этой цели сохранили гироскопы.

Введение Наряду со стабилизацией объектов гиростабилизаторы используются и для измерения угловых отклонений объектов, на которых они установлены, от требуемого положения. Самоориентирующаяся гироскопическая система курсокреноуказания Курсовертикаль

Чувствительные элементы Классификация гироскопических стабилизаторов По количеству стабилизированных осей По принципу действия Одноосные ГС Одноосные ГС Двухосные ГС Двухосные ГС Трёхосные ГС Трёхосные ГС Силовые Индикаторно- силовые Индикаторно- силовые Индикаторные Непосредственные Двухстепенный гироскоп Двухстепенный гироскоп Поплавковый интегрирующий гироскоп Поплавковый интегрирующий гироскоп Датчик угловой скорости Датчик угловой скорости Форсирующий гироскоп Форсирующий гироскоп Трёхстепенный гироскоп Трёхстепенный гироскоп Гиродин Динамически настраиваемый гироскоп Динамически настраиваемый гироскопВведение

Чувствительные элементы Гироскопические стабилизаторы По количеству стабилизированных осей По принципу действия Одноосные ГС Одноосные ГС Двухосные ГС Двухосные ГС Трёхосные ГС Трёхосные ГС Силовые Индикаторно- силовые Индикаторно- силовые Индикаторные Непосредственные Двухстепенный гироскоп Двухстепенный гироскоп Поплавковый интегрирующий гироскоп Поплавковый интегрирующий гироскоп Датчик угловой скорости Датчик угловой скорости Форсирующий гироскоп Форсирующий гироскоп Трёхстепенный гироскоп Трёхстепенный гироскоп Гиродин Динамически настраиваемый гироскоп Динамически настраиваемый гироскопВведение

Одноосный силовой гиростабилизатор Чувствительные элементы Гироскопические стабилизаторы По количеству стабилизированных осей По принципу действия Одноосные ГС Одноосные ГС Двухосные ГС Двухосные ГС Трёхосные ГС Трёхосные ГС Силовые Индикаторно- силовые Индикаторно- силовые Индикаторные Непосредственные Двухстепенный гироскоп Двухстепенный гироскоп Поплавковый интегрирующий гироскоп Поплавковый интегрирующий гироскоп Датчик угловой скорости Датчик угловой скорости Форсирующий гироскоп Форсирующий гироскоп Трёхстепенный гироскоп Трёхстепенный гироскоп Гиродин Динамически настраиваемый гироскоп Динамически настраиваемый гироскоп

Принцип действия одноосного силового ГС Применение силовых гиростабилизаторов в различных гироскопических системах наметилось у нас в конце 30-х годов, но основные принципы и схемы силовой стабилизации были разработаны в 1924 г. С.А. Ноздровским (Гироскоп с искусственными прецессиями. Патент на изобретение. 2168, класс 42с, гр. 25/50, заявлен 2 авг г.) Позднее появились аналогичные схемы за границей.

платформа гироблок Принцип действия одноосного силового ГС Кинематическая схема одноосного силового ГС: объект стабилизации двухстепенный гироскоп Гироскоп вместе с датчиками углов и моментов, токоподводами, устройствами для балансировки и другими элементами выполняются, как правило, в виде отдельного прибора, называемого гироблоком. При этом роторы датчиков углов и моментов устанавливаются на цапфах оси подвеса гироскопа, а их статоры закрепляются в корпусе гироблока. Гироскоп располагают на платформе так, чтобы в невозмущенном положении ось чувствительности была параллельна оси стабилизации. датчик команд датчик углов прецессии датчик моментов редуктор двигатель стабилизации

Принцип действия одноосного силового ГС Условимся называть ось подвеса гироблока осью прецессии, ось подвеса платформы – осью стабилизации. ось стабилизации ось прецессии

Принцип действия одноосного силового ГС Сигнал с датчика угла гироблока, пропорциональный углу поворота гироскопа вокруг оси прецессии, подается на вход усилителя стабилизации, с выхода которого поступает на управляющую обмотку двигателя стабилизации. Совокупность гироскопа, датчика угла, усилителя стабилизации и двигателя стабилизации с редуктором называют системой стабилизации, а цепь датчик угла – усилитель – двигатель стабилизация с редуктором – цепью стабилизации. усилитель стабилизации Управление двигателя таково, что его действие на платформу обусловливает движение гироскопа в сторону уменьшения угла прецессии.

Принцип действия одноосного силового ГС Рассмотрим принцип действия гиростабилизатора. x y z М1М1 МгМг Первый этап стабилизацииПервый этап стабилизации.

Принцип действия одноосного силового ГС Второй этап стабилизацииВторой этап стабилизации. По мере прецессии гироскопа он поворачивается на угол и с датчика угла начинает сниматься сигнал, который после усиления в усилителе стабилизации поступает на двигатель стабилизации. Последний прикладывает к платформе момент, направленный противоположно внешнему. МгМг М1М1 x y z H МСМС

МгМг М1М1 x y z Принцип действия одноосного силового ГС При дальнейшем увеличении угла прецессии момент двигателя стабилизации возрастает до величины внешнего момента. При этом прецессия гироскопа прекратится, Третий этап стабилизацииТретий этап стабилизации. H МСМС

Принцип действия одноосного силового ГС ст Третий этап стабилизацииТретий этап стабилизации. а воздействие на платформу целиком уравновесится двигателем стабилизации М1М1 H МСМС где - передаточное отношение редуктора; - коэффициенты передачи датчика угла, усилителя и двигателя стабилизации, соответственно. x y z МгМг

Принцип действия одноосного силового ГС достигаются мгновенно и платформа не успевает отклониться от первоначального положения. Так как в рамках прецессионного объяснения гироскоп безинерционен, то можно считать, что равенства

Принцип действия одноосного силового ГС М1М1 МГМГ МСМС М, Н см t, с, угл.мин, град t,с 1 этап стабилизации 2 этап стабилизации 3 этап стабилизации

Принцип действия одноосного силового ГС М1М1 МГМГ МСМС М, Н см t, с, угл.мин, град t,с 1 этап стабилизации 2 этап стабилизации 3 этап стабилизации

Принцип действия одноосного силового ГС М1М1 МГМГ МСМС М, Н см t, с, угл.мин, град t,с 1 этап стабилизации 2 этап стабилизации 3 этап стабилизации

Принцип действия одноосного силового ГС С учетом инерционных свойств гиростабилизатора переходные процессы будут иметь следующий вид. М1М1 МГМГ МСМС t t t М

Принцип действия одноосного силового ГС Стабилизированная платформа Гироскоп Кинетический момент ДУ УС ДС М1М1 МСМС МГМГ М Р

Принцип действия одноосного силового ГС Стабилизированная платформа Гироскоп Кинетический момент ДУ УС ДС М1М1 МСМС МГМГ М Р

Принцип действия одноосного силового ГС Стабилизированная платформа Гироскоп Кинетический момент ДУ УС ДС М1М1 МСМС МГМГ М Р

Вывод уравнения движения ГС на неподвижном основании Введем следующие прямоугольные системы координат: - система координат, связанная с основанием; - система координат, связанная с платформой; - система координат, связанная с гироскопом. О ζ y ξ Z пZ п xпxп x,у п,Z,Z

Вывод уравнения движения ГС на неподвижном основании Обозначим: - угол поворота стабилизированной платформы относительно основания; - угол прецессии; - возмущающие моменты относительно осей стабилизации и прецессии; - суммарный момент инерции стабилизированной платформы, гироблока и ротора двигателя стабилизации приведенного к оси стабилизации относительно оси ; - момент инерции гироскопа относительно оси прецессии; - кинетический момент гироскопа; - коэффициент усиления цепи стабилизации; - коэффициент демпфирования относительно оси стабилизации. К

Вывод уравнения движения ГС на неподвижном основании - коэффициент противоэдс двигателя, Т эмех – электромеханическая постоянная времени двигателя. - коэффициент противоэдс двигателя стабилизации, приведенный к оси стабилизации (коэффициент демпфирования по оси стабилизации, обусловленный коэффициентом противоэдс двигателя). М n n xx

Вывод уравнения движения ГС на неподвижном основании Уравнения движения одноосного силового гиростабилизатора на неподвижном основании: Н упуп z

Структурные схемы гиростабилизатора и его передаточные функции В связи с тем, что гиростабилизатор представляет систему автоматического регулирования, в которой объектом регулирования является механическая часть (платформа с гироскопом и объект стабилизации), а регулятором – цепь стабилизации, составим его структурную схему. Разрешим первое уравнение относительно (p), а второе относительно (p): Применим к уравнениям преобразование по Лапласу, тогда, полагая начальные условия нулевыми, получим:

Структурные схемы гиростабилизатора и его передаточные функции Hp K М1(p)М1(p) (p) М2(p)М2(p) Hp Далее каждое уравнение можно изобразить в виде некоторой блок-схемы; совокупность их представляет структурную схему гиростабилизатора. hp

Структурные схемы гиростабилизатора и его передаточные функции М 1 (р) (р) Для определения передаточных функций гиростабилизатора преобразуем его структурную схему с помощью правил, известных из теории автоматического регулирования. 1+

Структурные схемы гиростабилизатора и его передаточные функции М 2 (p) (p) Перейдем к определению передаточной функции W,M2 ( p ) гиростабилизатора. Для этого структурную схему представим в виде:

Структурные схемы гиростабилизатора и его передаточные функции М1 (р)М1 (р) W,M1 (p) (р) Изобразим преобразованную структурную схему для определения передаточной функции W,M1 (p) гиростабилизатора. Из передаточных функций следует, что при постоянном возмущающем моменте М 1 статическая ошибка по координате отсутствует, т.е. ст =0, а угол поворота гироузла определяется из выражения При постоянном или медленно меняющемся возмущающем моменте М 2 имеем