ИНДИКАТОРНЫЙ ГИРОСТАБИЛИЗАТОР Российский патент 1998 года по МПК G01C19/44 

Изобретение относится к точному приборостроению, а именно к гироскопической технике, и может быть использовано в индикаторных гиростабилизаторах и следящих системах.

Известны индикаторные гиростабилизаторы (одноосные, двухосные и трехосные), построенные на трехстепенных гироскопах (гироскоп может быть в кардановом подвесе, с шаровой опорой, динамически настраиваемым или поплавковым), контуры стабилизации которых включают последовательно соединенные датчик угла гироскопа, предварительный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, корректирующий фильтр (корректирующее звено), усилитель напряжения, усилитель мощности и стабилизирующий мотор (двигатель разгрузки или датчик моментов) (Индикаторные гироскопические платформы. п/р. Александрова А.Д. М., Машиностроение, 1978). При этом стабилизирующий мотор с целью устранения люфта может быть выполнен по двухдвигательной схеме на базе редукторного привода. Однако, имея положительные качества, такие схемы имеют значительные габариты, причем редукторные приводы являются также источниками дополнительных возмущающих моментов, обусловленных обкаткой редукторов.

Известны также гиростабилизаторы на двухстепенных гироблоках, когда стабилизирующие моторы являются безредукторными, представляющими собой моментные двигатели постоянного тока (типа ДМ-3, ДМ-10) с возбуждением от постоянных моментов (Инерциальная курсовертикаль ИКВ-1. Техническое описание. 1977, с. 102 - 109).

Известны также индикаторные гиростабилизаторы, выпускаемые отечественной промышленностью, которые построены на трехстепенных гироскопах, стабилизирующие моторы которых выполнены по безредукторной схеме и являются моментными двигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов (Стабилизатор гироскопический Б-51. Техническое описание 6Ш2.564.005 ТО 1975).

При построении индикаторных гиростабилизаторов (ИГС) данного класса приходится решать задачу обеспечения устойчивости при заданной точности стабилизации (при большой крутизне контура стабилизации), когда собственное демпфирование относительно оси стабилизации, обусловленное стабилизирующим мотором, мало (так как отсутствует редуктор).

Обеспечение заданной точности стабилизации и устойчивости работы ИГС достигается подбором соответствующих корректирующих звеньев, включаемых в контур стабилизации. Однако с повышением точности стабилизации (уменьшением ошибки стабилизации) обеспечение устойчивости работы стабилизатора становится все более сложной задачей.

Иногда для повышения демпфирования относительно оси стабилизации применяют тахогенератор, который кинематически связан с осью стабилизации, а электрически подключен к одному из входов усилителя стабилизации (см. Бессекерский В.А., Фабрикант Е.А., Динамический синтез систем гироскопической стабилизации. Л., Изд-во Судостроение 1968).

Однако в большинстве случаев такое конструктивное решение является недопустимым из-за увеличения габаритов гиростабилизатора или просто из-за невозможности введения каких-либо конструктивных изменений в приборе. В предлагаемом техническом решении планируется использовать только электрические сигналы, существующие в контуре стабилизации с минимальными аппаратными затратами по электронике.

За прототип выбираем индикаторный гиростабилизатор, состоящий из платформы в одноосном подвесе, с осью которой кинематически связан стабилизирующий мотор и на которой установлен трехстепенной гироскоп с датчиками углов и моментов по каждой оси подвеса, причем один из датчиков угла через усилитель арретирования подключен к соответствующему коррекционному мотору, а датчик угла, установленный на оси, параллельной оси платформы, подключен к одному из входов усилителя стабилизации, содержащему последовательно включенные предварительный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, усилители напряжения и мощности, выход которого соединен с обмоткой управления стабилизирующего мотора (Гиростабилизатор СГИ 54. Техническое описание 6Ш2.564.009 ТО. 1984).

Недостатком прототипа является малая статическая и динамическая точность относительно оси стабилизации, а стремление повысить ее за счет увеличения крутизны контура стабилизации приводит к значительному снижению запасов устойчивости по фазе и амплитуде и даже к неустойчивой работе ИГС. При этом также возникают существенные трудности в подборе типа корректирующих звеньев.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности стабилизации и устойчивости работы ИГС.

Указанная задача достигается тем, что в усилитель стабилизации между фазочувствительным выпрямителем и усилителем напряжения введен сумматор, а последовательно обмотке управления стабилизирующего мотора подключен резистор, который по типу положительной обратной связи через дополнительно введенный масштабный усилитель подключен к неинвертирующему входу сумматора, инвертирующий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя, при этом коэффициент передачи масштабного усилителя определяется из соотношения
((N-1)r+Nr₁)/NSr₁,
где
N - коэффициент повышения статической точности и демпфирования относительно оси подвеса платформы;
r, r₁ - активные сопротивления обмотки управления стабилизирующего мотора и резистора;
S - коэффициент усиления от точки подключения масштабного усилителя к усилителю стабилизации до его выхода.

Кинематическая схема ИГС с блок-схемой контура усилителя стабилизации представлена на чертеже, где приняты следующие обозначения:
1 - платформа, на которой устанавливается полезная нагрузка;
2 - трехстепенной гироскоп;
3 - наружная рамка гироскопа;
4 - гироузел;
5 - датчик угла контура стабилизации;
6 - датчик угла контура электрического арретирования (ЭА);
7 - усилитель контура ЭА;
8 - датчик момента контура ЭА;
9 - датчик момента управления платформой;
10 - усилитель стабилизации;
11 - предварительный усилитель;
12 - фазочувствительный выпрямитель;
13 - сумматор;
14 - усилитель напряжения;
15 - усилитель мощности;
16 - масштабный усилитель;
17 - стабилизирующий мотор (СМ);
17.1 - ротор СМ;
17.2 - статор СМ;
18 - резистор, который включен в цепь обмотки управления СМ;
19 - выходной датчик угла гиростабилизатора.

На чертеже имеются следующие буквенные изображения:
H - кинетический момент гироскопа;
OX - ось подвеса платформы (ось стабилизации);
- угол и угловая скорость относительно оси стабилизации;
r - активное сопротивление обмотки управления СМ;
r₁ - дополнительное эталонное сопротивление в цепи обмотки управления СМ;
i - ток в обмотке управления СМ;
K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆ - коэффициенты передачи датчика угла 5, предварительного усилителя 11, фазочувствительного выпрямителя 12, усилителя напряжения 14, усилителя мощности 15, масштабного усилителя 16.

Пояснение работы индикаторного гиростабилизатора.

Пояснение будет вестись с позиций оценки крутизны и приведенного коэффициента демпфирования контура стабилизации. Одновременно будем считать, что усилитель стабилизации 10 и стабилизирующий мотор 17 безинерционны. При этом рассмотрим два случая: с отсутствием и наличием положительной обратной связи по току.

Для доказательства запишем уравнения, поясняющие работу ИГС при формировании момента СМ
I = M + M_в; (1)
M = C_мi; (2)
U = (r+r₁)i+C_e ; (3)
U = (-K₁K₂K₃ α + K₆r₁i)K₄K₅, (4)
где
(1) - уравнение относительно оси стабилизации;
(2) - уравнение моментов СМ;
(3) - уравнение напряжений для СМ;
(4) - уравнение усилителей стабилизации;
I - момент инерции относительно оси стабилизации;
C_м, C_e - коэффициенты момента и противоэдс СМ;
M - момент на валу СМ;
M_в - возмущающий момент;
U - напряжение на выходе усилителя стабилизации.

Для анализа достаточно найти выражение для тока стабилизирующего мотора
i = -(K₁K₂K₃K₄K₅ α + C_e )/((r+r₁)-K₄K₅K₆r₁), (5)
подставляя которое в (1), получим

где
K= C_м(K₁K₂K₃K₄K₅)/ (r+r₁(1-K₄K₅K₆)) - крутизна контура стабилизации по моменту;
K_д=C_e/(r+r₁(1-K₄K₅K₆)) - коэффициент демпфирования относительно оси стабилизации.

Если разделить все члены уравнения (6) на K_д, то получим иную форму записи уравнения (6), часто используемую при исследовании подобных систем

где
T = I/K_д - постоянная времени платформы;
K_w= K/K_д= (C_мK₁K₂K₃K₄K₅)/ C_e - добротность ИГС, как следящей системы по скорости;
α_y = M_в/K - статическая ошибка, характеризующая точность стабилизации при действии постоянного возмущающего момента.

Дальнейшие оценки будем производить для двух случаев, когда отсутствует и когда присутствует положительная обратная связь по току.

Случай 1. Сопротивление r₁= 0 и соответственно отсутствует масштабный усилитель (16) (соответствует прототипу).

Соответствующие параметры уравнений (6) и (7) при этом принимают вид (в скобках указывается условие):
K(r₁=0)=(C_мK₁K₂K₃K₄K₅)/r; (8)
K_д(r₁=0)=C_e/r; (9)
K_w(r₁=0)=C_м/ (C_eK₁K₂K₃K₄K₅); (10)
T(r₁=0)=Ir/C_e; (11)
Случай 2. Сопротивление r₁ ≠ 0 и положительная обратная связь по току организуется через масштабный усилитель (16).

K(r₁ ≠ 0)= (C_мK₁K₂K₃K₄K₅)/ (r+r₁(1-K₄K₅K₆)); (12)
K_д(r₁ ≠ 0)= C_е/(r+r₁(1-K₄K₅K₆)); (13)
K_w(r₁ ≠ 0)=C_м/ (C_eK₁K₂K₃K₄K₅); (14)
T(r₁ ≠ 0)=(I(r+r₁(1-K₄K₅K₆)))/C_e; (15)
Из сравнения параметров (8) - (11) и (12) - (15) можно сделать следующие выводы:
1. Крутизна K контура стабилизации и коэффициент демпфирования существенно зависят от наличия положительной обратной связи и, соответственно, ее параметров r₁ и K₆.

2. Постоянная времени T также существенно зависит от r₁ и K₆.

3. Добротность по скорости не зависит от наличия положительной обратной связи.

4. Статическая точность (ошибка) и, соответственно, динамическая точность также существенно зависят от введения положительной обратной связи по току.

5. Подбирая r₁ и K₆, можно получить желаемые точностные характеристики и значительно упростить задачу нахождения вида корректирующих звеньев, которые обычно включают в усилитель напряжения (14) и усилитель мощности (15), для обеспечения заданных запасов устойчивости по фазе и амплитуде.

При построении контура стабилизации ИГС с положительной обратной связью по току CM можно считать K₄ и K₅ заданными, а r₁ и K₆ следует задавать из дополнительных условий, например из значения коэффициента увеличения крутизны и коэффициента демпфирования, который обозначим N
N = (K(r₁ ≠ 0))/(K(r₁=0))=K_д(r₁ ≠ 0)/ (K_д(r₁=0))=r/(r+(1-K₄K₅K₆)-r₁). (16)
Из выражения (16) находим коэффициент передачи масштабного усилителя
K₆((N-1)r+Nr₁)/(Nr₁S), (17)
где
S = K₄K₅ - коэффициент усиления между выходом сумматора и выходом усилителя мощности или в более общем виде коэффициент усиления между точкой подключения масштабного усилителя к усилителю стабилизации и его выходом.

Выражение (17) вводится в формулу изобретения как выражение взаимосвязи параметров усилителя стабилизации, сопротивлений цепи управления СМ и коэффициента повышения точности стабилизации.

Следует также отметить назначение контура электрического арретирования, который обеспечивает невыбиваемость гироскопа - арретирование гироузла 4 относительно избыточной оси - оси его подвеса. В исходном положении вектор H перпендикулярен плоскости наружной рамки 3. Если по каким-либо причинам перпендикулярность нарушена, то датчик угла 6 выдает сигнал на усилитель 7, который управляет датчиком момента 8. Датчик момента создает момент, заставляющий прецессировать гироскоп вокруг оси гироузла 4 в сторону уменьшения сигнала с датчика угла 6.

Пример. B примере рассмотрим одноосный ИГС с безредукторным приводом, когда СМ является двигателем постоянного тока с независимым возбуждением от постоянных магнитов серии ДМ. Подобные ИГС находят широкое применение, например при построении гироскопических инклинометров, когда полезной нагрузкой служат акселерометры и к точности стабилизации предъявляются жесткие требования.

Исходные данные: r = 20 Ом; r₁ = Ом; S = 20.

Задаваясь различными N, получим:
N = 2, K₆ = 0,3.

N = 5, K₆ = 0,45.

N = 10, K₆ = 0,5.

Так как из (11) и (15) следует, что T(r₁=0)=T(r=0)/N, то постоянная времени T будет при этом уменьшаться соответственно в 2, 5 и 10 раз.

В лабораторном экземпляре ИГС коэффициент N =7. Этого оказалось достаточно, чтобы обеспечить заданную точность стабилизации и подобрать эффективную коррекцию, обеспечивающую запас по фазе не менее 40^o, а запас по амплитуде - порядка 18 дБ.

Гиростабилизаторы находят применение в гироскопической технике, а также могут быть использованы при построении следящих систем. Гиростабилизатор состоит из платформы в одноосном подвесе, с осью которой кинематически связан стабилизирующий мотор. На платформе установлен трехстепенной гироскоп с датчиками угла и момента по каждой оси подвеса. Один датчик угла через усилитель арретирования подключен к датчику момента. Датчик угла, установленный на оси параллельной оси подвеса платформы, подключен к одному из входов усилителя стабилизации. Усилитель стабилизации состоит из последовательно включенных предварительного усилителя, фазочувствительного выпрямителя, усилителей напряжения и мощности, выход которого соединен с обмоткой управления стабилизирующего мотора. Повышение точности стабилизации и устойчивости работы гироплатформы осуществляется путем введения в усилитель стабилизации между фазочувствительным выпрямителем и усилителем мощности сумматора, а в обмотку управления стабилизирующим мотором - резистора. Резистор по типу положительной обратной связи через масштабный усилитель подключен к неинвертирующему входу сумматора. Инвертирующий вход сумматора соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя. Приведено соотношение для определения коэффициента передачи масштабного усилителя. 1 ил.

Гиростабилизатор, состоящий из платформы в одноосном подвесе, с осью которой кинематически связан стабилизирующий мотор, установленного на платформе трехстепенного гироскопа с датчиками угла и датчиками момента по каждой оси его подвеса, причем один из датчиков угла через усилитель арретирования подключен к соответствующему датчику момента, датчик угла, установленный на оси, параллельной оси подвеса платформы, подключен к одному из входов усилителя стабилизации, выход которого соединен с обмоткой управления стабилизирующего мотора, а усилитель стабилизации содержит последовательно включенные предварительный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, усилитель напряжения и усилитель мощности, отличающийся тем, что в усилитель стабилизации между фазочувствительным выпрямителем и усилителем напряжения введен сумматор, а последовательно обмотке управления стабилизирующего мотора подключен резистор, который по типу положительной обратной связи через дополнительно введенный масштабный усилитель подключен к неинвертирующему входу сумматора, инвертирующий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя, при этом коэффициент передачи масштабного усилителя определяется из соотношения
(N - 1)r + Nr₁) / Nsr₁,
где N - коэффициент повышения статической точности и демфирования относительно оси подвеса платформы;
r, r₁ - активные сопротивления обмотки управления стабилизирующего мотора и резистора;
S - коэффициент усиления от точки подключения масштабного усилителя к усилителю стабилизации до его выхода.