СПОСОБ ДЕМПФИРОВАНИЯ НУТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ РОТОРА ГИРОСКОПА Российский патент 2016 года по МПК G01C19/00 

Изобретение относится к следящим системам (СС) с гироскопическим приводом в качестве исполнительного механизма (ИМ).

Известен способ демпфирования нутационных колебаний ротора гироскопа, представленный в литературе: Картрайт, Массингил, Триблид «Круговой демпфер для подавления нутаций вращающихся аппаратов». - М.: Ракетная техника и космонавтика, 1963 г., Г.Ф. Кэрриер, Дж.У. Майлс «Кольцевой демпфер прецессии свободного гироскопа». - М.: Механика. Издательство иностранной литературы, 1961, Дж.У. Майлс «О кольцевом демпфере свободно прецессирующего гироскопа». - М.: Издательство иностранной литературы Прикладная механика, т.30, серия Е, №2.

Способ демпфирования нутационных колебаний ротора гироскопа заключается в том, что на роторе перпендикулярно его продольной оси закрепляют демпфер, представляющий собой полое кольцо или несколько концентрических колец с центром на продольной оси ротора, частично заполненное «тяжелой» жидкостью, например соединением ртути, и затем балансируют ротор. При колебаниях продольной оси ротора гироскопа в жидкости возникает пропорциональная их величине сила вязкого трения, создающая момент, гасящий эти колебания.

Данный способ имеет ограниченное применение в связи с тем, что соединение ртути при определенной температуре из назначенного диапазона эксплуатации переходит из жидкой в твердую фазу. При этом, естественно, демпфирование нутационных колебаний не происходит, так как звено нутаций гироскопа превращается в генератор, представляющий консервативное звено с передаточной функцией W_н(p), содержащей в знаменателе множитель

(р²+ω² _нут),

где р - оператор Лапласа;

ω_нут - круговая частота нутаций гироскопа.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ демпфирования нутационных колебаний ротора гироскопа, использованный в патенте РФ №2210717 «Система управления самонаводящимся вращающимся снарядом», опубл. 20. 08. 2003 г.

Система управления реализована в соответствии со способом, основанным на формировании сигнала управления угловым положением визирной оси головки самонаведения (ГСН) с помощью двигателя коррекции по информации об отклонении от нее направления на визируемый объект. Одновременно сигнал поступает на рулевой привод, управляющий угловым положением продольной оси снаряда. Причем формируемый сигнал управления суммируют с выходным сигналом датчика угла пеленга (ДУП):

φ_пел=φ_c-φ_р,

где φ_пел - угол между продольными осями снаряда и ротора гироскопа;

φ_с - угол продольной оси снаряда;

φ_Р - угол продольной оси ротора гироскопа.

Выходной сигнал ДУП представляется внешним сигналом по отношению к СС ГСН. Однако в СС он дифференцируется и ее выходной сигнал, поступающий на двигатель коррекции и рулевой привод снаряда, оказывается пропорциональным разности угловых скоростей φ'_с и φ'_р.

Недостатком данного способа является то, что в контур СС проникают колебания снаряда, действующие на его резонансной частоте, например, от механических возмущений, тем самым снижая точность работы контура СС.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение устойчивой с требуемой точностью работы СС, содержащей гироскоп, путем подавления его нутационных колебаний.

В зависимости от состава конструкции прибора (например, снаряда, как в прототипе) и принятого типа управления - одноканального или двухканального, положения продольной оси ротора гироскопа, предлагаются два способа демпфирования нутационных колебаний ротора гироскопа ИМ СС.

Предлагаемый способ демпфирования нутационных колебаний гироскопа, который, как и наиболее близкий к нему, выбранный в качестве прототипа, основан на формировании поступающего в двигатель коррекции сигнала управления угловым положением визирной оси ГСН по информации об отклонении от визирной оси направления на визируемый объект и сигнала ДУП, отображающего координаты угла пеленга во вращающейся вместе с ротором системе координат (ВСК_Р).

В отличие от прототипа дополнительно измеряют сигнал угловой скорости колебаний продольной оси корпуса ИМ, отображающий ее координаты в системе координат, связанной с корпусом, с помощью датчика угловой скорости колебаний продольной оси корпуса (ДУС_к), формируют сигналы, отображающие вращающуюся систему координат ротора ВСК_р на основе сигналов датчика вращения ротора относительно корпуса (ДВР_к) и датчика вращения корпуса (ДВК), преобразуют сигнал ДУП из ВСК_р в неподвижную систему координат ротора (НСК_р), а сигнал ДУС_к - в неподвижную систему координат корпуса НСК_к, причем НСК_р и НСК_к согласованы между собой. Затем дифференцируют преобразованный сигнал ДУП, вычитают из него преобразованный сигнал ДУС_к, а полученную разность сигналов преобразуют в дополнительный сигнал управления, отображающий координаты угловой скорости ротора на выходе звена нутаций на частоте сигнала управления угловым положением визирной оси ГСН, и формируют отрицательную обратную связь между выходом и входом звена нутаций, вычитая ее из сигнала управления угловым положением визирной оси ГСН.

Причем при при одноканальном управлении сигнал управления угловым положением визирной оси ГСН преобразуют из ВСК_р в НСК_р, пропускают его через компенсирующее звено с передаточной функцией W_комп(p), затем выходной сигнал компенсирующего звена преобразуют обратно из НСК_р в ВСК_р и подают в обмотку управления двигателя коррекции.

При двухканальном управлении оба ортогональных друг другу сигнала управления преобразуют из вращающейся системы координат корпуса ВСК_к в неподвижную систему координат корпуса НСК_к, пропускают их через компенсирующие звенья с передаточной функцией W_комп(p). Затем выходные сигналы компенсирующих звеньев преобразуют обратно из НСК_к в ВСК_к и подают в две обмотки управления двигателя коррекции, продольные оси которых расположены в перпендикулярной продольной оси корпуса плоскости перпендикулярно одна другой. Причем передаточная функция W_комп(p) такова, что в каналах управления выполняется условие устойчивости звена с передаточной функцией:

W_общ(p)=W_комп(p) W_н(p),

где W_н(p) - передаточная функция неустойчивого звена нутаций, не содержащего отрицательной обратной связи между входом и выходом, а числитель W_комп(p) содержит множитель, равный нулю на частоте нутаций.

Сущность предлагаемого способа, основанного на использовании внешнего по отношению к СС датчика угловой скорости ДУС_к продольной оси корпуса, состоит в формировании отрицательной обратной связи между входом и выходом звена нутаций гироскопа и обеспечении работоспособности звена нутаций без потери точности системы, а также в том, что в отсутствие ДУС_к возможно обеспечить устойчивую работу СС путем компенсации влияния на устойчивость СС звена нутаций с передаточной функцией W_н(p), не содержащей в своей структуре отрицательной обратной связи между выходом и входом, путем включения последовательно с ним звена с передаточной функцией W_комп(p), такой, что выполняется условие устойчивости звена с передаточной функцией W_общ(p). Естественно, что W_комп(p), как и W_н(p), преобразует сигнал, отображающий координаты СС в НСК. Поэтому если сигнал управления, из которого формируется момент управления продольной осью ротора, отображает координату в ВСК, то он должен быть преобразован вначале в НСК, затем после преобразования звеном с передаточной функцией W_комп(p) - в ВСК с той же частотой, что и до преобразований. При этом при знаменателе W_н(p) в каждом из каналов, содержащем множитель (p²+ω_нут ²), имеем:

W_комп(p)=к_комп(p²+ω_нут ²)/(1+2ξТ_нутр+Т_нут ²р²),

где к_комп - коэффициент усиления звена,

Т_нут=(1/ω_нут),

ξ - декремент затухания, определяющий полосу частот звена.

Вид числителя определяет вид знаменателя, при котором W_комп(p) может быть реализована при данном числителе.

Отметим, что:

ω_нут=fω_p, причем

ω_p - частота вращения ротора,

f=[2J_п/(J_1э+J_2э)] при неравных значениях экваториальных моментов инерции ротора в каналах звена нутаций,

где J_п - полярный момент инерции ротора,

J_1э, J_2э - экваториальные моменты инерции ротора.

Следовательно, при известной частоте ω_р определяется частота ω_нут и при необходимости изменяются связанные с ней параметры компенсирующего звена.

Таким образом, предлагаемое изобретение решает поставленную задачу обеспечения с требуемой точностью устойчивой работы СС, содержащей гироскоп, путем подавления его нутационных колебаний.

Изобретение относится к следящим системам (СС) с гироскопическим приводом в качестве исполнительного механизма (ИМ). Технический результат - обеспечение устойчивой работы СС. Для этого дополнительно измеряют сигнал угловой скорости колебаний продольной оси корпуса исполнительного механизма, отображающий ее координаты в системе координат, связанной с корпусом, с помощью датчика угловой скорости колебаний продольной оси корпуса (ДУС_к), формируют сигналы, отображающие вращающуюся систему координат ротора (ВСК_р) на основе сигналов датчика вращения ротора относительно корпуса (ДВР_к) и датчика вращения корпуса (ДВК), преобразуют сигнал датчика угла пеленга (ДУП) из ВСК_р в неподвижную систему координат ротора (НСК_р), а сигнал ДУС_к - в неподвижную систему координат корпуса НСК_к. Затем дифференцируют преобразованный сигнал ДУП, вычитают из него преобразованный сигнал ДУС_к, а полученную разность сигналов преобразуют в дополнительный сигнал управления, отображающий координаты угловой скорости ротора на выходе звена нутаций на частоте сигнала управления угловым положением визирной оси головки самонаведения, и формируют отрицательную обратную связь между выходом и входом звена нутаций, вычитая ее из сигнала управления угловым положением визирной оси головки самонаведения. 2 з.п. ф-лы

1. Способ демпфирования нутационных колебаний гироскопа, основанный на формировании поступающего в двигатель коррекции сигнала управления угловым положением визирной оси головки самонаведения по информации об отклонении от визирной оси направления на визируемый объект и сигнала датчика угла пеленга (ДУП), отображающего координаты угла пеленга во вращающейся вместе с ротором системе координат (ВСК_p), отличающийся тем, что дополнительно измеряют сигнал угловой скорости колебаний продольной оси корпуса исполнительного механизма, отображающий ее координаты в системе координат, связанной с корпусом, с помощью датчика угловой скорости колебаний продольной оси корпуса (ДУС_к), формируют сигналы, отображающие вращающуюся систему координат ротора ВСК_р на основе сигналов датчика вращения ротора относительно корпуса (ДВР_к) и датчика вращения корпуса (ДВК), преобразуют сигнал ДУП из ВСК_р в неподвижную систему координат ротора (НСК_р), а сигнал ДУС_к - в неподвижную систему координат корпуса НСК_к, причем НСК_р и НСК_к согласованы между собой, затем дифференцируют преобразованный сигнал ДУП, вычитают из него преобразованный сигнал ДУС_к, а полученную разность сигналов преобразуют в дополнительный сигнал управления, отображающий координаты угловой скорости ротора на выходе звена нутаций на частоте сигнала управления угловым положением визирной оси головки самонаведения, и формируют отрицательную обратную связь между выходом и входом звена нутаций, вычитая ее из сигнала управления угловым положением визирной оси головки самонаведения.

2. Способ демпфирования нутационных колебаний гироскопа по п. 1, отличающийся тем, что при одноканальном управлении сигнал управления угловым положением визирной оси головки самонаведения преобразуют из ВСК_р в НСК_р, пропускают его через компенсирующее звено с передаточной функцией W_комп(p), затем выходной сигнал компенсирующего звена преобразуют обратно из НСК_р в ВСК_р и подают в обмотку управления двигателя коррекции.

3. Способ демпфирования нутационных колебаний гироскопа по п. 1, отличающийся тем, что при двухканальном управлении оба ортогональных друг другу сигнала управления преобразуют из вращающейся системы координат корпуса ВСК_к в неподвижную систему координат корпуса НСК_к, пропускают их через компенсирующие звенья с передаточной функцией W_комп(p), затем выходные сигналы компенсирующих звеньев преобразуют обратно из НСК_к в ВСК_к и подают в две обмотки управления двигателя коррекции, продольные оси которых расположены в перпендикулярной продольной оси корпуса плоскости перпендикулярно одна другой, причем передаточная функция W_комп(p) такова, что в каналах управления выполняется условие устойчивости звена с передаточной функцией:

где W_н(p) - передаточная функция неустойчивого звена нутаций, не содержащего отрицательной обратной связи между входом и выходом, а числитель W_комп(p) содержит множитель, равный нулю на частоте нутаций.