Чувствительный элемент поплавкового гирокомпаса Советский патент 1993 года по МПК G01C19/38 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в современных гироскопических компасах для морских и речных судов.

Цель изобретения - повышение точности гирокомпаса, работающего в условиях маневрирующего судна.

Сущность изобретения заключается в том. что повышение точности гирокомпаса с, непосредственным управлением (типа Курс-4) при маневрировании судна достигается путем исключения из его показаний инерционных девиаций, возникающих в результате указанного маневрирования, что осуществляется на основе использования нового чувствительного элемента, в котором производится вычисление указанных девиаций, выполняемых специализированным вычислителем (блоком вычисления инерционной и скоростной девиации), установленным внутри чувствительного элемента и содержащем математическую модель чувствительного элемента, причем получение информации о составляющих ускорения судна вдоль географических осей N-S и Е- W, необходимой для расчета инерционных девиаций, обеспечивается с помощью сигналов, вырабатываемых двумя акселерометрами, также размещенными внутри чувствительного элемента вдоль его осей Nr-Sr и Er-Wr, а адекватность величины и закономерность изменения во времени инерционных девиаций реального чувствительного элемента и его математической модели, причем без какой-либо информации о величине всех основных параметров реального чувствительного элемента, достигается за счет того, что в процессе маневра от акселерометров поступает информация о фактическом ускорении судна, а после маневра продолжающий поступать от акселерометров сигнал содержит информацию о координатах, характеризующих значение угла возвышения и угла крена чувствительного элемента, что позволяет сформировать в математической модели дополнительные управляющие моменты (дополнительные к основному маятниковому моменту), пропорциональные разности указанных углов реального чувствительного элемента и анало- гичных углов, вырабатываемых математической моделью.

На основе мгновенных значений вычисленной инерционной девиации формируются командные сигналы, в результате чего происходит управляемое дискретное изменение углового положения широкого полупояса экваториального электрода относительно оболочки чувствительного элемента на такую величину и такого знака, которые равняются в данный момент времени величине и знаку рассчитанной инерционной девиации. Указанное изменение углового положения широкого полупояса экваториального электрода достигается путем подключения к нему узких вертикальных секций, изолированных Друг от друга и

от металлической оболочки чувствительного элем ента. Число секций определяется в зависимости от максимально возможной (прогнозируемой) величины девиации (например ± 20°), а угловая величина (ширина) каждой секции, а также угловая величина интервала между секциями определяется расчетной точностью исключения девиации (например, ± 0,2°).

Вследствие изменения углового положения широкого полупояса экваториально- го электрода произойдет отработка следящей системы гирокомпаса и показания всех репитеров изменятся на величину, равную инерционной девиации, т.е. погрешность из показаний гирокомпаса будет устранена.

Одновременно специализированный вычислитель, используя ту же математическую модель, произведет расчет другой (так

называемой скоростной) девиации, на основе чего с помощью соответствующих командных сигналов произойдет дополнительное изменение углового положения широкого полупояса и в конечном итоге скоростная

девиация также будет исключена из покйза- ний гирокомпаса.

Для расчета как скоростной, так и инерционной девиации необходима информация

о составляющих скорости судна и широте его места. Указанная информация может быть получена с помощью судовых средств обсервации и счисления, тем более, что в отличие от ускорения судна, в данном слу- чае не требуется знаний мгновенного значе- ния скорости, а достаточно знания осредненных величин, поскольку чувствительный элемент гирокомпаса имеет длительный переходный процесс при переходе из одного положения равновесия в другое. На основе общих уравнений (см. монография Матвеева С.С.. Гирокомпасы и гиро- горизонтокомпасы. Л.: Судостроение, 1974 г.352 с), система дифференциальных ура в- нений, используемая далее в качестве математической модели чувствительного элемента, получена в следующем виде

. V 6, VB 6, В, Ve с,

,

VN в,

-

)

(RUcos4 VE) 3 И, (RUco5if«VE) з

/,VE4 / . VE, МЦчУЕ С, VE X4()x1-(us,n4.rti4)x4-SIi--E 4- -x

В, и В, Е

в,

-х, + - - х,-

п

I, И, 9 . ieileo. Ј

н,га. ie гмцч1 VE/ ve, YI tid

- V I . VE , К,

Х4-R- -tfifj-fj;

--h

« ГV|t .У уи VEI

Г з )V

В системе уравнений (1) использованы следующие обозначения параметров модельного чувствительного элемента и харак- теристик движения судна:

HI - кинематический момент одного гироскопа;

Вт - модуль момента твердого маятника;

Ci - модуль момента гидравлического маятника;

Ki - модуль момента упругости связи спарника гироскопов;

тгм1 постоянная времени гидравли- ческого маятника;

считается, что все вышеназванные параметры чувствительного элемента имеют известные номинальные (стандарные) значения, VN.VE, VN, VE - составляющие линейного ускорения и линейной скорости судна соответственно вдоль осей N-S и E-W (географической системы координат);

g - ускорение силы тяжести;

V - угловая скорость суточного враще- ния Земли;

р - широта места судна;

R - радиус Земли, принятой за сферу.

5 0 5

°

5

xi ам - ссм2

ХЗ Г} М - Г} М2 (2)

Х4 V М - ty M2

Х5 У М - У М2

где -ам ,/Зм,/м , VM .ум -обобщенные координаты, характеризующие движение модельного чувствительного элемента соответственно в азимуте, по высоте, движения гироскопов внутри чувствительного элемента, по углу крена, движение жидкости в успокоителе колебаний;

а- т , / М2 , i М2 . V М2 , у М2 - аналогичные координаты, характеризующие положение равновесия модельного чувствительного элемента при стационарном движении судна (при постоянных курсе и скорости);

XL Х2, хз, Х4, ХБ - аналогичные координаты, характеризующие инерционные девиации модельного чувствительного элемента, т.е. отображающие исключительно только влияния маневрирования судна на чувствительный элемент гирокомпаса.

Значение координаты аМ2 .определяющей величину скоростной девиации гирокомпаса, рассчитывается отдельно по формуле

30

VN

аМ2 RUcos + VE

(3)

и далее суммируется с рассчитанной величиной xi, определяющей значение инерционной девиации для выполнения, последующих операций.

Значение координаты /Зм2 , которое также требуется далее, рассчитывается по формуле

Hi(Uslnp + tgy)

(4)

а значение

VM2 0

(5)

Использование математической модели (1) для целей расчета инерционной девиации чувствительного элемента в азимуте xi возможно только при наличии информации о мгновенных значениях составляющих ускорения судна VN. VE, его скорости VN, VE, а также широты места р .

Для получения информации о составляющих ускорения судна VN и VE внутри реального чувствительного элемента гирокомпаса размещаются два акселерометра (датчика линейных ускорений) вдоль осей Nr-Sr и Er-Wr гиросферы.

Характер информации, которую будут вырабатывать указанные выше акселерометры с достаточной для пояснения существа вопроса степенью точности, можно выявить из следующей системы дифференциальных уравнений, отображающей движение реального чувствительного элемента с размещенными внутри него акселерометрами (см. два последних уравнения)

. VMV6 6 l VH V6 С tf..n.)-,}

,.

-§ + Ґ

VN

а)

скольку они содержат перекрестные составляющие, а также зависят от углов /3 и р . Имея в виду приближенные соотношения

. /9мв/, VM

(9)

путем выполнения непосредственной проверки, можно убедиться что нижеследующие комбинации результатов измерений, осуществляемых акселерометрами, установленными в реальном чувствительном элементе, и результатов вычислений, позволяют ввести в математическую модель информацию о реальном ускорении судна VN

и VE путем замещения отношений -- и

9

этими комбинациями

VE VH

VE,

(«U«os(f -g--jf Јt(U6mt|t-gijtf)|i-jj-g j 1

У

()

г гм p g g }

1

VN VE

У)

v -

rA(

(.a).

В системе уравнений (6) использованы те же обозначения для всех параметров реального чувствительного элемента, что и в системе (1), но без индекса Г. Дополнительно введено обозначение ТА - постоянная времени акселерометра.

Если величина ТА сделана достаточно малой по сравнений с длительностью маневра (например 10 с по сравнению с 360- 720 с), то по прошествии малого интервала времени с момента начала маневра можно с высокой степенью точности считать

-fi+Ґ+Ґ

+ Ґ+&

(7)

(8)

(точнее об отношениях

Из выражений 7 и 8 вытекает, что сигналы ft и v , вырабатываемые акселерометрами, не могут- быть непосредственно использованы в качестве носителей раздельной информации об ускорении VN и VE

Vjl g

VHVK

- -рРмЧ; -Ч м + Н«м)( ПО)

, V

-Е- Чн-Мк)м«-;г(ч-9м). do

о

0

5

0

5

0

5

Отметим, что значения /4 и v вырабатываются акселерометрами, значения а м . Р м . V м рассчитываются по формулам 2, значения ам2,рм2,1рш находятся по формулам 3, 4, 5, а значения xi, ха, Х4 - получаются из решения системы уравнений (1), где вместо отношений -- и -99

надлежит непрерывно вводить замещающие их выражения 10 и 11.

На фиг.1 показано предлагаемое устройство; на фиг.2а показано состояние ключей коммутаторов 7 и 8, когда девиация чувствительного элемента равна нулю; на фиг.2б - состояние ключей, соответствующее равновесному положению следящих контактов 30 и 31 для случая, когда девиация чувствительного элемента имеет максимальное положительное значение; на фиг.2в состояние ключей, соответствующее равновесному положению следящих контактов 30 и 31 для случая максимальной отрицательной девиации.

Предлагаемый чувствительный элемент поплавкового гирокомпаса представляет собой сферу (см.фиг.1), внутри которой находятся два гироскопа, масляный успокоитель, центрирующая катушка (эти элементы известные по прототипу, на фиг.1 не показаны), а также два акселерометра 1 и 2, два аналого-цифровых преобразователя 3 и 4, блок определения инерционной и скоростной девиации 5, преобразователь кода б.

стной девиации 5, преобразователь кода 6, два коммутатора 7 и 8, на наружном экваториальном участке поверхность сферы, примыкая к широкому полупоясу экваториального электрода симметрично в обе стороны по отношению к диаметральной линии, размещены две группы узких вертикальных электродов 9 и 10, изолированных друг от друга и от металлической оболочки сферы, т.е. тем самым и от широкого полупояса 11. Общая угловая величина каждой группы вертикальных электродов определяется удвоенным значением максимальной величины ожидаемой девиации, а угловая величина каждого узкого электрода с межэлектродным промежутком определяется значением допустимой остаточной погрешности исключения девиации. В схеме используется точечный электрод 12. внутри сферы установлен также блок питания 13.

Имеются следующие электрические связи между элементами: выходы акселерометров 1 и 2 связаны с входами аналого- цифровых преобразователей 3 и 4, выходы которых соединены с входами блока определения инерционной и скоростной девиации 5. Выход блока 5 подключен на вхрд преобразователя кода б, выход которого связан с управляющими входами электронных коммутаторов 7 и 8, точечный электрод 12 связан с дополнительным входом блока 5, блок питания 13 входом тп-п подключен к источнику переменного напряжения, а выходами а и b - к электронным элементам устройства.

Заявляемое устройство действует следующим образом (см.фиг. 1). Акселерометры 1 и 2 установлены внутри гиросферы так, что они измеряют соответственно величины от iM „IE 9 и g

линейного ускорения судна, а также углы Р и ф (см.формулы 7 и 8).

Выходные сигналы акселерометров 1 и 2, имеющие вид переменного электрического напряжения (аналоговая форма сигнала), подаются на входы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 3 и 4.

С выходов элементов 3 и 4 сигналы, имеющие форму цифрового кода, подаются на входы блока определения инерционной и скоростной девиации 5, предоставляющего собой специализированный вычислитель.

В результате решения системы дифференциальных уравнений и расчета скоростной девиации с учетом непрерывно поступающей информации от акселерометров, на выходе блока 5 формируется цифровой сигнал, характеризующий суммарную

ношений

т .е. составляющие

(инерционную плюс скоростную) девиацию гирокомпаса в реальном масштабе времени. Этот цифровой сигнал подается на вход преобразователя кода 6. выход которого со- 5 единен с управляющими входами электронных коммутаторов 7 и 8.

Количество необходимых ключей электронных коммутаторов 7 и 8 определяется максимальным значением девиации и за- 0 данной точностью дискретного ввода корректирующей величины.

При замыкании одного из ключей коммутаторов 7 и 8 происходит подключение определенных вертикальных электродов из 5 групп 9 и 10 к широкому полупоясу 11. При этом дискретно изменяется угловое положение действующего в данный момент эквато- риального электрода и жидкостных переходов, входящих в цепь сигнального 0 м оста сопротивлений следящей системы гирокомпаса. Возникающий при этом электрический сигнал может использоваться для отработки следящей сферы гирокомпаса на угол, равный вычисленной внутренним эле- 5 ментом 5 девиации чувствительного элемента и эта, погрешность автоматически исключается из показаний всех репитеров гирокомпаса.

Через точечный контакт 12 на дополни- 0 тельный вход вычислителя 5 периодически подаются сигналы (в цифровом коде) о значениях широты места р и скорости судна V.

В случае, представленном на фиг.2а, в 5 каждом коммутаторе в замкнутом положении находится ключ 4. Следящие контакты 30 и 31 располагаются симметрично относительно главной оси гиросферы Nr-Sr.

В случае, представленном на фиг.2б, в 0 коммутаторе 7 будет замкнут контакт 8, а в коммутаторе 8 все ключи разомкнуты.

В случае, представленном на фиг,2в, в коммутаторе 7 все ключи разомкнуты, а в коммутаторе 8 - замкнут ключ 8. 5В промежуточных положениях замыкаются ключи попарно, по одному в каждом коммутаторе: 7и1,6и2,5иЗ, 4и4, Зи5, 2 и б, 1 и 7. В каждом случае образуется сигнал, характеризующий величину вычислен- 0 ной девиации на данный момент времени.

Указанное устройство экваториального электрода является универсальным и позволяет одновременно исключить из показаний гирокомпаса любую другую (кроме упомяну- 5 тых инерционной и скоростной) девиацию, при условии, что она поддается математическому моделированию.

Ф.ормула изобретения Чувствительный элемент поплавкового гирокомпаса, содержащий герметичную с

электроизоляционным покрытием гиросфе- ру, внутри которой размещены два гироскопа, связанные упругой связью типа антипараллелограмм, гидравлический успокоитель, центрирующая катушка, а на наружной .поверхности гиросферы расположены экваториальный электрод, выполненный в виде полупояса, полярные электроды и точечный электрод, отличающийся тем, что, с целью повышения точности гирокомпаса в условиях подвижного основания, внутрь гиросферы дополни- тельно введены два акселерометра с горизонтальными взаимно перпендикулярными осями чувствительности, два аналого- цифровых преобразователя, блок определения инерционной и скоростной девиации, преобразователь кода и два электронных коммутатора, а на наружной

поверхности гиросферы дополнительно размещены две группы вертикальных электродов, расположенных на концах экваториального электрода, при этом выходы

акселерометров через соответствующие аналого-цифровые преобразователи соединены с первым и вторым входами блока определения инерционной и скоростной девиации соответственно, с третьим входом которого

соединен точечный электрод, выход блока определения инерционной и скоростной девиации соединен с входом преобразователя кода, выход которого соединен с управляющими входами электронных коммутаторов,

общие сигнальные входы электронных коммутаторов соединены с экваториальным электродом, а выходы электронных коммутаторов соединены с соответствующими вертикаль- . ными электродами.