Двухосный индикаторный гиростабилизатор на динамически настраиваемом гироскопе

Полезная модель относится к гироскопической технике, а более конкретно к двухосным индикаторным гиростабилизаторам, работающим на подвижных объектах и предназначенным для стабилизации и управления положением оптической аппаратуры в пространстве.

Двухосный индикаторный ГС содержит наружную рамку, установленную на основании с вращением относительно оси, параллельной вертикальной оси ЛА, и установленную в ней платформу, вращающуюся относительно оси, перпендикулярной оси вращения наружной рамки, установленный на оси вращения наружной рамки первый двигатель стабилизации, вход которого через первый усилитель соединен с выходом первого КЗ, вход которого соединен с выходом третьего КЗ, вход третьего КЗ соединен с выходом четвертого КЗ, вход которого соединен с выходом пятого КЗ, вход пятого КЗ соединен с выходом второго датчика угла ДНГ, установленный на оси вращения платформы второй двигатель стабилизации, вход которого через второй усилитель соединен с выходом второго КЗ, вход которого соединен с выходом шестого КЗ, вход шестого КЗ соединен с выходом седьмого КЗ, вход которого соединен с выходом восьмого КЗ, вход восьмого КЗ соединен с выходом первого датчика угла ДНГ, первый датчик момента ДНГ, вход которого через третий усилитель соединен с первым выходом оптического датчика, установленного на платформе, второй датчик момента ДНГ, вход которого через четвертый усилитель соединен со вторым выходом оптического датчика, установленного на платформе.

Достигнутый технической результат полезной модели является повышение точности стабилизации в области низких частот и увеличение помехозащищенности усилительно-преобразующих трактов каналов наружной рамки и платформы двухосного индикаторного ГС на ДНГ.

1 н.п.ф.

Полезная модель относится к гироскопической технике, а более конкретно к двухосным индикаторным гиростабилизаторам, работающим на подвижных объектах и предназначенным для стабилизации и управления положением оптической аппаратуры в пространстве.

Известен двухосный гиростабилизатор (ГС) на трехстепенном астатическом гироскопе (Д.С.Пельпор. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч II. Гироскопические стабилизаторы - М.: «Высшая школа», 1977., стр.116.), содержащий наружную рамку, установленную на основании с вращением относительно оси, параллельной вертикальной оси летательного аппарата (ЛА), и установленную в ней платформу, вращающуюся относительно оси, перпендикулярной оси вращения наружной рамки, установленный на оси вращения наружной рамки первый двигатель стабилизации, вход которого через первый усилитель соединен с выходом первого датчика угла, установленного на оси вращения наружной рамки трехстепенного астатического гироскопа, установленный на оси вращения платформы второй двигатель стабилизации, вход которого через второй усилитель соединен с выходом второго датчика угла, установленного на оси вращения внутренней рамки трехстепенного астатического гироскопа, установленный на оси вращения наружной рамки трехстепенного астатического гироскопа первый датчик момента, вход которого через третий усилитель соединен с первым выходом преобразователя, первый вход преобразователя соединен с выходом координатора по углу рассогласования между продольной осью координатора и направлением на объект в вертикальной плоскости, установленный на оси вращения внутренней рамки трехстепенного астатического гироскопа второй датчик момента, вход которого через четвертый усилитель соединен с вторым выходом преобразователя, второй вход преобразователя соединен с выходом координатора по углу рассогласования между продольной осью координатора и направлением на объект в горизонтальной плоскости.

Недостатками такого двухосного гиростабилизатора на трехстепенном гироскопе является низкая точность, большая масса и габариты, большое время готовности, большая потребляемая мощность.

Наиболее близким (аналогом) является двухосный идикаторный ГС на динамически настраиваемом гироскопе (ДНГ) (М.И.Дегтярев. К анализу устойчивости двухосного индикаторного гиростабилизатора на ДНГ. [электронный ресурс] // известия ТулГУ. Технические науки. Выпуск 2: [сайт]. [2012]. url: http://publishing.tsu.ru/Izvest/tsu_izv_Tenichesk_nauki_2012(2).pdf), содержащий наружную рамку, установленную на основании с возможностью вращения относительно оси, параллельной вертикальной оси ЛА, и установленную в ней платформу, с возможностью вращения относительно оси, перпендикулярной оси вращения наружной рамки, установленный на оси вращения наружной рамки первый двигатель стабилизации, вход которого через первый усилитель соединен с выходом первого корректирующего звена (КЗ), вход первого КЗ соединен с выходом второго датчика угла ДНГ; установленный на оси вращения платформы второй двигатель стабилизации, вход которого через второй усилитель соединен с выходом второго КЗ, вход второго КЗ соединен с выходом первого датчика угла ДНГ, первый датчик момента ДНГ, вход которого через третий усилитель соединен с выходом оптического датчика, установленного на платформе, по углу рассогласования между продольной осью оптического датчика и направлением на объект в вертикальной плоскости, второй датчик момента ДНГ, вход которого через четвертый усилитель соединен с выходом оптического датчика, установленного на платформе, по углу рассогласования между продольной осью оптического датчика и направлением на объект в горизонтальной плоскости.

Недостатками такого двухосного индикаторного ГС на ДНГ является низкая помехозащищенность усилительно-преобразующих трактов каналов наружной рамки и платформы в результате наличия в выходном сигнале ДНГ квадратурных составляющих на частоте вращения ротора и двойной частоте вращения ротора ДНГ, имеющих большую величину, и низкая динамическая точность в области низких частот.

Технической задачей полезной модели является повышение точности стабилизации в области низких частот и увеличение помехозащищенности усилительно-преобразующих трактов каналов наружной рамки и платформы двухосного индикаторного ГС на ДНГ.

Техническая задача решается тем, что предлагаемый двухосный индикаторный ГС на ДНГ содержит наружную рамку, установленную на основании с возможность вращения относительно оси, параллельной вертикальной оси ЛА, и установленную в ней платформу, с возможностью вращения относительно оси, перпендикулярной оси вращения наружной рамки, установленный на оси вращения наружной рамки первый двигатель стабилизации, вход которого через первый усилитель соединен с выходом первого КЗ, вход которого соединен с выходом третьего КЗ, вход третьего КЗ соединен с выходом четвертого КЗ, вход которого соединен с выходом пятого КЗ, вход пятого КЗ соединен с выходом второго датчика угла ДНГ, установленный на оси вращения платформы второй двигатель стабилизации, вход которого через второй усилитель соединен с выходом второго КЗ, вход которого соединен с выходом шестого КЗ, вход шестого КЗ соединен с выходом седьмого КЗ, вход которого соединен с выходом восьмого КЗ, вход восьмого КЗ соединен с выходом первого датчика угла ДНГ, первый датчик момента ДНГ, вход которого через третий усилитель соединен с первым выходом оптического датчика, установленного на платформе, второй датчик момента ДНГ, вход которого через четвертый усилитель соединен со вторым выходом оптического датчика, установленного на платформе.

На фиг.1 приведена блок - схема двухосного индикаторного ГС на ДНГ. На фиг.2 приведены графики логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик (ЛАФЧХ), построенных по передаточной функции замкнутой системы (являющейся отношением ошибки стабилизации к возмущающему моменту) прототипа и логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик, построенных по передаточной функции замкнутой системы (являющейся отношением ошибки стабилизации к возмущающему моменту) предлагаемого двухосного индикаторного ГС на ДНГ. На фиг.3 приведены ЛАФЧХ передаточной функции последовательно соединенных четвертого КЗ 7 и третьего КЗ 6.

Двухосный индикаторный ГС на ДНГ содержит наружную рамку 1, установленную на основании с возможностью вращения относительно оси, параллельной вертикальной оси ЛА, и установленную в ней платформу 2, с возможностью вращающения относительно оси, перпендикулярной оси вращения наружной рамки 1, установленный на оси вращения наружной рамки первый двигатель стабилизации 3, вход которого через первый усилитель 4 соединен с выходом первого КЗ 5, вход которого соединен с выходом третьего КЗ 6, вход третьего КЗ 6 соединен с выходом четвертого КЗ 7, вход которого соединен с выходом пятого КЗ 8, вход пятого КЗ 8 соединен с выходом второго датчика угла 9 ДНГ 10, установленный на оси вращения платформы второй двигатель стабилизации 11, вход которого через второй усилитель 12 соединен с выходом второго КЗ 13, вход которого соединен с выходом шестого КЗ 14, вход шестого КЗ 14 соединен с выходом седьмого КЗ 15, вход которого соединен с выходом восьмого КЗ 16, вход восьмого КЗ 16 соединен с выходом первого датчика угла 17 ДНГ 10, первый датчик момента 18 ДНГ 10, вход которого через третий усилитель 19 соединен с первым выходом оптического датчика 20, установленного на платформе 2, второй датчик момента 21 ДНГ 10, вход которого через четвертый усилитель 22 соединен со вторым выходом оптического датчика 20, установленного на платформе 2.

Двухосный индикаторный ГС на ДНГ работает следующим образом. При наличии качки основания возникают возмущающие моменты, стремящиеся изменить первоначальное положение платформы 2. Датчик угла 9 ДНГ 10, формирует сигнал, пропорциональный отклонению платформы 2 по оси наружной рамки 1, который поступает на вход пятого КЗ 8. Пятое КЗ 8 реализует передаточную функцию вида , где Т, Т₃ - постоянные времени пятого КЗ 8, s - оператор Лапласа. Сигнал с выхода пятого КЗ 8 поступает на вход четвертого КЗ 7, четвертое КЗ 7 реализует передаточную функцию вида , где Т₄, Т₅, а₁ , а₂ - параметры четвертого КЗ 7. Сигнал с выхода четвертого КЗ 7 поступает на третье КЗ 6. Третье КЗ 6 реализует передаточную функцию вида , где Т₆, Т₇, а₃ , а₄ - параметры третьего КЗ 6. Сигнал с выхода третьего КЗ 6 поступает на вход первого КЗ 5. Первое КЗ 5 реализует передаточную функцию вида , где Т₁, Т₂ - постоянные времени первого КЗ 5. Сигнал первого КЗ 5 через первый усилитель 4, с коэффициентом передачи К_У1, поступает на двигатель стабилизации 3, формирующий момент разгрузки, стремящийся вернуть наружную рамку 1 в исходное положение. Введение в усилительно-преобразующий тракт канала наружной рамки 1 пятого КЗ 8 обеспечивает астатизм первого порядка передаточной функции (1), являющейся отношением ошибки стабилизации к возмущающему моменту, что приводит к увеличению точности стабилизации на низких частотах, кроме того, пятое КЗ 8 и первое КЗ 5 обеспечивают требуемый запас устойчивости в системе.

Передаточная функция предлагаемого двухосного индикаторного ГС на ДНГ по каналу стабилизации наружной рамки 1 имеет вид:

где J_П - эквивалентный момент инерции двухосного индикаторного ГС на ДНГ по каналу наружной рамки 1, D_П - коэффициент вязкого трения по оси наружной рамки 1, где передаточная функция предлагаемого усилительно-преобразующего тракта, состоящая из первого КЗ 5, третьего КЗ 6, четвертого КЗ 7, пятого КЗ 8 и первого усилителя 4, по каналу стабилизации наружной рамки 1 имеет вид:

Передаточная функция двухосного индикаторного ГС на ДНГ аналога по каналу стабилизации наружной рамки ГС 1 имеет вид:

где передаточная функция усилительно-преобразующего тракта аналога имеет вид:

На фиг.2 приведены логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики (ЛАФЧХ) предлагаемого двухосного индикаторного ГС на ДНГ и аналога, построенные по передаточным функциям (1) и (3) соответственно. Из фиг.2 следует, что, например, при частоте колебания ЛА 1,5 Гц, угловая жесткость стабилизации платформы по моменту в 31 раз выше у предлагаемого двухосного индикаторного ГС на ДНГ, чем у аналога. Введение в усилительно-преобразующий тракт канала наружной рамки 1 третьего КЗ 6 и четвертого КЗ 7, настроенных на первую и вторую гармоники частоты вращения ротора ДНГ 10, обеспечивает увеличение помехозащищенности прибора. ЛАФЧХ передаточной функции последовательно соединенных третьего КЗ 6 и четвертого КЗ 7, приведенная на фиг.3, показывает, что введение третьего КЗ 6 и четвертого КЗ 7 обеспечивает ослабление помехи в выходном сигнале ДНГ 10 в 25 раз на частоте вращения ротора и на двойной частоте вращения ротора ДНГ 10.

Датчик угла 17 ДНГ 10, формирует сигнал, пропорциональный отклонению платформы 2 по оси платформы 2, который поступает на вход восьмого КЗ 16. Восьмое КЗ 16 реализует передаточную функцию вида , где Т₈, T₁₅ - постоянные времени восьмого КЗ 16. Сигнал с выхода восьмого КЗ 8 поступает на вход седьмого КЗ 15, седьмое КЗ 15 реализует передаточную функцию вида , где Т₁₂, Т₁₁, а₅ , a₆ - параметры седьмого КЗ 15. Сигнал с выхода седьмого КЗ 15 поступает на вход шестого КЗ 14. Шестое КЗ 14 реализует передаточную функцию вида , где Т₁₃, Т₁₄, а₇ , а₈ - параметры шестого КЗ 14. Сигнал с выхода шестого КЗ 14 поступает на вход второго КЗ 13, второе КЗ 13 реализует передаточную функцию вида , где Т₁, Т₂ - постоянные времени второго КЗ 13. Сигнал второго КЗ 13 через второй усилитель 12, с коэффициентом передачи К_У2, поступает на двигатель стабилизации 11, формирующий момент разгрузки, стремящийся вернуть платформу 2 в исходное положение. Введение в усилительно-преобразующий тракт канала платформы восьмого КЗ 16 обеспечивает астатизм первого порядка в передаточной функции (5), являющейся отношением ошибки стабилизации к возмущающему моменту, что приводит к увеличению точности стабилизации на низких частотах, кроме того, восьмое КЗ 16 и второе КЗ 13 обеспечивают требуемый запас устойчивости в системе. Введение в усилительно-преобразующий тракт канала платформы седьмого КЗ 15 и шестого КЗ 14, настроенных на первую и вторую гармоники частоты вращения ротора ДНГ 10, обеспечивает увеличение помехозащищенности прибора.

Передаточная функция предлагаемого двухосного индикаторного ГС на ДНГ по каналу платформы 2 имеет вид:

где J_П - эквивалентный момент инерции двухосного индикаторного ГС на ДНГ по каналу платформы 2, D_П - коэффициент вязкого трения по оси платформы 2, где передаточная функция предлагаемого усилительно-преобразующего тракта, состоящей из второго КЗ 16, седьмого КЗ 15, шестого КЗ 14, второго КЗ 13 и второго усилителя 12, по каналу стабилизации платформы 2 имеет вид:

Передаточная функция двухосного индикаторного ГС на ДНГ аналога по каналу стабилизации платформы 2 имеет вид:

где передаточная функция усилительно-преобразующего тракта аналога имеет вид:

В режиме автосопровождения оптический датчик 20 формирует сигналы пропорциональные углам рассогласованиям между продольной осью оптического датчика и направлением на объект в вертикальной и горизонтальной плоскостях, первый выход оптического датчика 20 соединен через третий усилитель 19 с входом первого датчика момента 18 ДНГ 10, формирующего управляющий момент, который обеспечивает совмещение продольной оси оптического датчика 20 с направлением на объект в вертикальной плоскости, второй выход оптического датчика 20 соединен через четвертый усилитель 22 с входом второго датчика момента 21 ДНГ 10, формирующего управляющий момент, который обеспечивает совмещение продольной оси оптического датчика 20 с направлением на объект в горизонтальной плоскости.

ЛАФЧХ на фиг.2, 3 были получены при следующих параметрах индикаторного ГС на ДНГ: К_у=31000; K_У1=10000; J_П=0,026 кгм²; D_П=0,0041 Нмс; с параметрами Т=T₁=Т₃=0,01 с, Т₂ =0,0012 с, Т₄=Т₅=0,0000004057 с² , а₁=0,000004, а₂=0,00008, Т₆ =Т₇=0,0000001014 с², а₃=0,0000008, а₄=0,000016.

Таким образом, совокупность признаков предлагаемой полезной модели, реализация которой может быть выполнена в соответствии с фиг.1, позволяет повысить точность стабилизации в области низких частот и увеличить помехозащищенность усилительно-преобразующих трактов каналов наружной рамки и платформы двухосного индикаторного ГС на ДНГ.

Двухосный индикаторный гиростабилизатор на динамически настраиваемом гироскопе, содержащий наружную рамку, установленную на основании с возможностью вращения относительно оси, параллельной вертикальной оси летательного аппарата, и установленную в ней платформу, установленную с возможностью вращения относительно оси, перпендикулярной оси вращения наружной рамки, установленный на оси вращения наружной рамки первый двигатель стабилизации, вход которого через первый усилитель соединен с выходом первого корректирующего звена, второй датчик угла динамически настраиваемого гироскопа; установленный на оси вращения платформы второй двигатель стабилизации, вход которого через второй усилитель соединен с выходом второго корректирующего звена, первый датчик угла динамически настраиваемого гироскопа; первый датчик момента динамически настраиваемого гироскопа, вход которого через третий усилитель соединен с первым выходом оптического датчика, установленного на платформе, второй датчик момента динамически настраиваемого гироскопа, вход которого через четвертый усилитель соединен со вторым выходом оптического датчика, установленного на платформе, отличающийся тем, что дополнительно введены третье, четвертое, пятое, шестое, седьмое, восьмое корректирующие звенья, причем выход второго датчика угла динамически настраиваемого гироскопа соединен с входом пятого корректирующего звена, выход которого соединен с входом четвертого корректирующего звена, выход четвертого корректирующего звена соединен с входом третьего корректирующего звена, выход которого соединен с входом первого корректирующего звена; выход первого датчика угла динамически настраиваемого гироскопа соединен с входом восьмого корректирующего звена, выход которого соединен с входом седьмого корректирующего звена, выход седьмого корректирующего звена соединен с входом шестого корректирующего звена, выход которого соединен с входом второго корректирующего звена.