Принцип действия ГК с КУ
Двухрежимный ГКУ в отличие от других типов ГКУ в качестве ЧЭ имеет астатический гироскоп. Он может работать в режиме ГК или ГА.
Такой ГКУ является корректируемым, с косвенным управлением. Корректируемым называется потому, что в нем скоростная и широтная погрешности компенсируются приложением к ЧЭ моментов, зависящих от скорости корабля и широты места. Этот ГКУ имеет косвенное управление, так как необходимые для придания гироскопу компасных свойств маятниковый и демпфирующий моменты создаются не с помощью физического маятника, которым снабжен ЧЭ маятниковых ГК, а косвенно, с помощью специальной электромеханической схемы управления, состоящей из измерителя отклонения оси ЧЭ от плоскости горизонта, усилителя и элементов, выполняющих роль датчиков моментов. Такая схема управления позволяет изменять режимы и подрежимы его работы.
Двухрежимный ГКУ предназначен для определения курса быстроходных кораблей и обеспечивает:
-в режиме ГК – определение направления меридиана места и непрерывную автоматическую выработку курса корабля;
-в режиме ГА – хранение направления меридиана и непрерывную выработку курса корабля или хранение заданного направления и непрерывную автоматическую выработку ортодромического курса.
Основным узлом такого ГКУ является трехстепенный поплавковый гироскоп. На рис. 1 приведена упрощенная схема такого гироскопа, позволяющего более наглядно представить физическую сущность управления гироскопом за счет применения торсионных подвесов.
Рис. 1. Трехстепенной поплавковый гироскоп.
1. Гироблок
2. Гироузел.
3. Маховик.
4. Кардановое кольцо.
5. Индикатор горизонта.
6. Вертикальный торсион.
7. Горизонтальный торсион.
8. Цилиндрическая шейка.
9. Сигнальные обмотки.
10. Первичные обмотки.
11. Боковые перемычки
Поплавковый вакуумный гироузел (2), называемый гиросферой, выполнен в виде двух полусфер, соединенных между собой цилиндрической шейкой (8) и боковыми перемычками (11). Внутри гиросферы размещается гиромотор – высокооборотный электродвигатель. Ротор гиромотора выполнен в виде двух маховиков (3), симметрично насаженных на вал, вращающийся в установленных в корпусе гиросферы шарикоподшипниках. На валу между маховиками расположена роторная обмотка гиромотора, в цилиндрической шейке корпуса гиросферы – статорная обмотка гиромотора. Гиросфера с помощью пары горизонтальных торсионов (7) подвешена в кардановом кольце (4) таким образом, что горизонтальные торсионы одним концом крепятся к перемычке гиросферы, а другим к кардановому кольцу. Кардановое кольцо, в свою очередь, с помощью пары вертикальных торсионов (6) подвешено в корпусе гироблока (1) таким образом, что вертикальные торсионы крепятся одним концом к корпусу гироблока, а другим к кардановому кольцу. Пространство между гиросферой и корпусом гироблока заполнено поддерживающей жидкостью. Масса гиросферы и плотность поддерживающей жидкости подобраны таким образом, что при определенной рабочей температуре гиросфера находится в состоянии нейтральной плавучести.
Гиросфера имеет три степени свободы:
-собственное вращение ротора гироскопа;
-поворот гиросферы вокруг оси горизонтальных торсионов;
-поворот гиросферы вместе с кардановым кольцом вокруг оси вертикальных торсионов.
Поэтому гиросферу, подвес, поддерживающую жидкость и корпус гироблока, в котором они находятся, обычно называют трехстепенным поплавковым гироблоком (ТПГ). Корпус гироблока по отношению к гиросфере выполняет роль следящей сферы.
Две пары взаимно перпендикулярных торсионов образуют торсионный подвес, который не только центрирует гиросферу в следящей сфере, но и выполняет роль двух датчиков моментов, прикладывающих к гиросфере моменты по осям торсионов. Когда следящая сфера находится в согласованном с гиросферой положении, торсионы не закручены и к гиросфере никакие моменты не приложены. При повороте следящей сферы относительно гиросферы на некоторый угол торсионы закручиваются и прикладывают к гиросфере моменты. пропорциональны углу закручивания торсионов.
Углы закручивания торсионов, т. е. углы рассогласования между следящей сферой и гиросферой, измеряются двумя двухкоординатными датчиками углов ДДУ индукционного типа. Первичные обмотки (10) (обмотки возбуждения) этих ДДУ размещены на внутренней стороне полусфер гиросферы по оси совпадающей с осью вращения роторов, а вторичные (сигнальные) обмотки (9)- на корпусе следящей сферы. Каждый из ДДУ имеет две сигнальные обмотки: на одной вырабатывается сигнал, пропорциональный повороту следящей сферы относительно гиросферы вокруг вертикальных торсионов, на другой – вокруг горизонтальных торсионов.
Наличие одинаковых ДДУ и схема их соединения позволяет исключить погрешность в измерении углов рассогласования вследствие линейного перемещения гиросферы относительно следящей сферы.
Связь гироблока с плоскостью горизонта достигается установкой на гироблоке высокочувствительного физического маятника – индикатора горизонта ИГ (5), сконструированного и ориентированного так, что он реагирует только на угловые отклонения от плоскости горизонта следящей сферы вокруг оси горизонтальных торсионов. Вырабатываемое ИГ напряжение пропорционально отклонению следящей сферы от плоскости горизонта.
Гироблок (10) рис. 2 с помощью наружных цапф, расположенных по оси вращения гироскопа, подвешен на подшипниках в горизонтальной внутренней раме (7) стабилизированного карданового подвеса. Центр тяжести следящей сферы (4) смещен вниз, поэтому система её подвеса имеет маятниковость, благодаря которой ось вертикальных торсионов (3) совпадает с вертикалью места, а ось горизонтальных торсионов (6) лежит в плоскости горизонта. Для гашения собственных колебаний гироблока на оси подвеса устанавливается жидкостный демпфер (5).
Рис. 2 Принцип построения двухрежимного гирокурсоуказателя.
1. ДДУ
2. ИГ
3. Вертикальный торсион
4. Следящая сфера
5. Жидкостный демпфер
6. Горизонтальный торсион
7. Горизонтальная рама
8. Двигатель горизонтальной стабилизации
9. Вертикальная рама
10. Гироблок
11. Двигатель азимутальной стабилизации
12. Преобразователь координат
Горизонтальная рама (7) подвешена на оси, параллельной оси горизонтальных торсионов, в вертикальной кардановой раме (9), которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси относительно корпуса прибора.
Горизонтальная рама (7) через редуктор связана с двигателем горизонтальной стабилизации (8), установленным на вертикальной раме. Разворот горизонтальной рамы вызывает закручивание горизонтальных торсионов которые создают момент Lу.
Вертикальная рама (9) приводится во вращение относительно корпуса прибора двигателем азимутальной стабилизации (11). Это вращение вызывает закручивание вертикальных торсионов (3), которые создают момент Lz.
При рассогласовании следящей сферы и гиросферы с ДДУ (1) снимаются сигналы, пропорциональные величине и стороне рассогласования вокруг осей вертикальных и горизонтальных торсионов:
Uг= Кду (β – βс);
Uв= Кду (α – αс).
Где: Кду — крутизна характеристики ДДУ;
α и β – углы отклонения главной оси гироскопа от плоскостей меридиана и горизонта соответственно;
αс и βс – углы отклонения следящей сферы от тех же плоскостей.
С ДДУ сигналы рассогласования через суммирующее устройство и усилители горизонтальной и азимутальной стабилизации поступают на соответствующие двигатели стабилизации, обеспечивая непрерывное согласование следящей сферы с гиросферой. Таким образом торсионы закручиваться не будут, а система работает в режиме свободного гироскопа.
Для управления прецессионным движением гироскопа с целью превращения его в курсоуказатель необходимо обеспечить соответствие углов закрутки горизонтальных и вертикальных торсионов величине отклонения главной оси гиросферы от плоскости горизонта.
При отклонении главной оси гиросферы, а следовательно и следящей сферы от плоскости горизонта с индикатора горизонта (2) снимается напряжение, пропорциональное величине отклонения следящей сферы βс:
Uиг = Киг βс
Где: Киг – крутизна характеристики индикатора горизонта.
В целях исключения взаимного влияния каналов следящей системы при наклонах корпуса прибора в схеме установлен преобразователь координат (ПК) (12). Ротор ПК закреплен на установочном кольце подвеса следящей сферы, а статор на горизонтальной раме. На статорные обмотки ПК подаются сигналы с ДДУ, а синусной обмотки снимается:
ΔU = Куг sin γ
Где: — Куг – масштабный коэффициент;
— sin γ – угол наклона следящей сферы относительно горизонтальной рамы.
Коэффициент Куг подается на вход усилителя азимутальной стабилизации Уа и двигателем (11) отрабатывается рассогласование в азимуте. Таким образом, угол γ учитывается в системе азимутальной стабилизации с помощью ПК, поэтому качка корабля не вызывает колебаний значения курса. Для управления гироскопом необходимо просуммировать сигнал управления Uиг с сигналами ДДУ Uв и Uг. Разность сигналов от ИГ и ДДУ подается через усилители на двигатели азимутальной (11) и горизонтной (8) стабилизации. Система стабилизации отрабатывая полученную разность напряжений, разворачивает следящую сферу относительно гиросферы до тех пор, пока сигналы ДДУ не скомпенсируют сигнал ИГ, т. е. пока не наступит равенство:
Uиг'= Кду (β – βс);
Uиг= Кду (α – αс).
В итоге следящая сфера окажется рассогласованной с гиросферой на углы:
β – βс = Uиг'/Кду;
α – αс = Uиг/Кду.
Следовательно, к гиросфере будут приложены моменты управления, пропорциональные углам закручивания торсионов:
Lу = Сг (β – βс);
Lz= Св (α – αс).
Где: Сг и Св – жесткости горизонтального и вертикального торсионов.
Знак управляющих моментов зависит от стороны рассогласования следящей сферы с гиросферой. Момент Lу прикладывается к гироскопу горизонтальными торсионами, в принципе аналогичен маятниковому моменту двухгироскопных гирокомпасов. Под действием этого момента главная ось гиросферы будет прецессировать в азимуте, совершая незатухающие колебания около направления меридиана.
Момент Lz, прикладываемый со стороны вертикальных торсионов, по своему воздействию на гиросферу аналогичен действию демпфирующего момента. При совместном действии этих моментов главная ось гиросферы, совершая затухающие колебания, устанавливается в направлении меридиана.
Принцип действия ГКУ в режиме ГК рассмотрим для случая, когда он работает на неподвижном основании в северной широте. Пусть в начальный момент времени главная ось ЧЭ горизонтальна (β=0) и отклонена от меридиана к востоку на угол ά, т. е. проецируется в точку 1.
β= ω cos φ sin ά Линейная скорость движения конца главной оси В пропорциональная β, будет направлена вверх.
Рис. 3 Кривые незатухающих и затухающих колебаний ЧЭ ГКУ
Через некоторый промежуток времени главная ось ЧЭ поднимется над плоскостью горизонта на угол β, ИГ выработает сигнал, пропорциональный этому углу, а датчик момента приложит к гиросфере управляющий момент, вызывающий прецессию главной оси с угловой скоростью:
ωpz =Lу / H
линейная скорость которой — Пг (точка 2). Главная ось будет двигаться к меридиану и продолжать подниматься над плоскостью горизонта. Траектория конца главной оси ЧЭ будет определяться результирующим вектором R. В точке 3 подъем главной оси прекратиться, но угол β будет максимальным и главная ось со скоростью Пгmax будет отходить от меридиана, а перейдя в западную часть плоскости горизонта, начнет опускаться (точка 4). В результате главная ось опишет эллипс, т. е. будет совершать незатухающие колебания около меридиана.
Для погашения незатухающих колебаний служит демпфирующий момент Lz, вызывающий прецессию главной оси к плоскости горизонта с угловой скоростью:
ωpz =Lz / H
(линейная скорость Пд). Это прецессионное движение будет как бы сжимать эллипс незатухающих колебаний к положению равновесия (к точке N), превращая его в сходящуюся спираль.
Управляющий сигнал Uиг формируемый в схеме управления, прежде чем поступить в схемы суммирования, масштабируется. В схему горизонтальной стабилизации вводится коэффициент n, а в схему азимутальной стабилизации еще и коэффициент m. Тогда со стороны горизонтальных и вертикальных торсионов действуют моменты:
Lу = Cг n β
Lz = Св m n β
Где: m – коэффициент представляющий собой соотношение сигналов управления на горизонтальные и вертикальные торсионы
n – масштабный коэффициент.
Таким образом, в ГКУ изменением коэффициента n в определенных пределах изменяется маятниковый момент, а следовательно и период незатухающих колебаний, изменением коэффициента m — демпфирующий момент, а следовательно, все параметры затухающих колебаний. На основе этого решаются задачи как ускоренного приведения ГКУ в меридиан, для чего уменьшается период незатухающих колебаний, так и улучшения точностных характеристик при выработки курса на маневрировании, для чего значительно увеличивается период незатухающих колебаний.
Чтобы в положении равновесия главная ось ЧЭ совпадала с истинным меридианом и горизонтом, т. е. чтобы ГКУ вырабатывал истинный курс корабля, на систему горизонтальной стабилизации подается сигнал широтной коррекции, а на систему азимутальной стабилизации – сигнал скоростной коррекции. Эти сигналы вырабатывают автоматически СРУ системы коррекции.
Отключая управляющий момент Lу и удерживая главную ось ЧЭ в плоскости горизонта, путем постоянного действия момента Lz, можно перевести ГКУ в режим ГА (из режима ГК). Поэтому для перехода в режим ГА достаточно отключить момент Lу, пропорциональный сигналу ИГ на горизонтальной оси гиросферы, сохранив при этом момент Lz на вертикальной оси. Необходимо также сохранить корректирующие сигналы широтной и скоростной коррекции. Следовательно в момент перехода из режима ГК в режим ГА гиросфера остается в положении, которое она занимала в режиме ГК. При обратном переходе из режима Га в режим ГК в начальный момент ГКУ будет иметь некоторую погрешность, так как за время работы в режиме ГА гиросфера вследствие дрейфа гироскопа отклонится от меридиана. Гиросфера совершая затухающие колебания, через некоторое время вновь укажет направление истинного меридиана.
Таким образом, принципиальное отличие режима ГК от режима ГА состоит в том, что будучи отклоненным от меридиана, гирокомпас придет в меридиан, а гироазимут не возвращается в первоначальное положение. В результате с течением времени погрешность ГА может накапливаться, а погрешность ГК находиться в определенных пределах.
