Одноосный гироскопический стабилизатор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

привод датчик стабилизатор

Системы гироскопической стабилизации различных видов применяются в навигационных устройствах и системах управления кораблей и ЛА, а также в системах ориентации антенн, телескопов и других приборов, установленных на движущихся объектах.

Одноосные гироскопические стабилизаторы применяются как для непосредственной стабилизации отдельных приборов и устройств, так и для измерения угловых отклонений объектов, на которых они установлены, то заданного положения относительно одной оси. ОГС, в основном, представляют собой платформенные (физическое моделирование) гироскопические системы и в зависимости от принципа построения и роли, используемых в них типов чувствительных элементов ГС делятся на: силовые с дважды интегрирующим гироскопом («сухой» гироблок); индикаторно-силовые с поплавковым интегрирующим гироскопом или с дифференцирующим гироскопом (гиротахометром); индикаторные.

В зависимости от числа осей, относительно которых осуществляется стабилизация, различают: одноосный ГС, в котором моделируется направление; двухосный ГС, в котором моделируется плоскость или нормаль к этой плоскости; трехосный ГС, в котором моделируется координатный трехгранник. По числу гироскопов, работающих по каждой оси стабилизации, ГС могут быть: одногироскопные и двухгироскопные, в которых гироскопы связаны антипараллерограмом, ограничивающим поворот гироскопов на равные углы и в противоположные стороны.

Непосредственные ГС не имеют внешней стабилизирующей обратной связи. Такие ГС применяют в координаторах цели, для непосредственной стабилизации космических аппаратов. Индикаторные ГС не имеют внутренней обратной связи. Такие ГС широко применяются в инерциальных навигационных системах (ИНС). Силовые ГС имеют внутреннюю и внешнюю стабилизирующие связи. Для повышения эффективности внутренней обратной связи в силовых ГС кинетический момент гироскопов стараются сделать как можно большей величины. Такие ГС широко используются для стабилизации в пространстве приборов и устройств больших масс (прицелы, телескопы, гравиметры, головки самонаведения и т.п.) или как первичные датчики ориентации в грубых системах. Индикаторно-силовые ГС имеют внутреннюю и внешнюю стабилизирующие связи, причем ГС ведет себя либо как индикаторный, либо как силовой в зависимости от характера изменения внешнего возмущающего момента, приложенного к оси стабилизации.

Основное требование, предъявляемое к гиростабилизатору, - точность сохранения заданного положения платформы относительно опорного трехгранника при действии на нее различных динамических возмущений со стороны объекта, на котором она установлена. Точностные характеристики ГС - главные факторы, определяющие эффективность выполнения задачи, поставленной перед системой ориентации или навигации.

Задачей настоящего курсового проектирования является расчет и анализ, а также разработка элементов конструкции одноосного гиростабилизатора, являющегося базовым элементом гироскопических систем ориентации.

Техническое задание

Требуется спроектировать одноосный гироскопический стабилизатор на базе чувствительного элемента заданного типа, удовлетворяющим предъявленным ниже требованиям по точности сохранения заданного положения платформы в инерциальном пространстве при действии на нее различных возмущающих воздействий, линейных и вибрационных перегрузок, а также по качеству стабилизации, надежности и экономичности.

Таблица 1. Точность, особенности конструкции ОГС

Тип ЧЭ	Jп, г см с2	Точностные характеристики	Конструктивные блоки для разработки
		Динамическая точность угл. мин.	Скорость некоррект дрейфа, град./час	Скорость выставки Град./.c	ДУВ	ДУС	ГМ	ЧЭ	ДМВ
Сухой ГБ	700	2	0,5	3		X		X

Таблица 2. Условия эксплуатации ОГС

Время работы, мин.	Перегрузки, Ед.	Кратк. перегрузки, Ед.	Качка основания	Частота вибраций, Гц	Угловое движение	Расположение оси стабилиз.
			Частота, Гц	Амплитуда, град
						щx	щу	щz
5	2	4	0,05-5	2	50	X	X		y

1. Принципиальная кинематическая схема

Принципиальная схема силового одноосного ГС представлен на рис. 1, на котором обозначено:

СС - ось стабилизации; ВВ - ось прецессии гироскопа; АА - главная ось ротора гироскопа; Г - двухстепенной гироскоп; П - платформа; ДУ - датчик угла стабилизации; ДУП - датчик угла прецессии; ДМ - датчик момента; УСС - усилитель; СД - стабилизирующий двигатель.

Рисунок 1. Принципиальная схема

Принцип действия.

Предположим, что относительно оси стабилизации действует постоянный момент внешней силы m_п. Под действием этого момента гироскоп начинает прецессировать относительно оси Ox с угловой скоростью . При этом появляется гироскопический момент m_г.р = Н, который на начальном этапе уравновешивает внешний момент m_п, обеспечивая тем самым стабилизацию платформы. После поворота гироскопа на некоторый угол и контактное устройство подает напряжение на двигатель цепи разгрузки, который через редуктор прикладывает момент m_c к оси стабилизации. Теперь внешний момент уравновешивается суммой гироскопического момента и момента двигателя m_п = m_г.р+ m_c. Когда угол отклонения гироскопа достигнет некоторого значения и₀, момент на оси стабилизации будет равен нулю m_п + m_c = 0 и прецессия гироскопа прекратится. Гироскопический момент примет нулевое значение. Контактное устройство, двигатель и редуктор совместно с гироскопом образуют цепь стабилизации.

Для того чтобы выставить стабилизируемую платформу в исходное положение, а также компенсировать ее уходы под действием вредных моментов или из-за переносной угловой скорости, в ГС применяется цепь коррекции, состоящая из измерительного устройства, усилителя и моментного двигателя на оси прецессии гироскопа. Если на моментный двигатель подать напряжение, то под действием момента, приложенного по оси прецессии, гироскоп будет прецессировать вместе с рамой относительно наружной оси до тех пор, пока она не придет в исходное положение.

Таким образом, за счет особенностей формирования цепей управления ГС обеспечивает неизменное положение стабилизируемой рамы при длительном воздействии внешнего момента по оси стабилизации. При этом гироскоп реагирует на изменение величины и знака внешнего момента, то есть выполняет слежение за этим моментом.

1.1 Структурная схема проектируемого устройства

Как следует из принципиальной схемы (см рис. 1) гиростабилизатор имеет два замкнутых контура: контур стабилизации, замыкающийся через датчик угла прецессии ДУП и контур коррекции, замыкающейся через корректирующее устройство КУ.

Контур коррекции предназначен для компенсации медленных изменений угла стабилизации ц, вызванных постоянными и медленно меняющимися возмущениями. В правой части уравнения для оси прецессии системы уравнений (3) к их числу относится слагаемое R. В правой части уравнения для оси стабилизации системы уравнений (3) к их числу относится постоянная составляющая момента .

Контур коррекции имеет обычно весьма малые низкие собственные частоты, составляющие десятые, сотые, а иногда и тысячные доли герца.

Инерционный момент от обкатки моменты от сил сухого трения и , а также переменные составляющие момента имеют период изменения, совпадающий с периодом качки основания. Компенсация влияния этих составляющих возлагаются на контур стабилизации. Поэтому контур стабилизации должен быть достаточно быстродействующим. Его собственные частоты могут достигать десятков герц.

Таким образом, собственные частоты контуров коррекции и стабилизации могут различаться на несколько порядков, что позволяет в линейном плане рассматривать работу каждого из них в отдельности.

Отбросив медленно меняющиеся возмущающие моменты и положив = 0, а также внешний возмущающий момент по оси прецессии, получим исходную систему дифференциальных уравнений собственно гироскопического стабилизатора, т.е. систему уравнений, описывающих режим стабилизации на качающемся основании:

(4)

Перепишем систему (4), выразив и через передаточные функции:

 (5)

В данной схеме представлены следующие звенья:

= - передаточная функция платформы;

= - измерительная передаточная функция;

= - передаточная функция по гироскопическому моменту.

W(s)_рег = - передаточная функция регулятора системы.

На основе системы уравнений (5), описывающей динамику механической части проектируемого ОГС, расположенном на неподвижном основании, строится структурная схема, представленная на рис 3.

Рисунок 2. Структурная схема проектируемого ОГС

Для дальнейшего анализа проектируемой системы стабилизации следует ввести передаточную функцию объекта регулирования (без учета корректирующего контура).

 (6)

;

(7)

где ; ; ; = .

Весь контур стабилизации проектируемой системы можно охарактеризовать ее передаточными функциями в разомкнутом и замкнутом состояниях:

W(s) = W(s)_рег = ;

;

.

Передаточная функция регулятора представляет собой следующее

k_pW(s)_p = ,

где

- передаточная функция датчика угла прецессии;

- передаточная функция корректирующего контура в канале стабилизации;

W_y = - передаточная функция усилителя системы стабилизации;

= - передаточная функция стабилизирующего двигателя.

Развернутая структурная схема системы представлена на рисунке 4.

Рисунок 3. Развернутая структурная схема проектируемого ОГС

2. Выбор элементной базы

2.1 Стабилизирующий привод

В качестве стабилизирующего привода примем электропривод с редуктором. Электропривод включает в себя усилитель мощности 1, электродвигатель 2, и редуктор 3 (см рис 5).

Рисунок 4. Функциональная схема электропривода

В качестве электродвигателя примем двухфазный малоинерционный асинхронный двигатель.

Параметры привода определяют по потребной нагрузочной характеристике моментов, действующих относительно оси стабилизации. К подбору привода по мощности и нахождению i (i_д) необходимо сделать следующее замечание. При использовании электропривода с редуктором для получения необходимой собственной частоты, обусловленной угловой нежесткостью привода, передаточное число привода i ? 150 ч 200. Вследствие малой величины это приводит к тому, что двигатель работает в заторможенном режиме при скоростях, значительно меньших номинальной. Поэтому часто двигатель выбирают не по мощности, а по пусковому моменту, определяемому по M_п^возм_max с некоторым запасом:

M_д.п. ? M_п^возм_max/i = (1,3 ч 1,5) M_п^возм_max^*/i

Примем i = 150 и получим:

M_д.п. ? 1,5*57,24*10^-2/150=57.24*10^-4 Н*м

Выбираем двигатель АД-32В с параметрами, представленными в таблице 3.

Таблица 3. Параметры двигателя АД-32В

Характеристики	Значение
Максимальная полезная мощность, Вт	1,7
Скорость холостого хода, об/мин	7000
Моменты: пусковой, г*см инерции ротора, г*см*с2 статического трения, г*см	77 0,001 1
Электромеханическая постоянная времени, с	0,01
Напряжение возбуждения, В	40

Исходя из пускового момента, передаточное число:

i = M_п^возм_max/ M_д.п. = 1,5 M_п^возм_max^*/ M_д.п. =1,5*57,24*10^-2/77*10^-4 = 112

Принимая i = 120, получим

M_п^возм_max' = M_д.п*i = 77*10^-4*120 = 0.9240 Н*м,

где M_п^возм_max' - максимальный разгрузочный момент.

Определим удельный демпфирующий момент, приведенный к оси стабилизации:

d = i²*d'_э,

где d'_э - удельный демпфирующий момент в исполнительном двигателе разгрузочного устройства, определяемый по следующей формуле:

d'_э ? M_д.п/n_х.х = 77*10^-4*60/(7000*2р) =1,05*10^-5 Н*м,

где n_х.х - скорость холостого хода.

Тогда

d = 120²*1,05*10^-5 = 15,13*10^-2 Н*м

Коэффициент, характеризующий инерционный возмущающий момент, действующий вокруг оси стабилизации при обкатке ротора разгрузочного устройства с редуктором, определим по следующей формуле:

m = k₁*i²*J_р.у

где k₁ - коэффициент, учитывающий приведенный момент инерции подвижных элементов редуктора (k₁ ? 1,2 ч 1,4); J_р.у - момент инерции ротора разгрузочного устройства.

Для k₁ = 1,3, получим:

m = 1,3*120²*1*10^-7 = 1,9*10^-3 кг*м²

Вычислим максимальное значение инерционного момента.

M_п^пр = m* = m* г₀*н²*sin(нt) = 1,9*10^-3*2/57.3*(2р*5)² = 64,5*10^-3 Н*м

Определим суммарный возмущающий момент с учетом инерционного момента, создаваемого приводом разгрузки.

M_п^возм_max = M_п^возм_max^*+ M_п^пр = 57,24*10^-2+64,5*10^-3 = 63,69*10^-2 Н*м

Проведем проверку выбранного привода, сравнив потребную нагрузочную характеристику с нагрузочной характеристикой выбранного привода.

Вычислим максимальную угловую скорость по оси стабилизации:

= 2р*f* г₀+щ_р+ щ_д = 2р*5* 2+3+0,5= 66.3319 град/с

Для данного привода

= /i = 7000*360/(60*120) = 350 град/с

Выбранный привод обеспечивает работоспособность прибора во всех условиях эксплуатации.

В динамическом отношении передаточная функция двигателя представляет собой апериодическое звено первого порядка:

W_y = ,

где - постоянная времени двигателя.

2.2 Усилитель

В системах гироскопической стабилизации усилители предназначаются для питания обмоток управления двигателей и датчиков момента.

В настоящее время в большинстве случаев применяются бесконтактные датчики угла переменного тока. Поэтому усиление обычно производится на переменном токе (см. рис. 7).



Рисунок 5. Функциональная схема усилителя

Статическая характеристика усилителя представляет собой зависимость выходного напряжения от входного. Крутизна характеристики соответствует коэффициенту усиления по напряжению.

k_у =

В динамическом отношении усилитель сводится обычно к апериодическому звену первого порядка с передаточной функцией, связывающей выходные и входные напряжения:

W_y = ,

где - постоянная времени усилителя ( = 0.001 с).

В качестве усилителя выбран полупроводниковый усилитель переменного тока.

2.3 Датчик угла по оси стабилизации

В качестве датчика угла, располагаемого на оси стабилизации проектируемого ОГС и предназначенного для измерения углов абсолютного поворота платформы относительно основания, на котором она закреплена, применим абсолютный датчик углового положения типа E40H.



2.4 Чувствительный элемент

В качестве чувствительного элемента выберем дважды интегрирующий гироскоп со следующими параметрами:

H = 0,4 Н*м*с;

J_п = 0,25*10^-3 кг*м²;

вес - 12 Н;

Габариты:

диаметр - 70 мм;

длина - 120 мм.

2.5 Датчик момента

Для создания управляющего момента вокруг оси подвеса в гироблоках применяют моментные датчики, главным образом магнитоэлектрического типа, что в значительной мере обусловлено большим отношением развиваемого момента к весу датчика и линейной зависимостью момента от управляющего тока.

В настоящем курсовом проекте был выбран магнитоэлектрический исполнительный элемент с подвижной рамкой. На рис. 10 показана схема рабочего механизма с подвижной рамкой.

Рисунок 6. Схема датчика момента

Рамка 1 с помощью кронштейна связана с осью гироскопа. Постоянный магнит 2 вместе с железным ярмом 3 укреплен на карданном кольце.

Основными параметрами датчиков момент являются:

· крутизна характеристики датчика момента (его передаточный коэффициент), значение которого определяется по формуле k_дм = М/Iу, Н*м/А. Его величина обычно составляет (0,1 ч 0,5)*10^-2 Н*м/А;

· максимальное значение развиваемого момента М_max (обычно (1 ч 5)*10^-3 Н*м);

· мощность Р_max, потребляемая датчиком при максимальном токе управления;

· ток управления 1у, при котором сохраняется линейная зависимость между моментом и током управления;

· допустимый угол поворота ротора датчика момента относительно его статора.

2.6 Токоподводы

Передача электрической энергии от источника питания к корпусу проектируемого гироприбора осуществляется с помощью проводов и стандартных электрических разъемов. Более сложная задача - подведение электрической энергии к элементам, расположенным внутри корпуса гироприбора на взаимно поворачивающихся конструктивных узлах. Решение этой задачи осуществляется с помощью специальных устройств, называемых токоподводами.

Токоподводами называются устройства, передающие электрическую энергию между узлами гироприбора, движущимися относительно друг друга. Основными характеристиками токоподводов являются: допускаемый токоподводом угол поворота одного узла гироприбора относительно другого; ток, пропускаемый токоподводом; значение и стабильность момента, прикладываемого токоподводом к подвижному узлу

В настоящем курсовой проекте в связи с тем, что относительные углы поворота узлов проектируемого ОГС в достаточной степени малы, предлагается использование упругих ленточных токоподводов.

Основные характеристики используемых токоподводов:

· допускаемый токоподводом угол поворота - 1…2°;

· допускаемая плотность тока - 100…200 А/мм²;

· материал - золото;

· поперечное сечение ленты - прямоугольник;

· постоянная составляющая момента тяжения узла токоподводов - порядка 10^-6 Н*м.

3. Анализ устойчивости проектируемого устройства

Анализ устойчивости проектируемого ОГС проведем в предположении отсутствия в его структуре корректирующего контура с передаточной функцией W_кк(s), актуальность которого подтвердится или не подтвердится в результате проведенного исследования.

Предварительно следует на основании выражений (6) и (7) (см. раздел 3.2.) найти вид передаточной функции проектируемого объекта регулирования.

На основании полученных передаточных функций объекта регулирования проектируемого устройства построим логарифмические амплитудно-частотные характеристики в пакете Matlab и проанализируем устойчивость системы. Графики ЛАЧХ представлены на рис 11 и рис. 12.



Рисунок 7. Графики ЛАХ и ЛФХ объекта регулирования по ПФ

Рисунок 8. Графики ЛАХ и ЛФХ объекта регулирования по ПФ

Как видно из полученных выше графиков, сам объект регулирования, а следовательно, и вся разомкнутая система в целом, предполагающая наличие в канале стабилизации УСС и СД, передаточные функции которых передаточные функции которых представляют апериодические функции первого порядка, и вносящие дополнительные ошибки, будет неустойчива в силу отсутствия запаса устойчивости по амплитуде и фазе. Таким образом, подтверждается необходимость введения в канал стабилизации проектируемого ОГС дополнительного корректирующего контура, обеспечивающего его нормальную работу.

3.1 Расчет параметров скорректированной системы

В качестве корректирующего контура будем использовать апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией вида:

Аппаратная реализация данного звена осуществляется при помощи RC - схем с применением операционных усилителей.

Передаточная функция контура стабилизации в разомкнутом состоянии будет иметь следующий вид:

W(s) =

Составим характеристическое уравнение замкнутой системы, получаемое из условия 1 - W(s) = 0:



где ; ;

; ;

Согласно критерию Гурвица, получаем следующую систему неравенств:

Подставляя вместо коэффициентов их значения, получим:

(*)

Первые два неравенства в системе (*) выполнимы при любых условиях, определим область устойчивости исходя из последнего неравенства.

На рис. штриховой линией показана область устойчивости, отвечающая условию (*).

Для с

Передаточная функция всей системы в разомкнутом состоянии будет иметь следующий вид:

W(s) = ,

где k_p = k_дуk_уk_ккk_д; - постоянная времени корректирующего контура; - постоянная времени усилителя; - постоянная времени двигателя.

Графики ЛАХ и ЛФХ передаточной функции скорректированной системы представлены на рис 13. Из графиков видно, что система обладает достаточным запасом устойчивости по амплитуде и по фазе (ДL = 41.2 дБ, Дш = 147 град).

В заключении раздела приведем графики процессов, происходящих в спроектированном ОГС при различных входных воздействиях.

Рисунок 9. Графики ЛАХ и ЛФХ скорректированной по ПФ



Рисунок 10. Переходные процессы по углам стабилизации и прецессии

Заключение

В ходе выполнения данного КП была спроектирована система одноосной гироскопической стабилизации на базе дважды интегрирующего («сухого») гироскопа. В рамках всего процесса проектирования была предложена кинематическая схема проектируемого устройства с описанием принципа действия, приведена с подробным описанием его математическая модель и структурная схема, на основе которой осуществлялся анализ его статических и динамических характеристик. Также был подобран элементный состав ОГС приведением конкретных моделей датчиков и исполнительных устройств. В конечном итоге была синтезирована система, удовлетворяющая предъявляемым к ней требованиям по точностным характеристикам, качеству переходных процессов и запасам устойчивости. Требуемая динамическая точность системы стабилизации платформы достигнута. Ее величина (0,7 угл. мин.) при воздействии на стабилизируемую платформу различного рода возмущающих моментов, по величине не превышающих M_п^возм_max не хуже заданной (5 угл. мин.), о чём свидетельствуют соответствующие графики; переходных процессов по углам прецессии и стабилизации, представленные на рис. 14.

Список литературы

1. Бабаева Н.Ф., Расчет и проектирование элементов гироскопических устройств: Л, «Машиностроение», 1967

2. Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации: СПб, «Судостроение», 1968;

3. Бесекерский В.А., Теория систем автоматического управления: СПб, «Профессия», 2003

4. Северов Л.А. Механика гироскопических систем: Москва, Издательство МАИ, 1996;

5. Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч2: Москва, «Высшая школа», 1997;

Размещено на Allbest.ru