Мельник В.Н., Карачун В.В.
Национальный технический университет Украины «КПИ»
«ЛОЖНЫЕ» СИГНАЛЫ НА ВХОДНОЙ И ВЫХОДНОЙ ОСЯХ
ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТов ГСП
В том случае, когда требования
точности построения триортогональной системы координат велики, а
массогабаритные характеристики менее жестки, для построения опорной системы
координат используют трехосную гиростабилизированную платформу (ГСП). Она
позволяет создать в пространстве плоскость определенной угловой ориентации
(рис. 1).
В отличие от двухосных, здесь
возможно построение площадки, которая не только запоминает направление ее
нормали, но и сохраняет неподвижными все три координатные оси с ней связанные.
Трехосный силовой гиростабилизатор обладает также рядом существенных достоинств
по сравнению с индикаторными гироскопами направления и гировертикалью (так,
задачу стабилизации может, например, решать система из двух свободных
гироскопов). Одно из
них – отсутствие в показаниях кардановой и виражной погрешности. Трехосная
стабилизированная платформа, как известно, имеет погрешности построения
неподвижной системы координат, обусловленные качкой основания, а также
непосредственно системой стабилизации – трением, упругостью, люфтами редукторов
и т.п.. Но, в основном, ее уходы обусловлены погрешностями двухстепенных
гироскопов, играющих роль чувствительных элементов ГСП. Как показывают
исследования, кроме уже изученных возмущающих факторов, на гироскопические
датчики оказывают влияние акустические поля, которые имеют место в натурных
условиях. Упругое
взаимодействие их с механическими системами приборов содействует возникновению
в последних волновых процессов, приводящих в своей совокупности к
дополнительным, акустическим, погрешностям. Проанализируем это явление более подробно на примере ГСП
с одним гироскопическим чувствительным элементом по каждой оси (рис. 1). Достоинства таких схем заключаются в том,
что трехосные платформы с силовой гироскопической стабилизацией могут
использоваться как свободные платформы, сохраняющие неизменным заданное направление
по отношению к условно неподвижным звездам (с точностью до собственных
уходов чувствительных элементов), так
и как корректируемые.
Трехосная
гироскопическая платформа в условиях детерминированного, либо случайного,
углового движения основания, как известно, имеет собственные уходы относительно
всех трех осей. Наиболее существенными из всех возмущающих факторов следует считать
перекрестные связи по гироскопическим моментам – ,
,
, – которые возникают при отклонении гиромоторов относительно
осей подвеса. Вместе с тем, кроме самостоятельного нежелательного воздействия,
кинематическое возмущение в совокупности с акустической вибрацией конструкции
приборов также приводит к дополнительным погрешностям чувствительных элементов
ГСП.
Следует отметить, что в трехосной платформе, даже при
достаточно малых углах поворота подвижной части двухстепенных гироскопов,
всегда имеют место взаимные связи между каналами стабилизации, именуемые
перекрестными. Их можно разделить на четыре вида – перекрестные связи по
гироскопическому моменту (как уже отмечено), перекрестные связи по углу
прецессии, по моментам стабилизирующих двигателей и связи, которые зависят от
соотношения моментов инерции платформы относительно различных осей и моментов
инерции гиромотора относительно
соответствующей оси.
Известно, что влияние
перекрестной угловой скорости может быть уменьшено использованием двухроторных
датчиков, гироскопов с принудительным возвратом на нуль, а также датчиков с
электрической пружиной. Все эти методы имеют свои достоинства и недостатки.
Так, использование
вращения опор карданова подвеса гироскопов нецелесообразно из-за невозможности
применения поплавковых датчиков. Метод принудительного вращения подвеса
гироскопа вокруг оси, параллельной вектору кинетического момента, также непригоден
в силу возникающих в этом случае гироскопических моментов, приводящих к
дополнительным погрешностям чувствительных элементов ГСП. К тому же компенсация
этих моментов усложняет практическую реализацию этого метода автокомпенсации.
Основным недостатком
метода реверсирования вектора кинетического момента является компенсация уходов
в среднем за период реверса, а метода двухканальности – некоторое увеличение массо-габаритных
характеристик и лишь осреднение проявления внутренних моментов – помех у
гироскопа.
Исследования
показывают, что при работе в акустических полях эти методы не являются
эффективным средством борьбы с внешними возмущениями. В лучшем случае, они
осредняют во времени проявление звукового излучения. Поэтому следует
разработать и апробировать иные подходы для оптимизации функционирования ГСП.
Наиболее перспективным для этих целей является перфорированный экран, прошедший
натурные испытания в звуковых полях высокой интенсивности – 165 децибел.
Линеаризованные
дифференциальные уравнения движения платформы имеют вид –
;
;
; (1)
;
;
,
где – моменты инерции ГСП
совместно с подвесом относительно осей
соответственно;
– коэффициенты
моментов вязкого трения платформы;
– проекции угловой
скорости платформы на оси
;
– проекции внешних
моментов на оси стабилизации;
– моменты инерции
подвижной части гироскопов относительно осей прецессии;
– углы прецессии
гироскопов;
– кинетические
моменты роторов гироскопов;
– коэффициенты
моментов вязкого трения поплавковых чувствительных элементов;
– проекции внешних
моментов на оси прецессии;
– функции,
характеризующие зависимость между моментами стабилизирующих двигателей и
соответствующими углами прецессии;
– «ложная» угловая
скорость, на которую реагирует поплавковый чувствительный элемент ГСП, вызванная
влиянием акустического излучения на подвес гироскопа (рис. 1);
;
; (2)
;
– моменты трения на
осях прецессии гироскопов;
– моменты дебаланса
гироскопов;
– дополнительное
угловое ускорение подвижной части поплавковых чувствительных элементов
вследствие акустической вибрации поверхности подвеса:
(3.3)
– радиусы поплавков
-го гироскопа;
– длины поплавков;
– моменты инерции подвижной
части поплавков относительно входной оси гироскопа;
– массы торцов
поплавка;
– прогибы торцов под
действием акустического излучения;
,
– перемещения элементов
цилиндрической поверхности поплавка в плоскости шпангоута (
– тангенциальные составляющие,
– радиальные составляющие);
;
;
;
;
;
;