схема управления одногироскопного курсоуказателя (варианты)

Формула изобретения

1. Схема управления одногироскопного курсоуказателя, включающая два акселерометра со взаимно перпендикулярными осями чувствительности, установленных на платформе гиростабилизатора, трехстепенный динамически настраиваемый гироскоп с номинально горизонтальной осью вращения ротора и с двумя взаимно перпендикулярными датчиками момента, установленный на той же платформе гиростабилизатора, причем ось чувствительности первого акселерометра параллельна оси вращения ротора гироскопа, ось чувствительности второго акселерометра параллельна оси второго датчика момента, первое функциональное устройство формирования сигналов управления платформой соответственно в горизонте и в азимуте, второе функциональное устройство масштабирования входного сигнала, два сумматора, перемножитель, две уставки компенсации собственных дрейфов гироскопа, причем выход первого акселерометра подключен к входу первого функционального устройства, первый выход первого функционального устройства и выход первой уставки подключены к входам первого сумматора, выход которого подключен к первому датчику момента, второй выход первого функционального устройства подключен к второму входу второго сумматора, к первому входу которого подключен выход второй уставки, выход второго сумматора подключен к второму датчику момента, выход второго акселерометра через второе функциональное устройство подключен к второму входу перемножителя, выход которого подключен к третьему входу первого сумматора, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены третий сумматор и третья уставка, причем второй выход первого функционального устройства и выход третьей уставки соединены с входами третьего сумматора, а его выход соединен с первым входом перемножителя.

2. Схема управления одногироскопного курсоуказателя, включающая два акселерометра со взаимно перпендикулярными осями чувствительности, установленных на платформе гиростабилизатора, трехстепенный динамически настраиваемый гироскоп с номинально горизонтальной осью вращения ротора и с двумя взаимно перпендикулярными датчиками момента, установленный на той же платформе гиростабилизатора, причем ось чувствительности первого акселерометра параллельна оси вращения ротора гироскопа, ось чувствительности второго акселерометра параллельна оси второго датчика момента, первое функциональное устройство формирования сигналов управления платформой соответственно в горизонте и азимуте, второе функциональное устройство масштабирования входного сигнала, два сумматора, перемножитель, две уставки компенсации собственных дрейфов гироскопа, причем выход первого акселерометра подключен к входу первого функционального устройства, первый выход первого функционального устройства и выход первой уставки подключены к входам первого сумматора, выход которого подключен к первому датчику момента, выход второй уставки подключен к входу второго сумматора, выход которого подключен к второму датчику момента, выход второго акселерометра через второе функциональное устройство подключен к второму входу перемножителя, выход которого подключен к третьему входу первого сумматора, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены третий сумматор, третья уставка, третье функциональное устройство формирования на его выходе по входному сигналу тригонометрической функции синуса угла тригонометрической функции косинуса того же угла, и второй перемножитель, причем второй выход первого функционального устройства и выход третьей уставки соединены с входами третьего сумматора, выход третьего сумматора соединен с первым вводом первого перемножителя и первым входом второго перемножителя, выход второго функционального устройства через третье функциональное устройство соединен с вторым входом второго перемножителя, а его выход соединен с входом второго сумматора.

3. Схема управления одногироскопного курсоуказателя, включающая два акселерометра со взаимно перпендикулярными осями чувствительности, установленных на платформе гиростабилизатора, трехстепенный динамически настраиваемый гироскоп с номинально горизонтальной осью вращения ротора и с двумя взаимно перпендикулярными датчиками момента, установленный на той же платформе гиростабилизатора, причем ось чувствительности первого акселерометра параллельна оси вращения ротора гироскопа, ось чувствительности второго акселерометра параллельна оси второго датчика момента, первое функциональное устройство формирования сигналов управления платформой соответственно в горизонте и азимуте, второе функциональное устройство масштабирования входного сигнала, два сумматора, перемножитель, две уставки компенсации собственных дрейфов гироскопа, причем выход первого акселерометра подключен к входу первого функционального устройства, выход первой уставки подключен к первому входу первого сумматора, выход которого подключен к первому датчику момента, выход второй уставки подключен к входу второго сумматора, выход которого подключен к второму датчику момента, выход второго акселерометра через второе функциональное устройство подключен к второму входу перемножителя, выход перемножителя подключен к третьему входу первого сумматора, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены третий и четвертый сумматоры, второй, третий и четвертый перемножители, третья и четвертая уставки, третье функциональное устройство формирования на его выходе по входному сигналу тригонометрической функции синуса угла тригонометрической функци косинуса того же угла, инвертор, причем первый выход первого функционального устройства и выход четвертой уставки соединены с входами четвертого сумматора, его выход соединен с первыми входами третьего и четвертого перемножителей, выход четвертого перемножителя через инвертор подключен к второму входу второго сумматора, второй выход первого функционального устройства и выход третьей уставки соединены с входами третьего сумматора, выход которого соединен с первыми входами первого и второго перемножителей, выход второго функционального устройства соединен с входом третьего функционального устройства и вторым входом четвертого перемножителя, выход третьего функционального устройства соединен с вторыми входами второго и третьего перемножителей, причем выход третьего перемножителя соединен с вторым входом первого сумматора, а выход второго перемножителя подключен к третьему входу второго сумматора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к схемам управления одногироскопных корректируемых курсоуказателей.

В современной навигационной технике для курсоуказания подвижных объектов широкое распространение получили одногироскопные корректируемые курсоуказатели или гироазимуткомпасы с косвенным (электромагнитным) управлением [1] Среди них наилучшими массогабаритными показателями отличаются одногироскопные курсоуказатели с неполным кардановым подвесом. Б этих приборах для уменьшения массы и габаритов исключена рама наружного карданова подвеса, стабилизирующая платформу вместе с гироскопом вокруг оси его оратора. Поэтому корпус гироскопа совершает вокруг оси вращения ротора те же движения что и подвижный объект. Указанные особенности учитываются При построении схемы управления одногироскопных курсоуказателей данного типа.

Известна схема управления одногироскопного курсоуказателя с неполным кардановым подвесом типа [2]в котором в качестве чувствительного злемента применен динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ). Схема управления этого курсоуказателя-прототип, содержит два акселерометра со взаимно перпендикулярными осями чувствительности, установленные на платформе гиростабилизатора, два взаимно перпендикулярных датчика момента трехстепенного динамически настраиваемого гироскопа с номинально горизонтальной осью вращения ротора. Гироскоп установлен на той же платформе гиростабилизатора. Ось чувствительности первого акселерометра параллельна оси вращения ротора гироскопа, ось чувствительности второго акселерометра параллельна оси второго датчика момента. Первое функциональное устройство формирует на первом и на втором его выходах сигналы управления платформой соответственно в горизонте и в азимуте. Второе функциональное устройство осуществляет масштабирование входного сигнала. Кроме того, в состав схемы управления входят два сумматора, перемножитель и две уставки для компенсации постоянных вредных моментов в осях подвеса гироскопа. Выход первого акселерометра подключен ко входу первого функционального устройства. Первый выход первого функционального устройства и выход первом уставки подключены ко входам первого сумматора. Выход первого сумматора подключен к первому датчику момента. Второй выход первого функционального устройства подключен одновременно к первому входу перемножителя и ко входу второго сумматора. Выход второй уставки подключен ко входу второго сумматора. Выход второго сумматора подключен ко второму датчику момента. Выход второго акселерометра подключен ко входу второго функционального устройства. Выход второго функционального устройства подключен ко второму входу перемножителя. Выход перемножителя подключен ко входу первого сумматора.

Принципиальным в схеме управления прототипа является использование показаний второго акселерометра для формирования на выходе второго функционального устройства показании, пропорциональных тригонометрической функции синуса угла наклона основания вокруг оси ротора гироскопа. Это показание, поданное на второй вход перемножителя, используется для проектирования сигнала управления платформой со второго выхода первого функционального устройства на подвижную ось первого датчика момента.

Недостатком прототипа является то, что эта схема управления пригодна только для курсоуказателей невысокой точности и только при малых углах наклона палубы подвижного объекта по следующим причинам:

в прототипе осуществляется компенсация только постоянных вредных моментов в осях подвеса гироскопа, не зависящих от величины и от направления линейных ускорений;

в прототипе проектирование моментов управления на подвижные оси датчиков момента гироскопа производится по сильно упрощенным формулам.

По указанным причинам прототип схема управления одногироскопного курсоуказателя привносит значительные погрешности до 1,5 градусов при статических наклонах основания всего на 15 градусов вокруг оси ротора гироскопа [5] Кроме того, при наклонах изменяются основные константы курсоуказателя: период и демпфирование. Возможна даже потеря устойчивости.

Настоящее изобретение обеспечивает повышение точности одногироскопного курсоуказателя за счет изменения схемы управления.

Указанная задача по первому варианту решается за счет того, что в схеме управления одногироскопного курсоуказателя, включающей два акселерометра со взаимно перпендикулярными осями чувствительности, установленных на платформе гиростабилизатора, трехстепенный динамически настраиваемый гироскоп с номинально горизонтальной осью вращения ротора и с двумя взаимно перпендикулярными датчиками момента, установленный на той же платформе гиростабилизатора, причем ось чувствительности первого акселерометра параллельна оси вращения ротора гироскопа, ось чувствительности второго акселерометра параллельна оси второго датчика момента, первое функциональное устройство формирования сигналов управления платформой соответственно в горизонте и в азимуте, второе функциональное устройство масштабирования входного сигнала, два сумматора, перемножитель, две уставки компенсации собственных дрейфов гироскопа, причем выход первого акселерометра подключен ко входу первого функционального устройства, первый выход первого функционального устройства и выход первой уставки подключены ко входам первого сумматора, выход которого подключен к первому датчику момента, второй выход первого функционального устройства подключен ко второму входу второго сумматора, к первому входу которого подключен выход второй уставки, выход второго сумматора подключен ко второму датчику момента, выход второго акселерометра через второе функциональное устройство подключен ко второму входу перемножителя, выход которого подключен к третьему входу первого сумматора. Согласно изобретению дополнительно введены третий сумматор и третья уставка, причем второй выход первого функционального устройства и выход третьей уставки соединены со входами третьего сумматора, а его выход соединен с первым входом перемножителя.

Согласно изобретению во втором варианте для достижения большей точности работы одногироскопного курсоуказателя в схему управления дополнительно введены третий сумматор, третья уставка, третье функциональное устройство формирования на его выходе по входному сигналу тригонометрической функции синуса угла тригонометрической функции косинуса того же угла, и второй перемножитель, причем второй выход первого функционального устройства и выход третьей уставки соединены со входами третьего сумматора, выход третьего сумматора соединен с первым входом первого перемножителя и первым входом второго перемножителя, выход второго функционального устройства через третье функциональное устройство соединен со вторым входом второго перемножителя, а его выход соединен со входом второго сумматора.

Согласно изобретению в третьем варианте для дальнейшего повышения точности работы одногироскопного курсоуказателя в схему управления дополнительно введены третий и четвертый сумматоры, второй, третий и четвертый перемножители, третья и четвертая уставки, третье функциональное устройство формирования на его выходе по входному сигналу тригонометрической функции синуса угла тригонометрической функции косинуса того же угла, инвертор, причем первый выход первого функционального устройства и выход четвертой уставки соединены со входами четвертого сумматора, его выход соединен с первыми входами третьего и четвертого перемножителей, выход четвертого перемножителя через инвертор подключен ко второму входу второго сумматора, второй выход первого функционального устройства и выход третьей уставки соединены со входами третьего сумматора, выход которого соединен с первыми входами первого и второго перемножителей, выход второго функционального устройства соединен со входом третьего функционального устройства и вторым входом четвертого перемножителя, выход третьего функционального устройства соединен со вторыми входами второго и третьего перемножителей, причем выход третьего перемножителя соединен со вторым входом первого сумматора, а выход второго перемножителя подключен к третьему входу второго сумматора.

Объединение трех технических решений в одну заявку связано с тем, что три устройства решают одну и ту же задачу повышение точности одногироскопного гирокурсоуказателя одним и тем же путем, за счет изменения схемы управления. Они решают одну и ту же задачу и не могут быть объединены обобщающим параметром.

Повышение точности одногироскопного курсоуказателя достигается благодаря тому, что компенсация вредных моментов в осях подвеса гироскопа осуществляется с учетом их известного представления в виде [6, стр.92.94]

Mz Mнz + Nx Mg + Nz Мкв Nx My Мнж, (I)

Mx Mнx + Nz Mg + Nx Мкв + Nz Ny Мнж, (2)

где Nx, Ny, Nz линейные перегрузки по оси Z первого датчика момента гироскопа, по оси X второго датчика момента гироскопа, по оси Y вращения ротора гироскопа;

Mz, Мх внешние возмущающие моменты, действующие на ротор гироскопа относительно осей первого и второго датчиков момента гироскопа;

Mнz, Мнх не зависящие от линейных перегрузок составляющие вредных моментов;

Mg зависящая от первой степени перегрузки составляющая вредных моментов, обусловленная смещением центра масс ротора в осевом направлении;

Мкв зависящая от первой степени перегрузки составляющая вредных моментов, обусловленная несовершенством упругого подвеса ротора;

Мнж зависящая от произведения линейных перегрузок составляющая вредных моментов, обусловленная неравножесткостью упругого подвеса ротора гироскопа.

На наклонном основании при движении объекта с постоянной скоростью, когда ось ротора гироскопа номинально горизонтальна, имеют место следующие перегрузки

Nx sin В2, Ny О, Nz cos В2 (3),

где В2 угол наклона платформы вокруг оси ротора гироскопа.

После подстановки выражений (3) в (1) и (2) получим выражения для вредных моментов в осях подвеса гироскопа в виде

Мz Mнz Мg sin В2 + Мкв cos В2 (4)

Мх Мнх Мg cos В2 + Мкв sin В2 (5)

Предложенная схема управления осуществляет компенсацию вредных моментов в осях подвеса гироскопа

Mzk Mz, Mxk Мх (6)

Для этого схема управления формирует моменты компенсации в виде

Mzk Mнz + Mg sin B2 Мкв cos B2 (7),

Mxk Мнx + Mg cos B2 + MKB sin B2 (03),

где Mzk, Mxk моменты компенсации вредных моментов в осях подвеса гироскопа; Mнz, Мнх, Mg, Мкв регулировочные константы (уставки) данного образца гироскопа, определяемые в ходе регулирования данного образца курсоуказателя.

Проектирование показаний с первого и со второго выходов первого функционального устройства на повернутые оси первого и второго датчиков момента гироскопа осуществляется по более полным формулам, чем в прототипе.

В итоге предложенная схема управления реализует зависимости

Мдм1 Mнz + (М2 + Мg) sin В2 + (М1 Мкв) cos В2 (9),

Мдм2 Мнх + (М2 + Мg) cos В2 (М1 Мкв) sin В2 (10),

где Мдм1, Мдм2 моменты, прикладываемые первым и вторым датчиками момента гироскопа к его ротору;

М1, М2 моменты, обусловленные показаниями на первом и на втором выходах первого функционального устройства.

Реализация столь сложных зависимостей аналоговой схемой управления затруднительна. Поэтому для аналоговых реализаций могут быть предложены упрощенные зависимости

Мдм1 (Mнz + Мкв) + М1 + (М2 + Mg) sin В2 (11),

Мдм2 (Мнх Мg) + М2 (12)

или

Мдм1 (Mнz + Мкв) + MI + (М2 + Mg) sin B2 (13),

Мдм2 Mнx + (M2 + Mg) cos B2 (14)

На фиг. I представлена схема управления одногироскопного курсоуказателя по первому варианту, реализующая зависимости (11), (12). Она может быть использована при небольших углах наклона основания и аналоговой реализации схемы управления.

На фиг. 2 представлена схема управления одногироскопного курсоуказателя во втором варианте, реализующая зависимости (13), (14). Она может быть использована при больших углах наклона основания как при аналоговой, так и при цифровой реализации схемы управления.

На фиг.3 представлена схема управления одногироскопного курсоуказателя в третьем варианте, реализующая наиболее точные зависимости (9), (10).

Схема управления одногироскопного курсоуказателя (фиг.1) по первому варианту содержит акселерометры 1 и 2 со взаимно-перпендикулярными осями чувствительности, взаимно-перпендикулярные датчики момента 3 и 4 трехстепенного динамически настраиваемого гироскопа 5 с номинально горизонтальной осью вращения ротора. Акселерометры и гироскоп с датчиками момента установлены на платформе 6 гиростабилизатора таким образом, что ось чувствительности акселерометра 1 параллельна оси вращения ротора гироскопа 5, а ось чувствительности акселерометра 2 параллельна оси датчика момента 4. Кроме того, схема управления содержит функциональные устройства 7 и 8, сумматоры 9, 10 и 11, перемножитель 12 и уставки 13, 14 и 15. Выход акселерометра 1 подключен ко входу функционального устройства 7. Первый выход функционального устройства 7 и выход уставки 13 подключены ко входам сумматора 9. Выход сумматора 9 подключен к датчику момента 3. Втором выход функционального устройства 7 подключен одновременно ко входу сумматора 10 и ко входу сумматора 11. Выход уставки 15 подключен ко входу сумматора 11. Выход уставки 14 подключен ко входу сумматора 10. Выход сумматора 10 подключен к датчику момента 4. А выход сумматора 11 соединен с первым входом перемножителя 12. Выход акселерометра 2 подключен ко входу функционального устройства 8. Выход функционального устройства 8 подключен ко второму входу перемножителя 12. Выход перемножителя 12 подключен ко входу сумматора 9.

Схема управления во втором варианте, реализующая зависимости (13) и (14), представлена на фиг.2. В дополнение к схеме управления, представленной на фиг. 1, дополнительно введены третье функциональное устройство (16) для формирования на его выходе по входному сигналу тригонометрической функции синуса угла тригонометрической функции косинуса того же угла и второй перемножитель (17). Причем выход второго функционального устройства (8) соединен со входом третьего функционального устройства (16). Первый и втором входы второго перемножителя (17) соединены соответственно с выходом третьего сумматора (11) и с выходом третьего функционального устройства (16). Выход второго перемножителя (17) соединен со входом второго сумматора (10). Схема управления в третьем варианте, реализующая зависимости ( 9) и (10), представлена на фиг. 3. В дополнение к схеме управления, представленной на фиг.2, дополнительно введены третий ( 18) и четвертый (19) перемножители, четвертый сумматор (20), четвертая уставка (21) и инвертор (22). Причем, первый выход первого функционального устройства (7) и выход четвертой уставки (21) соединены со входами четвертого сумматора (20). Выход четвертого сумматора (20) соединен с первым входом третьего (18) и с первым входом четвертого (19) перемножителей. Выход третьего функционального устройства (16) соединен со вторым входом третьего перемножителя (18). Выход третьего перемножителя (18) соединен со входом первого сумматора (9). Выход второго функционального устройства (8) соединен со вторым входом четвертого перемножителя (19). Выход четвертого перемножителя (19) через инвертор (22) подключен ко входу второго сумматора (10).

Предложенная схема управления по первому варианту реализована в малогабаритном гирокомпасе.

На платформе двухосного гиростабилизатора установлены первый и второй акселерометры AK10 со взаимно перпендикулярными осями чувствительности.

На той же платформе установлен трехстепенной, динамически настраиваемый гироскоп ГБ23 с первым и вторым взаимно перпендикулярными датчиками момента. Ось собственного вращения ротора гироскопа номинально горизонтальна.

При этом ось чувствительности первого акселерометра параллельна оси вращения ротора гироскопа, а ось чувствительности второго акселерометра параллельна оси второго датчика момента.

Первое функциональное устройство формирует на первом и на втором его выходах сигналы управления платформой соответственно в горизонте и в азимуте. Первое функциональное устройство реализовано на операционных усилителях. Основная форма представления информации напряжение постоянного тока. Первое функциональное устройство реализует следующие зависимости

d(B1)/dt (1/Т1)(А1/g В1),

UI К1 m1(B1) (I/R) V cos К,

U2 = -K2 m2(B1)+Usin+(1/R)VsinKtg,

где d(.)/dt производная переменной в скобках по времени;

А1 показание первого акселерометра;

B1 показание первого акселерометра на выходе апериодического звена;

Т1 постоянная времени апериодического звена;

t время;

g ускорение силы тяжести;

UI, U2 сигналы управления платформой соответственно в горизонте и в азимуте на первом и на втором выходах;

К1, К2 масштабные коэффициенты схемы управления; m1(В1), m2(B1) - нелинейные функции переменной В1;

U скорость вращения Земли;

R средний радиус Земли;

К курс объекта;

V скорость объекта;

широта места.

Второе функциональное устройство масштабирует и сглаживает показания второго акселерометра. Оно реализовано на операционных усилителях. Форма представления информации напряжение постоянного тока. Второе функциональное устройство реализует зависимость

d(B2)/dt (1/Т2)( А2/g В2)

где А2 показание второго акселерометра;

В2 показание второго акселерометра на выходе апериодического звена;

Т2 постоянная времени апериодического звена.

Третий сумматор осуществляет сложение третьей уставки W3 для компенсации составляющей дрейфа гироскопа и сигнала со второго выхода первого функционального устройства. Сложение осуществляется на операционном усилителе в виде сигналов постоянного тока. При этом реализуется зависимость

S3 = -K2 m2(B1)+Usin+(1/R)VsinKtg+W3,

где S3 показания на выходе третьего сумматора;

W3 третья уставка.

Перемножитель осуществляет перемножение выходного сигнала третьего сумматора и выходного сигнала второго функционального устройства. Перемножение осуществляется на умножающем цифро-аналоговом преобразователе типа 572ПА1 с промежуточным преобразованием одного из сомножителей в код посредством АЦП типа 1113ПВ1.

Выходные и выходные сигналы в перемножителе напряжения постоянного тока. При этом реализуются зависимость



где П1 показания на выходе перемножителя.

Первый и второй сумматоры выполнены на операционных усилителях и формируют на своих выходах сигналы постоянного тока для управления первым и вторым датчиками момента в соответствии с зависимостями



S2 = -K2 m2(B1)+Usin+(1/R)VsinKtg+W2,

где S1, S2 показания на выходах соответственно первого и второго сумматоров;

WI, W2 первая и вторая уставки для компенсации составляющих дрейфа гироскопа.

Первая WI, вторая W2 и третья W3 уставки формируют постоянные сигналы компенсации составляющих дрейфов гироскопа. Все уставки реализованы в виде переменных резисторов, подключенных к одному и тому же двухполярному источнику опорного напряжения. Источник опорного напряжения реализован на операционных усилителях и стабилитронах высокой стабильности типа 2С191Ф.

К настоящему времени изготавливаются опытные образцы гирокомпаса. Внедрение предложенной схемы управления позволит снизить погрешность гирокомпаса при наклонах до 15 градусов до величины 0,3 градуса, в то время как погрешность прототипа при аналогичных наклонах составляет 1,5 градуса.