Принцип действия гирокомпаса

ГИРОКОМПАСЫ С КОСВЕННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

 

Принцип действия гирокомпаса

 

Гирокомпас с непосредственным управлением (ГК с НУ) в принципе непригоден для быстроходных малых судов, самолетов и других объектов, испытывающих значительные вибрации и сотрясения.

Причины этого состоят в следующем [3]:

- при высоких скоростях гирокомпас приобретает значительную скоростную девиацию, для учета которой необходимо знать скорость объекта относительно Земли (грунта) и широту места;

- движение в западном направлении с высокой скоростью вызывает уменьшение направляющего момента ГК с НУ вплоть до эффекта «остановки Земли», когда западная составляющая скорости становится равной линейной скорости земного вращения и гирокомпас полностью теряет направляющий момент.

Однако для использования он становится непригодным значительно раньше — когда уменьшающийся направляющий момент окажется того же порядка, что и возможные возмущающие моменты [3]:

- маневрирование на высоких скоростях вызывает недопустимо большие инерционные погрешности гирокомпаса. Единственным средством борьбы с инерционными погрешностями до последнего времени считалась «настройка» гирокомпаса на частоту Шулера, т. е. превращение его в апериодический гирокомпас. Однако для такой настройки необходимо автоматическое регулирование параметров гирокомпаса в функции скорости объекта и широты места, которые известны на объекте лишь с некоторой степенью точности. Естественно, что ошибки «апериодизации» вызовут появление нескомпенсированных инерционных погрешностей гирокомпаса, которые тем больше, чем выше уровень возмущающих сил инерции. Кроме того, существовало неправильное мнение, что создание апериодического компаса путем настройки на частоту Шулера в принципе возможно лишь для невысоких скоростей;

- на высоких скоростях начинают проявляться эффекты центробежной и кориолисовой сил инерции, вызывающие дополнительные погрешности гирокомпаса;

- для устранения инерционных погрешностей путем регулирования параметров гирокомпаса считалось необходимым значительно увеличить габариты его чувствительного элемента и комплектацию вспомогательных приборов.

Такие крупногабаритные гирокомпасы действительно были созданы, но при этом встретились почти непреодолимые трудности в их балансировке и изоляции от внешних возмущений и эффектов инерции собственных масс гирокомпаса. Такие гирокомпасы непригодны для малых объектов.

Таким образом, на первый взгляд, гирокомпас не может найти применения на новых быстроходных транспортных судах (судах на подводных крыльях и на воздушной подушке), а в будущем — на подводном транспортном флоте.

Однако перечисленные выше недостатки присущи только ГК с НУ.

Суть работы ГК с косвенным управлением (ГК с КУ) состоит в отказе от непосредственной связи гироскопа с Землей, достигаемой в обычных компасах с помощью присоединенного маятника, а также в отказе от апериодизации по Шулеру и в применении совершенно нового принципа устранения инерционных погрешностей. Это стало возможным благодаря применению в гирокомпасных системах электромагнитных (индукционных) устройств, предназначенных для управления движением гироскопа.

Оказалось, что в таких гирокомпасах могут быть использованы малогабаритные элементы и миниатюрные гироскопы, легко поддающиеся балансировке и регулировке.

Сущность устройства ГК с КУ состоите следующем (рис. 3.1). Этот прибор принадлежит к числу одногироскопных компасов с уравновешенным чувствительным элементом 1. Связь чувствительного элемента с Землей достигается с помощью измерительного устройства, называемого индикатором горизонта 2. Индикатор горизонта установлен либо непосредственно на чувствительном элементе, как показано на рис. 3.1, либо на другой детали гирокомпаса, участвующей в движении чувствительного элемента по высоте. В индикаторе горизонта производится преобразование угла наклонения чувствительного элемента в электрический сигнал, пропорциональный этому наклонению.

Сигнал индикатора горизонта через усилитель 4 передается на обмотки электромеханических устройств 3 и 7, преобразующих усиленный сигнал во вращающие моменты, действующие вокруг горизонтальной и вертикальной осей чувствительного элемента 1. Эти моменты пропорциональны подаваемому сигналу, т. е. в конечном счете — углу наклонения чувствительного элемента относительно плоскости горизонта. Очевидно, вращающий момент вокруг горизонтальной оси играет роль момента силы тяжести гидравлического маятника обычного одногироскопного компаса. Вертикальный момент соответствует демпфирующему моменту, который в обычном одногироскопном компасе создается путем смещения центра тяжести чувствительного элемента к западу от центра инерции. Таким образом, если отвлечься от способа образования управляющих моментов, рассматриваемый гирокомпас повторяет основные черты обычного одногироскопного компаса. Следовательно, он также подвержен влиянию движения объекта и нуждается в коррекции. Однако электромеханическая система управления гироскопом открывает для этого совершенно новые возможности. Принципиальное отличие рассматриваемого прибора от обычного одногироскопного компаса заключается в том, что сигналы коррекции, зависящие от широты места, скорости и курса судна, вводятся в качестве дополнительных сигналов в те же цепи управления, которые обеспечивают связь гироскопа с Землей. Эти сигналы формируются в вычислительно-преобразующем устройстве 5, в которое автоматически поступает текущее значение компасного курса через датчик 6, а широта и скорость вводятся либо вручную, либо от соответствующих навигационных систем. Таким образом, как видно из рис. 3.1, общие моменты сообщаемые гироскопу вокруг его осей прецессии, включают как собственно управляющие моменты, так и моменты, соответствующие сигналам коррекции. Теоретически корректирующие моменты могут быть равны тем гироскопическим моментам, которые возникают при движении объекта. Это значит, что последние в принципе могут быть полностью скомпенсированы на осях прецессии гироскопа и, следовательно, гирокомпас будет работать так же, как если бы он был установлен на неподвижном основании. Правда, для этого необходимо еще изолировать индикатор горизонта от действия сил инерции, возникающих при маневрировании судна и на качке, или по крайней мере снизить влияние сил инерции до требуемых пределов.

Рассмотренная схема ГК с КУ выявляет одно существенное преимущество его перед обычным: теоретически его точность не зависит от скорости объекта, и, следовательно, такой гирокомпас пригоден для применения на быстроходных судах.

Рис. 3.2 Функциональная схема ГК с КУ

 

Схема, представленная на рис. 3.1, иллюстрирует только принцип действия гирокомпаса с КУ, но не пригодна для практической реализации. Действительно, если применить обычный кардановый подвес чувствительного элемента, появится трудно разрешимая проблема устранения возмущающих моментов сил трения в опорах подвеса. Для изоляции гироскопа от движения основания необходимы следящие системы. Кроме того (и это главное), управляющие моменты, создаваемые на осях прецессии гироскопа, должны линейно зависеть от угла наклонения чувствительного элемента во всем диапазоне изменения этого угла. Практически с помощью индукционных датчиков момента невозможно получить линейную характеристику управляющих моментов около нулевого положения индикатора горизонта. Поэтому действительная схема гирокомпаса с электромагнитным управлением более сложная. На рис. 3.2 показано принципиальное устройство реальной схемы. С целью изоляции чувствительного элемента от внешних частей гирокомпаса он выполняется в виде герметичной сферы — поплавка 1 — помещенной во внешней так называемой следящей сфере 2. Пространство между сферами заполнено специальной жидкостью 3, плотность которой обеспечивает при определенной температуре нейтральную плавучесть гиросферы. Рабочая температура поддерживается автоматически системой терморегулирования.

Внутри гиросферы установлен гиромотор — высокооборотный асинхронный двигатель.

Гиросфера связана со следящей сферой двумя парами торсионов. Через торсионы на гироскоп передаются управляющие моменты, кроме того, они служат для центрирования гиросферы относительно следящей сферы. Вертикальные торсионы 8 одним концом закреплены в корпусе следящей сферы, а другим — в кардановом кольце 6, охватывающем гиросферу. Горизонтальные торсионы 10 одним концом прикреплены к оболочке гиросферы, а другим — к кардановому кольцу.

Все четыре торсиона расположены в плоскостях, перпендикулярных осям собственного вращения гироскопа, и позволяют следящей сфере поворачиваться относительно гиросферы вокруг горизонтальной и вертикальной осей и вместе с оболочкой гиросферы — вокруг оси собственного вращения гироскопа.

На противоположных сторонах гиросферы по оси собственного вращения гироскопа установлены статоры индукционных съемных устройств, называемых датчиками угла 4. Датчики угла в разработанных конструкциях являются двухкомпонентными, т, е. реагируют на относительное рассогласование гиросферы и следящей сферы как по азимуту, так и по высоте. Питание на гиромотор и статоры датчиков угла может подаваться как по гибким спиральным токоподводам, свободно навитым вокруг торсионов, так и через сами торсионы,

Следящая сфера имеет снаружи цапфы, расположенные параллельно оси собственного вращения гироскопа. В этих цапфах она свободно подвешена на подшипниках в горизонтальном внутреннем кольце 9 стабилизированного карданова подвеса.

Горизонтальное кольцо 9 подвешено по оси, параллельной оси горизонтальных торсионов, в вертикальном внешнем кольце 5 подвеса, которое может поворачиваться вокруг вертикальной оси относительно корпуса прибора. Корпус своим основанием крепится к палубе.

Вертикальное кольцо 5 приводится во вращение через зубчатую передачу двигателем азимутальной стабилизации 12, установленным в корпусе прибора. Это вращение передается на вертикальные торсионы 8, которые накладывают на гироскоп вертикальный момент. Двигатель 11 горизонтной стабилизации через зубчатую передачу поворачивает горизонтальное кольцо 9 вокруг его оси подвеса, закручивая горизонтальные торсионы 10 и накладывая таким образом на гироскоп горизонтальный момент. Стабилизация следящей сферы 2 по горизонту вокруг оси ее подвеса достигается смещением вниз центра тяжести сферы относительно оси подвеса. Двухкомпонентные индукционные датчики угла 4, статоры которых расположены на гиросфере, а съемные (роторные) обмотки закреплены на следящей сфере, вырабатывают напряжения, пропорциональные углам рассогласования между гиросферой и следящей сферой относительно вертикальных и горизонтальных торсионов. Датчики угла включены по дифференциальной схеме, что исключает погрешности в измерении углов рассогласования, вызываемые линейными перемещениями гиросферы относительно следящей сферы.

Сигналы рассогласования от датчиков угла через усилители 13, расположенные в приборе, поступают на соответствующие двигатели, с помощью которых происходит непрерывное согласование следящей сферы с гиросферой. Таким образом, при отсутствии управляющих сигналов прибор работает в режиме свободного гироскопа.

Связь гироскопа с плоскостью горизонта достигается при помощи индикатора горизонта 7, представляющего собой высокочувствительный физический маятник с индукционным съемом сигнала, задемпфированный вязкой жидкостью.

Из конструктивных соображений индикатор горизонта установлен на следящей сфере так, что реагирует только на отклонения следящей сферы от плоскости горизонта в направлении оси собственного вращения гироскопа. Индикатор горизонта вырабатывает напряжение, пропорциональное этому отклонению. Сигнал индикатора горизонта суммируется в противофазе с сигналами датчиков угла, и разность этих сигналов подается через усилители на соответствую-щие двигатели стабилизации.

Двигатели поворачивают следящую сферу относительно горизонтальных и вертикальных торсионов до тех пор, пока сигнал индикатора горизонта, поданный в схему суммирований в определенном масштабе, не сравняется с сигналом от соответствующего датчика угла. Горизонтальные и вертикальные торсионы окажутся закрученными на углы, пропорциональные углу отклонения главной оси гироскопа от горизонта, что обеспечивается схемой суммирования сигналов. Момент, прикладываемый вследствие этого горизонтальными торсионами к гироскопу, аналогичен маятниковому моменту обычных маятниковых гирокомпасов. Момент, прикладываемый вертикальными торсионами, аналогичен демпфирующему моменту маятниковых гирокомпасов. В результате совместного действия этих моментов гироскоп, совершая затухающие колебания, устанавливается в плоскости гироскопического меридиана. Управление чувствительным элементом через торсионы обеспечивает плавную передачу вращающих моментов, так как непосредственно чувствительному элементу сообщаются только моменты кручения торсионов, линейно зависящие от углов рассогласования гиросферы и следящей сферы.

Стабилизация следящей сферы по азимуту и высоте практически полностью изолирует гироскоп от возмущающих моментов.

Особенностью рассматриваемой схемы является возможность ее использования не только в режиме гирокомпаса, но и в режиме гироскопа направления (гироазимута). Для этого достаточно отключить управляющий сигнал по горизонтальной оси прецессии, сохранив стабилизацию относительно этой оси. Управляющий сигнал по вертикальной оси, необходимый для удержания гироскопа в плоскости горизонта, также должен быть сохранен.

Для компенсации погрешностей прибора как в режиме гирокомпаса, так и в режиме гироскопа направления служит вычислительное устройство, вырабатывающее необходимые сигналы коррекции, поступающие на двигатели стабилизации.

Величины корректирующих моментов, прикладываемых к обеим осям гироскопа в результате ввода сигналов в следящие системы, изменяются в зависимости от скорости и курса объекта, а также от широты места. Таким образом, главная ось гироскопа удерживается в направлении на север как в режиме гирокомпаса, так и в режиме гироазимута. Показания курса с прибора транслируются датчиками грубого и точного отсчета, например сельсинами, механически связанными с двигателем азимутальной стабилизации.

Для изучения прибора последовательно рассмотрим его работу на неподвижном основании, при движении с постоянной скоростью и в общем случае движения объекта.