Проектирование силового одноосного гиростабилизатора

 

 

Содержание:

Введение  3

Техническое задание  5

1.Принципиальная кинематическая схема  6

        1.1Структурная схема проектируемого устройства  14

2.Выбор элементной базы 18

2.1Стабилизирующий привод 18

2.2Усилитель 21

2.3Датчик угла по оси стабилизации 22

2.4Чувствительный элемент 24

2.5Датчик момента 24

2.6Токоподводы 25

3.Анализ устойчивости проектируемого устройства 27

      3.1Расчет параметров скорректированной системы 28

Заключение 32

Список литературы 33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

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.	Перег- рузки, Ед.	Кратк. перегру-зки, Ед.	Качка основания		Частота вибраций, Гц	Угловое движение			Расположение оси стабилиз.
			Частота, Гц	Амплитуда, град
						ωx	ωу	ωz
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 mп. Под действием этого момента гироскоп начинает прецессировать относительно оси Ox с угловой скоростью . При этом появляется гироскопический момент mг.р = Н , который на начальном этапе уравновешивает внешний момент mп, обеспечивая тем самым стабилизацию платформы. После поворота гироскопа на некоторый угол θ контактное устройство подает напряжение на двигатель цепи разгрузки, который через редуктор прикладывает момент mc к оси стабилизации. Теперь внешний момент уравновешивается суммой гироскопического момента и момента двигателя mп = mг.р+ mc. Когда угол отклонения гироскопа достигнет некоторого значения θ0, момент на оси стабилизации будет равен нулю mп + mc = 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. 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 φ, 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

 

kpW(s)p =

,

 

где

- передаточная функция датчика угла прецессии;

- передаточная функция корректирующего  контура в канале стабилизации;

Wy = - 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
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 (iд) необходимо сделать следующее замечание. При использовании электропривода с редуктором для получения необходимой собственной частоты, обусловленной угловой нежесткостью привода, передаточное число привода i ≤ 150 ÷ 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 Mпвозмmax с некоторым запасом:

 

Mд.п. ≥ Mпвозмmax/i = (1,3 ÷ 1,5) Mпвозмmax*/i

 

Примем i = 150 и получим:

 

 

Mд.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. Параметы 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