Проектирование силового одноосного гиростабилизатора

 

Исходя из пускового момента, передаточное число:

 

i = Mпвозмmax/ Mд.п. = 1,5 Mпвозмmax*/ Mд.п. =1,5*57,24*10-2/77*10-4 = 112

 

Принимая i = 120, получим

 

Mпвозмmax’ = Mд.п*i = 77*10-4*120 = 0.9240 Н*м,

 

где Mпвозмmax’ – 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 ≈ Mд.п/nх.х = 77*10-4*60/(7000*2π) =1,05*10-5 Н*м ,

 

где nх.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*Jр.у

 

где k1 – коэффициент, учитывающий приведенный момент инерции подвижных элементов редуктора (k1 ≈ 1,2 ÷ 1,4); Jр.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.

 

Mппр = m*

= m* γ0*ν2*sin(νt) = 1,9*10-3*2/57.3*(2π*5)2 = 64,5*10-3 Н*м

 

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

 

Mпвозмmax = Mпвозмmax*+ Mппр = 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:

 

= 2π*f* γ0+ωр+ ωд = 2π*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:

 

Wy =

,

 

где   - постоянная времени двигателя.

 

 

 

 

 

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.

 

kу =

 

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

 

Wy =

,

 

где   - постоянная времени усилителя ( = 0.001 с).

В качестве усилителя выбран полупроводниковый усилитель переменного тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Чувтсвительный элемент

 

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

H = 0,4 Н*м*с;

Jп = 0,25*10-3 кг*м2;

вес - 12 Н;

Габариты:

диаметр - 70 мм;

длина - 120 мм.

 

 

 

 

 

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 kдм = М/Iу, Н*м/А. Его величина обычно составляет (0,1 ÷ 0,5)*10-2 Н*м/А;
• максимальное значение развиваемого момента Мmax (обычно (1 ÷ 5)*10-3 Н*м);
• мощность Рmax, 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.

 

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 Wкк(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.

 

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 kp = kдуkуkккkд; - 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 (ΔL = 41.2 дБ, Δψ = 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 Mпвозмmax 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;