Роторный вибрационный гироскоп. РВГ. Роторновибрационный гироскоп

• Название: Роторновибрационный гироскоп
• Анкор: Роторный вибрационный гироскоп
• Дата: 18.11.2021
• Размер: 1.19 Mb.
• Имя файла: РВГ.docx
• Тип: Реферат; #275789

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Ковровская государственная технологическая академия

имени В. А. Дегтярева»

Кафедра приборостроения



Реферат

по дисциплине «ПиСОиН»

на тему: «Роторно-вибрационный гироскоп»


Руководитель: Рожков А. Н.

Исполнитель: ст. гр. П-118 Парфентьев Ю. И.

Ковров 2021

Содержание.

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.

Кинематическая и функциональная схема РВГ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.

Погрешность прибора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.

Роторной вибрационный гироскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.

Аннотация.

Роторный вибрационный гироскоп, содержащий основной ротор, установленный на осях подвеса в рамке, жестко связанной с валом приводного двигателя, размещенного на корпусе гироскопа, и датчик угла, установленный на оси подвеса основного ротора. Отличающийся он тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены дополнительный ротор со статором, датчик моментов и усилитель-преобразователь, причем дополнительный ротор установлен на оси основного ротора соосно валу приводного двигателя, а статор размещен на корпусе, при этом выход датчика угла через усилитель-преобразователь соединен с входом датчика моментов, установленного на оси подвеса основного ротора.

Abstract.

A rotary vibration gyroscope containing a main rotor mounted on the suspension axes in a frame rigidly connected to the drive motor shaft located on the gyroscope body, and an angle sensor mounted on the suspension axis of the main rotor. It differs in that, in order to increase sensitivity, an additional rotor with a stator, a torque sensor and an amplifier-converter are introduced into it, and the additional rotor is mounted on the axis of the main rotor coaxially to the shaft of the drive motor, and the stator is placed on the housing, while the output of the angle sensor through the amplifier-converter is connected to the input of the torque sensor installed on the suspension axis of the main rotor.

Введение.

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском. Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целях. В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления, через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении вращательного момента. Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позже 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа.

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами являлось то, что он правильно работал в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако вращение гироскопа быстро замедлялось из-за трения.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания вращения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Гироскоп - навигационный прибор, основным элементом которого является быстро вращающийся ротор, закрепленный так, что ось его вращения может поворачиваться.

Кинематическая и функциональная схема РВГ.



Рис. 1. Кинематическая схема РВГ.

1 – ротор гироскопа; 2 – вал; 3, 7 – кольца (рамки); 4, 5, 8, 13 – упругие подвесы; 6 – привод; 9, 11 – преобразователи угла; 10, 12 – преобразователи момента.

На оси двигателя приводного (24ДПМ) жестко установлен ротор (ЧЭ) гироскопа вращающийся совместно с осью двигателя с частотой вращения 250 Гц. На корпусе двигателя неподвижно приклеена залитая компаундом катушка датчика момента и датчика угла (ДУ/ДМ). Для ограничения угла прокачки ЧЭ предусмотрен упор, вращающийся совместно с ним. Снаружи гироскоп закрыт кожухом, а внутренняя полость гироскопа откачена до остаточного давления

1*10^-3 мм рт.ст. Электропитание гироскопа и съем информационных сигналов осуществляется через гермовводы. На корпусе ИБ гироскоп устанавливается неподвижно с базированием на посадочный диаметр и торец корпуса двигателя приводного 1. Габаритные размеры гироскопа 28х42,5мм.

Принцип работы РВГ как ДУС основан на свойстве быстровращающегося физического тела (ЧЭ) совмещать вектор угловой скорости собственного вращения (вектор кинетического момента) с вектором вынужденного вращения (вектором измеряемой угловой скорости). Возникающий при этом гироскопический момент Мг является мерой действующей на РВГ угловой скорости. Функциональная блок-схема датчика представлена на рис. 1.3.2.

Функционирование датчика происходит следующим образом: при подаче на блок питания двигателя (БПД) РВГ электропитания +15В на обмотки статора ДПМ поступают два напряжения, сдвинутые по фазе на 90 градусов, создающие вращающееся магнитное поле, приводящее по истечении времени готовности в синхронное вращение ротор приводного двигателя ДПМ.

На валу двигателя установлен ЧЭ, при этом собственная частота подвеса максимально приближена к синхронной частоте ДПМ. При отсутствии угловой скорости ЧЭ вращается в плоскости исходного состояния, перпендикулярной оси вращения ДПМ. Магниты, установленные на ЧЭ, наводят сигналы в катушках ДУ, размещенных в кольцевом зазоре между магнитами. Катушки включены попарно встречно по каждой измерительной оси. Поэтому в исходном состоянии ЧЭ суммарный сигнал, индуцируемый в каждой паре катушек, равен нулю.



Рис. 2. Функциональная схема РВГ.

РВГ - роторный вибрационный гироскоп; ДПМ – двигатель приводной; ЧЭ – чувствительный элемент; БПД РВГ – блок питания двигателя РВГ (модуль); Rн – резистор нагрузочный; УОС РВГ – устройство обратной связи; ДУ – датчик угла; ДМ – датчик момента; ФНЧ – фильтр низких частот.

При действии угловой скорости ЧЭ помимо собственного вращения совершает колебания относительно оси упругого подвеса с удвоенной частотой вращения вала ДПМ, так как ЧЭ содержит две магнитные системы под углом 180 градусов. Вследствие этого в катушках дополнительно генерируются сигналы с удвоенной частотой вращения ЧЭ и амплитудой пропорциональной действующей на РВГ угловой скорости. Эти сигналы с каждой катушки поступают в устройство обратной связи - УОС. Где они подаются поканально через предусилитель на сумматор. Там суммируются, усиливаются и поступают на демодулятор. Демодуляторы 2-х каналов управляются опорным сигналом, снимаемым со средних точек катушек ДУ. Оба канала датчика идентичны, поэтому дальнейшее пояснение дается для одного канала. Демодулятор осуществляет фазочувствительное детектирование сигнала, который пройдя через цепь формирования

коррекции, обеспечивающей устойчивость системы "РВГ-УОС" и необходимые динамические характеристики через режекторные фильтры, подавляющие помехи на частоте вращения ДПМ и на удвоенной (информационной) частоте, поступает на усилитель мощности. С усилителя мощности сигнал поступает на последовательно включенную катушку датчика момента ДМ и резистор нагрузки Rн.

Погрешности прибора.

Точность систем стабилизации и управления летательного аппарата зависит от точности измерителей параметров движения (акселерометров, датчиков угловой скорости), а также от алгоритма обработки информации измерителей. Летательные аппараты, как правило, эксплуатируется в широком диапазоне различных воздействий (вибрационные, ударные, температурные). Это приводит к погрешностям в показаниях измерительных приборов, что ухудшает работу систем стабилизации и управления полётом.

Одним из путей повышения точности систем управления является использование алгоритмической компенсации погрешностей навигационного прибора.

Для этого необходимо знать:

1. 
   внешнее воздействие (например, температуру прибора);
   
2. 
   модель погрешности прибора.
   
3. 
   Систематические погрешности прибора:
   
4. 
   Погрешности, вызванные непостоянством скорости вращения ракеты вокруг продольной оси.
   
5. 
   Температурные погрешности.
   

Для компенсации погрешности от непостоянства скорости вращения ракеты применяется корректирующее звено в выходной электрической цепи прибора. Так как применение корректирующего звена влияет на изменение (при изменении скорости вращения ракеты вокруг продольной оси) амплитуды и фазы выходного гармонического сигнала прибора, то введена методика оценки эффективности применения такого способа коррекции. Применение корректирующего звена позволяет снизить диапазон изменения относительной скоростной погрешности в десять раз.

Для компенсации температурной погрешности прибора применяются в выходной электрической цепи корректирующие элементы с термозависимыми характеристиками и алгоритмическая компенсация.

Произведя расчет эффективности применения корректирующего звена в выходном каскаде прибора, можно утверждать, что применение корректирующего звена снижает зависимость выходного сигнала прибора от изменения частоты вращения снаряда. Кроме того, рассмотрев способы компенсации температурной погрешности можно сказать, что при применении электрических элементов с заданными температурными параметрами теоретическая относительная температурная погрешность амплитуды будет в диапазоне от до ; абсолютная погрешность фазы будет в диапазоне от до (при частоте вращения снаряда 15 Гц).

Роторный вибрационный гироскоп.

Вибрационные гироскопы объединяют устройства, различные по характеру

собственного движения чувствительного элемента и принципу действия, в

которых возникающий момент (сила) вызывает отклонения чувствительного

элемента относительно основания, совершающего переносное движение.

Отличительным признаком вибрационных гироскопов является связь

чувствительного элемента с основанием, на котором он установлен.

Существующие ВГ подразделяют на роторные вибрационные гироскопы

(РВГ) и осцилляторные вибрационные гироскопы (ОВГ) [2] (рис. 7.1). В основу такой классификации положен признак, определяемый характером основного движения носителя кинетического момента (чувствительного элемента). В РВГ таким

основным движением является собственное вращение ротора (чувствительного элемента), в ОВГ – колебательное движение чувствительного элемента (массы).

Как показано на рисунке 7.1, у роторных вибрационных гироскопов различают следующие виды связи: упругую, псевдоупругую и комбинированную.

Принадлежность связи к одному из этих видов определяется следующим

математическим признаком: если в уравнениях движения чувствительного

элемента РВГ, записанных по отношению к осям Резаля, позиционный член не

является функцией угловой скорости собственного вращения гироскопа, то связь является упругой; в том случае, когда указанная функциональная зависимость существует связь считается псевдоупругой; при сочетании обоих видов имеет место комбинированная связь.

Осцилляторные вибрационные гироскопы можно подразделить на два вида:

ОВГ с сосредоточенными параметрами, ОВГ с распределенными

параметрами. К первому виду относятся такие ВГ, конструкция которых

допускает выделение сосредоточенной массы и сосредоточенного упругого

элемента, что в итоге позволяет характеризовать движение чувствительного

элемента гироскопа обыкновенными дифференциальными уравнениями.

Второй вид ОВГ включает в себя такие гироскопы, для которых указанное

допущение невозможно, в силу чего движение гироскопа должно отображаться дифференциальными уравнениями в частных производных.

Роторные вибрационные гироскопы в настоящее время получили достаточно

широкое применение. Они могут отличаться приводом, способами реализации и конструкцией подвеса ротора, его формой, съемом полезного сигнала и т.д.

Наиболее широко распространены два типа роторных вибрационных гироскопов – с двумя и тремя степенями свободы.

Бурное развитие транспорта в середине XX века привело к существенному

повышению точностных требований, предъявляемых к навигационным приборам.
Это послужило причиной широких исследований и разработок по

совершенствованию гироскопических приборов, являющихся, как правило,

датчиками угловых движений транспортных средств. К настоящему времени

совершенствование гироскопов с шарикоподшипниковыми опорами, по-

видимому, достигло своего предела. Для решения задачи повышения точности

инерциальной навигации, стабилизации, управления и наведения в 50-х годах

начались работы по созданию нового поколения инерциальных чувствительных элементов – поплавковых гироскопов.

Дальнейшее развитие авиации, ракетной и космической техники поставило на

повестку дня задачу снижения габаритов, массы, потребляемой мощности,

повышения точности и снижения времени готовности. Несмотря на хорошие

точностные характеристики, поплавковые гироскопы были сложны в

изготовлении и в силу особенностей своей конструкции перестали удовлетворять

поставленным требованиям. Попытки решить эту задачу заканчивались, как

правило, разработкой чрезвычайно дорогих приборов.

В начале 60-х годов была предложена принципиально новая конструкция

гироскопа. От поплавкового подвеса здесь мы вновь приходим к "сухому", но уже на новом качественном уровне. Основная идея этой конструкции заключается в том, что ротор гироскопа связан с помощью внутреннего карданного подвеса, образованного упругими элементами. Это избавляет его от существенного источника погрешностей – сухого трения, имеющего место в традиционном "сухом" гироскопе. С другой стороны, в такой конструкции нет поддерживающей жидкости, благодаря чему она существенно упрощается. Чтобы гироскоп функционировал как астатический, в нем необходимо скомпенсировать упругие моменты, возникающие в подвесе вследствие

отклонения носителей кинетического момента. Как оказалось, такая компенсация возможна за счет соответствующего подбора основных параметров гироскопа. Условия, которому должны подчиняться эти

параметры, стали называться условиями динамической настройки, а класс таких приборов – динамически настраиваемыми гироскопами (ДНГ). В литературе часто употребляется термин "роторный

вибрационный гироскоп" (РВГ), который относится к такому типу приборов,

реакция носителей кинетического момента, которых на переносное угловое

движение основания имеет колебательных характер. Так как для обеспечения

условия динамической настройки в ДНГ необходимо создание кинетического

момента, компенсирующего упругий момент, в таком гироскопе обязательно

должен присутствовать, по крайней мере, один элемент подвеса, имеющий

кинетический момент и колеблющийся в соответствии с переносным движением основания. Таким образом, любой динамически настраиваемый гироскоп имеет свойства, присущие РВГ, и является его разновидностью. Фундаментальные работы, посвященные теоретическим основам работы ДНГ, были опубликованы преимущественно советскими и американскими учеными. Среди них необходимо отметить труды Л.И. Брозгуля, Е.Л. Смирнова [2, 3, 4], Ю.Б. Власова,О.М. Филонова [7], П. Сейвета [28].

Практические результаты исследований, разработок и эксплуатации ДНГ

показали, что его точностные параметры соизмеримы с характеристиками

поплавкового гироскопа, однако кроме этого существует целый ряд преимуществ:

• благодаря меньшему количеству функциональных частей (отсутствие

поддерживающей жидкости, гибких токоподводов, устройств компенсации

температурного расширения жидкости, например, сильфонов), более широким

допускам на некоторые элементы, ДНГ более надежен, чем поплавковый

гироскоп;

• в отличие от поплавкового гироскопа, которому требуется точная

температурная стабилизация и длительный период готовности, ДНГ той же

точности может функционировать в более широком диапазоне температур сразу же после того, как будет достигнута необходимая рабочая скорость. Это
происходит обычно не более чем через 30 секунд после включения;

• потребляемая динамически настраиваемым гироскопом определяется величиной, необходимой для приводного двигателя, датчиков

момента и датчиков угла, и при нормальных условиях составляет несколько ватт;

• внутренний карданный подвес ротора и принципиальная конструктивная

простота ДНГ обеспечивает ему значительно меньшие габариты и массу, чем у поплавкового гироскопа. Указанные особенности этого класса приборов определили начало их успешного использования в качестве чувствительных элементов гироскопических стабилизаторов и бесплатформенных инерционных навигационных систем.

Рассмотрим основные схемы роторных вибрационных гироскопов. В любом

известном роторном вибрационном гироскопе (динамически настраиваемом

гироскопе) можно выделить два существенных признака, необходимых для его нормального функционирования: во-первых, наличие, по крайней мере, одного носителя кинетического момента, во-вторых, присутствие упругой связи между этим носителем (носителями) и основанием прибора.

Самые известные конструктивные схемы роторных вибрационных гироскопов

(динамически настраиваемых гироскопов) приведены на рисунке 7.2. Многие

конструкции можно получить комбинацией элементов, характерных для каждой схемы в отдельности. Одним из первых был предложен гироскоп, изображенный на рисунке 7.2, а). Ротор этого гироскопа связан с валом, приводящимся во вращение с постоянной угловой скоростью с помощью двигателя (на рисунке не показан), упругими элементами (выполненными, например, в форме торсионов).

Последние имеют вполне определенную качественную жесткость на кручение и достаточную большую на изгиб. Поэтому ротор имеет возможность малых

угловых поворотов относительно вала по продольной оси упругих элементов.

При этом возникает упругий момент, пропорциональный угловому отклонению ротора

относительно вала. Конструкция гироскопа на рисунке 7.2, д) похожа на

рассмотренную. Отличие заключается, во-первых, в том, что ротор имеет две

степени свободы относительно вала благодаря двум парам упругих элементов со взаимно перпендикулярными продольными осями. С этой целью вал в средней части выполнен в форме рамки. Во-вторых, ротор у этого гироскопа должен быть несимметричным. Это необходимо для того, чтобы появлялся динамический момент, компенсирующий упругий, т.е. для создания возможности динамической настройки. В установившемся режиме реакция этих гироскопов на входное угловое движение основания в системе координат, связанной с корпусом прибора, представляет собой постоянное отклонение ротора с наложенными на него колебаниями с частотой, равной удвоенной угловой скорости вращения вала.

Такие гироскопы по предложенной Е.Л. Смирновым классификации [2] являются вибрационно-прецессионными ДНГ. В рассмотренных конструкциях угловая вибрация основания с частотой, равной удвоенной частоте вращения вала, вызывает достаточно существенный дрейф. Подробнее ознакомиться с этими гироскопами можно в работе [7].

Для уменьшения влияния этой погрешности была предложена схема (см. рис.

7.2, б)), названная гироскопом Хоува. Ротор этого ДНГ одной парой упругих

элементов соединен с кольцом подвеса, который другой парой упругих

элементов, перпендикулярных первой, соединен с валом. Моменты инерции

ротора такого гироскопа обычно выбираются намного больше моментов инерции

кольца. По указанной классификации такой гироскоп относится к прецессионно-

вибрационным ДНГ. Рассмотренная конструкция имеет гораздо меньший дрейф от угловой вибрации основания на удвоенной частоте вращения вала,
однако полностью от такой погрешности она не избавлена. Для более глубокого ознакомления с таким гироскопом можно обратиться к работам [1, 3, 4, 10, 18, 21, 22].

Схема на рисунке 7.2, в) лишена указанного недостатка. Вообще говоря, этот

ДНГ является развитием схемы гироскопа Хоува. Если в последнем вместо

кольца использовать рамку, и, кроме этого, установить еще одну, но развернутую

в экваториальной плоскости на 90°, получится так называемый ДНГ с

двухрамочным (двухколечным) подвесом. Реакцией такого гироскопа на угловое перемещение основания будет постоянный угол отклонения ротора в системе координат, связанной с корпусом прибора. Согласно существующей

классификации такой гироскоп называется прецессионным ДНГ. По сравнению со всеми рассмотренными ранее схемами гироскоп с двухколечным подвесом имеет существенно лучшую динамику.

Заключение.

Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном, некоторые оборудованы гиростабилизаторами. В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление торпедами. Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами, которые дают надежную информацию для систем стабилизации и навигации. К таким приборам относятся авиагоризонт, гировертикаль, гироскопический указатель крена и поворота. Гироскопы могут быть как указывающими приборами, так и датчиками автопилота. На многих самолетах предусматриваются гиростабилизированные магнитные компасы и другое оборудование - навигационные визиры, фотоаппараты с гироскопом, гиросекстанты. В военной авиации гироскопы применяются также в прицелах воздушной стрельбы и бомбометания.

Гироскопы разного назначения (навигационные, силовые) выпускаются разных типоразмеров в зависимости от условий работы и требуемой точности. В гироскопических приборах диаметр ротора составляет 4-20(см), причем меньшее значение относится к авиационно-космическим приборам. Диаметры же роторов судовых гиростабилизаторов измеряются метрами.

Библиографический список.

1. Бороздин В. Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления: учеб. пособие /В.Н.Бороздин.-Москва,1990. -480с.

2. Меркурьев И.В. /Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопов./ И.В.Меркурьев; Подалков В. В. -- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.- 228 с.

3. Гироскопические системы / под ред. Д. С. Пельпора.- М.: Высш. шк., 1986--1988.-564с.

4. Павловский М. А. Теория гироскопов: учебник для ВУЗов/М.А.Павловский.- Киев, 1986.-78с.

5. Сивухин Д. В. Общий курс физики./В.Д.Сивухин. -- М.: Физматлит, 2006.- 560 с.

6. В.В. Матвеев Основы построение бесплатформенных инерциальных навигационных систем. / В.В.Матвеев., В.Я. Распопова. -Москва 2009.-280 с.

7. Савельев И. В. Курс общей физики: Механика./И.В.Савельев. -- М.: Астрель, 2004. -- 336 с.

8. Пельпор Д.С. Гироскопические системы: Гироскопические приборы и системы. -- 2-е изд./Д.С.Пельпор. -- М.: Высшая школа, 1988. -- 424с.