Прикладная теория гироскопов

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Методические указания и индивидуальные задания
по выполнению курсового проекта по дисциплине
Прикладная теория гироскопов
Методические указания
подготовил доцент кафедры № 12
С.Ф. Скорина
Санкт-Петербург
2009
Введение
Курсовое проектирование является одним из важнейших факторов подготовки
студентов к самостоятельной инженерной деятельности. В процессе курсового
проектирования студенты имеют возможность наиболее полно проявить свои
индивидуальные способности и творчески применить полученные теоретические знания
для решения конкретных инженерных задач. Основная задача курсового проектирования
- закрепить полученные знания, содействовать сознательному их усвоению и
осмысленному применению при решении поставленных задач. В этом смысле курсовое
проектирование играет завершающую роль в общем комплексе учебных занятий по
дисциплинам, изучающим гироскопические системы ориентации, стабилизации и
навигации подвижных объектов. В процессе выполнения курсового проекта студент
самостоятельно разрабатывает принципиальную схему
гироскопической системы,
определяет ее основные конструктивные параметры, выбирает и рассчитывает ее
основные элементы и узлы, отвечающие требованиям точности, экономичности и
надежности. Работая над проектом студент должен стремиться внести в известные
системы такие изменения, которое выгодно отличали бы проектируемое изделие от
существующих образцов аналогичного назначения. Студенты, работающие над проектом
должны помнить, что залогом высококачественного и своевременного завершения
проекта является систематическая работа над ним с начала семестра.
Гироскопические системы применяются на различных подвижных объектах для
решения задач управления, ориентации и навигации. Основным элементом любой
гироскопической системы является гироскоп с двумя или тремя степенями свободы,
включая степень свободы относительно его главной оси. Однако основное свойство
гироскопа нарушается при действии вредных моментов относительно осей подвеса.
Кроме того, при установке гироскопа на поверхности Земли на его свойства оказывает
влияние вращение Земли относительно инерциального пространства. Для управления
подвижным объектом, а также для решения задач навигации и определения
ориентации необходимо смоделировать на объекте базовую систему координат, которая
занимает требуемое положение относительно двух направлений: оси суточного
вращения Земли и вертикали в данной точке пространства.
Понятия о системах ориентации и навигации
Под навигацией понимают процесс формирования программы траекторного
движения объекта и ее реализации при движении объекта из одного пункта в
заданный. Параметры траекторного движения объекта и другие параметры,
используемые для формирования программы траекторного движения, называют
навигационными.
Это – параметры траектории,
координаты,
скорость,
пространственные и временные интервалы, направление движения и др. Информация
об этих параметрах носит название навигационной информации. Измерение
первичных параметров,
на
основании
которых
определяются (вычисляются)
навигационные параметры называют навигационными измерениями. Если не учитывать
упругих деформаций корпуса, то подвижный объект (ПО) можно рассматривать как
твердое тело с шестью степенями свободы. Условно можно считать, что задачи,
связанные с поступательным движением объекта, решаются с помощью навигационных
систем, а угловое положение ПО определяется системой ориентации.
Если рассматривать задачу ориентации твердого тела (подвижного объекта) с
самых общих позиций, то для определения его пространственной ориентации необходимо
задать положение (ориентацию) двух неколлинеарных векторов, ориентация которых, с
одной стороны, априорно известна в опорной (базовой) системе координат, а с
другой - может быть определена относительно твердого тела. При этом обязательно
задание двух неколлинеарных векторов, т.к. задание лишь одного вектора не обеспечивает
определение ориентации вокруг этого вектора. Этот очевидный факт получил название
принцип двух неколлинеарных векторов. Таким образом, для определения ориентации
твердого тела необходимо измерение или моделирование некоторых векторных
величин, которые в принципе могут иметь самую различную физическую природу,
быть автономными (без использования излучений и не подверженными внешними
помехами) и неавтономными. Такими полностью автономными средствами являются
гироскоп и приборы на его основе.
В общих чертах принципы построения систем гироскопической ориентации
могут быть обозначены следующим образом. Пусть требуется определить
ориентацию
подвижного
объекта
относительно
некоторой неподвижной
(инерциальной) системы координат (ИСК). Для решения этой задачи на борту объекта
необходимо иметь аналог ИСК, который может быть либо физическим в виде твердого
тела неподвижного относительно ИСК (платформа, у которой угловая скорость в
ИСК равна нулю), либо аналитическим, реализуемым в вычислительном устройстве,
которое непрерывно вырабатывает параметры ориентации относительно ИСК.
Классификация гироскопических систем является в определенной степени условной и
может быть осуществлена по различным признакам.
В зависимости от метода моделирования базовых (опорных) направлений в
пространстве гироскопические системы делятся на: бесплатформенные (аналитическое
моделирование), иногда их называют бескарданными; и платформенные (физическое
моделирование). Платформенные системы по числу стабилизируемых осей могут быть
одноосными, двухосными или трехосными (пространственные). По принципу построения
и роли гироскопов платформенные системы представляют собой стабилизаторы
следующих
типов: непосредственные
гироскопические
стабилизаторы
(ГС);
индикаторные ГС; силовые ГС; индикаторно-силовые ГС.
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.
Рассмотренная выше классификация иллюстрируется рисунком 1.1, а рисунок 1.2
поясняет принцип построения и роль гироскопов в платформенных гироскопических
системах.
На рисунке 1.2 введены следующие обозначения:
- момент
гироскопической реакции (внутренняя обратная связь);
(внешняя обратная связь);
- момент разгрузочный
- управляющий момент (момент коррекции);
возмущающий момент (вредный момент),
-
– момент нагрузки.
В общем случае для придания заданной ориентации платформе необходимо
решить следующие задачи: определить фактическую ориентацию платформы; сравнить с
априорно заданной ориентацией; осуществить коррекцию или управление ориентацией
платформы. Технические средства, решающие эти задачи, и образуют систему
ориентации и стабилизации.
Поэтому гироскопическая система ориентации представляет собой сложную,
двухконтурную взаимосвязанную систему автоматического управления, включающую:
чувствительные элементы ориентации и коррекции ( приборы и устройства,
определяющие параметры ориентации платформы или реагирующие на их изменение);
элементы и устройства преобразования информации и линии связи; исполнительные
элементы (коррекционные и стабилизирующие двигатели и устройства, решающие
задачу коррекции и управления ориентацией платформы).
Задачей настоящего курсового проектирования является расчет и анализ, а также
разработка элементов конструкции одноосного гиростабилизатора, являющегося базовым
элементом гироскопических систем ориентации. Гиростабилизатором (ГС) называется
устройство, в котором гироскоп осуществляет слежение за внешним моментом и с
помощью двигателя компенсирует его, удерживая стабилизируемую массу в
неизменном положении. Гиростабилизаторы применяются в качестве чувствительного
элемента прибора или для непосредственной стабилизации измерительных устройств
на подвижном объекте. В зависимости от применяемого чувствительного элемента ГС
делятся на: силовые с дважды интегрирующим гироскопом («сухой» гироблок);
индикаторно-силовые
с
поплавковым
интегрирующим
гироскопом
или
с
дифференцирующим гироскопом (гиротахометром); индикаторные. Индикаторные ГС
могут строиться на базе астатического, динамически настраиваемого, лазерного,
волоконно-оптического или твердотельного волнового гироскопов.
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.
В общем случае гиростабилизатор изолирует стабилизируемое устройство от
движения основания, происходящее относительно оси, параллельной оси стабилизации.
В трехосном ГС имеем стабилизированную платформу, полностью развязанную от
движения основания. 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.
Методические указания по выполнению курсового проекта
После получения индивидуального задания необходимо внимательно ознакомиться
с ним, отчетливо представить себе поставленную задачу, подобрать в библиотеке ГУАП
необходимую литературу, собрать конспекты лекций по специальным дисциплинам
кафедры №12, провести поиск по ресурсам глобальных информационных систем и под
руководством преподавателя приступить к решению задач курсового проектирования.
В ходе курсового проектирования студент в соответствии с индивидуальным
заданием на проектирование должен:
1. Определить тип проектируемого одноосного гиростабилизатора (ОГС) в
соответствии с заданным типом чувствительного элемента;
2. Разработать принципиальную кинематическую схему ОГС, привести ее
описание, назначение и описание принципа действия;
3. Оценить условия эксплуатации гиростабилизатора (по заданию) и величину
возмущающего момента по оси стабилизации;
4. Провести обоснование и выбор элементной базы ОГС:
чувствительного
элемента и его параметров (гиромотора, типа заполняющей жидкости,
коэффициента сил вязкого трения по оси прецессии, типа опор подвеса по оси
прецессии – для поплавгового интегрирующего гироскопа), стабилизирующего
двигателя и редуктора, датчика моментов, датчиков угла – по оси прецессии и
оси стабилизации, усилителя
5. При описании устройства и действия системы следует указать их назначение,
входную и выходную величины, принцип действия рассматриваемого элемента,
определить функцию, выполняемую им в системе. При описании системы
необходимо указать используемый принцип регулирования и как он реализуется.
Описание системы должно содержать функциональную кинематическую схему,
отражающую взаимодействие устройств, блоков, узлов и элементов системы в
процессе ее работы. Вспомогательные связи, например цепи питания, в
функциональной схеме опускаются. К функциональным элементам относятся
измерительные, преобразовательные и усилительные устройства. Затем
определяются входные и выходные величины, Описание системы целесообразно
закончить ее классификацией по различным признакам.
6. В соответствии с разработанной принципиальной схемой и с учетом заданного
типа чувствительного элемента привести математическую модель ОГС, дать ее
подробное описание.
7. Построить структурную схему ОГС в соответствии с полученной
математической моделью. Получить и подробно описать комплекс передаточных
функций (замкнутой и разомкнутой системы), характеризующих статические и
динамические характеристики ОГС.
8. Рассчитать или выбрать по источникам информации недостающие параметры
типовых звеньев структурной схемы ОГС (кинетический момент, моменты
инерции гироблока и платформы, постоянные времени и коэффициенты
затухания типовых блоков);
9. Определить статические характеристики гиростабилизатора по полученным
выше передаточным функциям..
10. Проверить устойчивость ОГС при заданных параметрах и входном воздействии.
В случае необходимости – провести необходимые расчеты по изменению
параметров ОГС или провести выбор и расчет того или иного корректирующего
контура. В последнем случае следует качественно оценить влияние
корректирующего контура на процессы в ОГС. В выводах следует указать
значения запасов устойчивости по амплитуде и фазе,
11. Исследовать динамические характеристики ОГС, оценив качество переходных
процессов. При этом следует рассмотреть действие возмущающих моментов по
осям прецессии и стабилизации в виде постоянной величины и импульса
12. Следует оценить и сравнить реакцию системы по оси стабилизации при
использовании корректирующих устройств и без них.
13. В соответствии с индивидуальным задание исследовать поведение ОГС на
подвижном основании.
14. В соответствии с индивидуальным задание провести конструктивную проработку
того или иного узла ОГС.
Анализ устойчивости, исследования статических и динамических характеристик,
влияния движения основания на работу ОГС следует проводить на базе
использования пакетов прикладных программ, которые изучались в ходе обучения
в ГУАП: Mahtcad, MatLab или других подобных, позволяющих осуществлять
имитационное моделирование динамических процессов.
В соответствии с опытом проведения курсового проектирования студентами
кафедры №12 представляется рациональным и целесообразным следующее
ориентировочное распределение потребного времени на выполнение отдельных
этапов работ по неделям семестра.
№
п.п.
Этапы проектирования
Время,
отводимое
на
выполнение этапа
В % к объему В
времени
на неделях
проектирование
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Ознакомление
с
заданием,
подбор
литературы и ее изучение
Разработка принципиальной схемы ОГС
Получение математической модели и
теоретический анализ поведения ОГС и его
ошибок в условиях эксплуатации
Определение основных параметров системы,
выбор типовых элементов и блоков.
Проверка и при необходимости обеспечение
устойчивости
Исследование характеристик ОГС на
подвижном основании
Разработка конструктивных чертежей узлов
и блоков ОГС
Составление
пояснительной
записки,
оформление графических материалов
Сдача проекта на проверку и его защита на
кафедре.
5
0,5
5
15
0,5
2
15
2
15
2
15
2
10
2
10
2
10
1
Отчетные материалы по проекту должны содержать:
расчетно-пояснительную записку, включающую в свой состав цель, индивидуальное
задание на проектирование, отчетные материалы в соответствии с п.п. 1-10 настоящих
методических указаний, выводы, список использованных источников информации. Объем
расчетно-пояснительной записки 20-40 листов формата 210*297 мм. В составе расчетнопояснительной записки должны быть включены: титульный лист, техническое
(индивидуальное) задание, реферат, содержание (оглавление), перечень принятых
сокращений и специальных терминов с их определениями, основная часть, список
литературы, приложения. Реферат должен содержать самое краткое изложение сущности
проекта с указанием специфики и методов решения поставленной задачи, оригинальности
разработки. Объем реферата – не более 50-70 слов. Основная часть пояснительной
записки должна начинаться введением (назначение ОГС, необходимость его
проектирования, цель данного курсового проекта) и обзором существующих систем
аналогичного назначения. В основной части пояснительной записки должны найти
отражение вопросы, предусмотренные п.п. 1-10 настоящих методических указаний.
Завершается основная часть заключением, в котором кратко приводятся не только
конкретные данные разработанной системы, но и намеченные возможные пути ее
дальнейшего совершенствования. Кроме того в заключении следует отметить
соответствие полученных результатов требуемым в техническом задании на
проектирование.;
графические материалы: кинематическая схема ОГС (плакат с изображением в
изометрической проекции ОГС и его основных элементов) и чертежи разработанных в
соответствии с заданием конструктивных узлов ОГС или конструктивного узла и
электрической схемы;
электронные копии файлов математический модели ОГС, позволяющие осуществить
контрольное моделирование в среде использованного пакета прикладных программ.
Отчет по курсовой работе
Перед защитой отчетные материалы по проекту должны быть сданы на проверку
преподавателю не менее чем за три дня до контрольного занятия. Курсовой проект
студент защищает на итоговом занятии перед руководителем курсового проектирования в
присутствии студентов группы. Автор проекта должен сделать пятиминутное сообщение,
включающее устройство и принцип действия ОГС, информацию об устойчивости, о
статических и динамических характеристиках. После сообщения студент должен ответить
на возникшие вопросы. По результатам защиты выставляется оценка.
Студенты, не выполнившие курсовую работу в регламентированные сроки, допускаются к
защите по разрешению деканата. Небрежно оформленные курсовые работы к защите не
допускаются.
Индивидуальные задания
Индивидуальные задания приведены в Таблицах №1 и №2. Номер
индивидуального задания соответствует порядковому номеру студента в групповом
журнале посещаемости. В таблицах введены следующие обозначения: ЧЭ –
чувствительный элемент гиростабилизатора; ГБ – гироблок; ПИГ – поплавковый
интегрирующий гироскоп; ДНГ – динамически настраиваемый гироскоп; ДУВ – датчик
угла прецессии; ДУС – датчик угла по оси стабилизации; ДМВ – датчик момента по оси
прецессии; ГМ – гиромотор; x,y,z – связанная с объектом система координат; JП –
моменты инерции платформы; ωX, ωY, ωZ – проекции абсолютной угловой скорости
вращения основания.
Таблица № 1: Точность, особенности конструкции.
Точностные характеристики Конструктивные блоки для разработки
№
вари
анта
2
Jп, г см с Динамич
Тип
ЧЭ
скорость
Скорость
выставки ДУВ
Град./.c
еская
некоррект
точность дрейфа,
угл.мин. град./час
ДУС
ГМ
ЧЭ
400
700
500
600
800
700
700
600
500
400
500
600
700
300
400
500
5
6
7
8
9
10
2
3
4
5
6
5
2
4
5
6
1
2
3
1
2
3
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0,5
1
2
3
1
2
3
4
5
4
3
2
1
2
3
4
5
4
3
2
17
Сухой ГБ
Сухой ГБ
Сухой ГБ
Сухой ГБ
Сухой ГБ
Сухой ГБ
ПИГ
ПИГ
ПИГ
ПИГ
ПИГ
ПИГ
ПИГ
ДНГ
ДНГ
ДНГ
ДНГ
600
7
4
1
X
X
X
X
X
X
X
x
X
X
X
X
18
19
20
ДНГ
ДНГ
ДНГ
700
600
400
6
5
4
3
2
1
2
3
4
X
X
X
X
X
x
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
x
x
ДМВ
x
x
x
x
x
x
x
x
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
x
x
Примечание: динамическая точность проектируемого ОГС должна быть не менее указанной в Табл.1, а
скорость некорректируемого дрейфа – не более указанных значений. Система управления ОГС должна
обеспечивать не меньшее значение скорости выставки платформы в заданное положение, приведенное в
Табл.1. Знаком «Х» отмечены узлы ОГС, подлежащие конструктивной проработке. Чертеж одного из
конструктивных узлов может быть заменен принципиальной электрической схемой ОГС.
Таблица 2: Условия эксплуатации
№
П.п
.
Время
работы,
мин.
Перегрузки,
Ед.
Кратк.
перегрузки, Ед.
Качка основания
Частота,
Гц
Ампли
туда,
град
Частота
вибра-
Угловое
движение
ций, Гц
ωx ω у ωz
1
9
2
4
0,05-5
1
50
X
2
8
3
4
1-10
2
70
X
X
Расположение
оси
стабилиз.
y
X
z
3
7
4
5
0,2-3
3
60
X
4
6
5
7
0,05-5
4
80
X
5
5
4
6
1-10
5
90
X
6
4
3
5
0,2-3
1
100
X
7
5
2
4
0,05-5
2
50
X
8
6
2
4
1-10
3
70
X
9
7
3
6
0,2-3
4
60
X
10
8
4
6
0,5-5
5
80
X
11
9
5
7
0,05-5
1
90
X
12
10
6
7
1-10
2
100
X
13
9
2
5
0,2-3
3
110
X
14
8
3
4
1-10
4
120
X
15
7
4
6
0,05-5
5
130
X
16
6
5
7
0,2-3
1
140
X
17
5
2
6
1-10
2
150
X
18
4
3
5
0,5-4
3
140
X
19
5
4
6
0,05-5
4
130
X
20
6
5
8
1-10
5
100
X
X
y
X
X
x
x
X
X
z
y
X
X
x
x
X
X
z
y
X
X
x
x
X
X
x
y
X
X
z
x
X
X
x
y
X
z
Примечание. Качка основания с заданными в табл.2 частотами и амплитудами происходит вокруг
осей, отмеченных символом «X». Ось стабилизации ОГС расположена на объекте параллельно оси
указанной в последнем столбце Табл.2.
Литература
Основная
1. Северов Л.А. Механика гироскопических систем. Учеб пособие. – М.: Издат. МАИ,
1996. -212 с.
2. Гироскопические системы./ Под ред. Л.А. Северова – Л.: Изд. ЛИАП, 1975.- 115с.
3. Северов Л.А., Быкова Г.М. Расчет и проектирование гироскопических систем
ориентации и навигации: Учебное пособие./ЛИАП. – Л., 1986.
4. Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической
стабилизации. - ,Л., 1968.
5. Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А. Навигация и управление
движением судов. Учебник. – СПб.: Элмор, 2002. – 360 с.
6. Рахтеенко Е.Р. Гироскопические системы ориентации. – М.: Машиностроение,
1989. – 232 с.
7. Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Теория гироскопов и гиростабилизаторов.
– Учеб. для вузов. – 2-е изд. – М.: Высш. шк., 1986. – 423 с.
8. Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы. Учеб. для вузов./
Под ред. Д.С.Пельпора. – 2-е изд. – М.: Высш. Шк., 1988. – 424 с.
9. Помыкаев И.И., Селезнев В.П., Дмитроченко Л.А. Навигационные приборы и
системы. Уч. пос. для вузов./ Под ред. И.И.Помыкаева. – М.: Машиностроение,
1983. – 456 с.
10. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Под ред. Д.С.
Пельпора. - М: Высш.шк., 1975. – 223 с.
11. Серегин В.В. Приборы и системы ориентации и навигации. – СПб.: СПбГУ ИТМО,
2005. – 39 с.
12. Серегин В.В. Прикладная теория и принципы построения гироскопических систем.
Учебное пособие. – СПб., ИТМО, 2007. – 75 с.
(http://window.edu.ru/window/catalog?p_rid=41604 – можно скачать PDF-файл).
13. Матвеев В.А., Подчезерцев В.П., Фатеев В.В. Гмроскопические стабилизаторы на
динамически настраиваемых гироскопах. Учебное пособие. – М.: Изд. МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2005. -103с.
Дополнительная .
14. Ривкин С.С. Статистический
Судостроение, 1970.– 424 с.
синтез
гироскопических
устройств.–
Л.:
15. Селезнев В.П. Навигационные устройства. Уч. пос. для вузов. – 2-е изд. – М.:
Машиностроение, 1974. – 600с.
16. http://www.rpz.ru/products/basic_block/giroskopy/приборостроительного завода – динамически
параметры.
продукция
настраиваемые
Раменского
гироскопы,
17. http://energetiku.info/article-120-72-438.html - стабилизирующие двигатели серии
ДИД, характеристики, размеры, условия эксплуатации.
18. http://ppk.perm.ru/baz.asp?ID=3&gID=16&EL=2
–
продукция
Пермской
приборостроительной компании- малогабаритные динамически настраиваемые
гироскопы, параметры.
19.
Лысов А.Н., Лысова А.А. Теория гироскопических стабилизаторов: Учебное
пособие
–
Челябинск,
ЮУр
ГУ,
2009.
-117с.
(http://instrcon.susu.ac.ru/TGS.pdf - можно скачать PDF-файл).