Файл: Свешников А.А. Вероятностные методы в прикладной теории гироскопов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 251
Скачиваний: 1
140 ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИ Я ПРИКЛАДНОЙ ГИРОСКОПИЙ ІГЛ. 3
горизонта, а ось ОС направлена по вертикали; ось О -q ориентиро вана на север. Оси Oxyz связаны с гироскопом; ось Оу вращения наружного карданова кольца расположена вертикально; внутрен нее карданово кольцо жестко скреплено с наружным во взаимно перпендикулярном положении. В исходном положении оси Oxyz и 0£т]С совмещены. При повороте наружного кольца на угол а ось Oz гироскопа будет перемещаться в плоскости горизонта и оси
Резаля займут положение Oxxyz. Возникающий вследствие вра щения Земли гироскопический момент М т направлен в отрица
тельную сторону оси ОС и при отсутствии возмущающих моментов по этой оси стремится привести ось Oz гироскопа в плоскость ме ридиана ОСтр
Уравнение движения гирокомпаса Фуко вокруг |
оси |
ОС (у) |
||||
можно записать в виде |
|
|
|
|
|
|
|
/ Г(Д |
èjd -j- HU cos cp . а = M, |
|
(3.283) |
||
где / — момент |
инерции |
гироскопа |
относительно |
оси ОС (у); |
||
а — угол отклонения |
оси |
гироскопа |
от плоскости |
меридиана; |
||
Ь1 — коэффициент |
демпфирования; М — возмущающий |
момент |
относительно оси ОС (у).
Если широту ср в течение некоторого интервала времени пола гать неизменной, то уравнение (283) является уравнением с по стоянными коэффициентами.
Обозначим
§ 3.6] ГУ ДЛ Я РЕШ ЕНИ Я НАВИГАЦИОННЫХ ЗАДАЧ 141
откуда получим формулу для частоты пх собственных незатухаю
щих колебаний ГК |
относительно плоскости меридиана |
|
|||||||
|
|
|
п. |
У |
Н U cos ср |
|
(3.285) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда для периода указанных колебаний ГК имеем |
|
||||||||
|
*■-.=£=2У \ Н U cos <р |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
■К; |
|
(3.286) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Введем обозначения |
|
|
Ъ |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
(3.287) |
|
|
2VJH HU coscp |
’ |
--Рі ~ |
/ іС-’ |
|||||
n |
|
|
|||||||
где Cj — относительный коэффициент затухания. |
в виде |
||||||||
Учитывая (284) |
|
и (287), перепишем уравнение (283) |
|||||||
|
|
ä -f- 2 (^ 4 |
4 - п\а = |
р[М. |
|
(3.288) |
|||
Введем постоянную |
времени |
Тх гирокомпаса и коэффициент рх: |
|||||||
1 |
|
1 / |
|
..С |
|
. И |
, |
1 |
(3.289) |
У = -пг |
|
Vf |
HU cos <р ’ |
fc= -£ r |
UU cos <р |
|
|||
Тогда вместо (288) |
получим |
|
|
|
|
|
|||
|
|
T\ö. 4- 2Сг Тгл 4- а = |
?\М. |
|
(3.290) |
Уравнениям (288) и (290) соответствуют следующие передаточные
функции ГК по отношению к |
возмущающему воздействию М: |
|||||
|
L(s) |
|
Рі |
Pi |
|
(3.291) |
|
■S 2 |
+ 2* 4 /ijS + |
+ 2^TlS + 1 |
• |
||
|
|
|
||||
б) |
О д н о р о т о р н ы й |
г и р о к о м п а с . |
|
В простейшей |
схеме однороторного гирокомпаса (ГК) используется трехстепенной гироскоп, центр тяжести которого смещен в его экваториальной плоскости ниже точки подвеса. Он относится к позиционным ГУ, т. е. обладает «направляющей силой» (направляющим моментом). В зависимости от способа создания направляющей силы различают: ГК с маятником, ГК с ртутными сосудами, ГК с электромагнит ным управлением (с косвенной коррекцией). В рассматриваемом далее ГК с маятником ротор заключен в гирокамеру Гк, к нижней части которой прикреплен маятник М (рис. 3.22). Здесь применя ется гироскоп с тремя степенями свободы; ось вращения наруж ного карданова кольца установлена вертикально. При отклонении оси гироскопа от плоскости горизонта маятник создает восстанав ливающий момент, стремящийся удержать ось гироскопа в гори зонтальном положении. Таким образом, появление у рассматри ваемого ГК направляющего момента, стремящегося совместить ось гироскопа с плоскостью меридиана, обусловлено вращением Земли
ш ОСНОВНЫЕ У РАВНЕНИ Я ПРИКЛАДНОЙ ГИРОСКОПИИ ГГЛ. 3
и наличием связи гироскопа с Землей, которая осуществляется через маятник.
Выберем оси С (рис. 3.23), ориентированные географиче ски: ось О у]направлена в плоскости горизонта на север, ось 0£ — на восток и ось ОС — по вертикали. При повороте наружного карданова кольца на угол а, а внутреннего кольца на угол (3 оси Резаля займут положение Oxxyxz. Резложим угловую скорость U суточного вращения Земли на вертикальную U sin ср и горизон тальную U cos ср составляющие. Составляющая угловой скорости
Рис. 3.22. Схема |
Рис. 3.23. К пояснению принципа действия |
чувствительного |
однороторного гирокомпаса, |
элемента гироком |
|
паса с маятником. |
|
U cos cp sin а, направленная вдоль оси Охх, называется полезной составляющей. Вертикальная составляющая U sin ср создает ги роскопический момент М = — HU sin ср, направленный по оси
Охх и вызывающий подъем оси гироскопа на угол ß над плоскостью горизонта. При этом возникает уравновешивающий его момент силы тяжести MgXl= lPfi, где Р — вес гироскопа, I — смещение центра тяжести гироскопа G относительно точки О его подвеса. Из равенства этих моментов определяется угол $r=HU/lP sin ср наклона оси гироскопа к плоскости горизонта, необходимый для компенсации вертикальной составляющей U sin ср угловой скоро сти вращения Земли и для удержания тем самым оси гироскопа
в плоскости меридиана OCPjV. |
гироскопический |
Полезная составляющая U cos ср sin а дает |
|
момент Мгс 7SÜ— HU cos ср • а, направленный |
по оси ОС. Этот |
момент называют направляющим моментом ГК. Ось ГК, установлен
§ 3.6] |
ГУ ДЛЯ РЕШ ЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ЗАДАЧ |
143 |
ного на неподвижном относительно Земли основании, будет нахо диться в положении равновесия, если углы а и р примут значе ния аг и соответственно ßr, определяемые равенствами
“г = 0, %= ^ sin ср. |
(3.292) |
Около этого положения равновесия ось гироскопа совершает не затухающие колебания. Для погашения этих колебаний в ГК при меняются специальные демпфирующие устройства.
Уравнения движения однороторного ГК маятникового типа при наличии демпфирования при помощи «пары с вертикальной
осью» [12] в условиях бортовой |
качки |
корабля можно записать |
|||
в виде |
|
ki |
z sin К |
|
|
ä |
2 Скд. -|- lc2a = |
|
|||
£/2 cos2<f> g |
(3.293) |
||||
|
|
||||
Y+ |
2 C,nf -f- n2y = |
» z cos К X |
|||
|
|||||
— n 2 ------------------ Ѳ, |
|
||||
где |
|
_______ |
|
|
|
|
к = У |
|
|
(3.294) |
— частота незатухающих гармонических колебаний оси гироскопа;
С— относительный коэффициент затухания колебаний ГК по координате а,
^ |
Ж ’ |
(3.295) |
X— удельная скорость коррекции, |
определяемая по аналогии |
|
с (2. 45) соотношением |
|
|
* = |
А ; |
(3.296) |
S — крутизна характеристики коррекции; у — угол поворота чувствительного элемента однороторного ГК вокруг оси Oz как обыкновенного физического маятника; п — частота собственных незатухающих колебаний чувствительного элемента ГК вокруг оси Oz,
п2^ — - |
(3.297) |
J г — момент инерции чувствительного элемента ГК относи тельно оси Oz; Сх — относительный коэффициент затухания коле баний чувствительного элемента ГК по координате у;
Ъ |
65 |
(3.298) |
|
Сі = 2J> ~ |
2 'fTJP ’ |
||
|
|||
Ъ— коэффициент демпфирования |
этих колебаний; |
К — курс |
|
корабля; Ö— угловое ускорение |
бортовой качки |
корабля; |
144 |
ОСНОВНЫЕ У РАВНЕНИ Я ПРИКЛАДНОЙ ГИРОСКОПИИ [ГЛ. 3 |
z — расстояние места установки ГК на корабле по вертикали относительно его продольной оси.
Введем постоянную времени Т гирокомпаса и его постоянную времени Т1 колебаний по углу у:
|
Г = 4 , |
^ = |
1 . |
|
(3.299) |
Тогда уравнения (293) можно записать в виде |
|
||||
|
ТЧ -)- 2ц 7а -(- а |
&2 |
2 sin К |
Ѳу, |
|
|
|
£/2 cos2 у |
g |
(3.300) |
|
|
Т?Т + 2 С1 Т1у + т = |
z cos К |
g |
||
|
|
||||
|
|
g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в) |
Д в у х р о т о р н ы й |
г и р о к о м п а с . Этот тип ГК |
является одним из наиболее совершенных по конструкции и точ ности гироскопических устройств. Чувствительный элемент этого ГК представляет собой полую сферу Гс (рис. 3.24, а), называе мую гиросферой или поплавком. В гиросфере помещены ^гироскопы
2 2
а) |
6) |
Рис. 3.24. Схема чувствительного элемента двухроторного гирокомпаса.
/ \ и Г2, гидравлический успокоитель и другие элементы прибора. Оси собственного вращения гироскопов Г х и Г2 расположены го ризонтально; оси прецессии этих гироскопов расположены верти кально и связаны шарнирным механизмом-спарником С, подоб но тому, как это имело место в двухгироскопной силовой раме (рис. 3. 11). Спарник С с помощью пружин Пр связан с корпусом гиросферы. В исходном положении (при невращающихся роторах)
§ 3.6J ГУ ДЛЯ РЕШ ЕНИ Я НАВИГАЦИОННЫХ ЗАДАЧ 145
пружины удерживают гироскопы в положении, при котором их оси составляют с некоторым направлением, называемым направ лением N —S гиросферы, равные углы е=45°. Благодаря спарнику гироскопы Г г и Г2 могут поворачиваться вокруг осей прецессии в разные стороны на одинаковые углы 8 (рис. 3.24, б). Центр тя жести гиросферы находится на ее вертикальной оси ниже ее гео метрического центра, что обеспечивает, как и в однороторном ГК, необходимый маятниковй момент. Гиросфера помещена в жид кость, и поэтому в подвесе имеет место лишь вязкое трение.
Параметры системы подобраны таким образом, что период пре цессионных колебаний гиросферы при отсутствии затухания ра вен 84,4 мин. Наличие в компасе двух гироскопов позволяет уве личить период колебаний гиросферывокруг осиіѴ—S до 10— \Ъ мин, что существенно снижает погрешности прибора при качке корабля. Собственные колебния гиросферы погашаются гидравлическим успокоителем, установленным в верхней ее части.
Суммарный кинетический момент гироскопов Гг и Г2 равен геометрической сумме их собственных кинетических моментов Н 1и Я 2. Если обозначить через 2s (рис. 3.24, а) угол между осями этих гироскопов, то суммарный кинетический момент Н системы будет равен
Н = 2Н' cos е (Я' = Я1 = Я 2). |
(3.301) |
Вектор кинетического момента Н направлен по биссектрисе угла 2$, т. е. совпадает с направлением оси N —S гиросферы, ко торая при работе компаса устанавливается в плоскости меридиана. При повороте гироскопов Г: и Г2 вокруг их осей прецессии на угол 8 направление вектора Н , как легко видеть (рис. 3.24, б), не изменяется, а величина его изменится и вместо (301) будет опре деляться формулой
Я = 2 # ' cos (е — 8 ). |
(3.302) |
Принцип работы двухроторного ГК в общих чертах тот же, что и однороторного ГК. Однако здесь имеются некоторые особен ности. Помимо маятникового момента, который вызывает прецес сионное движение гиросферы в азимуте, на гироскопы через спар ник действуют моменты пружин. Это обусловливает прецессионное движение гиросферы вокруг оси N —S, благодаря чему пер пендикулярная ей ось (диаметр Е —W гиросферы) в положении равновесия будет горизонтальной. Если относительно оси N —S действует внешний возмущающий момент, то появляется прецес сионное движение гироскопов Гг и Г2 внутри гиросферы, благо даря чему возникает гироскопический момент,, компенсирующий внешний возмущающий момент.
Выберем систему координат Olrf, (рис. 3.25), ориентирован ную географически по направлениям восток—север—зенит. Оси
10 А. А. Свешников, С. С. Ривкин