СПОСОБ ДЕМПФИРОВАНИЯ НУТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ РОТОРА ГИРОСКОПА

Изобретение относится к следящим системам (СС) с гироскопическим приводом в качестве исполнительного механизма (ИМ).

Известен способ демпфирования нутационных колебаний ротора гироскопа, представленный в литературе: Картрайт, Массингил, Триблид «Круговой демпфер для подавления нутаций вращающихся аппаратов». - М.: Ракетная техника и космонавтика, 1963 г., Г.Ф. Кэрриер, Дж.У. Майлс «Кольцевой демпфер прецессии свободного гироскопа». - М.: Механика. Издательство иностранной литературы, 1961, Дж.У. Майлс «О кольцевом демпфере свободно прецессирующего гироскопа». - М.: Издательство иностранной литературы Прикладная механика, т.30, серия Е, №2.

Способ демпфирования нутационных колебаний ротора гироскопа заключается в том, что на роторе перпендикулярно его продольной оси закрепляют демпфер, представляющий собой полое кольцо или несколько концентрических колец с центром на продольной оси ротора, частично заполненное «тяжелой» жидкостью, например соединением ртути, и затем балансируют ротор. При колебаниях продольной оси ротора гироскопа в жидкости возникает пропорциональная их величине сила вязкого трения, создающая момент, гасящий эти колебания.

Данный способ имеет ограниченное применение в связи с тем, что соединение ртути при определенной температуре из назначенного диапазона эксплуатации переходит из жидкой в твердую фазу. При этом, естественно, демпфирование нутационных колебаний не происходит, так как звено нутаций гироскопа превращается в генератор, представляющий консервативное звено с передаточной функцией W_н(p), содержащей в знаменателе множитель

(р²+ω² _нут),

где р - оператор Лапласа;

ω_нут - круговая частота нутаций гироскопа.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ демпфирования нутационных колебаний ротора гироскопа, использованный в патенте РФ №2210717 «Система управления самонаводящимся вращающимся снарядом», опубл. 20. 08. 2003 г.

Система управления реализована в соответствии со способом, основанным на формировании сигнала управления угловым положением визирной оси головки самонаведения (ГСН) с помощью двигателя коррекции по информации об отклонении от нее направления на визируемый объект. Одновременно сигнал поступает на рулевой привод, управляющий угловым положением продольной оси снаряда. Причем формируемый сигнал управления суммируют с выходным сигналом датчика угла пеленга (ДУП):

φ_пел=φ_c-φ_р,

где φ_пел - угол между продольными осями снаряда и ротора гироскопа;

φ_с - угол продольной оси снаряда;

φ_Р - угол продольной оси ротора гироскопа.

Выходной сигнал ДУП представляется внешним сигналом по отношению к СС ГСН. Однако в СС он дифференцируется и ее выходной сигнал, поступающий на двигатель коррекции и рулевой привод снаряда, оказывается пропорциональным разности угловых скоростей φ'_с и φ'_р.

Недостатком данного способа является то, что в контур СС проникают колебания снаряда, действующие на его резонансной частоте, например, от механических возмущений, тем самым снижая точность работы контура СС.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение устойчивой с требуемой точностью работы СС, содержащей гироскоп, путем подавления его нутационных колебаний.

В зависимости от состава конструкции прибора (например, снаряда, как в прототипе) и принятого типа управления - одноканального или двухканального, положения продольной оси ротора гироскопа, предлагаются два способа демпфирования нутационных колебаний ротора гироскопа ИМ СС.

Предлагаемый способ демпфирования нутационных колебаний гироскопа, который, как и наиболее близкий к нему, выбранный в качестве прототипа, основан на формировании поступающего в двигатель коррекции сигнала управления угловым положением визирной оси ГСН по информации об отклонении от визирной оси направления на визируемый объект и сигнала ДУП, отображающего координаты угла пеленга во вращающейся вместе с ротором системе координат (ВСК_Р).

В отличие от прототипа дополнительно измеряют сигнал угловой скорости колебаний продольной оси корпуса ИМ, отображающий ее координаты в системе координат, связанной с корпусом, с помощью датчика угловой скорости колебаний продольной оси корпуса (ДУС_к), формируют сигналы, отображающие вращающуюся систему координат ротора ВСК_р на основе сигналов датчика вращения ротора относительно корпуса (ДВР_к) и датчика вращения корпуса (ДВК), преобразуют сигнал ДУП из ВСК_р в неподвижную систему координат ротора (НСК_р), а сигнал ДУС_к - в неподвижную систему координат корпуса НСК_к, причем НСК_р и НСК_к согласованы между собой. Затем дифференцируют преобразованный сигнал ДУП, вычитают из него преобразованный сигнал ДУС_к, а полученную разность сигналов преобразуют в дополнительный сигнал управления, отображающий координаты угловой скорости ротора на выходе звена нутаций на частоте сигнала управления угловым положением визирной оси ГСН, и формируют отрицательную обратную связь между выходом и входом звена нутаций, вычитая ее из сигнала управления угловым положением визирной оси ГСН.

Причем при при одноканальном управлении сигнал управления угловым положением визирной оси ГСН преобразуют из ВСК_р в НСК_р, пропускают его через компенсирующее звено с передаточной функцией W_комп(p), затем выходной сигнал компенсирующего звена преобразуют обратно из НСК_р в ВСК_р и подают в обмотку управления двигателя коррекции.

При двухканальном управлении оба ортогональных друг другу сигнала управления преобразуют из вращающейся системы координат корпуса ВСК_к в неподвижную систему координат корпуса НСК_к, пропускают их через компенсирующие звенья с передаточной функцией W_комп(p). Затем выходные сигналы компенсирующих звеньев преобразуют обратно из НСК_к в ВСК_к и подают в две обмотки управления двигателя коррекции, продольные оси которых расположены в перпендикулярной продольной оси корпуса плоскости перпендикулярно одна другой. Причем передаточная функция W_комп(p) такова, что в каналах управления выполняется условие устойчивости звена с передаточной функцией:

W_общ(p)=W_комп(p) W_н(p),

где W_н(p) - передаточная функция неустойчивого звена нутаций, не содержащего отрицательной обратной связи между входом и выходом, а числитель W_комп(p) содержит множитель, равный нулю на частоте нутаций.

Сущность предлагаемого способа, основанного на использовании внешнего по отношению к СС датчика угловой скорости ДУС_к продольной оси корпуса, состоит в формировании отрицательной обратной связи между входом и выходом звена нутаций гироскопа и обеспечении работоспособности звена нутаций без потери точности системы, а также в том, что в отсутствие ДУС_к возможно обеспечить устойчивую работу СС путем компенсации влияния на устойчивость СС звена нутаций с передаточной функцией W_н(p), не содержащей в своей структуре отрицательной обратной связи между выходом и входом, путем включения последовательно с ним звена с передаточной функцией W_комп(p), такой, что выполняется условие устойчивости звена с передаточной функцией W_общ(p). Естественно, что W_комп(p), как и W_н(p), преобразует сигнал, отображающий координаты СС в НСК. Поэтому если сигнал управления, из которого формируется момент управления продольной осью ротора, отображает координату в ВСК, то он должен быть преобразован вначале в НСК, затем после преобразования звеном с передаточной функцией W_комп(p) - в ВСК с той же частотой, что и до преобразований. При этом при знаменателе W_н(p) в каждом из каналов, содержащем множитель (p²+ω_нут ²), имеем:

W_комп(p)=к_комп(p²+ω_нут ²)/(1+2ξТ_нутр+Т_нут ²р²),

где к_комп - коэффициент усиления звена,

Т_нут=(1/ω_нут),

ξ - декремент затухания, определяющий полосу частот звена.

Вид числителя определяет вид знаменателя, при котором W_комп(p) может быть реализована при данном числителе.

Отметим, что:

ω_нут=fω_p, причем

ω_p - частота вращения ротора,

f=[2J_п/(J_1э+J_2э)] при неравных значениях экваториальных моментов инерции ротора в каналах звена нутаций,

где J_п - полярный момент инерции ротора,

J_1э, J_2э - экваториальные моменты инерции ротора.

Следовательно, при известной частоте ω_р определяется частота ω_нут и при необходимости изменяются связанные с ней параметры компенсирующего звена.

Таким образом, предлагаемое изобретение решает поставленную задачу обеспечения с требуемой точностью устойчивой работы СС, содержащей гироскоп, путем подавления его нутационных колебаний.