RU2011171C1 - Single-axis gyro stabilizer - Google Patents

Abstract

FIELD: gyroscopic engineering. SUBSTANCE: device is characterized in that a signal winding of a precession angle sensor is additionally electrically connected to the input of a circuit for determining a precession velocity sense of gyroscope and forms control signals for a torque sensor of the base of this information so as to produce additional compensating torque around the precession axis which unloads the axis from harmful torques. EFFECT: enhanced accuracy in stabilizing of gyro stabilizer platform. 1 dwg

Description

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано в системах наведения и управления летательных аппаратов. The invention relates to gyroscopic technology and can be used in guidance and control systems of aircraft.

Известен одноосный гиростабилизатор (ОГС), который обеспечивает заданную ориентацию стабилизируемого элемента (платформы) относительно одной оси [1] . Known uniaxial gyrostabilizer (OGS), which provides a given orientation of the stabilized element (platform) relative to one axis [1].

Типовая схема такого гиростабилизатора включает в себя двухстепенный гироскоп и стабилизируемый объект, расположенные на платформе. С платформой (обычно с помощью редуктора) связана выходная ось стабилизирующего двигателя, предназначенного для приложения к платформе моментов, компенсирующих действие возмущающих моментов относительно оси стабилизации. На оси подвеса гироскопа, называемой осью прецессии, установлен датчик угла прецессии, сигналы с которого поступают на усилитель системы стабилизации. Усиленный и преобразованный сигнал поступает на управляющие обмотки стабилизирующего двигателя. Совокупность датчика угла прецессии, усилителя и стабилизирующего двигателя принято называть системой стабилизации. Такое построение гироскопического прибора позволяет осуществлять стабилизацию платформы и расположенного на ней объекта. A typical scheme of such a gyrostabilizer includes a two-stage gyroscope and a stabilized object located on the platform. The output axis of the stabilizing motor is connected to the platform (usually with the help of a gearbox), which is designed to apply moments to the platform that compensate for the action of disturbing moments relative to the stabilization axis. On the suspension axis of the gyroscope, called the precession axis, a precession angle sensor is installed, the signals from which are fed to the amplifier of the stabilization system. The amplified and converted signal is fed to the control windings of the stabilizing motor. The combination of a precession angle sensor, an amplifier, and a stabilizing motor is commonly called a stabilization system. Such a construction of a gyroscopic device allows stabilization of the platform and the object located on it.

Однако процесс стабилизации сопровождается погрешностями, под которыми понимают отклонение платформы от заданного в некоторой опорной системе координат положения. Причем влияние вредных моментов, действующих по оси прецессии гироскопа, приводит к нарастающему уходу (дрейфу) платформы от первоначального положения. However, the stabilization process is accompanied by errors, which are understood as the deviation of the platform from the position specified in some reference coordinate system. Moreover, the influence of harmful moments acting along the axis of the precession of the gyroscope leads to an increasing departure (drift) of the platform from its original position.

Известен одноосный гиростабилизатор, основными элементами которого являются двухстепенной гироскоп, датчик угла прецессии, акселерометр, усилитель-преобразователь системы силовой стабилизации, стабилизирующий двигатель, датчик момента [2] . При этом элементы образуют две системы: систему стабилизации и систему коррекции. В системе стабилизации последовательно соединены датчик угла прецессии усилитель силовой стабилизации и стабилизирующий двигатель. В системе коррекции последовательно соединены акселерометр, усилитель-преобразователь и датчик момента. Known uniaxial gyrostabilizer, the main elements of which are a two-stage gyroscope, a precession angle sensor, an accelerometer, an amplifier-converter of a power stabilization system, a stabilizing engine, a torque sensor [2]. Moreover, the elements form two systems: a stabilization system and a correction system. In the stabilization system, a precession angle sensor is connected in series to a power stabilization amplifier and a stabilizing engine. In the correction system, an accelerometer, an amplifier-converter, and a torque sensor are connected in series.

Определяющим недостатком такой схемы является то, что с момента старта летательного аппарата система коррекции отключается и начинает проявляться некомпенсируемый систематический уход платформы относительно оси стабилизации. The defining drawback of such a scheme is that from the moment the aircraft starts, the correction system is turned off and the uncompensated systematic departure of the platform relative to the stabilization axis begins to appear.

Целью изобретения является повышение точности работы одноосного гиростабилизатора за счет формирования дополнительного компенсирующего момента по оси прецессии. The aim of the invention is to improve the accuracy of the uniaxial gyrostabilizer due to the formation of an additional compensating moment along the axis of the precession.

Цель изобретения достигается тем, что в одноосный гиростабилизатор, содержащий двухстепенный гироскоп с датчиком угла прецессии и датчиком момента, последовательно соединенные усилитель стабилизации и стабилизирующий двигатель, а также последовательно соединенные акселерометр и усилитель-преобразователь, при этом выход датчика угла прецессии соединен со входом усилителя стабилизации, а выход усилителя-преобразователя соединен с датчиком момента, дополнительно введены дифференцирующее звено, нелинейный элемент выделения знака сигнала, усилитель положительного сигнала, усилитель отрицательного сигнала и сумматор, при этом выход датчика угла прецессии дополнительно соединен с входом дифференцирующего звена, выход которого соединен с входом нелинейного элемента выделения знака сигнала, выход нелинейного элемента выделения знака сигнала соединен с входом усилителя положительного сигнала и с входом усилителя отрицательного сигнала, выходы которых соединены с входами сумматора, а вход датчика момента дополнительно соединен с выходом сумматора. The purpose of the invention is achieved in that in a uniaxial gyrostabilizer containing a two-stage gyroscope with a precession angle sensor and a torque sensor, a stabilization amplifier and a stabilizing motor connected in series, and an accelerometer and a converter-amplifier connected in series, while the output of the precession angle sensor is connected to the input of a stabilization amplifier and the output of the amplifier-converter is connected to the torque sensor, an additional differentiating element, a non-linear element for selecting the sign the amplifier, the positive signal amplifier, the negative signal amplifier and the adder, while the output of the precession angle sensor is additionally connected to the input of the differentiating element, the output of which is connected to the input of the nonlinear signal sign extraction element, the output of the nonlinear signal sign extraction element is connected to the input of the positive signal amplifier and the input of the negative signal amplifier, the outputs of which are connected to the inputs of the adder, and the input of the torque sensor is additionally connected to the output of the adder.

На чертеже показан гиростабилизатор. The drawing shows a gyrostabilizer.

Суть предложения иллюстрируется чертежом, на котором двухстепенный гироскоп 1 является общим элементом для системы стабилизации и системы коррекции. Система стабилизации представляет собой последовательное соединение датчика угла прецессии 2, усилителя стабилизации 3 и стабилизирующего двигателя 4. Система коррекции представляет собой последовательное соединение акселерометра 5, усилителя-преобразователя 6 и датчика момента 7. Параллельно системе коррекции в одноосный гиростабилизатор введена цепь компенсации. Основными ее элементами являются датчик угла прецессии 2, дифференцирующее звено 8, нелинейный элемент выделения знака сигнала 9, усилитель положительного сигнала 10, усилитель отрицательного сигнала 11, сумматор 12 и датчик момента 7. Причем выход датчика угла прецессии 2 дополнительно соединен с входом дифференцирующего звена 8, выход которого соединен с входом нелинейного элемента выделения знака сигнала 9, выход нелинейного элемента выделения знака сигнала 9 соединен с входом усилителя положительного сигнала 10 и с входом усилителя отрицательного сигнала 11, выходы которых соединены с входами сумматора 12, а вход датчика момента 7 дополнительно соединен с выходом сумматора 12. При действии возмущающего момента относительно оси стабилизации возникает прецессионное движение гироскопа относительно оси внутренней рамки и с датчика угла прецессии 2 снимается напряжение. Данное движение гироскопа является причиной возникновения момента сил сухого трения и следовательно дрейфа ОГС относительно оси стабилизации. С целью уменьшения данного дрейфа напряжение, снимаемое с датчика угла прецессии 2, поступает на вход дифференцирующего звена 8, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный скорости прецессии гироскопа. Далее сигнал поступает на нелинейный элемент выделения знака сигнала 9. Последний определяет знак скорости прецессии гироскопа и формирует на основании данной информации сигнал либо на усилитель положительного сигнала 10, если угловая скорость положительна, либо на усилитель отрицательного сигнала 11, если угловая скорость прецессии отрицательна. После усиления сигнал поступает на управляющую обмотку датчика момента 7. Датчик момента 7 прикладывают к оси прецессии ОГС момент, который компенсирует возмущающий момент, действующий по этой же оси гироскопа, что в конечном итоге и уменьшает собственный уход (дрейф) гиростабилизатора. The essence of the proposal is illustrated in the drawing, in which a two-stage gyroscope 1 is a common element for the stabilization system and the correction system. The stabilization system is a serial connection of a precession angle sensor 2, stabilization amplifier 3 and a stabilizing motor 4. The correction system is a serial connection of an accelerometer 5, amplifier-converter 6 and a torque sensor 7. A compensation circuit is introduced in parallel to the correction system in a uniaxial gyrostabilizer. Its main elements are a precession angle sensor 2, a differentiating element 8, a non-linear element for extracting a signal sign 9, a positive signal amplifier 10, a negative signal amplifier 11, an adder 12 and a torque sensor 7. Moreover, the output of the precession angle sensor 2 is additionally connected to the input of the differentiating element 8 the output of which is connected to the input of the nonlinear element of the selection of the sign of the signal 9, the output of the nonlinear element of the selection of the sign of the signal 9 is connected to the input of the amplifier of the positive signal 10 and to the input of the amplifier Yelnia signal 11, whose outputs are connected to inputs of an adder 12, and an input torque sensor 7 is further connected to the output of the adder 12. Under the action of the disturbing moment about the stabilization axis gyro precessional motion occurs with respect to the inner frame with the precession axis and the angle sensor 2 is de-energized. This movement of the gyroscope is the cause of the occurrence of the moment of dry friction forces and, consequently, the OGS drift relative to the stabilization axis. In order to reduce this drift, the voltage taken from the precession angle sensor 2 is supplied to the input of the differentiating element 8, the output of which forms a signal proportional to the gyroscope precession velocity. Next, the signal is fed to the non-linear element for selecting the sign of signal 9. The latter determines the sign of the gyroscope precession rate and generates a signal based on this information either to the amplifier of the positive signal 10 if the angular velocity is positive or to the amplifier of the negative signal 11 if the angular velocity of the precession is negative. After amplification, the signal enters the control winding of the torque sensor 7. The torque sensor 7 applies a moment to the OGS precession axis that compensates for the disturbing moment acting on the same axis of the gyroscope, which ultimately reduces the gyro stabilizer’s own drift.

Для пояснения принципа работы предлагаемого устройства рассмотрим уравнения движения одноосного гиростабилизатора. Причем данные уравнения после старта летательного аппарата (ЛА) (цепь коррекции отключена) имеют вид
A

+ μx

+ M

= Mx;
B

+

- H

- K_стβ= M_η , (1) где β,

,

;

,

- углы, угловые скорости и ускорения движения гироскопа относительно оси внутренней и наружной рамок;
А, В - моменты инерции гироскопа и других подвижных частей относительно осей х и η;
Н - кинетический момент гироскопа;
μ_х, μ_η- коэффициенты вязкого трения относительно осей х и η;
К_ст - коэффициент передачи цепи стабилизации.To clarify the principle of operation of the proposed device, we consider the equations of motion of a uniaxial gyrostabilizer. Moreover, these equations after the start of the aircraft (LA) (correction circuit is disabled) have the form
A

+ μx

+ M

= Mx;
B

+

- H

- K _article β = M _η , (1) where β,

,

;

,

- angles, angular velocities and accelerations of the gyroscope relative to the axis of the inner and outer frames;
A, B are the moments of inertia of the gyroscope and other moving parts relative to the x and η axes;
H is the kinetic moment of the gyroscope;
μ _x , μ _η - viscous friction coefficients relative to the x and η axes;
To _article - the transfer coefficient of the stabilization circuit.

Анализ первого уравнения системы (1) показывает, что в результате действия возмущающих моментов по оси внутренней рамки гиростабилизатора наблюдается некомпенсируемый собственный уход (дрейф) прибора со скоростью

=

(2)
Сумма вредных моментов ΣM_возх содержит следующие наиболее характерные слагаемые
ΣM_возх= M_тх+ M_дбх+ M_тпх+ M_прх , (3) где M_тх - момент сил сухого трения по оси внутренней рамки;
M_дбх - моменты сил дебаланса;
M_тпх - моменты тяжения токоподводов;
M_прх - прочие возмущающие моменты.An analysis of the first equation of system (1) shows that as a result of the action of disturbing moments along the axis of the gyro-stabilizer’s internal frame, an uncompensated inherent drift of the device at a speed

=

(2)
The sum of the harmful moments ΣM _up contains the following most characteristic terms
ΣM _{vozh mx} = M + M + M _{DBH mx} + M _RMP, (3) where M _rx - the time the dry friction force of the inner frame axis;
M _dbh - moments of unbalance forces;
M _TPX - moments of tension of current _leads ;
M _prx - other disturbing moments.

Моменты сил сухого трения - один из наиболее существенных факторов, вызывающих собственные уходы ОГС. Экспериментально установлено, что моменты сил сухого трения не зависят от времени, угловой скорости относительного перемещения, а меняют знак при изменении направления скорости относительного перемещения, причем в общем случае М_тх ⁺ ≠М_тх ^-. Следует отметить, что значения М_тх ⁺ и М_тх ^- являются постоянными для данного конкретного прибора и могут быть определены на этапе заводской настройки и выходного контроля.The moments of dry friction forces are one of the most significant factors causing the OGS to leave. It has been experimentally established that the moments of dry friction forces do not depend on time or the angular velocity of the relative displacement, but change sign when the direction of the relative displacement velocity changes, moreover, in the general case, M _tx ⁺ ≠ M _tx ^- . It should be noted that the values of M _tx ⁺ and M _tx ^- are constant for this particular device and can be determined at the stage of factory settings and output control.

Рассмотрим динамику работы одноосного гиростабилизатора после старта ЛА. При появлении случайного по своей природе возмущающего момента по оси стабилизации возникает прецессионное движение гироскопа относительно оси внутренней рамки и тем самым возникает момент сил сухого трения, который и вызывает основную составляющую дрейфа ОГС. Но после старта ЛА сигнал с датчика угла прецессии поступает на звено с передаточной функцией вида
W(p) =

, τ≫ T и тем самым на его выходе имеет сигнал, пропорциональный скорости прецессии гироскопа

. Затем сигнал поступает на звено, которое реализует уравнение сигнатуры угловой скорости и формирует напряжение единичной амплитуды положительной полярности, если угловая скорость прецессии положительна и наоборот - напряжение единичной амплитуды отрицательной полярности, если

<0. Данное напряжение поступает на усилитель с коэффициентом усиления, равным
K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+(}}{\text{ус}}$ ^-)=

, где М_тх ^+(-) - амплитудное значение момента трения при

>(<)0, которое определяется в заводских условиях;
К_дм - коэффициент передачи датчика момента ОГС.Consider the dynamics of the uniaxial gyrostabilizer after the launch of the aircraft. When a disturbing moment of a random nature occurs along the stabilization axis, a precessional motion of the gyroscope relative to the axis of the internal frame occurs, and thus the moment of dry friction forces arises, which causes the main component of the GHS drift. But after the launch of the aircraft, the signal from the precession angle sensor enters the link with the transfer function of the form
W (p) =

, τ≫ T, and thus has a signal at its output that is proportional to the gyroscope precession rate

. Then the signal arrives at the link that implements the equation of the signature of the angular velocity and generates a voltage of unit amplitude of positive polarity, if the angular velocity of the precession is positive and vice versa - voltage of unit amplitude of negative polarity, if

<0. This voltage is supplied to the amplifier with a gain equal to
K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+ (}}{\text{mustache}}$ ^-) =

where M _tx ^{+ (-)} is the amplitude value of the friction moment at

>(<) 0, which is determined in the factory;
To _dm - coefficient of transmission of the OGS moment sensor.

Коэффициент усиления К_ус ^+(-) рассчитывается и устанавливается на заводе в процессе настройки и испытания прибора. Далее сигнал через сумматор поступает на управляющие обмотки датчика момента и последний создает относительно оси внутренней рамки компенсационный момент, равный по величине и противоположный по направлению моменту сил сухого трения. Тем самым составляющая собственного ухода гиростабилизатора, обусловленная моментами сил сухого трения, будет в значительной части скомпенсирована.The gain factor K _us ^{+ (-) is} calculated and installed at the factory during the setup and testing of the device. Next, the signal through the adder enters the control windings of the torque sensor and the latter creates a compensation moment relative to the axis of the inner frame, equal in magnitude and opposite in direction to the moment of dry friction forces. Thus, the component of the gyro stabilizer’s own departure, due to the moments of dry friction forces, will be largely compensated.

Положительный эффект заключается в уменьшении собственного ухода (дрейфа) одноосного гиростабилизатора благодаря разгрузке оси прецессии гироскопа от действия вредных моментов за счет определения знака скорости прецессии гироскопа и формирования на основе этой информации момента компенсации. (56) 1. Назаров Б. И. Силовые гиростабилизаторы. Развитие механики гироскопических и инерциальных систем. М. : Наука, 1973, с. 183-216. The positive effect is to reduce the self-drift of the uniaxial gyrostabilizer due to the unloading of the gyro precession axis from the action of harmful moments by determining the sign of the gyro precession speed and forming a compensation moment based on this information. (56) 1. Nazarov B.I. Power gyrostabilizers. The development of the mechanics of gyroscopic and inertial systems. M.: Science, 1973, p. 183-216.

2. Каргу Л. И. Измерительные устройства летательных аппаратов. М. : Машиностроение, 1988, с. 256. 2. Kargu L.I. Measuring devices of aircraft. M.: Mechanical Engineering, 1988, p. 256.

Claims (1)

ОДНООСНЫЙ ГИРОСТАБИЛИЗАТОР, содержащий двухстепенный гидроскоп с датчиком угла прецессии и датчиком момента, последовательно соединенные усилитель стабилизации и стабилизирующий двигатель, а также последовательно соединенные акселерометр и усилитель-преобразователь, при этом выход датчика угла прецессии соединен с входом усилителя стабилизации, а выход усилителя-преобразователя соединен с датчиком момента, отличающийся тем, что в него дополнительно введены дифференцирующее звено, нелинейный элемент выделения знака сигнала, усилитель положительного сигнала, усилитель отрицательного сигнала и сумматор, при этом выход датчика угла прецессии дополнительно соединен с входом дифференцирующего звена, выход которого соединен с входом нелинейного элемента выделения знака сигнала, выход нелинейного элемента выделения знака сигнала соединен с входом усилителя положительного сигнала и с входом усилителя отрицательного сигнала, выходы которых соединены с входами сумматора, а вход датчика момента дополнительно соединен с выходом сумматора. A ONE-AXIAL GYRO-STABILIZER containing a two-stage hydroscope with a precession angle sensor and a torque sensor, a stabilization amplifier and a stabilizing motor connected in series, and an accelerometer and a converter amplifier connected in series, while the output of the precession angle sensor is connected to the input of the stabilization amplifier, and the output of the converter amplifier is connected with a torque sensor, characterized in that a differentiating element, a nonlinear element for isolating the sign of the signal, a positive signal target, a negative signal amplifier and an adder, while the output of the precession angle sensor is additionally connected to the input of the differentiating link, the output of which is connected to the input of the nonlinear signal sign extraction element, the output of the nonlinear signal sign extraction element is connected to the input of the positive signal amplifier and to the amplifier input negative signal, the outputs of which are connected to the inputs of the adder, and the input of the torque sensor is additionally connected to the output of the adder.

Images