СПОСОБ ДЕМПФИРОВАНИЯ НУТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ РОТОРА ГИРОСКОПА
METHOD FOR DAMPING ROTOR NUTATION VIBRATIONS IN GYROSCOPE

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.
н
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(p), содержащей в знаменателе множитель
2
2
нут
(р+ω ),
где р - оператор Лапласа;
нут
ω - 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):
пел
c
р,
φ=φ-φ
пел
где φ - угол между продольными осями снаряда и ротора гироскопа;
с
φ - угол продольной оси снаряда;
Р
φ - угол продольной оси ротора гироскопа.
с
р
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' и φ'.
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.
Р
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).
к
р
к
р
р
к
к
р
к
к
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), формируют сигналы, отображающие вращающуюся систему координат ротора ВСК на основе сигналов датчика вращения ротора относительно корпуса (ДВР) и датчика вращения корпуса (ДВК), преобразуют сигнал ДУП из ВСК в неподвижную систему координат ротора (НСК), а сигнал ДУС- в неподвижную систему координат корпуса НСК, причем НСК и НСКсогласованы между собой. Затем дифференцируют преобразованный сигнал ДУП, вычитают из него преобразованный сигнал ДУС, 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.
р
р
комп
р
р
Причем при при одноканальном управлении сигнал управления угловым положением визирной оси ГСН преобразуют из ВСК в НСК, пропускают его через компенсирующее звено с передаточной функцией W(p), затем выходной сигнал компенсирующего звена преобразуют обратно из НСК в ВСК и подают в обмотку управления двигателя коррекции.
к
к
комп
к
к
комп
При двухканальном управлении оба ортогональных друг другу сигнала управления преобразуют из вращающейся системы координат корпуса ВСК в неподвижную систему координат корпуса НСК, пропускают их через компенсирующие звенья с передаточной функцией W(p). Затем выходные сигналы компенсирующих звеньев преобразуют обратно из НСК в ВСК 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(p) такова, что в каналах управления выполняется условие устойчивости звена с передаточной функцией:
общ
комп
н
W(p)=W(p) W(p),
н
комп
где W(p) - передаточная функция неустойчивого звена нутаций, не содержащего отрицательной обратной связи между входом и выходом, а числитель W(p) содержит множитель, равный нулю на частоте нутаций.
к
к
н
комп
общ
комп
н
комп
н
нут
2
2
Сущность предлагаемого способа, основанного на использовании внешнего по отношению к СС датчика угловой скорости ДУС 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 возможно обеспечить устойчивую работу СС путем компенсации влияния на устойчивость СС звена нутаций с передаточной функцией W(p), не содержащей в своей структуре отрицательной обратной связи между выходом и входом, путем включения последовательно с ним звена с передаточной функцией W(p), такой, что выполняется условие устойчивости звена с передаточной функцией W(p). Естественно, что W(p), как и W(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(p) - в ВСК с той же частотой, что и до преобразований. При этом при знаменателе W(p) в каждом из каналов, содержащем множитель (p+ω ), имеем:
комп
комп
нут
нут
нут
2
2
2
2
W(p)=к(p+ω )/(1+2ξТр+Т р),
комп
где к - коэффициент усиления звена,
нут
нут
Т=(1/ω),
ξ - декремент затухания, определяющий полосу частот звена.
комп
Вид числителя определяет вид знаменателя, при котором W(p) может быть реализована при данном числителе.
Отметим, что:
нут
p
ω=fω, причем
p
ω - частота вращения ротора,
п
1э
2э
f=[2J/(J+J)] при неравных значениях экваториальных моментов инерции ротора в каналах звена нутаций,
п
где J - полярный момент инерции ротора,
1э
2э
J, J - экваториальные моменты инерции ротора.
р
нут
Следовательно, при известной частоте ω определяется частота ω 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.