Одноосный индикаторный горизонтальный гиростабилизатор
UNIAXIAL HORIZONTAL INDICATOR GYROSTABILIZER

Изобретение относится к гироскопической технике и может найти применение в составе одноосных или двухосных гировертикалей, построенных на базе индикаторных гироскопических стабилизаторов и совершающих движение близкое к горизонтальному.
Известны индикаторные гиростабилизаторы (одноосные, двухосные и трёхосные), построенные на трёхстепенных гироскопах (гироскоп может быть в кардановом подвесе, с шаровой опорой, динамически настраиваемым или поплавковым), контуры стабилизации которых состоят из последовательно соединённых датчика угла гироскопа, усилителя стабилизации и стабилизирующего мотора. Усилитель стабилизации включает последовательно соединённые предварительный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, корректирующий фильтр (корректирующее звено), усилитель напряжения, усилитель мощности. (Индикаторные гироскопические платформы. п/р. Александрова А.Д. М., Машиностроение, 1978). При этом стабилизирующий мотор с целью устранения люфта может быть выполнен по двухдвигательной схеме на базе редукторного привода. Однако, имея положительные качества, такие схемы имеют значительные габариты, причём редукторные приводы являются также источниками дополнительных возмущающих моментов, обусловленных обкаткой редукторов.
Известны также индикаторные гиростабилизаторы, выпускаемые отечественной промышленностью, которые построены на трёхстепенных гироскопах, стабилизирующие моторы которых выполнены по безредукторной схеме и являются моментными двигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов (Стабилизатор гироскопический Б-51. Техническое описание 6Ш2.564.005 ТО 1975).
При построении индикаторных гиростабилизаторов (ИГС) данного класса приходится решать задачу обеспечения устойчивости при заданной точности стабилизации (при большой крутизне контура стабилизации), когда собственное демпфирование относительно оси стабилизации, обусловленное стабилизирующим мотором, мало (так как отсутствует редуктор).
Обеспечение заданной точности стабилизации и устойчивости работы ИГС достигается подбором соответствующих корректирующих звеньев, включаемых в контур стабилизации. Однако с повышением точности стабилизации (уменьшением ошибки стабилизации) обеспечение устойчивости работы стабилизатора становится всё более сложной задачей.
Известен индикаторный гиростабилизатор (патент РФ № 2117915, МПК G01C 19/44. Пантелеев В.И., Кожин В.В. и др. Опубл. 20.08.1998. Бюл. № 23), который принят за прототип и который состоит из платформы в одноосном подвесе, с осью которой кинематически связан стабилизирующий мотор, установленного на платформе трёхстепенного гироскопа с датчиками угла и датчиками момента по каждой оси его подвеса, причём один из датчиков угла через усилитель арретирования подключён к соответствующему датчику момента, датчик угла, установленный на оси, параллельной оси подвеса платформы, подключён по типу отрицательной обратной связи к одному из входов усилителя стабилизации, выход которого соединён с обмоткой управления стабилизирующего мотора, последовательно с которой включён резистор, выход которого по типу положительной обратной связи подключён ко второму входу усилителя стабилизации.
Введение положительной обратной связи по току стабилизирующего мотора позволяет повысить демпфирование относительно оси стабилизации, что упрощает синтез корректирующего звена.
Однако ИГС, принятый за прототип, выполняет только одну функцию - стабилизацию платформы относительно оси ее подвеса.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в расширение функциональных возможностей с одновременным повышением точностью работы одноосного индикаторного горизонтального гиростабилизатора при движении объекта на вираже (в кривых).
Технический результат достигается тем, что в одноосном индикаторном горизонтальном гиростабилизаторе, содержащим платформу в одноосном подвесе, с осью которой кинематически связан стабилизирующий мотор, с установленным на ней трехстепенным гироскопом, с осью подвеса наружной рамки которого, расположенной параллельно оси подвеса платформы, кинематически связаны первый датчик угла и первый датчик момента, а с осью подвеса гироузла кинематически связаны второй датчик момента и второй датчик угла, который через усилитель арретирования подключён к входу первого датчика моментов, а первый датчик угла по типу отрицательной обратной связи подключён к первому входу усилителя стабилизации, второй вход которого по типу положительной обратной связи подключён к выходу дополнительного резистора, включённого в цепь управления стабилизирующим мотором, вход которого соединён с выходом усилителя стабилизации, новым является то, что в гиростабилизатор введена цепь компенсации, состоящая из датчика угловой скорости с осью чувствительности, перпендикулярной плоскости платформы, выход которого соединён с первым входом блока умножения, на второй вход которого подключён датчик линейной скорости объекта, а выход блока умножения подключён на первый вход сумматора, второй вход которого соединён с выходом маятникового чувствительного элемента, установленного на платформе с возможностью измерения угла её отклонения от плоскости горизонта, и выход сумматора, являющийся выходом цепи компенсации, соединён с входом усилителя коррекции, выход которого подключён к входу второго датчика моментов, при этом параметры цепи компенсации связаны соотношением
,
где  - коэффициенты передачи датчика угла маятникового чувствительного элемента, датчика линейной скорости объекта, датчика угловой скорости и блока умножения; g - ускорение свободного падения.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой приведена схема одноосного индикаторного горизонтального гиростабилизатора (ОИГГС). На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - платформа ОИГГС;
2 - трёхстепенной гироскоп;
3 - маятниковый чувствительный элемент;
4 - датчик угловой скорости;
5 - наружная рамка;
6 - гироузел трёхстепенного гироскопа;
7 - первый датчик угла;
8 - первый датчик момента;
9 - второй датчик угла;
10 - второй датчик момента;
11 - усилитель стабилизации;
12 - усилитель арретирования;
13 - усилитель коррекции;
14 - стабилизирующий мотор;
15 - системный датчик угла;
16 - датчик линейной скорости объекта;
17 - блок умножения;
18 - сумматор;
19 - резистор в цепи стабилизирующего мотора.
- кинетический момент гироскопа;
- линейная скорость объекта;
- угловая скорость поворота (виража) объекта;
- ось подвеса платформы;
- ось подвеса наружной рамы гироскопа;
- ось подвеса гироузла;
- ток ротора стабилизирующего мотора;
- напряжение на выходе блока умножения;
- напряжение на выходе маятникового чувствительного элемента;
- напряжение на выходе усилителя коррекции.
В соответствии с фиг. 1 ОИГГС состоит из платформы 1 в одноосном подвесе, на которой установлен трёхстепенной гироскоп 2 с осью подвеса  наружной рамки 5, маятниковый чувствительный элемент 3, измеряющий угол отклонения платформы от плоскости горизонта, датчик угловой скорости 4 с осью чувствительности перпендикулярной плоскости платформы 1, который измеряет угловую скорость поворота . Вторая ось подвеса гироскопа  конструктивно принадлежит гироузлу 6, внутри которого вращается ротор гиродвигателя и создаёт кинетический момент , направленный в исходном положении по местной вертикали. С осями подвеса гироскопа кинематически связаны: с ось подвеса  - первый датчик угла 7 и первый датчик момента 8; с ось подвеса  - второй датчик угла 9 и второй датчик момента 10. Для обеспечения правильного функционирования гироскопа кинетический момент  должен независимо от движения объекта оставаться перпендикулярно оси подвеса  наружной рамки 5. Для этой цели служит контур электрического арретирования, состоящий из последовательно соединённых второго датчика угла 9, усилителя арретирования 12 и первого датчика момента 8. При нарушении перпендикулярности первый датчик момента 8 по сигналу второго датчика угла 9 будет создавать момент соответствующего направления, который за счёт прецессии гироузла 6 относительно оси  восстановит нарушенную перпендикулярность. Для стабилизации платформы 1 в заданном положении служит контур индикаторной стабилизации, состоящий из последовательно соединённых первого датчика угла 7, подключённого на первый вход усилителя стабилизации 11 по типу отрицательной обратной связи, и стабилизирующего мотора 14. Ротор стабилизирующего мотора 14 жёстко связан с осью подвеса платформы 1, а статор закреплён на корпусе прибора. В цепь питания ротора стабилизирующего мотора 14 включён добавочный резистор 19 . На основе сигнала резистора формируется цепь положительной обратной связи, которая вводит дополнительное демпфирование по оси подвеса платформы, что упрощает вид корректирующих звеньев, которые применяются в усилителе стабилизации для обеспечения устойчивости и заданных параметров качества. Эта цепь состоит из резистора, напряжение которого пропорционально току i стабилизирующего мотора и выход которого подключён на второй вход усилителя стабилизации 11 по типу положительной обратной связи (ПОС).
Пояснение роли положительной обратной связи
Запишем уравнение моментов относительно оси стабилизации Х и уравнение контура стабилизации с учётом ПОС
;                                                                                                               (1)
;                                                                                                                              (2)
,                                                                              (3)
где (1) - уравнение моментов; (2) - уравнение момента стабилизирующего мотора 14; (3) - приведённое уравнение контура стабилизации;  - момент инерции платформы 1 с установленными на ней элементами;  - момент стабилизирующего мотора и возмущающий момент;  - угол, угловая скорость и угловое ускорение отклонения платформы от плоскости местного горизонта; , коэффициенты момента и противо-ЭДС;  - активное сопротивление ротора стабилизирующего мотора 14;  - коэффициент усиления усилителя стабилизации 11 с учётом крутизны первого датчика угла 7 по первому входу (входу отрицательной обратной связи);  - коэффициент усиления усилителя стабилизации 11 по второму входу (входу ПОС). Выразив из (3) ток стабилизирующего мотора и подставив его выражение в формулы (2) и (1), получим уравнение относительно оси стабилизации в следующем виде
,                                                                        (4)
,                                                                                                        (5)
где  - коэффициент, отражающий влияние ПОС, которым можно, изменяя коэффициент усиления , в заданном диапазоне регулировать коэффициент демпфирования
.
Для обеспечения горизонтального положения платформы служит контур коррекции, состоящий из последовательно включённых маятникового чувствительного элемента 3, сумматора 18 (второй вход), усилителя коррекции 13 и второго датчика момента 10. При отклонении платформы от плоскости горизонта маятниковый чувствительный элемент 3 зафиксирует это отклонение и сигнал с маятникового чувствительного элемента, усиленный в усилителе коррекции 13, поступит на второй датчик момента 10, который создаст момент такого направления, чтобы кинетический момент  прецессировал к местной вертикали. При этом в первом датчике угла 7 возникнет сигнал рассогласования между углами отклонения платформы 1 и наружной рамки 5 относительно плоскости горизонта. Усиленное в усилителе стабилизации 11 напряжение поступает на роторную обмотку стабилизирующего мотора 14, который создаёт момент, разворачивающий платформу в плоскость горизонта. Однако при движении в кривых на маятниковый чувствительный элемент действует инерционная сила, которая отклоняет его подвижную часть к ложной вертикали, создавая виражную погрешность. Для устранения виражной погрешности вводится цепь компенсации, состоящая из датчика угловой скорости 4 с осью чувствительности перпендикулярной плоскости платформы 1, выход которого соединён с первым входом блока умножения 17, на второй вход которого подключён датчик линейной скорости объекта 16, а выход блока умножения подключён на первый вход сумматора 18, второй вход которого соединён с выходом маятникового чувствительного элемента 3, установленного на платформе 1 с возможностью измерения угла отклонения платформы от плоскости горизонта, а выход сумматора 18, являющийся выходом цепи компенсации, соединён с входом усилителя коррекции 13, выход которого подключён к входу второго датчика моментов 10.
Пояснение работы цепи компенсации.
При движении объекта на вираже маятниковый чувствительный элемент 3 выдаёт сигнал в виде
,
где  - угол отклонения платформы от плоскости местного горизонта (местной вертикали) и угол отклонения от ложного горизонта (ложной вертикали), который определяется действием центростремительного ускорения и равен ввиду малости
;
- коэффициент передачи датчика угла маятникового чувствительного элемента.
Цепь коррекции формирует сигнал, компенсирующий влияние центростремительного ускорения, и выходной сигнал усилителя коррекции 13 будет равен
,
где  - коэффициенты передачи усилителя коррекции, датчика угла маятникового чувствительного элемента, датчика линейной скорости объекта, датчика угловой скорости и блока умножения; g - ускорение свободного падения. Если параметры цепи коррекции удовлетворяют условию
,                                                                                                                    (6)
то выходной сигнал усилителя коррекции будет равен
,
в котором отсутствует влияние центростремительного ускорения, и, соответственно, будет отсутствовать виражная погрешность.
Выходным сигналом ОИГГС, который пропорционален углу отклонения платформы от плоскости местного горизонта, является сигнал системного датчика угла 15, ротор которого жёстко соединён с осью подвеса платформы 1, а статор с - корпусом прибора.
Пример реализации.
1. В качестве трёхстепенного гироскопа можно использовать МГТУ различных серий, двухканальный гироскоп Д7, различные типы динамически настраиваемых гироскопов, например, серии ГВК.
2. В качестве маятникового чувствительного элемента, например, акселерометр АТ-1104 с диапазоном (1÷2)g.
3. В качестве датчика угловой скорости микромеханический гироскоп, например, марки ADXRS646 Analog Devices или волоконно-оптический гироскоп ВГ1703А производства «Физоптики».
4. В качестве усилителя - операционные усилители, которые имеют инвертирующий и не инвертирующий входы.
5. В качестве стабилизирующего мотора - моментный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Параметры:
.
6. Датчик линейной скорости объекта. Для путеизмерителя либо тахогенератор, либо цифровой датчик оборотов, связанный с осью колёсной пары.
Реализация условия (5)
Возьмём резистор , . В этом случае . Что вполне достаточно для построения контура стабилизации. Если увеличивать  дальше, то необходимо будет позаботиться о стабильности  и коэффициенте усиления
Условие статической точности
Из уравнения (4) для статического режима установившееся значение угла отклонения платформы от плоскости местного горизонта при выше заданных параметрах и  равно
.
Для путеизмерителя погрешность определения превышения рельсовых ниток в поперечной плоскости составляет в угловой мере 4 угл. мин.
Реализация условия (6) – условия компенсации
Крутизна . Крутизна . Если , то , что вполне реализуемо.
Таким образом, на базе одноосного индикаторного гиростабилизатора разработана схема одноосного индикаторного горизонтального гиростабилизатора, в котором с помощью цепи компенсации повышена точность работы устройства при движении объекта на вираже.
Применение данной схемы построения одноосного индикаторного горизонтального гиростабилизатора позволяет расширить функциональные возможности индикаторных гиростабилизаторов и повысить точность работы при движении объекта по криволинейным участкам пути. Предлагаемый гиростабилизатор может найти применение в малогабаритных путеизмерителях, определяющих качество железнодорожного полотна по одному из важных параметров - превышению рельсовых ниток по уровню в поперечной плоскости.