Тренажер для изучения гирополукомпаса
SIMULATOR FOR STUDYING GYROCOMPASS

Изобретение  относится к техническим средствам обучения операторов систем управления, а именно  к стендам-тренажерам для изучения принципа построения гирополукомпаса.
Известен тренажер для изучения свойств гироскопа (Авторское свидетельство СССР №1125221, МПК  G 09 B 9/00. Тренажер для изучения свойств гироскопа / Кривошеев С.В., Кушко В.И. // Б.И. 1978. №43), который позволяет решать задачи на правило прецессии и гироскопический момент. Однако с помощью его невозможно продемонстрировать принцип построения гирополукомпаса.
В качестве прототипа выбран тренажер для изучения авиагоризонта (Патент РФ №2658554, МПК G09B 9/04. Тренажер для изучения авиагоризонта / Кривошеев С.В., Галиева А.И., Стрелков А.Ю. // Бюл. №18, 21.06.2018), содержащий блок ввода учебной информации, имеющий узел задатчиков внешних воздействий, узел задатчиков угловых скоростей прецессии, узел индикации функционирования задатчиков, узел задатчиков положения оси ротора гиромотора, узел задатчиков коррекционных моторов и узел задатчиков соотношения переходных сопротивлений контактов маятникового чувствительного элемента, логический блок, блок имитации движения  оси ротора гиромотора, блоки индикации правильности ответа.
Недостатком известного устройства является отсутствие демонстрационных возможностей показа принципа построения гирополукомпаса.
В изобретении на примере тренажера для изучения гирополукомпаса введены технические решения, которые позволяют оператору (обучающемуся) самостоятельно выработать навыки применения правила прецессии при построении гирополукомпаса.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении дидактических и демонстрационных возможностей, связанные с особенностями построения гирополукомпасов.
содержащий
новым является то, что
Технический результат достигается тем, что в тренажер для изучения гирополукомпаса,  блок ввода учебной информации, имеющий узел задатчиков внешних воздействий, узел задатчиков угловых скоростей прецессии, узел индикации функционирования задатчиков, узел задатчиков положения оси ротора гиромотора, узел задатчиков коррекционных моторов и узел задатчиков соотношения переходных сопротивлений контактов маятникового чувствительного элемента, логический блок, блок имитации движения  оси ротора гиромотора, блоки индикации правильности ответа, в блок ввода учебной информации введены узел задатчиков номера задачи, узел задатчиков полушария местоположения гирополукомпаса, при этом в логический блок включены блок преобразования, блок решения задач и управления индикацией, а выходы блока ввода учебной информации подключены к входам  блока преобразования, выходы которого соединены с соответствующими входами блока решения и управления индикацией, а к трем другим входам блока решения задач и управления индикацией подключены выходы блока имитации движения, при этом  к одному выходу блока решения и управления индикацией подключен вход блока отображения верного ответа, а к другому выходу подключен вход  блока отображения неверного ответа, к оставшимся выходам подключены входы узла индикации.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1 - фиг.3:
Фиг.1 – функциональная блок-схема тренажера;
Фиг.2 – лицевая панель тренажера, на которой изображена кинематическая схема гирополукомпаса;
Фиг.3 – таблицы соответствия выбранных параметров их кодовым значениям, а также таблица истинности, используемая для определения правильности решения задач.
На чертежах приняты следующие обозначения.
1 – гиромотор, ось ротора которого совпадает с направлением вектора кинетического момента ;
2 – внутренняя рама карданового подвеса;
3 – наружная рама карданового подвеса;
4-12 – индикаторы положения оси ротора гиромотора;
13, 14 – индикаторы задатчиков коррекционных моторов КМ1, КМ2;
15-18 – индикаторы задатчиков момента коррекции М1, М2, М3, М4;
19-22 – индикаторы задатчиков угловой скорости прецессии ;
23, 24 – индикаторы задатчиков полушария местоположения гирополукомпаса (северное или южное);
25 – блок отображения верного ответа («ответ верный»);
26 – блок отображения неверного ответа («ответ неверный»);
27 – блок ввода учебной информации;
28, 29 – задатчики номера задачи (задача 1, задача 2);
30, 31 – индикаторы задатчиков выбора задачи (задача 1, задача 2);
32 – кнопка «Пуск»;
33 – кнопка «Сброс»;
34, 35 – задатчики положения оси ротора гиромотора ();
36, 37 – задатчики полушария местоположения гирополукомпаса (С, Ю);
38, 39 – задатчики коррекционных моторов КМ1, КМ2;
40-43 – задатчики момента коррекции М1, М2, М3, М4;
44-47 – задатчики угловой скорости прецессии ;
48-50 – задатчики соотношения переходных сопротивлений контактов маятникового чувствительного элемента;
51-53 – индикаторы задатчиков соотношения переходных сопротивлений контактов маятникового чувствительного элемента;
54 – логический блок;
55 – блок индикации правильного ответа;
56 – блок преобразования;
57 – блок решения задач и управления индикацией;
58 – блок имитации движения;
59 – узел индикации;
МЧЭ – маятниковый чувствительный элемент;
КМ – коррекционный мотор;
КМ1 – коррекционный мотор азимутальной коррекции;
КМ2 – коррекционный мотор горизонтальной коррекции;
ОВ – обмотка возбуждения коррекционного мотора;
ОУ1, ОУ2 – обмотки управления коррекционного мотора;
С – северное полушарие;
Ю – южное полушарие;
A, B, C – фазы трехфазного питания коррекционного мотора;
– вектор кинетического момента;
,  , , , , ,  – логические переменные, определяющие загорание соответствующих индикаторов;
K1, K2 – контакты МЧЭ;
М1, М3 – направления векторов моментов горизонтальной коррекции;
М2, М4 – направления векторов моментов азимутальной коррекции;
– переходное сопротивление между контактом K1 и центральным контактом МЧЭ;
– переходное сопротивление между контактом K2 и центральным контактом МЧЭ;
– логические переменные, необходимые для формирования бегущего огня;
– логическая переменная, которая принимает значение, равное единице, при правильном решении задачи;
– логическая переменная, которая принимает значение, равное единице, при неправильном решении задачи;
– логические переменные, необходимые для решения задачи;
– угол отклонения вектора кинетического момента от горизонтальной плоскости  соответствует отклонению вверх,  – соответствует отклонению вниз);
– угловая скорость вращения Земли;
– направления векторов угловых скоростей прецессии;
– вертикальная ось географической системы координат.
На лицевой панели стенда также изображена электрическая схема подключения МЧЭ к коррекционному мотору КМ, который представляет собой управляемый двухфазный индукционный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличье колесо». Схема включения приведена для наглядности и существо изобретения не затрагивает.
Тренажер для изучения гирополукомпаса состоит из лицевой панели, на которой изображен гиромотор 1, помещенный в кардановый подвес с внутренней  2 и наружной 3 рамами. На лицевой панели также имеются блок ввода учебной информации 27 и индикаторы. Индикаторы представляют собой светодиоды, подсвечивающие определенные области лицевой панели (например, стрелки).
С помощью тренажера можно решать два вида задач: на изучение горизонтальной коррекции (задача 1) и на изучение моментной азимутальной коррекции (задача 2). Выбор решаемой задачи осуществляется задатчиками 28, 29, а индикация – индикаторами 30, 31. Положение оси ротора гиромотора в исходном положении совпадает с вектором кинетического момента . При выборе задачи 1 вектор кинетического момента находится в отклоненном от горизонтальной плоскости положении: на угол  (выбирается задатчиком 34, при этом загорается индикатор 4) или  (выбирается задатчиком 35, при этом загорается индикатор 8). При выборе задачи 2 ось ротора гиромотора занимает исходное положение, соответствующее индикатору 6. На оси внутренней рамы карданового подвеса 2 расположен коррекционный мотор азимутальной коррекции КМ1 с индикатором 13, а на оси наружной рамы карданового подвеса 3 расположен коррекционный мотор горизонтальной коррекции КМ2 с индикатором 14, выбор которых осуществляется задатчиками 38, 39 соответственно. Варианты направлений внешних воздействий (моментов коррекции) с индикаторами 15, 16, 17, 18, обозначенные  М1, М2, М3, М4,  выбираются задатчиками 40, 41, 42, 43. Варианты направлений угловых скоростей прецессии с индикаторами 19, 20, 21, 22, обозначенные  , , , , выбираются задатчиками 44, 45, 46, 47. На внутренней раме карданового подвеса 2 установлен МЧЭ, варианты соотношений переходных сопротивлений контактов К1 и К2 которого обозначены индикаторами 51, 52, 53  и выбираются задатчиками 48, 49, 50. В верхней части лицевой панели тренажера для изучения гирополукомпаса изображен земной шар со схематически изображенным гирополукомпасом и взаимной ориентацией оси подвеса НР, совпадающей с местной вертикалью , и вектором угловой скорости Земли . При решении задачи 2 с помощью задатчиков 36, 37 выбирается полушарие местоположения гирополукомпаса (С – северное полушарие, Ю – южное полушарие). От выбранного полушария зависит направление вращения наружной рамы гирополукомпаса в режиме азимутальной моментной коррекции.  Обозначение выбранного полушария осуществляется индикаторами 23, 24 (подсветка соответствующего полушария). Также на тренажере расположены кнопка «Пуск» 32 и кнопка «Сброс» 33. При нажатии кнопки «Пуск» 32 инициируется проверка правильности решения выбранной задачи. В случае верного ответа в блоке индикации правильного ответа 55 загорается индикатор верного ответа 25. В противном случае – индикатор неверного ответа 26. При нажатии кнопки «Сброс» 33 осуществляется возврат к начальному состоянию.
В состав логического блока 54 входят: блок преобразования 56, блок решения задач и управления индикацией 57, блок имитации движения 58. Выходы задатчиков 28, 29, 34-50 и кнопок 32, 33 подключены к входам  блока преобразования 56, где осуществляется формирование кодов параметров, используемых при определении правильности решения задач. Коды параметров обозначены строчными буквами (), они представляют собой логические переменные, значение которых зависит от выбранных с помощью задатчиков параметров в соответствии с таблицами 1-7 (фиг.3).
Также на вход блока преобразования 56 подключены выходы кнопок «Пуск» 32 и «Сброс» 33. При поступлении сигнала «Пуск» блок преобразования 56 формирует параметр , блокирующий дальнейшее изменение выходных параметров блока преобразования 56, то есть дальнейшее поступление сигналов от задатчиков не приведет к изменению значений кодов параметров. При поступлении сигнала «Сброс» всем выходным параметрам (включая параметр ) присваиваются нулевые значения.
Выходы блока преобразования 56 подключены к входам блока решения задач и управления индикацией 57,  где в соответствии с логикой работы гирополукомпаса осуществляется проверка правильности решения задачи. Проверка правильности решения осуществляется при поступлении сигнала  на основании таблицы 8 (фиг.3).
Логика работы блока решения задач и управления индикацией 57 в части выдачи сигнала на блок отображения верного ответа 25 и блок отображения неверного ответа 26 описывается выражениями
;    (1)
,    (2)
где   – параметры, определяющие правильность решения каждой из задач, могут быть реализованы в модуле 57 в соответствии с выражениями
;   (3)
,    (4)
полученными на основании таблицы 8 (фиг.3).
В выражениях (1)-(4) и последующих логических выражениях обозначено:  – логическое «И» (логическое умножение);  – логическое «ИЛИ» (логическое сложение); черта над логической переменной означает логическое «НЕ» (логическое отрицание).
Другое функциональное назначение блока 57 – управление индикацией. При выборе параметров с помощью задатчиков 28-29, 36-50 должны загораться индикаторы 30-31, 23-24, 13-22, 51-53 соответственно. Индикаторы загораются при поступлении на них сигналов, формируемых в блоке 57 в соответствии с логическими выражениями
;  ;    (5)
;  ;     (6)
;  ;  ;  ;    (7)
;  ;  ;  ;    (8)
;  ;    (9)
; ;      (10)
Индикация положения оси ротора гиромотора с помощью индикаторов 4-12 отличается в зависимости от выбранной задатчиками 28-29 задачи. При решении задачи 1 задатчиками 34, 35 выбирается индикатор 4 или 8 соответственно. При решении задачи 2 ось ротора гиромотора занимает исходное положение, соответствующее индикатору 6. В обоих случаях, если после нажатия кнопки «Пуск» будет выдан сигнал «Ответ верный» (), горящий индикатор  должен погаснуть и включиться режим имитации движения типа «бегущий огонь». В таблице 8 приведен порядок загорания индикаторов при реализации имитации движения для каждой из задач. Данную логику работы можно построить с помощью выражений
;   ;
;
; ;     (11)
;   ;
;  ,
где нижний индекс в обозначении сигналов  соответствует позиции обозначении соответствующего индикатора, а  , ,  – сигналы, поступающие с модуля имитации движения, которые циклично изменяются в соответствии с фиг.1, а именно  активизируются в последовательности .
В качестве примера рассмотрим вариант работы тренажера при решении обоих задач.
Решение задачи 1 при отклонении
на угол
С помощью задатчика 28 выбирается номер решаемой задачи – «Задача 1», а с помощью задатчика 35 выбирается начальное положение вектора кинетического момента  (отклонен от горизонтальной плоскости на угол ). Сигналы с задатчиков поступают на блок преобразования 56 логического блока 54. Блок преобразования 56 в соответствии с таблицей 1 и таблицей 2 (фиг.3) формирует параметры , , поступающие на блок решения задач и управления индикацией 57, который формирует сигналы, определяемые выражениями (5) и (11)
.
Эти сигналы поступают на индикаторы 30 (Задача 1) и 8 (), в результате чего они загораются.
Далее необходимо выбрать правильный ответ. В соответствии с  логикой работы ГПК и таблицей 8 (фиг.3) необходимо выбрать:
– с помощью задатчика 39 – коррекционный мотор КМ2, являющийся
мотором горизонтальной коррекции;
– с помощью задатчика 42 – корректирующий момент М3, создаваемый при заданном отклонении вектора кинетического момента;
– с помощью задатчика 47 – возникающую при этом угловую скорость прецессии ;
– с помощью задатчика 49 – соотношение переходных сопротивлений  в МЧЭ при заданном отклонении вектора кинетического момента.
При этом блок преобразования 56 в соответствии с таблицами 4-7 формирует параметры
,
поступающие на блок 57, который, в свою очередь, формирует сигналы, определяемые выражениями (6), (7), (8), (10)
, , , .
Эти сигналы поступают на индикаторы 14 (КМ2), 17 (М3), 22 (), 52 () в результате чего они загораются.
start
start
Далее необходимо нажать кнопку 32 «Пуск», сигнал от которой  поступает на блок преобразования 56, формирующий параметр  = 1. Дальнейшее изменение параметров при этом заблокировано. Сигнал  = 1 поступает на блок 57, где в соответствии с (1) и (3) формируется сигнал , поступающий на блок отображения верного ответа 25, который при этом загорается. Одновременно включается режим «бегущего огня», имитирующего движение вектора кинетического момента в направлении к горизонтальной плоскости за счет последовательного загорания/погасания индикаторов 8-7-6. На указанные индикаторы поступают сигналы  , которые в соответствии с (11), меняются согласно сигналам , поступающим с блоки имитации движения 58.
Нажатием на  кнопку «Сброс» 33 производится возврат всех веденных параметров в исходное (нулевое) состояние.
Решение задачи 2 при расположении гирополукомпаса в южном полушарии
Работа при решении задачи 2 проводится аналогично. С помощью задатчика 29 выбирается номер решаемой задачи – «Задача 2», а с помощью задатчика 37 выбирается южное полушарие местоположения гирополукомпаса. Сигналы с задатчиков поступают на блок преобразования 56, который в соответствии с таблицей 1 и таблицей 3 (фиг.3) формирует параметры , , поступающие на блок решения задач и управления индикацией 57, который формирует сигналы, определяемые выражениями (5), (9) и (11)
.
Эти сигналы поступают на индикаторы 31 (Задача 2), 24 (южное полушарие) и 6 (нулевое положение вектора кинетического момента), в результате чего они загораются.
Далее необходимо выбрать правильный ответ. В соответствии с  логикой работы ГПК и таблицей 8 (фиг.3) необходимо выбрать:
– с помощью задатчика 38 – коррекционный мотор КМ1, являющийся мотором азимутальной коррекции;
– с помощью задатчика 43 – корректирующий момент М4, создаваемый в южном полушарии Земли;
– с помощью задатчика 44 – возникающую при этом угловую скорость прецессии  (совпадающую с направлением вертикальной составляющей угловой скорости Земли);
– с помощью задатчика 50 – соотношение переходных сопротивлений  в МЧЭ при горизонтальном положении вектора кинетического момента.
При этом блок преобразования 56 в соответствии с таблицами 4-7 формирует параметры
,
поступающие на блок 57, который, в свою очередь, формирует сигналы, определяемые выражениями (6), (7), (8), (10)
, , , .
Эти сигналы поступают на индикаторы 13 (КМ1), 18 (М4), 19 (), 53 () в результате чего они загораются.
start
При нажатии кнопки 32 «Пуск» в блоке преобразования 56 формируется сигнал   = 1, поступающий на блок 57, где в соответствии с (1) и (3) формируется сигнал , который поступает на блок отображения верного ответа 25. Одновременно включается режим «бегущего огня», имитирующего движение вектора кинетического момента в режиме азимутальной коррекции за счет последовательного загорания/погасания индикаторов 6-12-11. На указанные индикаторы поступают сигналы  , которые в соответствии с (11), меняются согласно сигналам , поступающим с блоки имитации движения 58.
Для проверки работоспособности устройства был изготовлен стенд «Гирополукомпас».
Задатчики 28, 29, 34-50 и кнопки 32, 33 подключены к логическому блоку 54, который может быть реализован различными способами (блок электроники, программируемый логический контроллер, программируемая логическая интегральная схема и др.). Все алгоритмы в стенде реализованы на программируемой логической интегральной схеме  MAX II EPM570T144A5.
Реализация задатчиков также может быть различной: на фиг.2 показан вариант использования в качестве задатчиков кнопок, подключенных одним своим контактом к нулю питания (подключение кнопок не показано). Кнопки должны быть подтянуты к напряжению питания с помощью подтягивающих резисторов (которые, в частности, могут быть встроены в логический блок).