Чувствительный элемент поплавкового гирокомпаса
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (я)ю G 01 С 19/38
Ф%
М
О
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4879663/22. (22) 13.08,90 (46) 23.04,93 Бюл. М 15 (71) Центральный научно-исследовательский институт "Дельфин" и Ленинградское высшее инженерное морское училище им.адм.С.О.Макарова (72) А.В,Новгородский, Ю.К,Жбанов, М;В.Чичинадзе, Н.В.Герасимов, Е.Л.Смирнов, В.К.Перфильев, B.Â,Âîðoíîâ и
А.В.Орехов (56) Воронов В.В. и др. Технические средства судовождения, Конструкция и эксплуатация, М.: Транспорт, с.46-51, 332. (54) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПОПЛАВКОВОГО ГИРОКОМПАСА
„„Я „„1810762 А1 (57) Изобретение относится к приборостроению и может использоваться в гирокомпасах для морских и речных судов. Цель изобретения — повышение точности гирокомпаса в условиях маневрирования судна.
Чувствительный элемент поплавкового гирокомпаса выполнен в виде герметичной с электроизоляционным покрытием гиросферы, внутри которой размещены двухгироскопный узел, гидравлический успокоитель, центрирующая катушка, два акселерометра
1 и 2 с горизонтальными взаимно перпендикулярными осями, два аналого-цифровых преобразователя 3 и 4, блок определения инерционной к скоростной девиации 5, преобразователь кода 6 и два электронных ком1810762
40
45 девиация также будет исключена иэ показаний гирокомпаса.
Для расчета как скоростной, так и инерционной девиации необходима информация мута-.ора 7 и 8. На внешней поверхности сферы размещены экваториальный электрод, выполненный в виде полупояса, полярные электроды, точечный электрод, две группы вертикальных изолированных друг от друга и от корпуса сферы электродов 9 и
10, расположенных на концах экваториального электрода, которые по кодированным
Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в современных гироскопических компасах для морских и речных судов, Цель изобретения — повышение точности гирокомпаса, работающего в условиях маневрирующего судна.
Сущность изобретения заключается в том, что повышение точности гирокомпаса с, непосредственным управлением (типа
"Курс-4") при маневрировании судна достигается путем исключения из его показаний инерционных девиаций, возникающих в результате указанного маневрирования, что осуществляется на основе использования нового чувствительного элемента, в котором производится вычисление указанных девиаций, выполняемых специализированным вычислителем (блоком вычисления инерционной и скоростной девиации), установленным внутри чувствительного элемента и содержащем математическую модель чувствительного элемента, причем получение информации о составляющих ускорения судна вдоль географических осей N — S и EW, необходимой для расчета инерционных девиаций, обеспечивается с помощью сигHBlloB, вырабатываемых двумя акселерометрами, также размещенными внутри чувствительного элемента вдоль его осей
Nr Sr u Er Wr, а адекватность величины и закономерность изменения во времени инерционных девиаций реального чувствительного элемента и его математической Мо дели, причем без какой-либо информации о величине всех основных параметров реального чувствительного элемента, достигается за счет того, что в процессе маневра от акселерометров поступает информация о фактическом ускорении судна, а после маневра продолжающий поступать от акселе. рометров сигнал содержит информацию о координатах, характеризующих значение угла возвышения и угла крена чувствительного элемента, что позволяет сформировать в математической модели дополнительные управляющие моменты (дополнительные к основному маятниковому моменту), пропор5
30 командам блока определения инерционной к скоростной девиации подключаются к экваториальному полупоясу 11, вызывая изменение его результирующего углового положения по отношению к сфере, В результате чего может быть проведена отработка следящей системой угла инерционной и скоростной девиации гирокомпаса. 2 ил, циональные разности указанных углов реального чувствительного элемента и аналогичных углов, вырабатываемых математической моделью.
На основе мгновенных значений вычисленной инерционной девиации формируются командные сигналы, в результате чего происходит управляемое дискретное изменение углового положения широкого полупояса экваториального электрода относительно оболочки чувствительного элемента на такую величину и такого знака, которые равняются в данный момент времени величине и знаку рассчитанной инерционной девиации. Указанное изменение углового положения широкого полупояса экваториального электрода достигается путем подключения к нему узких вертикальных секций, изолированных Друг от друга и от металлической оболочки чувствительного элемента. Число секций определяется в зависимости от максимально возможной(прогнозируемой) величины девиации (например +. 20 ), а угловая величина (ширина) каждой секции, а также угловая величина интервала между секциями определяется расчетной точностью исключения девиа (ии (например, и 0,2 ).
Вследствие изменения углового положения широкого полупояса экваториального электрода произойдет отработка следящей системы гирокомпаса и показания всех репитеров изменятся на величину, равную инерционной девиации, т.е. погрешность из показаний гирокомпаса будет устранена, Одновременно специализированный вычислитель, используя ту же математическую модель, произведет расчет другой (так называемой скоростной) девиации, на основе чего с помощью соответствующих командных сигналов произойдет дополнительное изменение углового положения широкого полупояса и в конечном итоге скоростная
1810762 о составляющих скорости судна и широте.
его места. Указанная информация может быть получена с помощью судовых средств обсервации и счисления, тем более, что в отличие от ускорения судна, в данном слу- 5 чае не требуется знаний мгновенного значения скорости, а достаточно знания осредненных величин, поскольку чувствительный элемент гирокомпаса имеет длительный переходный процесс при переходе 10 из одного положения равновесия в другое.
На основе общих уравнений (см. монография Матвеева С.С.. Гирокомпасы и гирогоризонтокомпасы. Л.: Судостроение, 1974
r.352 с), система дифференциальных урав- 15 иений, используемая далее в качестве математической модели чувствительного
" момента, получена в следующем виде ч<, в ч«8< ь<<ь с, Х * — «,— — — - — << — — X<+ — Xy < R н, н, н, 1 н, 20
Ч « в< V« ч
Ф + (RU cosy Vs) ) Н (RU cog(g < V< )
Че1 (Vs < Н,1)фЧЧ с< че
iii-.(U iii< ° )х <Оь! «< И R ) Цв,-с,11 н, 4 ? в, „в,ч, в, ч„ч„ 25 Н, <) Н, < Н< (RUcosq+V ) Н< f ) Ч % %)9Ч Чву, Ча g Х - — Х + Us 30. к -- (x ° -х,— — — х, <,„,1 ° < < < В системе уравнений (1) использованы следующие обозначения параметров модельного чувствительного элемента и харак- 35 теристик движения судна: Н1 — кинематический момент одного гироскопа; В) — модуль момента твердого маятника; 40 C< — модуль момента гидравлического маятника; K) — модуль момента упругости связи спарника гироскопов; 7 гм) — постоянная времени гидравли- 45 ческого маятника; считается, что все вышеназванные па раметры чувствительного элемента имеют известные номинальные (атандарные) значения, Чв),Vp, Чу, Vp — составляющие линейного 50 ускорения и линейной скорости судна соответственно вдоль осей N — S и Š— Ч/ (географической системы координат); g — ускорение силы тяжести; Ч вЂ” угловая скорость суточного враще- 55 ния Земли; р — широта места судна; R — радиус Земли, принятой за сферу. Чн Ru... р+Ч (3) и далее суммируется с рассчитанной величиной х>, определяющей значение инерционной девиации для выполнения. последующих операций. Значение координаты р мг, которое также требуется далее, рассчитывается по формуле H ) (U sing+ — „щ р) Vg Р мг —  — С (4 а значение фМ2 =О Использование математической модели (1) для целей расчета инерционной девиации чувствительного элемента в азимуте х) возможно только при наличии информации о мгновенных значениях составляющих ускорения судна V)g, VE, его скорости Ч)ч, Ve, а также широты места <р . Для получения информации о составляющих ускорения судна V)v и Чг- внутри реального чувствительного элемента гирокомпаса размещаются два акселерох)= aM — aM2 х2 = )о М вЂ” PM2 х3= М QM2 (2) x4 = ч М 1) < Мг X5= УМ УМ2 где -aM,ôì, ум, фм, ум — обобщенные координаты, характеризующие движение модельного чувствительного элемента соответственно в азимуте, по высоте, движения гироскопов внутри чувствительного элемента, по углу крена, движение жидкости в успокоителе колебаний; аМ2,РМ2, gM2,фм2, умг — аналогичные координаты, характеризующие положение равновесия модельного чувствительного элемента при стационарном движении судна (при постоянных курсе и скорости); х) ° хг, х3, х4, x5 — аналогичные координаты. характеризующие инерционные девиации модельного чувствительного элемента, т.е. отображающие исключительно только влияния маневрирования судна на чувствительный элемент гирокомпаса. Значение координаты амг, определяющей величину скоростной девиации гирокомпаса, рассчитывается отдельно по формуле 1810762 20 (10) 25 /4 =p+ — + — а Чд Че 9 9 (8) 9 9 м=ф+ + а метра (датчика линейных ускорений) вдоль осей йг-$г u ErWr гиросферы. Характер информации, которую будут вырабатывать укаэанные выше акселерометры с достаточной для пояснения существа воп роса степ ен ь ю. точ ности, можно выявить иэ следующей системы дифференциальных уравнений, отображающей движение реального чувствительного элемента с размещенными внутри него акселерометрами (см. два последних уравнения) ° Ч», VE В (° V» Че 1 С м — ye Using+ — »ч-- »+ — + — ot .I t — v ° Че1 V» (, ° ч» 1 с >е p.(u -)a — -.Ius q — t <)<+ y = — (ф+ — а); В VE ЧИ 9 9 V» V» у . Ve М . васо» - - — 4 " + "ц к ч)p /Hi ) R T у= — (y P- — — — а), 1 . ЧмЧе хгм 9 . 9 1 . Чы ЧЕ х д(Я-Я} (I 9 9 1 VE ЧМ х д(Š— lb g g ° (м — ф — —. + .а). В системе уравнений (6) использованы те же обозначения для всех параметров реального чувствительного элемента, что и в системе (1), но без индекса "1". Дополнительно введено обозначение х д — постоянная времени акселерометра. Если величина хA сделана достаточно малой по сравнениЮ с длительностью маневра (например 10 с по сравнению с 360720 с), то по прошествии малого интервала времени с момента начала маневра можно с высокой степенью точности считать Из выражений 7 и 8 вытекает, что сигналы р и м, вырабатываемые акселерометрами, не могут. быть непосредственно использованы в качестве носителей раздельной информации об ускорении Чм и VE Чм Че 9 9 (точнее об отношениях и ), Iloскольку они содержат перекрестные составляющие, а также зависят от углов Р и ф Имея в виду приближенные соотношения ам =а, фм=ф, фм =ф (9) путем выполнения непосредственной проверки, можно убедиться что нижеследующие комбинации результатов измерений, осуществляемых акселерометрами, установленными в реальном чувствительном элементе, и результатов вычислений, позволяют ввести в математическую модель информацию о реальном ускорении судна Чц V N и VE путем замещения отношений и ЧЕ g этими комбинациями VN ч„ — P-P»-О-Нм+РМ -м " (Р Рм1 > ч — - -Мм Р-(м- км)км" — +(r-4 .). 3 3 Отметим, что значения,и и м вырабатываются акселерометрами, значения а м, Р м . ф M — рассчитываются по форму30 лам 2, значения ам2 рм2 фм2 находятся по формулам 3, 4, 5, а значения xi, x2, х4 — получаются из решения системы уравнений (1), где вместо отношений и Чд Че g g надлежит непрерывно вводить замещающие их выражения 10 и 11. На фиг.1 показано предлагаемое устройство; на фиг.2а показано состояние ключей коммутаторов 7 и 8, когда девиация чувствительного элемента равна нулю; на фиг.26 — состояние ключей, соответствующее равновесному положению следящих контактов 30 и 31 для случая, когда девиация чувствительного элемента имеет максимальное положительное значение; на фиг.2в состояние ключей. соответствующее равновесному положению следящих конТ8КТоВ 30 и 31 для случая максимальной отрицательной девиации. Предлагаемый чувствительный элемент поплавкового гирокомпаса представляет собой сферу (см.фиг.1), внутри которой находятся два гироскопа, масляный успокоитель, центрирующая катушка (эти элементы известные по прототипу, на фиг.1 не пока.заны), а также два акселерометра 1 и 2, двэ аналого-цифровых преобразователя 3 и 4, блок определения инерционной и скоростной девиации 5, преобразователь кода 6, 1810762 10 25 преобразователя кода 6, выход которого связан с управляющими входами электронных коммутаторов 7 и 8, точечный электрод 30 стной девиации 5, преобразователь кода 6, два коммутатора 7 и 8, на наружном экваториальном участке поверхность сферы, примыкая к широкому полупоясу экваториального электрода симметрично в обе стороны по отношению к диаметральной линии, размещены две группы узких вертикальных электродов 9 и 10, изолированных друг от друга и от металлической оболочки сферы, т.е. тем самым и от широкого полупояса 11. Общая угловая величина каждой группы вертикальных электродов определяется удвоенным значением максимальной величины ожидаемой девиации, а угловая величина каждого узкого электрода с межэлектродным промежутком определяется значением допустимой остаточной погрешности исключения девиации, В схеме используется точечный электрод 12, внутри сферы установлен также блок питания 13. Имеются следующие электрические связи между элементами: выходы акселерометров 1 и 2 связаны с входами аналогоцифровых преобразователей 3 и 4, выходы которых соединены с входами блока определения инерционной и скоростной девиации 5. Выход блока 5 подключен на вход 12 связан с дополнительным входом блока 5, блок питания 13 входом m — n подключен к источнику переменного напряжения, а выходами а и Ь вЂ” к электронным элементам устройства. Заявляемое устройство действует следующим образом (см.фиг.1). Акселерометры 1 и 2 установлены внутри гиросферы так, что они измеряют соответственно величины оТ Ч ношений и, т .е. составляющие g g линейного ускорения судна, а также углы Р и ф(см.формулы 7 и 8). Выходные сигналы акселерометров 1 и 2, имеющие вид переменного электрического напряжения (аналоговая форма сигнала), подаются на входы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 3 и 4, С выходов элементов 3 и 4 сигналы, имеющие форму цифрового кода. подаются на входы блока определения инерционной и скоростной девиации 5, предоставляющего собой специализированный вычислитель. В результате решения системы дифференциальных уравнений и расчета скоростной девиации с учетом непрерывно поступающей информации от акселерометров, на выходе блока 5 формируется цифровой сигнал, характеризующий суммарную 55 (инерционную плюс скоростную) девиацию гирокомпаса в реальном масштабе времени. Этот цифровой сигнал подается на вход преобразователя кода 6, выход которого соединен с управляющими входами электронных коммутаторов 7 и 8. Количество необходимых ключей электронных коммутаторов 7 и 8 определяется максимальным значением девиации и заданной точностью дискретного ввода корректирующей величины. При замыкании одного из ключей коммутаторов 7 и 8 происходит подключение определенных вертикальных электродов из групп 9 и 10 к широкому полупоясу 11. При этом дискретно изменяется угловое положение действующего в данный момент зкваториал ьного электрода и жидкостных переходов, входящих в цепь сигнального моста сопротивлений следящей системы гирокомпаса. Возникающий при этом электрический сигнал может использоваться для отработки следящей сферы гирокомпаса на угол, равный вычисленной внутренним элементом 5 девиации чувствительного элемента и эта погрешность автоматически исключается из показаний всех репитеров гирокомпаса. Через точечный контакт 12 на дополнительный вход вычислителя 5 периодически подаются сигналы (в цифровом коде) о значениях широты места р и скорости судна V. В случае, представленном на фиг,2а, в каждом коммутаторе в замкнутом положении находится ключ 4. Следящие контакты. 30 и 31 располагаются симметрично относительно главной оси гиросферы Nã — Sã. В случае, представленном на фиг.26, в коммутаторе 7 будет замкнут контакт 8, а в коммутаторе 8 все ключи разомкнуты. В случае. представленном на фиг,2в, в коммутаторе 7 все ключи разомкнуты, а в коммутаторе 8 — замкнут ключ 8. В промежуточных положениях замыкаются ключи попарно. по одному в каждом коммутаторе;7и1,6и2,5и3,4и4,3и5,2 и 6, 1 и 7. В каждом случае образуется сигнал, характеризующий величину вычисленной девиации на данный момент времени. Укаэанное устройство экваториального электрода является универсальным и позволяет одновременно исключить из показаний гирокомпаса любую другую (кроме упомянутых инерционной и скоростной) девиацию, при условии, что она поддается математическому моделированию. Формула изобретения Чувствительный элемент поплавкового гирокомпаса, содержащий герметичную с 1810762 Ю-о 1. (/ Фиг. й Составитель А.Терехов Техред М.Моргентал Корректор С.Шекмар Редактор Заказ 1440 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 электроизоляционным покрытием гиросферу, внутри которой размещены два гироскопа, связанные упругой связью типа "антипараллелограмм", гидравлический успокоитель, центрирующая катушка. а на наружной .поверхности гиросферы расположены экваториальный электрод, выполненный в виде полупояса, полярные электроды и точечный электрод, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности гирокомпаса в условиях подвижного основания, внутрь гиросферы дополнительно введены два акселерометра с горизонтальными взаимно перпендикулярными осями чувствительности, два аналогоцифровых преобразователя, блок определения инерционной и скоростной девиации, преобразователь кода и два электронных коммутатора, а на наружной (поверхности гиросферы дополнительно размещены две группы вертикальных электродов, расположенных на концах экваториального электрода, при этом выходы 5 акселерометров через соответствующие аналого-цифровые преобразователи соединены с первым и вторым входами блока определения инерционной и скоростной девиации соответственно, с третьим входом которого 10 соединен точечный электрод, выход блока определения инерционной и скоростной девиации соединен с входом преобразователя кода, выход которого соединен с управляющими входами электронных коммутаторов, 15 общие сигнальные входы электронных коммутаторов соединены с экваториальным электродом, а выходы электронных коммутаторов соединены с соответствующими вертикаль. ными электродами.
