Стенд для идентификации параметров математической модели ДУСУ-1

Tekhnologicheskaya skhema sborki DUSU-1.cdw

Стенд для идентификации параметров
математической модели Д
Технологическая схема

DUSU1.doc

Описание датчика угловой скорости.
Общие сведения о датчиках угловой скорости.
Гироскопические измерители угловой скорости предназначены для измерения
угловой скорости вращения объекта (основания) на котором они установлены
и используются как визуальные приборы и как чувствительные элементы
(датчики) в системах автоматического управления и стабилизации.
На современных самолетах ракетах и космических кораблях ДУС используют
в демпферах рыскания тангажа и крена для улучшения характеристик
устойчивости и управляемости самолета а в автопилотах и САУ – для введения
в управляющую функцию сигнала пропорционального угловой скорости. Кроме
того ДУС широко применяют в счетно-решающих приборах управления наведения
и стабилизации самонаводящихся снарядов а также в системах прицеливания
танков и самоходных установок и авиационных прицелах для выработки угла
упреждения встречи снаряда с целью. На спутниках и космических кораблях ДУС
могут быть использованы для демпфирования колебаний объекта относительно
центра его масс а также в системах ориентации объекта в пространстве
например в бескарданных системах инерциальной навигации где угловое
положение объекта определяется путем интегрирования показаний ДУС.
Схема и конструкция ДУС должны обеспечивать измерения угловой скорости
с требуемой точностью в заданном диапазоне частот вибрационных и линейных
перегрузок при возможных климатических воздействиях. Условия эксплуатации
ДУС аналогичны условиям эксплуатации акселерометров.
Датчик угловой скорости представляет собой гироскоп с двумя степенями
свободы вращение которого вокруг оси рамки (кожуха) ограничено упругой
связью с корпусом прибора.
Кинематическая схема прибора представлена на Рис. 1:
– потенциометрический датчик;
На рисунке введены следующие обозначения:
((( – система координат связанная с основанием прибора;
(( (( ((– проекции угловой скорости вращения основания на оси (((;
xyz – система координат связанная с рамкой (кожухом).
Ось z является осью собственного вращения ротора гироскопа а ось у –
осью чувствительности прибора.
При вращении основания вокруг оси ( с угловой скоростью (( вокруг оси
рамки возникает гироскопический момент MГ под действием которого рамка
гироскопа поворачивается так что стремится совместить кратчайшим путем
вектор кинетического момента Н с вектором угловой скорости ((. По мере
поворота рамки вокруг оси x под действием гироскопического момента
происходит деформация пружины в результате чего возникает момент МПР
который препятствует отклонению рамки гироскопа. Когда момент пружины
уравновесит гироскопический момент рамка остановится в новом положении
равновесия а ее угол отклонения ( будет характеризовать величину
измеренной угловой скорости.
Конструктивные схемы ДУС.
Основными элементами ДУС являются:
рамка или кожух гиромотора с полуосями (в поплавковых ДУС или в ДУС с
жидкостным заполнением рамка гиромотора выполняется в виде
герметического бачка);
моментный датчик или механическая пружина создающие вокруг оси рамки
прибора момент пропорциональный углу ее отклонения;
демпфирующее устройство (на рис. 1 – поршневой воздушный демпфер);
съемное устройство для регистрации угла отклонения рамки (на рис. 1 –
потенциометрический датчик).
Конструктивную схему прибора составляют исходя из опыта предыдущих
конструктивных разработок и требований ТЗ с учетом технологических
возможностей предприятия-изготовителя. В настоящее время находят применение
с механической пружиной;
с электрической пружиной;
на основе трехстепенного гироскопа;
Рассмотрим более подробно особенности ДУС с механической пружиной.
Их применяют тогда когда задаваемое отношение (( max(( min не
превышает (01 – 05)103 и не предъявляется жестких требований по
обеспечению стабильности нуля и стабильности и линейности выходной
За счет выбора надлежащей жесткости пружины в ДУС легко обеспечить
большой диапазон измеряемых скоростей. В тех случаях когда предъявляются
повышенные требования по обеспечению работоспособности прибора в условиях
больших вибрационных и линейных перегрузок и необходимо обеспечить малое
значение порога чувствительности ((( min ( 01 градс) применяют
поплавковые ДУС как с полным так и с частичным взвешиванием поплавкового
узла. Последние называют «ДУС с жидкостным заполнением». Они имеют меньшие
габариты дешевле и проще в технологическом отношении. По точностным
характеристикам ДУС с жидкостным заполнением занимают промежуточное
положение между «сухими» и поплавковыми ДУС с полным взвешиванием. Наличие
жидкости уменьшает коэффициент трения подшипников способствует
демпфированию вынужденных колебаний гироузла вызванных динамической
несбалансированностью ротора гиромотора улучшает отвод тепловой энергии от
гиромотора и датчиков угла и момента. В результате этого может быть
увеличена допустимая плотность тока уменьшается износ потенциометра и
загрязнение его контактной поверхности повышается вибропрочность
Основными источниками погрешности являются нестабильность Н и жесткость
пружины (последняя вызвана явлениями старения) наличие гистерезисных
явлений в механической пружине и изменение параметров датчика угла
усилительных и преобразующих устройств.
Кинематические схемы построения приборов применяемых в ДУС с
механической пружиной приведены на рис. 2:
На рис. 2: ДУС с подвесом на пендельфедерах (а) с торсионом и
подшипником с гладкой втулкой (б) и с винтовой пружиной (в).
Схема на рис. 2 а обеспечивает подвес без трения. Осью подвеса
гироузла является прямая проходящая через точки пересечения реакций
приложенных со стороны пендельфедеров к гироузлу. При идеальной регулировке
подвеса прибора эти точки совпадают с точками пересечения пар
пендельфедеров и ЦТ гироузла лежит на прямой соединяющей эти точки
(гироузел сбалансирован). В процессе измерения угловой скорости гироузел
поворачиваясь деформирует пендельфедеры точка пересечения реакций
смещается и происходит разбалансировка гироузла. Схема на трех
пендельфедерах применения в ДУС не находит.
Схема на рис. 2 б широко распространена она обеспечивает малое
«сухое» трение за счет применения подшипника с гладкой втулкой. Торсион
выполняет роль радиального и осевого подшипников и пружины. Иногда с целью
обеспечения большей радиальной и осевой жесткости при малой жесткости на
скручивание торсион выполняют в виде крестовины.
Схему на рис. 2 в часто применяют так как она проста в изготовлении
(собирают из стандартных деталей) хорошо работает в условиях больших
перегрузок (два подшипника) и не требует точной регулировки как в схеме с
пендельфедерами и точного и качественного изготовления торсиона.
По типу съемного устройства ДУС с механической пружиной разделяют на
с потенциометрическим датчиком угла – наиболее предпочтительны так как
они просты и малогабаритны имеют удовлетворительную разрешающую
способность хорошую стабильность и линейность выходной характеристики
и практически нулевой остаточный сигнал. Углы отклонения подвижного
узла ДУС для устранения влияния ступенчатости потенциометра на
разрешающую способность и линейность прибора приходится делать не
меньше 3 – 5°. Недостатки – повышенное механическое трение сниженная
надежность в условиях больших перегрузок и вибраций;
с индуктивным датчиком угла – применяют в тех случаях когда
предъявляются повышенные требования к порогу чувствительности при
ограниченных габаритах прибора а следовательно и при ограниченной
величине Н ((min ( 005 – 01 градс) к надежности работы в условиях
значительных линейных и вибрационных перегрузок а также к погрешности
от перекрестной угловой скорости ((. Максимальный угол отклонения
подвижного узла в ДУС с индукционным датчиком не превышает 1°. Следует
отметить что на уровень нулевого сигнала ДУС с индукционным датчиком
угла и механической пружиной существенное влияние оказывает напряжение
наводимое вращающимся магнитным полем гиромотора;
с автогенераторным датчиком угла – применяют при требовании обеспечить
минимальные габариты прибора
В конструкции ДУС с механической пружиной часто вводят дополнительный
датчик момента предназначенный для дистанционной проверки функционирования
ДУС. Задавая определенную величину управляющего тока датчика создают
известный момент вокруг оси подвеса прибора и по выходному сигналу ДУС
судят о его работоспособности. В качестве демпфирующих устройств в ДУС с
механической пружиной применяют демпферы воздушные жидкостные и
магнитоиндукционные и демпферы основанные на использовании «емкостной
Воздушные демпферы несмотря на простоту конструкции применяют редко
в основном в грубых низкочастотных ДУС предназначенных для объектов
эксплуатируемых на малых высотах. Вызвано это наличием существенного сухого
трения в демпфере а также тем обстоятельством что движению поршня
препятствует не только демпфирующая сила но и упругие силы обусловленные
сжатием воздуха. Коэффициент демпфирования воздушных демпферов непостоянен
и зависит от плотности воздуха. Один из недостатков ДУС с воздушным
демпфером – возможность нарушения балансировки гироузла при повороте.
Жидкостные демпферы используют в поплавковых датчиках угловой скорости.
Основной их недостаток – изменение коэффициента демпфирования при изменении
температуры так как с ростом температуры вязкость жидкости падает. Если
необходимо обеспечить стабильное значение коэффициента демпфирования то
пользуются специальными конструктивными мерами в результате которых
происходит температурное изменение одного из параметров демпфера например
зазора или капиллярного отверстия.
Магнитоиндукционные демпферы используют эффект наведения токов в
сплошном проводящем теле или в короткозамкнутой обмотке при движении их в
поле постоянного магнита. Магнитоиндукционные демпферы применяют редко из-
за больших веса и габаритов магнитной системы.
Демпферы использующие емкостную обратную связь представляют собой
магнитоэлектрический датчик моментов в обмотку управления которого
подается продифференцированный и иногда усиленный сигнал датчика угла.
Обычно это тот же датчик моментов что используется для проверки
функционирования и тарировки масштабного коэффициента ДУС. При таком
способе демпфирования могут быть обеспечены большой рабочий диапазон ДУС и
необходимый коэффициент демпфирования при малых размерах датчика момента
так как постоянный противодействующий момент создается механической
пружиной а демпфирование осуществляется датчиком момента. При этом
поскольку демпфирующий момент требуется создавать только в переходном
режиме т. е. кратковременно то мощность рассеиваемую в датчике и
плотность тока можно брать значительно большими чем максимально допустимая
мощность и плотность тока того же датчика работающего в постоянном режиме.
Если необходимо обеспечить температурную стабильность коэффициента
демпфирования комбинируют жидкостное демпфирование с демпфированием с
помощью емкостной обратной связи. Жидкостное демпфирование в таких случаях
составляет не более 10% от общего.
Уравнение движения ДУС.
Уравнение движения ДУС выглядит следующим образом:
A0 – момент инерции гироблока относительно оси прецессии;
D – коэффициент демпфирования;
КПР – коэффициент угловой жесткости пружины;
H – кинетический момент ротора гироскопа;
[pic]– сумма внешних возмущающих моментов.
Слагаемое в скобках является погрешностью от перекрестных угловых
скоростей и вредных моментов вокруг оси. Этим слагаемым мы пренебрегаем.
Далее угловую скорость поворота стенда [pic] для простоты будем
обозначать как [pic].
Преобразуем уравнение движения к следующему виду:
[pic] – коэффициент усиления.
Теперь запишем это уравнение в переменных Лапласа:
[pic]– постоянная времени системы.
Т.к. мы измеряем напряжение снимаемое с датчика угла а не сам угол
(зависимость между этими параметрами следующая:[pic]) то запишем уравнение
(3.2) в следующем виде:
[pic]– коэффициент усиления.
Далее напряжение снимаемое с датчика угла ДУС UДУ для простоты будем
Уравнению движения ДУС соответствует следующая структурная схема:
Получим решение уравнения движения.
Для этого запишем характеристическое уравнение в общем виде:
Начальные и граничные условия:
Корни характеристического уравнения равны:
Поэтому решением исходного уравнения (3.1) будет следующая зависимость:
[pic] – частота демпфированных колебаний.
Таким образом собственное движение рамки прибора представляет собой
затухающие колебания с частотой[pic].
Аналогично закон изменения напряжения на выходе ДУС будет иметь вид:
Используя граничные условия получим значения константы φ.
Таким образом в ходе идентификации необходимо определить следующие
параметры T K определив которые необходимо найти H KДУ КПР А0 D.
Технические характеристики ДУСУ-1.
Электропитание датчика:
напряжение на потенциометре от источника постоянного тока 5-30 В;
напряжение от источника переменного трёхфазного тока на гиромоторе
частота переменного тока на гиромоторе
потребляемый переменный ток не более
Порог чувствительности при диапазоне измерения ±60 % не более 0.9%.
При питании постоянным напряжением 27 В выходной сигнал датчика в
диапазоне измерения ± 60( не менее
Время готовности датчика к работе не более 60
Условия эксплуатации ДУСУ-1
Температура окружающей среды от –60 °С до +60 (С
Датчик должен безотказно работать при температуре окружающей среды
линейно изменяющейся от +70 °С до +200 °С за 7 мин
Атмосферное давление от 100 ± 4 кПа до 0.0001
Па (от 750±30 мм рт. ст. до 10-6 мм рт. ст.)
Относительная влажность воздуха до 98% (при температуре
Датчик виброустойчив в диапазоне частот:
Частота Гц Перегрузка ед. Амплитуда мм
Диапазон колебаний выходного сигнала при этом не должен превышать 7 %
от величины напряжения питания потенциометра.
Датчик выдерживает действие линейных ускорений в трёх взаимно
перпендикулярных направлениях до10 g в течение трех минут по каждой
оси. Уход нулевого сигнала при действии линейных ускорений не более
% от величины напряжения питания потенциометра.
Датчик устойчив к воздействию акустических шумов в диапазоне частот
0..1000 Гц. Интенсивность тона звуковых колебаний на частотах до
00Гц – 140 Дб а на частотах свыше 1000 Гц – уровень снижения 5
Датчик устойчив и выдерживает воздействие ударных нагрузок с
ускорением 12 g при длительности импульса 20мс.
Конструкция датчика ДУСУ-1.
В состав датчика ДУСУ входят следующие элементы:
передаточный механизм;
Теперь рассмотрим конструкцию ДУСУ поэлементно.
Конструкция гироузла.
Стакан 11 и дно гироузла образуют бачок с цапфами для подшипников в
которых фиксируется гироузел. Внутри дна накладками 13 и винтами 12
закрепляется гиромотор после чего дно и стакан герметично запаивается. Для
уменьшения вентиляционных потерь гиромотора и улучшения теплоотвода
внутренняя полость гироузла заполняется водородом через трубку. Трубка
после заполнения запаивается. К стакану прикреплён ротор демпфера 37.
Гироузел балансируется относительно оси подвеса винтами ввертываемыми в
лопатки ротора демпфера.
В состав гироузла входит гиромотор. Гиромотор предназначен для создания
кинетического момента гироскопа. В приборе ДУСУ используются асинхронные и
синхронные гиромоторы. Асинхронный гиромотор представляет собой
электродвигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора. Обмотка статора
создает вращающееся магнитное поле силовые линии которого замыкаются через
ротор. Пересекая короткозамкнутый виток ротора магнитное поле по закону
электромагнитной индукции наводит в нем ЭДС и ток. Ток взаимодействуя с
магнитным полем статора создает выталкивающие силы приложенные к ротору.
Силы создают момент вращающий ротор. Электрическое питание к гиромотору
подается через контакты 14.
Конструкция гиромотора.
Неподвижная часть гиромотора – статор представляет собой пакет пластин
из электротехнической стали. В пакет статора запрессованы втулки с гнездами
для подшипников. Во втулки вставлена ось. Пакет имеет 12 пазов в которые
уложена обмотка статора. Ротор гиромотора состоит из обода выполненного из
тяжелого сплава. Пакет железа набран из пластин тонкой электротехнической
стали. В пакете имеются пазы и торцы которые залиты алюминиевым сплавом
образующим короткозамкнутый ротор «беличью клетку». Пакет железа с
«беличьей клеткой» завальцован в обойму и заправлен в обод. Фланцы ротора
крепятся к обойме винтами. Подбором прокладок устанавливается осевая
нагрузка на подшипники.
Конструкция демпфера.
Демпфер предназначен для успокоения колебаний ГУ и поддержания их
постоянными во всем диапазоне температур. Ротор демпфера 25 представляет
собой диск с шестью лопатками. Статор 38 демпфера с шестью лопатками
привернут к корпусу без зазора по наружному диаметру. Лопатки ротора 37
входят во впадины между лопатками статора 38 с зазором по торцу. В расточку
статора без зазора вставлена втулка с отверстиями. К втулке привернута
винтами диафрагма. Внутри втулки по направляющей может перемещаться конус
При повороте гироузла лопатки ротора перемещают жидкость через зазоры
демпфирующего устройства уменьшая тем самым колебания гироузла. С
изменением температуры меняется вязкость жидкости и её объём. Компенсация
температурных изменений вязкости жидкости производится изменением сечения
кольцевой щели между конусом 4 и диафрагмой 35. Конус 4 под действием
пружины 32 при увеличении температуры перемещается за дном сильфона 2
который в этом случае сжимается. При понижении температуры сильфон
преодолевая сопротивление пружины 36 перемещает конус 4 в сторону
увеличения кольцевой щели. Температурные изменения объема жидкости
компенсируются сильфоном 2 с помещенной внутри него пружиной 36. Сильфон
развальцован сверху а затем герметично запаян в крышку 3. Дно сильфона
герметично впаяно в нижний гофр. Пружина 36 сильфона находиться в частично
сжатом состоянии. После заполнения прибора трубка запаивается. Оставшийся
внутри сильфона воздух действует как дополнительная пружина. При нормальной
температуре гофры сильфона находятся в нейтральном положении.
Конструкция датчика момента.
Датчик момента предназначен для поворота ГУ при проверках
функционирования прибора. Моментный датчик конструктивно состоит из
шестиполюсного постоянного магнита 44 узла катушек 43 и магнитопровода 42.
Узел катушек крепится неподвижно относительно корпуса 16 состоит из
каркаса 41 с приклеенными к нему шестью катушками 43. Катушки электрически
соединены между собой. Магнитопровод 42 датчика момента имеет вид кольца
вклеенного в корпус. Работа датчика момента основана на свойстве проводника
с током взаимодействовать с внешним магнитным полем. При пропускании
электрического тока через катушки магнит вместе с ГУ поворачиваются на
некоторый угол. При изменении направления тока в катушках изменится и
направление поворота магнита с ГУ.
Конструкция передаточного механизма.
Передаточный механизм предназначен для создания момента
уравновешивающего гироскопический момент и преобразования угла поворота
гироузла в электрический сигнал. Палец 29 передаточного механизма закреплён
на дне гироузла с помощью винтов. Положение передаточного механизма
относительно пальца 21 гироузла регулируется винтом и пружиной.
Передаточный механизм состоит из основания 19 к которому привёрнуты две
плоские измерительные пружины 25 расположенные под углом 90° друг к другу.
С другой стороны к пружинам привёрнут сухарь 24. В сухаре имеется паз в
который с зазором входит палец гироузла. К сухарю привёрнут щеткодержатель
на котором закреплена пластинка с 2-мя щетками 18 (для большей
надёжности). Щеткодержатель электрически изолирован от пластины со щетками
На основании передаточного механизма закреплён потенциометр который
представляет собой каркас с намотанным эмалированным проводом. В месте
контакта потенциометра со щетками эмаль снята. На каркас наклеены три
контакта соединённые с концами намотки и средней точкой потенциометра.
Начальное положение щеток относительно потенциометра регулируется таким
образом чтобы щетки касались того витка от которого выведена средняя
точка. Со стороны передаточного механизма к корпусу припаяна крышка.
Внутреннее пространство заполнено жидкостью через трубку.
Принцип действия: при отсутствии угловой скорости вращения прибора
вокруг измерительной оси гироскопический момент равен нулю. Щетка
потенциометра удерживается пружинами против средней точки. Напряжение между
средней точкой и щеткой равно нулю. При повороте гироузла от действия
угловой скорости палец гироузла преодолевает противодействие пружин и
поворачивает сухарь около центра проходящего через линию пересечения
пружин. Поворачиваясь вместе с сухарем щетки перемещаются по обмотке
потенциометра. Жесткость пружин подобрана так что при угловой скорости
равной диапазону измерения гироскопический момент уравновешивается
пружинами когда щетка дойдет до края обмотки потенциометра. При этом
напряжение между щеткой 18 и средней точкой равно половине напряжения
питания потенциометра. Следовательно при изменении угловой скорости от
нуля до величины равной диапазону измерения прибора выходной сигнал
снимаемый со щетки 18 и средней точки изменяется от нуля до половины
напряжения питания потенциометра.
Конструкция сильфона.
Сильфон 26 предназначен для компенсации изменения объема жидкости
залитой внутри прибора и перемещения корпуса демпфера. Сильфон завальцован
а затем герметически запаян с дном 5 в крышку 3. Внутри сильфона герметично
впаяно левое дно. Пружина находится в частично сжатом состоянии.
При нормальной температуре гофры сильфона находятся в нейтральном
положении. Если температура прибора увеличивается увеличивается объем
жидкости. Гофры сжимаются дно перемещается влево. Пружина и воздух
находящиеся внутри прибора сжимаются. Если температура прибора стала меньше
нормальной объем жидкости уменьшается. Сильфон под действием пружины и
давления воздуха находящегося внутри сильфона растягивается. Дно
перемещается вправо.

Obschiy vid.cdw

Стенд для идентификации параметров
математической модели Д
Внутренние кольца шарикоподшипников полуоси
гироузла подобрать с допуском внутренного кольца
Наружное кольцо шарикоподшипника и гнездо
фланца подобрать с допуском наружного кольца
шарикоподшипника и с допуском наружного гнезда
Осевой люфт гироузла 0.02-0.03мм регулируется
прокладками. Торцевой зазор а демпфере 0.1-0.15мм
регулируется прокладками.

Spetsifikatsia.spw

Стенд для идентификации параметров
математической модели