Гирокомпас с косвенным управлением

В гирокомпасах с косвенным управлением в качестве ЧЭ применяют астатические гироскопы, а управляющие моменты формируются косвенным путем по сигналам индикатора горизонта при помощи системы управления движением гироскопа. Индикатор горизонта так укреплен на гирокомпасе, что измеряет угол р наклона главной оси ЧЭ к плоскости горизонта.

Если на чувствительный элемент гирокомпаса, помимо упомянутых управляющих моментов, с помощью этой системы действуют дополнительные корректирующие моменты, которые формируются по сигналам вычислительного устройства на основании внешней информации о широте и скорости судна и обеспечивают нулевые значения координат положения равновесия при стационарном (установившемся) движении объекта, то гирокомпас называется корректируемым.

В индикаторе горизонта (ИГ) гироазимуткомпаса (рис. 3.20) значение угла β подъема главной оси гироскопа 1 преобразуется в электрический сигнал U_C. Этот сигнал усиливается в усилителе U1 и раздельно подводится к обмоткам двух датчиков моментов ДМ_У и ДМ_Z. Назначение этих устройств состоит в преобразовании подводимого сигнала во вращающие моменты, пропорциональные сигналу.

Роторная часть датчика ДМ_Z укреплена на рамке 2 гироскопа, а статорная — на рамке 3; роторная часть датчика ДМ_Y укреплена на рамке 3, а статорная — на рамке 4. Датчик ДМ_Y называется датчиком горизонтального момента, т. е. он создает момент относительно оси ОY гироскопа. Датчик ДМ является датчиком вертикального момента относительно оси OZ гироскопа.

Рис. 3.20.

Вращающий момент вокруг оси ОY, пропорциональный углу β, служит для получения из астатического гироскопа гирокомпаса. Вращающий момент вокруг оси OZ_, также пропорциональный углу β, служит для погашения колебаний чувствительного элемента.

Датчик угла ДУ, усилитель У2 и исполнительный двигатель ИД совместно с рамкой 4 являются элементами следящей системы гирокомпаса, которая отрабатывает любое изменение курса судна и удерживает угол между рамками 2 и 3 равным 90°.

Незатухающие колебания гирокомпаса с косвенным управлением. Рассмотрим поведение гирокомпаса, показанного на рис. 3.20. Будем полагать, что датчик моментов ДМ_Z отключен. Допустим, что в начальный момент времени главная ось ОХ гироскопа отклонена от плоскости истинного меридиана к востоку на угол α₀ (рис. 3.20) и расположена в плоскости горизонта.

При горизонтальном положении главной оси угол β = 0 и сигнал U_C (см. рис. 3.20) на выходе индикатора горизонта ИГ отсутствует. Это означает, что горизонтальный момент L_Y, налагаемый датчиком ДМ_Y на гироскоп, также равен нулю и, следовательно, гироскоп является свободным, т. е. сохраняет неизменным свое направление в пространстве. Вследствие суточного вращения Земли восточная половина плоскости горизонта непрерывно опускается в пространстве. По этой причине главная ось гироскопа (конец вектора Н) будет видимым образом приподниматься над плоскостью горизонта. Угловая скорость этого подъема

Как только главная ось выйдет из горизонтального положения и получит наклон на угол β, на выходе индикатора горизонта появится сигнал U_C, пропорциональный этому углу.

Рис. 3.21

После усиления этот сигнал поступает на датчик момента ДМ_Y, который налагает на гироскоп момент L_Y, также пропорциональный углу β. Вектор момента L_Y направлен в сторону отрицательных значении оси ОY, и под его действием возникает прецессионное движение главной оси по направлению к плоскости истинного меридиана. По мере приближения к плоскости истинного меридиана скорость прецессионного движения возрастает, так как увеличивается угол подъема β северного конца оси фигуры гироскопа, все еще находящегося в восточной половине горизонта.

В плоскости меридиана ось гироскопа имеет максимальный угол подъема, и под действием момента L_{Y max} гироскоп переходит плоскость меридиана и оказывается в западной половине горизонта, которая непрерывно поднимается в пространстве вследствие вращения Земли. Значит, в своем относительном движении ось фигуры теперь опускается к плоскости горизонта тем быстрее, чем дальше она отходит от плоскости меридиана. Движение в азимуте прекращается, как только ось гироскопа оказывается в плоскости горизонта.

Если проследить за дальнейшим движением оси фигуры, то можно убедиться в том, что ось гироскопа вновь возвратится в исходное положение А (см. рис. 3.20) по замкнутой траектории, представляющей собой эллиптическую кривую 1. Следовательно, гироскоп, имеющий датчик момента ДМ_Y (см. рис. 3.19), индикатор горизонта ИГ и электрическую связь между ними, совершает около плоскости истинного меридиана эллиптические колебания, т. е. принципиально превращается в гирокомпас, так как в среднем положении прибор всегда располагается в плоскости истинного меридиана.

Таким образом, применение горизонтального канала управления, включающего в себя электрически связанные индикатор горизонта, усилитель и устройство для наложения на гироскоп горизонтального момента, превращает гироскоп в чувствительный элемент гирокомпаса без затухания. Из изложенного вытекает факт полной аналогии, поведения рассматриваемого гирокомпаса и гирокомпаса с непосредственным управлением.

Затухающие колебания гирокомпаса. Для погашения незатухающих колебаний гирокомпас снабжен датчиком ДМ_Z (см. рис. 3.19).

Вновь допустим, что в начальный момент времени главная ось гирокомпаса расположена горизонтально и ее северный конец Н отклонен к востоку на угол α₀ (см. рис. 3.20, а). Этот конец оси гирокомпаса вследствие вращения в пространстве плоскости истинного горизонта видимым образом поднимается со скоростью, пропорциональной над этой плоскостью.

Если бы гирокомпас не имел приспособления для затухания, траекторией его движения был бы эллипс. В рассматриваемом же случае по мере подъема северного конца оси над плоскостью горизонта напряжение сигнала U_С подается с индикатора горизонта на оба датчика моментов ДМ_Y и ДМ_Z. Поэтому, помимо момента L_Y, появится момент L_Z (см. рис. 3.19 и 3.20).

Момент L_Y вызывает прецессию оси гирокомпаса к плоскости меридиана, а момент L_Z создает прецессию северного конца вниз к плоскости горизонта. В начальный момент времени, когда угол подъема оси гирокомпаса над плоскостью горизонта еще мал, а значит, мал и момент L_Z, угловая скорость видимого подъема оси гирокомпаса, обусловленная земным вращением, больше, чем угловая скорость опускания оси к плоскости горизонта под действием вертикального момента L_Z. Поэтому северный конец оси поднимается над плоскостью горизонта, но с меньшей скоростью, чем при незатухающих колебаниях. В точке А₁ (см. рис. 3.20.б), т. е. недалеко от плоскости меридиана, скорость видимого подъема оси равна угловой скорости L_Z/H опускания оси к плоскости горизонта.

С этого момента северный конец оси гирокомпаса начинает опускаться, продолжая двигаться к плоскости меридиана. Когда ось гирокомпаса приходит в меридиан, она имеет меньший угол подъема над плоскостью горизонта, чем в случае незатухающих колебаний. Перейдя к западу относительно плоскости истинного меридиана, северный конец оси опускается к плоскости горизонта значительно быстрее, так как угловые скорости и L_Z/H складываются. Поэтому угол α₃ отклонения конца оси гироскопа от плоскости меридиана при пересечении плоскости горизонта в точке A₂ (см. рис. 3.20, б) меньше начального угла α₀ отклонения.

Продолжая рассуждения подобным образом, можно прийти к выводу, что ось гирокомпаса совершает затухающие колебания, описывая траекторию, имеющую форму сходящейся эллиптической спирали 2.

Таким образом, применение второго вертикального канала управления, включающего в себя электрически связанные индикатор горизонта, усилитель и устройство для наложения на гироскоп момента, превращает незатухающие колебания гирокомпаса в затухающие, т. е. вертикальный канал управления гирокомпасом является демпфирующим устройством.