Управление движением неконтактных гироскопов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ* ИНСТИТУТ

НГ6 од

Я п ДОГ (393

На правах рукописи

КОМАРОВ Валентин Николаевич УПРАВ ЛЕНЕ ДОЖЖЕМ НЕКОКГАКТНЫХ ГИРОСКОПОВ

01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов х аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА 1993

Работа выполнена в НИИ прикладной математики и кибернетики при Нижегородском государственной университете им. Н. И. Лобачевского

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор А. И. Кобрин

доктор физико-математических наук, профессор В.А. Самсонов

доктор технических наук, профессор Ш. Ф. Чарышев

Ведущее предприятие указано в решении специализированного Совета

Защита состоится 1993 г. в № час. РОшя..

на заседании специализированного Совета Д 053.16.03 в Московской энергетическом институте по адресу: Москва, Е-230, Красноказарменная, 17, ауд. Б-409.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭИ. Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к. т. я.

Ы.К. Косте*

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАПЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ: Навигация и ориентирование, ракетная техника и космонавтика, прицельная стрельба и проходка туннелей . авиация в мореплавание, управление положением объекта и его стабилизация - далеко не полный перечень областей, где невозможно обойтись без тех или иных гироскопических приборов или их комплексов.

Обязательных! элементом любого из этих устройств является гироскоп, основное назначение которого - сохранять неизменным направление кинетического момента а пространстве. Без гироскопов, в частности, невозможно создание бурно развивавдихся в настоящее время инерциальных навигационных систем СИНС), позволявших обеспечить скрытность и автономность работа, сохранить высокуп точность в течение длительного времени.

Высокие требования к точности- таких систем в целом и к гироскопам, как их чувствителънмм элементам (ЧЭЗ, в частности, приводят к постепенному отказу от традиционно используемых ранее "сухих" и поплавковых гироскопов и переходу к приборам на новых физических принципах, в том числе и к гороскопам с неконтактным подвесом твердого ротора в электромагнитном поле. Отсутствие механических контактов при удержании ротора силами электростатического или магнитного полей, глубокое вахуумирование рабочего объема прибора, экранировка от внешних полей а некоторые другие факторы позволяют существенно повысить точность гироскопических приборов.

Высокая точность гироскопов во многом определяется малостью

уводяанх моментов и высокой стабильнее?:.а углового движения ротора, поддерживаемого специальным! системами. При гзтом домино высокой точности и стабильности гироскопы йолзйы оскюпечмть, особелко для бесютатЗорыенных инерцяаяъшх навигационных систем СБИНС), возможность корректировки положения кинетического дау.ента за коночное время ияи программного управления его движением..

В свате сказанного рассмотрение причин, ухудаашве' точность гироскопов, поиск путей ушяьшения их влияния, отксхансо возможностей управления двикэкиеа ротора а хинетичзского ыомеати представляют своевременную в актуальную задачу,

ПЕДЬ РАБОТЫ состоит в

- обоснований способа авгогсомпенсация уьодяаЕХ консервативных моментов за счет двишния ротора с углом нутации, блеткиы к лря-кому (двойного вращения);

- отыскания управлявших воздействий, позволявши осуществлять устойчивое двойное враздние ротора елк =2 активно Сза конечной в райя) демпфировать его Еутощаоинш колебания прз традндаонноа краздакн, нанять оргзвЕташпз клвотечэского ья^нта;

- исследовании двиеэнвя ротора ж кЕзетичесхого ыоыэвта ври соьо-кушоа действии консераатаыак и дисситтавищ штатов рааянч-вой природы.

ЙЕТШ ИССШЮВАШ. которым эта ноль лостагаяась, опрэдо-лялнсь слошосдао & спецификой рассматриваемого объекта в его ш-текапгюсхнх иодеява. В работе Еевояьзозалась иэтои азаяшдаззо-коЗ механики а теории поля, аявкзнты вачествэаноа теории диффа-реяцяальныж уравнений в катсиатаческоЯ фазиса, результат« 2 гоголи теории устсЗчивоста в <3и$уркана8, аскштстичзские ыотогу волг-

■нвйноя иегзялт, в частности, метод усреднения.

Справедливость различных физических предпосылок и моделей, достоверность многих полученных результатов проверялись экспериментально на макетах свободного гироскопа о магнитным подвесом фэрритового ротора.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в той, что предложен способ непрерывной автохомпенсадии уводящих моментов за счет двойного врасения ротора о характерным временем усрэднеция, измеряемым долями секунды. Изложены методики отыскания управляем* воздействий на ротор гироскопа о целью обеспечения стабильного двиеаняя ротора и программного изменения ориентации кинетического момента. Указаны и расчиталы некоторые конкрвтакэ устройства и способы. Новизна отделыгше рэиений йодтверядена авторским» свидетельствами.

Проанализировало влияние нежонсервативнш: моизнтов на гоша-инху гироскопа, выявлены нетравнальнш стационарные pasma дзяяэ-mm кзх ротора, так а кинетического ыокевта.

Проведено сравнительно«? исследование прецессионного движения гироскопа под действием уводяют комеятов различно® физической природа при о<5ьгпгои я двойном араяеняях ротора. Установлены не которые обвдэ свойства, как действующи коиантоз, тах с ей/словленных икн двкхвннй.

По теш диссертации получено 4 авторских свидетельства, опубликовано 22 статьи, выполнено более 20 научно-технических отчетов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ИЕШЮСТЬ РАБОТЫ определяется теи, что в ней не только предложен в обоснован новьй cnocod непрерывное автокоилен-

- е -

сации уводяаих моментов, не требующий применения дополнительных гироскопов или вращений корпуса прибора, но и рассмотрены практические варианты его осуществления в реальных гироскопах. Для приборов с вракением ротора лишь вокруг главной оси предложены и проанализированы различные механизмы активного гашения нутационных колебания. Кроме того, в работе рассматриваются способы изменения ориентации кинетического момента гироскопа. Все предложенные в качестве управлявших механизмы воздействий на ротор гироскопа могут быть использованы в реальных гироскопах. Часть из них ухе прошла экспериментальную проверку.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результата диссерташга докладывались и обсуждались на межотраслевых научно-технических конференциях, посвященных памяти Н.Н. Острякова / Ленинград, Санкт-Петербург, 1974, 1978, 1980. 1984, 1988, 1390, 1992 итоговых конференциях ГГУ / Горький, 1978, 1982, 1934, 1983 /; заседаниях сеэдии навигационных систем и их чувствительных элементов научного совета АН СССР / Москва, 1978, 1985 /; шсоле ИГУ "Методы исследования стационарных движений механических систем" / Москва, 1979 /; школе АН СССР "Проблемы создания базовых элементов БИНС" / Осташсоз. 1980 /; Всесоюзных конференциях "Сезреданкыэ проблемы информатика, вычислительной техники и автоматизации" / ¡'.осква, 1333, 1ЙЭ1; 14-01 конференции со вопросам рассеяния эиоргпа при коло бают: механических систем / Киев, 1988 /; на З-ое Всосовгкой конференции во управления) в иэханзгчссюк системах / Казань, /; 3-е а Всесовзвой шсоле-секанаре "Ыатештнческая теория навигации и управления двяауммися объектами" ✓ Москва, 1983 /; Всесовзянх конференциях "Современные проблемы физика в ее приложений" / Москва,

1987, 1990 Всесоюзной конференции "Нелинейные колебания механических систем" ✓ Горький, 1987 школе АН СССР "БИНС-87" / Осташков, 1987 республиканской конференции "Динамика твердого тела и устойчивость движения" / Донецк, 1990 /; школе-семинаре "Мэделироваиие и исследование устойчивости физических процессов" / Киев, 1991 /■•, 8-о1 Четаевской конференции "Аналитическая механика. устойчивость и управление движением" / Казань, 1992 /■; Все-совзной конференции "Современные проблемы механики и технологии машиностроения" ' Москва, 1992л семинарах отдела динамики твердого тела ИМ ПМК ✓ Н.Новгород/'.

Тезисы 25 докладов и выступлений опубликованы.

ОБЪЕН РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав, эахлпчеиия и списка используемой литературы. Обиий объем работы 316 стр., вклгчая £55 стр. машинописного текста, 43 листов о рисунками и 16 стр. списка литературы, насчитывавшего 194 яаихено-ваних.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основания обзора литературы по затронута« в работе я близким к ним вопросам обсуждается некоторые из проблем, стоящих перед исследователями и создателями гироскопов о неконтактным подвесом сферического ротора, дается обдал характеристика диссертация, излагается ее содержание.

Первая глева "Консервативные моменты » их влияние на динамику яехоатштвого гироскопа" содержит вначале вспоаогатеяьяуа информацию об используемых » работе системах координат, уравнениях

движения и методах их исследования, основным из которых является метод усреднения (п. 1.13. Основное ге сод&рааяззо главы затрагивает вопросы прецессионного движения кинетического момента гироскопа под действием моментов небаланса и анизотропии ротора (п. 1.2), кошйтов обусловленных несфоричностьв его ловархкостк (п. 1.3). На примере момента анизотропии показывается, что интерпретация произвольных консервативных моментов как моментов от иесферачкости ротора не всегда корректна.

В этой же тлаве (п.1.43 излагается способ автокоизгнсацки уводязш консервативных моментов, заключь-саийся в придании ротору гироскопа движения не с нулевым, как обычно, утлом нутации &, а близким к прямому - двойного вращения СДВ), при которой ротор медленно, с частотой р (единицы об/О. враааатся вокруг оси динамической симметрии, которая с частотой быстро, (сотки и тысячи об/с), вращается вокруг направления кинетического момента. В отсутствие гоз^-вгввдх моментов такое движение представляет собой свободное движение по Эйлчру-Пуансо, частоты врадошя в котором

связаны известным соотношением р о А " При таком движении

С

кинетический шкант двкеотся относительно ротора по сильно развернутому конусу, а ротор занимает суйастъзнно различные полоаэ-еяя относительно подвесс. благодаря чану больвая часть уводяаш 1ШМ0ГГОЗ яревраздется в знамперсаегиуп функшга врвиэет с голой постоянной состав ляшей, опревелявавй свстскатачисгше ухода гороскопа.

Показано, что еслзз ввести коэффициент ослабления дойстаая цокэнтов и считать, что ста юшнты, в том числе а кабал^нс, обусловлены малой эквивалентное насферичностью ротора, выраавеюй

•набором гармоник с номерами п, то их действие при двойном вращении ослабляется в

а (-и* С8к)!! раз для нечетных гармоник с С2к + 1)!!Со5# п * 2к + 1

и в » С-!)* СВЮ!! раз для четных гармоник с

1к С2к - 1)!! п = 2к

с

Прилер. Если для ротора с отношением моментов инерции /д * 1.2 при номинальной схорости гранения у = 1200 об/а создать движение с углом нутации & % 89°, то момент осевого небаланса будет ослабляться примерна а 60 раз при характерном времени усреднения Т %

• г

0.28 С (раЗ.З об/с). Происходящее при этом непрерывное преобразование большей части увсдвдх моментов в знакопеременные функции времени осуществляется на одном гироскопе при тех же сервисных устройствах и, кроме того, может сочетаться с уже известными а применяемыми способами компенсации и азтохомпенсашш уводящих моментов.

В конце главы (п. 1.5) рассматривается прецессионные траектории кинетического момента гироскопа с осимметричянм подвесом ротора при учете вращения Земли и вертикальной выставке оси симметрии подвеса. Проводится сравнительный анализ траекторий с автокомпенсацией моментов к без нее, устанавливаются некоторые общие свойства траекторий при действии произвольных консервативных моментов. Расположение состояний равновесия, их число я устойчивость рассчитывались через параметры (коэффициенты) силовой функ-

Ь» •» * •*

ции моментов 9 ■ ¿а^Сп*^}, где п - орт вертикали, а ка - ки-1«|

ветичесхого момента. Р} - полином» Лежандра..

В частности, показано, что при действии лишь консервативных моментов в неподвижное относительно Земли системе координат траектории замкнуты и симметричны относительно плоскости местного меридиана, где расположены состояния равновесия с числом центров ва 2 дольше числа седел и обоим количеством, ве превышавшим удвоенного кодера высшей гармонию в силовой функции W. Показано, что прх автококпексации моментов за счет ДВ существенным образом меняется сам характер траекторий, приближая их к свободным Сбезмо-ментвым).

Во второй главе " Дгаажсе неконтактного гироскопа при действии вехонсерветиввш моментов" рассматривается влияние вязкого трения ва движение как ротора, так и кинетического шканта (п.2.1). При этом учитываются как возможная разкоосность подвеса, так я ротора. Для этого момент трения представляется в виде .

* _«♦■»♦ ♦ 4 ♦ Ч

И ■ ~2 Х)сС,гг|[Эг1с, где i« £ fcjCQ-x^, k 1 4 рг I- ■* ♦ 1 Г 4 4

«а и - -n4hi[n,xJ[vzkh

a zv а х. - орты систем хоордннат. гэстко связанных в подвесом ♦к 1 ♦

Czk3 и ротором Сх^, соответственно.

Показано, что вне здясгшоотг or начальна« условна в соотношения коэффициентов ht кинетический пошит стремится совместиться о осьо подвеса 0Zp, для которой ^ минимально. При атом вмхвшо происходит вдоль интегральных кривых, задаваемых уравнением

~ lnjta*pSin2cr| ♦ [ Ь.ТЛ - KjlnjtQffJ » Canst где р я а - полярный угол я долгота орта кинетического аоканта

относительно подвеса с полярной осью 02

Показано, что без момента подкрутки движение ротора происходит практически так же, как а при равных между содой коэффициентах хк.

Исследовано влияние цементов подкрутки на движение кинетического момента и ротора!. В частности, показано, что если этот монет направлен вдоль динамической оси ротора ОХа, то кинетический момент стремится, как и ранее, к оси (Лр с минимальным Лр, а для ротора устойчивый является либо вращение вокруг оси 0Хз, либо движение с углом нутации, определяемым равенством

ТТЛ

Cosft в

/

VI

/ Ch - h,)CL. - L ) a i J. р

при соблюдении условий

К + К

L. » -2-S. к Vj h ■

2

которые ко выполняйся, если модель учитывает трение только в осях, связанных либо лишь с телом, либо ять о подвесом (средой).

При рассмотрении прецессионного движения кинетического моиента под действием тангенциальных относительно поверхности ротора сил (п.2.2) для уводяадс яиссипатнвннх моментов удалось ввести

Ц, * *

аналог силовой функции: V и £ bjPjCirk^, производная которой по

Ua

соответствует! координатам определяет величину уводящего момента, & направление его а режиме слежения, когда ось симметрия подвеса совмещается о кинвгичэсгаы моментом, определяется углом между кинетическим иомэнтои я вертикалью места.

Это позволило придать прецессионным уравнениям кваашяя кинетического момента гироскопа при действии произвольных консераа-

тивньге (Юм диссипатявних (V) моментов при учете вращения Земли СО) вид

.3 •» ■» » ■* •* '

+ О х К » ■■ Ип х к ) • V Сп » к ) х к

<11 ООО

позволяющий анализировать движение при различных сочетаниях консервативных иоиектов, обусловленных эквивалентной к®с§арютость» ротора, и моментов трения„ так как коэффициенты Ц извэсташ образом зависят от характера трения - сухое, вязкое, квадратичное и т.д.

Показано, что при совместной действии консервативных и ве-консервативных уводяаик мошнтов (при постоянной величине кинетического номеэта) аоыию равновесных полоадаий кинетического пошита относительно Зэклве могут существовать а замкнутее траектории - предельные цякда, число которых я© яревыаает всшчины С^ -12» гя® - аошр высшей гармоники дисснпативиого момента. Су-¡зеетвовааю циклов, их раезсяоазекие и устойчавость зависят ео теяъхо от еостношння определявших двихяняо кошятоа, но а от сз-роты кес-та установка гироскопа. Так, если аяссипатавзьа ионвзг мал а средстиш; яниъ Н-о& ггрконихой, то иыээтся два соотояшя рашозеежя в (М - !) ияхлов, уетоачявссть которых при изшнэааи аярвта от + [к/а] мэияотся И раз.

Третья глаза "Вякание нвхоапвкчвого водаосв на кяЕ&тху ги-рэсгока" васадагаа нсследованшэ сЕеад!$ачэс«-сог.з вягяяая систем рогузаярев&юш ютоатахтногс келвеса на дняшнну гироскопа - как ка шишве кияетачеекого момента, тах и ротора. Похазаиз, ед© дааэ в вяуааа йгеаяько ебалаясярсзагмого ротора, когда его центр ваоо аеаодаяява относите льне подвеса - отсутствуют поотуиателъше

•движения - автомодуляция поля подвеса несферичныы ротором (например, эллипсоидальным) вызывает появление дополнительных уаодяпях моментов, неконсервативная часть которых может вызвать как прецессионную (для угла рассогласования между осью подвеса и кинетическим моментом), так а нутационную С угол & для ротора) неустойчивость гироскопа. Величина кинетического момента при этом иожет как убывать, так н возрастать. Характер влияния подвеса на динамику гироскопа при этой определяется как видом передаточной функция подвеса, так и его конструкцией - одноосный, трехосный, рав-нояесткий.

Получены н приведены условия возникновения неустойчивости дваженая гироскопа с осесииметричным подвесок (п.3.1). В качестве примера рассмотрено движение эллипсоидального ротора в раэножест-ком подвесе с конкретно^ передаточной функцией Сп.3.2). Показана возможность появления раскручивающего момента, неустойчивости нулевых значений углов яутащим а рассогласования.

0 четвертой глав® "йвкпйирозекие нутационных колебаний ротора" рассматривается окна аз возникатях на практике задач - гашение шга демпфирование нутационных колебаний оси рртора гироскопа зря ®го общепринятом врадвния вокруг этой оса. Демпфирован«© но-еэт быть как пассивным, гая я активны». Пассивное демпфирование технически реализуется болев просто - достаточно, например, лишь катушек, создавших постоянное нагнитное поле вдоль оси врааеняя магнитного поля, обеспечивающего раскрутку ротора. Однако, умеяъ-веняв угла нутации при этом носят асимптотический характер я аа всегда кокет использоваться на практике нз-эа больших постошти времени. В работе в качестве примера Сп.4.2) приведены результаты

исследования воэыохностеа пассивного демпфирования нут «ада в криогенном гироскопе за счет момента, обусловленного наличием в роторе эаиорохенного магнитного потока. При врааении такого ротора возникает вращающееся магнитное поле захороненного потока, наводящее в помеченном рядом с ротором замкнутом витке индукционный ток. Этот ток, взаимодействия с полем замороженного потока, создает момент сил, приводящий, в частности, к асимптотическому стремлению угла нутации к нули. Показано, что при обычно исполь-зузшв параметрах постоянная времени такого дешифрования составляет десятки суток.

Активное демпфирование нутационных колебаний позволяет довести угол нутаций до пренебрежимо малой величины за конечное время, но требует дополнительно! устройств, обеспечивающих изменение параметров действуваего на ротор момента управления (частоты или направления вравекня магнитного поля, его величины, фазы и т.д.) в зависимости от углового половения ротора относительно корпуса прибора.

В работа показано, что несмотря на малость консергатшшых кокентов, обусловлена® нгидезшюгтьв изготовления ротора - нз-баланооа, вянэотротшй, пгсфорнчаостьа а кеоднородксс.тьэ - прод-стагллэюа цепесообразних ешиео «ж ьешльзоьать дка &зрш$®зазш5 шкзвтов управления, а увеличения всздеЗетаия добиваться не га с^ет увеличения поля влн "де$езггоз" ротора, а еа очат упраглаавя полем по определенному закону в аагкагмаста о? углового гшожашш ротора.

В работе обоугаван условия, которым дояхен удозлзтверзтъ уп-

равляваий момент, обеспечивающий активное гашение нутационных колебаний ротора и рассмотрены способы такого гашения с использованием различных механизмов взаимодействия ротора с окружахсяии его полями Сп.4.1). В качестве примеров рассмотрены:

1) Демпфирование нутационных колебаний анизотропного (эллипсоидального) ротора (п.4.1), которое ыокно осуществить

а) полем осесимыетричного подвеса при его модуляции с частотой р = К^ ^ - £ } я соответствуюцеЯ фазой. При этом не происходит влияния на прецессии а величину кинетического момента К;

б) для ротора, ось симметрии поверхности которого совпадает с

динамической осью, гашение нутации возкохно при модуляции поля

к

дополнительных катушек с частотой нутации у» » ^ или 20 за счет врааения поля с той хэ частотой вокруг оси симметрии подвеса.

2) Ахтивяоэ демпфирование нутационных колебаний несферлчного ротора гироскопа о хриогеннш подвесом моего осуиествить, если гсздеЯстаовать на ротор ь&тггаш потен» врадаюзянся синхронно с ротсроа под постоянным углом х оса ояиштрхн подвеса. Если этот угоя рэЕ®я 45°, то воздействие на ротор (пря соотаэтствугаей фаза) иаксшально я ари аачальаоа угла нугащи ~ 10° ого пслноэ нс-Ч0аяоз8пнэ ЕроЕсгодш' са врсия, кзмэряэкоэ ьошутага.

3). Дяя ахтЕВйото демпфирования нутаадозннх колебаний проводя-гдго ротора 8СГ йрвдяовзно Со. 4.3) кспошдозать три гзгидао орто-'гсвашш статора, создателя соетояш® или враааигяеея есяя, од-по ст воторых (обязательно эраяавгееся) об®слэчававт дрвдаяаг? ро-тсру необходимой скорости врааеотя, а дза яругах, с осями, яер-

пендикулярньми оси симметрии подвеса, создают управлявшее нутацией моменты. Для этого направление постоянного поля или направление вращения врааахжегося переключаются синхронно с вращением ротора, за счет чего оказываемое на ротор воздействие вызывает монотонное уменьшение утла нутации. Найдены алгоритмы переключений, исследована зависимость временя гашения нутации от различных параметров.

3 пятой главе " Осуществление двойного вранения ротора в гироскопах с неконтактным подвесом" предложены практические решения задачи о придании двойного вращения роторам гироскопов с различными типами подвесов. При этом учитываются всегда имевшиеся моменты трения, переводное в отсутствие управляющих моментов двойное вращение во вращение вокруг одной из главных осей ротора.

Осуществление ДВ складывается из придания ротору быстрого в медленного врааений. Для быстрого вращения могут использоваться ухе имеющиеся системы раскрутки вращающимся магнитным полем. Основная трудность в реализации двойного вращения заключаются в придании ротору медленного арздекяя, так как для .компенсация рассеяния энергии при вращении по углу р необходимо приложить управляющий ыомент вдоль оса симметрия ротора ОХ^, которая сама быстро врадаэтся вокруг ккнатаческого пошита К. В такой ситуаций наиболее кодаодяшм представляется кэяуляцнонный способ создания момента, когда уврааяяюаее воэдебстэнэ на ротор взшяяется по неко-•гороиу закону в зависимости от его углового иолопенн« относктель-ко тдае«за я езгаакнж с гаи соотэзтствуюаих устройств.

Кроме того, по возмовностя ке полнен влиять на прецэс-

сиояное движение кинетического момента - изменять постоянные вре-кэнн, смещать состояния равновесия. В связи с этим прежде всего определены требования, которым должны отвечать используемые для управления движением моменты Сп.5.1).

Рассмотрено создание устойчивого двойного вращения ротора ЗСГ за счет действия вращаюинхся магнитных полей 3-х взаимно ортогональных статоров при переключения направления вращения этих полей синхронно с движением ротора (п.5.2). Найдены алгоритмы пе-рэювгсэяий и их ептаалыше параметры, исследованы все возможные ара этом рохнш вращений. Предложены решения как в случае больших управлявши: коиектоз Сп.5.33, так м малых (п. 5.4), когда необходима раскачка колебаний ротора вокруг оса динамической симметрии я перевод их а устойчиво® »радение. Найдены предельные соотношения параметров, яоауставаз© ЯЗ.

Рассмотрен иэхавязы врияаяяя двоаного эрааення ротору гиро-агоаа е нагкитамм поавесон пра иалш ыонэнтая управления Сп. 3.3). Прваловвнн нестандартная конструхцая ротора с затянутый зллнпсо-ядом инервди к универсаяыша статор, обаспочамвщей придает® ротору как быстрого, так а шпленного враазний Сп. 3.8). Найдвзи захода управления зкяочэниом составляюаиз статор катушек, дапшган-роэаш опредэяяюая® работу пграштра. Получены усяовня, вшостэ-.320 которых обосдачиаавт создана® устойчавого ДВ.

Рассютрзна всзмозэоеть возяэрганая ¿войног® вргаэкяя рото-•ра, обйаааввего оетаточшш аэбалашоы, га счет азтоаозул;.'шга ш поля подвеса (п. 3.7). Показано, что, если передаточная #уяхавя псавсса обладает спредеяеняшш свойствами. зозмозно поддврааяде

устойчивого двойного автовращения ротора, могущего обладать как сплюснутым, так и вытянутым эллипсоидом инерции. Найдены параметры двойного вращения в зависимости от параметров передаточной функции и условия устойчивости такого вращения.

Вопросы управления ориентацией кинетического момента рассматриваются в шестой главе "Управление ориентацией кинетического момента гироскопа".

Практическое использование неконтактных гироскопов в различных навигационных системах и комплексах ставит целый ряд задач, одна из которых - возцовность направленного изменения положения кинетического момента гироскопа. Это сложная проблема, если учесть, что неконтактные гироскопы приближаются к свободному именно из-за малости шментного воздействия на ротор.

Отметим, что при обычном вращении ротора вокруг оси симметрии задача управления движением или положением кинетического момента отождествляется с задачей управления движением оса ротора. При двойном вращении ротора это не так.

Управляющее моментыое воздействие на ротор .свободного гироскопа мэает быть осуществлено несколькими способами (п. 8.2), например, наложением поля другой природы, чей вывешивающее, рассогласованием оси: подвеса г кшетичесгсоп? момента при относительно небольших постоянных времени в т.п. При втоы, так аэ, как и при решения других задач управления - гашеная нутации ротора кля, наоборот, придания ему двойного вращения - для формирования ковэн-тов управления ориентацией кинетического мэианта предполагается использовать те же ваше неидеальности ротора (несбалансирован-

ность, анизотропность, несферичность), которые обуславливает уходы гироскопа.

Для этой цели подходят многие из тех механизмов воздействия на ротор, которые ухе рассматривались вше - влияние врааасашхся полей, модуляция поля подвеса, асимметризация вывешивающего поля а т. д.

Решении задач формирования моментов управления предиествует выяснение необходимой структуры этих моментов, обеспечивающих направленное изменение кинетического момента гироскопа Сп.6.1). Для этого с учетом вращения Земли рассматривается прецессионные траектории вблизи оси симметрии подвеса, представляющие собой отрезки скручивающихся или раскручиваются логарифмических спиралей, находится связь между параметрами траекторий в действующи моментов, Tax как информация о движения кинетического момента снимается о всегда тгавмшася погрешностями, приводятся итаюльзуюаиэ метод наименьших квадратов алгоритмы идеятифотадии параметров спирала sum моментов, что использовалось при проведении соответствуем экспершеэнтов.

В качество примеров реального управления ориентацией кинетического пошита относительно корпуса рассмотрено управление поло-евшем вектора К гвросжщоз в электростатическим (п.0.3) а мзг-нвтшш (в. 4) подзоеашг. Продемонстрированы возкоаности управления as счет испоаьзовятя поля самого подвоса путем ого нодулявди, •вклгггааня яодолдатолызи катушек, ортогональиих статоров, допол-ютельаых устройств центрирование. Приводятся законы управления источниками полей, аашюнвавтся выражэвия, опредеяявавэ связь ка- .

жду вектором леремеьенкя кинетического момента и параметрами управления .

Не только в гироскопах с неконтактный подвесом, но и в целом ряде других прецизионных приборов с быстроврааавдимся ротором, например, в ультрацентрифугах, вакуумных насосах принципиальное значение имеет возможность управления ориентацией оси вращения или кинетическим моментом ротора немеханическим способом. Для этого можно, например, использовать известный' эффект выталкивания диамагнитного проводника в область более слабого поля. В работе рассматривается возможность направленного изменения положения оси впадения ротора, выполненного в виде шара с проводящим фланцем по экватору, за счет его взаимодействия с полем дополнительных кату-И9К, запитываемых переменным током (п. 643. Реально же область применения такого управлявшего устройства значительно шире. Б частности, оно с успехом использовалось для изменения ориентации кинетического' момента ротора гироскопа с магнитным подвесом при его двойном вранении.

Результата отдельных глав просуммированы в заключении и состоят в следующем:

Предложен и теоретически обоснован новый эффективный способ непрерывной автокомпенсации уводящих моментов за счет движения ротора о углом нутации близким к прямому Сдвойного вращения}. При »том характерное время автокомпенсацви составляет доли секунды, а влияние небаланса и друтих нечетных гармоник момента уменьшается в раз: Способ может применяться как самостоятельно, тах и в сочетании с другими известными методами.

Исследован характер прецессионных траекторий гироскопа при автокоетенсация моментов и без нее. Установлены обида свойства таких траекторий при действии консервативных моментов в неподвижной относительно Земли системе координат. Показано, что при авто-ксмаеясации действия коментоа за счет ЛВ существенным образом меняется сам характер траекторий, приближая их к свободным (бэзмо-кэнтнкм).

Исследовано влияние. вязкого трения на эволшшв кинетического коиента и динамику ротора при учете раэноосности ках подвеса, так и ротора. Найдены интегральные кривые прецессионного движения кинетического момента.

- . При учете момента подкрутки вдоль динамической оси ротора показала возможность врааения с постоянным, не равным нулю, углом нутации. Найдены параметры такого двинения.

Исследовано влияние система регулирования неконтактного под-ззса на двихениэ кинетического комэнта и ротора гироскопа. Показала возможность появления неустойчивости движения при азгошду-лздга поля подвеса асфернчным ротором. Рассмотрены движения при рзэяячшх кояструмшв! поавесов.

Введен аналог V саповой функций !? для уводящие нсконсорва-THSEH2 комвнтоэ, что придало прецессионным уравнениям двняшшя йанетйчсхгкого мотета гироскопа зад. аозволягаиЗ анализировать авявэааэ sax в частннх случаях различных сочетаниз консервативных •а явжоасерэатнвннх монэятоэ, так и установить зокотори® обадэ csoScraa нвгавшм. В частности, показано, что нзкоксэр&атавньш ¡коадантм нарушшт замкнутость траекторий, однако, ¡отгут приводить

к появлении предельных циклов. Установлены условия существования и устойчивости таких движений. Выявлена их зависимость от широты места установки гироскопа.

Исследована структура моментов, обеспечивающих активное (за конечное время) гашение нутационных колебаний ротора в гироскопах с различными типами подвесов. Даны расчеты для процессов демпфирования нутационных колебаний роторов гироскопов с магнитным, криогенным и электростатическим подвесами. Даны варианты формирования моментов управления за счет модуляции поля подвеса, внешних постоянных и вращавшихся полей, дополнительных статоров управления. Найдены алгоритмы управления, исследована зависимость времени гашения нутации от различных параметров.

Определены требования к моментам, создавшим двойное врааение ротора и обеспечлваицм его устойчивость. Даны практические решения задачи о придании ротору неконтактного гироскопа такого движения. Найдены алгоритмы переключений и их оптимальные параметры при использовании трех ортогональных статоров в ЭСГ. Найдены и исследованы все возможные при атом режимы враяеннй я их эволхшия при изменении параметров системы.

Предложены конструкция ротора я универсальный статор враае-шгя для гироскопов о магнитным подвесоц. Найдено решение задачи а случае гадах иошитов. Определены предельные соотношения параметров, аодускеюаве ДВ.

Ивсявдевана возможность поддержания двойного врааеная ротора, обладавшего остаточным небалансом, за счет автошэдуляцви к» пояя подвеса - двойное автовравдние ротора. Найдены условия ус-

тойчивооти ДВ.

Для реального управления ориентацией кинетического момента относительно корпуса найдены условия, которым должны отвечать моменты управления.

Решены задачи управления положением вектора К гироскопов с электростатическим и магнитным подвесами. Исследовано управление за счет использования поля самого подвеса путем его модуляции, включения дополнительных катушек, ортогональных, статоров, дополнительных устройств центрирования.

При рассмотрении управления двихением как ротора, так и кинетического момента показано, что для формирования моментов управления могут быть использованы те яэ самые несовершенства ротора (небаланс, анизотропия и несферичность), которые обусловливает его уходы. Пря этом необходимые воздействия, в том числе и для получения двойного вращения, могут формироваться как за счет Езаныодайстаия с полями дополнительных катушек (статоров) управления, так и с полем подвеса.

Большая часть рассматриваемых в работе вопросов составляла Ерэдг.эт исследований юти использовалась в 1266-1991 г. г. в НИР, проводяюх отделом ДЕпашзса твердого тола НИИ ПИК в соответствии о гсоордявацаонныы планом АН СССР по проблеме "Обоая цеханика" и Постзпозлошшя! директивных органоз. Проведенные исследования пргггэяа к разработка теоретических пологэшй, совокупность ксто-•рых шкет быть жвалнфщпровава как новое крупное достаязюда в рззЕПтни перспективного направленна в соотвотствутадас отраслях наука н тохюше

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ диссертации опубликованы в работах

1. Денисов Г.Т., Колароб Б.ff. // Морское приборостроение, 1971.• Серия П-Ш, N 4,- С. 122-132.

2. Леяясов Г.Г., Комаров В.И., Линьков Р.В., Повдеев О.Д. Прибор Л.С., Урлсн D.U. у/ Морское приборостроение, 1972.' Серия П, N 7. - С. 100-107.

3. Денисов Г.Г., Koiapob В.И. // Морское приборостроение, 1373.' Серия П. Н 6.- С. 61-65.

I. Денисов Г.Т., Kozapab В.Н. 0 траекториях гироскопа с осесиа метричным подвесом ротора при учете вращения Seuss // Иза вузов. Приборостроение, 1975,- т. ХУШ. - М 5, - С. ?3-Р■.

5. Комаров В.Н. // Вопроси кораблестроения. 1975.- В 8,- С. 5060.

6. Детоов Г.Г., Коларов В.Н. Неконсервативные мошнты а их в ли яние ка прецессии неконтактного гироскопа // Кав. АН СССР ИГТ. 1978,- » 3. - С. 15-23.

7. Денисой Г.Г., Комаров В.Н. // Вопросы кораблестроения, 1980. Серия "Навигация и гироскопия", виз. 51.- С. 30-39.

8. Пожаров В.Н. Активное гашение нутации проводядего ротора гв роскопа.//Прикл. механика, 1981,-т. 17,- N 9.- С. 99-103.

9. Денисов Г.Г., Коларов В.Е. // Проблемы управления двихениен навигации.: АН СССР, 1931.-вып. 12.- С. 45-47.

10. Каюров В.Е., 7рлан D.M. Влияние модуляции йоля подвеса i движение неконтактного гироскопа // Изв. вузов. Приборостро« ние, 1981.- т. ЯШ.- й 6,- С. 54-58.

11: Кенаров В.Н., Уржы D.U. Активное гашение нутации ротора ш контактного гироскопа // Изв. вузов. Приборостроение, 1982. т. ХХУ. - N 12.- С. 44-47.

12. Шаров В.В., 7рман D.U. // Вопросы кораблестроения, 1982 Серия "Навигация в гироскопия", вып. 64.- С. 47-55.

13. Поваров В.И. О влиянии автомодуляции на нугашго неконтактного гироскопа /s Прикл. механика, 1884. - т, 20. - У 5.- С. 104109.

14. Яетжсв Г.Г., Каюров В.К. '/ Проблемы создания базовых элементов инерциальякх яазагашюниах систем и систем ориентации подвижных обмктов.; Л!1 СССР, 1SS1. - С. 125-132.

13. Яа-дрсб В. Я.» 0. й. Влияние инерционности подвеса на

уходы нэконтактного гироскопа // Iba. АН СССР. МТТ, 1086. - ') 3. - С. 22-30.

10. ¿Сонаров В.Н., Уриан J3.ll. 0 влиянии неконтактного подвеса на двккенда гироскопа /✓ Прпкя. иэханлка, 1SS8. - т. ХЖ - !) 10-С. 109-114.

1?, Каязров 3-Я. /Л СССР, Материалы "Школы-87 БИНС" кн. 2, 1С37.- С. 189-193.

18. Кощюв 8.П., Урш>< Ю.Н. // АН СССР, Материалы "Пхолы-87 5ШГ кн. 2, 1937.-С. 1SS-202.

Ш. Назаров 3. ff. О доигяшш проводящего твердого тола во враадю-шдхся магнятяых пояяз // Кзэ. АН СССР. МТТ. 1989.- Ii 1.- С. 17-22. ■ .

20. KatspoQ В.ff., Fßsan Ю.I. Об управлении двягекяеы пеконтактко-го гироскопа //■ Пргкл. механика, 1S90.-т. 1лХУ1. - I) 2.- С. 117-131.

'21. ¿Говоров B.Ii. //Судостроатедаш прс?гпяегоость, 1S30. - зап. еО. - С. 52-ЕЗ.

22. ¡Таиров З.Я., Денисов Г.То ДеоЗесэ эрзаэниэ ротсроз ::окон-таятсшх пгросяопоз ✓✓ Кэв. зузов. Цраборсстроеаяэ, .'D33. - Э начата.

Подлинно к псчаг« Л— _ в /. л

V f <ff Tip.» /00 3,»» %4Q

Типография МЭИ, Крагммзгриеиния, 1,1.