2. Принцип действия гирокомпаса с косвенным управлением.

Рис. 3.2, на котором представлена схематическая модель гирокомпаса с косвенным управлением. Чувствительный эле­мент, включающий ротор 1 и гирокамеру 2, выполнен как астатиче­ский гироскоп. Две степени свободы (по углам α и β) ему обеспечивает система карданового подвеса, образованного вертикальными кольцами 3 и 4. На цапфе 5 гирокамеры, центрирующей ось Y — Y подвеса гироскопа, установлен индикатор горизонта 8. При появлении угла подъема β главной оси ОХ гироскопа над

плоскостью горизонта индикатор горизонта вырабатывает сигнал в ви­де напряжения электрического тока, пропорционального этому углу. Пройдя усилитель 6, сигнал поступает на датчик момента электромаг­нитного типа 15, создающий момент вокруг горизонтальной оси Y— Y гироскопа. В результате к гироскопу будет приложен момент, опреде­ляемый зависимостью L_y = A_yβ где А_у— модуль горизонтального мо­мента. Указанный момент с принципиальных позиций является пол­ным аналогом маятникового момента в гирокомпасе с непосредствен­ным управлением L_y = Bβ. Известно, что такой момент придает гиро­скопу компасные свойства, обеспечивая движение его главной оси в режиме незатухающих колебаний относительно положения динамиче­ского равновесия, расположенного в плоскости истинного меридиана (α_г = 0) и отклоненного на угол β_r от плоскости истинного горизонта.

Существует еще один канал распространения сигнала индикатора горизонта по линии: индикатор горизонта 8, усилитель 9, датчик вер­тикального момента 13. Этот момент предназначен для демпфирова­ния колебаний чувствительного элемента. Затухание колебаний может быть достиг­нуто путем введения момента, действующего по той же оси, что и маятниковый момент L_y = Bβ, но с отставанием от него по фазе на π/2. Покажем, что введение дополнительно к горизонтальному момен­ту L_y = A_yβ еще вертикального момента, пропорционального углу β, т.е. определяемого зависимостью L_z = A_zβ, где A_z — модуль верти­кального момента, также обеспечивает демпфирование колебаний. Иначе говоря, требуется доказать, что действие момента, ортогональ­ного по направлению и изменяющегося синфазно по времени, (по от­ношению к моменту L_y), эквивалентно действию момента, коллинеарного по направлению, но изменяющегося во времени квадратурно, т. е. со сдвигом по фазе на π/2β.

Итак, предположим, что в результате вращения плоскости гори­зонта появился угол β и, следовательно, возник горизонтальный мо­мент , являющийся основным. Этот момент вызовет прецессию по углу α с угловой скоростью . Одновременно поя­вится вертикальный момент , который вызовет прецессию по углу β с угловой скоростью . В результате существования угловой скорости прецессии появится дополнительная составляю­щая угла β, не являющаяся результатом вращения плоскости истинно­го горизонта. Значение этого дополнительного угла β_доп может быть получено как интегральное значение от угловой скорости прецессии

Углу β_доп соответствует дополнительный момент

Таким образом, в рассматриваемом случае вокруг оси ОY чувстви­тельного элемента одновременно действуют: основной момент и дополнительный момент Считая, что угол β изменяется по известному закону незатухающих колебаний , получим следующие функциональные зависимости:

Сравнение выражений для моментов и указывает на то, что второй из них по

отношению к первому имеет сдвиг по фазе на π/2 в сторону отстава­ния, что и требовалось доказать (см. графики на рис. 2.18, б и в). Необходимо обратить внимание на еще одно важное обстоятельство. В условиях, когда действуют два момента L_y и L_z и, следовательно, непрерывно существуют два прецессионных движения со скоростями и ω_z, положение статического равновесия главной оси гирокомпаса принципиально не может находиться точно в плоскости истинного меридиана, так как в этом случае значение угла β превышало бы его единственно возможное значение

. По этой причине главная ось гироскопа будет вынуждена отойти к востоку на такой угол, при котором угловая скорость опускания главной оси, являющаяся угло­вой скоростью прецессии под действием момента L_z = A_z в точности

уравнивалась бы угловой скоростью видимого подъема глав­ной оси над плоскостью горизонта. Образуя равенство где , и развертывая значения , получим:

Отсюда найдем значение угла, который определяет девиацию затухания, или широтную девиацию гирокомпаса:

При движении объекта с постоянной скоростью и постоянным кур­сом в гирокомпасе с косвенным управлением, как и в любом гироком­пасе, неизбежно возникнет и скоростная девиация, характеризующа­яся следующей зависимостью,

Обратимся вновь к модели компаса, изображенной на рис. 3.2. Выделим группу элементов: гироскоп, включающий ротор 1 и камеру 2, кольца подвеса 3,4 и датчики момента 13 и 15. Все вместе взятые они образуют гироблок, который жестко связан с разбалансированной мас­сой 11 и подвешен с помощью второй системы кардановых колец 12 и 16 таким образом, что он приобретает положительный маятниковый эффект, т.е. становится физическим маятником. Смещение центра массы в данном случае будем обозначать символом h (не следует путать с маятниковым эффектом гироскопа, который в данной схеме отсутст­вует). В результате при статическом (или сравнительно медленно из­меняющемся) угле крена основания датчики моментов 13 и 15 будут налагать моменты вокруг осей, достаточно близких соответственно к горизонтальной и вертикальной осям.

Следовательно, в рассматриваемой схеме гирокомпаса с косвенным управлением, так же как и в схеме компаса с непосредственным управле­нием (см. рис. 3.1), стабилизированным элементом служит гирокамера и ее стабилизация вокруг двух осей является силовой гироскопической (по углам α и β) и вокруг третьей оси – маятниковой (по углу ψ).

Как было установлено, гирокомпас с косвенным управлением, когда он находится на объекте, движущемся с постоянной скоростью и постоянным курсом, имеет в азимуте положение равновесия, опреде­ляемое девиацией затухания δ_𝝋 и скоростной девиацией δ_V. По высоте положение равновесия определяется углом β_г.

С общих позиций логично предположить, что, располагая внешней информацией о скорости судна, его широте и курсе (последний берется с самого гирокомпаса через азимутальную следящую систему, не пока­занную на рис. 3.2), можно с помощью вычислительных устройств 14 и 18 аналогового или цифрового типа рассчитать необходимое значение корректирующих сигналов, которые, будучи поданными на датчики моментов 13 и 15, окажут такое непрерывное воздействие на чувствитель­ный элемент гирокомпаса, которое принудит его изменить свое положе­ние равновесия и расположиться в идеальном случае точно в плоскости истинного меридиана и точно в плоскости истинного горизонта. Может возникнуть закономерный вопрос: какое преимущество имеет гирокомпас, скоростная девиация которого исключается из по­казаний чувствительного элемента путем корректировки его положе­ния, по сравнению с вариантом гирокомпаса, указанная девиация ко­торого устраняется только в показаниях репитеров, а чувствительный элемент не подвергается каким-либо корректирующим воздействиям? Как будет ясно из дальнейшего аналитического рассмотрения пове­дения корректируемого гирокомпаса, указанное различие имеет фунда­ментальный характер и проявляется в том, что у корректируемого гиро­компаса появляется принципиально новая и весьма эффективная воз­можность повышения точности его показаний на маневрировании. Применение в схеме компаса датчиков моментов электромагнит­ного типа позволяет решить еще одну задачу, которая так и не была решена в гирокомпасах с непосредственным управлением, а именно: компенсировать с помощью соответствующих сигналов влияние вред­ных моментов, которые действуют по осям чувствительного элемента и являются результатом главным образом технологических недостат­ков его изготовления. Устройства, вырабатывающие компенсирующие сигналы, обозначены позициями 10 и 17. В гирокомпасе «Вега-М» введен блок интегратора И, который предназначен для снижения вели­чины дрейфа гироскопа вокруг оси Z-Z и используется совместно с устройством компенсации 17.