CC BY
29
УДК 629.5.058.44
НЕОБХОДИМОСТЬ И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОРРЕКТИРУЕМЫХ ГИРОАЗИМУТКОМПАСОВ
Завьялов В.В., д. т. н., профессор, профессор кафедры технических средств судовождения, ФБОУВПО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail: [email protected]
Саранчин А.И., доцент кафедры технических средств судовождения, ФБОУ ВПО «Морской государственный университет им.
адмирала Г. И. Невельского», e-mail: [email protected]
Перечёсов В.С., к.т.н., начальник кафедры электрооборудования судов, ФБОУ ВПО «Морской государственный университет им.
адмирала Г. И. Невельского», e-mail: [email protected]
В работе рассматриваются вопросы, связанные с необходимостью и возможными путями улучшения динамических характеристик корректируемого гироазимуткомпаса за счёт управления коэффициентами прямой передачи в усилителях формирования управляющих сигналов по горизонтальному и вертикальному каналам и, как следствие, величиной управляющего и демпфирующего моментов, периодами незатухающих и затухающих колебаний, временем прихода в меридиан. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований.
Ключевые слова: корректируемый гироазимуткомпас, управляющий момент, демпфирующий момент, прецессия, индикатор горизонта, гиросфера, затухающие колебания, меридиан
NECESSITY AND POSSIBLE WAYS OF IMPROVEMENT OF SOME DYNAMIC CHARACTERISTICS CORRECTED BY GYROCOMPASS
Zavyalov V., doctor of technical Sciences, professor, professor of the Navigation Technological tools chair, FSEIHPE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi», e-mail: [email protected]
Saranchin A., assistant professor of the Navigation Technological tools chair, FSEI HPE «Maritime State University named after admiral
G.I.Nevelskoi», e-mail: [email protected] Perechyosov V., Ph.D., head of the Electrical Equipment of Ships chair, FSEI HPE «Maritime State University named after admiral
G.I.Nevelskoi»
The questions connected with need and possible ways of improvement of dynamic characteristics of the corrected gyrocompass due to management of coefficients of direct transfer in amplifiers of formation of the operating signals on horizontal and vertical channels are described and, as a result, by the size of the managing director and damping the moments, the periods of not fading and damped oscillations, time of arrival to a meridian are considered. Results of theoretical and experiment are given.
Keywords: corrected gyrocompass, director the moment, damping the moment, a precession, the horizon indicator, gyrosphere, damped oscillations, a meridian
Определение курса судна является важнейшей задачей в обеспечении безопасности судовождения. Система определения курса судна должна вырабатывать его точное значение во всех диапазонах широт плавания и быть помехоустойчивой (качка и маневрирование судна). На настоящее время основным устройством определения курса судна являются корректируемые гироазимуткомпасы (ГАК). За время эксплуатации этих приборов накопилось достаточно много материалов для объективного анализа их достоинств и недостатков, оценки их соответствия сегодняшним требованиям ускоренного научно-технического прогресса [1 - 4]. Теоретические вопросы способов построения и погрешностей, функциональные схемы и устройство ГАК достаточно подробно освещены в технической и учебной литературе [5 - 10].
Среди корректируемых ГАК первого поколения наибольшее распространение получили гироазимуткомпасы с трехстепенным поплавковым гироблоком (ТПГ).
Наряду с многочисленными достоинствами опыт эксплуатации выявил ряд специфических недостатков ГАК. Так, применение упругого подвеса гироскопа на торсионах, выполняющих функции датчиков моментов, предопределило прямую зависимость точности ГАК от работы систем стабилизации (следящих систем). Примененный в корректируемых ГАК метод демпфирования за счет момента, прикладываемого к гироскопу относительно вертикальной оси, является эффективным и удобным для создания многорежимности. Однако при таком методе демпфирования на статическую точность ГАК влияют вредные моменты не только по вертикальной, но и по горизонтальной оси.
Статическая точность корректируемых ГАК зависит от ряда факторов, среди которых определяющими являются горизонтальный дрейф гироблока и погрешности систем стабилизации. Все рассмотренные погрешности увеличиваются в высоких широтах, а также могут возрастать в процессе эксплуатации.
Отдельным пунктом стоит отметить вопрос эксплуатации корректируемых ГАК при плавании в высоких широтах. С разработкой природных ископаемых в высоких широтах этот вопрос стоит особенно остро перед системой курсоуказания судна для обеспечения круглогодичной навигации по Северному морскому пути.
Основной вес среди составляющих погрешностей ГАК имеет накопившаяся за время эксплуатации постоянная составляющая горизонтального дрейфа; для ее выявления и компенсации следует минимизировать прочие составляющие. Разрешающая способность любого метода компенсации постоянной составляющей определяется нестабильностью горизонтального дрейфа гироблока в пуске и составляющей горизонтального дрейфа от ошибки системы азимутальной стабилизации. Если принять их соответственно равными 0,02 °/ч и 0,015 °/ч, то погрешность корректируемого ГАК в широтах 70°, 85°, не может быть меньше, чем 0,4°; 1,5°.
Если же постоянная составляющая скомпенсирована, то определяющее значение для погрешности корректируемого ГАК имеет дебаланс гироблока. Поскольку составляющие погрешности ГАК между собой не коррелированы, результирующая погрешность может оцениваться как среднеквадратичная.
Для плавания в высоких широтах предпочтительна схема однороторного корректируемого ГАК типа «Вега», управляемая от одного индикатора горизонта, а предельная погрешность курсоуказания с учетом допусков на входящие блоки и конструкцию изделия в целом на прямом курсе в широтах до 85° будет не менее 3,5°, в широтах свыше 87° ГАК ведет себя как гироазимут со слабым компасным эффектом [9].
Дальнейшее развитие корректируемых ГАК должно заключаться в модернизации нынешних систем и создании базы для разработки систем следующего поколения. Модернизация может заключаться как в конструктивных изменениях корректируемых ГАК (использование новых типов ЧЭ, переход на безредукторные системы, использование современной интегральной схемотехники, уменьшение
технологических погрешностей и т.д.), так и в математических моделях вычисления корректирующих сигналов ГАК. При этом необходим сбалансированный подход к внедрению возможных новшеств, чтобы сохранить, а в дальнейшем повысить важнейшие потребительские качества ГАК: точность, надежность и ресурс.
Следовательно, можно сформулировать основные задачи, требующие решения:
1. Разработка методов повышения точности ГАК при вводе широты и скорости судна, особенно при плавании в высоких широтах.
2. Разработка метода и его алгоритмического обеспечения автоматической компенсации дрейфа в режиме гироазимута
3. Разработка и создание цифровых систем стабилизации гироскопа и гироблока (следящих систем).
4. Разработка и создание цифровой системы интергральной коррекции.
5. Разработка метода уменьшения карданной погрешности.
6. Разработка метода и его алгоритмического обеспечения ускоренного пуска гироазимуткомпаса (приведения в меридиан).
7. Разработка и создание интерфейса пользователя.
Корректирующие моменты, формируемые специальной вычислительной схемой, исключают из показаний гирокомпаса широтную и скоростную девиации, в результате его чувствительный элемент находится в истинных плоскостях меридиана и горизонта. Это является важной отличительной характеристикой корректируемых гирокомпасов от гирокомпасов с непосредственным управлением.
Существует много способов снижения инерционной девиации гирокомпасов с косвенным управлением. Одним из самых очевидных из них, это снижение угловой скорости инерционной прецессии. Для этого необходимо увеличить период собственных незатухающих колебаний гирокомпаса. В действительности так и сделано: период в низких широтах находится в пределах 90 минут, далее, с увеличением широты увеличивается и в предельной рабочей широте составляет 160 - 170 минут.
Таким образом, из сказанного следует, что период незатухающих колебаний с широтой увеличивается, следовательно, инерционная девиация снижается.
Рассматриваемый гирокомпас теряет управляемость при периоде колебаний около 700 минут. Однако такое значительное его увеличение приводит к увеличению времени прихода гирокомпаса в меридиан до 20-ти и более часов. Подобная характеристика недопустима как с точки зрения требований международной морской организации, так и с точки зрения простой целесообразности.
В связи со сказанным выше возникают две взаимосвязанных задачи:
- какой период незатухающих колебаний можно считать оптимальным с точки зрения борьбы с инерционной девиацией;
- возможна ли автоматическая регулировка периода.
Очевидно, что решать первую задачу решать бессмысленно, если не решена вторая. Данная работа посвящена исследованиям именно второй задачи. При этом, если оптимальный период увеличит время готовности гирокомпаса более 6-ти часов, то необходимо найти способ ускоренного автоматического его прихода в меридиан.
Итак, решение второй задачи начнем с частного случая - ускоренное приведение гирокомпаса в меридиан. Причем желательно, чтобы эта операция не превышала одного часа, то есть время подготовки судна к выходу в море.
К существенным недостаткам ГАК, которые в основном вытекают из давности разработки самого ГАК, можно отнести:
- аналоговая схема управления переходными процессами ГАК без возможности оперативной перенастройки;
- длительное время прихода в меридиан (3-6 часов);
- электромеханическая система выработки корректирующих сигналов.
В лаборатории технических средств навигации кафедры технических средств судовождения Морского государственного университета им. адм. Г. И. Невельского была произведена глубокая модернизация ГАК «Вега-М». В результате без существенных изменений осталась только гиросекция (в ней СКВТ курса заменен на цифровой энкодер). Разработанная система управления гироблоком позволяет изменять параметры ГАК «Вега-С».
а
С точки зрения судоводителя вызывает интерес движение гирокомпаса в азимуте, то есть по углу .
Для оценки основных параметров ГАК при стендовых испытаниях использовались следующие выражения. Уравнение для угла отклонения в азимуте [10]
H 2ä + HAfL + HAy (ю1 + Ve/R )а = 0
или в нормальном виде
П= AJH
4=[Av(oj{ + VJR3)_
а + w0 = 0
T
-L- А
(1) (2)
где
Уравнение в форме Лапласа записывается в виде
W,
1 2 2h
2 Р +— Р +1 = 0
(3)
2 1 T = 2n
= T2 0
где и
i
H
Ayto1
H 2
^-Р
A Ю1
A 1
Ay
p +1 = 0
(4)
Очевидно, что эта формула описывает переходный процесс инерционного звена второго порядка, каким с достаточно высокой степенью
Ау/Н
точности является гиросфера корректируемого гирокомпаса. При установившемся режиме
, то
или
1 ■■ ^^ ■
-ос +—— ос +а = 0
®1 АуЩ
Т2а +Т ос +а = 0
или
Т 2 _ Н Т 2 _ А
Аущ ф
где - постоянная времени гиросферы;
Т _ А 11 _ л
Ау®1
- постоянная времени устройства управления. В форме Лапласа уравнение имеет следующей вид
^ ^ (5)
Т2р2 + Tip+1 = о. (6)
Td
В случае, когда демпфирующий момент отсутствует d , то гирокомпас совершает незатухающие колебания с периодом
То = Т 2 = Н
Аую^ cos ф
' . (7)
Td т0
Период d затухающих колебаний гирокомпаса всегда больше периода 0 незатухающих колебаний. Уравнения (4) и (7) показывают,
ю1
что оба этих периода зависят от широты места судна, поскольку от широты зависит значение угловой скорости 1 вращения горизонта.
Т
Исследуем возможность регулирования периода d затухающих колебаний и, как следствие, время прихода в меридиан.
Одним из недостатков серийного ГАК «Вега-М» является длительное время прихода в меридиан в режиме «Гирокомпас». Этот недостаток отсутствует у современных ГАК «Гюйс», «Меридиан», «PGM-C-009» у которых время прихода в меридиан в широте г. Владивостока (43,1°) составляет около 1 часа (для ГАК «Вега-М» - около 4 часов). Причем в широтах близких к предельным рабочим (более 75е) время прихода в меридиан также приближается к предельно допустимому (около 6 часов). Это происходит как раз из-за увеличения периода незатухающих, а значит и затухающих, колебаний с увеличением широты.
Снижение времени прихода гирокомпаса в меридиан, это сугубо эксплуатационное требование, поэтому зададимся приемлемым его
значением: время регулирования t ~ 75 МЫН . Это должен быть апериодический переходной процесс с приемлемым перерегули-
' f = 50
рованием в пределах 2 %. Отсюда следует, что фактор затухания [3].
Воспользуемся закономерностями, известными из теории автоматического управления и избавимся от дополнительной постоянной
T = 2T2 T = T
времени. Для апериодического звена 1 2 . Тогда примем 1 и в уравнении (6) произведем замену и введем коэффициент
d = Т2/ = Т2/ d /2T /2T
демпфирования (показатель затухания) 1 . Тогда уравнение (6) превращается в простое квадратное уравнение
'2 2
с корнями
Т2 р2 + 2dp +1 = 0
V V (8)
- d ±V d2 -1
P1,2 =-
T . (9)
Выражение для времени регулирования имеет вид [12]
П
t„ =
ю,
' Vw2
ю0
где 0 - частота незатухающих колебаний.
(10)
Выражение в знаменателе - частота затухающих колебаний [10]
юd =ю0л/1 + d2
d 0 . (11)
Тогда
П
О = — Т =
2п
ю
(12)
Дальнейшее решение упрощается тем, что известен фактор затухания. Тогда показатель затухания, коэффициент затухания, частота незатухающих колебаний и период соответственно равны [5]:
d =
n f
h =
Vn2 + П2 f \
4n2 d2
Td2 ( + d2) _
Ю0 =
ю
л/i - d:
Т =
2n
юг
(13)
(14)
Модули маятникового и демпфирующего моментов равны соответственно [10]:
А = ©н
У ©1 A = 2НИ
1 ■ 2
Для дальнейшего сравнения напомним, что соотношение модулей демпфирующего и маятникового моментов для ГАК «Вега-М»
А2/Ау = 0,045
принято .
Переходная функция звена при подаче на вход единичного ступенчатого воздействия (отклонения оси чувствительного элемента ГАК
из меридиана - коэффициент ^ ) и нулевых начальных значениях имеет вид
/
h(t )= к
1
2 , + О/
e
sin
О)
odt + arctg
ю
d
h
(15)
В таблице 1 приведены величины основных параметров ГАК «Вега-М» для широты г. Владивостока (^ 43,1 ). Таблица 1. Основные параметры ГАК «Вега-М»
Обозна чение Наименование Значение Размерность
н Кинетический момент гироскопа 0,4 Н-мс
A-JA> 0,045
AJH 0,0171 1 /с
AJH 0,00077 1 /с
CO® Угловая скорость вращения Земли 7,29-10"5 1 /с
Tg Постоянная времени ИГ 60 с
Ау Модуль управляющего момента 6,84-10~J Н-м/рад
Az Модуль демпфирующего момента 3,08-10"4 Н-м/рад
, A h = 2 H Степень демпфирования (коэффициент затухания) 0,38-10"3 1 /с
f Фактор затухания в ср =0, 60, 80 градусов 3, 6, 30
T0 Для широты Владивостока ср =43,1° 6586/110 с/мин
Td Для широты Владивостока ср =43,1° 7198/120 с/мин
kf То/Т, 0,915
tp ~ 75 мин f = 50
В результате расчетов при p и факторе затухания получены следующие величины параметров ГАК «Вега-С»:
d = 0,078 od = 0,698• 10-3 c~\ Td = 150мин h = 8,693• 10-4 c-1 T0 = 94 мин Az = 6,955 • 10-4 H • м/рад . Ay = 9,34 • 10-3 H • м/рад Az/Ay = 0,074
Вид экспериментального и теоретического переходного процесса показан на рис. 1.
Рис. 2. Графики экспериментального и теоретического переходного процесса
Литература:
1. Бирюк А.О., Завьялов В.В. Анализ возможных путей совершенствования современных гироазимуткомпасов. Сборник докладов 56-й международной молодежной научно-технической конференции «МОЛОДЕЖЬ-НАУКА-ИННОВАЦИИ», 26-27 ноября 2008 г. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2009. - С. 12-15.
2. Завьялов В.В., Перечёсов В.С., Бирюк А.О. Систематизация выражений для расчёта и результаты расчётов основных параметров гироазимуткомпаса «Вега» по результатам обработки кривых затухающих колебаний. Вестн. Морского государственного университета. Вып. 32. Серия: Судовождение. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2009. - С. 16-22.
3. Завьялов В.В., Перечёсов В.С., Бирюк А.О. Гироазимуткомпас «Вега» с апериодическим характером прихода в меридиан. Вестн. Морского государственного университета. Вып. 32. Серия: Судовождение. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2009. - С. 23-25.
4. Завьялов В.В., Саранчин А.И. Возможности улучшения некоторых эксплуатационных характеристик гироазимуткомпаса. Вестник Морского государственного университета. Вып. . Серия: Судовождение. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2015. - 101 с. - С. 62-73.
5. Коган, В. М. Судовой гироазимуткомпас «Вега» / В. М. Коган, М. В. Чичинадзе. - М. : Транспорт, 1983. - 200 с.
6. Кошляков В. И. Теория гироскопических компасов М., Наука, 1972.
7. Коган В. М., Чичинадзе М. В. Развитие корректируемых гирокомпасов, Судостроение №2, 1986.
8. Задача коррекции в инерциальной навигации /Н. А. Парусников и др. Изд. МГУ, М., 1982.
9. Чичинадзе М. В. Погрешности корректируемых гирокомпасов при плавании в высоких широтах, Судостроение №2, 1987.
10. Смирнов, Е. Л. Технические средства судовождения: Теория: Учебник для вузов / Е. Л. Смирнов, А. В. Яловенко, А. А. Якушенков / Под ред. Е. Л. Смирнова. - М.: Транспорт, 1988. - 376 с.
11. Новые технические средства судовождения / Н. В. Герасимов и др. Под общ. Ред. А. А. Якушенкова. - М.: Транспорт, 1973. - 264 с.
12. Перминов, И. Г. Выбор параметров двухрежимного корректируемого гирокомпаса / Приборостроение, сб. научн. тр. № 156. Пермь: 1974. - С. 30-34.
