Лекция №4 Управление маховиками и силовыми гироскопами (1245251)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМИ СТАБИЛИЗАЦИЯ КА10 семестр. Симоньянц Р.Пгруппа АК1-101Модуль 3. Лекция 4Тема:Управление маховиками и силовымигироскопамиПринцип управления с накоплением кинетического момента. Типыгироскопических стабилизаторов, их особенности и конструктивныесхемы. Одноосные маховики. Электромеханические приводы и ихмоментные характеристики. Двухстепенные и 3-степенныегироскопические стабилизаторы, гироскопические рамы.Стабилизация одноосным маховиком по тангажу. Влияниевозмущающих моментов и начальных условий на процесс изменениякинетического момента. Влияние трения и вентиляционныхмоментов.1Роль инерционных ИО в решении задач управленияориентацией и стабилизации КАЗадачи наведения и управления ориентацией осей связанной системы координат актуальны длявсех космических аппаратов. Система управления ориентацией и стабилизации КА включает в себясистему ориентации (СО) и исполнительные органы (ИО).СО включает измерители (датчики) и преобразователи , определяющие состояния (угловоеположение и угловые скорости) КА в процессе управляемого движения относительно центра масс КА.1)2)3)4)ИО обычно включает в себя:реактивные двигатели (РД) – газоструйные сопла, ЖРД и электрореактивные ДУ;инерционные ИО (ИИО) – двигатели-маховики и силовые гироскопы;трёхкомпонентный магнитный привод (МП);ИО, основанные на использовании сил аэродинамики, гравитации, солнечного давления.РД используется при гашении начальных угловых скоростей, в режимах построения требуемойориентации (разворотов), для разгрузки ИИО, в аварийных ситуациях при отказе ИИО.ИИО используются для длительной экономичной стабилизации и многократной переориентации.В качестве ИИО применяют маховики и силовые гироскопы (гиростабилизаторы).Первая электромеханическая система управления ориентацией и стабилизации была создана в СССРпод руководством А.Г.

Иосифьяна и впервые успешно испытана в апреле 1963 года на спутниках«Космос-14», «Космос-23». В США аналогичная система ориентации была испытана на спутнике«Нимбус» в августе 1964 года.2Принцип управления с накоплениемкинетического моментаДинамические уравнения КЛА как системы «твердое тело + ИИО»:H  Κ  L,Κ  K1e1  K 2 e2  K3e3 , K i  J i i ;L  L1e1  L2 e2  L3e3 , Li  I i i .H , K , L – кинетический момент системы, корпуса КА и маховиков соответственно;Ji , Ii , – моменты инерции корпуса КА и ИИО по осям ССК 0x1x2x3e1 ,e2 , e3 единичные векторы осей 0x1x2x3Ω  угловая скорость маховика;На основании теоремы об изменении кинетического момента имеем:dL dΚωΚMωLb dtdt dL  M  k  Luв dt(3)Здесь: Ми – управляющий момент электропривода (внутренний момент системы);kв – коэффициент вентиляционного момента (внутренний момент системы).3Накопление кинетического момента Lинерционными ИОПри идеальной стабилизации в инерциальной системе координат К = const = 0, тогда: dL dt  M b , dL  M  k  Luв dt(4)При идеальной стабилизации в инерциальной системе координат К = const = 0, тогда:L  L 0   M b  t  dt(5)Из (5) следует:1) ИИО накапливает кинетический момент, если Мb(t) имеет постоянную составляющую.1) Скорость накопления пропорциональна Мb2) Управляющий момент парирует внешний возмущающий момент Мb и внутренний вентиляционный, которыйрастёт по мере накопления L.3) Достигнув предельного значения L = Lд ИИО требует разгрузки. Lд  I д ;д   m 4Типы гироскопических стабилизаторов,их особенности и конструктивные схемыГироскопический силовой стабилизатор – осесимметричный ротор (гироскоп) с однойили несколькими угловыми степенями свободы относительно основания – инерционныйисполнительный орган (ИИО)Одноосный маховик – гиростабилизатор с одной степенью свободыУправляющий момент создаётся только за счёт изменения модуля кинетического моментаLdLdI M упр  M сdtdtM упр , M с – управляющий момент и(6)моментсопротивленияУправляющий моментмаховика – реакция статора нараскрутку ротора.5Управляющий моментM упр  M э F   F     управляющий момент F  1управляющий сигнал:    ,   ,  , , M э  M э M э  электромагнитный момент зависит от типаэлектродвигателяд граница допустимых значений скорости маховика m  критическое значение (потеря управляемости)   m ,  m В интервале допустимых значений скорости маховика могутприменяться как линейные, так и релейно-импульсные алгоритмыуправления.M с  момент сопротивления (6) на оси маховика из-за трения в цапфах и газовую среду,окружающую маховик (вентиляционный момент)6Трёхосная стабилизацияодноосными маховикамиВарианты конструкцийодноосных маховиков7Комплект блоков двигателя-маховикаОбозначения:1.

- защитный кожух2. - монтажная ось3. - электрический соединитель4. - монтажная поверхность↔ - направление вектора кинетического момента8Двигатели-маховики ДМПример: эксплуатировались на КА "МЕТЕОР-3", "РЕСУРС", "ЭЛЕКТРО" (GOMS)НПП ВНИИЭМ им. А.Г. Иосифьяна9Пример конструкции ДМ на базе бесконтактного электродвигателя постоянного токаПараметры: N = 5 Вт, U = 12 В; L = 0,5 Hмс; максимальная скорость 628 рад/с10Двухстепенной гироскопический стабилизаторДвухстепенный стабилизатор – это гироскопс одной осью подвеса, несущей привод.x3Гироузел – ротор на подшипниках в подвесе.Подвес закреплен на подшипниках в корпусе КАx3L0M Гmx1Тогда проекции гироскопическихмоментов равны:x2x2L  кинетический момент ротора;I  момент инерции гироузла относительно;m  крутящий момент от привода на оси подвеса;,  MГ угол и угловая скорость (прецессии);управляющий гироскопический момент;Проекции полного кинетического момента системына оси ССК при условно неподвижном корпус КА ( ω  0 ) :H1  IM Г1  0,d,dtM Г2  LH 2  L cos ,dsin ,dtH 3  L sin M Г3   L(7)dcos dt(8)11Управляющий момент двухстепенного стабилизатораУправляющий момент двухосного стабилизатора при таком его расположении на КА, какпоказано на приведённой выше схеме, с учётом угловой скорости движения КА имеет вид: M1  L3 cos   L2 sin   I ,M 2  L sin   L1 sin   L cos   I 3, M 3   L cos   L1cos  L sin   I 3(9)В (9) включены: 1) гироскопические моменты (8), 2) отброшенные ранее гироскопические моментыот угловой скорости КА, 3) реактивный момент от ускоренного поворота гироузла, 4) реактивныймомент от ускоренной раскрутки и торможения ротора (можно использовать как управляющий).Главный недостаток управляющего момента (9) – неавтономность управления: создавая, например,управляющее воздействие по оси x3, прикладываем крутящий момент m к гироузлу по оси x1.

Приэтом возникает управляющий момент не только по оси x3, но и по оси x2. Для снижения этогонедостатка ограничивают пределы допустимого отклонения угла прецессии ɛ < ɛд .При достаточно малом ɛ вектор L направлен по оси x1 или близок к ней по направлению.Тогда управляющий момент в проекциях на оси ССК можно записать в виде:M1  L3  I ,M 2   L,M 3   L  L1При малых угловых скоростях КА выражения (8) упрощаются:M1  0,M 2   L,M3   L(10)12Уравнения движения двухстепенного гироскопического стабилизатораЕсли двухстепенный стабилизатор размещён на КА так, как показано на схеме выше (осьротора направлена по оси 0x2 ), то, с точностью до малых высшего порядка, уравнения егодвижения можно записать в виде:I   m  L3 .(11)В (11) m - момент, формирующий управляющее воздействие, – прикладывается к гироскопическомуузлу и вызывает прецессии. Скорость прецессии, в свою очередь, вызывает гироскопический момент.Из-за малости момента инерции гироскопического узла I (в сравнении с КА J >> I), малымкрутящим моментом m , приложенным к гироскопу, создаются большие скорости прецессии и,следовательно, большие гироскопические моменты.Таким образом, двухстепенный силовой гироскоп обладаетсвойством механического усилителя управляющего момента –– «моментного рычага»Из (11) следует ещё одно важное свойство двухстепенного гироскопического стабилизатора:сильная отрицательная обратнаяй связь по скорости в канале управления без участиясистемы управления (естественная механическая обратная связь).

Эта связь оказывает на КАдемпфирующее действие.Однако ограничение угла прецессии ɛ приводит к чрезвычайно большому недоиспользованиюдвухстепенного гироскопического стабилизатора как исполнительного органа СУ КА.13Насыщение и разгрузка гироскопического стабилизатораИз (9) следует, что двухстепенной гироскопический стабилизатор утрачивает способностьсоздавать управляющий момент, когда угол прецессии гироузла достигнет значенияɛ = π ∕2.Обычно угол прецессии гироузла ограничивают предельными значениями :   д , д  , д  10 ...20(12)Разгрузка гироскопического стабилизатора заключается ввосстановлении ортогональности оси ротора по отношению кстабилизируемой оси ССК.

Для разгрузки используется второйконтур исполнительных органов (не инерционных).Возможны два варианта разгрузки:1) КА переводится в режим стабилизации реактивными двигателями. При этомк оси подвеса гироскопического узла прикладывается такой момент m, который вызываетпрецессию обнуления угла ɛ.2) Используются неинерционные исполнительные органы, специальнопредусмотренные для разгрузки (магнитные катушки, гравитационные штанги и т.п.).Ими создаются внешний момент, гарантированно уменьшающий до нуля угол прецессиигироскопического узла.14Применение гироскопических рамГироскопическая рама – это спаренные двухстепенные гироскопическиестабилизаторы, обеспечивающие параллельность суммарного кинетическогомомента роторов по отношению к направлению оси стабилизации .В исходном положении главные оси гироскоповпараллельны противоположно направлены.x3LdHMdtx3x3HMLx2x1mx1m0x2Суммарный вектор кинетического момента направлен по оси x3.Управляющий момент (гироскопический) направлен по x3 , асоздаётся за счёт вращения гироскопа вокруг оси x1 моментом m15Управляющий момент гироскопической рамыПроекции вектора кинетического момента гироскопической рамы на оси ССК КА равны :H 1  0,H 2  0,H 3  2 L sin (13)Эффективность работы гироскопической рамы снижается при углах ɛ →ограничения на допустимую величину угла прецессии, аналогичные (12).При этом   д , д  , д  60 ,80 π ∕2.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций