Системы свс-пн с бесконтактным вычислителем

 

В системах СВС — ПН в бесконтактном аналоговом вычислителетеле решаются расчетные формулы относи­тельно высоты Н, скорости V_H, числа М соответственно. Для вычисле­ния истинной воздушной скорости V используется формула, получен­ная следующим образом.

Как указывалось, температура торможения

(2.1)

Учитывая, что скорость звука , выражение (2.1) можно переписать как

(2.2)

Поскольку то с учетом формулы (2.2) расчетная зависимость для скорости

(2.3)

Относительная барометрическая высота

Н_отн = Н - Н_з

где Н_з - абсолютная барометрическая высота на уровне Земли, относительно которой отсчитывается Н_отн.

Отклонения числа М, скорости V_Ht высоты Н от заданных значе­ний М_зад, V_изад, Н_зад находятся из выражений:

Элементы входящие в состав систем типа СВС — ПН, представле­ны на рис. 2.3. В состав систем СВС—ПН могут входить также вы­числители аэродинамических поправок (ВАП), законы формирова­ния которых зависят от типа самолета.

Вычислитель скорости, числа М и высоты ВС MB работает при по­даче на его вход сигналов: давлений р и р_п от приемников воздушных давлений; температуры торможения Т_т в виде сопротивления R_Т от приемника температуры заторможенного потока; высоты Н_з задан­ного уровня Земли от указателя относительной барометрической вы­соты УВО. Ввод сопротивления, пропорционального высоте Н_з как функции давления р₃ на заданном уровне Земли, осуществляется функциональным потенциометром, воспроизводящим функцию Н_з = f(p), при вращении ручки ввода давления р₃ на лицевой части ука­зателя УВО.

Системы свс с вычислительными устройствами, совмещенными с указателями

 

В системах СВС с вычислительными устройствами, совмещенными с указателями, решаются те же зависимости, что и в системах типа СВС—ПН.

В основу вычислительных устройств здесь положены мостовые схе­мы. Для определения числа М используется потенциометрическая схема деления, для нахождения температуры Т наружного воздуха и скорости V — реостатные мостовые схемы умножения, для вычисления высоты Н_отн — потенциометрическая схема вычитания. Во всех этих схемах на вход усилителя следящей системы поступает сигнал рассог­ласования с задающих и отрабатывающих потенциометров, который после усиления приводит во вращение ротор двигателя. Двигатель через редуктор перемещает щетки потенциометра отработки и выход­ных потенциометров (подвижные элементы синусно-косинусных транс­форматоров), а также стрелку визуального отсчета. Двигатель ревер­сируется за счет изменения фазы сигнала рассогласования.

Блок датчиков давлений БД. Он состоит из датчиков статического р и динамического давлений р_дин,элементов встроенного контроля и трансформаторов, обеспечивающих электрическое питание. Относи­тельные сопротивления, пропорциональные выходным параметрам р, Н, р_дин, V_И, выдаются функциональными потенциометрами блока, щетки которых соединены с двигателями следящих систем.

По кинематической схеме и принципу действия датчик статического давления р аналогичен корректору КЗВ в режиме «обнуления» Датчик динамического давления р_дин отличается от датчи­ка статического давления р лишь УЧЭ (манометрическая коробка) и выходными фукциональными потенциометрами.

Указатель Н_отн (рис. 2.11). Данный указатель построен по типо­вой потенциометрической мостовой схеме вычитания, решающей зави­симость Н_отн = Н - Н_зад. Входными величинами являются: высота Н в виде перемещения y (Н) щетки потенциометра В2 (входит в состав блока БД); высота Н_зад в виде перемещения х щетки потенциометра В1 в результате поворота ручки ввода Н_зад. Значение Н_зад отражает­ся на счетчике Сч. Автоматическое действие моста достигается за счет следящей системы, состоящей из усилителя У, двигателя М и редукто­ра Р`. При изменении переменной у или х равновесие моста нарушает­ся и на вход усилителя поступает сигнал рассогласования. Двигатель М, перемещая щетку потенциометра В3, восстанавливает равновесие моста. Условием равновесия моста является равенство

 

Рис. 2.3. Структурная схема системы типа СВС-ПН

Вычислитель питается через фильтр Ф переменным током (115 В, 400 Гц) и через блок питания БП постоянным током. Напряжения, про­порциональные параметрам Н, Н_отн, V, преобразуются в соответст­вующие сопротивления блоками БПнП.

Сигналы в каналах Н_отн, V, М усиливаются блоками питания с усилителями БЛУ,работающими в комплектах с указателями УВО, воздушной и путевой скорости УСВПк, числа М УМ. При соответст­вующей установке переключателя, на указателе УСВПк системы СВС — ПН дают возможность индикации путевой скорости V_n no данным доплеровского измерителя ДИСС.

Вычислитель ВСМВ. Он предназначен для решения и выдачи в виде напряжений сигналов, пропорциональных Н, H_отн, M и V. Вычис­литель ВСМВ (рис. 2.4) состоит из индукционных датчиков статиче­ского и динамического давления ДДСИ и ДДДИ, функциональных преобразователей напряжения ПНФ, полупроводниковых усилите­лей У, трансформаторов Т. В вычислителе ВСМВ при решении при­веденных выше зависимостей используется метод суммирования электрических сигналов. Этим объясняется логарифмирование па­раметров, входящих в расчетные зависимости.

Зависимости прогибов УЧЭ датчиков ДДСИ и ДДДИ от давлений меняются по логарифмическому закону. Характеристики индукцион­ных преобразователей этих датчиков являются линейными. В связи с этим характеристики датчиков ДДСИ и ДДДИ по давлениям в целом меняются по логарифмическому закону. В целях упрощения изложе­ния в тексте и на рис. 2.4 коэффициенты пропорциональности опу­щены.

Рис. 2.4. Функциональная схема вычислителя ВСМВ

_{Рис. 2.5. схема умножения с помощью трансформатора}

Основные функциональные преобразования в соответствии с расчетными формулами осуществляются преобразователями ПНФ(ПНФ1 и ПНФ2 — АЛЯ ДДСИ, ПНФЗ — ддя ДДДИ). С помощью ПНФ4 получается сигнал в виде напряжения U₉, пропорциональный числу М. ПНФ5 в канале скорости V позволяет получить сигнал в виде напряжения

(2.4)

Этот сигнал подается через усилитель У11 на первичную обмотку трансформатора ТЗ, реализующего формулу (2.3). Ввод величины обеспечивается за счет изменения входного сопротивления транс­форматора ТЗ при изменении сопротивления R_т, подключенного к его вторичной обмотке L2 (рис. 2.5).

Сопротивление, приведенное к первичной обмотке L1 трансформато­ра с коэффициентом трансформации K_T, R’_T = R_T/ K²_T.

На выходе трансформатора ТЗ (без учета входного сопротивления усилителя У12 и сопротивлений обмоток трансформатора) напряжение

(2.5)

В приведенной схеме напряжение U_вх пропорционально функции f (M)v а отношение R’_T / (R + R’_T) пропорционально величине . Поэтому выражение (2.5) определяет скорость V. После суммирова­ния с начальным напряжением U₀₆ это напряжение (U₁₃) через усили­тель У12 и размножающий трансформатор Т4 поступает к потреби­телям (см. рис. 2.4).

Полупроводниковые усилители У1...У2 предназначены для уси­ления сигналов по мощности и напряжению. С трансформаторов на­чальных значений, не показанных на рис. 2.4, в каналы параметров Н, Н_отн, V, числа М вводятся сигналы U₀₁ — U₀₆ начальных напря­жений для компенсации ненулевых остаточных сигналов и фазовых ис­кажений в каналах системы.

На входы усилителей У1, У4, У6 могут подаваться контрольные сигналы U_эт1 и U_эт2 встроенного контроля, соответствующие тесто­вым значениям р и р _дин. К вторичной обмотке трансформатора ТЗ вместо сопротивления R_Т подключается в этом случае сопротивление R_Т.

Датчики ДДСИ и ДДДИ. Эти датчики имеют одинаковые принципи­альные схемы и отличаются лишь УЧЭ: в ДДСИ применяется анероидная коробка, а в ДДДИ—манометрическая коробка. В датчике ДДСИ (рис. 2.6) имеются два индукционных преобразователя. Каждый ин­дукционный преобразователь состоит из двух неподвижных первичных обмоток L1, L2 (L3, L4), включенных встречно, и подвижной вторич­ной обмотки L5 (L6), Вторичная обмотка перемещается жестким цент­ром анероидной коробки Е. Обмотки L5, L6 включены последователь­но. Перемещение жестких центров анероидных коробок встречное, что позволяет исключить погрешности от ускорений вдоль осей обмоток. Изменение статического давления р приводит к перемещению под­вижных обмоток относительно неподвижных. В них наводятся ЭДС, которые суммируются. С выхода датчика снимается напряжение U₁ = f (lgp).

Для уменьшения температурных погрешностей датчика использует­ся термостатирование с помощью нагревательного элемента В, реле К5 и биметаллических термоэлементов S1 и S2. Поддерживаемая температура (45±5) °С. При увеличении температуры элемент S1 разрывает цепь питания реле К5. При отказе элемента S1 и темпера­туре 60 °С срабатывает элемент S2.

Смещение нуля выходного сигнала устраняется мостиковым термокомпенсатором первого рода, состоящим из резисторов R9 — R12. Изменение наклона характеристики датчика компенсируется термокомпенсатором второго рода с помощью резисторов R7, R8.

Преобразователи ПНФ. Заданная функция U_вых = f (U_BX) в пре­образователях ПНФ воспроизводится методом кусочно-линейной ап­проксимации. Преобразователи ПНФ состоят из отдельных ячеек, каж­дая из которых рассчитана на аппроксимацию функции одним отрез­ком. Так как все решаемые зависимости, кроме соотношения (2.3), на рабочих участках представляются вогнутыми либо выпуклыми, рассмотрим преобразователи ПНФ для воспроизведения этих двух ви­дов функций.

_{Рис. 2.6. Принципиальная схема датчика статического давления типа ДДСИ}

В схеме ПНФ постоянного тока (рис. 2.7, а) при U_вх = 0 все ячей­ки заперты опорными напряжения­ми источников G1 — GN. При уве­личении U_BX напряжение U_вых на выходе растет линейно, причем на­клон первого участка (рис. 2.7, б) определяется резисторами R1, R_н. При U_вх = U_t ≥ U_G1 диод VI открывается и резистор R2 шун­тирует резистор R_н. Крутизна ха­рактеристики меняется. Остальные ячейки работают так же.

Схема ПНФ переменного тока для воспроизведения выпуклых функций (рис. 2.8, а) состоит из ячеек с резисторами и диодами. Количество ячеек соответствует числу аппроксимирующих отрезков. Выходное напряжение снимается с резистора R. Конденсатор С предназначен для регулировки фазы U_BX.

Рассмотрим работу схемы на примере работы первой ячейки, состо­ящей из резисторов R2, r1, r’1 и диодов VI, V’I. Опорные напряжения U_{о оп1} и U’_оп1 равны между собой. Резисторы rl и г'1 образуют две па­раллельные цепи, питаемые через диоды VN и V’N опорным напряже­нием U_on. Пусть в положительный полупериод синфазных напряже­ний U_BX и U_on потенциалы на элементах схемы распределены так, как это показано на рис. 2.8, а. Диод VN открыт. В результате возникает опорное напряжение U _оп1.

Диод V1 при 0 < U_вых < U _оп1 закрыт опорным напряжением U _оп1, а V’1 закрыт напряжением U_вых. При отрицательном полупе­риоде напряжений U_вх и U_оп (потенциалы указаны в скобках) диод V’N открыт. Функции запирающих напряжений поменяются, диоды V1 и V’1 будут закрыты, ток по резистору R2 не протекает.

С ростом U_ьх при U_вых > U _оп1 диод V1 (V’1) откроется, резистор R_н зашунтируется резистором R2. Крутизна характеристики U_вых= f (U_вх) на втором участке уменьшится. При U_BbIX > U_оп2 откроет­ся вторая ячейка и подключится резистор R3 и т. д.

Схема ПНФ для воспроизведения вогнутых функций (рис. 2,8,б) работает аналогично. Отличие от схемы ПНФ по рис. 2.8, а состоит лишь во включении резистора R_H. Условием отпирания первой ячейки ПНФ здесь служит неравенство U_вх — U_вых> U _оп1.

Крутизна характеристики U_вых = f (U_вх) возрастает, так как шунтирующий резистор R2 подключается параллельно ограничиваю­щему резистору R1.

Преобразователь ПНФ5 (см. рис. 2.4) для воспроизведения зави­симости f(M)v, приведенной на рис. 2.8, в, представляет комбинацию двух ПНФ (рис. 2.8, г), один из которых служит для воспроизведе­ния вогнутых, а другой — выпуклых функций. С увеличением U_вх первыми открываются диодные ячейки, шунтируемые резистором R1, а затем ячейки, шунтируемые резистором R2.

Точность воспроизведения характеристик зависит от числа аппрок­симированных участков заданной функции, а следовательно, числа ячеек ПНФ.

Блок БПнП. Он построен по принципу самобалансирующейся мостовой схемы. Блок (рис. 2.9, а) состоит из электрического моста, усилителя У, двигателя-генератора ДГ потенциометра отработки П_ос, выходных потенциометров П_вых.

Поступающее на вход напряжение U_вх из вычислителя сравнивает­ся с помощью мостовой схемы с напряжением, снимаемым с потенцио­метра Ясс- Сигнал рассогласования через усилитель У поступает на управляющую обмотку двигателя-генератора ДГ вращение которого передается на щетки потенциометров П_ос и П_вых и продолжается,

Рис. 2.9. Функциональные схемы блоков БПнП (а) и БКМЭ (б)

пока существует это рассогласова­ние. Сопротивление потенциомет­ров П_вых при этом соответствует входному напряжению.

В схеме используется лекаль­ный корректор (на рисунке не по­казан), предназначенный для ком­пенсации систематических инстру­ментальных погрешностей. Допол­нительный поворот щеток потен­циометров П_ос и П_вых на величину поправки обеспечивается регули­ровкой профиля лекала коррек­тора.

Для улучшения работы следя­щей системы в динамическом ре­жиме в схеме использовано напря­жение отрицательной обратной свя­зи, выдаваемое генераторной об­ моткой двигателя-генератора ДГ.

Блок БКМЭ. Он выдает сигнал, пропорциональный ∆М, в виде на­пряжений постоянного и переменного тока.

 

 

_{Рис. 2.10. Принципиальная схема указателя УВО}

На вход блока БКМЭ (рис. 2.9, б) поступает сигнал, пропорцио­нальный числу М, в виде напряжения переменного тока частотой 400 Гц. В режиме слежения сигнал сравнивается с сигналом, снимаемым с индукционного преобразователя угла ИП. Сигнал рассогласования ∆U через усилитель У подается на обмотку управления двигателя-генератора ДГ, выходной вал которого через редуктор Р' вращает подвижной элемент ИП и щетки выходных потенциометров П. Враще­ние продолжается, пока сигнал рассогласования не станет равным ну­лю. Каждому значению числа М в режиме слежения соответствует оп­ределенное значение выходного сопротивления R потенциометров П. Назначение генераторной обмотки Г такое же, как и в блоке БПнП.

Режим коррекции включается при подаче сигнала «коррекции» (+27 В) на обмотку реле K1. При этом к выходу усилителя У подклю­чается фазочувствительный усилитель ФЧУ, двигатель-генератор от­ключается. В результате при изменении сигнала на входе блока БКМЭ на выходе ФЧУ появятся сигналы, пропорциональные ∆М. При сня­тии сигнала «коррекции» блок БКМЭ продолжает работать в режиме слежения.

Указатель УВО. Он состоит (рис. 2.10) из канала отработки и ин­дикации величины Н_отн и канала выдачи относительного сопротивле­ния, пропорционального величине Н₃ как функции давления р_з.

Канал Н_отн построен по принципу самобалансирующейся мосто­вой схемы. Поступающий с выхода вычислителя электрический сигнал U_вх пропорциональный величине Н_отн, с помощью двигателя М от­работки и редуктора Р1 преобразуется в угловое перемещение стрелок и барабанов счетчика Сч. Одновременно двигатель перемещает щетку потенциометра В1 обратной связи и меняет напряжение U_вг в диаго­нали ВГ моста.

Управляющий сигнал на обмотку ОУ двигателя М следящей систе­мы подается с усилителя блока БПУ, на вход которого поступают раз­ность напряжений U_вх и U_вг, а также сигнал скоростной обратной связи с обмотки ОС генератора G. Малая стрелка на лицевой части указателя служит для отсчета километров, а большая — десятков и сотен метров. Счетчик показывает высоту в километрах.

В равновесном положении схемы U_вх = — U_вг и напряжение на входе блока БПУ равно нулю. Каждому значению H_отн соответствует определенное положение щетки потенциометра В1 и угол поворота стрелок указателя и барабанов счетчика.

Канал H₃ состоит из потенциометра В2, редуктора Р2 и счетчика Сч. Давление р₃ вводится кремальерой, с которой связаны счетчик и щетка функционального потенциометра В2, выдающего в вычислитель ВСМВ сигнал H₃ = f(р₃). Обмотки OB1, OB2 являются обмотками возбуждения двигателя и генератора, резисторы R3, R4,R6 — юстировочные.

Указатели УСВПк и УМ. Эти указатели также построены по прин­ципу самобалансирующейся мостовой схемы, их работа аналогична ра­боте указателя УВО с блоком БПУ.

В указателе УСВПк в зависимости от положения переключателя «Возд.— пут.» на фланце указателя следящая система указателя под­ключается к вычислителю системы СВС или ДИСС

Блоки БПУ. Они обеспечивают усиление сигналов рассогласования в каналах Н_отн, V, числа М и питание обмоток возбуждения двигате­ля и генератора в следящей системе. Блок БПУ состоит из полупровод­никового усилителя, трансформатора и конденсатора, обеспечивающе­го сдвиг фаз на 90° напряжений обмоток возбуждения и управления двигателя. Полупроводниковый усилитель имеет два каскада предвари­тельного усиления, фазовый фильтр, предконечный каскад усиления и выходной усилитель мощности.

Блок питания БП. Он предотвращает амплитудные выбросы значе­ний борт сети постоянного тока. Принцип стабилизации напряжения в блоке основан на сравнении выходного напряжения с опорным напря­жением. Разность этих напряжений служит для управления регули­рующим элементом через усилитель обратной связи. Блок питания со­стоит из выпрямителей и стабилизатора напряжения на полупроводни­ковых элементах.

Фильтр Ф. Он уменьшает нелинейные искажения напряжения бор­тового источника питания 115 В 400 Гц. Фильтр состоит из последова­тельного и параллельного колебательных контуров LC, настроенных на резонанс с частотой 400 Гц. Последовательный контур для частоты 400 Гц имеет минимальное сопротивление, параллельный — макси­мальное. Коэффициент передачи фильтра на частоте 400 Гц близок к единице. На частотах выше 400 Гц резко уменьшается.

Теория гироскопа.

Гироскоп - это массивное аксиально-симметричное тело, вращающееся с большой угловой скоростью вокруг своей оси симметрии.

В этом случае моменты всех внешних сил, включая и силу тяжести, относительно центра масс гироскопа равны нулю. Это можно реализовать, например, поместив гироскоп в карданов подвес, изображенный на рис.1.

Рис.1

 

При этом

и момент импульса сохраняется:

L=const (2)

Гироскоп ведет себя так же, как и свободнее тело вращения. В зависимости от начальных условий возможны два варианта поведения гироскопа:

1. Если гироскоп раскручен вокруг оси симметрии, то направления момента импульса и угловой скорости совпадают:

, (3)

и направление оси симметрии гироскопа остается неизменным. В этом можно убедиться, поворачивая подставку, на которой расположен карданов подвес - при произвольных поворотах подставки ось гироскопа сохраняет неизменное направление в пространстве. По этой же причине волчок, "запущенный" на листе картона и подброшенный вверх (рис.2), сохраняет направление своей оси во время полета, и, падая острием на картон, продолжает устойчиво вращаться, пока не израсходуется запас его кинетической энергии.

Рис.2

 

Свободный гироскоп, раскрученный вокруг оси симметрии, обладает весьма значительной устойчивостью. Из основного уравнения моментов следует, что изменение момента импульса

Если интервал времени мал, то и мало, то есть при кратковременных воздействиях даже очень больших сил движение гироскопа изменяется незначительно. Гироскоп как бы сопротивляется попыткам изменить его момент импульса и кажется "затвердевшим".

Возьмем гироскоп конусообразной формы, опирающийся на стержень подставки в своем центре масс О (рис. 3). Если тело гироскопа не вращается, то оно находится в состоянии безразличного равновесия, и малейший толчок сдвигает его с места. Если же это тело привести в быстрое вращение вокруг своей оси, то даже сильные удары деревянным молотком не смогут сколько-нибудь значительно изменить направление оси гироскопа в пространстве. Устойчивость свободного гироскопа используется в различных технических устройствах, например, в автопилоте.

Рис.3

 

2. Если свободный гироскоп раскручен так, что вектор мгновенной угловой скорости и ось симметрии гироскопа не совпадают (как правило, это несовпадение при быстром вращении бывает незначительным), то наблюдается движение, описанное как "свободная регулярная прецессия". Применительно же к гироскопу его называют нутацией. При этом ось симметрии гироскопа, векторы L и лежат в одной плоскости, которая вращается вокруг направления L=const с угловой скоростью, равной где - момент инерции гироскопа относительно главной центральной оси, перпендикулярной оси симметрии. Эта угловая скорость (назовем ее скоростью нутации) при быстром собственном вращении гироскопа оказывается достаточно большой, и нутация воспринимается глазом как мелкое дрожание оси симметрии гироскопа.

Нутационное движение легко продемонстрировать с помощью гироскопа, показанного на рис. 3 - оно возникает при ударах молотком по стержню вращающегося вокруг своей оси гироскопа. При этом чем сильнее раскручен гироскоп, тем больше его момент импульса L - тем больше скорость нутации и тем "мельче" дрожания оси фигуры. Этот опыт демонстрирует еще одну характерную особенность нутации - с течением времени она постепенно уменьшается и исчезает. Это - следствие неизбежного трения в опоре гироскопа.

Наша Земля - своего рода гироскоп, и ей тоже свойственно нутационное движение. Это связано с тем, что Земля несколько приплюснута с полюсов, в силу чего моменты инерции относительно оси симметрии и относительно оси, лежащей в экваториальной плоскости различаются. При этом , а . В системе отсчета, связанной с Землей, ось вращения движется по поверхности конуса вокруг оси симметрии Земли с угловой скоростью w₀, то есть она совершает один оборот примерно за 300 дней. На самом деле в силу, как предполагается, неабсолютной жесткости Земли, это время оказывается больше - оно составляет около 440 суток. При этом расстояние точки земной поверхности, через которую проходит ось вращении, от точки, через которую проходит ось симметрии (Северный полюс), равно всего нескольким метрам. Нутационное движение Земли не затухает - по-видимому, его поддерживают сезонные изменения, происходящие на поверхности

2.7.1.1