Гирокомпас Вега

Курсоваяработа на тему:
«Гирокомпас Вега»

Владивосток
2000
Введение
      Одной из характерных чертразвития современного морского флота является повышение скорости судов.Этопоставило перед навигационным оборудованием сложную зада­чу — обеспечитьбезопасность мореплавания судов такого типа. В решении этой задачи важное местозанимает создание гиро­компасов, которые могли бы при высокой скорости, аследователь­но, и лучшей маневренности судов, вырабатывать истинный курс свысокой точностью. Этому требованию в большой степени отве­чаютгирокурсоуказатели с электромагнитным управлением.
Основное отличие гирокомпасов с электромагнитным управле­ниемот ранее известных типов заключается в том, что в них в ка­чествечувствительного элемента (ЧЭ) используется астатический гироскоп, а дляпридания ему компасных свойств применяются датчики моментов, действующих поосям прецессии гироскопа в зависимости от угла отклонения его главной оси отплоскости горизонта.
Угол отклонения главной оси гироскопа измеряется физиче­скиммаятником, установленным на камере гироскопа, но не на­кладывающим моментов нагироскоп. Такой маятник (его лучше называть индикатором горизонта) вырабатываетэлектрический сигнал, пропорциональный углу отклонения главной оси гироско­паот плоскости горизонта. После соответствующего преобразова­ния этот сигналиспользуется для возбуждения датчиков момента.
В обычных гирокомпасах измерение угла отклонения главной осигироскопа от плоскости горизонта и наложение управляющих моментов на гироскопвыполняются одним элементом — физиче­ским маятником, жестко связанным сгироскопом или гироско­пическим ЧЭ — гиросферой. Если понимать под методомуправ­ления гироскопом способ наложения управляющих моментов, то в отличие отклассических гирокомпасов с непосредственным уп­равлением от физическогомаятника схему нового гирокомпаса, у которого физический маятник играет рольтолько индикатора горизонта, часто называют гирокомпасом с косвенным управле­нием.В этом гирокомпасе ЧЭ — трехстепенной поплавковый ги­роскоп, связь которого сЗемлей осуществляется посредством ин­дикатора горизонта, а наложениеуправляющих моментов на ги­роскоп производится через торсионы при помощиследящих при­водов. В зависимости от характера управляющих моментовкурсоуказатель может работать в двух режимах: гирокомпаса и гироазимута —гироскопа направления.
ТТХ гирокомпаса«Вега»
«Вега» являетсядвухрежимным корректируемым гироскопи­ческим курсоуказателем (ГКУ) с косвеннымуправлением. Этот малый по размерам прибор со сравнительно высокимиточностными, параметрами рассчитан на работу в условиях больших инерционныхвозбуждений.
Подвес чувствительного элемента жидкостно-терсионный. Периоднезатухающих колебаний в расчетной (60°) широте «150 мин. Нормальная работа ГКУвозможна в широтах до 80° в одном из режимов: ГК (основной режим) при скоростидо 50 уз и гироазимут (вспомогательный режим) до 70 уз.
Точность показаний ГКУ в режиме ГК при различных усло­виях плавания в широтах меньше 70°характеризуется следую­щими цифрами: погрешность на неподвижном судне ± 0,5°;по­грешность на прямом курсе при постоянной скорости до 30 уз и качке самплитудой 2°±0,8°, с амплитудой 25° ± 1,5°, погрешность при маневрировании наскоростях до 30 уз достигает ±2°. Вообще ГКУ выдерживает воздействие качки самплитудой 45° и рыскания судна со скоростью 12° в секунду при ампли­тудерыскания 30°. В режиме гироазимута допустимая скорость дрейфа ±1° в час. Времяускоренного приведения ГКУ в мери­диан 60 мин. Предельная погрешностьсинхронной передачи ±0,1°. В связи с высокой рабочей температурой поддерживаю­щейжидкости (75°С) введен электрический подогрев. Гаран­тийный срок работыгироблока 10000 ч. Время непрерывной работы ГКУ 2000 ч.
Питание ГКУ осуществляется от судовой сети трехфазногопеременного тока (380 или 220 В, 50 Гц).
Устройствои принцип работы курсоуказателя.
Принципиаль­ное устройстводвухрежимного курсоуказателя с электромагнит­ным управлением показано на рис.1.1.
Гиромотор заключенв герметически запаянную сферу — по­плавок 1, состоящую из двухполусфер, соединенных между со­бой короткой цилиндрической шейкой. Гиросферапомещена во внешнюю следящую сферу 2, и пространство между ними запол­ненотяжелой вязкой (поддерживающей)  жидкостью 3. Плот­ность поддерживающейжидкости и вес гиросферы выбраны так, что при определенной температуре жидкостигиросфера при­обретает нейтральную плавучесть. Рабочая температура поддер­живаетсяавтоматически системой терморегулирования.
Гиросфера связанасо следящей сферой двумя парами торсионов, которые служат для наложения нагироскоп управляющих моментов и центрирования гиросферы относительно следящейсферы. Вертикальные торсионы 6 одним концом закреплены в корпусеследящей сферы, а другим — в кардановом кольце 9, свободно охватывающемшейку гиросферы. Горизонтальные тор­сионы 11 одним концом прикреплены коболочке гиросферы, а другим—к карданному кольцу гироскопа. Жесткость на круче­ниепары вертикальных торсионов и жесткость пары горизонталь­ных торсионоврассчитаны определенным образом, исходя из кон­структивных параметров прибора.
Все четыре торсионаустановлены в плоскости, перпендику­лярной оси собственного вращения гироскопа,и позволяют следя­щей сфере поворачиваться относительно гиросферы.вокруг гори­зонтальныхили вертикальных торсионов и вместе с оболочкой ги­росферы — вокруг осикинетического момента.
Питание нагиромотор и статоры двухкомпонентных датчиков угла 4, расположенных пооси собственного
/>
вращения гироскопана противоположных сторонах гиросферы 1, подается по гибким спиральнымтокоподводам 8, свободно навитым вокруг торсионов или через самиторсионы.
Следящая сфера 2имеет снаружи цапфы, расположенные параллельно оси собственного вращениягироскопа, посредством которых она свободно подвешена на подшипниках в горизон­тальномвнутреннем кольце 10 стабилизированного карданова подвеса.
Горизонтальноекольцо 10 подвешено по оси, параллельной оси горизонтальных торсионов, ввертикальном внешнем кольце подвеса 5, которое может поворачиватьсявокруг вертикальной оси, образованной подшипниками, установленными в корпусеприбора. Прибор своим основанием крепится к палубе.
Вертикальное кольцо5 приводится во вращение через зубча­тую передачу двигателемазимутальной стабилизации 13, уста­новленным в корпусе прибора. Этовращение передается на верти­кальные торсионы, которые накладывают на гироскопвертикаль­ный момент. В вертикальном кольце .5 установлен двигательгоризонтальной стабилизации 12, который через зубчатую пере­дачуповорачивает горизонтальное кольцо 10 вокруг его оси под­веса,закручивая горизонтальные торсноны и накладывая таким образом на гироскопгоризонтальный момент. Стабилизация сле­дящей сферы в горизонте вокруг оси ееподвеса осуществляется смещением вниз центра тяжести сферы относительно осиподвеса.
Двухкомпонентные индукционные датчики угла, статоры ко­торыхрасположены на гиросфере 1, а съемные (роторные) обмот­ки закреплены наследящей сфере 2, вырабатывают напряжения, пропорциональные угламрассогласования между гиросферой и следящей сферой относительно вертикальных игоризонтальных торсионов. Датчики угла включены по дифференциальной схеме, чтоисключает погрешности в измерении углов рассогласования, вызываемые линейнымиперемещениями гиросферы относительно следящей сферы. Сигналы рассогласования отдатчиков угла через усилители стабилизации 14, расположенные в самомприборе, по­ступают на соответствующие двигатели, которые обеспечиваютнепрерывные согласования следящей сферы 2 с гиросферой /. Та­кимобразом, прибор работает в режиме свободного гироскопа.
Для превращения свободного гироскопа в гирокомпас необхо­димоналожить на гироскоп моменты вокруг горизонтальной xx и вертикальной zz осей,пропорциольные углу отклонения глав­ной оси гироскопа от плоскости горизонта.
Связь гироскопа с плоскостью горизонта осуществляется припомощи индикатора горизонта 7, представляющего собой высоко­чувствительныйфизический маятник с индукционным съемом сигнала, задемпфированный вязкойжидкостью.
Индикатор горизонта 7 можно установить непосредственно нагиросфере 1 или следящей сфере 2. Однако из конструктивных соображенийон установлен на следящей сфере так, что реагирует только на отклонения осиподвеса yy следящей сферы от плоско­стигоризонта и вырабатывает напряжение, пропорциональное этому отклонению. Сигналиндикатора горизонта 7 суммируется в противофазе с сигналами датчиков угла, иразность этих сигналов подается через усилители на двигатели стабилизации 12или 13.
Двигатели 12, 13 приводят во вращение следящую сферу 2от­носительно горизонтальных и вертикальных торсионов до тех пор, пока сигналиндикатора горизонта 7, поданный в схему суммиро­вания в определенном масштабе,не сравняется с сигналом от соответствующего датчика угла. Горизонтальные ивертикальные торсионы окажутся закрученными на углы, пропорциональные уг­луотклонения главной оси гироскопа от горизонта, что обеспечи­вается схемойсуммирования сигналов. Момент, прикладываемый вследствие этого горизонтальнымиторсионами 11 к гироскопу, аналогичен маятниковому моменту обычныхмаятниковых гиро­компасов. Под действием этого момента гироскоп прецессирует вазимуте, совершая незатухающие колебания около меридиана.
Момент, прикладываемый вертикальными торсионами 6, ана­логичендемпфирующему моменту маятниковых гирокомпасов, под действием которого гироскоппрецессирует к горизонту. В резуль­тате совместного действия этих моментовгироскоп, совершая затухающие колебания, период и фактор которых зависят от вы­бранныхпараметров прибора, будет приходить в меридиан.
Для перехода от режима гирокомпаса в режим гпроазимутадостаточно лишь отключить горизонтальный маятниковый момент, сохраниввертикальный момент, необходимый для удержания оси гироскопа в плоскостигоризонта. Практически это осуществляется простым поворотом ручки переключателярежимов, установленного в приборе. Для компенсации методических ошибок,возникающих в показаниях прибора при работе в режимах гирокомпаса игиро-азимута, в приборе имеется электромеханическое счетно-решающее устройство,которое вырабатывает необходимые сигналы, поступа­ющие на двигателистабилизации.
Величины корректирующих моментов, прикладываемых по обе­имосям гироскопа в результате ввода сигналов в следящие систе­мы, изменяются взависимости от скорости, курса и широты таким образом, что главная осьгироскопа удерживается в направлении на N как в режиме гирокомпаса, так и врежиме гироазимута. Показания курса, выработанного прибором, транслируютсядатчи­ками грубого и точного отсчета, например сельсинами, связанны­ми сдвигателем азимутальной стабилизации.
Особенностиработы курсоуказателя в режиме гирокомпаса.
 Схема управления. Длятого чтобы дать общее представление об устройстве гирокомпаса сэлектромагнитным управлением и объяс­нить наиболее интересные особенности егоработы, воспользуемся лишь самыми необходимыми теоретическими положениями
Уравнения движения гирокомпаса с управлением ЧЭ посредст­вомторсионов (см. рис.1) при обычно принимаемых упрощени­ях можно представитьвыражениями:
Н[da/dt-(u cosj+VE/R)b+ (u sinj+VE /R tgj)] = СГ(b-bc);                            (1.1)
Н[db/dt-VN /R+(ucosj+VN /R)a] =-СB (a-ac);
где Н — кинетический момент гироскопа;
b — угол отклонения гироскопа отгоризонта в вертикаль­ной плоскости;
a — угол отклонения гироскопа отмеридиана в горизон­тальной плоскости;
aс, bс — координаты следящей сферы, отсчитываемыеаналогич­но координатам a и b гироскопа;
j — широта места;
и —угловая скорость вращения Земли;
R — радиус Земли;
VN,VE— северная и восточная составляющие скорости судна;
(b -bc)—угол рассогласования следящей сферы относительно ги-росферы вокруггоризонтальных торсионов, т. е. угол закрутки горизонтальных торсионов,обладающих жест­костьюСг;
(a -ac)—уголрассогласования следящей сферы относительно гиросферы, т. е. угол закрутки вертикальныхторсионов, обладающих жесткостьюСв;
     Если углы закрутки (b—bc) и (a—ac), а следовательно, гори­зонтальный Сг(b—bс)и вертикальный Св (a—aс) моменты, при­кладываемые кгироскопу, будут пропорциональны углу отклоне­ния главной оси гироскопа от горизонтаи соответствующим обра­зом подобраны по величине и направлению, токурсоуказатель бу­дет работать в режиме гирокомпаса. Величины и направления мо­ментовопределяются крутизной сигналов датчиков угла и инди­катора горизонта и схемойих суммирования.
Один из возможных вариантов схемысуммирования сигналов показан на рис. 1.2. Эта схема, в которой применениндикатор го­ризонта с большой постоянной времени, позволяет осуществитьследующее суммирование сигналов:
 k3(b—bс) — k1 k2bс=0                                                                                    (1.2)
k3(a -ac) – m k1 k2bс=0                                                                                (1. 3)
где k3 – крутизна сигнала датчиков угла;
       k1 – крутизна сигнала индикатора горизонта;
       k2 и m – масштабныекоэффициенты.
        Для простоты постоянную постоянную времени индикатора горизонта неучитываем.
        Обозначив через n=k1k2/( k1k2+k3), преобразуем выражения   (1. 2)и(1. 3) вравенства:
(b—bс)=nb ;   (a -ac)=mnb,                                                                          (1.4)
из которых следует,что на вход усилителей следящих систем по­ступает управляющий сигнал,пропорциональный углу b . Крометого, на схеме суммирования показана возможность введения в систему сигналовкоррекции eх и ez, овыборе которых будет ска­зано ниже.
/>

Имея в виду, что частота собственныхколебаний следящих систем значительно больше частоты собственных колебанийгиро-сферы, а переходный процесс в них затухает очень быстро, в урав­ненияхдвижения гирокомпаса можно оперировать соотношениями(1.4), которые неучитывают динамики следящих систем. Подстав­ляя равенства (1.4) в выражения(1.1), получим уравнения, иден­тичные уравнениям обычного гирокомпаса с физическиммаятни­ком.
Анализируя эти уравнения, нетруднонайти, что период собст­венных колебаний гирокомпаса определяется выражением
Т= 2p. V H / Cгn u cosj,                                                                            (1. 5)
а коэффициент затухания:
h =Cвm n/H.                                                                                                 (1. 6)                           
Очевидно, что величины периодаколебаний и коэффициента за-гухания зависят не только от кинетического моментагиросферы Н и жесткостей Сг и Св, но и от коэффициентов пит, характери­зующих масштаб моментов, прикладываемых к гироскопу,по от­ношению к углу отклонения главной оси гироскопа от плоскости горизонтаb. Если в обычном маятниковом гироскопемомент пря­мо пропорционален углу b, а величина его равна Р1b ,где Р1— максимальный маятниковый момент, то в гирокомпасе с электро­магнитнымуправлением зависимость момента от угла bопреде­лялась бы выражением Рlnb.
Меняя коэффициент п, можно изменять масштабмаятникового момента, а меняя коэффициент т — масштаб демпфирующего мо­мента,и тем самым изменять величину периода незатухающих колебаний и коэффициентазатухания.
Такая принципиальная и техническая возможность позволяетсравнительно просто решать следующие задачи:
ускоренное приведение гирокомпаса в меридиан, для чего не­обходимоуменьшить период незатухающих колебаний:
получение приемлемой точности курсоуказания при маневри­ровании,для чего, как известно, нужно увеличить период.
Для уменьшения периода коэффициент nследует увеличивать, а для увеличения периода — уменьшать.
Изменение коэффициента п можно осуществлять в схеме сум­мированияпутем изменения масштабного коэффициента k2,кото­рый специально введен в схему, поскольку коэффициенты k1и k3 для  данной  конструкции  постоянны. Однако  при  такой  схеме  сум­мирования,  которая  показана  на рис.2,диапазон изменения ко­эффициента п ограничен.
Действительно,  преобразуя  выражение  для n квиду
n=1/(k3 /k1k2+1)                                                                                            (1. 7)
нетрудно убедиться,что при увеличении k2 величина n приближа­ется к единице. Это означает, что крутизнамомента не может быть больше жесткости горизонтальных торсионовСг,которая и будет определять величину наименьшего периода собственных ко­лебанийгирокомпаса.
Что же касается наибольшего периода, то его величина ограни­чиваетсяпрактически значениями возмущающихся моментов, ко­торые возникают вследствиестатических ошибок следящих систем и нелинейности характеристик датчиков угла ииндикатора гори­зонта. При соизмеримости величин этих моментов с управляющи­мимоментами система теряет свои качества и становится нерабо­тоспособной.
Работа следящих систем. Для правильногофункционирования гирокомпаса наряду со схемой управления существенным являет­сянадлежащая работа следящих систем, от которых требуется высокая точность ибольшое быстродействие. Эти требования вы­текают, как следствие, из самогопринципа работы гирокомпаса, устройство которого рассмотрено выше.
Азимутальная н горизонтальная следящие системы выполняют вгирокомпасе две основные функции:
управление гироскопом путем наложения моментов через торсионы,которые непрерывно удерживаются закрученными на опре­деленный угол;
слежение за гироскопом путем отработки всех угловых переме­щенийкорпуса прибора, которые передаются на следящую сферу, вызывая рассогласованиемежду гироскопом и следящей сферой.
При угловых перемещениях судна карданов подвес вместе скорпусом прибора как бы обкатывается вокруг гироскопа, кото­рый в режимегирокомпаса, благодаря своим свойствам, остается неподвижным относительносистемы координат, связанной с Зем­лей, если не принимать во вниманиепереносного движения вместе с судном.
Наличие статических ошибок в следящих системах приводит кналожению на гироскоп возмущающих моментов, величины кото­рых прямопропорциональны статической ошибке и жесткости торсионов. В результате этого впоказаниях прибора возникают погрешности, допустимые значения которых могутбыть получены лишь при весьма малых статических ошибках следящих систем.
Воздействие на прибор всякого рода периодических несиммет­ричныхвозмущений, например качки, может привести к появлению постоянных составляющихв динамических ошибках следящих систем и, как следствие, к дополнительнымпогрешностям в пока­заниях прибора. Поэтому к следящим системам гирокомпасадолж­ны предъявляться очень высокие требования.
Что касается влияния собственных колебаний следящих систем наработу гирокомпаса, то поскольку частота этих колебаний зна­чительно большечастоты собственных колебаний гиросферы, а пе­реходный процесс в следящихсистемах при правильном выборе параметров затухает очень быстро, влияниеколебании следящих систем практически не должно сказываться.
Однако выбранная для двухрежимного курсоуказателя конст­руктивнаясхема подвеса ЧЭ обусловливает взаимное влияние азимутальной и горизонтальнойследящих систем при наличии наклонов следящей сферы вокруг оси ее подвеса,совпадающей с осью кинетического момента гироскопа—с осью уу (см.рис.1).
При таких наклонах, благодаря жесткой связи гиросферы соследящей сферой посредством торсионов, оси горизонтальных и вертикальныхторсионов будут рассогласованы с осями приложе­ния моментов от соответствующихдвигателей на некоторый угол g.
Упрощая физику явления и принимая во внимание малость уг­ловзакрутки горизонтальных (b—bс) и вертикальных (a -ac)тор­сионов, измеряемых датчиками угла, и приведенных углов поворота осейдвигателей горизонтальной db и азимутальной daстабилиза­ции, связь между этими углами можно выразить формулами:
(b—bс)=dbcosg+dasingg   .;   (a-ac)= dacosg+dbcos                             (1. 8)
 Формулы (1.8) характеризуют взаимное влияние горизонталь­нойи азимутальной следящих систем при наклоне следящей сфе­ры. Как показываетанализ, наличие перекрестных связей приво­дит к неустойчивости следящих систем,если не принять специаль­ных мер. Наиболее простым способом, обеспечивающимустойчи­вость системы при любых углах g,является полное устранение перекрестных связей путем включения в контурыследящих систем преобразователя координат. В качестве преобразователя коорди­натиспользуется синусно-косинусный вращающий трансформа­тор (СКВТ), которыйвключается в цепи следящих систем между датчиками угла и усилителями по схеме,показанной на рис.3.
Поступающее навходные обмотки преобразователя коорди­нат напряжение U,пропорциональное углам закрутки соответст­вующих торсионов, будет связано сприведенными углами пово­рота осей двигателей следующими уравнениями:
db=Ubcosg+ Uasing; da= Uacosg+ Ubsing                                             (1. 9) 
в которых напряжение Ub пропорционально углу (b—bс) и Ua  пропорционально углу   (a -ac).
Решив уравнения (1.8) и (1.9) совместно, нетрудно убедить­ся,что соотношения между углами закрутки торсионов и углами поворотасоответствующих двигателей не зависят от утла наклона следящей сферы, т. е.горизонтальная и азимутальная следящие системы полностью развязаны./> />
Скоростная девиация. Для того чтобы определить положение равновесиягирокомпаса при движении судна прямым курсом с постоянной скоростью, найдемчастные решения системы уравне­нийи (1.1) и (1.3), полагая при этом
 Сгn»H(и соsg+VE/R),                                                                          (1. 10)
что легко достигаетсясоответствующим выбором параметров: при­бора. В положении равновесия имеем:
a*=VN /R(u cosj+VE /R) — CB m tgj/Cг;  
a*с=a*- mH / Cг(u sinj+ VE tgj /R);                                                   (1. 11)
b*=H / Cгn(u sinj+ VE tgj  /R);             .
b*с=H(1-n) / Cгn (u sinj+ VE tgj  /R).  .
Таким образом, ЧЭгирокомпаса при движении судна с по­стоянной скоростью приходит в определенноеположение равно­весия, которое по координатам aи b практически ничем не отли­чаетсяот положения равновесия одногироскопного маятниково­го гирокомпаса сдемпфированием посредством момента, направ­ленного по вертикальной осигироскопа, как это сделано, напри­мер, в маятниковых гирокомпасах «Сперри».
Действительно, отклонение гироскопа в азимуте a* складыва­ется из скоростной девиации,определяемой приведенным выше выражением (первый член в формуле для a*), и так называемой широтной девиации(второй член той же формулы). При скоростях движения корабля около 60 узлов вширотах 70—80° значения скоростной и широтной девиаций будут достигать стольбольших величин, что их компенсация известными методами становится практическиневозможной.
Учитывая, что значения курса вдвухрежимном гирокомпасе в силу его конструктивных особенностей можно сниматьлишь с картушки (или датчика), связанной со следящей сферой, т. е. покоординате ac, для компенсации скоростной и широтной де­виацийможно использовать метод, сущность которого сводится к следующему.
Если на входы усилителей следящихсистем вместе с сигна­лами от датчика угла подать определенные сигналыкоррекции аналогично тому, как это делается с сигналом индикатора гори­зонта,то к гироскопу по обеим осям стабилизации будут при­ложены соответствующиекорректирующие моменты. В этом слу­чае выражения (1.4) можно записать:
(b—bс)=n b +ex ; (a -ac)=m n  b +ez.                                                       (1.12)
гдеex и  ez; — сигналы  коррекции,  являющиеся  функциямишироты и скорости судна.
Для нахождения этих функцийвоспользуемся системой четы­рех уравнений (1.1) и (1.12), в которую входитшесть неизвестных функций a,ac ,b ,bс,ex ,ez—две из них можно-задатьпроиз­вольно.
Для получения от гирокомпасаистинного курса зададимся следующими произвольными значениями координатac и b в поло­жении равновесия:
ac=0; b*=0.                                                                                               (1.13)
Это условиеозначает, что в положении равновесия нуль следя­щей сферы будет в плоскостимеридиана, а ось кинетического мо­мента гироскопа — в плоскости горизонта.
Частные решения системы уравнений(1.1), (1.12) с учетом ус­ловия (1.13) дают формулы сигналов коррекции:
ez = VN / (R u cosj+VE +CвR /H); ex= H /Cг(u sinj+VE tgj/R),            (1. 14)
и выражения для положенияравновесия по двум другим коорди­натам будут:
a*=VN / (R u cosj+VE +CвR /H);                                                          (1. 15)
b* = — H/Cг(u sinj+VEtgj/R),                                                               (1. 16)                          
Следовательно, при вводе в схему управления сигналов коррек­цииez  и  ex, определяемых выражениями (1.14), из показаний ги­рокомпасаполностью исключаются скоростная и широтная девиа­ции. Кроме того, величинаотклонения оси кинетического момента гироскопа от меридиана a*, определяемая формулой (1.15), резкоуменьшается по сравнению со скоростной девиацией, имевшей ме­сто до вводакоррекции, и при скорости порядка 60 узлов в широте 70° достигает всего 0°,2.
Уменьшение скоростной девиации гиросферы a* обусловлено наложением вертикальногокорректирующего момента ez.
Баллистические девиации. Природа баллистическихдевиаций курсоуказателя в режиме гирокомпаса в принципе та же, что и у обычныхмаятниковых гирокомпасов. Разница только в том, что возникающие во времяманеврирования ускорения не возмущают гироскоп, поскольку он астатический иобладает нейтральной пла­вучестью, а воздействуют на индикатор горизонта,который при этом вырабатывает дополнительный сигнал, пропорциональный величине dVN/g dt , т. е. пропорциональный северной составляющейускорения.
Этот сигналвызовет соответствующее закручивание горизон­тальных и вертикальных торсионов,которое будет продолжаться в течение всего времени действия ускорения, и врезультате приве­дет к отклонению гиросферы от положения равновесия, в которомона находилась до начала маневрирования. По окончании дейст­вия ускорениягиросфера, совершая затухающие колебания, начнет приходить к своему положениюравновесия.
Аналогично тому,как это делается для обычного маятникового гирокомпаса, можно и длядвухрежимного гирокомпаса найти ус­ловие апериодического перехода в новоеположение равновесия или «условие невозмущаемости».
Исследованияпоказывают, что в отличие от маятникового ги­рокомпаса апериодический переходгирокомпаса с электромагнит­ным управлением в новое положение равновесиятеоретически можно получить при значении периода незатухающих колебаний,отличающемся от периода Шулера, который как известно, равен 84,4 мин.
Его величинаприближенно, без учета собственной скорости судна, определяется следующимсоотношением:
Ta=84,4 V(H u cosj+Cв) /H u cosj                                                            (1.17)
и может составлять несколько сотен минут.
Эта особенность двухрежимного гирокомпаса сторсионно-жидкостным подвесом ЧЭ объясняется тем, что в отличие от обычныхгирокомпасов на гироскоп с помощью упругой связи во время маневрированиянакладываются корректирующие моменты по вертикальной оси.
В гирокомпасах такого типа, гдескоростная девиация компен­сируется наложением момента, действующего повертикальной оси гироскопа, исключение баллистических девиаций путем наст­ройкисхемы управления на величину периода, отвечающего усло­вию невозмущаемости,трудно выполнимо.
Одна из причин, затрудняющихреализацию найденного усло­вия, заключается в том, что для получения большихпериодов к гироскопу должны прикладываться весьма малые управляющие моменты,величины которых меньше или соизмеримы с возникаю­щими моментами, имеющимиместо из-за статических ошибок следящих систем и нелинейности их звеньев.
В гирокомпасе с электромагнитнымуправлением использован более простой способ устранения баллистическихдевиаций. Для этого маятник индикатора горизонта сильно задемпфирован, а углыего отклонения от равновесного положения ограничены специальными упорами доотносительно малой величины. Кроме того, чтобы снизить скорость баллистическогоперемещения гиро­скопа за время действия ускорения, период незатухающих коле­банийв рабочем режиме гирокомпаса выбирается большим — до 120—180 мин.
Возможен еще один простой и,по-видимому, более эффектив­ный способ устранения баллистических девиаций.
Если в индикаторе горизонтапредусмотреть устройство, кото­рое автоматически отключало бы сигнал индикаторагоризонта от схемы управления гироскопом, когда маятник под действием ус­корениядостигает одного из упоров, то гироскоп вместо прецессирования с малойскоростью во время действия ускорения стано­вится свободным. Можно ожидать, чтов этом случае отклонение гироскопа за время маневрирования будет меньшим, чемпри первом способе компенсации. Следует заметить, что в обоих случа­ях приманеврировании корректирующие моменты остаются при­ложенными к гироскопу.
Эффективным способом устранениябаллистических девиаций для гирокомпасов с электромагнитным управлениемявляется способ компенсации силы инерции, воздействующей на маятник индикаторагоризонта при наличии линейных ускорений.
Выражение полной силы, которая должнабыть приложена к маятнику индикатора горизонта для компенсации баллистиче­скихдевиаций гирокомпаса, создаваемых изменением скорости и курса, можно записать ввиде
F = mм[( dV /dt) cosK +V(dK /dt)sink],                                              (1. 18)       
где   F -сила;
mм –масса маятника;
K –курс;
V –скорость судна.
В качествеустройства для компенсации силы инерции, действующей на маятник, в индикаторегоризонта можно установить  электромагнитный датчик момента, на которыйподается сигнал,. пропорциональный силе F.
Можно представить схему электромеханического прибора,решающего зависимость (1.18) и вырабатывающего нужный сигнал по автоматическивводимым значениям скорости и курса.
Чтобы не усложнять конструкцию индикатора горизонта, мож­нополученный сигнал коррекции суммировать в противофазе с сигналом,снимаемым с индикатора горизонта, предварительно» пропустив сигнал коррекциичерез фильтр с постоянной времени,. равной постоянной времени индикаторагоризонта. Такое реше­ние наиболее целесообразно для описываемой схемы.
Приведенный способ компенсации баллистических девиацийпредпочтительнее, чем настройка незатухающих колебаний гиро­компаса на периодневозмущаемости по следующим соображе­ниям.
Теоретически такую коррекцию можно осуществить для лю­боготипа маневрирования судна независимо от скорости. При этом период незатухающихколебаний может быть выбран в прин­ципе любым, и, кроме того, нет необходимостименять парамет­ры гирокомпаса в зависимости от широты. Описанный способкомпенсации позволяет полностью компенсировать баллистиче­ские девиации, в томчисле и девиацию затухания без выключе­ния демпфирования на время маневра.
Интеркардинальная девиация. При движении судна в услови­яхкачки следящая сфера гирокомпаса раскачивается вокруг-своей оси подвеса в тактс качкой под действием составляющей ускорения в плоскости Е—W.
Составляющая ускорения в плоскости N—S,воздействующая на маятник следящей сферы, меняя свое направление синхронно-скачкой, создает вертикальный момент, аналогично тому как это происходит уобычных маятниковых компасов, но в отличие от них в гирокомпасе сэлектромагнитным управлением этот мо­мент сам по себе не вызываетинтеркардинальной девиации.
Инерционные моменты, действующие на следящую сферу во времякачки, приводят лишь к дополнительным динамическим нагрузкам на двигателиазимутальной и горизонтальной следящих систем, но не дают существенных ошибок впоказаниях гироком­паса.
Основная причина, определяющаяпоявление интеркардиналь­ной девиации у гирокомпаса с косвенным управлением,заключа­ется в том, что составляющая ускорения в плоскости N—Sдейст­вует и на маятник индикатора горизонта. Она вызывает появле­ние сигнала,пропорционального ускорению и меняющего знак в такт с качкой. Этот сигналпоступает на двигатели, которые при­кладывают к гироскопу через торсионызнакопеременные момен­ты. Поскольку одновременно происходит раскачиваниеследящей сферы, оси двигателей рассогласовываются с осями соответствую­щихторсионов на угол, примерно равный амплитуде качки. В ре­зультате, когда сигналот индикатора горизонта поступает на двигатели, моменты, прикладываемые кгироскопу торсионами, создают две составляющие — горизонтальную и вертикальную.
Так как горизонтальные торсионы имеют жесткость, во много разбольшую, чем вертикальные, то вертикальная составляющая моментов отгоризонтальных торсионов по абсолютной величине значительно превосходитостальные вертикальные моменты. Она и образует постоянный вертикальный момент,вызывающий ин-геркардинальную девиацию гирокомпаса па качке. Как видно, ме­ханикапоявления интеркардинальной девиации у гирокомпасов с электромагнитнымуправлением иная, чем у обычных маятнико­вых гирокомпасов, но схема образованияпостоянного вертикально­го момента при качке по существу одинакова.
Величина интеркардинальной девиации, закон ее изменения изависимость от параметров гирокомпаса и качки для гирокомпаса сэлектромагнитным управлением в принципе остаются такими же, как и дляодногироскопных маятниковых компасов.
Из известных способов компенсации интеркардинальной де­виациидля гирокомпаса с электромагнитным управлением наи­более рациональным оказалосьприменение индикатора горизонта с сильно демпфированным маятником.
Введение в чувствительный маятниковый элемент вязкого тре­нияпозволяет осуществить сдвиг по фазе, близкий к 90°, между действующимускорением и моментом, прикладываемым к гиро­скопу, в результате чего эффектвлияния качки на гирокомпас сводится к минимуму.
Уравнение движения такого индикатора горизонта при воздей­ствиина него горизонтального ускорения для малых углов можно.записать в виде
тмl2 q”+c q’+mмg lq= mмl a                                                                    (1. 19)
гдеmм — массы маятника;
l — длина маятника;
q — угол отклонения маятникаот вертикали;
с —коэффициент демпфирования;
а — горизонтальное линейноеускорение качки. Передаточную функцию индикатора горизонта, движение ко­торогоописывается уравнением (1.19), можно представить выра­жением
W(p)= q(p)/a (p)=1 / Tм2p2 +tp + 1  ,                                                            (1. 20)
где Tм=(l / g); t = c/mм g l  —постоянные временииндикатора горизонта.
Практически величина Tм во много раз меньше периода качки. Поэтомувведя в индикатор горизонта сильное демпфирование, правомерно пренебречь членомпередаточной функции, содержа­щим р2. Тогда коэффициентослабления амплитуды колебаний маятника по сравнению с амплитудой колебанийдинамической вертикали будет приближенно определяться формулой
k =1 /( t2w2+1)1/ 2                                                                                     (1. 21)
Например, для индикатора горизонтас постоянной времени t =60 сек при качке с частотой (w = 1,2'/сек)ослабление выход­ного сигнала, снимаемого с индикатора горизонта, будет около72. Если учесть еще и сдвиг фазы между колебаниями маятника и действующимускорением, то уменьшение выходного сигнала, а следовательно, иинтеркардинальной девиации гирокомпаса ока­жется более значительным.
Влияние индикатора горизонта сбольшой постоянной времени на собственные колебания гирокомпаса очень мало,поскольку постоянная времени составляет менее 1 % от величины периода колебанийгирокомпаса.
Поведение гирокомпаса сэлектромагнитным управлением на качке отличается от обычных маятниковыхкомпасов одной суще­ственной особенностью. В этом гирокомпасе, помимопостоянной составляющей по вертикальной оси от моментов, вызванных сиг­наламииндикатора горизонта, при качке появляется постоянная составляющая на ту же осьот знакопеременных моментов, накла­дываемых на гиросферу горизонтальнымиторсионами вследст­вие динамических ошибок следящих систем. Эта погрешность,имеющая четвертной характер, зависит от жесткости горизон­тальных торсионов ипри больших динамических ошибках ее вели­чина может достигнуть существенногозначения.
Другая особенность заключается вхарактере карданной ошиб­ки гирокомпаса. Эта ошибка вызвана тем, что врассматриваемой конструкции одногироскопного курсоуказателя карданов подвес ЧЭобеспечивает снятие отсчета курса в плоскости палубы, а не в плоскостигоризонта.
Величина карданной ошибки определяется формулой
DK = К. — arctg [tg (Кгcosq/siny) — sinqtgy] ,                               (1. 22)
где Кг —курс в горизонтальной плоскости;
q — угол крена (бортовойкачки);
y — угол дифферента (килевойкачки).
Карданная ошибка при следованиисудна курсами 0, 90, 180 и 270° равна нулю и достигает максимума напромежуточных курсах 45, 135, 225 и 315°. Несмотря на то, что даже при симмет­ричнойкачке возникает постоянная карданная ошибка, практи­чески при использованиикурсоуказателя для целей судовождения ею можно пренебречь. При правильнойбортовой качке с амплиту­дой в 10° и следовании промежуточными курсами средняявели­чина карданной ошибки не превышает 0°,3.
Работакурсоуказателя в режиме гироазимута.
  Для работы курсоуказателя врежиме гироазимута необходимо, чтобы ось кинетического момента гиросферыудерживалась в горизонте, а по обеим осям прецессии гиросферы были приложеныкоррек­тирующие моменты для компенсации отклонения гиросферы за счет суточноговращения Земли и собственного движения объекта. В гирокурсоуказателе сэлектромагнитным управлением для осу­ществления режима гироазимута достаточноотключить маятни­ковый момент, пропорциональный сигналу индикатора горизонта,на горизонтальной оси прецессии гиросферы, сохранив при этом демпфирующиймомент от индикатора горизонта на вертикальной оси для удержания главной осигироскопа в горизонте. Необхо­димо также сохранить корректирующие моменты пообеим осям прецессии. В этом случае равенства (1.12), определяющие зави­симостимоментов от сигналов управления и коррекции, примут
(b-bc) = ex ;       (a-ac) = m n b+ ez                                                (1. 23)
Полагая, что корректирующие сигналы ex и ez определяются,как и прежде, формулами (1.14) и, подставляя выражения (1.23) в уравнения(1.1), найдем частные решения системы (1.1) и (1.3) в виде:
a*= VN / ( Ru cosj+VE+ CB R / H);                 ac*=0;                              .
bc*=H (u sinj+ VEtgj/ R);                               b*=0.                       (1. 24)
Формулы (1.24), определяющиеположение равновесия ЧЭ прибора в режиме гироазимута, тождественны формулам(1.15), определяющим положение равновесия ЧЭ в режиме гирокомпаса. Этосвидетельствует о том, что при движении объекта в момент перехода из режимагирокомпаса в режим гироазимута ЧЭ ника­ких возмущений не получает и остается впрежнем положении, которое он занимал, работая в режиме гирокомпаса.Следователь­но, в режиме гироазимута курсоуказатель сохраняет направле­ниемеридиана, выработанное в режиме гирокомпаса, естественно, с накапливающейся вовремени ошибкой, которая определяется присущей данному гироскопу скоростьюдрейфа.
При обратном переходе из режима гироазимута в режим гиро­компасакурсоуказатель в начальный момент будет иметь некото­рую девиацию, так как завремя работы в режиме гнроазимута гироскоп вследствие собственного уходаотклонится от меридиана. Затем, совершая затухающие колебания, гирокомпаспридет в положение равновесия.
Следует отнести к достоинствам курсоуказателя с электро­магнитнымуправлением то обстоятельство, что при переходе из одного режима в другой нетребуется изменять корректирующие сигналы, тем более, что благодарявводу в схему управления та­кого вида коррекции ЧЭ находится вблизи меридианапрактиче­ски в обоих режимах работы прибора.
Основной погрешностью гироазимута является собственный дрейфгироскопа. Гирокурсоуказатель с косвенным управлением позволяет уменьшать этупогрешность теоретически до величины нестабильности скорости ухода гироскопа.Для этого достаточно ввести в схему управления сигнал, напряжение которогопропор­ционально постоянной составляющей скорости ухода гироскопа, ипросуммировать с сигналом датчиков угла гироскопа в соот­ветствующих масштабе ифазе как это делается при вводе кор­ректирующих сигналов. В результате этого кгироскопу по гори­зонтальной оси прецессии окажется приложенным момент, кото­рыйскомпенсирует постоянную составляющую скорости ухода гироскопа.
При воздействии на курсоуказатель,работающий в режиме гироазимута, ускорений качки, гироазимут имеетдополнительный систематический уход. Этот уход возникает из-за появления по­стояннойсоставляющей момента по горизонтальной оси прецессии гироскопа. Знакопеременныесигналы индикатора горизонта вы­зывают меняющийся в такт качке момент,накладываемый тор-сионами на гиросферу вокруг ее вертикальной оси. Благодаря од­новременномураскачиванию следящей сферы в такт качке вокруг оси ее подвеса (по углу g) проекция знакопеременного момента даетпостоянную составляющую на горизонтальную ось прецес­сии, которая и вызываетсистематический уход гироазимута на качке.
Анализ факторов, влияющих на этупогрешность гироазимута, показывает, что меры, принятые для уменьшенияпогрешности гирокомпаса на качке, а именно, применение индикатора гори­зонта сбольшой постоянной времени и гидравлического демпфе­ра на оси подвеса следящейсферы, существенно уменьшают погрешность гироазимута на качке.
Что касается влияния ускорений отманеврирования на неста­бильность ухода гироазимута, то теоретически онозависит от времени действия ускорений и мало по величине. Практически в силутех же технических решений, которые компенсируют влия­ние ускорений на качке,это влияние не имеет существенного значения.
На основании краткого анализа изложенного принципа дейст­виядвухрежимного курсоуказателя с электромагнитным управле­нием можно сделатьнекоторые выводы в отношении его преиму­ществ перед обычными маятниковымигирокомпасами:
       конструкцияторсионно-жидкостного подвеса ЧЭ, который представляет собой астатическийпоплавковый гироскоп, обеспе­чивает гидростатическую разгрузку подвеса иотсутствие сухого трения в его осях, что уменьшает возмущения, вызываемые си­ламиинерции;
       электрическая схема управленияпараметрами гирокомпаса (периодом, степенью демпфирования) и режимами работыприбора позволяет, переключая электрические цепи, изменять параметрыгирокомпаса и режимы работы в зависимости от условий пла­вания иэксплуатационных требований;
в гирокомпасе с электрической схемой управления сравни­тельнопростыми средствами обеспечивается полная компенсация скоростной девиации длябольших скоростей движения судна при условии ввода в прибор данных скорости ишироты с достаточной точностью. При этом методе компенсации скоростной девиациисущественно, что сам гироскоп практически все время остается в меридиане;
электрическая схема управления создает практическую воз­можностьполной компенсации баллистических девиаций гиро­компаса пр-и маневрированиисудна. Для этого может использо­ваться индикатор горизонта с коррекционньшдатчиком момента и несложный электромеханический прибор, вырабатывающий нужныйсигнал коррекции. При указанном способе компенсации баллистических девиаций нетнеобходимости изменять парамет­ры гирокомпаса в зависимости от широты ивыключать демпфи­рование на время действия ускорений;
конструкция и схема двухрежимного гироскопическогокурсоуказателя обеспечивает его работу в режиме гирокомпаса или гироазимута, атакже в режиме гиромагнитного компаса. Это расширяет сферу применения приборовтакого типа.
Основной приборВГ-1А./> />
 Функцию гироскопического указа­теля меридиана выполняет прибор ВГ-1А (рис. 4).В корпусе прямоугольной формы 6 со сферическим колпаком 5 разме­щенытрехстепенный поплавковый гироблок (ТПГ), элементы следящих системстабилизации, детали схем терморегулирова­ния и управления.
ТПГ выполнен в виде герметичной камеры(следящей сферы), заполненной специальной вязкой жидкостью (рис. 5). В этойкамере с помощью вертикальных и горизонтальных тор-сионов подвешен поплавок сгиромотором. На гироблоке по ли­нии N—3 установлены роторы индукционныхдатчиков углов / (ДУ) рассогласования гиросферы со следящей сферой (ста­торы ДУнаходятся на гиросфере). Сверху и снизу на камере в кольцевых пазах 2установлены дополнительные обогрева­тели для интенсивного разогрева жидкостипри пуске компаса. Их включением управляет термореле 4 (Т/--003). Накронштей­нах к крышке гироблока приспособлены штепсельные разъемы 5 дляподачи питания на гироблок и снятия информации с дат­чиков углов. Снизу ккамере подвешен груз 6 для придания маятниковости гироблоку в кардановомподвесе. Гироблок че­тырьмя приливами 3 с отверстиями для крепежныхвинтов укладывается на установочное кольцо. С западной стороны ка­меры наустановочном кольце находится индикатор горизонта (ИГ), с северной—пузырьковыйуровень для визуального конт- роля за балансировкой установочного кольца присборке (уро­вень находится под колпаком). На двух цапфах, параллельных главнойоси гироблока, установочное кольцо укладывается в подшипники на внутреннемкардановом кольце 6 (рис. 8). Для гашения колебаний гироблокаотносительно оси подвеса установочного кольца предусмотрен  дисковый  масляныйдемпфер.
С южной стороны в месте крепления цапфы в кардановом подвесевмонтирован плоский вращающийся трансформатор (ПТ-003). Статор его неподвижен,а роторная обмотка связана с цапфой и поворачивается вместе с ней. Этотвращающийся трансформатор называют координатным преобразователем. Его включениев схему вызвано тем, что при повороте гироблока вокруг оси XX на угол ^под воздействием внешних возму­щающих сил в связи с маятниковостью гироблока иотсутст­вием стабилизации относительно главной оси происходит вза­имное влияниегоризонтной и азимутальной следящих систем (принцип работы следящих системрассмотрен в § 18). Дей­ствительно, при выходе гироблока из отвесного положениямо­менты Ьгс и Ьтс, создаваемые торсионами, оказываются повер­нутымив плоскости У02. на угол О. В таком случае горизон­тальный ивертикальный моменты будут состоять из суммы проекций указанных моментов на этиоси. В результате нор­мальная величина корректирующих моментов искажается и впоказаниях прибора возникают погрешности. Для исключе­ния взаимного влиянияследящих систем в схему управления подаются соответствующие сигналы, снимаемыес ротора преоб­разователя координат.
Внутреннее карданово кольцо 6 с гироблоком с помощьюцапф и подшипников укладывается на наружное карданово кольцо, выполненное ввиде вилки 7, ось которой установлена в подшипнике на основании 10 иможет разворачиваться вокруг оси 2.2. на 360°. Сверху к вилке крепитсяшкала курсов 8 с це­ной деления 1°. .
Ось вилки через редуктор связана с азимутальным двигате­лемследящей системы стабилизации / и двумя синусно-коси-нусными вращающимисятрансформаторами 2 и 11 (СКВТ), включенными в схему трансляциикурса (на транспортных и промысловых судах задействован только один СКВТ). Наось вилки насажен токосъемник 13 с серебряными кольцами и стальнымищетками, закрываемый пластмассовой крышкой.
На горизонтальном (внутреннем)кардановом кольце укреп­лен зубчатый сектор, который посредством механическойпере­дачи связан с горизонтным двигателем следящей системы ста билизации,установленным в нижней части вилки. При враще­нии этого двигателя камерагироблока разворачивается вокруг оси УУ.
Рабочая температура (75 °С) в приборе поддерживается кольцевымнагревателем 5, прикрепленным к основанию че­тырьмя стойками 9.Управляет его работой термореле 3 (7У002), размещенное на основании 10.Рядом установлен биметалличе­ский термодатчик 4 (ГгООО), включающийаварийную сигналь­ную систему при достижении температурой жидкости верхнегопредела (80°С).
На основании расположены три штепсельных разъема (два состороны носа). Для работы с гиросекцией вне корпуса при­бора установлены четыреопорные ножки 12. Гиросекция своим основанием укладывается в корпусприбора.
Верхняя часть колпака 5 сделана из органическогостекла, полярная шапка закрашена изнутри, оставлена прозрачной лишь кольцеваяполоска напротив курсовой шкалы 3 (рис.65). Курсовая черта—краснаяполоска 4—нанесена на прозрач­ном кольце со стороны кормы. Колпакпривинчивается к кор­пусу прибора четырьмя невыпадающими винтами 7.
В корпусе 6 установлены усилители следящих систем:слева азимутальный 2, справа горизонтный, рядом с усилителями подквадратными крышками размещены реле схемы управления 1 (слева) ирегуляторы «дрейф» и «поправка».
На верхней панели 12расположены четыре световых табло:
«пуск», «подготовка», «гирокомпас»и «гироазимут»; на перед­ней—переключатель 9 («подготовка»—«работа»}и ручка 8 регулировки «скорости приведения» (ускоренного вмеридиан).
На задней стенке имеются три «штепсельных разъема, из нихверхний предназначен для подключения контрольных приборов при регулировкеприборов, через нижние осуществляется связь основного прибора с другими.
Корпус прибора на четырех амортизаторах крепится к уста­новочнойплите 11с тремя овальными отверстиями для крепеж­ных шпилек (два сзадней стороны и одно с передней), поэтому плиту (вместе с корпусом) можноповорачивать в пределах ±5° для устранения постоянной поправки в показаниях гиро­компаса.Для контроля за углом разворота прибора на устано­вочной плите с задней сторонынанесена шкала 10 с ценой деления 0,5°.

/>