NECLASIFICAT CUPRINS INTRODUCERE........................................................ ................................................................... ..3 1. Sisteme de stabilizare automată utilizate în tehnica militară.............................................5 1.1. Noțiuni generale despre sistemele automate................................................... ..............5 1.2. Clasificare sistemelor automate .................................................. .................................6 1.3. Prezentare generală a Sistemelor de reglare automată(SRA).......................................7 1.4. Schema bloc a unui Sistem de reglare automată................................................... ........7 1.5. Rolul elementelor component.................................................. .....................................8 1.6. Funcționarea sistemelor de reglare automată................................................... .............9 1.7. Exemple de sisteme de reglare automate................................................... ...................9 NECLASIFICAT 1 din 112
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Armele cu dirijare de precizie au jucat un rol din ce în ce mai important în conflictele recente
iar atenţia s-a concentrat asupra preciziei chirurgicale a atacurilor realizate cu ajutorul armelor
high-tech.Totuşi, conceptul care stă la baza armelor dirijate din zilele noastre datează din cel de-al
Doilea Război Mondial, iar în unele cazuri chiar din Primul Război Mondial.Se poate observa că
doar progresul tehnologic recent a făcut posibil exploatarea conceptului de arme dirijate.
În această lucrare am aprofundat importanţa utilizării sistemelor automate în cadrul
diferitelor tipuri de rachete, îndeosebi cele specifice complexelor de apărare antiaeriană.
În prima parte a acestei lucrări au fost prezentate noţiunile fundamentale ale sistemelor
automate utilizate în viața de zi cu zi , care fără a ne da seama ne simplifică drastic viața.
În a doua parte au fost analizate complexele care folosesc procedee de dirijare specifice
teledirijării şi autodirijării. Acestea se găsesc și în dotarea armatei române.
Au fost tratate complexele care folosesc rachete , care cu ajutorul sistemelor automate
reușesc să se stabilizeze pe durata zborului, evidențiindu-se faptul că acest lucru nu ar fi posibil fără
utilizarea giroscopului.
Scopul prezentării modului de stabilizare a rachetelor pe timpul deplasării acestora este de a
se evidenția statusul giroscopului în eficacitatea sistemelor de rachete de a-și îndeplinii misiunea
primită.
După ce acest lucru a fost determinat, în capitolul trei a fost tratat subiectul giroscop , unde a
fost prezentată o clasificare a acestuia, fenomene giroscopice și alte întrebuințări ale acestuia,
urmând ca în capitolul final , să fie demonstrată fizic modul de funcționare a unui giroscop ,
utilizând un giroscop de dimensiuni mici și programul Visual Studio pentru a reprezenta grafic
mișcările pe cele trei grade de libertate a acestuia.
Complexele de rachete cu care este dotată armata română au o capacitate de stabilizare a
rachetelor antiaeriene specifică perioadei în care au fost fabricate, perioadă în care tehnicile de
stabilizare electronice nu erau atât de evoluate precum sunt cele apărute şi utilizate acum. De aceea ,
NECLASIFICAT3 din 78
NECLASIFICAT
în cazul unui conflict actual este posibil ca acestea să nu poată reacţiona la fel de eficient cum ar
putea reacţiona un sistem
Această lucrare poate fi de un real ajutor pentru aceia care vor să aprofundeze metodele de
stabilizare cu ajutorul giroscopului ,modul cum acesta influenţează stabilizarea unei rachete pe
traictorie ,care sunt factorii care pot influenţa stabilizarea atât la nivelul atmosferei cât şi în cazul
stratosferei în cazul unuia din complexele de rachete analizate.Totuşi, nimeni nu ar trebui să se
limiteze la studierea unei singure lucrări despre stabilizarea pe traictorie a rachetelor dacă se doreşte
înţelegerea în profunzime a acestor lucruri. Acest domeniu este foarte vast şi cere multă muncă
pentru a putea înţelege importanţa acestora în cadrul dezvoltării tehnicii militare,mai ales că noile
forme de ameninţări arată necesitatea utilizării unor rachete cu o precizie ridicată pentru o mai bună
protecţie a spaţiului aerian.
NECLASIFICAT4 din 78
NECLASIFICAT
I. SISTEME DE STABILIZARE AUTOMATĂ UTILIZATE ÎN TEHNICA
MILITARĂ
1.1. Noțiuni generale despre sistemele automate
Sistemele automate sunt definite ca sisteme care realizează fără intervenția omului , adică în
mod automat , controlul unor mărimi electrice , mecanice , termice, etc. Astfel de sisteme automate
se găsesc pretutindeni , de la aparate simple cum ar fii cele de uz caznic , până la cele mai sofisticate
sisteme de navigație folosite la navetele spațiale.
Ca un exemplu de sisteme automate simple folosite în uzul caznic sunt sistemele de
automate de reglare a temperaturii . Din punct de vedere al destinaţiei , sistemele automate de
reglare a temperaturii pot fi sisteme pentru instalaţii frigorifice sau sisteme pentru instalaţii de
încălzire.
Alte câteva exemple de sisteme automate sunt:
1. Sisteme de reglare a poziției :
i. lifturile
ii. mașini de găurit plăci pentru circuite imprimate și de montat circuitele pe
plăci
iii. mașini de împachetat sau etichetat
iv. mașini pentru sortarea scrisorilor
v. mașini pentru sortarea scrisorilor
vi. mașini pentru decupat circuitele integrate de pe support
2. Sisteme de reglare a vitezei :
i. Pompe , compresoare , ventilatoare
ii. Mașini de spălat automate
3. Sisteme de reglare a umidității :
i. Incubatoare
ii. Incinte locuibile
4. Sisteme de reglare a traiectoriei și vitezei de zbor a avioanelor
5. Sisteme de dirijare a navelor spațiale
NECLASIFICAT5 din 78
NECLASIFICAT
În procesul de evoluție a tehnologiei în care a intervenit omul , reușind astfel îmbunătățirea
condițiilor de viață , se pot distinge următoarele etape :
-etapa mecanizării , etapă care a dus la realizarea noilor obiecte materiale cu ajutorul cărora
au fost adaptate eforturile fizice necesare posibilităților omului. Ca exemplu poate fi luat pârghia ,
roata , scripeții etc.
-etapa automatizării constă în creerea mijloacelor materiale cu ajutorul cărora s-au redus
sau chiar eliminat intervenția omului în desfășurarea proceselor de producție. Acest lucru poate fi
privit ca un beneficiu oferit omului , deoarece acestuia îi revine rolul de conducere generală , și
anume cel de control al desfășurării proceselor.
-etapa cibernetizării cuprinde perioada care permite creerea unor noi obiecte materiale cu
ajutorul cărora să se permita reducerea funcției de conducere generală a omului.
1.2. Clasificare sistemelor automate
După structură :
- cu structură deschisă – S.C.A.
- cu structură închisă – S.R.A.
După relația funcțională între mărimile de intrare și de ieșire :
- sisteme automate liniare(când toate variabilele care intervin în sistemul automat
sunt funcții continue de timp)
- sisteme automate neliniare(când cel puțin unul din subsisteme este descris de un
model neliniar)
După natura semnalelor prelucrate în sistemul automat :
- sisteme automate cu acțiune continuă sau sisteme automate continue (când toate
variabilele care intervin în sistemul automat sunt funcții continue de timp)
- sisteme automate discrete(când cel puțin una dintre mărimile din sistem are o
variație discretă , discontinuă) :
NECLASIFICAT6 din 78
NECLASIFICAT
o cu impulsuri modulate
o numerice
După numărul variabilelor de intrare sau ieșire :
- sisteme monovariabile(când sistemul are o intrare și o ieșire)
- sisteme multivariabile(când sistemul are mai multe mărimi de intrare și/sau
ieșire)
1.3. Prezentare generală a Sistemelor de reglare automată(SRA)
Prin Sistem de Reglare Automată (SRA) se înţelege un sistem realizat astfel încât între mărimea de ieşire şi mărimea de intrare se realizează automat, fără intervenţia omului, o relaţie funcţională care reflectă legea de conducere a unui proces.
Sistemele de reglare automată au rolul de a asigura menținerea automată a unor mărimi
tehnologice la o valoare prestabilită.
Scopul sistemelor de reglare automată este acela de a înlocui omul în realizarea diverselor
operații din procesul de producție.
1.4. Schema bloc a unui Sistem de reglare automată
NECLASIFICAT7 din 78
Xe
Xe
Xp
Xm
Xc
EC
-
Xr
εXi +
Tr
ITEERA
A
NECLASIFICAT
Fig.1.1 Schema bloc a sistemului de reglare automată
Elemente componenete :
EC– element de comparaţie
RA– regulator automat
EE– element de execuţie
Tr– traductor
IT– instalaţie tehnologică
Mărimi de intrare / ieșire :
Xi– mărimea de intrare în
sistem
Xr– mărimea de reacţie
ε – semnalul de eroare
(abaterea)
Xc– mărimea de comandă
Xm– mărimea de execuţie
Xp– mărimi perturbatoare
Xe– mărimea de ieşire
1.5. Rolul elementelor componente
NECLASIFICAT8 din 78
NECLASIFICAT
Rolul de comparație permanentă a mărimii de ieşire a instalaţiei tehnologice cu o mărime de
acelaşi fel cu valoare prescrisă, care este considerată precisă, este a elementul de comparaţie.
Rezultatul acestei comparaţii este semnalul de eroare ε .
Regulatorul automat efectuează anumite operaţii asupra mărimii ε primită la intrare,
respectiv prelucrarea aceastei mărimi după o anumită lege. Denumirea acestei legi este legea de
reglare, iar rezultatul acestor operații este mărimea de comandă, notată cu Xc și este aplicată
elementului de execuţie.
Elementul de execuţie are rolul de a interveni în funcţionarea instalaţiei tehnologice pentru
corectarea parametrilor reglaţi conform mărimii de comandă transmise de regulatorul automat.
Sistemul supus unor acţiuni externe numite perturbaţii şi acţiunii comenzii generate de
regulatorul automat a cărui mărime de ieşire este astfel reglată conform unui program prescris este
denumită instalaţia tehnologică.
Traductorul este instalat pe bucla de reacţie negativă a sistemului de reglare automat, având
are rolul de a transforma mărimea de ieşire a instalației tehnologic într-un semnal electric aplicat
elementului de comparație.
1.6. Funcționarea sistemelor de reglare automată
Asupra instalației tehnologice acționează mărimi perturbatoare(Xp) determinând variații ale
mărimii reglate. Aceste variații sunt măsurate , prelucrate și semnalizate , cu ajutorul traductorului
care fiind cuplat în sistem pe legătura de reacție negativă se obține la ieșirea acestuia un semnal de
reacției (Xr), semnalul fiind de aceeași natură fizică cu cel de intrare în sistem.
Mărimea de intrare (Xi), proporțională cu valoarea prescrisă a mărimii de referință(X0), este
comparată cu semnalul de reacție (Xr) de la ieșirea traductorului , prin intermediul elementului de
comparație. Rezultatul acestei comparații este semnalul de eroare ε = Xi - Xr.
Semnalul de eroare ε este amplificat prin intermediul unui amplificator din construcţia
regulatorului automat şi transformat într-un semnal de comandă, prin circuitul de reacţie, aflat în
regulatorul automat, care fixează legea de reglare la ieşirea regulatorului automat.
NECLASIFICAT9 din 78
NECLASIFICAT
Semnalul de comandă, acţionează asupra servomotorului elementului de execuţie, punând în
mişcare organul de reglare, în sensul anihilării erorii de funcţionare ε.
Dacă semnalul de comandă este de natură fizică diferită de semnalul necesar acţionării
servomotorului, atunci, între regulatorul automat şi elementul de execuţie se cuplează un convertor
care realizează conversia semnalului de comandă.
Dar mărimile perturbatoare continuă să-şi exercite influenţa asupra parametrului reglat din
instalaţia tehnologică , ale cărui variaţii sunt percepute şi prelucrate de traductorul procesul de
reglare se reia sau continuă.
1.7. Exemple de sisteme de reglare automate
Sistemele automate în care reglarea se face independent de valoarea reală a mărimii reglate ,
deoarece regulatorului nu are nici o informație referitoare la aceasta se numesc sisteme de reglare
automată în buclă deschisă.
Un astfel de sistem automat este cel folosit de Heron din Alexandria care acum 2000 de ani,
reușea cu ajutorul unui sistem ingenios(fig.1.2.) bazat pe diferența de presiune dată de dilatarea
aerului încălzit să închidă porțile unui templu.
NECLASIFICAT10 din 78
NECLASIFICAT
Fig.1.2.Sistem automat folosit acum 2000 de ani de Heron din Alexandria
Datorită creșterii presiunii aerului încălzit de focul din altar apa din rezervor era împinsă în
căldare . Astfel căldarea devenea mai grea decât contragreutatea și apărea o mișcare în plan vertical ,
care fiind convertită cu ajutorul unui sistem de frânghii ducea la mișcarea axelor ușilor , care se
deschideau.
Pentru închiderea ușilor se stingea focul , aerul se răcea , ceea ce ducea la revenirea apei în
rezervor. Astfel căldarea având mișcarea inversă , de urcare , ușile se închideau.
Ceasul cu apă a fost printre cele mai timpurii supraveghetoare de timp. Una dintre cele
mai vechi variante a fost găsită în mormântul lui Amenhotep I îngropat în jurul anului 1500
înainte de Hristos. Curgerea apei printr-un circuit într-un rezervor determina o creştere a
nivelului funcție de timp. În acest mod se punea în evidență pe cale mecanică trecerea
timpului (fig.1.3).
Fig.1.3. Ceasul cu apă
Alt exemplu de sistemele automate sunt cele care iși decid comportamentul față de mărimile
externe pe baza mărimii de eroare generate în mod automat , cu scopul expres de a-l anula . Acestea
se numesc sisteme automate cu buclă inchisă sau cu reacție.
NECLASIFICAT11 din 78
NECLASIFICAT
Primul sistem de reglare automată cu buclă închisă care a fost utilizat pe scară largă este
regulatorul centrifugal inventat de James Watt în anul 1788. Schema acestuia este prezentată în
figura 1.4.
Fig. 1.4. Regulator centrifugal
Acest sistem de reglare automată a fost folosit la motoarele care foloseau aburul ca și
combustibil. Regulatorul este compus din două bile suspendate pe un ax care se rotesc cu viteza
motorului. Forța centrifugă face ca bilele să se ridice în momentul creșterii vitezei , ceea ce
determină scaderea unghiului α , această mișcare ducând la ridicarea unei tije care acționează asupra
unui ventil. Acest lucru scade presiunea din conducta de alimentare , micșorând viteza motorului.
1.8. Regulatorul automat
1.8.1. Prezentare generală
Regulatorul automat (RA) are rolul de a prelucra semnalul de eroare ε , care este obţinut
in urma unui proces comparativ executat execută în elementul de comparaţie, proces ce compară
NECLASIFICAT12 din 78
NECLASIFICAT
mărimea de intrare Xi şi mărimea de reacţie Xr , şi de a da la ieşire un semnal de comandă Xc pentru
elementul de execuţie. Este plasat între elementul de comparaţie şi elementul de execuţie, conform
schemei bloc a sistemului de reglare automată reprezentată în figura 1.5.
Fig. 1.5 Schema bloc a sistemului de reglare automată
Cu ajutorul traductorului de reacție se obțin informațiile curente asupra procesului
automatizat , informații ce sunt mai apoi prelucrate de regulatorul automat în conformitate cu o lege
care definește legea de reglare.
Implementarea acestor legi de reglare se realizează printr-o varietate largă a construcției
regulatorului , ca regulator hidraulic , pneumatic , electronic sau chiar și regulator mix.
Chiar dacă exista o varietate largă de regulatoare , orice regulator conține următoarele
elemente componente :
- amplificatorul (A)
- elementul de reacţie secundară (ERS)
NECLASIFICAT13 din 78
TR
EE+ITRA
EC
xi +
-
xr
ε xc xe
p
NECLASIFICAT
- elementul de comparare secundară (ECS)
Fig.1.6 Schema bloc a unui regulator automat
Amplificatorul este elementul de bază din regulatorul automat. Cu ajutorul acestuia se
amplifică mărimea ε1 cu un factor KR , adică se realizează următoarea relație :
xc (t )=K R⋅ε1 (t ), (relația 1.1)
unde KR reprezintă factorul de amplificare al regulatorului.
La intrarea elementul de reacție secundară (ERS) se primește, de la ieșirea amplificatorului,
mărimea de comandă Xc și se elaborează la ieșire un semnal de reacție secundară X rs. Elementul de
reacție secundară este un element ce determină o dependență proportională între Xc și Xrs.
Elementul de comparare secundară (ECS) efectuează în continuu compararea abaterii ε și a
semnalului de reacție secundară Xrs după relația :
ε 1 ( t )=ε ( t )−xrs ( t )(relația 1.2)
Din punct de vedere constructiv regulatorul automat include şi elementul de comparaţie EC
al sistemului de reglare automată. În cazul sistemelor de reglare electronice sau pneumatice, el poate
include şi dispozitivul de prescriere a referinţei.
Regulatorul poate avea o structură mai complicată. De exemplu, la unele regulatoare există mai multe
etaje de amplificare, la altele există mai multe reacţii secundare necesare obţinerii unor legi de reglare mai
complexe.
1.8.2. Clasificare regulatoare automateNECLASIFICAT14 din 78
-
+
xrs
ε1
A
ERS
ECS
ε xc
NECLASIFICAT
Clasificare regulatoarelor automate se poate face după mai multe criterii.
1. În funcţie de sursa de energie exterioară folosită, acestea se clasifică în:
regulatoare automate directe – acest model de regulatoare automate funcţionează fără
o sursă de energie exterioară. Transmiterea semnalului se realizează cu ajutorul
energiei interne preluată prin intermediul traductorului de reacţie direct din proces;
regulatoare automate indirecte – regulatoarele necesită o sursă de energie exterioară
pentru acţionarea elementului de execuţie. Sunt cele mai des utilizate regulatoare care
permit obţinerea unor caracteristici funcţionale mai complexe şi performanţe
superioare regulatoarelor directe.
2. După viteza de răspuns există:
regulatoare automate pentru procese rapide folosite pentru reglarea automată a
parametrilor proceselor cu răspuns rapid, caracterizate de constante de timp mai mici
de 10 s. Un exemplu ar fi procesele de tip acţionări electrice.
regulatoare automate pentru procese lente folosite atunci când constantele de timp ale
instalaţiei depăşesc 10 sec. Această situaţie este frecvent întâlnită în cazul proceselor
având ca parametri temperaturi, presiuni, debite, nivele etc.
3. După tipul acţiunii regulatoarele pot fi:
regulatoare automate cu acţiune continuă - mărimile Xc(t) și ε(t) variaza continuu in
timp.Regulatoarele continue liniare sunt de tipul P, PI, PID
regulatoare automate cu acţiune discontinuă sau discretă – cel puţin una din mărimile
ε(t) şi Xc(t) variază discontinuu în timp. De exemplu ca trenuri de impulsuri modulate
în amplitudine sau durată. În această categorie intră regulatoarele bipoziționale sau
tripoziţionale, la care ε(t) variază continuu dar Xc(t) poate lua un număr limitat de
valori în raport cu eroarea.
Regulatoarele cu acţiune continuă la rândul lor pot fi:
o regulatoare automate liniare
o regulatoare automate neliniare
NECLASIFICAT15 din 78
NECLASIFICAT
4. După caracteristicile constructive există:
regulatoare automate unificate, utilizate pentru reglarea a diferiţi parametri de
temperatură, presiune, etc.. Aceste regulatoarele unificate funcţionează cu un anumit
tip de semnal care atât la intrare cât şi la ieşire variază în limite fixate. Semnalele pe
baza cărora funcţionează aceste regulatoare sunt unificate şi au aceleaşi valori ca la
sistemele de măsurare şi control, respectiv 0,2...1bar pentru cele pneumatice și
2...10mA sau 4...20mA pentru regulatoarele electronice unificate.
regulatoare automate specializate, sunt utilizate numai pentru un anumit parametru
tehnologic. Acestea au structura constructivă şi semnalele de lucru special concepute
pentru parametrul considerat.
5. După agentul purtător de semnal există:
regulatoare automate electronice, la care atât mărimea de intrare cât şi mărimea de
ieşire sunt de natură electrică şi care au în componenţa lor blocuri electronice
regulatoare automate hidraulice
regulatoare automate pneumatice
regulatoare automate mixte
6. După numărul mărimilor de ieşire ale instalaţiei tehnologice:
regulatoare automate monovariabile
regulatoare automate multivariabile
1.8.3. Regulatoare automate cu acţiune continuă
1.8.3.1. Regulatoare cu acţiune proporţională (de tip P)
Aceste tip de regulatoare stabilesc între mărimea de intrare ε(t) și mărimea de ieşire x c(t) o
relaţie de dependenţă proporţională descrisă de :
Xc(t) = KR ⋅ ε(t)
unde KR este factorul de amplificare al regulatorului.
NECLASIFICAT16 din 78
Răspuns ideal
xc
KR
ε
NECLASIFICAT
Fig. 1.7. Răspunsul la intrare treptă al unui regulator P
Din cauza inerţiei elementelor componente ale regulatorului, mărimea de comandă nu poate
urmări instantaneu variaţia erorii şi din această cauză variaţia reală a mărimii x c(t) este trasată
punctat.
Factorul denumit bandă de proporţionalitate(BP) este adesea utilizat în loc de KR . BP este
procentul din domeniul mărimii de intrare în regulator ε(t) pentru care regulatorul de tip P determină
o valoare xc(t) egală cu 100% din domeniul posibil pentru mărimea de ieşire.
În momentul când domeniul de variaţie al erorii ε devine egal cu domeniul de variaţie al
mărimii de comanda xc , banda de proporţionalitate se determină:
BP = 1
KR
∙100 [ % ] (relația 1.3)
În cazul că diferă domeniile de variație intrare-ieșire , domeniul de proporționalitate este dat
de relația :
BP = 100KR
∙Domeniul ε
Domeniul Xc
(% ) (relația 1.4)
Unicul parametru al regulatoarelor de tip P este reprezentat de banda de proporţionalitate BP,
respectiv factorul de proporţionalitate KR. Prin contrucția acestui tip de regulator acest parametru
este ajustabil in limite mari pentru a putea fi folosit la o varietate mare de legi de reglare.
1.8.3.2. Regulatoare cu acţiune integrală (de tip I)
NECLASIFICAT17 din 78
1
NECLASIFICAT
Aceste regulatoare stabilesc între mărimea de ieşire Xc(t) şi mărimea de intrare ε(t)
următoarea relaţie:
X c ( t )= 1T i∫ ε ( t ) dt (relația 1.5)
mărimea Xc(t) depinzând de integrala în timp a erorii ε(t), constanta Ti se numindu-se constanta de
integrare şi are dimensiunea timp.
Derivând în funcţie de timp relaţia anterioară, se obţine:
d Xc (t )dt
= 1T i
∙ ε (t ) (relația 1.6)
rezultând că la regulatorul de tip I eroarea este proporţională cu viteza de variaţie a mărimii de
comandă, factorul de proporţionalitate fiind inversul timpului de integrare după cum se poate
observa în figura 1.8.
Fig.1.8 Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator I
Datorită întârzierilor pe care le introduc regulatoarele de tip I sunt rar utilizate, aplicându-se
doar atunci când nu există alte elemente ale sistemului de reglare automată care să permită eroare
staţionară nulă.
1.8.3.3. Regulatoare cu acţiune proporţional integrală (de tip PI)
NECLASIFICAT18 din 78
t
ε
0
α=arctg1T i
xc
t
NECLASIFICAT
Regulatoarele cu acțiune proportional-integrală reprezintă o combinație între un regulator
proportional și unul integral. Legea de reglare a regulatorului PI conține un termen care reprezintă
acțiunea proportional P și un termen care asigură efectul integrator:
X c=KR ∙ ε ( t )+ 1T i∫ ε ( t )dt (relația 1.7)
Factorii KR şi 1T i
caracterizează cele două componete ale răspunsului regulatorului. Ei pot fi
modificaţi independent unul de celălalt.
Relaţia mai poate fi scrisă şi:
X c ( t )=KR [ε (t )+ 1T I∫ ε (t ) dt ] (relația 1.8)
unde T I=K R⋅T i reprezintă constanta de timp de integrare a regulatorului. Ea prezintă avantajul că
factorul de proporţionalitate KR intervine atât în componenta proporţională cât şi în componenta
integrală, astfel că modificarea lui KR permite modificarea ambelor componente. Aceasta
corespunde condiţiilor constructive reale ale celor mai multe regulatoare de tip PI.
Fig.1.9 Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PI
NECLASIFICAT19 din 78
t
ε
0
α=arctgK R
T IKR
xc
t0
NECLASIFICAT
Datorită posibilităţii de combinare a celor două acţiuni, proporţională şi integrală, prin
modificarea simultană a celor două constante, regulatoarele PI permit obţinerea de caracteristici
superioare în realizarea legilor de reglare.
1.8.3.4. Regulatoare cu acţiune proporţional derivativă (de tip PD)
La fel ca și regulatoarele de tip PI, acest tip de regulatoare reprezintă o combinaţie între un
regulator de tip P şi unul de tip D stabilind o relație de dependență între mărimea de ieşire x c(t) şi
mărimea de intrare ε(t) descrisă de relația :
X c ( t )=KR ∙ ε (t )+ 1T d
∫ dε ( t )dt
(relația 1.9)
unde factorul Td reprezintă constanta derivativă.
Similar ca la regulatoarele PI, relaţia poate fi scrisă şi:
X c (t )=KR [ε (t )+T D
dε (t )dt ] (relația 1.10)
unde factorul T D=
T d
K R se numeşte constantă de timp derivativă a regulatorului.
NECLASIFICAT20 din 78Fig.1.10 Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PD
t
ε
0 t
xc
0
KR
NECLASIFICAT
Analizând răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PD se observă că acţiunea
componentei derivative se manifestă numai la momentul iniţial, când are loc saltul mărimii de la
intrare. Prezenţa componentei derivative care apare la momentul iniţial şi este de scurtă durată, are
ca efect o accelerare a regimului tranzitoriu şi deci o reducere a acestuia. Comparativ cu
regulatoarele de tip P sau cele de tip I, aceste regulatoare permit posibilităţi mai largi de realizare a
legilor de reglare.
1.8.3.5. Regulatoare cu acţiune proporţional integrală derivativă (de tip
PID)
Aceste regulatoare sunt cele mai complexe regulatoare cu acţiune continuă, care asigură
performanţe de reglare superioare, atât în regim staţionar cât şi în regim tranzitoriu. Ele înglobează
efectele proportional P, integral I şi derivativ D expuse mai sus, conform legii de reglare:
X c ( t )=KR ∙ ε (t )+ 1T i∫ε ( t ) dt+T d
dε ( t )dt
(relația 1.11)
Dacă se ţine seama de realizarea constructivă a regulatorului, relaţia poate fi scrisă:
xc ( t )=K R [ε ( t )+ 1T I∫ ε ( t )dt +T D
dε (t )dt ]
(relația 1.12)
Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip PID este reprezentat în figura 1.11. în
care se observă prezenţa celor trei componente P, I şi D:
NECLASIFICAT21 din 78
α=arctgK R
T IKR
xc
t0t
ε
0
NECLASIFICAT
Fig.1.11 Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PID
Regulatoarele PID au trei parametri ajustabili KR, TI, TD, ceea ce asigură posibilităţi mult mai
largi în asigurarea legilor de reglare decât la oricare din regulatoarele descrise anterior şi explică
performanţele superioare ale sistemelor de reglare automată prevăzute cu aceste regulatoare. Evident
că regulatoarele PID au construcţii mai complexe şi necesită o acordare atentă a valorilor celor trei
parametri.
NECLASIFICAT22 din 78
NECLASIFICAT
-Pagină albă-
II. SISTEME DE STABILIZARE A RACHETELOR ANTIAERIENE CU
GIROSCOAPE
Complexele de rachete teledirijate sau autodirijate sunt mijloace relativ simple, usoare, foarte
mobile, precise si cu putere de distrugere însemnata. Bătaia eficace a rachetelor poate fi intre 600 si
75000 m in funcție de categoria în care se afla. Pe timpul deplăsarii, racheta execută un zbor care
poate fi comandat sau autocomandat. Stabilizarea ei pe traiectorie, este asigurată pe de o parte, de
forta de reacție dezvoltata de motor, și de ampenaj (aripile cu care este prevazuta) iar pe de o altă
parte de sistemele de stabilizare integrate în racheta. Faptul ca rachetei i se imprima miscare de
rotatie, face ca efectul la tinta al incarcaturii cumulative sa fie maxim.
NECLASIFICAT23 din 78
NECLASIFICAT
În capitolul care urmează urmărim să demonstrăm faptul că stabilizarea rachetelor
antiaeriene este un element foarte important pentru efectuarea cu succes a misiunii primite , iar
pentru aceasta evidențiem dependența aparatelor de zbor de giroscop.
2.1. Interacțiunea mediului cu racheta dirjată
Datorită interacțiunii mediu-rachetă apar forțele , sub acțiunea cărora se realizează zborul
dirijat și momentele aerodinamice , datorită cărora se asigură stabilizarea zborului , adică menținerea
rachetei pe traiectoria dinamică de zbor în apropierea traictoriei calculate.
Pe timpul zborului , racheta străbate straturile turbulente ale atmosferei , astfel suportând
influența tuturor factorilor care acționează asupra mișcărilor pe care aceasta le execută sub influența
forțelor și momentelor de dirijare în scopul menținerii pe traictoria calculată. În situația menționată ,
creste amplitudinea vibrațiilor corpului rachetei și valoarea suprasarcinilor, totodată apar și deviații
laterale și vertical . Spre exemplu , în cazul zborului orizontal , căderile vertical au valori de ordinul
zecilor și chiar sutelor de metri.
Fenomenul descris mai sus influențează negativ zborul rachetei , generând solicitări
suplimentare , creșterea erorilor de dirijare , iar în unele cazuri chiar pierderea dirijării.
2.2. Stabilizarea aparatelor de zbor
Stabilizarea aparatelor de zbor pe traictorie reprezintă domeniul de cercetare complex și de
actualitate , care suscită interesul unui mare număr de specialiști, cu precădere din industria de
apărare. Această problematică este tipic interdisciplinară , întrucât are tangență cu construcția și
dinamica aparatelor de zbor , cu echipamentele giroscopice și aparatura de dirijare, în conexiune cu
automatizarea proceselor de stabilizare și comandă pe traictoria programată.
În navigația și dirijarea aparatelor de zbor , pentru realizarea performanțelor impuse este
necesară asigurarea stabilizării și a manevrabilității în prezența perturbațiilor interne și externe.
NECLASIFICAT24 din 78
NECLASIFICAT
Stabilitatea este strâns legată de manevrabilitate. Cu cât procesul pilotării sau dirijării a aparatului de
zbor se simplifică , cu atât coeficientul de amortizare a oscilaților este mai mare , ceea ce duce la
creșterea preciziei și a manevrabiilității. Creșterea acestor factori se realizează pe baza principiului
fundamental al conducerii automate – principiul acționării prin discordanță , abaterea ca semnal de
conducere exprimând modificarea vitezei unghiulare, poziției sau a încărcării aerodinamice.
Așadar , sistemele de stabilizare prezintă reacții negative după viteza unghiulară , după poziție și
după suprasarcină, acestea exprimând manevrabilitatea și stabilitatea aparatului de zbor. De
asemenea , se pot intoduce rețele de corecție serie , paralelă sau mixtă în sistemele de stabilizare.
La proiectarea sistemelor de stabilizare , un alt factor de care trebuie să se țină cont este
influența oscilatiilor carburantului din rezervoare , precum și de influența oscilațiilor elastic ale
corpului rachetei. Frecvența acestor oscilații constituie , de multe ori , cauza defectării aparaturii și
unori , a deformării corpului rachetei în timpul zborului.
Pentru amortizarea oscilațiilor carburantului din rezervoare și a oscilațiilor elastic ale
corpului rachetei , se impun mijloace constructive adecvate. Parametrii sistemelor de stabilizare
trebuie aleși astfel încât să nu micșoreze gradul de amortizare obținut din contrucție. Dacă
dimnsiunile constructive adoptate nu permit obținerea gradului de amortizare necesar , atunci în
sistemul de stabilizare se introduce o rețea de corecție suplimentară de tip filtru cu bandă îngustă.
Aceasta este astfel calculată încât în sistemul de stabilizare să se realizeze corecția amplitudinii de
rezonanță adică procedeul de stabilizare a rachetei în amplitudine.
La baza creșterii performanțelor dinamice ale aparatelor de zbor stă utilizarea sintezei
optimale și adaptive a sistemelor de stabilizare. Acest lucru intensifică faptul că complexitatea și
eficacitatea acestor sisteme au un impact foarte mare asupra îndeplinirii cu succes al misiunilor
primite.
Stabilizarea mișcării de ruliu
Pentru asigurarea preciziei necesare , în cazul dirijării autonome și telecomandate , precum și
în cazul autodirijării rachetelor cu distribuție simetrică a ampenajelor și aripilor , se folosesc sisteme
de stabilizare și menținere la valoarea zero a unghiului de ruliu. Sub acțiunea perturbațiilor racheta
NECLASIFICAT25 din 78
NECLASIFICAT
se va rotii în jurul axei sale longitudinale. Ca un feedback al acestei rotații , apar cuplaje între
canalele tangajului , girației și ruliului, care contribuie la creșterea erorilor de dirijare.
Pentru micșorarea influenței cuplajelor asupra preciziei de dirijare , se impune creșterea
frecvenței de tăiere a sistemului de stabilizare a unghiului de ruliu cu aproximativ o de cadă față de
frecvențele de tăiere ale sistemelor de stabilizare corespunzătoare canalelor tangajului și girației.
Aceasta poate fi realizată prin introducerea în sistemul de stabilizare a unghiuliu de ruliu a unei
rețele de corecție cu întârziei de fază.
În timpul coborârii rachetei dirijate autonom este necesară , de asemenea , stabilizarea
unghiului de ruliu; o slabă stabilizare favorizează apariția unor forțe și cupluri perturbatoare
suplimentare, care tind să devieze racheta de la traiectoria de zbor impusă. Aceeași influența o are
înclinarea transversală și în perioada lansării rachetelor telecomandate. De aceea lansarea lor se
efectuează după punerea în funcțiune a aparaturii giroscopice și a sistemului de stabilizare a
unghiului de ruliu pentru a putea avea un punct de referință după care să se efectueze stabilizarea
rachetei pe timpul zborului.
2.3. Aplicații ale Sistemelor de Reglare Automată în tehnica militară
În tehnica militară regăsim aplicații ale sistemelor de reglare automată atașate rachetelor
radiodirijate , autodirijate semiactiv și pasiv. Acestea ajută la rezolvarea problemei întâlnirii rachetei
cu ținta angajată.
2.3.1. Racheta radiodirijată
Racheta antiaeriană radiodirijată(fig.2) este întrebuințată în complexul de apărare antiaeriană
cu baza la sol și este destinată pentru nimicirea avioanelr de vânătoare , avioanelor cu destinații
multiple, avioanelor strategice de bombardament , aerostatelor automate în derivă , precum și a
țintelor terestre sau de la suprafața apei.
NECLASIFICAT26 din 78
NECLASIFICAT
Fig.2 Racheta dirijată prin comenzi radio
2.3.1.1. Nevoia stabilizării Rachetei antiaeriene dirijate prin comenzi radio
Stabilizarea rachetei , nu ajută doar la micșosarea rezistenței la înaintare , ceea ce
determină înaintarea cu o viteză mai mare , ci și la ajungerea acesteia în zona unde poate intra la
dirijare pentru a putea fi dirijată spre țintă.
2.3.1.2. Cauza instabilității
În aer , asemenea unui glonț și asupra rachetei actionează două forțe: forța gravității și
forța rezistenței aerului. Forța gravității impune rachetei treptat să coboare, iar forța de
rezistență a aerului continuă micșorarea vitezei rachetei și tinde să o oprească
NECLASIFICAT27 din 78
NECLASIFICAT
O altă problemă care apare pe timpul deplasării rachetei pe traictorie este debitul de aer
care îl străpunge ceea ce determină apariția vibrațiilor la aripi , stabilizatoare și cârme. Aceste
vibrații pot induce rachetei devierea de la traictoria comandată.
2.3.1.3. Stabilizarea propriu-zisă
Racheta se lansează de pe rampa de lansare care funcționează în complex cu stația de
dirijare. După desprinderea rachetei de pe rampa de lasnsare , pe porțiunea de zbor cu acceleratorul ,
cunoscut ca și motorul reactive cu pulbere , nu se aplică comenzi de la stația de radiolocație pentru
dirijare la rachetă.
Traictoria de deplasare a acesteia pe porțiunea nedirijată este determinate de unghiul de
lansare care este stabilit cu ajutorul stației de dirijare.
În timpul de funcționare a motorul de lansare, este creată forța de tracțiune necesară pentru
desprinderea rachetei de pe rampa de lansare și accelerarea vitezei rachetei pe porțiunea inițială de
zbor al acesteia.
Motorul de marș se cuplează după desprinderea rachetei de pe rampa de lansare. Sub
acțiunea forței de tracțiune a motorului de marș și a forței rezistenței frontale a aerului care
acționează asupra acceleratorului , acesta se desprinde și treapta a doua începe zborul dirijat
conform comenzilor de la stația de dirijare.
Zborul dirijat al rachetei se execută după comenzile primate de la stația de dirijare. Aceste
comenzi recepționate și transformate de aparatura de radiodirijare și radiovizare se transmit prin
intermediul pilotului automat la elementele de comandă și execuție.
Pilotul automat are trei canale independente compuse fiecare din:
- Elementele sensibile , giroscopul , care racționează la schimbarea regimului de zbor al
rachetei și care aplică semnale electrice proporționale cu aceste schimbări.
- Dispositivele de amplificare - transformare , care amplifică și transformă semnalele de la
elementele sensibile
NECLASIFICAT28 din 78
NECLASIFICAT
- Organele de execuție , cu ajutorul cărora se realizează înclinarea cârmelor rachetei la un
unghi transmis de la stația de dirijare.
Stabilizarea pe ruliu a rachetei dirijate prin comenzi radio
În compunerea sistemului de stabilizare pe ruliu a rachetei dirijate prin comenzi
radio(fig.2.1.) găsim următoarele componente :
1. Sezizorul unghiular(SU) , sau în termeni mai comuni , giroscopul cu trei grade de
libertate
2. Transmițătorul presiunii(TU)
3. Circuitul de diferențiere(CD)
4. Schema de însumare și limitare(SÎL)
5. Circuitul de reacție locală(CRL)
6. Circuitul de reacție(CR)
7. Amplificatorul de însumare și putere(AÎP)
8. Mașina cârmelor(MC)
9. Cârmele propriu zise
NECLASIFICAT29 din 78
NECLASIFICAT
Fig.2.1. Sistemului de stabilizare pe ruliu a rachetei dirijate prin comenzi radio
Cel mai important element al acestui sistem este giroscopul cu 3 grade de libertate deoarece
oferă informații despre poziția rachetei. Acesta pornește în momentul punerii la pregătire a rachetei ,
având nevoie de 20 de secunde pentru a ajunge la turația nominală. Pe rampă giroscopul este blocat.
În momentul lansării, rotorul giroscopului este eliberat, acesta intrând în acțiune doar în
momentul intrării rachetei la dirijare. Datorită rotirii acesteia apare un semnal de eroare între rotor și
partea fixă a giroscopului.
Sesizorul unghiular, având caracteristicile unui traductor transformă poziția unghiulară a
rachetei în semnal electric comparând(adică are rol și de comparator) poziția reală a acesteia cu cea
memorată înainte de lansare. Această diferență dintre cele două poziții este defapt semnalul de
eroare.
Semnalul de la ieșirea giroscopului este proportional cu unghiul care s-a rotit racheta și
trebuie prelucrat. Acesta se transmite la schema de însumare și limitare dar și la circuitul de
diferențiere, rezultând deci , doua semnale : unul derivate și unul proportional.care însumate rezultă
că este un regulator automat de tip PD.
Cele două semnale se aplică la amplificatorul de însumare și putere, urmând ca după
amplifcare să se transforme în semnal de comandă care se aplică la mașina de cârme pentru mișcarea
celor patru cârme.
De exemplu dacă , cârma ajunge la 20o, semnalul de la potențiometrul linear este egal și de
semn contrar cu semnalul de comandă al releului. Pentru că , în urma însumării lor se v-a obține 0 ,
se poate concluziona faptul că poziția cârmelor a ajuns la 20o.
La intrarea amplificatorului , se găsește un semnal de eroare de la mașina cârmelor , care
trece prin circuitul de reacție. Pentru ca poziția cârmelor să rămână neschimbată , prin însumarea
semnalelor rezultatul trebuie sa fie 0, aceasta rezultă că giroscopul ajunge în poziția inițială și emite
semnal 0.
Datorită faptului că racheta străbate diferite straturi a atmosferei , presiunea dinamică se
schimbă pe durata deplasării, aceasta indicându-ne altitudinea. Presiunea dinamică este obținută de
NECLASIFICAT30 din 78
NECLASIFICAT
la tubul Pitod montat la partea frontală a rachetei. Această diferență de presiune dinamică face ca
înclinarea cârmelor să difere pe timpul stabilizării, adică dacă altutudinea diferă unghiul de înclinare
a cârmelor diferă. De exemplu la o înălțime mica densitatea aerului este mare de unde rezultă faptul
că înclinarea cărmelor este mai mică.
Din aceste informații , concluzia care o putem sustrage este faptul că stabilizarea rachetei se
face în mare parte cu ajutorul giroscopului.
Pentru ca informațiile obținute de la giroscop să fie precise și corecte , acesta trebuie sa
revină în poziția inițială în care a fost cuplat la o sursă de energie , adică poziția de pe rampa de
lansare (unghiul format între o linie imaginară perfect orizontală și stabilizatoare sa fie de 45o).
2.3.2. Racheta autodirijată semiactiv
Racheta autodirijată semiactiv(fig.2.2.) este destinată pentru nimicirea țintelor aeriene care
zboară la înălțimi mici și mijlocii cu viteze supersonice și subsonice.
NECLASIFICAT31 din 78
NECLASIFICAT
Fig.2.2. Racheta autodirijată semiactiv
2.3.2.1. Stabilizarea Rachetei antiaeriene autodirijate pe traictorie
Stabilizarea rachetei antiaeriene autodirijate pe traictorie, ajută la micșosarea rezistenței la
înaintare , ceea ce determină o înaintare cu viteză mai mare , adică nimicirea inamicului într-un timp
mai scurt.
2.3.2.2. Cauza instabilității
În aer , asemenea unui glonț și asupra rachetei actionează două forțe: forța gravității și
forța rezistenței aerului. Forța gravității impune rachetei treptat să coboare, iar forța de
rezistență a aerului continuă micșorarea vitezei rachetei și tinde să o oprească.
Proiecțiile vectorului ω ' pe axele G X ' ,G Y ' ,G Z ' sunt:
ωx' =ωx
' ' (relația 3.16)
NECLASIFICAT55 din 78
NECLASIFICAT
ω y' =ω y
' ' (relația 3.17)
ωz' =ω0+ωz
' ' (relația 3.18)
Proiecțiile vectorului momentului cinetic rezultant KG' sunt:
KGX' =J x
' ∙ωx' (relația 3.19)
KGY' =J y
' ∙ ωy' (relația 3.20)
KGZ' =J z
' ∙ ωz' (relația 3.21)
Componentele KGX' , KGY
' sunt mult mai mici decat componenta KGZ' deoarece J z
' =J x' =J y
' .
Vectorul moment cinetic v-a devia foarte puțin fată de axa O' Z ' a giroscopului. La
imprimarea unei viteze unghiulare suplimentare ω ' ' , in condițiile în care ω0 este suficient de mare,
efectul giroscopic este mic.
Aplicând axei giroscopului un cuplu de forțe situat în planul O' Y ' Z ' apare un moment MG
orientat dupa axa O' X ' . în aceasta situație forțele aplicate pot perturba sau nu mișcarea
giroscopului.
În cazul în care forțele aplicate nu perturbă mișcarea axei giroscopului, momentul M G
produce intr-un interval de timp dt o variatie d KG a momentului cinetic KG care conform teoremei
momentului cinetic are expresia:
d KG=M G ∙ dt (relația 3.22)
Vectorul momentului cinetic rezultant KG +d K G este situat în planul O' X ' Y ' , astfel axa de
rotație proprie a giroscopului va avea o nouă orientare, după direcția momentului cinetic rezultant.
Astfel, axa giroscopului se va roti într-un plan perpendicular pe planul forțelor perturbatoare
aplicate (efectul giroscopic).
3.6.3. Cuplul giroscopic
Considerăm un giroscop care se rotește cu viteza unghiulară inițială ω0 și că asupra lui
acționeaza o forță exterioară F ext care creeaza un cuplu perturbator M G.
În lagarele axei giroscopului apare o forță de reacție FG numită reacțiune giroscopică (fig.
3.6).
NECLASIFICAT56 din 78
NECLASIFICAT
Fig.3.6. Reacțiune giroscopică
Această forță creeaza un cuplu de reacțiune:
M g=−M g (relația 3.23)
M G=J z' ∙ ω0 x ω '=KG x ω ' (relația 3.22)
3.7. Teorema momentului cinetic
Momentul cinetic al unui punct material, faţă de un punct fix din spaţiu (numit pol), se
defineşte ca produsul vectorial dintre vectorul de poziţie şi impuls (Fig.3.7):
L=r × p (relația 3.23)
NECLASIFICAT57 din 78
NECLASIFICAT
Fig. 3.7. Momentul cinetic al unui punct material
Momentul forţei în raport pol se defineşte ca produsul vectorial dintre vectorul de poziţie al
punctului de aplicaţie al forţei (faţă de pol) şi forţă:
M=r × F (relația 3.24)
Pentru deducerea teoremei momentului cinetic calculăm derivata momentului cinetic în
raport cu timpul.
d Ldt
=d rdt
× p+ r×d pdt
= v× m v+ r× F=M (relația 3.25)
Derivata în raport cu timpul a momentului cinetic al punctului material faţă de un
punct fix numit pol este egală cu momentul forţei care acţionează asupra punctului material
faţă de acelaşi pol.
d Ldt
=M (relația 3.26)
Pentru M=0, din (I.11’) rezultă L=const . Aceasta se întâmplă în următoarele cazuri:
a) F=0
NECLASIFICAT58 din 78
NECLASIFICAT
b) F= rr
(forță centrată)
Legea conservării momentului cinetic: Dacă momentul forţei rezultante care acţionează
asupra unui punct material este nul faţă de un punct fix numit pol, atunci momentul cinetic al
punctului material faţă de acelaşi pol rămâne constant în timp (se conservă).
3.8. Alte utilizări ale giroscopului
Demonstrații ștințifice
Giroscoape demonstrative sunt adesea găsit într-un medii de învățare, cum
ar fi în școli sau colegii pentru a preda fizica de giroscoape. Giroscoapele
demonstrative tradiționale tind să fie cu cadran pentru a permite utilizatorului să
înțeleagă cum un giroscop poate indica în mod continuu într-o singură direcție. Un
giroscop cu cadran permite utilizatorului de a plasa greutăți sau forțe pe o axă
pentru a putea observa cum giroscopul va reacționa. Utilizatorul poate, de
asemenea, pune presiune pe o parte a giroscopului (prin atingere)pentru a putea observa forțele
implicate.
Dispozitive periferice
Există o serie de dispozitive periferice pentru calculator, care
au giroscoape incorporate, permițând utilizatorilor să
controleze cursorul mouse-ului în timp ce dispozitivul este în
mâna utilizatorului! Ele sunt, de asemenea, wireless, astfel
sunt perfecte pentru prezentări atunci când vorbitorul se
mișcă în interiorul incintei. Giroscopul urmărește mișcările
dispozitivului din mână care se transformă în semnale ,
transmițându-le dispozitivului din calculator care le traduce în mișcări ale cursorului.
NECLASIFICAT59 din 78
NECLASIFICAT
Industria curselor auto
Comportamentul giroscopic este folosit și
în industria curselor auto, datorită faptului
că motoarele de autoturisme acționează la
fel ca un giroscop mare. Acest lucru are
utilizările sale, de exemplu, pentru masina
de curse americană folosite în cursele
NASCAR unde unele piste sunt într-o
formă ovală.
În timpul cursei mașinile merg în jurul circuitului într-o singură direcție. Din cauza forțelor
giroscopice, în funcție de sensul de rotire a motorul, în sensul acelor de ceasornic sau în sens
trigonometric, partea frontală a autoturismelor se va deplasa în sus sau în jos. Dacă motorul se
învarte în direcția corecta poate ajuta mașina să rămâne pe pistă.
Motociclete
Roata de la motocicletă acționează ca un giroscop , producând astfel forțe care ajută la
balansarea acesteia în timpul mersului și a virajelor.
NECLASIFICAT60 din 78
NECLASIFICAT
Girocompasul
Girocompasul sau compasul giroscopic este un aparat a cărui funcţionare se bazează pe
principiul giroscopului şi care se foloseşte la indicarea direcţiei nordului adevărat, independent de
influenţa mag-netismului terestru. Faţă de compasul magnetic, indicaţiile girocompasului sunt mult
mai precise, se pot transmite în mai multe locuri de pe navă şi sunt influenţate într-o măsură mai
mică de mişcările navei. În schimb, girocornpasul este un
aparat complicat, susceptibil 1 avarii, necesită un personal
calificat pentru întreţinere şi nu este utilizabil decât după 4—6
ore de la pornire.
Primele girocompase au fost construite la începutul
secolului XX. Apariţia acestui nou aparat de navigaţie a fost
posibilă în urma dezvoltării matematicii şi mecanicii.
Realitatea vituală
Giroscopele au fost folosite pentru perfecționarea experienței simțite
de utilizatorii jocurilor virtuale, și anume pentru crearea unei cășți. O
serie de senzori care utilizează giroscopul în miniatura sunt plasate în
setul cu cască., utilizatorul putând mișca capul iar direcția și viteza fiind
trimise înapoi la computer. Computerul poate schimba apoi afișajul după
cum este necesar.
Robotică
Giroscopele sunt utilizate în prezent în robotica complexă , chiar în
producerea roboților , care au nevoie de acesta pentru realizarea
stabilității. Fără giroscop roboții nu ar putea menține echilibru.
NECLASIFICAT61 din 78
NECLASIFICAT
-Pagină albă-
NECLASIFICAT62 din 78
NECLASIFICAT
IV. MODELUL DE LABORATOR PENTRU STUDIUL GIROSCOPULUI
LIBER
În aceast model de laborator se dorește a se evidenția funcționalitatea unui giroscop liber
prin ilustrarea unei rachete care își schimbă direcțiile după datele primite de la acesta. Pentru
realizarea acestui model de laborator au fost folosite următoarele elemente:
1. Microcontroler
2. Convertor
3. Giroscop
4. Cutie pentru susținerea pieselor
5. Cablu USB pentru legătura dintre dispozitiv și o unitate(computer,laptop , etc…)
4.1. Elementelor folosite pentru crearea dispozitivului
1. Convertor de tip PL-2303
2. Buton de resetare Microcontroler
3. MPU-6050(Giroscop + Accelerometru)
NECLASIFICAT63 din 78
NECLASIFICAT
4. Microcontroler de tip PIC18
4.1.1. Convertor PL-2303
Convertorul PL-2303(fig.4.1) este destinat pentru alimentarea circuitului , dar și pentru a
realiza conexiunea dintre dispozitiv și unitate pentru ilustrarea datelor provenite de la giroscop și
accelerometru.
Fig.4.1.Convertor PL-2303
Caracteristici
a) Este compatibil cu specificațiile USB v1.1
b) Suportă interfața serialului RS232
NECLASIFICAT64 din 78
NECLASIFICAT
c) Suportă modul „scutură”
d) Suportă „Remote wake-up” și „power management”
e) Buffer de 256 bytes pentru datele de intrare și ieșire
f) Suportă ROM sau EEPROM extern pentru configurația device-ului
g) Transmițător USB
h) Oscilator de cristal care funcționează la 12 MHz
i) Poate opera cu Windows 98/SE, ME, 2000, XP, Windows CE3.0, CE .NET, Linux, și Mac
OS
j) Creat pentru Windows XP/2000 Certified Logo Drivers
k) 28 de Pini SSOP
Generalități
PL-2303 funcționează ca o punte de legătură între un port USB și un singur port serial
standard RS232. Cele două cipuri de pe plăcuță pot găzdui fluxul de date din două surse. Acest
model este adaptat pentru transferul de date la nivel maxim și poate fi realizată o rată de transfer
mult mai mare în raport cu convertorul UART.
Acest dispozitiv este, de asemenea, în conformitate cu managementul de alimentare USB și
cu sistemul de trezire la distanță. Prin integrarea tuturor funcțiilor într-un pachet SSOP-28, acest cip
este potrivit pentru înglobarea mai multor sisteme. Utilizatorii pur și simplu pot lega, cablul în PC
sau hub-ul port USB, iar apoi se pot conecta la orice dispozitive RS-232.
4.1.2. MPU-6050
Giroscopul folosit pentru realizarea studiului de caz este unul care folosește tehnologia
MEMS().Fiecare tip de giroscop MEMS are o componentă sub formă de oscilant(fig.4.2.) cu
ajutorul căruia se poate detecta schimbarea direcției. Acest lucru se datorează faptului că, așa cum în
legea de conservare a mișcării, un obiect care vibrează continuă să vibrează în același plan, iar orice
abatere de la această vibrație poate fi folosită pentru a obține o informație despre schimbarea de
direcție.
NECLASIFICAT65 din 78
NECLASIFICAT
Fig.4.2.Oscilant de tip MEMS
Plăcuța MPU-6050(fig.4.3.) este primul integrat cu 6 axe care detectează mișcarea. Sunt
folosite un giroscop cu trei grade de libertate , un accelerometru , de asemenea cu trei grade de
libertate și un procesor digital. Cu ajutorul senzorul care folosește protocolului I2C acceptă direct
date de la un compas extern cu 3 axe pentru a putea oferii date complete pe 9 axe MotionFusionTM.
Principala funcție a acestui integrat este de a oferii date(viteze unghiulare și forțe de
accelerare) despre poziția în spațiu a acesteia cu ajutorul accelerometrului și a giroscopului.
NECLASIFICAT66 din 78
NECLASIFICAT
Fig.4.3.MPU-6050
Caracteristici ale giroscopului
a) Senzori pentru axele X, Y și Z programabil la ±250, ±500, ±1000, and ±2000°/sec
b) Semnal extern conectat la pinul FSYNC suporta imagini , video și sincronizare GPS
c) Convertoare analog digitale integrate, pe 16 bits care selectează simultan mișcarile
d) Sensori de sensibilitate pentru stabilizarea temperaturii pentru o calibrare mai bună
e) Zgomot redus
f) Filtru low-pass digital programabil
g) Tensiunea necesară giroscopului :
o De operare : 3.3V
o Standby : 5V
h) Self-test
Caracteristici ale accelerometrului
a) Output digital pentru accelerometrul cu 3 axe programabil pentru o scare de ±2g, ±4g, ±8g și
±16g
b) Convertor analog digital pe 16 bits integrat alegând simultan accelerații(fără nevoia unui
multiplexor extern)
c) Intensitatea curentului cu care operează : 500mA
d) Modul „LOW POWER„ funcționează la 10mA at 1.25Hz, 20mA at 5Hz, 60mA at 20Hz,
110mA at 40Hz
e) Detectarea orientării
f) Self-test
Aplicații
- Tehnologie pentru stabilizarea imaginilor video
- Securitate/Autentificare
- Control/Navigation
- Jocuri sau aplicații care se bazează pe mișcare
- Handset și device-uri portabileNECLASIFICAT67 din 78
NECLASIFICAT
- Controlere bazate pe mișcare
- Telecomenzi pentru SMART TV și Home Cinema
- Periferice computer
- Senzori pentru fitness și sport
- Jucării
4.1.3. Microcontroler PIC18F46K22
Microcontrolerul PIC18F46K22(fig.4.4.) este destinat , în acest proiect , pentru realizarea interpretării datelor venite de la giroscop și de la accelerometru de pe plăcuța MPU-6050 și pentru a transmite datele mai departe la convertor
Fig.4.4.Microcontrolerul PIC18F46K22
NECLASIFICAT68 din 78
NECLASIFICAT
Device
Memorie Program
Memorie
I/O
CANALELE
A/D-
10 BIT
CCP
ECCP(FULL-BRIDGE)
ECCP(HALF-BRIDGE)
MSSP
EUSART
COMPARATOR
CTMU
BOR/LVD
SR LATCH
CRONOMETRU-8 BIT
CRONOMETRU- 16 BIT
FLASH(BYTES)
INSTRUCȚIUNI
SRAM(BYTES)
EEPROM(BYTES)
SPI
I2
C
PIC18F46K22 64k 32768 3896 1024 36 30 2 2 1 2 2 2 2 Y Y Y 3 4
NECLASIFICAT69 din 78
NECLASIFICAT
Tab.4. Caracteristici ale microcontrolerul PIC18F46K22
Caracteristici electrice(cote maxime absolute)
Temperatură optimă de funcționare................................................................................-40°C to
+125°C
Temperatură de stocare.................................................................................................. -65°C to
+150°C
Voltaj pe VDD cu respect pe VSS................................................................................... -0.3V to
+6.5V
Voltaj pe MCLR cu respect pe VSS....................................................................................0V to
+11.0V
Puterea maximă disipată……..........................................................................................................
1.0W
Intensitatea maximă de pe pinul VSS (-40°C to +85°C) ............................................................ 300
mA
Intensitatea maximă de pe pinul VSS(+85°C to +125°C)........................................................... 125
mA
Intensitatea maximă pe pinul VDD(-40°C to +85°C) ................................................................ 200
mA
Intensitatea maximă pe pinul VDD(+85°C to +125°C) .................................................................85
mA
Intensitatea maximă pe orice pin I/O …………............................................................................ 25
mA
Intensitatea maximă absorbită pe toate porturile (-40°C to +85°C) ........................................... 200
mA
Intensitatea maximă absorbită pe toate porturile (+85°C to +125°C) ........................................ 110
mA
Intensitatea maximă conținută de toate porturile (-40°C to +85°C)............................................ 185
mA
NECLASIFICAT70 din 78
NECLASIFICAT
Intensitatea maximă conținută de toate porturile (+85°C to +125°C) .......................................... 70
mA
4.2.Funcționarea elementelor din dispozitiv
În acest subcapitol este prezentată funcționarea elementelor din dispozitivul, care realizează
transmiterea datelor de mișcare la unitate(laptop , computer , etc.) cu ajutorul giroscopului cu trei
grade de libertate.
Pentru realizarea funcționării corecte a modelului de laborator creat, se efectuează următorii
pași:
1. Dispozitivul este conectat cu unitatea (computer, laptop , etc.)
2. Se alimenteaza convertorul cu o tensiune de 5V de la unitate prin cablu USB
Această tensiune alimentează LED-ul, care odată luminat sugestionează alimentarea
dispozitivului.
3. Tensiunea este convertită din 5V în 3.3V pentru alimentarea giroscopului și
microcontrolerului.
4. Giroscopul alimentat cu tensiune , pornește , calculează vitezele unghiulare pentru axele X ,
Y și Z după care cu ajutorul accelerometrului calculează accelerațiile pentru axele X și Y
transmițând datele la microcontroler. Comunicarea între aceste elemente se face cu ajutorul
protocolului I2C.
5. Microcontrolerul interceptează datele de giroscop și accelerometru. Derivează datele de la
giroscop și verifică datele de la accelerometru pentru confirmarea mișcării.
Folosește accelerometru pentru stabilizarea axelor X și Y , pentru axa Z rămânând datele
brute.
Pentru o resetare a microcontrolerului se folosește butonul din dreptul LED-ului. Pe poziția I
datele se transmit către convertor , iar pe poziția O sunt oprite , nerealizându-se legătura
dintre microcontroler și convertor.
Datele de la microcontroler sunt transmise la convertor.
6. Convertorul schimbă nivele logice de la 3,3V la 5V pentru ca datele să poată fi interpretate
de unitate pentru a oferii o ilustrare a acestora.
NECLASIFICAT71 din 78
NECLASIFICAT
4.3.Funcționarea dispozitivului
Pentru realizarea funcționării corecte a dispozitivului(fig.4.5) , a trebuit programat
microcontrolerul pentru a realiza interpretarea datelor de la giroscop și accelerometru și pentru a
putea trasmite mai departe datele la convertor pentru a realiza conexiunea cu unitatea.
Alimentarea circuitului este asigurată de convertorul PL-2303.
Toate acțiunile programate în interiorul dispozitivului sunt explicate în următorii pași:
Pasul 1 : Am configurat registrele interne ale microcontrolerului pentru:
- activarea întreruperilor
- alegerea frecvenței oscilatorului(8MHZ)
- specificarea direcției pinilor care sunt folosiți(intrare/iesire)
- initializarea comunicațile
Am configurat registrele interne ale giroscopului pentru a-i face setările de funcționare.
Pasul2 : Se așteaptă o întrerupere de la giroscop , iar când aceasta s-a produs se intrerupe
programul curent din microcontroler și se preiau datele de la giroscop și de la accelerometru.
NECLASIFICAT72 din 78
NECLASIFICAT
Fig.4.5. Schema logică a dispozitivului
Pasul3 : La primirea datelor acesta le filtreza și face calculele necesare pentru a obține
unghiul la care se afla giroscopul în acel momentul.
Pasul 4 : Transferă datele la convertor care la rândul lui le transferă la unitate.
Pentru o realizare în timp real a ilustrării rachetei valorile de la giroscop și accelerometru
sunt trasmise o data la 1 milisecundă.
NECLASIFICAT73 din 78
NECLASIFICAT
4.4.Funcționarea programului de ilustrare a datelor
Realizarea acestui program a fost posibilă prin utilizarea programului „VisualStudio 2012”
cu ajutorul limbajului de programare C#. Pentru o mai bună înțelegere a funcționării acesteia , în
subcapitolul curent sunt explicate pe pași etapele care au loc pentru realizarea ilustrării datelor