淺析振動(dòng)條件下陀螺穩(wěn)定平臺(tái)漂移大的分析研究

1、淺析振動(dòng)條件下陀螺穩(wěn)定平臺(tái)漂移大的分析研究摘要 本文系統(tǒng)分析了對(duì)性能的影響，提出振動(dòng)條件下機(jī)械諧振是導(dǎo)致陀螺漂移變大從而影響漂移的重要因素，進(jìn)而改進(jìn)振動(dòng)夾具以避開(kāi)諧振頻率的方案。最后通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的模態(tài)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和改進(jìn)措施的有效性，改善了穩(wěn)定平臺(tái)的振動(dòng)測(cè)試性能。關(guān)鍵詞 ；1 引言在振動(dòng)條件下性能下降是空空導(dǎo)彈型號(hào)研制中要解決的重大技術(shù)問(wèn)題。平臺(tái)在靜止時(shí)盡管能達(dá)到很高的精度, 但在振動(dòng)條件下系統(tǒng)的性能有著不同程度的下降。而對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)性能的影響涉及慣性器件、平臺(tái)機(jī)構(gòu)、振動(dòng)夾具等諸多方面的因素, 振動(dòng)產(chǎn)生的平臺(tái)系統(tǒng)漂移誤差與振動(dòng)的強(qiáng)度、頻率、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間等均有關(guān)系。振動(dòng)頻率在平臺(tái)振

2、動(dòng)夾具諧振頻率和平臺(tái)機(jī)構(gòu)固有頻率附近時(shí), 平臺(tái)產(chǎn)生的漂移大。振動(dòng)導(dǎo)致性能下降的直接原因是陀螺漂移在振動(dòng)時(shí)相對(duì)振動(dòng)前也產(chǎn)生了附加漂移。大量試驗(yàn)和理論分析表明,在振動(dòng)時(shí)的誤差與平臺(tái)機(jī)構(gòu)和振動(dòng)夾具的固有頻率有密切關(guān)系。對(duì)振動(dòng)條件下漂移誤差與平臺(tái)機(jī)構(gòu)和振動(dòng)夾具的關(guān)系以及減小平臺(tái)漂移的措施的研究,對(duì)提高抗振穩(wěn)定性有著十分重要的意義和價(jià)值。2 原理分析示意圖如圖1所示：平臺(tái)的中心是二個(gè)陀螺，它們安裝在平臺(tái)的內(nèi)環(huán)上，平臺(tái)內(nèi)環(huán)用一對(duì)軸承支承在平臺(tái)外環(huán)上，外環(huán)用一對(duì)軸承支承在導(dǎo)彈彈體上，平臺(tái)可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。二個(gè)陀螺儀分別敏感內(nèi)、外環(huán)軸運(yùn)動(dòng)的角速度。在平臺(tái)的內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸的一端各安裝有一臺(tái)傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)。圖1 原理圖圖中

3、：沿平臺(tái)外環(huán)軸和內(nèi)環(huán)軸的傳動(dòng)電機(jī)光纖陀螺儀敏感軸方向彈體在Y軸和Z軸方向的干擾角速度Y軸和Z軸傳動(dòng)放大器其穩(wěn)定過(guò)程如下：起始時(shí)平臺(tái)與二個(gè)光纖陀螺儀外環(huán)平面保持一致，陀螺儀敏感角速度方向垂直與平臺(tái)平面，此時(shí)光纖陀螺儀傳感器 和 輸出為零。一旦導(dǎo)彈彈體相對(duì)Y通道存在干擾角速度 時(shí)，平臺(tái)將繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在平臺(tái)臺(tái)體上敏感Y軸的光纖陀螺儀傳感器將產(chǎn)生正比于此失調(diào)角速度的電壓信號(hào)，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)平臺(tái)以 繞Y軸反方向旋轉(zhuǎn)，使平臺(tái)恢復(fù)到原先的位置（Z通道的穩(wěn)定與Y通道一致）。平臺(tái)依靠Y、Z二條穩(wěn)定回路始終跟隨著光纖陀螺在慣性空間的位置，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的空間穩(wěn)定。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中天線是用連桿與平臺(tái)相連

4、，從而實(shí)現(xiàn)了天線的空間穩(wěn)定。在整個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)中，光纖陀螺儀起著提供一個(gè)坐標(biāo)基準(zhǔn)的作用。本文僅研究自主穩(wěn)定回路，其硬件系統(tǒng)方框圖如圖2所示。圖2 自主穩(wěn)定回路方框圖圖2中： 為作用在 通道的彈體擾動(dòng)角速度； 為陀螺傳感器、有源校正環(huán)節(jié)、測(cè)量放大器和功率放大器等的傳遞函數(shù)； 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)； 為測(cè)速電機(jī)反饋系數(shù)。自主穩(wěn)定回路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) 如式1所示： （1）3 機(jī)械諧振對(duì)穩(wěn)定回路影響分析在對(duì)伺服系統(tǒng)分析時(shí)，將執(zhí)行電機(jī)至控制對(duì)象之間的機(jī)械傳動(dòng)看成是絕對(duì)剛性傳動(dòng)。當(dāng)控制對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不大，系統(tǒng)跟蹤角加速度不高，而傳動(dòng)制造的剛度較大時(shí)，可以忽略彈性扭轉(zhuǎn)變形。但如果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大時(shí)，系統(tǒng)通頻帶又比

5、較寬，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傳動(dòng)軸的彈性扭轉(zhuǎn)變形將造成明顯滯后，傳動(dòng)裝置在傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)含有儲(chǔ)能的元件。由于它速度阻尼小，其傳遞特性將出現(xiàn)較高的諧振峰，形成機(jī)械諧振，從而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生較大影響。甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定，在某型諧振頻率下還可能損壞精密的慣性器件。機(jī)械諧振是由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和傳動(dòng)裝置的材料、結(jié)構(gòu)及尺寸等因素決定的。剛性越差，機(jī)械諧振頻率就越低。通常伺服系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置都具有一個(gè)諧振頻率，但有的不止一個(gè)諧振頻率。如果諧振頻率小于系統(tǒng)的帶寬，則將對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能帶來(lái)很壞的影響，使系統(tǒng)易于損壞。伺服機(jī)械結(jié)構(gòu)是伺服系統(tǒng)的控制對(duì)象，也是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其影響因素主要有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、結(jié)構(gòu)諧振頻率、摩擦

6、力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)空回和傳動(dòng)精度等。4 分析和試驗(yàn)4.1 試驗(yàn)原理當(dāng)彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受隨機(jī)過(guò)程力作用時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為： (2)其中： 、 和 分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣； 、 和 分別為節(jié)點(diǎn)加速度、速度和位移向量； 為載荷向量。在式(2)中，令 ，得到自由振動(dòng)方程。在實(shí)際工程中，阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型的影響不大，可忽略阻尼力，得到無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程： (3)假設(shè)結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)諧振動(dòng) ，代入上式，得齊次方程： (4)通過(guò)解上述特征方程即可得到結(jié)構(gòu)固有頻率和振型。模態(tài)分析用于求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和相應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)。該分析的結(jié)果對(duì)于實(shí)際工程設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇（如激振頻率的確定、共振現(xiàn)象的避免與利用等）及進(jìn)

7、一步的動(dòng)力分析都很重要，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)信息能夠反映結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。分析考慮結(jié)構(gòu)在某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律下分布載荷作用的隨機(jī)響應(yīng)。在工程計(jì)算中，物理過(guò)程通常均被假定為線性、平穩(wěn)、各態(tài)歷經(jīng)以及高斯型。對(duì)于例如地震波，海洋波，飛機(jī)、導(dǎo)彈或超高層建筑物的氣壓波動(dòng)以及火箭和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音激勵(lì)，通常人們只能得到按概率分布的函數(shù)，如功率譜密度(PSD)函數(shù)，激勵(lì)的大小在任何時(shí)刻都不能明確給出。在這種載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)就需要用分析來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，載荷由它的互功率譜密度所定義。4.2 試驗(yàn)方法的基本原理是對(duì)結(jié)構(gòu)用力錘進(jìn)行敲擊使其產(chǎn)生一頻帶較寬的沖擊信號(hào)，同時(shí)利用粘接在結(jié)構(gòu)上的加速度傳感器測(cè)得響應(yīng)信號(hào)，通

8、過(guò)軟件對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算以求得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)及分析框圖如圖3所示。圖3 振動(dòng)沖擊夾具及分析框圖4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析試驗(yàn)測(cè)得在振動(dòng)夾具上的第一階固有頻率為269HZ，其測(cè)點(diǎn)的傳遞函數(shù)如圖4所示。圖4 改進(jìn)前振動(dòng)夾具測(cè)點(diǎn)傳遞函數(shù)是在較高精度測(cè)試設(shè)備保障下完成的試驗(yàn)。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，測(cè)試信噪比較高，主要的一階頻率均被較好的識(shí)別，整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的置信度。在穩(wěn)定平臺(tái)工作過(guò)程中，由于陀螺是作為一個(gè)空間定位基準(zhǔn)的，因此陀螺本身產(chǎn)生漂移對(duì)其穩(wěn)定回路的控制和補(bǔ)償?shù)挠绊懯窍喈?dāng)重要的，而的漂移主要是由陀螺的漂移引起的。根據(jù)上述分析和試驗(yàn)，本文認(rèn)為是陀螺的固有頻率與和振動(dòng)夾具相固連構(gòu)成的基座的

9、固有頻率之間產(chǎn)生了機(jī)械諧振。解決此問(wèn)題有兩個(gè)途徑：第一，由于每個(gè)陀螺個(gè)體的固有頻率有差異，通過(guò)更換陀螺可以避免諧振點(diǎn)；第二，可以通過(guò)提高振動(dòng)夾具的固有頻率，使其盡量遠(yuǎn)離諧振頻率，這樣才能避免在振動(dòng)中出現(xiàn)諧振從而導(dǎo)致漂移過(guò)大的現(xiàn)象。其中第一種途徑由于陀螺的固有頻率差異不是很大，而且更換陀螺比較復(fù)雜，效率不高，所以要從根本上解決此問(wèn)題，就需要通過(guò)第二種途徑，亦即提高振動(dòng)夾具的固有頻率。固有頻率與結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量具有如下關(guān)系： (5)其中 是結(jié)構(gòu)的固有頻率， 是系統(tǒng)的剛度， 是系統(tǒng)的質(zhì)量。理論上剛度對(duì)固有頻率的貢獻(xiàn)比質(zhì)量的貢獻(xiàn)要大，所以要提高固有頻率，就可以通過(guò)提高結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)。5 改進(jìn)措施及建

10、議根據(jù)本文的試驗(yàn)情況進(jìn)行分析，對(duì)夾具提出改進(jìn)措施：將其兩個(gè)加強(qiáng)筋改進(jìn)為四個(gè)加強(qiáng)筋。使用軟件ANSYS對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后的夾具進(jìn)行了有限元模態(tài)仿真，仿真結(jié)果顯示改進(jìn)后的夾具的一階模態(tài)大約增加了47HZ。對(duì)改進(jìn)振動(dòng)夾具后的進(jìn)行了測(cè)試，其測(cè)得的第一階固有頻率變?yōu)?89HZ，較之前的增加了20HZ，其測(cè)點(diǎn)的傳遞函數(shù)如圖5所示。圖5 改進(jìn)后振動(dòng)夾具測(cè)點(diǎn)傳遞函數(shù)從以后交付的系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試情況（見(jiàn)表1）來(lái)看，平臺(tái)漂移趨于穩(wěn)定，沒(méi)有隨機(jī)的大的漂移的情況出現(xiàn)，而且整個(gè)的漂移情況明顯減小。表1 穩(wěn)定平臺(tái)振動(dòng)漂移測(cè)試試驗(yàn)比較序號(hào)1234567原夾具平臺(tái)漂移（/min）1.376.280.857.256.664.123.

11、54新夾具平臺(tái)漂移（/min）1.801.761.901.001.94-0.870.75通過(guò)對(duì)夾具改進(jìn)前后試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以證明本文提出的通過(guò)：生了機(jī)械諧振。對(duì)結(jié)構(gòu)用力錘進(jìn)行敲擊，層建筑物的氣壓波動(dòng)，動(dòng)通過(guò)增加兩個(gè)加強(qiáng)筋的改進(jìn)措施確實(shí)能提高夾具的固有頻率，提高了其和構(gòu)成的基座的固有頻率，從而可以有效的避開(kāi)基座與陀螺的諧振點(diǎn)。另外由于生產(chǎn)和裝配的個(gè)體性差異，可能個(gè)別在振動(dòng)測(cè)試過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)漂移偏大的情況，此時(shí)可以通過(guò)更換陀螺的方法來(lái)避免其諧振點(diǎn)來(lái)解決。參考文獻(xiàn)1 許本文.機(jī)械振動(dòng)與模態(tài)分析基礎(chǔ)M.機(jī)械工業(yè)出版社.19983 Everatt E.B.,Joynson D.W. Modular radar seeker model. Computer Mo