浅析振动条件下陀螺稳定平台漂移大的分析研究

1、浅析振动条件下陀螺稳定平台漂移大的分析研究摘要 本文系统分析了对性能的影响，提出振动条件下机械谐振是导致陀螺漂移变大从而影响漂移的重要因素，进而改进振动夹具以避开谐振频率的方案。最后通过对系统的模态仿真和试验验证了理论分析的正确性和改进措施的有效性，改善了稳定平台的振动测试性能。关键词 ；1 引言在振动条件下性能下降是空空导弹型号研制中要解决的重大技术问题。平台在静止时尽管能达到很高的精度, 但在振动条件下系统的性能有着不同程度的下降。而对平台系统性能的影响涉及惯性器件、平台机构、振动夹具等诸多方面的因素, 振动产生的平台系统漂移误差与振动的强度、频率、振动持续时间等均有关系。振动频率在平台振

2、动夹具谐振频率和平台机构固有频率附近时, 平台产生的漂移大。振动导致性能下降的直接原因是陀螺漂移在振动时相对振动前也产生了附加漂移。大量试验和理论分析表明,在振动时的误差与平台机构和振动夹具的固有频率有密切关系。对振动条件下漂移误差与平台机构和振动夹具的关系以及减小平台漂移的措施的研究,对提高抗振稳定性有着十分重要的意义和价值。2 原理分析示意图如图1所示：平台的中心是二个陀螺，它们安装在平台的内环上，平台内环用一对轴承支承在平台外环上，外环用一对轴承支承在导弹弹体上，平台可绕轴转动。二个陀螺仪分别敏感内、外环轴运动的角速度。在平台的内环轴和外环轴的一端各安装有一台传动电动机。图1 原理图图中

3、：沿平台外环轴和内环轴的传动电机光纤陀螺仪敏感轴方向弹体在Y轴和Z轴方向的干扰角速度Y轴和Z轴传动放大器其稳定过程如下：起始时平台与二个光纤陀螺仪外环平面保持一致，陀螺仪敏感角速度方向垂直与平台平面，此时光纤陀螺仪传感器 和 输出为零。一旦导弹弹体相对Y通道存在干扰角速度 时，平台将绕Y轴转动，在平台台体上敏感Y轴的光纤陀螺仪传感器将产生正比于此失调角速度的电压信号，经放大后驱动传动电机 转动并带动平台以 绕Y轴反方向旋转，使平台恢复到原先的位置（Z通道的稳定与Y通道一致）。平台依靠Y、Z二条稳定回路始终跟随着光纤陀螺在惯性空间的位置，实现了平台的空间稳定。由于结构设计中天线是用连杆与平台相连

4、，从而实现了天线的空间稳定。在整个稳定系统中，光纤陀螺仪起着提供一个坐标基准的作用。本文仅研究自主稳定回路，其硬件系统方框图如图2所示。图2 自主稳定回路方框图图2中： 为作用在 通道的弹体扰动角速度； 为陀螺传感器、有源校正环节、测量放大器和功率放大器等的传递函数； 为电机驱动环节的传递函数； 为测速电机反馈系数。自主稳定回路的开环传递函数 如式1所示： （1）3 机械谐振对稳定回路影响分析在对伺服系统分析时，将执行电机至控制对象之间的机械传动看成是绝对刚性传动。当控制对象的转动惯量不大，系统跟踪角加速度不高，而传动制造的刚度较大时，可以忽略弹性扭转变形。但如果转动惯量较大时，系统通频带又比

5、较宽，系统运动过程中传动轴的弹性扭转变形将造成明显滞后，传动装置在传递运动时就会含有储能的元件。由于它速度阻尼小，其传递特性将出现较高的谐振峰，形成机械谐振，从而对系统的动态特性产生较大影响。甚至使系统不稳定，在某型谐振频率下还可能损坏精密的惯性器件。机械谐振是由转动惯量和传动装置的材料、结构及尺寸等因素决定的。刚性越差，机械谐振频率就越低。通常伺服系统的机械传动装置都具有一个谐振频率，但有的不止一个谐振频率。如果谐振频率小于系统的带宽，则将对系统的动态性能带来很坏的影响，使系统易于损坏。伺服机械结构是伺服系统的控制对象，也是伺服系统的重要组成部分，其影响因素主要有转动惯量、结构谐振频率、摩擦

6、力矩、转动空回和传动精度等。4 分析和试验4.1 试验原理当弹性结构系统受随机过程力作用时，系统的运动方程为： (2)其中： 、 和 分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵； 、 和 分别为节点加速度、速度和位移向量； 为载荷向量。在式(2)中，令 ，得到自由振动方程。在实际工程中，阻尼对结构的固有频率和振型的影响不大，可忽略阻尼力，得到无阻尼自由振动方程： (3)假设结构做简谐振动 ，代入上式，得齐次方程： (4)通过解上述特征方程即可得到结构固有频率和振型。模态分析用于求解结构的固有频率和相应的振动模态。该分析的结果对于实际工程设计有关参数的选择（如激振频率的确定、共振现象的避免与利用等）及进

7、一步的动力分析都很重要，因为结构的固有频率和模态信息能够反映结构动态响应特性。分析考虑结构在某种统计规律下分布载荷作用的随机响应。在工程计算中，物理过程通常均被假定为线性、平稳、各态历经以及高斯型。对于例如地震波，海洋波，飞机、导弹或超高层建筑物的气压波动以及火箭和喷气发动机的噪音激励，通常人们只能得到按概率分布的函数，如功率谱密度(PSD)函数，激励的大小在任何时刻都不能明确给出。在这种载荷作用下结构的响应就需要用分析来计算结构的响应，载荷由它的互功率谱密度所定义。4.2 试验方法的基本原理是对结构用力锤进行敲击使其产生一频带较宽的冲击信号，同时利用粘接在结构上的加速度传感器测得响应信号，通

8、过软件对测得的信号进行分析计算以求得结构的模态参数。试验及分析框图如图3所示。图3 振动冲击夹具及分析框图4.3 试验数据及结果分析试验测得在振动夹具上的第一阶固有频率为269HZ，其测点的传递函数如图4所示。图4 改进前振动夹具测点传递函数是在较高精度测试设备保障下完成的试验。从测试结果来看，测试信噪比较高，主要的一阶频率均被较好的识别，整个试验数据具有较高的置信度。在稳定平台工作过程中，由于陀螺是作为一个空间定位基准的，因此陀螺本身产生漂移对其稳定回路的控制和补偿的影响是相当重要的，而的漂移主要是由陀螺的漂移引起的。根据上述分析和试验，本文认为是陀螺的固有频率与和振动夹具相固连构成的基座的

9、固有频率之间产生了机械谐振。解决此问题有两个途径：第一，由于每个陀螺个体的固有频率有差异，通过更换陀螺可以避免谐振点；第二，可以通过提高振动夹具的固有频率，使其尽量远离谐振频率，这样才能避免在振动中出现谐振从而导致漂移过大的现象。其中第一种途径由于陀螺的固有频率差异不是很大，而且更换陀螺比较复杂，效率不高，所以要从根本上解决此问题，就需要通过第二种途径，亦即提高振动夹具的固有频率。固有频率与结构的刚度和质量具有如下关系： (5)其中 是结构的固有频率， 是系统的刚度， 是系统的质量。理论上刚度对固有频率的贡献比质量的贡献要大，所以要提高固有频率，就可以通过提高结构的刚度来实现。5 改进措施及建

10、议根据本文的试验情况进行分析，对夹具提出改进措施：将其两个加强筋改进为四个加强筋。使用软件ANSYS对改进前和改进后的夹具进行了有限元模态仿真，仿真结果显示改进后的夹具的一阶模态大约增加了47HZ。对改进振动夹具后的进行了测试，其测得的第一阶固有频率变为289HZ，较之前的增加了20HZ，其测点的传递函数如图5所示。图5 改进后振动夹具测点传递函数从以后交付的系统振动测试情况（见表1）来看，平台漂移趋于稳定，没有随机的大的漂移的情况出现，而且整个的漂移情况明显减小。表1 稳定平台振动漂移测试试验比较序号1234567原夹具平台漂移（/min）1.376.280.857.256.664.123.

11、54新夹具平台漂移（/min）1.801.761.901.001.94-0.870.75通过对夹具改进前后试验结果的分析，可以证明本文提出的通过：生了机械谐振。对结构用力锤进行敲击，层建筑物的气压波动，动通过增加两个加强筋的改进措施确实能提高夹具的固有频率，提高了其和构成的基座的固有频率，从而可以有效的避开基座与陀螺的谐振点。另外由于生产和装配的个体性差异，可能个别在振动测试过程中还会出现漂移偏大的情况，此时可以通过更换陀螺的方法来避免其谐振点来解决。参考文献1 许本文.机械振动与模态分析基础M.机械工业出版社.19983 Everatt E.B.,Joynson D.W. Modular radar seeker model. Computer Mo