CN102426419B - 一种光电跟踪系统及隔振装置组成整体的频率响应特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电跟踪系统及隔振装置组成整体的频率响应特性分析方法。针对光电跟踪系统安装在隔振装置上后频率响应特性发生变化这一问题，本发明将隔振装置等效为安装在光电跟踪系统基座底部的弹性支撑和阻尼连接，将其与光电系统的机架和基座作为一个整体，分析该整体作为被控对象时的频率响应特性。具体方法为，将隔振装置和光电跟踪系统看做一个完整系统，首先分析该系统各个部件间的动力学关系；再由动力学关系的相关公式根据实际需要推导出频率响应特性。本发明通过分析整体作为被控对象时的频率响应特性有助于减小隔振装置带来的不利影响。

Description

一种光电跟踪系统及隔振装置组成整体的频率响应特性分析方法

技术领域

本发明属于光电跟踪控制的技术领域，特别涉及一种光电跟踪系统及隔振装置组成整体的频率响应特性分析方法。

背景技术

基于运动载体(车载平台、飞机、卫星)的光电跟踪系统，为避免载体运动过程中的随机振动对光学系统成像质量的影响，多在光电系统基座下安装机械隔振装置。这些隔振装置自身刚度较低，可以看做是基座和载体之间的弹性支撑和阻尼连接。由于载体的载重能力以及隔振装置承载能力的限制，安装在隔振装置上的光电系统基座的转动惯量相对较小。在光电系统跟踪高机动性目标时，驱动机架时的反作用力矩容易引起基座晃动，进而作用于光电系统。而目前国内外对于隔振装置的研究集中于载体向基座的振动传递特性，对于增加了隔振装置后原系统的消极影响研究非常少。对于光电跟踪系统而言，由于通常是在设计阶段通过有限元分析软件，分析机架特性保证机架固有频率远离跟踪系统工作频率(李杰.《精密光电跟踪转台框架的静动态特性分析》，光电工程，2010年，第37卷第1期：61～64页)，而添加隔振装置后，系统整体的刚度系数和固有频率会发生非常大的变化，极有可能和光电跟踪系统的工作频率相近或重合，进而影响光电跟踪系统的正常工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服现有技术的不足之处，如图1所示的基于运动载体的光电跟踪系统，由于隔振装置的存在，系统整体的刚度系数和固有谐振频率会发生非常大的变化，极有可能和光电跟踪系统的工作频率相近或重合，进而影响光电跟踪系统的正常工作，本发明通过提供一种光电跟踪系统及隔振装置组成整体的频率响应特性分析方法，避免系统整体的固有频率和光电跟踪系统的工作频率相近或重合，进而达到不影响光电跟踪系统的正常工作，从而以消除隔振装置带来的不利影响。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种光电跟踪系统及隔振装置组成整体的频率响应特性分析方法，其具体步骤为：

步骤(1)确认隔振装置已满足隔振要求的情况下，将隔振装置等效为光电跟踪系统基座和载体之间的弹性支撑和阻尼连接；

其中，所述步骤(1)中，先根据载体对光电系统的振动扰动频段确定需要隔振的频段，设计隔振装置的弹性系数和阻尼系数；根据实测的隔振装置参数将其等效为基座和载体之间的弹性支撑和阻尼连接；

步骤(2)将光电跟踪系统的机架、基座及隔振装置等效的弹性支撑和阻尼连接作为一个完整的系统，分析系统各部分之间的动力学关系，建立系统动力学模型；

其中，所述步骤(2)中，将载体视作静止，不考虑载体振动对光电系统的影响；

步骤(3)根据系统的动力学模型推导系统传递函数模型以及控制系统框图；

其中，所述步骤(3)中，将隔振装置及光电跟踪系统机架基座作为一个整体，其传递函数模型等效为驱动装置传递函数模型和跟踪机架传递函数模型之间的一个二阶环节。假设J₁表示基座转动惯量，k为支撑的角运动弹性系数，ξ₁表示支撑的阻尼系数，ξ₂为基座和跟踪机架间的粘滞摩擦系数，则这个等效二阶环节的表达式G₁为：

$G_1=\frac{J_1{s}^2+{\mathrm{\ξ}}_{1}s+k}{J_1{s}^2+({\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2)s+k}$

设机架的频率特性传递函数G₂，驱动装置传递函数G₃，则系统的频率特性传递函数G为：

$G=\frac{G_1{G}_2{G}_3}{1+{\mathrm{\ξ}}_2{G}_1{G}_2}$

利用以上三个步骤，即完成带有隔振装置的光电跟踪系统整体的频率响应特性分析，避免系统整体的固有谐振频率和光电跟踪系统的工作频率相近或重合，进而达到不影响光电跟踪系统的正常工作，从而以消除隔振装置带来的不利影响。

本发明与现有技术相比的优点为：

1、解决了运动载体上，加装了隔振装置的光电跟踪系统与未加装之前的系统传递函数模型变化问题，使模型更加精确。

2、相对于被控对象传递函数模型已知的光电跟踪系统，加装隔振装置后其新模型便于推导。

附图说明

图1运动载体上带隔振装置的光电跟踪系统结构示意图；

图2本发明方法的流程图；

图3系统传递函数模型框图；

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求书限定的全部内容；而且通过以下实施例对本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求书的全部内容。

本发明实施例的研究对象为图1所示的带隔振装置的光电跟踪系统，该系统包括隔振装置、光电跟踪系统基座和机架三部分。本系统参数如下，基座绕方位轴的转动惯量J₁，机架绕方位轴的转动惯量J₂，基座和机架间粘滞摩擦系数ξ₂，按照图2流程图所示步骤对该系统的整体的频率响应特性分析。

(1)按照隔振要求设计隔振装置，实测隔振装置绕方位轴的弹性系数k，阻尼系数ξ₁，将隔振装置等效为附加在基座上的弹性支撑和阻尼连接。

(2)将光电跟踪系统的机架、基座及弹性支撑和阻尼连接作为一个完整的系统，分析系统各部分之间的动力学关系，建立系统动力学模型，采用动力学方程形式描述为；

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}}_1\\ {\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 1& 1\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{J}_1+J_2& J_2\\ J_2& J_2\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}-k{q}_1-{\mathrm{\ξ}}_1{\stackrel{.}{q}}_1\\ M^{\mathrm{\τ}}-M^f\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}}_0\\ 0\end{array}\right]$

式中ω₀表示载体在方位轴向上相对于惯性空间的绝对角速度，ω₁为基座在方位轴向上相对于惯性空间的绝对角速度，ω₂为光电系统在方位轴向上的绝对角速度。

(3)根据系统的动力学模型推导系统传递函数模型以及控制系统框图，得到图3所示的系统。图3中摩擦力矩的表达式为M^f：

M^f＝M^C+ξ₂(ω₂-ω₁)

上式中M^C为方位轴上的库伦摩擦力矩。

将隔振装置及光电跟踪系统机架基座作为一个整体，其等效二阶环节的频率特性传递函数表达式G₁为：

$G_1=\frac{J_1{s}^2+{\mathrm{\ξ}}_{1}s+k}{J_1{s}^2+({\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2)s+k}$

其中，机架的传递函数模型可以由有限元方法在设计阶段得到，也可以在光电系统未安装隔振装置时由频率特性测量仪器时测得，精度要求不高时还可直接利用简化表达式G₂：

G₂＝1/_J2

其中，驱动装置的频率特性G₃通过实测获得。

其中，系统整体的频率特性传递函数G为：

$G=\frac{G_1{G}_2{G}_3}{1+{\mathrm{\ξ}}_2{G}_1{G}_2}$

利用以上三个步骤，即完成带有隔振装置的光电跟踪系统整体的频率响应特性分析。避免系统整体的固有谐振频率和光电跟踪系统的工作频率相近或重合，进而达到不影响光电跟踪系统的正常工作，从而以消除隔振装置带来的不利影响。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种由光电跟踪系统及隔振装置组成整体的频率响应特性分析方法，其具体步骤为：

步骤（1）确认隔振装置已满足隔振要求的情况下，将隔振装置等效为光电跟踪系统基座和载体之间的弹性支撑和阻尼连接；

其中，所述步骤（1）中，先根据载体对光电系统的振动扰动频段确定需要隔振的频段，设计隔振装置的弹性系数和阻尼系数；根据实测的隔振装置参数即弹性系数和阻尼系数，将其等效为基座和载体之间的弹性支撑和阻尼连接；

步骤(2)将光电跟踪系统的机架、基座及隔振装置等效的弹性支撑和阻尼连接作为一个完整的系统，分析系统各部分之间的动力学关系，建立系统动力学模型；

其中，所述步骤（2）中，将载体视作静止，不考虑载体振动对光电系统的影响；

步骤(3)根据系统的动力学模型推导系统传递函数模型以及控制系统框图；

其中，所述步骤（3）中，将隔振装置及光电跟踪系统机架基座作为一个整体，其传递函数模型等效为驱动装置传递函数模型和跟踪机架传递函数模型之间的一个二阶环节；假设J₁表示基座转动惯量，k为弹性支撑的角运动弹性系数，ξ₁表示弹性支撑的阻尼系数，ξ₂为基座和跟踪机架间的粘滞摩擦系数，则这个等效二阶环节的表达式G₁为：

$G_1=\frac{J_1{s}^2+{\mathrm{\ξ}}_{1}s+k}{J_1{s}^2+({\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2)s+k}$

设机架的频率特性传递函数G₂，驱动装置传递函数G₃，则系统的频率特性传递函数G为：

$G=\frac{G_1{G}_2{G}_3}{1+{\mathrm{\ξ}}_2{G}_1{G}_2}$

利用以上三个步骤，即完成带有隔振装置的光电跟踪系统整体的频率响应特性分析，避免系统整体的固有频率和光电跟踪系统的工作频率相近或重合，进而达到不影响光电跟踪系统的正常工作，从而以消除隔振装置带来的不利影响。

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