CN104828259B - 一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法及实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法及其实现装置，涉及模拟弹性振动对敏感器件影响的方法及实现装置，属于飞行器半物理仿真技术领域。本发明公开的方法包括如下步骤：步骤1：对弹性飞行器进行飞行动力学数学仿真；步骤2：根据实际模拟工况选择激振器型号，并确定套筒、连杆的尺寸；步骤3：验证所选激振器是否满足仿真条件；步骤4：安装各个仿真设备，进行半物理仿真。本发明还公开上述方法的实现装置，包括角速率陀螺、套筒和仿真转台、激振器和激振器顶杆。本发明可实现在半物理仿真中模拟弹体弹性特性对弹上测量器件的影响，提高弹性飞行器半物理仿真的真实度。

Description

一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法及实现 装置

技术领域

本发明涉及一种模拟弹性振动对敏感器件影响的方法及实现装置，尤其涉及一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法及实现装置，属于飞行器半物理仿真技术领域。

背景技术

半物理仿真技术是一种在飞行器研制过程中得到广泛应用的仿真技术。通过半物理仿真可以降低研制周期和成本，及时地判断设计方案的可行性。传统的半物理仿真通常将飞行器考虑为刚体，忽略了弹体弹性振动对弹上敏感器件的影响。但随着高精度、大长径比飞行器的不断发展，其弹性特性变得越来越不可忽视。当弹性飞行器在大气中飞行时，弹上敏感器件的测量信号将会受到弹性振动的影响。因此对弹性飞行器进行半物理仿真时，考虑弹性振动对敏感器件测量信号的影响，有利于减小仿真误差，使半物理仿真的结果更趋近于真实结果。

目前为止，国内外对弹性飞行器的研究已经取得了很大进展。但在半物理仿真的研究领域，还没有涉及到利用仿真设备模拟弹性振动影响下的敏感器件测量信号的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在飞行器半物理仿真中模拟敏感器件测量信号受弹性振动的影响，提高弹性飞行器半物理仿真的真实度。本发明公开一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法及其实现装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的实现装置，包括角速率陀螺、套筒和仿真转台，所述的角速率陀螺即为一种敏感器件，还包括激振器和激振器顶杆。所述的激振器用于根据输入的弹性振动信号激励出附加运动，模拟弹体的弹性振动的影响。所述的套筒与仿真转台内框铰接，套筒侧面与仿真转台平面垂直。角速率陀螺固定在套筒内，套筒通过连杆与激振器顶杆铰接， 激振器顶杆与激振器连接，激振器激励出附加运动模拟弹体的弹性振动通过激振器顶杆、连杆传递给固定在套筒内角速率陀螺。所述的激振器固定在仿真转台上，激振器顶杆与仿真转台面平行。

本发明的一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的实现装置的工作过程为，向激振器输入由仿真机计算得到的弹性振动信号，利用激振器激励出附加运动，在飞行器半物理仿真中模拟角速率陀螺测量信号受弹性振动的影响，提高弹性飞行器半物理仿真的真实度。

一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法，所述的角速率陀螺即为一种敏感器件，具体实现步骤如下：

步骤1：对弹性飞行器进行飞行动力学数学仿真，计算得到角速率陀螺位置处弹性振动的时间历程曲线，包括角速率陀螺位置处的弹性转角和弹性转角角加速度

步骤2：根据实际模拟工况选择激振器型号，并确定套筒、连杆的尺寸。

步骤2.1：根据仿真计算的角速率陀螺处的弹性振动信息，确定所需选用激振器的典型特性，并选择激振器型号。所述的典型特性包括激振器的最大激励力、冲程和频宽。

将角速率陀螺固定在套筒内，套筒安装在仿真转台上，并与仿真转台铰接，套筒侧面与仿真转台平面垂直；激振器平放于仿真转台上，激振器顶杆与仿真转台平面平行，与套筒通过连杆连接；仿真时通过向激振器输入弹性振动信号，使激振器顶杆带动连杆驱动套筒运动，则套筒内的角速率陀螺除了将敏感到仿真转台运动的角速度外，还将敏感到激振器引起的附加角速度。套筒转动的角度可视为小角度，则角速率陀螺敏感到的附加角速度与激振器顶杆运动的关系可以近似表示为

ω_p(t)＝v_T(t)/H_g (1)

式中，v_T表示激振器顶杆的运动速度，H_g表示套筒与连杆铰接点到转台平面的的铅垂距离，其在小角度假设下近似为定值，ω_p表示激振器引起的附加角速度。

所需要模拟的附加角速度应与数学仿真中角速率陀螺位置处的弹性振动角速度相等，即

联立式(1)和式(2)，则激振器顶杆的运动速度应满足

对上式进行积分，激振器顶杆的位移表示为

对角速率陀螺和套筒整体建立平衡方程，

J_gα_p(t)＝F_T(t)H_g (5)

式中，J_g表示角速率陀螺和套筒整体相对于铰O轴线的转动惯量，α_p表示套筒转动的角加速度，且F_T表示激振器的激励力。则激振器的激励力为

初定H_g大小为H_g0，其中m_g为角速率陀螺质量。则根据式(4)和式(6)可确定激振器所需模拟的激振力的最大值F_Tmax0和最大位移x_Tmax0。所选激振器的典型特性应满足

F_shaker≥F_Tmax0,x_shaker≥x_Tmax0 (7)

其中F_shaker为所选激振器的最大激励力，x_shaker为所选激振器的冲程。

为了激振器能够较好地响应输入的弹性振动信号，令其频宽f_shaker大于弹体的第三阶固有频率f₃的二倍。即

f_shaker>2f₃ (8)

根据式(7)和式(8)确定激振器典型参数，选择激振器型号。

步骤2.2：根据选择的激振器的尺寸，确定套筒和连杆的尺寸。选择的激振器的尺寸为R_shaker×H_shaker,其中R_shaker为激振器半径，H_shaker为激振器高度。已知陀螺仪的尺寸为l×w×h，其中l、w和h分别为角速率陀螺的长、宽和高。

为了更好的传动效率，可令初始时刻激振器顶杆与连杆之间的夹角θ₁＝45°。B点在台面上的投影B′到O点的距离为L_OB,L_OB满足约束条件

L_OB>l/2 (9)

则高度H_g满足条件

H_g＝L_OB+H_T (10)

式中，H_T为激振器顶杆到台面的铅垂距离。连杆AB的长度应满足

L_AB＝L_OB/cosθ₁ (11)

套筒形状可分为两部分，上部分为长方体，下部分为五面体，选择套筒的材料并根据角速率陀螺尺寸确定套筒尺寸。

步骤3：验证所选激振器是否满足仿真条件。根据重新计算的参数H_g和J_g，利用式(4)和式(6)可确定激振器所需模拟的激振力的最大值F_Tmax和最大位移x_Tmax，判断是否满足条件

F_shaker≥F_Tmax,x_shaker≥x_Tmax (12)

若满足条件，则进行步骤4；若不满足条件，则返回步骤2，调整H_g0，重新选择激振器并确定套筒和连杆的尺寸。

步骤4：安装各个仿真设备，进行半物理仿真。在半物理仿真过程中利用激振器中模拟角速率陀螺测量信号受弹性振动的影响，提高弹性飞行器半物理仿真的真实度。所述的激振器输入信号为U(t)＝H_gθ(t)，θ为仿真机实时计算的角速率陀螺位置处的弹性转角。

有益效果：

本发明的一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法实现在半物理仿真中模拟弹体弹性特性对弹上测量器件的影响，提高弹性飞行器半物理仿真的真实度。

附图说明

图1为本发明的一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的实现装置的立体示意图；

图2为本发明的一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的实现装置的主视图；

其中：1—角速率陀螺，2—套筒，3—激振器，4—仿真转台，5—激振器顶杆、6—连杆。

图3为本发明的一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法的流程图；

图4为角速率陀螺位置处的弹性振动信息，其中(a)为弹性振动角时间历程曲线，(b)为弹性振动角加速度时间历程曲线。

图5为激振器所需模拟的激振力和激振位移，其中(a)为激振器所需模拟的激振位移，(b)为激振器所需模拟的激振力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以某地空导弹为例，说明该发明的具体实施方式。导弹的一些基本参数如表1所示。目标位于距发射点4000m远、2000m高处，以200m/s的速度水平飞行。导弹的初始速度为20m/s，初始的俯仰角为30°，其他初始条件为零。假设火箭发动机为两级，推力前2s为80000N，之后为10000N。

表1 某地空导弹的基本参数

本实施例的一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的实现装置，包括角速率陀螺1、套筒2和仿真转台4，还包括激振器3、激振器顶杆5和连杆6。所述的激振器3用于根据输入的弹性振动信号激励出附加运动，模拟弹体的弹性振动的影响。所述的套筒2与仿真转台4铰接，套筒2侧面与仿真转台4平面垂直。角速率陀螺1固定在套筒2内，套筒2通过连杆6与激振器顶杆5铰接，激振器顶杆5与激振器3连接，激振器3激励出附加运动模拟弹体的弹性振动通过激振器顶杆5、连杆6传递给固定在套筒2内的角速率陀螺1。所述的激振器3固定在仿真转台4上，激振器顶杆5与仿真转台4平面平行。

本实施例的一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法，具体实现步骤如下：

步骤1：对导弹进行飞行动力学数学仿真，计算得到其角速率陀螺1位置处的弹性转角与弹性振动角加速度的时间历程曲线，如图5所示。

步骤2：选择激振器3型号，确定并确定套筒2和连杆6的尺寸。

步骤2.1：根据仿真计算的角速率陀螺1位置处的弹性振动信息，确定所需选用激振器3的典型特性，选择激振器3型号。所述的典型特性包括激振器3的最大激励力、冲程和频宽。

所用角速率陀螺1的尺寸为l×w×h＝50mm×130mm×80mm，质量为m_g＝0.8kg。初定H_g为H_g0＝0.1m，则根据式(4)和式(6)，得到激振器3所需模拟的激振力和位移，计算得到所需模拟的激振力的最大值F_Tmax0＝40.2N，最大位移x_Tmax0＝7.18mm。导弹的第三阶模态频率为58.7HZ。

根据式(7)和式(8)选择激振器3，可选择The modalshop 2025E型号激振器，其基本参数如表2所示。

表2 The modalshop 2025E型号激振器基本参数

步骤2.2：根据选择的激振器3尺寸，确定套筒2和连杆6的尺寸。

根据式(9)，L_OB>25mm，选取L_OB＝40mm，则连杆6的长度 由激振器3的尺寸已知H_T＝70mm，则H_g＝H_T+L_OB＝110mm＝0.11m。套筒2的材料选取铝合金，厚度为2mm，上部分长方体高度为80mm，长度为54mm，宽度134mm；下部分五面体高度为30mm。经计算，角速率陀螺1与套筒2整体相对于铰O轴线的转动惯量为J_g＝0.0057kg×m²。

步骤3：验证所选激振器3是否满足仿真条件。利用式(4)和式(6)经计算所需模拟激振力的最大值F_Tmax＝26.0N，最大位移x_Tmax＝7.89mm，满足条件F_shaker≥F_Tmax,x_shaker≥x_Tmax，可进行下一步。

步骤4：安装各个仿真设备，进行半物理仿真。在半物理仿真过程中利用激振器3中模拟角速率陀螺测量信号受弹性振动的影响，提高弹性飞行器半物 理仿真的真实度。所述激振器3的输入信号为U(t)＝0.11θ(t)，θ为仿真机实时计算的角速率陀螺位置处的弹性转角。

Claims (3)

1.一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法，其特征在于：角速率陀螺(1)即为一种敏感器件，包括如下步骤，

步骤1：对弹性飞行器进行飞行动力学数学仿真，计算得到角速率陀螺(1)位置处弹性振动的时间历程曲线，包括角速率陀螺(1)位置处的弹性转角和弹性转角角加速度

步骤2：根据实际模拟工况选择激振器(3)型号，并确定套筒(2)、连杆(6)的尺寸；

步骤2.1：根据仿真计算的角速率陀螺(1)处的弹性振动信息，确定所需选用激振器(3)的典型特性，并选择激振器(3)型号；所述的典型特性包括激振器(3)的最大激励力、冲程和频宽；

将角速率陀螺(1)固定在套筒(2)内，套筒(2)安装在仿真转台(4)上，并与仿真转台(4)铰接，套筒(2)侧面与仿真转台(4)平面垂直；激振器(3)平放于仿真转台(4)上，激振器(3)顶杆与仿真转台(4)平面平行，与套筒(2)通过连杆连接；仿真时通过向激振器(3)输入弹性振动信号，使激振器顶杆(5)带动连杆(6)驱动套筒(2)运动，则套筒(2)内的角速率陀螺(1)除了将敏感到仿真转台(4)运动的角速度外，还将敏感到激振器(3)引起的附加角速度；套筒(2)转动的角度可视为小角度，则角速率陀螺(1)敏感到的附加角速度与激振器顶杆(5)运动的关系可以近似表示为

ω_p(t)＝v_T(t)/H_g (1)

式中，v_T表示激振器顶杆(5)的运动速度，H_g表示套筒(2)与连杆(6)铰接点到仿真转台(4)平面的的铅垂距离，其在小角度假设下近似为定值，ω_p表示激振器(3)引起的附加角速度；

所需要模拟的附加角速度应与数学仿真中角速率陀螺(1)位置处的弹性振动角速度相等，即

联立式(1)和式(2)，则激振器顶杆(5)的运动速度应满足

对上式进行积分，激振器顶杆(5)的位移表示为

对角速率陀螺(1)和套筒(2)整体建立平衡方程，

J_gα_p(t)＝F_T(t)H_g (5)

式中，J_g表示角速率陀螺(1)和套筒(2)整体相对于铰O轴线的转动惯量，α_p表示套筒(2)转动的角加速度，且F_T表示激振器(3)的激励力；则激振器(3)的激励力为

初定H_g大小为H_g0，其中m_g为角速率陀螺(1)质量；则根据式(4)和式(6)可确定激振器(3)所需模拟的激振力的最大值F_Tmax0和最大位移x_Tmax0；所选激振器(3)的典型特性应满足

F_shaker≥F_Tmax0,x_shaker≥x_Tmax0 (7)

其中F_shaker为所选激振器(3)的最大激励力，x_shaker为所选激振器(3)的冲程；

为了激振器(3)能够较好地响应输入的弹性振动信号，令其频宽f_shaker大于弹体的第三阶固有频率f₃的二倍；即

f_shaker＞2f₃ (8)

根据式(7)和式(8)确定激振器(3)典型参数，选择激振器(3)型号；

步骤2.2：根据选择的激振器(3)的尺寸，确定套筒(2)和连杆(6)的尺寸；选择的激振器(3)的尺寸为R_shaker×H_shaker,其中R_shaker为激振器(3)半径，H_shaker为激振器(3)高度；已知陀螺仪的尺寸为l×w×h，其中l、w和h分别为角速率陀螺(1)的长、宽和高；

B点在台面上的投影B′到O点的距离为L_OB,L_OB满足约束条件

L_OB＞l/2 (9)

则高度H_g满足条件

H_g＝L_OB+H_T (10)

式中，H_T为激振器顶杆(5)到台面的铅垂距离；连杆AB的长度应满足

L_AB＝L_OB/cosθ₁ (11)

套筒(2)形状可分为两部分，上部分为长方体，下部分为五面体，选择套筒(2)的材料并根据角速率陀螺(1)尺寸确定套筒(2)尺寸；

步骤3：验证所选激振器(3)是否满足仿真条件；根据重新计算的参数H_g和J_g，利用式(4)和式(6)可确定激振器(3)所需模拟的激振力的最大值F_Tmax和最大位移x_Tmax，判断是否满足条件

F_shaker≥F_Tmax,x_shaker≥x_Tmax (12)

若满足条件，则进行步骤4；若不满足条件，则返回步骤2，调整H_g0，重新选择激振器(3)并确定套筒(2)和连杆(6)的尺寸；

步骤4：安装各个仿真设备，进行半物理仿真；在半物理仿真过程中利用激振器(3)中模拟角速率陀螺(1)测量信号受弹性振动的影响，提高弹性飞行器半物理仿真的真实度；所述的激振器(3)输入信号为U(t)＝H_gθ(t)，θ为仿真机实时计算的角速率陀螺(1)位置处的弹性转角。

2.如权利要求1所述的一种利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法，其特征在于：为了更好的传动效率，初始时刻激振器顶杆(5)与连杆(6)之间的夹角θ₁＝45°。

3.如权利要求1或2所述的利用激振器模拟弹性振动对敏感器件影响的方法的实现装置，其特征在于：包括角速率陀螺(1)、套筒(2)和仿真转台(4)，还包括激振器(3)、激振器顶杆(5)和连杆(6)；所述的激振器(3)用于根据输入的弹性振动信号激励出附加运动，模拟弹体的弹性振动的影响；所述的套筒(2)与仿真转台(4)铰接，套筒(2)侧面与仿真转台(4)平面垂直；角速率陀螺(1)固定在套筒(2)内，套筒(2)通过连杆(6)与激振器顶杆(5)铰接，激振器顶杆(5)与激振器(3)连接，激振器(3)激励出附加运动模拟弹体的弹性振动通过激振器顶杆(5)、连杆(6)传递给固定在套筒(2)内的角速率陀螺(1)；所述的激振器(3)固定在仿真转台(4)上，激振器顶杆(5)与仿真转台(4)平面平行。