CN109579768A - 一种惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法 - Google Patents

Abstract

一种惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法，本发明提出了将旋转变压器的定子固定在被动减振器上，将旋转变压器的转子固定在惯性稳定平台的旋转轴上的一体化传感器设计方案，该方案一方面通过改变旋转变压器的基准实现对被动减振器与惯性稳定平台之间相对转动角度的直接测量，测量出的相对转动角度可以作为惯性稳定平台主动振动控制的反馈输入量，建立起已有减振方案中完全独立的主动振动控制与被动减振器之间的联系，另一方面可以为惯性稳定平台角振动的主动振动控制提供辅助的阻尼作用,实现对惯性稳定平台角振动的有效抑制。本发明简便易行，适用于惯性稳定平台与被动减振器之间相对转动角度的测量以及惯性稳定平台的角振动抑制。

Description

一种惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量 方法

技术领域

本发明涉及一种惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法，提出了将旋转变压器的定子固定在被动减振器上，将旋转变压器的转子固定在惯性稳定平台的旋转轴上的一体化传感器设计方案，测量出的惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度可以建立起已有减振方案中完全独立的主动振动控制与被动减振器之间的联系，抑制惯性稳定平台角振动，适用于惯性稳定平台与被动减振器之间相对转动角度的测量以及惯性稳定平台的角振动抑制。

技术背景

机载惯性稳定平台是航空、航天飞行器实现惯性导航、惯性制导及惯性测量功能的核心装置，高精度的机载惯性稳定平台广泛应用于现代先进军事设备中。舰载惯性稳定平台作为舰船的局部减摇装置，可以隔离舰船的多维耦合摇荡运动对被控对象的影响，使其相对惯性空间保持稳定或在指令作用下按给定规律相对惯性空间运动，被广泛应用于舰载装备中，对促进经济发展和维护国家安全都有重要意义。惯性稳定平台在航空遥感中用于隔离载体扰动对成像载荷的影响，使成像载荷视轴稳定，可提高实时成像精度，并可缩小航空遥感作业时相邻两幅图像的重叠区间，大大提高了航空遥感系统的作业效率。惯性稳定平台已经广泛应用于制导、机载、舰载、车载武器等军事领域和高分辨率空间遥感探测、公安消防、环境检测等民用领域。然而在外部环境和自身扰动等因素的影响下，惯性稳定平台难以保持理想的稳定状态，这将会严重影响惯性稳定平台在这些领域的应用，所以这就对惯性稳定平台的性能提出较高要求。

我国的在惯性稳定平台相关技术研究的方面，进展比较缓慢，国外虽然在这方面技术相对成熟，但是对我国实施技术封锁和产品禁运，严重制约了我国惯性稳定平台相关技术的发展。因此，我国迫切需要突破惯性稳定平台的关键技术，针对军用和民用领域对惯性稳定平台性能的不同需求，自主研制高精度惯性稳定平台和轻量化快响应惯性稳定平台等核心产品，满足我国不同领域对惯性稳定平台的重大需求。因此，研制具有自主知识产权的高精度惯性稳定平台，提升国内惯性稳定平台性能，具有重要的作用和意义。

在国家自然科学基金项目“基于主动减振技术的惯性稳定平台角振动误差分析与减振方法研究”的支持下，结合国内惯性稳定平台抗扰动能力较差、精度较低，不能很好的满足实际应用的问题，在对惯性稳定平台进行动力学建模和控制系统建模的基础上，分析了扰动因素对惯性稳定平台的影响，研究了惯性稳定平台的振动特性，设计了主动和被动相结合的惯性稳定平台角振动抑制方法，相对于已有减振方案中完全独立的主动和被动振动控制，该角振动抑制方法的一个关键技术就是建立主动和被动振动控制的联系，本发明设计的一种惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法有效的解决了这个问题，可以大幅提高惯性稳定平台对角振动的抑制能力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种结构简单，测量精度高，可靠性高的惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法。

本发明的技术解决方案是：一种惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法，其特点包括：

(1)针对惯性稳定平台的主、被动振动控制相结合的方案，本发明提出了惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度的直接测量方法，已有的该相对转动角度的测量方法都是在同一时刻分别测量惯性稳定平台和被动减振器的角度值，然后将测量出的两个角度值进行做差，得出相对转动角度的角度值。这种方案是对相对转动角度的间接测量，要引入两个角度测量的传感器，这就引入了更多的角度传感器误差，如旋转变压器的正交误差、幅值误差和旋转变压器定转子偏心所引起的零位误差等。还需要对采集出的两个角度进行及时的做差，得出相对转动角度，所以对整个系统实时性要求比较高，这些因素将会导致间接测量方法测量的相对转动角度不够准确。

本发明提出的惯性稳定平台与被动减振器之间相对转动角度的测量方法是利用旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案，直接测量出惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度，该测量方法只采用了一个角度传感器，相对于间接测量将大量减少角度传感器引入的误差，通过旋转变压器与被动减振器一体化角度传感器可以直接测量出惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度，不需要其他的处理过程，所以可以更准确的测量出该相对转动角度。

(2)针对惯性稳定平台与被动减振器的连接方式，本发明提出了一种新型传感器的设计方案，该新型传感器的设计方案由被动减振器与角度传感器组成。被动减振器是安装在惯性稳定平台的旋转轴上具有阻尼特性的惯性质量结构，通过该连接方式可以将惯性稳定平台上的振动转移到被动减振器上，从而实现对惯性稳定平台振动的抑制。本发明选择的角度测量的传感器是旋转变压器，该传感器具有结构简单，坚固耐用，抗干扰能力好，可靠性高等优点。相对于光电编码器，在精度基本满足要求的情况下，本发明更关注传感器的抗干扰能力，耐用性和定位速度等特性，所以选择旋转变压器作为角度测量的传感器。

本发明提出了旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案，将旋转变压器的定子固定在被动减振器上，将旋转变压器的转子固定在惯性稳定平台的旋转轴上，具体的结构如图2和图3所示。旋转变压器的测量过程是以定子为基准，测量转子与定子的相对转动角度，所以在该测量方法下，旋转变压器可以直接测量出惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度。对被动减振器的结构进行设计时，要充分考虑旋转变压器的尺寸，对被动减振器的外形进行合适的设计，以及将旋转变压器的定子固定在被动减振器上后对整个被动减振器性能的影响。

(3)在惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法下，本发明提出了旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案，该方案一方面可以测量出被动减振器与惯性稳定平台的相对转动角度，另一方面可以为主动振动控制提供辅助的阻尼作用。本发明提出的旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案是通过改变旋转变压器的基准，实现对被动减振器与惯性稳定平台的相对转动角度的直接测量。由于在旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案中，被动减振器提供被动阻尼的作用，所以在主动振动控制的基础上，被动减振器为主动振动控制提供辅助的阻尼作用。

以单轴惯性稳定平台为例进行理论分析，将安装了被动减振器的单轴惯性稳定平台看作两自由度角振动系统，并根据单自由度系统受迫角振动数学模型建立两自由度角振动数学模型，系统等效模型如图1所示。针对惯性稳定平台进行建模，建立的微分方程组为：

式中：J₁为惯性稳定平台的转动惯量，k₁为惯性稳定平台的刚度系数，J₂为被动减振器的转动惯量，c₂为被动减振器的阻尼系数，k₂为被动减振器的刚度系数，为惯性稳定平台的转动角度，为被动减振器的转动角度。

结合测量出的惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度，建立的主动振动控制的运动学模型如下所示：

式中，K为主动刚度系数，C为主动阻尼系数。

整理上面的公式可得：

观察上面的表达式可以发现，通过结合测量出的惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度，被动减振器为主动振动控制提供辅助的阻尼作用，实现对惯性稳定平台更有效的抑制。在已有的惯性稳定平台角振动的振动控制中，大部分的主动振动控制与被动振动控制相对独立，都是根据惯性稳定平台的角度量等信息进行振动控制。通过利用惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度为主动振动控制提供辅助的阻尼信息，使主动振动控制更加准确，实现对惯性稳定平台振动更有效的抑制。

(4)通过提出的旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案，可以直接测量出被动减振器与惯性稳定平台的相对转动角度，可以作为惯性稳定平台角振动主动振动控制的反馈输入量，相对于已有方案中完全独立的主动振动控制，该反馈输入量可以建立起惯性稳定平台角振动的主动振动控制与被动减振器的联系，使主动振动控制更加准确，提高了惯性稳定平台的振动抑制能力。本发明将根据惯性稳定平台的运动学原理，证明测量出来的惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度可以为惯性稳定平台角振动的主动振动控制提供辅助的阻尼信息。

以单轴惯性稳定平台为例，将安装了被动减振器的单轴惯性稳定平台看作两自由度角振动系统，并根据单自由度系统受迫角振动数学模型建立两自由度角振动数学模型，系统等效模型如图1所示。针对该减振方案的惯性稳定平台进行建模，建立的微分方程组为：

整理可得，惯性稳定平台的转动角度和被动减振器的转动角度的频率特性为：

其中ω为角频率，A₁为惯性稳定平台的转动角度的幅值，M₀为简谐激振力矩幅值。

参考单自由度系统受迫角振动稳态响应的幅频特性表达式，设 可以得到：

针对该减振方案的被动减振器进行建模，得到的微分方程组为：

设可以得到：

通过对比减振方案中惯性稳定平台的幅频特性β和被动减振器的幅频特性β₂，可以得到惯性稳定平台的幅值与被动减振器的幅值在不同的频率下的幅值差如图5所示，通过simulink搭建的惯性稳定平台与被动减振器的仿真模型如图6所示，在不同频率下，可以发现在仿真模型下惯性稳定平台与被动减振器输出角度的幅值如图7所示。通过分析，在惯性稳定平台的固有频率周围存在较大的幅值差，其余频率下的幅值较小，所以可以采用惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度作为主动振动控制的输入值。

附图说明

图1为安装被动减振器的单轴惯性稳定平台等效模型；

图2为旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计图；

图3为旋转变压器与被动减振器一体化传感器安装在惯性稳定平台上的整

体图；

图4为主被动振动控制系统的原理框图；

图5为惯性稳定平台与被动减振器的幅频响应曲线；

图6为惯性稳定平台与被动减振器的仿真模型；

图7为不同频率下惯性稳定平台与被动减振器的角度输出值。

Claims (5)

1.一种惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法，其特征在于：

(1)针对惯性稳定平台的主、被动振动控制相结合的方案，本发明提出了惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法；

(2)基于惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法，提出了旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案，该设计方案是将旋转变压器的定子固定在被动减振器上，把旋转变压器的转子固定在惯性稳定平台的旋转轴上；

(3)基于旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案，一方面可以直接测量被动减振器与惯性稳定平台的相对转动角度，另一方面可以为惯性稳定平台角振动的主动振动控制提供辅助的阻尼作用；

(4)在惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法下，测得的被动减振器与惯性稳定平台的相对转动角度，作为惯性稳定平台角振动主动振动控制的反馈输入量，建立起已有减振方案中完全独立的主动振动控制与被动减振器之间的联系，实现对惯性稳定平台角振动的有效抑制。

2.根据权利要求1所述的惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法，其特征在于：所述的步骤(1)中本发明提出的惯性稳定平台与被动减振器之间相对转动角度的测量方法，利用提出的旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案，在该测量方法中只使用了一个角度传感器，相较于常用的相对转动角度测量方法中使用两个角度传感器的情况，减少了角度传感器数量，以及角度测量过程中产生的误差，并且可以直接测量出惯性稳定平台与被动减振器的相对转动角度。

3.根据权利要求1所述的惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法，其特征在于：所述的步骤(2)中提出的旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案为，根据被动减振器安装在惯性稳定平台旋转轴上的连接方式，本发明提出了将旋转变压器的定子固定在被动减振器上，将旋转变压器的转子固定在惯性稳定平台的旋转轴上的设计方案。旋转变压器的测量过程是以定子为基准，测量转子与定子的相对转动角度，本发明以被动减振器为角度测量基准，可以利用旋转变压器直接测量出被动减振器与惯性稳定平台的相对转动角度。

4.根据权利要求1所述的惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法，其特征在于：所述的步骤(3)中提出的旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案有两方面的作用，其一是通过改变旋转变压器的基准，实现对被动减振器与惯性稳定平台的相对转动角度的直接测量；其二是旋转变压器与被动减振器一体化传感器的设计方案中，被动减振器可以提供被动阻尼作用，因此，在主动振动控制的基础上，被动减振器为主动振动控制提供辅助的阻尼作用，实现对惯性稳定平台振动的有效抑制。

5.根据权利要求1所述的惯性稳定平台与被动减振器相对转动角度的直接测量方法，其特征在于：所述的步骤(4)中被动减振器与惯性稳定平台的相对转动角度的作用是可以作为惯性稳定平台角振动主动振动控制的反馈输入量，建立起已有减振方案中完全独立的主动振动控制与被动减振器之间的联系，使主动振动控制更加准确，能够克服惯性稳定平台的被动振动控制不够灵活，减振效果有限的缺陷。