CN113252068A - 一种惯组动态特性的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光惯组动态特性的确定方法,对影响激光惯组动态特性的各环节进行分析,确定动态特性计算方法,利用已有惯组样品中减振器的性能参数,计算具有同类型减振器的新设计惯组的动态特性,解决了因新设计惯组中减振器性能参数难以测得的问题,从而在设计之初便开展动态特性计算,以确定是否满足指标需求,减少后续研制中的改进及试验测试。
Description
技术领域
本发明属于惯性测量技术领域,特别涉及一种惯组动态特性确定方法。本发明以激光惯组为例进行阐述。
背景技术
激光陀螺(RLG)是采用激光技术和Sagnac效应相结合的高性能角度敏感元件,具有性能稳定、寿命长、精度高、动态范围广、启动迅速、环境适应性好等特点。采用激光陀螺的激光捷联惯性测量组合(简称激光惯组)已广泛应用于运载火箭、导弹、宇航、飞机、船舶、车辆以及其他民用领域,为其提供角速度和视加速度信息,用于导航、制导与控制,是其关键设备。
激光陀螺均存在一定的闭锁阈值,ΩL是激光陀螺不采用任何偏频措施时可能敏感的最小转速,当输入转速|Ω|≤ΩL时,则不能被敏感,这就是闭锁效应,ΩL就是通常所说的锁区。为减小陀螺锁区发展了多种偏频技术,目前已实现的激光陀螺仪中,应用最为成熟和广泛的是机械抖动偏频陀螺仪,即使陀螺绕其敏感轴来回抖动以消除锁区的影响。机抖激光陀螺实际应用时需对输出脉冲进行数字滤波,以消除抖动偏频的影响。
激光捷联惯性测量组合(简称激光惯组)由惯性仪表(激光陀螺、加速度计)、本体、箱体、减振器、电子箱等组成,惯组重要仪表(激光陀螺和加速度计)安装在本体上,本体通过减振系统安装在箱体上,如图1所示。减振器为本体上的仪表减振以适应复杂的力学环境条件,从而保持仪表的功能、精度。
激光惯组用于运载体的导航、制导与控制时,对惯性仪表敏感外界线运动、角运动响应的幅值、相位(即动态特性)要求严格,动态特性影响运载体的控制性能,动态特性要求惯性仪表的幅值响应小,相位滞后时间短。航天型号用激光惯组通常需进行单机、系统的线运动、角运动动态特性试验测试,以确定是否满足指标要求。动态特性试验过程复杂,如试验结果不符合要求需再次进行参数调试、试验测试,甚至测试、调参后发现系统设计动态特性仍不能满足要求。综上,应该对影响激光惯组动态特性的各环节进行分析,确定动态特性计算方法,从而在设计之初便开展动态特性计算,以确定是否满足指标需求,减少后续研制中的改进及试验测试,但目前未见关于上述激光惯组动态特性的预测方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷,提供一种激光惯组动态特性的预测方法,本发明对影响激光惯组动态特性的各环节进行分析,确定动态特性计算方法,从而在设计之初便开展动态特性计算,以确定是否满足指标需求,减少后续研制中的改进及试验测试。
为实现上述发明目的,本发明提供如下技术方案:
一种惯组动态特性的确定方法,包括惯组线动态特性确定方法和惯组角动态特性确定方法;
所述惯组线动态特性确定方法包括以下步骤:
S11建立振动系统线动态特性运动模型;
S12对步骤S11运动模型中新设计惯组的振动系统线动态特性参数进行识别;新设计惯组的振动系统线动态特性参数包括本体质量m,减振系统线振动刚度k和减振系统线振动绝对阻尼系数c;
S13将步骤S12中识别的动态特性参数代入S11中的振动系统线动态特性运动模型中,计算新设计惯组的振动系统线动态特性;所述振动系统线动态特性即惯组线动态特性;
所述惯组角动态特性确定方法包括以下步骤:
S21建立减振系统角动态特性运动模型;
S22对步骤S21运动模型中新设计惯组的减振系统角动态特性参数进行识别;新设计惯组的减振系统角动态特性参数包括本体转动惯量J,减振系统扭转刚度系数Kθ,减振系统扭转阻尼系数Cθ;
S23将步骤S22中识别的动态特性参数代入S21中的减振系统角动态特性运动模型中,计算新设计惯组的减振系统角动态特性;
S24在S23所得的减振系统角动态特性的基础上叠加陀螺数字滤波器,得到新设计惯组的惯组角动态特性。
进一步的,步骤S11中,振动系统线动态特性运动模型为:
其中,m为本体质量,k为减振系统线振动刚度,c为减振系统线振动绝对阻尼系数;x1为输入惯组的简谐激励,x1=A1cos(ωt),x2为本体的位移响应,x2=A2cos(ωt-ψ),其中A1为输入惯组的简谐激励振幅,ω为输入惯组的简谐激励线振动圆频率,t为时间,A2为本体线振动振幅,ψ为减振系统线动态特性相位。
进一步的,步骤S21中,减振系统角动态特性运动模型为:
其中,J为本体转动惯量,θ1为箱体扭转角度,θ1=Aθ1cos(ωθt);θ2为本体扭转角度,θ2=Aθ2cos(ωθt-ψθ);其中Cθ为减振系统扭转阻尼系数,Kθ为减振系统扭转刚度系数,ωθ为减振系统的简谐激励角振动圆频率,ψθ为减振系统角动态特性相位,t为时间,Aθ1为箱体角振动振幅,Aθ2为本体角振动振幅。
进一步的,步骤S12中,本体质量m的识别方法包括三维模型计算或实测;
减振系统线振动刚度k=nk1;减振系统线振动绝对阻尼系数c=nc1;
其中n为新设计惯组样品中减振器个数;k1已有惯组样品单个减振器线振动刚度;c1为已有惯组样品单个减振器线振动绝对阻尼系数;所述已有惯组样品中的减振器类型与新设计惯组中的减振器类型相同;
所述k1和c1根据已有惯组样品的本体线振动谐振频率f01和减振系统线振动峰值放大倍数β1计算得出:
其中,已有惯组样品的本体线振动谐振频率f01和减振系统线振动峰值放大倍数β1通过测试得到;ξ1为已有惯组样品的减振系统线振动相对阻尼系数;n1为已有惯组样品中减振器个数;m1为已有惯组样品中本体质量。
进一步的,步骤S22中本体转动惯量J通过三维模型计算得到;
其中,n为新设计惯组样品中减振器个数;R1~Rn分别为新设计惯组中,减振器与本体的n个连接点在角振动方向的投影平面内分别到本体几何中心的距离;连接点个数与新设计惯组样品中减振器个数相等,一般为4的倍数。
c1为已有惯组样品单个减振器线振动绝对阻尼系数;k1已有惯组样品单个减振器线振动刚度;所述已有惯组样品中的减振器类型与新设计惯组中的减振器类型相同;
所述k1和c1根据已有惯组样品的本体线振动谐振频率f01和减振系统线振动峰值放大倍数β1计算得出:
其中,已有惯组样品的本体线振动谐振频率f01和减振系统线振动峰值放大倍数β1通过测试得到;ξ1为已有惯组样品的减振系统线振动相对阻尼系数;n1为已有惯组样品中减振器个数;m1为已有惯组样品中本体质量。
进一步的,步骤S13中,振动系统线动态特性包括减振系统线动态特性幅值和减振系统线动态特性相位。
步骤S23中,减振系统角动态特性包括减振系统角动态特性幅值和减振系统角动态特性相位。
进一步的,
其中A1为输入惯组的简谐激励振幅,A2为本体线振动振幅,f为惯组线振动频率,数值范围一般为1~1000Hz;f0为新设计惯组的本体线振动谐振频率,ξ为新设计惯组减振系统线振动相对阻尼系数;
其中,n为新设计惯组的减振器个数,本体质量m、减振系统线振动刚度k和减振系统线振动绝对阻尼系数c通过步骤S12进行识别。
进一步的,
Aθ1为箱体角振动振幅,Aθ2为本体角振动振幅,fθ为惯组角运动频率,数值范围为一般为1~1000Hz;fθ0为新设计惯组本体角振动谐振频率,ξθ为新设计惯组减振系统角振动相对阻尼系数;
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)本发明一种激光惯组动态特性的预测方法,对影响激光惯组动态特性的各环节进行分析,确定动态特性计算方法,从而在设计之初便开展动态特性计算,以确定是否满足指标需求,减少后续研制中的改进及试验测试;
(2)本发明一种激光惯组动态特性的预测方法,利用已有惯组样品中减振器的性能参数,计算具有同类型减振器的新设计惯组的动态特性,解决了因新设计惯组中减振器性能参数难以测得的问题;
(3)本发明一种激光惯组动态特性的预测方法,在角动态特性中考虑了陀螺数字滤波器响应,使新设计惯组动态特性的计算具有较高准确性。
附图说明
图1为现有技术中惯组系统布局简图;
图2为现有技术中惯组减振系统在基础激励下单自由度振动模型;
图3为现有技术中惯组系统本体-箱体扭转示意;
图4为本发明实施例1中新设计惯组线动态特性幅值的计算结果图;
图5为本发明实施例1中新设计惯组线动态特性相位的计算结果图;
图6为本发明实施例1中新设计惯组角动态特性幅值的计算结果图;
图7为本发明实施例1中新设计惯组角动态特性相位的计算结果图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明,本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面,但是除非特别指出,不必按比例绘制附图。
激光捷联惯性测量组合(简称激光惯组)由惯性仪表(激光陀螺、加速度计)、本体组件、箱体、减振器、电子箱等组成,惯组重要仪表(陀螺和加速度计)安装在本体上,本体通过减振系统安装在箱体上,如图1所示。航天型号飞行器重点关注300Hz以下频率段的动态特性,动态特性环节中由于箱体、减振器、本体组件、惯性仪表,箱体、本体零件的频率较高,所以激光惯组动态特性的主要影响因素为减振器、陀螺滤波器。
本发明一种惯组动态特性的确定方法,包括惯组线动态特性确定和惯组角动态特性确定;具体步骤如下:
1.激光惯组线动态特性模型构建
(1)减振系统动态特性运动模型:
激光惯组减振系统一般由8个(或4个)对称安装的橡胶减振器组成,单个减振器的三个方向设计为性能相同,因此多个减振器组成的减振系统在三个方向上性能相近。
惯组单个方向基础简谐激励下的受迫振动模型如图2所示,模型中x1为输入惯组的简谐激励,即箱体的位移响应,x1=A1cos(ωt);x2为本体的位移响应,x2=A2cos(ωt-ψ);m为负载质量,在本发明中,就是本体质量;A1输入惯组的简谐激励振幅;A2为本体线振动振幅;ω为输入惯组的简谐激励线振动圆频率;ψ为减振系统线动态特性相位;t为时间。
减振系统的线动态特性运动模型为:
k为减振系统线振动刚度,c为减振系统线振动绝对阻尼系数。
(2)减振系统线动态特性参数识别:
式(1)待确定参数为m、k、c,其中m为负载质量,在本发明中,就是本体质量,可通过常规手段测得;减振系统线振动刚度k为各减振器线振动刚度k0的总和,减振系统线振动绝对阻尼系数c为各减振器线振动绝对阻尼系数c0的总和。由于新设计惯组中的k0和c0难以测得,所以通过以下方法计算得出。
假设已有惯组样品中本体质量为m1,单个减振器线振动绝对阻尼系数c1,单个减振器线振动刚度为k1,已有惯组样品中减振器个数为n1,现有技术中通过对惯组样品进行正旋扫频振动试验,试验时在本体上粘接加速度传感器,可测得已有惯组样品本体线振动频率f01、减振系统线振动峰值放大倍数β1。
f01、β1与m1、c1、k1以及n1的关系式如下:
根据式(2)和式(3),代入已有惯组样品的数值如下:已有惯组样品本体线振动谐振频率f01、减振系统线振动峰值放大倍数β1可通过试验测得,本体质量m1可通过常规方法测得;已有惯组样品中的减振器个数n1为已知量;ξ1为减振系统线振动相对阻尼系数,可通过已知的β1得出;所以,根据式(2)和式(3),可得到已有惯组样品中单个减振器的c1和k1。
新惯组的设计通过不包括对减振器类型的更换,即新设计惯组的减振器类型与已有惯组样品相同,当减振器类型确定时,减振器的动力学参数c1和k1为固定值,即通过上文的计算到c1和k1等于新设计惯组中各减振器线振动绝对阻尼系数c0和各减振器线振动刚度k0。
新设计惯组本体线振动谐振频率f0:
新设计惯组减振系统线振动峰值放大倍数β:
(3)减振系统线动态特性结果计算:
将式(4)、(5)代入式(1),减振系统线振动刚度k=nk0=nk1,减振系统线振动绝对阻尼系数c=nc0=nc1。
可得:
减振系统不同频率下的线振动传递特性可由式(6)和式(7)得出。由于动态特性环节中减振系统线动态特性为影响惯组动态特性的主要因素,所以减振系统线动态特性幅值和动态特性相位反映了惯组的动态特性。
式(6)和式(7)中,f0为新设计惯组的本体线振动谐振频率,ξ为新设计惯组减振系统线振动相对阻尼系数,f0和ξ可由式(4)和(5)得到,其中,新设计惯组单个减振器的线振动刚度k0等于已有惯组样品中单个减振器的线振动刚度k1,新设计惯组单个减振器的线振动绝对阻尼系数c0等于已有惯组样品中单个减振器的线振动绝对阻尼系数c1,f为惯组线频率,数值范围一般为1~1000Hz;新设计惯组的本体质量m可以通过三维模型计算或实测得到,新设计惯组的减振系统线动态特性可通过调整n和m达到所需数值;
2.惯组角动态特性模型构建
(1)惯组角动态特性运动模型:
本体、箱体之间通过减振器相连,陀螺与本体固连,角动态特性表现为本体的扭转,扭转方程如式(8)。
式(8)中,J为本体转动惯量,θ1为箱体扭转角度,θ1=Aθ1cos(ωθt),θ2为本体扭转角度,θ2=Aθ2cos(ωθt-ψθ);Cθ为减振系统扭转阻尼,Kθ为减振系统扭转刚度;ωθ为减振系统的简谐激励角振动圆频率,ψθ为减振系统角动态特性相位,t为时间,Aθ1为箱体角振动振幅,Aθ2为本体角振动振幅;
式(8)待确定参数为J、Kθ、Cθ。
(2)激光惯组角动态特性参数识别:
如图3所示,当本体相对于箱体有一小转角θ(θ2-θ1=θ)时,某一减振器和本体连接点的切向位移为S=R1*θ,其中R1为此减振器与本体连接点到本体几何中心的距离;该位移分解到减振器的轴向和切向(即图2中的水平方向和竖直方向)分别为:S轴=R1*θ*cosα、S切=R1*θ*sinα(α为切向位移s和减振器轴向的夹角);从而对本体产生的轴向力和切向力为:F轴=R1*θ*cosα*k轴、F切=R1*θ*sinα*k切(k轴、k切为单个减振器的轴向刚度和切向刚度);因而本体产生的扭矩为 当k轴=k切=k1时,F*S=k1*R12*θ。减振器个数常用4个或8个,将新设计惯组的减振器个数记为n,n个减振器与本体的连接点为n个,n一般为4的倍数。
即新设计惯组样品中减振器个数为n时,减振系统扭转刚度系数
式(9)中,新设计惯组的减振器个数为n;已有惯组样品单个减振器线振动刚度为k1;R1~Rn分别为新设计惯组中,减振器与本体的n个连接点在角振动方向的投影平面内分别到本体几何中心的距离;
已有惯组样品单个减振器线振动绝对阻尼系数为c1,类似于减振系统的扭转刚度,减振系统扭转阻尼为:
新设计惯组的本体转动惯量J可以通过三维模型计算得到,R1~Rn在设计完成后为已知值,上文中通过计算已得出已有惯组样品的单个减振器线振动刚度k1及单个减振器线振动绝对阻尼系数为c1,综上,可以确定式(8)中待确定参数J、Kθ、Cθ。
(3)减振系统角动态特性结果计算:
类似于线动态特性,将式(9)、(10)代入(8),减振系统不同频率下的线振动传递特性解析解为:
减振系统角动态特性幅值:
减振系统角动态特性相位:
式(11)、(12)中,fθ为惯组角运动频率,数值范围一般为1~1000Hz;fθ0为新设计惯组本体角振动谐振频率,ξθ为新设计惯组减振系统角振动相对阻尼系数;
(4)叠加陀螺滤波器的角动态特性:
机抖激光陀螺实际应用时需对输出脉冲进行数字滤波,以消除抖动偏频的影响。滤波器改变陀螺输出的幅值、相位。当陀螺数字滤波器类型、参数确定后,滤波器的幅值、相位特性确定。
式(11)、式(12)可计算减振系统随频率变化的角动态特性幅值、相位。将式(11)各频率点上计算的幅值响应结果,叠加相应频率点上的陀螺数字滤波器幅值响应,可得陀螺动态特性幅值响应结果。将式(12)各频率点上计算的相位响应结果,叠加相应频率点上的陀螺数字滤波器响应,可得陀螺动态特性响应响应结果,可体现惯组的角动态特性。
实施例1
某激光惯组线、角动态特性计算示例如图4、图5、图6和图7所示,已有惯组样品的已有试验数据包括:本体质量9.5kg;减振器个数8个;本体线振动谐振频率81Hz,减振系统线振动峰值放大倍数3.9;
新设计惯组参数包括:本体质量9.5kg,减振器个数8个,转动惯量0.0466Kg·m2,减振器与本体的4个连接点到本体几何中心的距离0.09962m,陀螺滤波器频率2000Hz,陀螺滤波器个数1个,同时考虑硬件时间延迟,加表(加速度计)采数设备时间延迟0.001580s,陀螺采数设备时间延迟0.001147s,根据本文方法可计算加速度计的线角动态特性、激光陀螺仪的角动态特性。
多个产品计算结果与试验结果相比较表明,该方法计算准确,能够满足实际应用需要。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明,不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解,在不偏离本发明精神和范围的情况下,可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进,这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种惯组动态特性的确定方法,其特征在于,包括惯组线动态特性确定和惯组角动态特性确定;
所述惯组线动态特性确定包括以下步骤:
S11建立振动系统线动态特性运动模型;
S12对步骤S11运动模型中新设计惯组的振动系统线动态特性参数进行识别;新设计惯组的振动系统线动态特性参数包括本体质量m,减振系统线振动刚度k和减振系统线振动绝对阻尼系数c;
S13将步骤S12中识别的动态特性参数代入S11中的振动系统线动态特性运动模型中,计算新设计惯组的振动系统线动态特性;所述振动系统线动态特性即惯组线动态特性;
所述惯组角动态特性确定包括以下步骤:
S21建立减振系统角动态特性运动模型;
S22对步骤S21运动模型中新设计惯组的减振系统角动态特性参数进行识别;新设计惯组的减振系统角动态特性参数包括本体转动惯量J,减振系统扭转刚度系数Kθ,减振系统扭转阻尼系数Cθ;
S23将步骤S22中识别的动态特性参数代入S21中的减振系统角动态特性运动模型中,计算新设计惯组的减振系统角动态特性;
S24在S23所得的减振系统角动态特性的基础上叠加陀螺数字滤波器,得到新设计惯组的惯组角动态特性。
4.根据权利要求1所述的一种惯组动态特性的确定方法,其特征在于,所述步骤S12中,本体质量m的识别方法包括三维模型计算或实测;
减振系统线振动刚度k=nk1;减振系统线振动绝对阻尼系数c=nc1;
其中n为新设计惯组样品中减振器个数;k1已有惯组样品单个减振器线振动刚度;c1为已有惯组样品单个减振器线振动绝对阻尼系数;所述已有惯组样品中的减振器类型与新设计惯组中的减振器类型相同。
7.根据权利要求1所述的一种惯组动态特性的确定方法,其特征在于,所述步骤S13中,振动系统线动态特性包括减振系统线动态特性幅值和减振系统线动态特性相位。
8.根据权利要求1所述的一种惯组动态特性的确定方法,其特征在于,所述步骤S23中,减振系统角动态特性包括减振系统角动态特性幅值和减振系统角动态特性相位。
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