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一种抑制陀螺章动的方法研究

2019-09-10刘国国王鹏辉曹飞郭家欢韩亮亮

河南科技 2019年13期
关键词:滤波

刘国国 王鹏辉 曹飞 郭家欢 韩亮亮

摘 要:本文分析了动力陀螺稳定平台的特点,研究了动力陀螺在应用过程中产生的陀螺章动现象,并分析了陀螺章动对陀螺稳定系统的影响。根据动力陀螺的章动特性,采用数字滤波的方法,抑制陀螺震荡现象,达到陀螺平台空间稳定的目的。

关键词:动力陀螺;章动;震荡;滤波

中图分类号:TJ765 文献标识码:A 文章编号:1003-5168(2019)13-0048-03

Abstract: The features of the dynamical gyro-stabilized platform was analysed in a semi-active laser seek. The phenomenon of nutation which affected the stable performance of the dynamical gyro-stabilized platform was researched in practical applications of dynamical gyro. According to the dynamic gyro nutation characteristics, a digital filter was proposed to eliminated the dynamical gyro concussion, and inertial stability of gyro platform was achieved.

Keywords: dynamic gyro;nutation;concussion;filter

动力陀螺稳定平台是常用的稳定跟踪平台,具有空间自稳定性,与速率反馈稳定平台相比,具有控制简单、稳定性好、成本低等特点,被广泛应用于各种类型的稳定跟踪系统中[1]。目前,精确制导弹药在局部战争、反恐等场合大量应用,具有装备量大的特点,对成本、可靠性有较高要求,故动力陀螺稳定平台是其最佳选择[2,3]。

本文中的激光导引头即采用动力陀螺稳定平台,研制过程中,出现动力陀螺平台急剧震荡现象[4],无法实现空间稳定性,失去了对目标稳定跟踪的能力[5]。

经分析,产生这种震荡与动力陀螺的章动特性有关。力矩信号中含有与章动频率相同的信号分量,诱发陀螺章动,进而导致平台震荡[6]。本文提出采用数字滤波的办法,设计针对陀螺章动频率的滤波器,对力矩信号进行滤波,衰减力矩信号中的章动频率分量信号大小,达到实现动力陀螺空间稳定的目的。

1 二自由度动力陀螺特性分析

由图1可知,外框施加阶跃力矩时,内框随之运动。由于摩擦的存在,外框存在一定的耦合输出。同理,内框施加力矩,外架运动,内框耦合输出。

分析动力陀螺系统双输入和双输出的特性,得出陀螺系统输入输出的傳递特性。同样以外框力矩为例,内框角[θz]与外框力矩[My]传递函数特性如图2所示。

从图2可知,随着频率增加,陀螺系统对输入力矩信号呈衰减趋势,其衰减斜率不小于30dB/dec。但是,由于陀螺章动特性的存在,在章动频率点传递函数的幅频特性中呈现一个尖峰,将信号放大。如果力矩信号包含该频率分量,会诱发章动,导致平台不稳定。

以高斯白噪声作为外框架力矩信号[My],仿真分析动力陀螺系统响应。白噪声力矩的均值为零,标准差[σ]=0.1,其特性如图3所示。

白噪声力矩施加在动力陀螺外框上,则外框的角度输出信号的频谱特性如图4所示。

从仿真结果可知,在白噪声力矩输入条件下,章动频率点的信号经过陀螺系统被放大,而其他频点的信号则呈现出不同程度的衰减。由于陀螺章动的存在,在稳定平台控制系统闭环以后,极易引起控制系统震荡,导致跟踪失去稳定性[6]。

本文涉及的动力陀螺稳定平台就出现这样的震荡现象。平台控制系统在进行闭环跟踪时,无论是跟踪指令,还是框架角度输出,均呈现出某一固定频率的震荡,这一频率与陀螺的章动频率相符。

动力陀螺的章动特性是产生上述现象的内因,而力矩信号中含有章动频率分量是外因。综合内外因,稳定平台控制系统闭环后,出现控制回路发散,平台失去稳定性。

2 陀螺系统章动抑制原理

根据上述动力陀螺原理,陀螺系统的传递函数中存在一个奇异频点,即章动频率,该频率点是动力陀螺固有的,与其自身参数相关。闭环控制中极易导致闭环回路的不稳定,引起系统震荡。因此,必须对陀螺章动进行抑制,保证稳定平台控制系统的闭环稳定性能。

可以设计一种滤波器对信号的单一频点进行滤波,对该频点信号进行深度衰减,而不影响其他频率分量的特性。针对动力陀螺章动特性,其自身特性和传递函数已固化,只需对施加给陀螺的力矩信号进行滤波,消除引起陀螺稳定平台震荡的外因,使陀螺不具备振动的条件,就不会诱发陀螺稳定平台的震荡。

设定陀螺的章动频率为滤波器的中心衰减频率,设定陷波器-3dB带宽为5Hz,则所设计滤波器的幅频特性和相位特性如图5所示。

滤波器的幅频特性与动力陀螺的幅频特性相似,均存在一个频率奇点。不同的是滤波器在频率奇点对信号进行深度衰减,而动力陀螺则反之。

因此,力矩信号可以首先经过滤波器滤波,对章动频率点信号进行深度衰减,然后施加在动力陀螺上,力矩信号已不包含章动频率分量,诱发平台震荡的外因已经不存在,动力陀螺系统不具备震荡条件,闭环控制系统可以保持稳定。

3 滤波效能分析

增加滤波器后的动力陀螺系统框图如图6所示。

滤波器对施加在陀螺上的力矩信号进行滤波,其作用是滤除力矩信号中的章动频率分量,则动力陀螺的系统响应变化如图7所示。

相对于图2,陀螺系统的在章动频率点的系统响应得到了深度衰减,而陀螺的其余频率响应则没有发生明显变化,消除了陀螺章动诱因,同时动力陀螺特性没有发生改变,能够保证动力陀螺平台的稳定性。

对应图4的陀螺系统白噪声响应变化,如图8所示。陀螺系统的框架角信号频谱在其章动频率出相对于图4得到了明显的衰减,确保了系统的稳定性。

4 结论

基于动力陀螺的导引系统,在特定的条件下闭环跟踪时,由于动力陀螺存在章动效应,容易引起跟踪系统震荡,导致系统失稳,严重影响平台的稳定性。

故本文从动力陀螺产生章动的数学物理模型入手,分析了动力陀螺的章动特性,并对其进行数学仿真分析,给出动力陀螺系统的频域响应特性,得出陀螺章动的频率特性。

基于动力陀螺的章动特性,针对性地设计滤波器,并将其放入动力陀螺系统中,消除动力陀螺系统的章动特性,有效保证了陀螺平台的稳定性,确保跟踪系统的稳定跟踪性能。

参考文献:

[1]樊会涛,张蓬蓬.空空导弹面临的挑战[J].航空兵器,2017(2):3-7.

[2]胡青青,李奇,朱海荣.基于PMAC的稳定平台伺服系统设计[J].航空兵器,2012(1):28-33.

[3]彭志永,曹飞,王鹏辉,等.直流力矩电机控制的动力陀螺稳定平台[J].测控技术,2012(4):140-143.

[4]李慧,吴军辉,胡欣,等.动力陀螺式激光导引头的动力学建模与仿真[J].激光与红外,2011(7):758-762.

[5]刘俊辉,单家元,刘永善.动力陀螺式导引头跟踪能力分析[J].红外与激光工程,2013(8):2209-2215.

[6]刘俊辉,单家元,赵新.基于干扰观测器的动力陀螺式导引头干扰力矩补偿[J].兵工学报,2014(6):842-849.

[7]郑志伟,白晓东.空空导弹红外导引系统设计[M].北京:国防工业出版社,2007.

[8]王仁臻,赵嫔娅,陈艺.摩擦对稳定平台稳定精度影响的研究[J].航空兵器,2012(3):58-60.

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