1、淺析振動條件下陀螺穩定平臺漂移大的分析研究摘要 本文系統分析了對性能的影響，提出振動條件下機械諧振是導致陀螺漂移變大從而影響漂移的重要因素，進而改進振動夾具以避開諧振頻率的方案。最后通過對系統的模態仿真和試驗驗證了理論分析的正確性和改進措施的有效性，改善了穩定平臺的振動測試性能。關鍵詞 ；1 引言在振動條件下性能下降是空空導彈型號研制中要解決的重大技術問題。平臺在靜止時盡管能達到很高的精度, 但在振動條件下系統的性能有著不同程度的下降。而對平臺系統性能的影響涉及慣性器件、平臺機構、振動夾具等諸多方面的因素, 振動產生的平臺系統漂移誤差與振動的強度、頻率、振動持續時間等均有關系。振動頻率在平臺振

2、動夾具諧振頻率和平臺機構固有頻率附近時, 平臺產生的漂移大。振動導致性能下降的直接原因是陀螺漂移在振動時相對振動前也產生了附加漂移。大量試驗和理論分析表明,在振動時的誤差與平臺機構和振動夾具的固有頻率有密切關系。對振動條件下漂移誤差與平臺機構和振動夾具的關系以及減小平臺漂移的措施的研究,對提高抗振穩定性有著十分重要的意義和價值。2 原理分析示意圖如圖1所示：平臺的中心是二個陀螺，它們安裝在平臺的內環上，平臺內環用一對軸承支承在平臺外環上，外環用一對軸承支承在導彈彈體上，平臺可繞軸轉動。二個陀螺儀分別敏感內、外環軸運動的角速度。在平臺的內環軸和外環軸的一端各安裝有一臺傳動電動機。圖1 原理圖圖中

3、：沿平臺外環軸和內環軸的傳動電機光纖陀螺儀敏感軸方向彈體在Y軸和Z軸方向的干擾角速度Y軸和Z軸傳動放大器其穩定過程如下：起始時平臺與二個光纖陀螺儀外環平面保持一致，陀螺儀敏感角速度方向垂直與平臺平面，此時光纖陀螺儀傳感器 和 輸出為零。一旦導彈彈體相對Y通道存在干擾角速度 時，平臺將繞Y軸轉動，在平臺臺體上敏感Y軸的光纖陀螺儀傳感器將產生正比于此失調角速度的電壓信號，經放大后驅動傳動電機 轉動并帶動平臺以 繞Y軸反方向旋轉，使平臺恢復到原先的位置（Z通道的穩定與Y通道一致）。平臺依靠Y、Z二條穩定回路始終跟隨著光纖陀螺在慣性空間的位置，實現了平臺的空間穩定。由于結構設計中天線是用連桿與平臺相連

4、，從而實現了天線的空間穩定。在整個穩定系統中，光纖陀螺儀起著提供一個坐標基準的作用。本文僅研究自主穩定回路，其硬件系統方框圖如圖2所示。圖2 自主穩定回路方框圖圖2中： 為作用在 通道的彈體擾動角速度； 為陀螺傳感器、有源校正環節、測量放大器和功率放大器等的傳遞函數； 為電機驅動環節的傳遞函數； 為測速電機反饋系數。自主穩定回路的開環傳遞函數 如式1所示： （1）3 機械諧振對穩定回路影響分析在對伺服系統分析時，將執行電機至控制對象之間的機械傳動看成是絕對剛性傳動。當控制對象的轉動慣量不大，系統跟蹤角加速度不高，而傳動制造的剛度較大時，可以忽略彈性扭轉變形。但如果轉動慣量較大時，系統通頻帶又比

5、較寬，系統運動過程中傳動軸的彈性扭轉變形將造成明顯滯后，傳動裝置在傳遞運動時就會含有儲能的元件。由于它速度阻尼小，其傳遞特性將出現較高的諧振峰，形成機械諧振，從而對系統的動態特性產生較大影響。甚至使系統不穩定，在某型諧振頻率下還可能損壞精密的慣性器件。機械諧振是由轉動慣量和傳動裝置的材料、結構及尺寸等因素決定的。剛性越差，機械諧振頻率就越低。通常伺服系統的機械傳動裝置都具有一個諧振頻率，但有的不止一個諧振頻率。如果諧振頻率小于系統的帶寬，則將對系統的動態性能帶來很壞的影響，使系統易于損壞。伺服機械結構是伺服系統的控制對象，也是伺服系統的重要組成部分，其影響因素主要有轉動慣量、結構諧振頻率、摩擦

6、力矩、轉動空回和傳動精度等。4 分析和試驗4.1 試驗原理當彈性結構系統受隨機過程力作用時，系統的運動方程為： (2)其中： 、 和 分別為質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣； 、 和 分別為節點加速度、速度和位移向量； 為載荷向量。在式(2)中，令 ，得到自由振動方程。在實際工程中，阻尼對結構的固有頻率和振型的影響不大，可忽略阻尼力，得到無阻尼自由振動方程： (3)假設結構做簡諧振動 ，代入上式，得齊次方程： (4)通過解上述特征方程即可得到結構固有頻率和振型。模態分析用于求解結構的固有頻率和相應的振動模態。該分析的結果對于實際工程設計有關參數的選擇（如激振頻率的確定、共振現象的避免與利用等）及進

7、一步的動力分析都很重要，因為結構的固有頻率和模態信息能夠反映結構動態響應特性。分析考慮結構在某種統計規律下分布載荷作用的隨機響應。在工程計算中，物理過程通常均被假定為線性、平穩、各態歷經以及高斯型。對于例如地震波，海洋波，飛機、導彈或超高層建筑物的氣壓波動以及火箭和噴氣發動機的噪音激勵，通常人們只能得到按概率分布的函數，如功率譜密度(PSD)函數，激勵的大小在任何時刻都不能明確給出。在這種載荷作用下結構的響應就需要用分析來計算結構的響應，載荷由它的互功率譜密度所定義。4.2 試驗方法的基本原理是對結構用力錘進行敲擊使其產生一頻帶較寬的沖擊信號，同時利用粘接在結構上的加速度傳感器測得響應信號，通

8、過軟件對測得的信號進行分析計算以求得結構的模態參數。試驗及分析框圖如圖3所示。圖3 振動沖擊夾具及分析框圖4.3 試驗數據及結果分析試驗測得在振動夾具上的第一階固有頻率為269HZ，其測點的傳遞函數如圖4所示。圖4 改進前振動夾具測點傳遞函數是在較高精度測試設備保障下完成的試驗。從測試結果來看，測試信噪比較高，主要的一階頻率均被較好的識別，整個試驗數據具有較高的置信度。在穩定平臺工作過程中，由于陀螺是作為一個空間定位基準的，因此陀螺本身產生漂移對其穩定回路的控制和補償的影響是相當重要的，而的漂移主要是由陀螺的漂移引起的。根據上述分析和試驗，本文認為是陀螺的固有頻率與和振動夾具相固連構成的基座的

9、固有頻率之間產生了機械諧振。解決此問題有兩個途徑：第一，由于每個陀螺個體的固有頻率有差異，通過更換陀螺可以避免諧振點；第二，可以通過提高振動夾具的固有頻率，使其盡量遠離諧振頻率，這樣才能避免在振動中出現諧振從而導致漂移過大的現象。其中第一種途徑由于陀螺的固有頻率差異不是很大，而且更換陀螺比較復雜，效率不高，所以要從根本上解決此問題，就需要通過第二種途徑，亦即提高振動夾具的固有頻率。固有頻率與結構的剛度和質量具有如下關系： (5)其中 是結構的固有頻率， 是系統的剛度， 是系統的質量。理論上剛度對固有頻率的貢獻比質量的貢獻要大，所以要提高固有頻率，就可以通過提高結構的剛度來實現。5 改進措施及建

10、議根據本文的試驗情況進行分析，對夾具提出改進措施：將其兩個加強筋改進為四個加強筋。使用軟件ANSYS對改進前和改進后的夾具進行了有限元模態仿真，仿真結果顯示改進后的夾具的一階模態大約增加了47HZ。對改進振動夾具后的進行了測試，其測得的第一階固有頻率變為289HZ，較之前的增加了20HZ，其測點的傳遞函數如圖5所示。圖5 改進后振動夾具測點傳遞函數從以后交付的系統振動測試情況（見表1）來看，平臺漂移趨于穩定，沒有隨機的大的漂移的情況出現，而且整個的漂移情況明顯減小。表1 穩定平臺振動漂移測試試驗比較序號1234567原夾具平臺漂移（/min）1.376.280.857.256.664.123.

11、54新夾具平臺漂移（/min）1.801.761.901.001.94-0.870.75通過對夾具改進前后試驗結果的分析，可以證明本文提出的通過：生了機械諧振。對結構用力錘進行敲擊，層建筑物的氣壓波動，動通過增加兩個加強筋的改進措施確實能提高夾具的固有頻率，提高了其和構成的基座的固有頻率，從而可以有效的避開基座與陀螺的諧振點。另外由于生產和裝配的個體性差異，可能個別在振動測試過程中還會出現漂移偏大的情況，此時可以通過更換陀螺的方法來避免其諧振點來解決。參考文獻1 許本文.機械振動與模態分析基礎M.機械工業出版社.19983 Everatt E.B.,Joynson D.W. Modular radar seeker model. Computer Mo