第4章陀螺稳定平台.ppt

第四章 陀螺稳定平台,陀螺稳定平台包括1、惯性平台2、陀螺稳定装置陀螺稳定平台的基本功能：1、稳定功能 抑制外界扰动2、跟踪功能 按指定的姿态运动,陀螺稳定平台的稳定作用之一是能自动产生卸荷力矩对消干扰力矩。卸荷力矩分为两类1、陀螺力矩2、伺服力矩陀螺稳定平台的主要类型1、直接式陀螺稳定平台-干扰力矩由陀螺力矩对消2、间接式陀螺稳定平台-干扰力矩由伺服力矩对消3、指示式陀螺稳定平台-干扰力矩由伺服力矩对消4、动力式陀螺稳定平台-干扰力矩由伺服力矩和陀螺力矩对消5、指示-动力式陀螺稳定平台-干扰力矩由伺服力矩和陀螺力矩对消,直接式陀螺稳定平台以单轨列车为例,系统实质上是单自由度陀螺当车厢存在倾倒力矩M时，引起内框架进动角速度为进动角速度引起陀螺力矩,陀螺力矩与倾倒力矩方向相反，对倾倒力矩直接起到了对消作用。直接式陀螺稳定平台存在的问题1、只有当 时陀螺力矩才存在，如果倾倒力矩长时间存在，则将越来越大。当 时，陀螺力矩失去卸荷作用，系统实质上是正反馈不稳定系统，要成为稳定系统，必须采取措施使，即对消倾倒力矩的同时使倾倒角归零。2、只有当角动量H非常大时才能产生足够大的陀螺力矩，所以设施非常笨重。,单轴陀螺稳定平台,单轴陀螺稳定系统由平台、平台轴、力矩电机、信号放大器、速率陀螺组成。力矩电机的定子固定在基座上，它的转子轴与平台稳定轴固联，平台的稳定轴通过轴承支撑于基座上。速率陀螺的输入轴与平台的稳定轴重合，其输出接至控制器，由控制器的输出驱动力矩电机控制平台转动。当载体在平台的稳定轴方向有旋转角速度时，会使平台绕稳定轴相对惯性空间转动，速率陀螺输出不为零，将指令角速度（通常为零）和速率陀螺输出之差进行处理并放大，输出控制信号驱动力矩电机，使力矩电机反向抑制的变化，从而隔离外加的扰动信号，使平台姿态保持惯性稳定。单轴陀螺稳定系统的方框图,简化后的方框图,其中,为指令修正角速度，,为稳定控制器，,为功放系数，,为电机的电气时间常数，,为电机反电,动势系数，,J为稳定平台的转动惯量，为在惯性坐标下平,台绕稳定轴旋转的角速度,可得,令,则,传递函数,扰动传递函数,扰动传递函数反映外加扰动力矩对系统输出的影响定义力矩刚度,称为动态力矩刚度，反映了平台抵抗,简谐交变干扰力矩的能力,称为静态力矩刚度，反映了平台抵抗常值干扰力矩的能力提高伺服回路的增益可以增加系统的力矩刚度。,当,时，,闭环频率特性,若,称为系统的振荡度,为谐振频率，则,定义满足,的最高频率B为系统闭环频带,B反映了系统对输入响应的快慢1、干扰信号一般为小于5Hz的低频信号，B应远大于5Hz，才能抑制干扰2、噪声也会形成干扰，频率一般在50-5000Hz，B不能太宽，以免引入噪声干扰3、修正指令信号的频率,平台对基座角振荡的隔离度 当基座作角振荡时，干扰力矩会引起平台同频率的角振荡，定义平台角振荡的幅值与基座角振荡的幅值之比为稳定平台的隔离度,隔离度反映了平台对基座角振荡振幅的衰减程度，即对基座角运动的隔离能力。隔离度单位分贝,提高平台的静态力矩刚度是减小隔离度的有效途径,双轴陀螺稳定平台,方位环与基座用轴承相连，俯仰环安装在方位环内，负载和陀螺安装在俯仰环架上定义1、基座坐标系b与基座相连2、方位坐标系a与方位环相连，当方位环角a=0时，a系与b系重合3、俯仰坐标系f与俯仰环相连，当俯仰环角f=0时，f系与a系重合变换矩阵,系统的框图,设基座角速度为,其中,是陀螺感测到,后方位环伺服回路控制方位环旋转,的角速度，,的作用是对消,即,俯仰环的角速度,其中,是陀螺感测到,后俯仰环伺服回路控制俯仰环旋转,的角速度，,的作用是对消,即,若,则,陀螺感测该角速度，控制方位环旋转,伺服产生的角速度为,所以俯仰环的角速度,即,结论：双轴稳定平台不能完全隔离基座的角运动，它会绕滚动轴做旋转运动。旋转角速度与俯仰角相关，俯仰角越大，旋转越快旋转角速度还与基座在俯仰和横滚方向上的角速度以及方位角相关。俯仰角太大还会造成系统的自由度丢失等问题。,三轴陀螺稳定平台,r为横滚环，f为俯仰环，a为方位环，Mr、Mf、Ma分别为安装在相应环架上的电机，Gx、Gy、Gz为敏感轴相互正交的3个陀螺。定义1、基座坐标系b与基座相连2、横滚环坐标系r与横滚环相连，yr轴沿横滚环轴，与yb轴指向相同，r系相对b系只能绕yb旋转，产生横滚角r。3、俯仰环坐标系f与俯仰环相连，xf轴沿俯仰环轴，与xr轴指向相同，f系相对r系只能绕xr旋转，产生俯仰角f。4、方位环坐标系a与方位环相连，za轴沿方位环轴，与zf轴指向相同，a系相对f系只能绕zf旋转，产生方位角a。变换矩阵5、环架坐标系A：xA、yA、zA轴分别为xf、yr、za，即相应轴上力矩电机产生力矩的方向，它一般不是正交坐标系，只有环架处于中立位置时才为正交坐标系。,角度耦合分析横滚环的角速度,俯仰环的角速度,横滚环的角速度,采用三个环架轴的角速度来表示，并简化可得,令,则,T1称为环架系统的几何关系阵，平台通过该矩阵将环架角速度传递给台体T3称为基座角运动的几何约束耦合阵，平台通过该阵将基座角运动传递给台体当,即,则,环架信号的分配,要获得驱动环架的合理驱动信号，就要确定出T2，该矩阵实现控制信号的合理分配,若,则,要使平台准确跟踪指令角速度，需,即,所以由陀螺输出到伺服回路输入间的信号分配关系,间接式陀螺稳定平台（捷联式陀螺稳定平台）陀螺作为角速率元件安装在基座上，被稳定对象安装在台体上，基座和台体之间通过环架支撑连接。工作时陀螺敏感基座相对惯性空间的旋转角速率，角度敏感装置测量和计算各个环架的角度和角速率变化，通过坐标变换矩阵获得台体在惯性坐标系下的旋转角速度，利用 计算伺服控制输出，从而驱动力矩电机抑制基座旋转角速率对台体的扰动。特点：1、机械结构比较简单，尺寸小，重量轻，易于小型化。2、可以利用载体的惯组设备，从而降低成本。3、台体的姿态变化不能直接提取，需要通过多组参数计算获得，易引入计算误差和噪声，在滤波和信息合成处理方面比较复杂，计算量大。,应用：主要应用在一些对空间尺寸、重量要求较为严格以及精度要求较低，需控制成本的场合，如车载寻北仪、火炮瞄准稳定装置、空空导弹等。,