慣導(dǎo)4 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)

慣性導(dǎo)航——

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)5.1慣導(dǎo)平臺(tái)概述平臺(tái)功能：提供比力和姿態(tài)

兩種方案：捷聯(lián)式、平臺(tái)式

捷聯(lián)式：

加速度計(jì)、陀螺直接安裝在載體上

平臺(tái)式：

加速度計(jì)安裝在臺(tái)體上，通過萬(wàn)向支架和載體的轉(zhuǎn)動(dòng)相隔離。加速度計(jì)敏感軸方向沿著導(dǎo)航坐標(biāo)系方向放置導(dǎo)航坐標(biāo)系是由平臺(tái)穩(wěn)定回路和修正回路來(lái)共同實(shí)現(xiàn)用陀螺儀實(shí)現(xiàn)回路的姿態(tài)反饋陀螺儀的配置穩(wěn)定回路：

利用陀螺信號(hào)來(lái)穩(wěn)定臺(tái)體陀螺儀只用于敏感干擾力矩，不再用于力矩補(bǔ)償

修正回路

為了得到其它導(dǎo)航坐標(biāo)系，須給陀螺儀施加修正電流

空間穩(wěn)定平臺(tái)vs跟蹤平臺(tái)單自由度陀螺vs二自由度基于單自由度陀螺的平臺(tái)基于二自由度陀螺的平臺(tái)5.1慣導(dǎo)平臺(tái)概述基于單自由度陀螺的單軸穩(wěn)定器部件結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器單軸穩(wěn)定器工作的物理過程初始：陀螺輸入軸//穩(wěn)定軸沿穩(wěn)定軸的干擾力矩干擾角速度陀螺力矩（沿輸出軸）陀螺繞輸出軸角速度陀螺繞輸出軸θ轉(zhuǎn)角輸出軸傳感器電壓送至穩(wěn)定軸力矩電機(jī)控制力矩與干擾角速度相反的角速度陀螺力矩抵消沿著穩(wěn)定軸力矩平衡特點(diǎn)：偏離初始位置小角θ5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器過程數(shù)學(xué)描述（三區(qū)段）：1.t=0+

2.t=t13.t=t2t2時(shí)刻5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器單軸跟蹤器：給陀螺加控制電流討論It

作用時(shí)，可認(rèn)為(1)t=0+(2)t=t1(3)t=t2保持

It

不變，則

單軸穩(wěn)定器、跟蹤器與慣導(dǎo)平臺(tái)5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器單軸穩(wěn)定器特性分析各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)

1、臺(tái)體

2、積分陀螺

3、平臺(tái)控制器

靜態(tài)增益

C1

4、力矩電機(jī)

5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器單軸穩(wěn)定器系統(tǒng)的方塊圖陀螺效應(yīng)設(shè)Mfx=0，得簡(jiǎn)化圖5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器單軸穩(wěn)定器——

靜態(tài)動(dòng)態(tài)剛度當(dāng)MfY

為階躍輸入，穩(wěn)態(tài)誤差靜態(tài)伺服剛度，表示平臺(tái)系統(tǒng)的抗干擾能力減小靜差的途徑：提高C1減小當(dāng)MfY

為正弦輸入：動(dòng)態(tài)伺服剛度Jp

對(duì)動(dòng)態(tài)伺服剛度的影響帶寬設(shè)計(jì)：合理選擇陀螺儀時(shí)間常數(shù)5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器單軸穩(wěn)定器——陀螺干擾力矩考察陀螺進(jìn)動(dòng)軸的干擾力矩引起的穩(wěn)態(tài)誤差5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器單軸穩(wěn)定器——

陀螺干擾影響當(dāng)Mfx

為階躍函數(shù)，誤差穩(wěn)態(tài)值：或者陀螺干擾力矩的影響：平臺(tái)漂移（角速度）5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器單軸穩(wěn)定器——

穩(wěn)定性分析忽略陀螺力矩影響、電機(jī)模型簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)C25.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器開環(huán)傳遞函數(shù)設(shè)G(S)=C1根軌跡圖對(duì)任何K值，系統(tǒng)都不穩(wěn)定單軸穩(wěn)定器——

穩(wěn)定性分析5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器引入校正環(huán)節(jié)，增加零點(diǎn)τ

1>τ2校正后的系統(tǒng)根軌跡條件穩(wěn)定系統(tǒng)單軸穩(wěn)定器——

穩(wěn)定性分析5.2用單自由度浮子積分陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器用二自由度陀螺組成的單軸穩(wěn)定器陀螺內(nèi)環(huán)軸//穩(wěn)定軸穩(wěn)定機(jī)理：平臺(tái)OX轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺內(nèi)環(huán)軸出現(xiàn)偏角信號(hào)送至力矩電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)消除偏角功能方塊圖：外環(huán)軸的力反饋回路5.3用雙自由度陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器空間跟蹤器原理繞X

軸的指令角速度ω陀螺

y

軸力矩器加電流IT

力矩Mgy陀螺繞內(nèi)環(huán)軸進(jìn)動(dòng)平臺(tái)繞穩(wěn)定軸隨動(dòng)，消除陀螺內(nèi)環(huán)軸偏角設(shè)Mgy=Kω平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度取K/H=1，平臺(tái)即可按要求的角速度旋轉(zhuǎn)5.3用雙自由度陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器如果力矩Mgy

不是由控制電流It

產(chǎn)生，而是陀螺外環(huán)軸上的干擾力矩同樣會(huì)引起平臺(tái)轉(zhuǎn)角θf(wàn)（平臺(tái)漂移）單、二自由度陀螺的漂移都會(huì)引起平臺(tái)漂移也可選擇二自由度陀螺的外框架和平臺(tái)穩(wěn)定軸平行對(duì)力反饋回路的要求較低5.3用雙自由度陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器動(dòng)態(tài)特性分析控制器取KG(s)[s=0時(shí)，G(s)=1]陀螺輸入vs平臺(tái)轉(zhuǎn)角平臺(tái)干擾vs平臺(tái)轉(zhuǎn)角5.3用雙自由度陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器穩(wěn)定性分析如不加校正，系統(tǒng)不穩(wěn)幅頻響應(yīng)特性ω<<ω

0：放大系數(shù)=靜態(tài)放大系數(shù)ω=ω

0：產(chǎn)生諧振ω>>ω

0：對(duì)高頻輸入響應(yīng)很弱陀螺儀章動(dòng)對(duì)平臺(tái)的影響可忽略5.3用雙自由度陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器系統(tǒng)的校正往往采用如下類型校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性低頻段消除靜差高頻段改善穩(wěn)定性如果沒有校正，開環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性5.3用雙自由度陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器如果取校正環(huán)節(jié)開環(huán)傳遞函數(shù)校正后的對(duì)數(shù)幅頻特性低頻、高頻部分的動(dòng)態(tài)特性都得到改善穩(wěn)定貯備得到提高系統(tǒng)的校正5.3用雙自由度陀螺儀組成的單軸穩(wěn)定器5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路——如何根據(jù)加速度計(jì)的輸出控制平臺(tái)，跟蹤地理坐標(biāo)系——舒拉調(diào)諧簡(jiǎn)化假設(shè)：航向角ψ=0，且飛行器無(wú)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)忽略（單自由度）陀螺力矩的影響平臺(tái)水平偏角很小（忽略回路間的交叉耦合影響）一、采用單自由度積分陀螺的慣導(dǎo)平臺(tái)（簡(jiǎn)稱SDFIG平臺(tái))東向加速度計(jì)回路（由圖2-8）東向回路圖5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路SDFIG平臺(tái)——方塊圖符號(hào)說(shuō)明穩(wěn)定回路的簡(jiǎn)化：1/HS5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路SDFIG平臺(tái)東向回路簡(jiǎn)化列寫運(yùn)動(dòng)方程5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路SDFIG平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程上式整理，得選擇參數(shù)，滿足則消除了飛行器的加速度和地球自轉(zhuǎn)角速度對(duì)偏差角β的影響5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路SDFIG平臺(tái)舒拉調(diào)諧對(duì)求解振蕩周期舒拉調(diào)諧舒拉周期穩(wěn)定回路與修正回路的各自作用5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路二、采用二自由度陀螺儀構(gòu)成的慣導(dǎo)平臺(tái)（TDFG平臺(tái)）與基于單自由度陀螺的慣導(dǎo)平臺(tái)的區(qū)別：穩(wěn)定回路無(wú)干擾與控制時(shí)，陀螺角動(dòng)量相對(duì)慣性空間穩(wěn)定穩(wěn)定回路是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路TDFG平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程列寫運(yùn)動(dòng)方程：5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路TDFG平臺(tái)方程整理整理方程，得5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路TDFG平臺(tái)參數(shù)選擇選擇參數(shù)，使得可選取則平臺(tái)方程變?yōu)?.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路TDFG平臺(tái)舒拉調(diào)諧結(jié)果變?yōu)榭梢娖脚_(tái)運(yùn)動(dòng)是兩種運(yùn)動(dòng)的合成

第一種：

具有舒拉特性

第二種：

平臺(tái)穩(wěn)定回路的過渡特性

（通過設(shè)計(jì)，可使其過渡過程快速衰減）

5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路TDFG平臺(tái)總結(jié)研究修正回路時(shí)，可忽略穩(wěn)定回路的過渡特性（其它環(huán)節(jié)類似）研究穩(wěn)定回路特性時(shí)，可以忽略修正回路的跟蹤特性穩(wěn)定回路方塊圖的化簡(jiǎn)兩種慣導(dǎo)平臺(tái)修正回路的一致性5.4半解析慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正回路舒拉調(diào)諧理想數(shù)學(xué)擺1不受加速度影響的數(shù)學(xué)擺靜止的擺能準(zhǔn)確指示當(dāng)?shù)卮咕€方向水平加速度會(huì)導(dǎo)致擺偏離地垂線方向加速度ax越大，偏角θ越大擺長(zhǎng)L越大，偏角θ越小加速度ax產(chǎn)生繞A’點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩單擺向后擺的加速度舒拉調(diào)諧理想數(shù)學(xué)擺2物體水平運(yùn)動(dòng)加速度對(duì)地垂線方向的影響當(dāng)物體在加速度ax作用下由A→B地垂線也相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)了角度α角度α和水平加速度ax之間的關(guān)系：或令即滿足上述條件，即可免除水平加速度對(duì)擺線跟蹤地垂線的干擾單擺周期單擺舒拉調(diào)諧的物理意義舒拉調(diào)諧復(fù)擺實(shí)現(xiàn)舒拉調(diào)諧