导引头伺服机构谐振频率与去耦精度分析
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摘要
导引头伺服机构用于为光电探测器提供惯性稳定的物理平台,是导引头系统的核心部件之一,其动态性能的优劣直接影响着导引头系统的整体性能。随着末制导导弹对飞行速度、制导精度等要求的提高,导引头伺服机构的工作环境越来越严酷,对伺服机构的动力学特性和去耦精度提出了更高的要求。针对此背景,本文从伺服机构的谐振频率和去耦精度两个方面展开研究工作。
针对目前导引头伺服机构谐振频率低和去耦精度低的问题,研究了运用动力学理论、控制理论与集成仿真技术相结合开展导引头伺服机构谐振频率和去耦精度分析的思想。通过对红外导引头的整体构成与工作原理进行细致研究,建立简化伺服机构的数学模型,得出了导引头伺服机构的谐振频率和振动形态。分析转动惯量和扭转刚度对谐振频率的影响程度,讨论了提高谐振频率的途径和影响伺服机构谐振频率的关键点。建立导引头伺服机构的简化虚拟样机,分别对转动惯量、扭转刚度、线性摩擦和载荷安装的偏心对谐振频率的影响进行仿真分析,得出了影响伺服机构谐振频率的关键部件和关键点,验证了数值计算和虚拟样机仿真分析的一致性。研究伺服控制系统的去耦精度理论,建立了伺服机构电流回路和速度回路的控制模型,并对速度控制器进行设计,通过改变控制器参数提高了伺服系统的去耦精度。综合运用控制系统仿真软件MATLAB/Simulink与虚拟样机软件ADAMS进行了去耦精度的虚拟样机联合仿真分析。
论文所研究的谐振频率分析方法和去耦精度分析方法,为开展伺服机构的结构与控制的综合优化设计提供理论分析和计算依据。
As an important part of seeker system, seeker servo mechanism can provide inertia stabilized platform for photoelectric detector, and its dynamic performance has a direct effect on the performance of seeker system. With the improvement of the flight speed and guidance precision of the final guidance missile, operating condition in missile is worse and worse, and the newer demands is put forward for the dynamic performance and the precision of decoupling of servo mechanism. Under this circumstance, this dissertation suggests two research aspects included the harmonic frequency and the precision of decoupling.
In order to improve the harmonic frequency of infrared seeker and the precision of decoupling, by analyzing and summarizing the technologies of infrared seeker, a thought of uniting dynamic theory, decoupling theory and integrated simulation is advanced to research the harmonic frequency and the precision of decoupling. After studying the structure and principle of seeker, establishing the dynamic model of servo mechanism, educing the harmonic frequency and vibration form and the key factors and the exact points are found to improve harmonic frequency by changing the stiffness and moment of inertia. Then, by establishing the virtual prototype of servo mechanism, the stiffness, moment of inertia, friction, and eccentricity’s separate effect on the harmonic frequency of servo mechanism are analyzed by using simulation method. The decoupling theory of servo control system is researched, then the current loop and velocity loop of control system are established and velocity controller is designed. It is that the precision of decoupling is improved by changing control parameters. Then, after establishing the three-dimension model, Co-simulation is putting up by using MATLAB and ADAMS.
These studies can provide the foundations for the optimum design of the structure and control of the new-style seeker servo mechanism.
针对目前导引头伺服机构谐振频率低和去耦精度低的问题,研究了运用动力学理论、控制理论与集成仿真技术相结合开展导引头伺服机构谐振频率和去耦精度分析的思想。通过对红外导引头的整体构成与工作原理进行细致研究,建立简化伺服机构的数学模型,得出了导引头伺服机构的谐振频率和振动形态。分析转动惯量和扭转刚度对谐振频率的影响程度,讨论了提高谐振频率的途径和影响伺服机构谐振频率的关键点。建立导引头伺服机构的简化虚拟样机,分别对转动惯量、扭转刚度、线性摩擦和载荷安装的偏心对谐振频率的影响进行仿真分析,得出了影响伺服机构谐振频率的关键部件和关键点,验证了数值计算和虚拟样机仿真分析的一致性。研究伺服控制系统的去耦精度理论,建立了伺服机构电流回路和速度回路的控制模型,并对速度控制器进行设计,通过改变控制器参数提高了伺服系统的去耦精度。综合运用控制系统仿真软件MATLAB/Simulink与虚拟样机软件ADAMS进行了去耦精度的虚拟样机联合仿真分析。
论文所研究的谐振频率分析方法和去耦精度分析方法,为开展伺服机构的结构与控制的综合优化设计提供理论分析和计算依据。
As an important part of seeker system, seeker servo mechanism can provide inertia stabilized platform for photoelectric detector, and its dynamic performance has a direct effect on the performance of seeker system. With the improvement of the flight speed and guidance precision of the final guidance missile, operating condition in missile is worse and worse, and the newer demands is put forward for the dynamic performance and the precision of decoupling of servo mechanism. Under this circumstance, this dissertation suggests two research aspects included the harmonic frequency and the precision of decoupling.
In order to improve the harmonic frequency of infrared seeker and the precision of decoupling, by analyzing and summarizing the technologies of infrared seeker, a thought of uniting dynamic theory, decoupling theory and integrated simulation is advanced to research the harmonic frequency and the precision of decoupling. After studying the structure and principle of seeker, establishing the dynamic model of servo mechanism, educing the harmonic frequency and vibration form and the key factors and the exact points are found to improve harmonic frequency by changing the stiffness and moment of inertia. Then, by establishing the virtual prototype of servo mechanism, the stiffness, moment of inertia, friction, and eccentricity’s separate effect on the harmonic frequency of servo mechanism are analyzed by using simulation method. The decoupling theory of servo control system is researched, then the current loop and velocity loop of control system are established and velocity controller is designed. It is that the precision of decoupling is improved by changing control parameters. Then, after establishing the three-dimension model, Co-simulation is putting up by using MATLAB and ADAMS.
These studies can provide the foundations for the optimum design of the structure and control of the new-style seeker servo mechanism.
引文
[1]李德葆,陆秋海.实验模态分析及其应用[M].北京:科学出版社,2001.2
[2]赵强,李洪人.六自由度运动平台的振动分析与测试[J].机械强度,2006, 28 (S):17～21
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