第4单元 陀螺稳定平台.pptVIP

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β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ω，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ω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，ω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ωB为系统闭环频带 ωB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， ωB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， ωB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θa=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θf=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θr。 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θf。 4、