机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差参数估计与补偿

针对振动环境下机抖激光陀螺敏感轴产生动态偏移造成惯导系统精度下降的问题,从理论上推导了机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差模型,并结合工程实际建立了简化的误差模型;在此简化误差模型基础上,推导了陀螺敏感轴动态偏移造成的等效陀螺漂移与比力、角速度的耦合关系;将机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差归结为9个待辨识参数,针对该模型中的待辨识参数设计了标定方法,并给出了标定实验设计原则;以姿态误差为观测量进行振动实验对待辨识参数进行估计,振动实验结果表明,在10 min线振动时间内,机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差补偿后,捷联惯导系统纯惯导速度误差减小30%以上。     

二频机抖激光捷联系统结构振动分析

二频机抖激光捷联系统中三个激光陀螺抖动会引起惯性器件的耦合振动,产生系统抖动耦合误差,导致惯导系统导航精度下降。二频机抖激光陀螺捷联惯导系统机械结构较为复杂,很难通过解析法求解其振动特性。作者采用有限元方法对二频机抖激光陀螺进行了正弦信号驱动下的瞬态响应分析,并在正弦信号中加入了抖动随机信号,实现了机抖激光陀螺工作状态的仿真。此外,还对二频机抖激光捷联系统的振动特性进行了瞬态响应分析,掌握了系统的耦合振动情况,并进行了功率谱分析。这为激光捷联系统的频率搭配最优化提供了分析方法,对高精度二频机抖激光捷联系统的设计有重要意义。     

机抖激光陀螺动力学特性研究

在构建激光陀螺捷联系统时,三个激光陀螺安装在同一个基座上.由于三个陀螺振子都在进行高频角振动,激励基座产生耦合振动,造成陀螺是在振动基座环境下工作,引起激光捷联系统的抖动耦合误差,导致系统导航精度下降.采用有限元方法研究了机抖激光陀螺的动力学特性和振动模态,以及机抖激光陀螺的振子抖动对基座的影响和外界激励条件下陀螺的响应.通过压电陶瓷激励下陀螺的频率响应分析,实现了激光陀螺工作状态下的动力学仿真,可以获得陀螺工作时激光陀螺任意位置的动力学响应信息,从而为激光陀螺和基座的结构设计提供评判依据,也为分析激光捷联系统的抖动耦合误差开辟了新途径.     

空间三轴机抖激光陀螺交流稳频系统设计

针对空间三轴机抖激光陀螺设计了交流稳频控制系统,分析了系统原理,进行了Simulink仿真建模和试验研究。在系统原理中分析了控制过程,推导了系统函数,通过Simulink交流稳频系统仿真建模摸索了空间三轴机抖激光陀螺交流稳频系统中PID参数对系统响应的影响,并得到了优化参数(K_P=0.048,K_I=0.0021,K_D=0.0037),为硬件调试提供了参考。将交流稳频控制系统应用于国产某型空间三轴机抖激光陀螺进行试验,试验结果显示通过PID参数调节后的交流稳频陀螺PZT码值变化平稳,陀螺静态脉冲输出稳定,与原直流稳频控制方法相比将空间三轴机抖激光陀螺的精度提高了20%。     

激光陀螺捷联惯导减振系统动力学建模与仿真

由于激光陀螺固有机抖频率的存在,以及导弹运输、装卸、发射与飞行过程经历的动态环境中振动、冲击、过载等激励,导致激光陀螺在导弹上使用输出精度差。应用多体系统传递矩阵法,建立了激光陀螺捷联惯性测量组合减振多体系统动力学模型,分析激光陀螺固有抖动和导弹振动冲击对激光陀螺输出精度的影响。通过对减振系统动力学模型进行仿真,获得了激光陀螺抖动和导弹冲击环境下激光陀螺捷联惯性测量组合减振系统动态响应。该仿真结果为激光陀螺捷联惯性测量组合减振设计提供理论依据,该分析方法为激光陀螺捷联惯组在导弹上应用提供理论基础。     

棱镜式激光陀螺锁区特性分析及误差角补偿

针对棱镜式激光陀螺锁区误差不能完全消除的现象,首先,从理论上分析了棱镜式激光陀螺的锁区特性,通过实验测试及最小二乘拟合得到了闭锁阈值与温度的抛物线特性,进而利用二次函数描述激光陀螺零速率点输出相位的方法及菲涅尔积分公式,详细推导出了锁区误差角与零速率点相位、零速率点相位加速度及闭锁阈值的函数关系,从而得到了锁区误差的补偿模型。仿真结果表明,机抖加噪和锁区误差补偿后误差角均在零附近波动,锁区误差补偿后误差角比机抖加噪后减小一个数量级。对某高精度棱镜式激光陀螺进行实验,结果表明,与机抖加噪相比较,锁区误差补偿后陀螺性能提高40%以上,体现了该模型的有效性。     

激光陀螺捷联惯导系统IMU结构模态分析

随着机抖激光陀螺捷联惯导系统以其诸多优点在军用与民用导航领域得到广泛的应用,对其体积和重量的要求变得越来越严格。机抖激光捷联惯导系统IMU小型化设计的关键在于减振系统的设计,而减振器仿真模型的建立是该减振系统模态仿真分析的难点。针对这一问题,提出一种通过ANSYS中的"Bushing连接"来模拟减振器的方法,并利用模态实验结果修正其参数,最终建立了一个准确的减振器模型,实现了对捷联惯导IMU振动模态的精确仿真与分析,为其IMU结构的进一步小型化设计奠定了基础。     

机抖激光陀螺方波驱动方式的谐波分析

针对方波驱动方式下机械抖动激光陀螺抖动幅度控制的问题,对机抖陀螺抖动的稳态幅度和驱动信号的维持时间之间的关系进行了研究。分析了某型机抖激光陀螺抖动机构的工作特性,通过谐波分析法证明了方波驱动波形在驱动效果上可以近似的由其一次谐波来等效进行分析,得出了方波驱动方式下抖动稳态幅度与方波驱动信号维持时间之间满足正弦函数关系的结论。分析了某型机抖激光陀螺实际驱动信号波形,证明了实际情况下上述结论的有效性;通过仿真对文中的结论进行了验证。     

机抖温度特性对激光陀螺零偏稳定性的影响

机抖机构是一个工作于谐振状态的精密机电元件,当环境温度发生变化时,机抖的抖动偏频量将发生变化,这将引起角度随机游走误差的变化,并导致激光陀螺的零偏稳定性变差。本文推导了机械抖动激光陀螺的抖动速率与激光陀螺输出误差的关系表达式,提出了均方意义下的等抖动速率控制保持激光陀螺零偏稳定性的方法,并且通过实验具体研究了电磁式机械抖动装置的温度特性及其对激光陀螺零偏稳定性的影响。仿真实验与实测数据结果表明:在全温度范围内保持机抖机构抖动速率的一致性能有效地提高激光陀螺的零偏稳定性。     

基于最小概率DWO的激光陀螺温度误差模型辨识

鉴于激光陀螺温度误差模型的非线性和时变性,从提高模型辨识质量的需要出发,运用基于最小概率DWO（直接加权优化）的非线性系统辨识方法进行激光陀螺温度误差模型辨识研究,提出了一种精度更高的激光陀螺温度误差模型。该模型以带宽作为唯一需要确定的模型参数,避免了以往温度误差模型研究中的结构与参数辨识等复杂问题,从而在保证模型辨识质量的基础上,也相应提高了模型的适应能力,并通过两种温度误差特性有显著区别的激光陀螺（四频差动激光陀螺和二频机抖激光陀螺）的温度实验数据验证了该模型的正确性和适应性。     

机抖激光陀螺的磁电拾振技术

经分析指出,磁电拾振技术应用在机抖激光陀螺抖动反馈方案中,其工作原理属于速度型传感器,直接反映抖动偏频量。给出了磁电拾振器的误差因素和结构特点,并测试了磁电拾振器方案与压电陶瓷反馈方案的输出特性。对同一机抖陀螺分别使用以上两种抖动反馈方案;在静态测试零偏稳定性、抗振动和冲击能力中,前者皆好于后者。研究表明磁电拾振方案比压电陶瓷反馈或光电反馈方案更适合作为抖动反馈。     

速率偏频技术提高激光陀螺精度的理论研究

以分析激光陀螺主要误差源出发点,从理论上研究了速率偏频技术的作用,指出它可有效地降低激光陀螺锁区引入的随机游走误差,部分地补偿激光陀螺谐振腔中的光束位移引起的不可控激光陀螺的零偏误差,并可解决拦动激光陀螺在系统使用中的锥形误差（Coning Error)和划桨误差（Sculling Error)。利用激光陀螺的拍频方程和拦动偏频激光陀螺的拍频近似解,得出了速率偏频激光陀螺随机游走误差与速率偏频系统参数的表达式,并指出了速率偏频技术的特点及速率偏频技术要解决的主要技术问题。     

Dither signals with particular application to the control of windscreen wiper blades

This study verifies chaotic motion of an automotive wiper system, which consists of two blades driven by a DC motor via the two connected four-bar linkages and then elucidates a system for chaotic control. A bifurcation diagram reveals complex nonlinear behaviors over a range of parameter values. Next, the largest Lyapunov exponent is estimated to identify periodic and chaotic motions. Finally, a method for controlling a chaotic automotive wiper system will be proposed. The method involves applying another external input, called a dither signal, to the system. Some simulation results are presented to demonstrate the feasibility of the proposed method.     

含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振系统隔振性能分析

基于动力吸振器原理,在单自由度准零刚度隔振器基础上耦合可调频动力吸振器构成两自由度隔振系统。首先,对动力吸振器工作原理进行理论分析并提出其力学模型;其次,通过静力学分析,推导出系统满足零刚度条件时,各参数间的关系并分析其对系统刚度特性的影响;然后,建立两自由度隔振系统非线性动力学方程,利用谐波平衡法进行幅频响应解析分析,得到力传递率表达式;最后,数值分析动力吸振器阻尼、刚度、质量、激励力幅值和弹簧片有效长度对力传递率的影响规律,并与单自由度准零刚度隔振系统及两自由度线性隔振系统对比分析。结果表明：通过选择适当的动力吸振器参数不仅可以减小系统的起始隔振频率,增宽隔振频带,且还能加快系统力传递率在特定频段内的衰减速率,改善系统的低频隔振性能,实现激励频率的可适应性。     

全柔性空间机器人运动振动一体化输入受限重复学习控制

探究基座、臂、关节全柔性影响下空间机器人动力学模拟、运动控制及基座、臂、关节三重柔性振动主动抑制的问题, 设计了不基于系统模型信息的运动振动一体化输入受限重复学习控制算法. 将柔性基座与关节等效为线性弹簧与扭转弹簧, 柔性臂视为欧拉-伯努利梁模型, 利用拉格朗日方程与假设模态法建立动力学模型, 然后, 用奇异摄动理论将模型分解为包含刚性变量与臂柔性振动的慢变子系统, 包含基座、关节柔性振动的快变子系统, 并分别设计相应的子控制器, 构成了带关节柔性补偿的一体化控制算法. 针对慢变子系统, 提出输入受限重复学习控制算法, 由双曲正切函数, 饱和函数与重复学习项构成, 双曲正切函数与饱和函数实现输入力矩受限要求, 重复学习项补偿周期性系统误差, 以完成对基座姿态、关节铰周期轨迹的渐进稳定追踪. 然而, 为了同时抑制慢变子系统臂的柔性振动, 运用虚拟力的概念, 构造同时反映臂柔性振动与系统刚性运动的混合轨迹, 提出了基于虚拟力概念的输入受限重复学习控制器, 保证基座、关节轨迹精确追踪的同时, 对臂的柔性振动主动抑制. 针对快变子系统, 采用线性二次最优控制算法抑制基座与关节的柔性振动. 仿真结果表明: 控制器适用于一般柔性非线性系统, 满足输入力矩受限要求, 实现对周期信号的高精度追踪, 有效抑制基座、臂、关节的柔性振动, 证实算法的可行性.      

Synchronous vibration parameters identification by tip timing measurements

The Blade Tip Timing (BTT) measurement system is a technique to measure vibration parameters of a rotating bladed disk. In particular for synchronous vibrations the BTT provides signals versus the rotation speed of the disk starting from the measurement of the time of arrival (TOA) of each blade under the tip timing probes. The signals must be post processed in order to obtain the interesting parameters of each blade vibration. The paper presents a method to extract the main parameters (amplitude and frequency) in resonance condition from the tip timing measurements. The proposed method is a revision of the already existing well known Two-Parameter Plot (2PP) method which requires a minimum of two probes. Improvements to the existing 2PP method are here suggested mainly in the part of engine order identification.The proposed method is then applied to the BTT measured signals coming from a rotating bladed disk excited at different engine orders. At the same time on the disk the vibration of one blade was detected by strain gauges. The strain gauges were calibrated and they provide the reference values of the vibration parameters. The vibration parameters derived by the proposed method are in agreement with those obtained by the strain gauges methodology.     

Determination method of scaling laws based on least square method and applied to rectangular thin plates and rotor-bearing systems

Abstract

In this study, we investigate the dynamic scaling laws of geometrically similitude models and systems for predicting their vibration characteristics accurately. A determination method of scaling laws based on least square method for calculating weighted powers of scaling factors is proposed for the first time. Taking geometric parameters as input (design) parameters and vibration characteristics parameters as output parameters, the weighted powers of scaling factors are calculated by least squares similitude method (LSSM) with several design models, and then scaling factors of the output parameters are obtained by combining weighted powers and corresponding scaling factors. Applicability of the LSSM is verified in the following two cases with rectangular plate and rotor-bearing system that the stiffness of supports is taken into account. The vibration characteristics are calculated by using finite element method in MATLAB and compared with simulation analysis software ANSYS. As a result, stable weighted powers and good predictions are obtained for two cases.     

Force and displacement transmissibility of a quasi-zero stiffness vibration isolator with geometric nonlinear damping

A geometric nonlinear damping is proposed and applied to a quasi-zero stiffness (QZS) vibration isolator with the purpose of improving the performance of low-frequency vibration isolation. The force, stiffness and damping characteristics of the system are presented first. The steady-state solutions of the QZS system are obtained based on the averaging method for both force and base excitations and further verified by numerical simulation. The force and displacement transmissibility of the QZS vibration isolator are then analysed. The results indicate that increasing the nonlinear damping can effectively suppress the force transmissibility in resonant region with the isolation performance in higher frequencies unaffected. In addition, the application of the nonlinear damping in the QZS vibration isolator can essentially eliminate the unbounded response for the base excitation. Finally, the equivalent damping ratio is defined and discussed from the viewpoint of vibration control.     

几何非线性摩擦阻尼隔振系统动力学行为研究

非线性隔振系统由于具有较线性系统更优的隔振性能,因此在工程中应用广泛.本文通过配置与被隔振对象的运动方向相垂直的库伦摩擦阻尼器,构建了几何非线性摩擦阻尼模型.由于引入了几何非线性,因此其摩擦力与位移正相关,这与传统与位移无关摩擦力模型有显著不同.首先,建立了具有几何非线性摩擦阻尼的数学模型以及隔振系统的受迫振动方程;然后,使用谐波平衡法求解了动力学方程,并使用数值仿真方法验证了谐波平衡法求解的准确性;最后,研究了几何非线性摩擦阻尼隔振器的绝对位移传递率和相对位移传递率.研究结果表明,在库伦摩擦阻尼选择适当,非线性摩擦阻尼系统可以在保持高频振动衰减效果的前提下,显著降低系统共振峰,其性能优于传统的恒定摩擦阻尼隔振模型.同时,几何非线性摩擦阻尼系统能够避免传统摩擦阻尼系统中的“锁定”现象,从传递率角度来说,不利于共振峰控制;但从激励环境改变引发隔振系统失效的角度来看,几何非线性摩擦阻尼系统可以拓宽系统对激励幅值的适应范围,避免隔振系统失效.本文的研究结果对此类隔振系统的设计和摩擦阻尼参数的选择具有通用的指导意义.      

漂浮基柔性关节空间机器人自适应滑模运动控制及振动主动抑制

讨论了关节柔性且系统参数不确定的漂浮基空间机器人系统的动力学建模过程、运动轨迹跟踪控制算法设计及系统柔性振动的主动抑制问题。利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日法对系统动力学进行分析,并建立系统动力学方程。基于奇异摄动法将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统和表示系统柔性运动部分的快变子系统。针对慢变子系统提出了一种自适应滑模控制算法。该控制算法是由基于滑模面的等效控制项、自适应控制项和PID反馈控制项组成。因此,它集合了滑模控制、自适应算法和PID技术的优点,且弥补了三种算法各自的缺点。该控制算法能够有效地补偿系统的转动误差和不确定参数,提高控制系统的精度。针对快变子系统,提出基于速度差值的反馈控制算法来抑制柔性关节引起的系统柔性振动,保证系统的稳定性。最后,通过仿真实验证明了提出的混合控制算法的有效性。