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慣性器件性能天地環境差分析與實驗方法 版權信息
- ISBN：9787030689474
- 條形碼：9787030689474 ; 978-7-03-068947-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
慣性器件性能天地環境差分析與實驗方法 內容簡介
本書的主要內容包括：（1）車載捷聯慣導運動基座對準技術概述；（2）基于車輛運動約束的捷聯慣導運動基座對準技術；（3）里程計輔助捷聯慣導運動基座對準技術；（4）里程計/多普勒雷達輔助捷聯慣導運動基座對準技術；（5）車載捷聯慣導運動基座傳遞對準技術。基于上述內容，本書將重點研究：基于車輛運動約束的捷聯慣導運動基座對準算法、里程計輔助捷聯慣導運動基座對準算法、多普勒雷達輔助捷聯慣導運動基座對準算法、里程計/多普勒雷達輔助捷聯慣導對準的聯邦濾波算法、車載捷聯慣導運動基座傳遞對準算法、大失準角下捷聯慣導運動基座傳遞對準的魯棒算法，以及上述算法的仿真驗證等。
慣性器件性能天地環境差分析與實驗方法 目錄
目錄
前言
第1章慣性器件性能天地環境差問題1
1.1問題的提出2
1.2過載振動復合環境對慣性器件的影響3
1.2.1過載的影響3
1.2.2振動的影響4
1.2.3過載振動復合環境的影響5
1.3慣性器件多體系統動力學分析6
1.3.1剛柔耦合動力學分析6
1.3.2多體系統動力學分析10
第2章液浮陀螺儀過載振動復合環境效應分析16
2.1液浮陀螺儀的有限元建模16
2.1.1浮子組合件的結構分析16
2.1.2浮子組合件的有限元建模16
2.1.3邊界條件的確定17
2.2模態分析18
2.2.1前五階模態的計算18
2.2.2液浮陀螺儀各階振型的結構變化19
2.3過載振動復合環境效應分析21
2.3.1過載效應分析21
2.3.2振動效應分析24
2.3.3過載振動復合效應分析29
2.4瞬態動力學分析31
2.4.1振動為正弦波31
2.4.2隨機振動分析33
2.5計算結果分析34
第3章擺式加速度計過載振動復合環境效應分析36
3.1擺式加速度計的有限元建模36
3.1.1擺片組件的結構分析36
3.1.2擺片組件的有限元建模36
3.1.3邊界條件的確定38
3.2模態分析38
3.2.1前五階模態的計算38
3.2.2擺式加速度計各階振型的結構變化41
3.3過載振動復合環境效應分析42
3.3.1過載效應分析42
3.3.2振動效應分析45
3.3.3過載振動復合效應分析50
3.4瞬態動力學分析51
3.5計算結果分析52
第4章離心振動復合試驗系統的無模型自適應滑模控制55
4.1無模型自適應控制器設計56
4.1.1無模型自適應控制方法概述56
4.1.2非線性系統的動態線性化方法56
4.1.3改進無模型自適應控制器設計58
4.1.4仿真算例64
4.2滑模趨近律的改進66
4.2.1連續時間系統趨近律的改進66
4.2.2離散時間系統趨近律的改進69
4.2.3仿真對比73
4.3基于干擾觀測器的無模型自適應滑模控制78
4.3.1無模型自適應滑模控制器設計78
4.3.2基于干擾觀測器的無模型自適應滑模控制器設計81
4.3.3基于干擾觀測器的離心振動試驗系統的無模型自適應滑模控制84
4.3.4仿真試驗86
第5章慣性器件性能天地環境差試驗方法90
5.1慣性器件性能天地環境差試驗設計90
5.1.1慣性器件離心振動復合環境試驗的二次回歸中心組合設計90
5.1.2液浮陀螺儀復合環境試驗優化設計93
5.1.3擺式加速度計復合環境試驗優化設計97
5.2慣性器件性能天地環境差試驗102
5.2.1試驗的加載方式102
5.2.2試驗結果分析104
參考文獻107
前言
第1章慣性器件性能天地環境差問題1
1.1問題的提出2
1.2過載振動復合環境對慣性器件的影響3
1.2.1過載的影響3
1.2.2振動的影響4
1.2.3過載振動復合環境的影響5
1.3慣性器件多體系統動力學分析6
1.3.1剛柔耦合動力學分析6
1.3.2多體系統動力學分析10
第2章液浮陀螺儀過載振動復合環境效應分析16
2.1液浮陀螺儀的有限元建模16
2.1.1浮子組合件的結構分析16
2.1.2浮子組合件的有限元建模16
2.1.3邊界條件的確定17
2.2模態分析18
2.2.1前五階模態的計算18
2.2.2液浮陀螺儀各階振型的結構變化19
2.3過載振動復合環境效應分析21
2.3.1過載效應分析21
2.3.2振動效應分析24
2.3.3過載振動復合效應分析29
2.4瞬態動力學分析31
2.4.1振動為正弦波31
2.4.2隨機振動分析33
2.5計算結果分析34
第3章擺式加速度計過載振動復合環境效應分析36
3.1擺式加速度計的有限元建模36
3.1.1擺片組件的結構分析36
3.1.2擺片組件的有限元建模36
3.1.3邊界條件的確定38
3.2模態分析38
3.2.1前五階模態的計算38
3.2.2擺式加速度計各階振型的結構變化41
3.3過載振動復合環境效應分析42
3.3.1過載效應分析42
3.3.2振動效應分析45
3.3.3過載振動復合效應分析50
3.4瞬態動力學分析51
3.5計算結果分析52
第4章離心振動復合試驗系統的無模型自適應滑模控制55
4.1無模型自適應控制器設計56
4.1.1無模型自適應控制方法概述56
4.1.2非線性系統的動態線性化方法56
4.1.3改進無模型自適應控制器設計58
4.1.4仿真算例64
4.2滑模趨近律的改進66
4.2.1連續時間系統趨近律的改進66
4.2.2離散時間系統趨近律的改進69
4.2.3仿真對比73
4.3基于干擾觀測器的無模型自適應滑模控制78
4.3.1無模型自適應滑模控制器設計78
4.3.2基于干擾觀測器的無模型自適應滑模控制器設計81
4.3.3基于干擾觀測器的離心振動試驗系統的無模型自適應滑模控制84
4.3.4仿真試驗86
第5章慣性器件性能天地環境差試驗方法90
5.1慣性器件性能天地環境差試驗設計90
5.1.1慣性器件離心振動復合環境試驗的二次回歸中心組合設計90
5.1.2液浮陀螺儀復合環境試驗優化設計93
5.1.3擺式加速度計復合環境試驗優化設計97
5.2慣性器件性能天地環境差試驗102
5.2.1試驗的加載方式102
5.2.2試驗結果分析104
參考文獻107
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慣性器件性能天地環境差分析與實驗方法 節選
第1章 慣性器件性能天地環境差問題 慣性器件一般是指根據力學中慣性原理構成的陀螺儀和加速度計的總稱。在載體運動過程中，裝在載體內部的陀螺儀測量載體運動姿態的變化。同時，由加速度計測出其視加速度，經過必要的積分運算和坐標變換，確定載體相對于導航坐標系的瞬時速度和位置。控制和制導系統根據這些參數對載體進行控制，使載體按照一定的要求運動。因此，慣性器件是制導和控制系統中的關鍵部件，其引起的誤差通常占整個制導誤差的70%以上［1］。慣性器件性能的優劣直接影響載體運動的控制。直接提高陀螺儀或加速度計等慣性器件的測量精度是很困難的，也不經濟，因此對慣性器件誤差方程中的各項誤差系數進行分析補償是提高慣性器件精度的重要手段。 對陀螺儀的誤差測量主要有位置法和D*優定位翻滾試驗法，用來測試和標定陀螺儀漂移中的零次項和一次項。與過載二次項有關的誤差系數的標定技術還有待研究。雖然D*優定位翻滾試驗法原則上可以測量二次項，但是由于在一個g的重力場中進行測量，其測量結果不準確，因此通常僅給出設計指標值［2］。 加速度計的誤差測量主要有正倒置試驗法、四位置翻滾試驗法和六位置翻滾試驗法。這些方法可以有效地測量加速度計的零次項和一次項系數。國內關于加速度計測量誤差的地面試驗，由于沒有高精度的試驗設備和方法，對于二次項以上的非線性系數缺乏有效的手段進行測量和標定，因此地面試驗數據一般只包含零次項和一次項的測量值，而二次項只有設計指標值［2］。 由于上述原因，地面試驗數據主要包括慣性器件的常值偏差和與過載成比例的一次項系數。二次項及以上的誤差系數由于設備和技術的限制無法有效地測量和標定。 1.1 問題的提出 現階段，對慣性器件各項誤差系數的分析和補償主要是在地面這個相對靜態的環境中進行的。對其工作情況進行測試和分析可以得到慣性器件的各項誤差系數，推導出誤差模型，即慣性器件的靜態誤差模型，然后根據公式對慣性器件的各項誤差系數進行補償，從而達到提高慣導系統精度的目的。然而，這樣的處理方法并未考慮空間環境因素對慣性器件精度的影響。實際上，慣性器件精度受環境因素的影響很大，現階段載體的運動環境越來越惡劣，運動形式越來越復雜，慣性器件固連在載體上，在測量載體運動的同時還處于振動、線加速度、溫度變化、陣風等同時作用的復合動態環境中。這種極為復雜的外部力學環境極可能使慣導系統的測量精度超差，表現為制導工具誤差超差。作為補償制導誤差的慣性器件誤差模型是在地面的靜態環境中得到的。在地面試驗中，靜態標定臺上標定合格的慣性器件，在隨機振動臺上測試時也會出現誤差。即便在慣性器件例行試驗中，環境試驗也是將過載、振動、溫度變化等分別獨立進行，并未考核這些環境因素的綜合作用對慣性器件精度的影響。這種天地環境的不一致性，在制導精度分析研究時有明顯的表現。有時盡管采用了被認為是非常準確的慣性器件誤差模型進行補償，其分析預測的結果也與實際情況有一定的差別。正是這樣，人們認識到天地環境差對慣導系統精度有很大的影響。要想建立更準確的誤差模型，就必須研究這種天地環境差對慣性器件精度的影響。 由于地面試驗環境同實際載體在空中飛行時的環境相差較為懸殊，要準確地知道慣性器件在飛行環境下的誤差系數，還有賴于實際飛行條件下的誤差系數辨識。由于飛行試驗成本越來越高，飛行試驗的次數受限，小樣本數據對辨識慣性器件的誤差系數是非常困難的。因此，要開展天地環境差的研究就需要專用的試驗設備和方法。離心機加振動臺組成的過載振動復合試驗系統可以為地面模擬飛行試驗提供新的有效途徑。在此基礎上，對過載振動復合環境下的慣性器件的誤差標定方法進行深入研究，尋找影響精度的主要因素，特別是在常規試驗中不能發現的影響因素，將有利于改進慣性器件的誤差模型并進行更有效的補償。 1.2 過載振動復合環境對慣性器件的影響 1.2.1 過載的影響 所謂過載n，是指作用在載體上，除重力外的所有外力的合力N與載體重量G的比值［3］，即 n=NG（1.1） 其中，n為過載；N為除重力外的所有外力的合力；G為載體重量。 過載矢量在載體結構強度和控制系統設計中決定載體各個部件或儀表所承受的作用力。例如，載體以加速度a平移運動時，相對載體固定的某個質量為mi的部件，除受到隨載體作加速度運動引起的慣性力-mia，還受到重力Gi=mig和固緊力(或稱連接反力)Fi的作用，部件在這三個力的作用下處于相對平衡狀態，即 -mia+Gi+Fi=0（1.2） 載體的運動加速度a為 a=N+Gm（1.3） 因此 Fi=miN+Gm-mig=GiNG=nGi（1.4） 可以看出，載體上任何部件承受的固緊力的合力為其本身重力Gi乘以載體的過載矢量。因此，如果已知載體在空中運動時承受的過載就可以確定載體中任何部件承受的載荷。 過載矢量的大小和方向通常是由它在某坐標系上的投影確定的。研究載體或部件的受力情況，并進行強度分析時，需要知道過載矢量在載體坐標系ox1y1z1中的投影及表達式。在研究載體運動的機動性時，需要給出過載矢量在軌跡坐標系ox2y2z2中的投影和表達式。 從慣性器件的靜態誤差模型來看，目前慣性器件（指加速度計和陀螺儀）比較統一的模型結構形式為 （1.5） 其中，Uout為慣性器件的輸出；ax、ay、az為慣性器件三個軸向上的輸入；C0為與輸入無關的系數；Cx、Cy、Cz為與輸入一次項有關的系數；Cxy、Cyz、Czx為與輸入交叉項有關的系數；Cxx、Cyy、Czz為與輸入二次項有關的系數。 可以看出，由過載產生的加速度在三個軸上的分量是影響慣性器件輸出的主要因素之一。 1.2.2 振動的影響 載體在空中運動時經受的振動環境影響按振動的性質可分為正弦激勵、隨機激勵、瞬態激勵［4］。 （1）正弦激勵 正弦激勵主要來自發動機不穩定燃燒產生的推力的脈動變化。正弦激勵主要產生低頻正弦振動，其頻率范圍大致為5～100Hz。正弦振動可表示為 x(t)=Asin(wt+φ)（1.6） 其中，A、w和φ分別為振幅、角頻率和相位。 （2）隨機激勵 載體在空中運動時經受的隨機激勵主要是一種聲致振動，主要來自兩方面，一個方面是起飛排氣噪聲，另一個方面是載體跨聲速飛行及高速飛行時引起的氣動噪聲。 起飛排氣噪聲是發動機排氣渦流產生的噪聲，會對載體產生隨機振動激勵，其頻率范圍大致為20～2000Hz。 氣動噪聲產生的隨機振動激勵比排氣噪聲產生的隨機振動激勵惡劣，頻率可高達10kHz。 對隨機振動的描述比較復雜，一般都是非平穩的隨機過程，通常用乘積模型來表示［5］，是一個確定性函數a(t)和一個平穩隨機過程的乘積，即 x(t)=a(t)v(t)（1.7） 其中，v(t)是一個均值為0，方差為1的平穩隨機過程；a(t)是一個變化緩慢的確定性函數。 對均值為0的平穩隨機振動，工程上用ψ2的估計值，即 ψ2=1n∑ni=1x2i=12T∫T-Tx2(t)dt（1.8） 其中，ψ稱為均方根值。 （3）瞬態激勵 瞬態激勵主要來自飛行過程中的陣風、發動機點火和關機等突發載荷，它們基本上是一個自由衰減的正弦振動。陣風、發動機點火和關機引起的瞬態振動主要在低頻段。 任何一種慣性器件都有其固有頻率。每個慣性器件在工作過程中都不可避免的處在振動環境中，當工作時的振動頻率與其固有頻率相近或重合時，就會發生振動耦合現象，即慣性器件的振幅會無限變大，使它所受到的力無限變大，從而使慣性儀表的輸出產生誤差或徹底損壞。 1.2.3 過載振動復合環境的影響 環境試驗對產品的使用可靠性至關重要。試驗結果的準確性在很大程度上取決于模擬實際工作環境的真實程度。慣性器件環境試驗通常將振動試驗和離心試驗分時獨立進行。航空、航天設備普遍工作于振動和線加速度同時作用的復合動態環境中，例如航天器在繞地球軌道運轉時，飛機在爬升、俯沖和盤旋時，其內部設備和裝置受到加速過載和發動機振動的復合作用。在這種情況下，用分別獨立的試驗手段不能預測復合環境影響下設備的可靠性。復合環境試驗可以激發在單一環境試驗中不能估計的潛在問題，有利于提高航空航天設備的使用可靠性。 在土木研究領域，大多數結構工作在靜動載荷共同作用的復合環境中。其破壞機理是靜動載荷共同作用的結果。例如，通過研究大型水壩破壞機理可知，在地震波作用下的大型水壩的破壞就是由水壩靜載荷產生的體積力和地震波共同作用的結果。對于這類結構，傳統的試驗方法僅能實現對一元試驗環境的模擬。實驗室研究水壩破壞機理時，通常將水壩模型置于離心機上，利用離心力模擬由水壩重量產生的體積力，使模型與原型各相應點的應力、應變相同，以反映原型的性狀；或者將模型置于液壓振動臺上。由這種一元環境試驗條件得到的試驗結果具有局限性。 近年來，離心和振動復合試驗方法日益受到學術界和工程界的重視。該方法可以在實驗室實現各種載荷對模型或結構共同作用的模擬，以驗證理論模型的正確性，研究結構的破壞機理。 從上述分析可知，開展慣性器件天地環境差性能分析有著重要的意義。我們可以通過對慣性器件在復合環境中的測試和分析，找到影響制導精度的機理，建立符合實際工作環境特性的慣性器件誤差模型。 1.3 慣性器件多體系統動力學分析 1.3.1 剛柔耦合動力學分析 傳統動力學理論對柔性體的變形及其與剛體高速運動產生的慣性力之間的耦合處理得過于簡單，所以在分析存在高速運動的柔性多體系統的動力學性態時會得到完全相反的結論。隨著柔性航天器、柔性機械臂等柔性多體系統在高速、輕質、高精度等工程技術方面的發展，使剛體的高速運動與柔性體自身變形運動之間的相互耦合產生的動力學問題成為這些領域需要解決的關鍵技術。特別是，這種耦合運動產生的動力剛化成為近十年來需要研究的新課題。 各種研究表明，高速運動對彈性結構動力學性質的影響表現在兩個方面。 ①兩種運動的耦合使系統增加負剛度，從而使柔性體的剛度減小。 ②高速轉動使系統產生能量相互轉換的陀螺效應。 為了獲得動力剛度項，目前主要有非線性有限元法、子結構法、附加幾何剛度法等。
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