光电跟踪转台垂直轴系动态特性

引用本文

王涛, 伞晓刚, 高世杰, 王惠先, 王晶, 倪迎雪. 光电跟踪转台垂直轴系动态特性[J].吉林大学学报（工学版）, 2018,48(4): 1099-1105
WANG Tao, SAN Xiao-gang, GAO Shi-jie, WANG Hui-xian, WANG Jing, NI Ying-xue. Dynamic characteristics of vertical shaft system of photoelectric turntable[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2018,48(4): 1099-1105 复制到剪切板

Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170348
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光电跟踪转台垂直轴系动态特性

王涛^1,², 伞晓刚¹, 高世杰¹, 王惠先³, 王晶¹, 倪迎雪^1,²

1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033

2.中国科学院大学,北京 100039

3.淮安市清江托普轴承有限公司,江苏淮安 223021

通讯作者:王晶(1966-),女,研究员,博士生导师.研究方向:光电成像与测量技术.E-mail:wangjing@ciomp.ac.cn

作者简介:王涛(1990-),男,博士研究生.研究方向:激光通信机械结构设计与力学分析.E-mail:cgswangtao@163.com

基金:国家自然科学基金项目(51605465).

摘要

为实现光电跟踪转台的精密控制,对某型号跟踪转台垂直轴系动态特性进行了研究。首先分析了轴系固有频率与转台谐振频率之间关系,建立了垂直轴系动力学模型。然后建立了转台有限元模型,进行了模态分析,并根据实际工况,加载激励和边界条件,利用显式积分对垂直轴工作情况下整个转台响应进行求解。最后搭建了垂直轴系动态特性实验平台,进行伺服扫频实验,获得垂直轴以及随动部件的时域和频域特性。结果表明:动力学分析垂直轴系固有频率为180.4 Hz,仿真结果为190 Hz,伺服实验扫频结果为174 Hz,最大误差在10%以内,根据分析提出了增大垂直轴系固有频率与选取控制带宽的参考方案,为轴系动态特性探索研究与优化提供了依据。

关键词: 机械设计; 垂直轴; 动态特性; 动挠度; 时域特性; 频域特性

中图分类号:TH745 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2018)04-1099-07

Dynamic characteristics of vertical shaft system of photoelectric turntable

WANG Tao^1,², SAN Xiao-gang¹, GAO Shi-jie¹, WANG Hui-xian³, WANG Jing¹, NI Ying-xue^1,²

1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China

2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China

3.Huaian Qingjiang Top Bearing Co.Ltd., Huaian 223021,China

Abstract

In order to realize precise control of photoelectric turntable, the dynamic characteristics of the vertical shaft of a type of photoelectric turntable are investigated. First, the relationship between the natural frequency of the shaft and the turntable is analyzed, and the dynamic model of the vertical shaft is built. Then, the finite element model is established, modal analysis is carried out and the excitation and boundary conditions are loaded according to the actual working conditions. Using explicit integration, the response of the turntable is solved. Finally, the experimental platform for researching the dynamic characteristics of the vertical shaft is set up. Servo scanning experiment is carried out to obtain the characteristics of the shaft in time domain and frequency domain. Results show that the natural frequency obtained by kinetic analysis is 180.4 Hz, by simulation is 190 Hz and the experiment result is 174 Hz, the maximum error is less than 10%. According to the analysis, a reference scheme to increase the natural frequency of the vertical shaft system and to select the control bandwidth is proposed. This scheme provides the reference for research on the dynamic characteristics and optimization of the shaft system.

Keyword: mechanical design; vertical shaft; dynamic characteristics; dynamic deflection; characteristics of time domain; characteristics of frequency domain

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0 引言

为使光电跟踪转台视轴能够准确跟踪目标, 伺服控制系统需要根据整体动态特性设计跟踪控制器, 因而系统的动力学建模仿真分析准确程度对实现精密控制显得尤为重要^{[1, 2, 3, 4]}。为实现光电跟踪转台的精密控制, 学者们提出了一系列方法对轴系动态特性进行研究:葛兵^[5]分析了视轴稳定系统结构, 建立了力矩电机、负载、陀螺仪等相关部分的数学模型, 提出了基于视轴稳定的控制方案; 张宁等^[6]依据转台垂直轴与水平轴的俯仰角和方位角, 分析了动态靶标及跟踪误差的幅值谱和功率谱特性; 李锐等^[7]为克服单轴伺服系统的固有频率和带宽限制, 设计了一个双轴复合捕获指向跟踪系统(Acquistion pointing and tracking, APT)系统, 并分析了动态滞后误差, 平台振动误差等特性对系统精度的影响。但是将轴系动态特性分析与转台控制带宽研究相结合, 揭示轴系固有频率与转台谐振特频率关系的研究较少。

从结构上考虑, 传统增加光电跟踪转台控制带宽主要是通过增大转台的固有频率, 同时, 为了保险起见往往选取较大结构尺寸, 导致转台整体非常笨重^[8]。本文首先分析了轴系工作时固有频率与转台谐振频率之间关系, 利用临界转速法建立某型号光电跟踪转台垂直轴系动力学模型; 然后根据垂直轴工作状况建立了有限元模型, 模拟电机信号, 加载线性扫频转矩激励, 利用显式积分, 求解出垂直轴工作情况下整个转台的响应; 最后通过伺服扫频实验, 在照准架上添加三轴加速度数据采集系统, 获得实际工况下垂直轴的时域和频域特性, 实验结果验证了分析结果, 本文研究可为实现光电跟踪转台回转轴系精密控制提供参考。

1 垂直轴系动力学理论分析

工程中常用霍尔兹法来估算光电跟踪转台的动态刚度, 并用其一阶谐振频率来确认控制带宽, 但是轴系回转共振频率常常高于转台一阶谐振频率, 转台谐振频率与轴系固有频率关系如图1所示, 在连接刚度较强时轴系固有频率可能与其高阶谐振频率相对应, 但在连接刚度较弱时, 轴系固有频率和转台谐振频率差距很大, 因而对垂直轴系单独进行分析很有必要。

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	图1 转台固有频率与轴系固有频率关系示意图Fig.1 Schematic diagram of relationship between natural frequency of turntable and natural frequency of shaft

光电跟踪转台轴系在对应其某些谐振频率或次频、超频的转速附近转动时, 将出现很大的偏心回转, 导致很严重的垂直于轴向的振动, 造成机械损伤, 控制失稳, 因此, 在转台工作时需要避开这些临界转速^[9]。

产生偏心回转时的工况如图2所示, 当垂直轴系以接近临界转速的角速度 $ω$ 转动时, 离心力使得轴系发生挠曲, 中心点 $O$ 发生偏移, 假设偏移后质心坐标为 $(x, y), 质心 C 相对轴心 O 偏移量为 e, 离心力大小为 m d^{2} x_{C} / d t^{2}, x_{C} = x + e \cos θ, 轴系 X$ 方向弹性回复力大小为:

$F = - Kx$ (1)

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	图2 垂直轴横向变形受力示意图Fig.2 Schematic diagram of vertical shaft transverse deformation

式中: $K$ 为轴弹性系数, 由材料力学可得两端简支垂直轴系弹性系数:

$K = \frac{48 EI}{L^{3}}$ (2)

本文分析的转台轴系材料为轴承钢, 弹性模量E=206 GPa, 由建模软件UG得到轴系及随动结构相对轴心的横向惯性矩I=3.669× 1 ${0^{- 9}}^{}$ m⁴, 轴系总长L=0.272 m, 等效质量m=56.771 kg。

轴系关于 $x 方向和 y$ 方向的运动过程相同, 只是相位有所偏差, 这里只分析轴系关于 $x$ 方向的运动特性, 轴系运转过程中阻尼较小, 忽略阻尼的影响, 由平衡定理可得质心运动方程为:

$m \frac{d^{2} x_{C}}{d t^{2}} = - Kx$ (3)

此微分方程的解为:

$x = {(\frac{K}{m} - ω^{2})}^{- 1} e ω^{2} \cos ωt$ (4)

轴系固有频率为:

轴系运动幅值(动挠度)相对偏心量 $e$ 之比为:

$\frac{A}{e} = \frac{ω^{2}}{|f_{0}^{2} - ω^{2}|}$ (6)

动挠度随频率 $ω$ 变化如图3所示, 当转速很低时, 动挠度很小; 但当转速接近轴系固有频率时, 动挠度急速增大趋向于无穷, 虽然实际上由于轴承阻尼与大变形下产生的非线性回复力会限制动挠度的无限增大, 但此时巨大的变形仍然会对轴系造成巨大损害; 随着转速继续增大, 动挠度会逐渐缩小, 接近质心偏心量。

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	图3 动挠度随角速度变化曲线Fig.3 Variation curve of dynamic deflection with angular velocity

2 基于非线性接触的有限元分析

2.1 转台整体模态分析

光电跟踪转台由左轴、右轴、照准架、四通、基座、垂直轴等结构组成, 如图4(a)所示。其中跟踪架、四通与基座等材料为铸铝, 弹性模量E=68.98 GPa, 泊松比μ =0.33, 密度ρ =2711 kg/m³, 垂直轴系和水平轴系转子-轴承系统材料为轴承钢, 弹性模量E=206 GPa, 泊松比μ =0.3, 密度ρ =7850 kg/m³。

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	图4 转台结构组成和转台有限元模型Fig.4 Structure composition of turntable and finite element model of turntable

建立整个光电跟踪转台有限元模型如图4(b)所示, 采用八节点六面体网格进行划分, 总单元数为26万, 总节点数为57万。

考虑结构间螺栓连接环节, 利用接触对模拟螺栓连接, 设定库伦摩擦因数和螺栓预载荷, 施加底端固定边界条件。

转台整体模态分析前6阶结果如下:1~6阶频率分别为41.9、50.3、170.6、209.2、221.0、269.7 Hz, 振型如图5所示。

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	图5 前六阶模态振型图Fig.5 Mode shapes of first six-order

2.2 垂直轴系工作状态动态响应仿真

将垂直轴电机激励转化为施加于照准架上的转矩, 由于垂直轴固有频率为180.4 Hz, 且整体结构前几阶谐振频率均低于300 Hz, 这里施加0~300 Hz线性扫频激励, 激励形式为:

$M = M_{0} \sin [2 π (f_{i} + αt) t]$ (7)

式中: $M_{0}$ 为激励大小, 实际分析中根据电机有效推力选择15 N· m, $f_{i}$ 为初始扫频频率, 这里为0 Hz, $α$ 为频率变化率, 根据采样定理, 样本频率必须大于2.56倍最大扫频频率, 这里选择1000 Hz, 扫频时间设为6 s, 频率变化率α =50 Hz/s, 利用Matlab生成激励信号如图6所示。

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	图6 扫频信号频率随时间变化曲线Fig.6 Frequency variation curve of sweep signal

求解时, 因为结构接触状况较为复杂, 相较于隐式积分, 显式积分进行分析能够促进问题快速收敛, 适用于受冲击载荷内部发生复杂相互接触的结构动态响应问题^{[10, 11]}, 显式积分原理为:对于瞬态时域响应问题, 设第 $n 步时间为 t_{n}, 节点位移矩阵为 u_{n} (t_{n}),$ 定义时间增量:

$\{\begin{array}{l} Δ t_{n + 1 / 2} = t_{n + 1} - t_{n} \\ t_{n + 1 / 2} = 1 / 2 (t_{n + 1} + t_{n}) \\ Δ t_{n} = t_{n + 1 / 2} - t_{n - 1 / 2} \end{array}$ (8)

速度和加速度差分公式为:

$\{\begin{array}{l} {\overset{\cdot}{u}}_{n + 1 / 2} = \frac{(u_{n + 1} - u_{n})}{Δ t_{n + 1 / 2}} \\ {\overset{\cdot \cdot}{u}}_{n} = \frac{{\overset{\cdot}{u}}_{n + 1 / 2} - {\overset{\cdot}{u}}_{n - 1 / 2}}{Δ t_{n}} \end{array}$ (9)

考虑平衡方程, 在第 $n$ 步时有:

$m {\overset{\cdot \cdot}{u}}_{n} = F_{n}$ (10)

满足边界条件和其他约束时, 更新节点速度和位移方程为:

$\{\begin{array}{l} {\overset{\cdot}{u}}_{n + 1 / 2} = {\overset{\cdot}{u}}_{n - 1 / 2} + Δ t_{n} m^{- 1} F_{n} \\ u_{n + 1} = u_{n} + Δ t_{n + 1 / 2} {\overset{\cdot}{u}}_{n + 1 / 2} \end{array}$ (11)

应力矩阵可以通过求解 $t_{n}$ 时刻本构方程获得, 这样就可以通过逐步积分求解结构在整个时域上的响应。

求解出垂直轴上节点时间-加速度曲线如图7所示, 共振发生在3.8 s左右, 对时间-加速度信号做快速傅里叶变换得到频域响应如图8所示, 在电机激励下, 共振频率为190 Hz, 并伴有频率约为 $f_{0} / 2$ 的次频谐波。

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	图7 响应信号时间-加速度曲线Fig.7 Time-acceleration curve of response signal

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	图8 响应信号频谱图Fig.8 Spectrum of response signal

3 光电跟踪转台垂直轴激励下扫频实验验证

3.1 扫频实验及结果

根据光电跟踪转台垂直轴工作时实际工况, 固定底部, 利用控制器给电机发送扫频信号, 并利用编码器采集电机转速进行反馈, 这里编码器可以实时采集转速信息。为了更充分了解振动过程中随动部件的时域响应情况, 加贴8个传感器于照准架上, 传感器位置如图9所示, 时域信号具有直观、便于理解等特点, 而且往往是最原始的信号, 所以包含的信息比较丰富, 尤其是诊断故障振动信号时非常有用^{[12, 13]}。实验加速度数据采集系统采用扬州苏式YMC-9800数据采集系统, 传感器均为PCB三轴加速度传感器, 各个轴单向灵敏度均在50 mV/g左右, 采样频率为2 kHz, 分析谱线数为1600, 对应频率分辨率为0.48 Hz, 扫频时间为200 s, 电机激励为每秒递增1 Hz的线性扫频信号, 垂直轴转速信息利用伺服控制系统编码器采集得到。

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	图9 转台扫频实验示意图Fig.9 Schematic diagram of frequency sweep experiment of turntable

传感器采集到的信号如图10所示, 将离散信号进行快速傅里叶变换后整段振动频域瀑布图如图11所示。从时间-加速度曲线来看, 环境噪声和传感器零漂带来的加速度幅值误差较大, 低频的环境噪声影响较大, 导致加速度幅值误差较大。从瀑布图也可以看出:低频噪声存在于整段扫频信号中, 但是共振阶段信号仍非常明显, 将共振阶段时间-加速度曲线放大显示, 可以看出起振点在168 s左右, 共振最强烈位置在170.8 s左右, 可以看到加速度的幅值被急剧放大, 此时对应频率约为170 Hz, 与轴系固有频率180.4 Hz偏差不大, 到173 s共振渐渐停止, 信号恢复正常。

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	图10 传感器采集信号以及共振部分放大Fig.10 Signal acquisited by sensors and amplification of resonant part

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	图11 扫频信号瀑布图Fig.11 Waterfall plot of sweep signal

编码器采集到的信号如图12所示, 将角频率除以2π 化为频率值作为横坐标, 可以看到刚刚启动扫频时角位移幅值较大, 经纬仪振荡较大, 随着频率升高, 加速度幅值变化逐渐减小, 直到接近垂直轴系固有频率时, 加速度幅值再度升高, 发生共振, 识别出来的共振频率为174 Hz。并且从平稳运转到共振之间有段加速度逐渐升高的过程, 要实现平稳精密控制需要避开这一过程, 所以实际工程应用中, 一般控制带宽选择0.3f₀~0.5f₀。

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	图12 垂直轴回转速度频谱图Fig.12 Vertical shaft rotation speed spectrum

3.2 分析及讨论

对某型号光电跟踪转台垂直轴系理论分析固有频率为180.4 Hz, 有限元分析结果为190 Hz, 实验结果为174 Hz, 误差在10%以内, 理论分析、仿真与实验可以很好地对应, 仿真与实验可以很好地反映出垂直轴系的动态特性。

由式(5)可知, 垂直轴系固有频率平方与轴系材料 $E 、等效轴系惯性矩 I 成正比, 与轴系等效质量 m 、长度 L$ 成反比, 因此为增大轴系固有频率和控制带宽, 可以适度减小垂直轴质量, 缩小垂直轴总长度。垂直轴的固有频率与偏心距 $e$ 没有关系, 但是共振时的动挠度会受偏心距影响, 为减小机械破坏, 在制造加工和装配轴系时应尽量减小质量偏心。

垂直轴系存在临界转速, 在数值上与轴系固有频率相对应, 接近临界转速运转时, 轴系动挠度会被极大地放大, 因此在控制轴系运转时, 控制信号应当避开固有频率, 从扫频结果来看, 一般需小于0.3~0.5f₀。

工程应用中常将光电跟踪转台一阶谐振频率作为其固有频率来确定控制带宽, 本例中转台一阶谐振频率为41.9 Hz, 而垂直轴系固有频率为174 Hz, 若利用一阶谐振频率来指导控制会大大减小控制带宽, 影响控制精度, 因此在工程应用中, 应当针对轴系实际的工作情况作具体分析。

4 结束语

建立了某型号光电跟踪转台垂直轴系动力学模型, 获得了垂直轴系固有频率的理论值, 讨论了临界转速对轴系回转的影响; 并根据垂直轴工作状况建立有限元模型, 加载线性扫频正弦转矩激励, 考虑接触边界条件, 利用时域显式积分, 求解出垂直轴工作情况下整个转台的响应; 最后通过伺服扫频实验并在照准架上添加三轴加速度数据采集系统, 获得实际工况下垂直轴的时域和频域特性, 结果表明:理论分析垂直轴系固有频率为180.4 Hz, 仿真结果为190 Hz, 伺服实验扫频结果为174 Hz, 最大误差在10%以内, 根据比较分析, 提出了增大垂直轴系固有频率与选取控制带宽的参考方案, 为实现光电跟踪转台回转轴系精密控制提供了参考。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献列表

[1]	程龙, 陈娟, 陈茂胜, 等. 光电跟踪系统快速捕获时间最优滑模控制技术[J]. 光学精密工程, 2017, 25(1): 148-154. Cheng Long, Chen Juan, Chen Mao-sheng, et al. Fast acquisition of time optimal sliding model control technology for photoelectric tracking system[J]. Optics and Precision Engineering, 2017, 25(1): 148-154. [本文引用:1]
[2]	陈健, 王伟国, 刘廷霞, 等. 美军新型机载光电瞄准系统工作原理分析[J]. 中国光学, 2017, 10(6): 777-782. Chen Jian, Wang Wei-guo, Liu Ting-xia, et al. The operational principle analysis of new airborne Electro-Optical Targeting System(EOTS) of US army[J]. Chinese Optics, 2017, 10(6): 777-782. [本文引用:1]
[3]	申帅, 张葆, 李贤涛, 等. 基于伪微分和加速度反馈的航空光电稳定平台控制方法[J]. 中国光学, 2017, 10(4): 491-498. Shen Shuai, Zhang Bao, Li Xian-tao, et al. Control scheme of aerial photoelectrical stabilized platform based on pseudo-derivative and acceleration feedback[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 491-498. [本文引用:1]
[4]	Hoff L E, Winter E M. Spectrally assisted target tracking[J]. SPIE, 2011, 8137(4): 1-9. [本文引用:1]
[5]	葛兵. 动基座下光电经纬仪视轴稳定控制方法研究[D]. 长春: 中国科学院长春光学精密工程与物理研究所, 2014. Ge Bing. The research on stabilization of LOS of dynamic-based electro-optical theodolite[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2014. [本文引用:1]
[6]	张宁, 沈湘衡, 杨亮, 等. 利用动态靶标谐波特性评价光电经纬仪的跟踪性能[J]. 光学精密工程, 2010, 18(6): 1287-1294. Zhang Ning, Shen Xiang-heng, Yang Liang, et al. Evaluation of tracking performance of photoelectric theodolite by using harmonic property of dynamic target[J]. Opt Precision Eng, 2010, 18(6): 1287-1294. [本文引用:1]
[7]	李锐, 李洪祚, 唐雁峰, 等. 空间光通信复合轴APT系统[J]. 红外与激光工程, 2011, 40(7): 1333-1336. Li Rui, Li Hong-zuo, Tang Yan-feng, et al. Compound-axis APT system in space optical communication[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(7): 1333-1336. [本文引用:1]
[8]	马梦林, 卓仁善. CAD/CAE技术在光电经纬仪跟踪架系统研制中的应用[J]. 光学精密工程, 2004, 12(4): 10-13. Ma Meng-lin, Zhuo Ren-shan. Application of CAD/CAE in the development of tracking system for photoelectrical theodolite[J]. Opt Precision Eng, 2004, 12(4): 10-13. [本文引用:1]
[9]	车双良, 朱麦花. 光电经纬仪结构动态特性研究[J]. 光电工程, 2004, 31(7): 15-17. Che Shuang-liang, Zhu Mai-hua. Study on dynamic structural property of electro-optical theodolite[J]. Opto-Electronic Engineering, 2004, 31(7): 15-17. [本文引用:1]
[10]	李常青, 楼梦麟, 蒋丽忠. 结构动力方程求解中隐式格式向显式格式的转换[J]. 振动与冲击, 2012, 31(13): 91-94. Li Chang-qing, Lou Meng-lin, Jiang Li-zhong. Transformation of implicit method to explicit method for solving structuraldynamic equation[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(13): 91-94. [本文引用:1]
[11]	杨超, 肖守讷, 鲁连涛. 基于双步长的显式积分算法[J]. 振动与冲击, 2015, 34(1): 29-38. Yang Chao, Xiao Shou-ne, Lu Lian-tao. Explicit integration algorithm based on double time steps[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(1): 29-38. [本文引用:1]
[12]	刘倩楠, 郭瑜, 伍星. 基于频移及谱线编辑的齿轮故障窄带解调分析方法[J]. 振动与冲击, 2015, 34(16): 38-42. Liu Qian-nan, Guo Yu, Wu Xing. Gear fault analysis based on narrowband demodulation with frequency shift and spectrum edit[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(16): 38-42. [本文引用:1]
[13]	Meisingseth A. Demodulation techniques in gearbox diagnostics[J]. Teknik Och Teknologier, 2012: 1-63. [本文引用:1]

2017

0.0

. 2017, 25(1):148-154

Fast acquisition of time optimal sliding model control technology for photoelectric tracking system

光电跟踪系统快速捕获时间最优滑模控制技术

Cheng Long , Chen Juan , Chen Mao-sheng

程龙, 陈娟, 陈茂胜

... 0 引言为使光电跟踪转台视轴能够准确跟踪目标,伺服控制系统需要根据整体动态特性设计跟踪控制器,因而系统的动力学建模仿真分析准确程度对实现精密控制显得尤为重要^[1,2,3,4] ...

2017

0.0

. 2017, 10(6):777-782 DOI:doi:10.3788/CO.20171006.0777

The operational principle analysis of new airborne Electro-Optical Targeting System(EOTS) of US army

美军新型机载光电瞄准系统工作原理分析

Chen Jian , Wang Wei-guo , Liu Ting-xia

陈健, 王伟国, 刘廷霞

光电瞄准系统(EOTS)将前视红外和红外搜索跟踪进行了综合,进而可以获得高分辨率图像,实现自动跟踪、红外搜索跟踪、激光指示、激光测距和激光点跟踪.本文针对美国研制的EOTS的工作原理展开分析和研究,概述了EOTS的概念和技术特点,显示了其作为新一代机载光电瞄准系统的先进性.对EOTS多功能系统、光学元件、红外搜索跟踪、维护和研制规划进行了介绍,着重分析了EOTS的自动视轴校准系统,主要包括自动视轴校准系统的工作原理和工作步骤.最后,本文对EOTS系统的性能进行了总结.

2017

0.0

. 2017, 10(4):491-498

Control scheme of aerial photoelectrical stabilized platform based on pseudo-derivative and acceleration feedback

基于伪微分和加速度反馈的航空光电稳定平台控制方法

Shen Shuai , Zhang Bao , Li Xian-tao

申帅, 张葆, 李贤涛

2011

0.0

2014

0.0

. 2014, :- DOI:doi:http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/41409

The research on stabilization of LOS of dynamic-based electro-optical theodolite[D]

动基座下光电经纬仪视轴稳定控制方法研究

Ge Bing

葛兵

动基座下光电经纬仪在对目标进行跟踪测量时，视轴受到载体运动干扰、摩擦力矩干扰和跟踪架质量不平衡等不同的外部干扰，使视轴偏离原来的指向，甚至丢失目标。视轴稳定控制是要隔离载体运动对视轴的扰动，克服各种干扰力矩对于视轴的影响，保证视轴在惯性空间的稳定指向。视轴稳定控制是进行跟踪测量的基础，是动基座下光电跟踪测量系统的一项关键技术。本文分析了视轴稳定系统的结构，研究了主要构成部分的特点，根据视轴伺服系统的结构和陀螺安装位置，通过坐标变换的方法建立了视轴稳定隔离方程。分析了力矩电机及负载、陀螺仪、图像处理器等伺服控制系统相关的部分的数学模型，建立整个控制对象的数学模型。本文对于视轴稳定速度环采用了双速度环的控制结构，由陀螺测得的视轴相对于惯性空间的速度构成视轴稳定内环，其主要作用是消除载体运动扰动和摩擦力矩扰动，实现视轴稳定。由编码器测得的视轴相对于经纬仪框架的转动速度构成速度跟踪外环，主要用于跟踪目标运动。讨论了双速度环的抗干扰性、动态响应性能和鲁棒性。从控制策略上引入鲁棒控制理论对控制器进行设计，保证了闭环控制系统的稳定性和鲁棒性。本文对于动基座下视轴稳定控制系统的位置回路进行研究。电视自动跟踪时，由于伺服系统接收到的图像处理器发送的脱靶量相对于目标实际位置有延时，延时时间的存在限制了伺服系统位置回路的带宽设计，影响了跟踪控制系统的快速响应性，降低了系统的稳态跟踪精度和跟踪稳定性。本文采用了基于机动目标模型的Kalman滤波方法对目标位置进行滤波和预测，并用滤波预测得到的目标的位置和速度构成了前馈控制，改善了系统的跟踪控制精度，同时在目标初始跟踪阶段采用了变结构控制方法，使系统可以快速的做出反应，快速进入稳定跟踪阶段。本文最后将某型号光电跟踪测量系统置于三维摇摆台上对所提出的理论进行实验。通过仿真和试验结果的分析，采用的鲁棒H∞控制方法在抵抗载体运动干扰及抑制系统对象模型的不确定性对系统动态特性的影响方面有较大的优势，实验结果验证了这种方法的有效性。

... 为实现光电跟踪转台的精密控制,学者们提出了一系列方法对轴系动态特性进行研究:葛兵^[5]分析了视轴稳定系统结构,建立了力矩电机、负载、陀螺仪等相关部分的数学模型,提出了基于视轴稳定的控制方案 ...

2010

0.0

. 2010, 18(6):1287-1294 DOI:doi:10.3788/OPE.20101806.1286

Evaluation of tracking performance of photoelectric theodolite by using harmonic property of dynamic target

利用动态靶标谐波特性评价光电经纬仪的跟踪性能

Zhang Ning , Shen Xiang-heng , Yang Liang

张宁, 沈湘衡, 杨亮

A novel approach based on the equivalent sine testing is proposed to evaluate the tracking performance of a photoelectric theodolite by using a dynamic target. The characteristics of the amplitude and power spectra of the dynamic target and the relative tracking errors are analyzed,and the dynamic target is taken as a harmonic source formed by the finite weighted sums of the base frequency harmonics and the weight sums of high harmonics that is the integral times of base frequency. The angular frequency and amplitude of an equivalent sine signal are designed according to the testing desire, and the amplitude-frequency characteristic function value of tracking error system is tested by using the harmonic signal in the same angular frequency with the equivalent sine signal generated by the dynamic target. The amplitude of equivalent sine and the function value are multiplied to get the maximum tracking error of tracking signal, and then the tracking performance is evaluated by using the proposed method. The tracking performance of a photoelectric theodolite is evaluated by this method. Compared with the maximum tracking error of 4.7' measured by the dynamic target directly, the proposed method can offer the maximum azimuth tracking error of 0.65', which is far less than the desired maximum tracking error of 4'. The result shows that the method can evaluate the tracking performance of the theodolite exactly and can avoid the possible excessive correction of tracking servo system by using dynamic target directly.

提出了一种利用动态靶标实现光电经纬仪跟踪性能等效正弦评价的新方法。分析了动态靶标目标及相应跟踪误差的幅度谱和功率谱特性,提出将动态靶标看作由有限项基频谐波和整数倍基频高次谐波的加权和组成的谐波源。根据被检光电经纬仪跟踪性能设计等效正弦信号,利用动态靶标产生与等效正弦信号同频率的谐波信号完成光电经纬仪跟踪误差系统在该频率下幅频特性函数值的测试。等效正弦的幅值和测得的幅频特性值乘积即为跟踪等效正弦信号的跟踪误差最大值,从而实现了跟踪性能评价。利用该方法测得方位方向的最大跟踪误差为0.65',远小于4'的指标要求,而利用动态靶标直接检测的值为4.7'。实验表明该方法准确、可行,同时避免了直接利用动态靶标检测时可能使跟踪伺服系统出现过度校正的问题。

... 张宁等^[6]依据转台垂直轴与水平轴的俯仰角和方位角,分析了动态靶标及跟踪误差的幅值谱和功率谱特性 ...

2011

0.0

. 2011, 40(7):1333-1336 DOI:doi:10.3969/j.issn.1007-2276.2011.07.029

Compound-axis APT system in space optical communication

空间光通信复合轴APT系统

Li Rui , Li Hong-zuo , Tang Yan-feng

李锐, 李洪祚, 唐雁峰

为克服单轴伺服系统的固有频率和带宽限制,设计了一个双轴复合APT系统。建立了快速反射镜、相机、D/A数据采集卡和速度伺服单元的传递函数,得到了该系统的传递函数的理论模型。结合MATLAB仿真,分析了动态滞后误差、平台振动误差、光斑质心检测误差、机械力矩干扰误差对APT系统精度的影响。采用现代综合算法,对快速反射镜APT系统进行参数整定,设计了一个稳健控制器,进一步抑制残余低频扰动和高频噪声,提高了系统带宽和精度。实验得到的复合轴APT系统带宽为2~16 Hz,系统精度为0.8~4μrad,实验结果和理论分析基本一致。该系统为空间光通信、深空探测、遥感等领域的跟踪瞄准捕获系统的研究提供了借鉴。

... 李锐等^[7]为克服单轴伺服系统的固有频率和带宽限制,设计了一个双轴复合捕获指向跟踪系统(Acquistion pointing and tracking,APT)系统,并分析了动态滞后误差,平台振动误差等特性对系统精度的影响 ...

2004

0.0

. 2004, 12(4):10-13 DOI:doi:10.3321/j.issn:1004-924X.2004.z2.003

Application of CAD/CAE in the development of tracking system for photoelectrical theodolite

CAD/CAE技术在光电经纬仪跟踪架系统研制中的应用

Ma Meng-lin , Zhuo Ren-shan

马梦林, 卓仁善

光电经纬仪跟踪架系统研制过程,利用传统的设计方法缺乏统筹考虑,无论在设计阶段还是在对样机寻找薄弱环节及敏感参数上都很困难,更谈不上对各个影响因素进行综合考虑和分析及提出相应对策.根据机电耦合的本质,从机电一体化的角度考虑,建立伺服控制系统与跟踪架机械结构统一的数学分析模型,利用CAE软件(MSC PATRAN/NASTRAN),实现对跟踪架在设计阶段的模拟与分析,快速找出影响跟踪架性能的环节及敏感参数,缩短研制周期,为系统的优化设计开辟了新途径.

... 从结构上考虑,传统增加光电跟踪转台控制带宽主要是通过增大转台的固有频率,同时,为了保险起见往往选取较大结构尺寸,导致转台整体非常笨重^[8] ...

2004

0.0

. 2004, 31(7):15-17 DOI:doi:10.3969/j.issn.1003-501X.2004.07.005

Study on dynamic structural property of electro-optical theodolite

光电经纬仪结构动态特性研究

Che Shuang-liang , Zhu Mai-hua

车双良, 朱麦花

光电经纬仪的结构动态特性是设计光电经纬仪的重要依据.用临界转速法建立了光电经纬仪的结构动态特性模型,讨论了光电经纬仪转速与轴系横向振动固有频率的关系:光电经纬仪的临界转速在数值上与经纬仪横向自由振动的固有频率相同,且光电经纬仪的固有频率只与其轴系挠度的平方根成反比.研究表明,提高光电经纬仪伺服控制系统带宽有4个途径:1) 增大光电经纬仪的固有频率;2) 对结构谐振进行补偿;3) 使用电流反馈;4) 使用加速度和速度反馈等.

... 光电跟踪转台轴系在对应其某些谐振频率或次频、超频的转速附近转动时,将出现很大的偏心回转,导致很严重的垂直于轴向的振动,造成机械损伤,控制失稳,因此,在转台工作时需要避开这些临界转速^[9] ...

2012

0.0

. 2012, 31(13):91-94 DOI:doi:10.3969/j.issn.1000-3835.2012.13.019

Transformation of implicit method to explicit method for solving structuraldynamic equation

结构动力方程求解中隐式格式向显式格式的转换

Li Chang-qing , Lou Meng-lin , Jiang Li-zhong

李常青, 楼梦麟, 蒋丽忠

Abstract: The generalized acceleration methods taken as an example,it was proved that implicit method coulbe be transformed to implicit method by solving inverse matrix of coefficient matrix through series expansion and series truncation. The adjoint explicit method of constant acceleration method was detailed described.Afther revealing the relationship between implicit method and explicit method, a kind of implicit method with high accuracy and efficiency could be obtained. Keywords: general linear acceleration method, dynamic analysis, explicit method, implicit method, stability

摘要：以广义加速度隐式算法为例，指出常用隐式算法可转换为显式算法。转换过程主要包括三个步骤：首先是对隐式求解的耦联线性方程组的系数矩阵取逆，然后将此逆矩阵在单位矩阵附近进行级数展开，最后进行级数截断。以常加速度方法的显式化过程为例，详细阐述隐式算法转换为显式算法的过程，着重介绍级数展开的项数对计算精度的影响，以及转换过程中时间步长必须同时满足算法的稳定性和级数收敛条件。揭示隐式算法与显式算法之联系，使可按高精度隐式算法得到与其相伴随的高精度显式算法。

... 求解时,因为结构接触状况较为复杂,相较于隐式积分,显式积分进行分析能够促进问题快速收敛,适用于受冲击载荷内部发生复杂相互接触的结构动态响应问题^[10,11],显式积分原理为:对于瞬态时域响应问题,设第 n步时间为tn,节点位移矩阵为un(tn),定义时间增量: ...

2015

0.0

. 2015, 34(1):29-38 DOI:doi:10.13465/j.cnki.jvs.2015.01.006

Explicit integration algorithm based on double time steps

基于双步长的显式积分算法

Yang Chao , Xiao Shou-ne , Lu Lian-tao

杨超, 肖守讷, 鲁连涛

为了建立精度更高、稳定性更好的显式积分算法，在双步长线性加速度假设的条件下，通过积分推导，提出了双步长显式法和修正双步长显式法。对这两种新方法进行了稳定性、精度和截断误差分析，并通过算例对两种新方法、中心差分法和解析解进行比较。结果表明，无阻尼情况下，双步长显式法是不稳定的，而修正双步长显式法与中心差分法具有相同的稳定条件；大步长情况下修正双步长显式法和中心差分法的幅值误差小于双步长显式法；小步长情况下修正双步长显式法的阻尼比误差和周期误差都比中心差分法小，具有良好的综合性能。

2015

0.0

. 2015, 34(16):38-42

Gear fault analysis based on narrowband demodulation with frequency shift and spectrum edit

基于频移及谱线编辑的齿轮故障窄带解调分析方法

Liu Qian-nan , Guo Yu , Wu Xing

刘倩楠, 郭瑜, 伍星

Through analyzing gearbox vibration signals under varying speed conditions of rotating machinery, a method of analyzing gear fault based on narrowband demodulation with frequency shift and spectrum edit was proposed here. Firstly, time-domain signal was sampled under varying speed condition of gearbox and was resampled at constant angle increments according to order tracking, converting into stationary signal in the angle-domain, which can overcome the frequency blur caused by rotating speed fluctuation. Then, the angle-domain signal was processed by signal synchronous average, weakening the frequency components of being irrelevant to speed, improving the signal to noise ratio. Finally, the averaged signal was demodulated, extracting the main meshing order components of the gear fault from the automated edited order spectrum and recovering the angle-domain signal. Then it was performed by amplitude and phase demodulation which was based on the frequency shift. The fault features of gear can be extracted in accordance with the demodulation waveform diagrams. Simulations and tests were conducted respectively to verify the validity of the proposed method.

通过对旋转机械变速运行齿轮箱振动研究，提出基于频移及谱线编辑的齿轮故障窄带解调分析方法。对齿轮箱变速等非稳态信号进行时域同步采样，利用阶比跟踪对时域信号等角度重采样转换为角域准平稳信号，克服转速波动对信号分析产生的频率模糊现象；对角域信号进行同步平均削弱与转速无关的频率成分，提高信噪比；对平均信号进行窄带解调分析，通过对阶比谱自动编辑分离出齿轮故障主要啮合阶比分量后恢复到角域信号，进行幅值解调及基于频移的相位解调，据幅值解调及相位解调波形图提取齿轮故障特征。结果表明，基于频移、谱线编辑的齿轮故障窄带解调分析方法能有效提取齿轮故障特征信息。

... 为了更充分了解振动过程中随动部件的时域响应情况,加贴8个传感器于照准架上,传感器位置如图9所示,时域信号具有直观、便于理解等特点,而且往往是最原始的信号,所以包含的信息比较丰富,尤其是诊断故障振动信号时非常有用^[12,13] ...

2012

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