光纖陀螺在車載慣性平臺穩(wěn)定回路中的仿真

劉 義，吳彥林，蒿俊曉

（1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.白城兵器試驗中心，吉林白城 137001；3.烏蘭察布廣播電視大學(xué)，內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000）

光纖陀螺在車載慣性平臺穩(wěn)定回路中的仿真

劉 義1，吳彥林2，蒿俊曉3

（1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.白城兵器試驗中心，吉林白城 137001；3.烏蘭察布廣播電視大學(xué)，內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000）

為了延長車載慣性平臺的使用壽命并提高其穩(wěn)定精度，在原有平臺機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出采用光纖陀螺代替原有的撓性陀螺作為慣性平臺的敏感元件，并重新建立了平臺系統(tǒng)穩(wěn)定回路的數(shù)學(xué)模型。仿真研究表明該數(shù)字穩(wěn)定回路具有較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。經(jīng)實驗驗證，該光纖陀螺慣性平臺系統(tǒng)已實現(xiàn)功能要求。

光纖陀螺；慣性穩(wěn)定平臺；PID；控制回路

慣性平臺系統(tǒng)是戰(zhàn)車火控系統(tǒng)的主要部件之一，慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到火控系統(tǒng)瞄準精度。現(xiàn)有的車載慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)采用靜壓氣?。ɑ蜢o壓液浮）單自由度陀螺儀或二自由度撓性陀螺作為敏感元件，但是這種慣性儀表工作壽命短，價格昂貴，維修費用高［1］。光纖陀螺是全固態(tài)光學(xué)陀螺，與傳統(tǒng)的機電陀螺相比，具有顯著特點：結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、儀器牢固穩(wěn)定，具有較強的耐沖擊和抗加速度的能力；無運動部件、不存在支撐系統(tǒng)，因而不存在磨損問題，具有較長的使用壽命；尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低、價格便宜。1990年美國學(xué)者A Matthews提出光纖陀螺已經(jīng)具備應(yīng)用在慣性測量單元的條件［2］，2015年國內(nèi)學(xué)者母興濤對由光纖陀螺構(gòu)成的慣性穩(wěn)定回路進行關(guān)鍵技術(shù)分析并建立了仿真模型［3］。目前光纖陀螺在國外已經(jīng)發(fā)展成為慣性導(dǎo)航的主流儀表之一，我國也將其列為慣性技術(shù)領(lǐng)域重點發(fā)展的技術(shù)之一，而且已經(jīng)成功應(yīng)用在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中。因此光纖陀螺應(yīng)用到車載慣性穩(wěn)定回路中也將成為必然的趨勢。

1 光纖陀螺慣性平臺穩(wěn)定回路的組成與建模

車載上反射鏡慣性平臺穩(wěn)定回路的主要功能是為了穩(wěn)定瞄準線不受車體運動的干擾使瞄準線始終穩(wěn)定且精確地瞄準目標。慣性平臺穩(wěn)定回路主要是由陀螺、功率放大器、直流電機和負載組成的一個閉環(huán)回路。以垂直（水平）向穩(wěn)定為例，當慣穩(wěn)平臺發(fā)生垂直（水平）向擺動即有干擾力矩Mf輸入時，陀螺相對慣性空間產(chǎn)生一個角度差信號E，此信號經(jīng)過陀螺固有環(huán)節(jié)T（s）輸出給回路校正環(huán)節(jié)G（s），經(jīng)PWM功率放大后驅(qū)動直流電機D（s）轉(zhuǎn)動而使瞄準線保持穩(wěn)定。當回路瞄準目標時，即有輸入信號R時，陀螺相對慣性空間也會產(chǎn)生一個角度差信號E，同樣，此信號也得經(jīng)過上述環(huán)節(jié)以使瞄準線精確跟隨瞄準信號。慣性穩(wěn)平臺穩(wěn)定回路閉環(huán)控制框圖如圖1［4］所示。

由直流力矩電機的工作原理可得其控制圖如圖2所示，其中：J為折算到電機轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)動慣量；Tm為電機的機械時間常數(shù)；Te為電機的電氣時間常數(shù)；Cm是電機力矩系數(shù)；Ce是電機反電勢系數(shù)；Ra是電機電樞的電阻［5］。

圖1 慣性穩(wěn)平臺穩(wěn)定回路閉環(huán)控制框圖

圖2 直流電機控制方框圖

本文以垂直向的慣性平臺穩(wěn)定回路為例進行研究，垂直向直流電機參數(shù)如下：

所以可知：

因此帶負載的垂直向直流電機的數(shù)學(xué)模型為：

光纖陀螺的傳遞函數(shù)如下：

由于光纖陀螺輸出的信號是速率信號，所以應(yīng)將其輸出信號進行積分以變成角度值給PID校正網(wǎng)絡(luò)處理。由此可得到如圖3所示的垂直向慣性平臺穩(wěn)定回路的數(shù)學(xué)模型［6］。

此外，在垂直向穩(wěn)定回路中，二分之一減速機構(gòu)［7］也會產(chǎn)生一個比較小的干擾力矩（低頻時可以忽略），其數(shù)學(xué)模型如圖3中所示。圖3中R為慣性穩(wěn)定回路輸入信號，Y為電機帶動負載轉(zhuǎn)過的角度，Mf為回路的干擾力矩。

圖3 垂直向慣性平臺穩(wěn)定回路的數(shù)學(xué)模型

2 光纖陀螺慣性平臺穩(wěn)定回路的仿真

為了在應(yīng)用前得到采用光纖陀螺的可行性，本文對采用光纖陀螺建立的慣性平臺穩(wěn)定回路進行仿真研究，根據(jù)垂直向慣性平臺穩(wěn)定回路的數(shù)學(xué)模型可建立Simulink仿真框圖［8］，如圖4所示。

圖4 采用光纖陀螺的垂直向慣性平臺穩(wěn)定回路仿真框

1）輸入階躍信號時的仿真結(jié)果，如圖5、圖6

該光纖陀螺誤差0.02mil，設(shè)PID控制器參數(shù)kp＝0.5，ki＝0.05，kd＝30。其中輸入的階躍信號R＝0.05rad。

由仿真結(jié)果可知系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量Sigma＝25.483%，上升時間Tr＝0.019s，進入終值誤差范圍為±5%的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時間Ts005＝0.08s，進入終值誤差范圍為±2%的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時間Ts002＝0.0935s，終值誤差e＜0.025mil。

2）垂直向慣穩(wěn)回路的抗干擾性能仿真

為了驗證PID校正的垂直向慣穩(wěn)回路的抗干擾能力，在電機的輸出力矩處即電機轉(zhuǎn)子上（如圖3中干擾所加位置）加一正弦干擾力矩，其幅值為150g·cm，頻率為2Hz。同時，令輸入R＝0，PID參數(shù)同1）中所設(shè)的一樣，則回路輸出響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖5 垂直向慣穩(wěn)回路的階躍響應(yīng)曲線

圖6 垂直向慣穩(wěn)回路的階躍響應(yīng)誤差曲

圖7 加正弦干擾力矩時的垂直向慣穩(wěn)回路響應(yīng)曲線

3 結(jié)束語

本文建立了光纖陀螺慣性平臺穩(wěn)定回路模型，并采用經(jīng)典的PID控制算法仿真驗證了光纖陀螺的可行性。仿真研究表明，采用光纖陀螺的車載慣性穩(wěn)定平臺穩(wěn)定回路在超調(diào)量、響應(yīng)速度以及穩(wěn)態(tài)誤差方面滿足要求，在抗干擾能力方面也表現(xiàn)良好，由于本文只是對光纖陀螺做了可行性研究，并沒有針對實際應(yīng)用采用更合適的控制算法，所以采用光纖陀螺的慣性平臺的穩(wěn)定精度還有很大的提升空間。目前，經(jīng)過相關(guān)的應(yīng)用試驗，也已證明光纖陀螺不僅可靠性高，在提升慣性平臺穩(wěn)定精度方面也表現(xiàn)突出。下一步的主要工作是進一步提高其魯棒性和動態(tài)性能。

［1］ 周璇.陀螺穩(wěn)定平臺數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

［2］ A Mathews.Utilization of Fiber Optic Gyros in Inertial Measurement Units［J］.Navigation，1990，37（1）：17?38.

［3］ 毋興濤，潘軍，裴態(tài)，等.光纖陀螺穩(wěn)定平臺控制回路設(shè)計分析［A］∥中國慣性技術(shù)學(xué)會學(xué)術(shù)年會［C］，2015.

［4］ 傅建綱.慣性平臺穩(wěn)定回路的設(shè)計研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2005.

［5］ 劉義，郭建都，梅林.基于離散滑模變結(jié)構(gòu)的慣穩(wěn)回路控制研究［J］.指揮控制與仿真，2010，32（6）：113?115.

［6］ 劉義，郭建都，金倩.模糊PID控制的慣性穩(wěn)定回路［J］.火力與指揮控制，2012，37（2）：105?106.

［7］ 韓兆福.車載觀瞄系統(tǒng)［M］.北京：裝甲兵工程學(xué)院，2006.

［8］ 劉金琨.先進PID控制Matlab仿真［M］.第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

Simulation of FOG Used in Stabilization Loop of Vehicle?borne Inertial Stabilization Platform

LIU Yi1，WU Yan?lin2，HAO Jun?xiao3
（1.China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072；2.Baicheng Weapon Test Center，Baicheng 137001；3.Ulanqab Radio and Television University，Ulanqab 012000，China）

In order to prolong the service life of vehicle?borne inertial stabilization platform and improve it’s stabilization ac?curacy，an improved method of using fiber optic gyroscope（FOG）instead of flexible gyroscope on the basis of the mechanical structure of the original platform，the mathematical model is established after that.Simulation results show that the digital stabi?lization loop of the platform have good dynamic and steady performance to meet design requirement.By primary proving experi?mentation，the inertial stabilization platform used FOG can meet requirement.The design has been used in a project.

fiber optic gyroscope；inertial stabilization platform；PID；control loop

TJ811；E917

A

10.3969／j.issn.1673?3819.2016.06.019

1673?3819（2016）06?0093?03

2016?05?28

2016?10?13

劉 義（1982?），男，內(nèi)蒙古察哈爾人，碩士，工程師，研究方向為坦克火控系統(tǒng)。

吳彥林（1979?），男，工程師。

蒿俊曉（1977?），女，講師。