張艷兵,馬鐵華,孫江濤

(1 中北大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院,太原 030051;2 中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051;

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導(dǎo)彈二維加速度過載環(huán)境的離心轉(zhuǎn)盤模擬方法

張艷兵1,2,馬鐵華1,2,孫江濤3

(1 中北大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院,太原 030051;2 中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051;

3 中國空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽 471009)

為了在實驗室條件下檢測導(dǎo)彈關(guān)鍵部件的抗過載能力,提出了一種離心轉(zhuǎn)盤模擬試驗方法。根據(jù)合成加速度的二維矢量分配原理,利用離心機(jī)帶動轉(zhuǎn)臂提供持續(xù)的動態(tài)加速環(huán)境;采用位置速度時間運動控制模式,利用轉(zhuǎn)盤對其合成加速度實時跟蹤和矢量分配,進(jìn)行二維動態(tài)加速度的同步加載,實現(xiàn)導(dǎo)彈加速度過載環(huán)境的模擬。仿真和試驗結(jié)果表明了該方法的可行性和有效性。

加速度過載環(huán)境;離心機(jī);矢量轉(zhuǎn)盤;模擬試驗

0 引言

導(dǎo)彈的加速度過載受氣動布局、發(fā)動機(jī)及彈體結(jié)構(gòu)的約束,是衡量其機(jī)動性能和作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo)。為了在地面環(huán)境測試導(dǎo)彈關(guān)鍵部件的抗過載能力,就必須研究導(dǎo)彈加速度過載環(huán)境的模擬試驗方法。

在地面模擬試驗中,飛行姿態(tài)常用飛行仿真器進(jìn)行模擬[1],加速度過載環(huán)境用離心機(jī)模擬[2]。但是普通離心機(jī)不能提供連續(xù)快速變化的二維動態(tài)過載加速度[3],飛行仿真器不能提供持續(xù)的加速環(huán)境[4],因此都無法應(yīng)用于動態(tài)加速度過載環(huán)境的模擬試驗。

文中以離心機(jī)為主要載體,提供持續(xù)穩(wěn)定的動態(tài)加速環(huán)境,同時用轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)加速度的二維矢量分配,研究了導(dǎo)彈二維動態(tài)加速度過載環(huán)境的模擬試驗方法。

1 離心轉(zhuǎn)盤模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

導(dǎo)彈的加速度過載通常用軸向過載加速度和法向過載加速度評定。軸向加速度越大,導(dǎo)彈的速度變化越快,就能更好的攻擊目標(biāo);法向加速度越大,在相同的速度下,導(dǎo)彈變向的能力就越大,機(jī)動性能就越好,現(xiàn)代先進(jìn)的空空導(dǎo)彈最大法向過載可達(dá)70g。飛行過載環(huán)境模擬試驗要求試品的橫向加速度在0.5 s內(nèi)由0加速到100g(最大),軸向加速度保持50g(最大)不變。導(dǎo)彈二維加速度過載環(huán)境的離心轉(zhuǎn)盤模擬試驗裝置如圖1所示,包括離心機(jī)和轉(zhuǎn)盤兩大部分。離心機(jī)由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)臂加速旋轉(zhuǎn),提供合成加速度;轉(zhuǎn)盤由電機(jī)驅(qū)動,控制試品的轉(zhuǎn)角,進(jìn)行矢量分配。試品被固定在轉(zhuǎn)盤上,轉(zhuǎn)盤圓心與轉(zhuǎn)臂中心相距1 m。轉(zhuǎn)盤的方向設(shè)定如圖2所示。

圖1 離心轉(zhuǎn)盤模擬試驗裝置

圖2 轉(zhuǎn)盤的方向設(shè)定

轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)時,切向加速度、法向加速度、合成加速度分別為:

(1)

式中:At、Ar、A分別為轉(zhuǎn)臂的切向、法向及合成加速度;ω為轉(zhuǎn)臂的角速度;r=1 m為轉(zhuǎn)盤圓心與轉(zhuǎn)臂中心的距離。

根據(jù)二維矢量分配原則,合成加速度可以分解至試品的軸向和橫向,由圖2可知:

(2)

式中:φ為試品的矢量軸轉(zhuǎn)角;Ax、Ay分別為試品軸向和橫向加速度。

因此離心機(jī)旋轉(zhuǎn)時,通過轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)試品的矢量軸轉(zhuǎn)角,把轉(zhuǎn)臂的合成加速度矢量分配為試品的二維加速度,即可滿足導(dǎo)彈過載環(huán)境的模擬試驗要求。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模擬試驗系統(tǒng)控制框圖如圖3所示,包含離心機(jī)控制回路、轉(zhuǎn)盤控制回路和二維加速度測試回路。離心機(jī)由變頻電機(jī)驅(qū)動,對轉(zhuǎn)臂進(jìn)行調(diào)速,電機(jī)和轉(zhuǎn)臂之間的減速比為2∶1;轉(zhuǎn)盤和伺服電機(jī)固定在轉(zhuǎn)臂上,由伺服電機(jī)進(jìn)行軸角控制,電機(jī)軸和轉(zhuǎn)盤之間傳動比為7∶1;試品固定在轉(zhuǎn)盤上,其過載加速度通過加速度傳感器反饋給計算機(jī)。旋轉(zhuǎn)部件上的控制信號及測試信號通過滑環(huán)進(jìn)行傳輸。

圖3 模擬試驗系統(tǒng)控制框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計的幾個關(guān)鍵問題

3.1 試驗系統(tǒng)工作狀態(tài)的設(shè)定

試品的初始軸向加速度為50g,橫向加速度為0,此時試品的軸向指向轉(zhuǎn)臂中心,其軸向與轉(zhuǎn)臂的法向重合,橫向與轉(zhuǎn)臂的切向重合。離心機(jī)勻速旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生50g的法向加速度,切向加速度為0,因此:

(3)

離心機(jī)轉(zhuǎn)臂的角速度ω1為22.14 rad/s。

0.5 s后穩(wěn)態(tài)飛行時,離心機(jī)勻速旋轉(zhuǎn),試品的橫向加速度為100g,軸向加速度為50g,轉(zhuǎn)臂的法向加速度、切向加速度為:

(4)

離心機(jī)轉(zhuǎn)臂的角速度ω2為33.1 rad/s。

試品矢量軸轉(zhuǎn)角為:

φ

3.2 系統(tǒng)各部分轉(zhuǎn)動慣量的計算

轉(zhuǎn)軸的總轉(zhuǎn)動慣量:

J轉(zhuǎn)軸系=37.553 5 kg·m2

變頻調(diào)速電機(jī)軸系部分總的轉(zhuǎn)動慣量:

J離心軸承=0.627 7 kg·m2

變頻電機(jī)軸和轉(zhuǎn)軸的減速比i1=2,因此折算到變頻調(diào)速電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為:

轉(zhuǎn)盤軸系總的轉(zhuǎn)動慣量:

J轉(zhuǎn)盤軸系=0.085kg·m2

伺服電機(jī)軸系總轉(zhuǎn)動慣量:

J伺服軸系=6.5×10-4kg·m2

減速比i2=7,因此折算到伺服電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動慣量:

=2.385×10-3kg·m2

3.3 變頻電機(jī)的選擇

因此可以選擇極對數(shù)為4,功率37kW的三相異步調(diào)速電機(jī),其額定轉(zhuǎn)矩為470N·m,額定轉(zhuǎn)速為750r/min。

3.4 伺服電機(jī)的跟蹤能力

由式(2)得到試品矢量軸轉(zhuǎn)角曲線如圖4所示。一次微分和二次微分后得到試品的角速度及角加速度曲線如圖5和圖6所示。

圖4 試品矢量軸轉(zhuǎn)角仿真曲線

圖5 試品矢量軸轉(zhuǎn)角速度曲線

伺服電機(jī)輸出扭矩為:

T伺服電機(jī)=J伺服電機(jī)軸·7α試件軸角

(5)

伺服電機(jī)扭矩加載曲線如圖7所示。

試品在0.5s內(nèi)旋轉(zhuǎn)63.43°,角加速度的最大值為389.34rad/s2,伺服電機(jī)輸出最大扭矩為6.5N·m,因此選擇三相永磁交流同步伺服電機(jī),其連續(xù)轉(zhuǎn)矩為8.6N·m,峰值轉(zhuǎn)矩位21.9N·m,最大轉(zhuǎn)速為6 000r/min,伺服電機(jī)完全能夠響應(yīng)。

圖6 試品矢量軸轉(zhuǎn)角加速度曲線

圖7 伺服電機(jī)扭矩加載曲線

3.5 試品矢量軸轉(zhuǎn)角位移的控制

試品矢量軸轉(zhuǎn)角的控制決定了試品二維過載加速度的精度。為了提高轉(zhuǎn)盤的跟蹤能力,本系統(tǒng)通過運動控制卡(PMAC)執(zhí)行運動控制程序,以PVT(位置速度時間)運動模式,通過伺服電機(jī)控制軸角位移。PMAC在每個伺服環(huán)內(nèi),根據(jù)規(guī)劃好的軌跡計算新的指令位置,輸出±10V的模擬量信號。

PVT運動模式把矢量軸轉(zhuǎn)角曲線按照控制精度分成多個小段,每段的位置運動規(guī)律用兩點三次Hermite插值多項式擬合[6]:

(6)

式中:P是每段的位置;V是每段的速度。

只需根據(jù)圖4和圖5指定段點位置,速度和運行時間,控制卡會計算滿足約束條件的每段的運動軌跡,對軸角位移進(jìn)行更緊湊的控制。

4 現(xiàn)場模擬試驗

本系統(tǒng)在某導(dǎo)彈慣性部件的二維動態(tài)加速度過載環(huán)境模擬試驗中已經(jīng)成功應(yīng)用,設(shè)定導(dǎo)彈的軸向加速度為20g,橫向加速度在0.5 s內(nèi)由0加速到40g,實測的加速度曲線如圖8所示。從圖8可以看出,試件的橫向加速度在494 ms內(nèi)從0達(dá)到40g,而軸向加速度為20g,控制誤差在±3%以內(nèi),較好的模擬了導(dǎo)彈的二維動態(tài)加速度過載環(huán)境。

圖8 實測二維加速度曲線

5 結(jié)論

文中依據(jù)合成加速度的二維矢量分配原理,提出了離心轉(zhuǎn)盤模擬試驗方法,用離心機(jī)提供持續(xù)的動態(tài)加速環(huán)境,同時用伺服電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤,模擬導(dǎo)彈的二維動態(tài)加速度過載環(huán)境。實測結(jié)果表明:該模擬試驗系統(tǒng)在500 ms內(nèi)建立所需的加速度,滿足模擬試驗的要求,為導(dǎo)彈關(guān)鍵部件的地面模擬試驗提供了實用化的平臺。

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Simulation Method of Two-dimensional Acceleration Overload Environment for Missiles Based on Turntable and Centrifuge

ZHANG Yanbing1,2,MA Tiehua1,2,SUN Jiangtao3

(1 School of Computer Science and Control Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2 National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China; 3 China Airborne Missile Academy, Henan Luoyang 471009, China)

To test anti-overload ability of missile key components under laboratory conditions, a test method based on a turntable and a centrifuge was proposed. According to the vector distribution principle of synthetic acceleration, the continuous dynamic acceleration environment was reproduced by the centrifuge. The real-time tracking and vector distribution of synthetic acceleration were achieved by the turntable based on the motion control mode of position-velocity-time. A two-dimensional dynamic acceleration was loaded synchronously, therefore, the acceleration overload environment for missiles was simulated. The results of simulation and experiment demonstrate feasibility and effectiveness of the proposed method in this paper.

acceleration overload environment; centrifuge; vector turntable; simulation test

2015-08-25

重點實驗室基金資助

張艷兵(1973-),男,漢,山西臨猗人,副教授,博士研究生,研究方向:動態(tài)測試與智能控制。

TP273

A