遲圣威，朱 鐳,李世堯,韓 瑞,王明超,施道云

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所,西安 710065)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

先進瞄準(zhǔn)吊艙動態(tài)特性仿真與測試的工程化方法

遲圣威，朱 鐳,李世堯,韓 瑞,王明超,施道云

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所,西安 710065)

瞄準(zhǔn)吊艙的伺服單元和結(jié)構(gòu)單元成強耦合關(guān)系,為了使系統(tǒng)獲得良好的伺服特性，需要對系統(tǒng)諧振進行抑制;利用電機掃頻獲得系統(tǒng)重要諧振點，給出基于質(zhì)量特性與傳力路徑方式雙重模式并行的瞄準(zhǔn)吊艙分析模型簡化方法，并根據(jù)吊艙結(jié)構(gòu)特征詳細設(shè)計和實施了模態(tài)測試方案;最后提出一種基于頻率區(qū)間逼近與振型視覺匹配雙重評價指標(biāo)的模型快速確認(rèn)方法，它使仿真結(jié)果和測試結(jié)果能迅速直接進行閉環(huán)驗證;整個仿真-測試鏈路方便設(shè)計人員掌握，具有很強的工程實用性。

先進瞄準(zhǔn)吊艙;伺服特性;雙模并行簡化方法；模型確認(rèn)；閉環(huán)驗證；仿真-測試鏈路

瞄準(zhǔn)吊艙作為一個光機電集成度很高的復(fù)雜系統(tǒng)，為了實現(xiàn)高精度穩(wěn)定瞄準(zhǔn)的目的，吊艙自身需要有良好的穩(wěn)定能力。帶寬是評價伺服系統(tǒng)穩(wěn)定能力的重要指標(biāo)，在工程實踐中，低頻諧振對伺服帶寬的限制作用非常明顯，有效地抑制諧振是瞄準(zhǔn)系統(tǒng)發(fā)揮作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素[1]。

消除或減小機械諧振對系統(tǒng)品質(zhì)的影響，主要可以從結(jié)構(gòu)和伺服兩個方面采取措施。從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，主要是提高固有頻率和增大阻尼。提高固有頻率的方法一是提高系統(tǒng)剛度，對于機載平臺這樣有嚴(yán)格重量要求的產(chǎn)品，低頻往往對應(yīng)整體模態(tài)，剛度的提高和設(shè)計約束相協(xié)調(diào)在實際工程中不是一個簡單的問題。二是增加系統(tǒng)阻尼，合理選用和布置減振器，不過由于安裝空間、位置和減振器自身性能的限制往往和理想的狀態(tài)有一定的差距。從伺服的角度出發(fā)，主要是通過增加定頻陷波器、降低系統(tǒng)伺服帶寬等措施來抑制諧振[2]。這些方法都會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利的影響。采用陷波器會降低伺服控制系統(tǒng)的相位裕度；降低帶寬會降低系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。

不論采用哪一種抑振手段，首要問題是全面準(zhǔn)確地獲得所關(guān)注頻率下系統(tǒng)振動的完整信息。比如，若采用較為常用的陷波濾波器，則需要獲得準(zhǔn)確的頻率和振幅信息。若采用基于加速度反饋的抑振補償算法，它的效果更是依賴于數(shù)學(xué)模型建立的準(zhǔn)確度。而通過增加結(jié)構(gòu)剛度提高系統(tǒng)固有頻率，也需要觀察振型判斷結(jié)構(gòu)在該階振動時的薄弱位置，才能避免設(shè)計的盲目性。

一般來說，伺服系統(tǒng)會通過電機掃頻判斷哪一階諧振對系統(tǒng)性能造成不利影響。而結(jié)構(gòu)上則通過有限元分析和模態(tài)測試對獲取該階模態(tài)數(shù)據(jù)，有限元分析有預(yù)試驗的作用，它往往能在測試通道有限的條件下指導(dǎo)試驗人員更合理的布置傳感器。而試驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)不僅可以驗證有限元計算結(jié)果，而且由于理論模型和工程樣機有一定的差別，從實踐的角度出發(fā)一般認(rèn)為模態(tài)試驗的結(jié)果更能說明問題。

1 瞄準(zhǔn)吊艙與伺服特性

1.1 先進瞄準(zhǔn)吊艙系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的兩軸四框架隔離穩(wěn)定平臺形式不同，先進瞄準(zhǔn)吊艙屬于典型的二級穩(wěn)定平臺，既通過陀螺穩(wěn)定平臺實現(xiàn)粗級穩(wěn)定，通過快速反射鏡(FSM)實現(xiàn)精級穩(wěn)定，最終系統(tǒng)穩(wěn)定精度可以接近甚至達到微弧級，代表未來光電吊艙的發(fā)展方向，這種高精度穩(wěn)定平臺對振動的隔離度提出了更高的要求[3]。

當(dāng)系統(tǒng)裝配完成后，需要對伺服系統(tǒng)進行調(diào)試和驗證。新型光電吊艙采用“三光合一”的共窗口共光路設(shè)計，其光學(xué)平臺上安裝有卡賽格林系統(tǒng)、多種傳感器、復(fù)雜分光系統(tǒng)和其他功能組件(圖1)，和傳統(tǒng)整體穩(wěn)定平臺的分立傳感器安裝方式有很大不同[4]。二級穩(wěn)定平臺的伺服系統(tǒng)特性也需要通過測試來判斷其與傳統(tǒng)整體穩(wěn)定平臺相比較性能提升的情況[5-6]。

1.2 伺服掃頻分析

伺服系統(tǒng)掃頻時，通過頻譜分析儀對系統(tǒng)發(fā)送正弦信號(圖2)，控制器負(fù)責(zé)控制信號的偏差，將信號放大后傳遞給執(zhí)行電機，執(zhí)行電機驅(qū)動平臺負(fù)載響應(yīng)。最后從安裝在平臺負(fù)載上的陀螺儀采集到反饋信號一路構(gòu)成閉環(huán)回路，一路返回到頻譜分析儀。通過頻譜分析儀中的數(shù)據(jù)處理軟件將閉環(huán)曲線換算成開環(huán)曲線(圖3)，分析系統(tǒng)的諧振頻率。

從掃頻結(jié)果分析，在20 Hz附近和69.14 Hz位置各有一個諧振點。其中69.14 Hz位置處幅值和相位變化較大，伺服系統(tǒng)難以有效抑制該諧振，需要從結(jié)構(gòu)的角度抑制該階振動。

1.卡賽格林系統(tǒng)；2.光學(xué)平臺；3.內(nèi)環(huán)框架；4.外環(huán)框架；5.電子箱；6.分光系統(tǒng)；7.熱像傳感器；8.電視傳感器；9.快速反射鏡；10.激光傳感器；11.陀螺組件；12.方位電機；13.俯仰電機；14.其他功能組件

圖1 二級穩(wěn)定吊艙結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 伺服系統(tǒng)掃頻示意圖

圖3 頻譜分析

2 瞄準(zhǔn)吊艙動力學(xué)仿真技術(shù)

2.1 雙模并行的模型簡化技術(shù)

有限元分析是獲得結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的有效手段。在對光電吊艙進行系統(tǒng)級的結(jié)構(gòu)有限元分析時，由于計算機資源和運算效率的限制，需要對吊艙進行一定程度的簡化[7]。經(jīng)過長期的探索，提出了基于質(zhì)量特性與傳力路徑雙重模式并行的簡化方法。

1) 光電傳感器位于傳力路徑的最前端，所以在力學(xué)仿真時可以直接簡化成集中質(zhì)量點。

2) 非承重工藝件由于自身重量較輕，且不在傳力路徑上，當(dāng)它們的質(zhì)量之和小于總質(zhì)量的百分之五，可以舍棄。

蔣介石在國民黨執(zhí)政的二十余年間，隨著個人權(quán)勢及外在環(huán)境的變化，不同時期對于黨義闡述的重點和指向會有不同，其宣導(dǎo)的對象亦在不斷擴大，但隨著國民黨在大陸失敗的臨近，其宣導(dǎo)的效果及實際影響的范圍不斷衰微。

3) 機電組件物理力學(xué)特性不明，但位于結(jié)構(gòu)傳力路徑中，可以在原始幾何外形的基礎(chǔ)上，通過等效質(zhì)量原則對該組件賦予相應(yīng)密度。同時以最為接近的材料(如各種常用金屬)做參考，賦予彈性模量等物理參數(shù)。

4) 軸承等標(biāo)準(zhǔn)件成對使用時，由于其質(zhì)量特性相同，可以合并以減小計算規(guī)模。高效率的模型簡化方式往往對精度不利，但從系統(tǒng)級仿真角度出發(fā)，合理簡化的結(jié)果應(yīng)該在所需的精度范圍內(nèi)。

2.2 動力學(xué)分析網(wǎng)格特性與計算結(jié)果

模態(tài)分析的網(wǎng)格劃分和應(yīng)力計算有一定的區(qū)別[8]，特別是伺服系統(tǒng)往往最關(guān)心前幾階模態(tài)，且一般都是整體模態(tài)。此時網(wǎng)格不需要很密，應(yīng)盡量適度均勻。這樣不僅保證了精度也節(jié)約了計算資源。如式(1)，雖然求解的是特征值問題，但與靜力學(xué)問題相比計算機所占用的資源依然高出一個數(shù)量級。

(1)

表1 有限元前5階模態(tài)頻率計算結(jié)果

3 瞄準(zhǔn)吊艙動力特性的快速模態(tài)試驗方法

3.1 模態(tài)測試方案

由于瞄準(zhǔn)吊艙的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，這里選擇激勵點固定，多點輪流測量的激勵方法。模態(tài)測試時吊艙的安裝狀態(tài)要與伺服掃頻時一致，這樣也就確定了吊艙的固定邊界條件。根據(jù)伺服掃頻的頻段選擇剛度相對較差的橡膠錘頭。對于現(xiàn)場實測，由于調(diào)試時間緊張，相對于產(chǎn)品的移動，采用便攜式測試系統(tǒng)是更為方便和實用的選擇。M+P振動測試系統(tǒng)(圖4)有多個分立的模塊，每一個模塊都有十幾個通道，可以分別攜帶。這種方法的缺點是通道相對較少，一次只能模擬出5個點(每個點有x,y,z三個方向)。但可以通過改變測點位置后多次測量，最后將多次測量數(shù)據(jù)合成，得到最后系統(tǒng)的頻響函數(shù)[9-10]。

圖4 模態(tài)試驗設(shè)備

圖5 內(nèi)外環(huán)布點位置

為了獲得合理的測試結(jié)果，一般認(rèn)為對于作為固定邊界條件的工裝其第一階固有頻率要比產(chǎn)品高3～5倍才能讓誤差降低到可以接收的范圍。有時受到條件的限制，簡單的將調(diào)試工裝作為測試工裝使用。因為考慮搬運、裝調(diào)的人機工效，此類工裝一般質(zhì)量較輕，剛度較差，有時伺服上電后工裝還會出現(xiàn)明顯晃動。在這種條件下測試會導(dǎo)致測試結(jié)果具有大的誤差甚至錯誤。掃頻測試中20 Hz附近的諧振點不是由吊艙本身產(chǎn)生的(圖3)，而是由不合理的調(diào)試工裝產(chǎn)生的，通過更換剛性更好的調(diào)試工裝可使該諧振點消失。所以，務(wù)必選擇動態(tài)特性好的測試工裝。

3.2 系統(tǒng)辨識

頻響函數(shù)是在頻域內(nèi)描述的被測系統(tǒng)動力學(xué)特征，實測所得的頻響函數(shù)是模態(tài)參數(shù)識別的依據(jù)，模態(tài)參數(shù)辨識一般分為兩個階段。第一階段運用多參考時域法(PTD)辨識出模態(tài)頻率，通過式(2)中系數(shù)矩陣[α]轉(zhuǎn)換到Z域中矩陣多項式，求解該多項式特征方程的特征值，再將其轉(zhuǎn)換到頻域即可求出模態(tài)頻率λi。特征向量就是模態(tài)參與向量[L]。

(2)

第二階段運用多參考點最小二乘頻域法計算出模態(tài)振型。在選取的頻率范圍內(nèi)，通過一致性圖確定合理的模型階數(shù)。頻響函數(shù)矩陣[H(ωi)]和每一階的模態(tài)振型{ψ}之間的關(guān)系由式(3)含有模態(tài)頻率成份的對角陣[B(λi)]和模態(tài)參與向量[L]聯(lián)系起來[11]。最終的辨識結(jié)果如圖6所示。

(3)

圖6 模態(tài)辨識結(jié)果

4 模型確認(rèn)與結(jié)構(gòu)改進

一般對動力學(xué)模型進行精確確認(rèn)需要運用模態(tài)置信準(zhǔn)則，即用MAC值大于一定百分比來說明兩個模態(tài)之間的相關(guān)性。事實上，一般設(shè)計人員缺乏更為深入的動力學(xué)知識，對于類似的判據(jù)缺乏了解，而頻率和振型的概念卻是設(shè)計人員普遍掌握的。在工程應(yīng)用中僅僅通過仿真振型和試驗振型配對，直接觀察有限元軟件和模態(tài)測試軟件中的振型動畫就能夠判斷所獲得的模態(tài)結(jié)果是否準(zhǔn)確，這就是所謂模態(tài)振型的視覺比較。

通過頻率區(qū)間逼近量的確認(rèn)(定量)和振型視覺匹配(定性)雙重評價指標(biāo)判別計算和測試的正確性，其優(yōu)點在于可以直接獲取結(jié)果，不需要進一步后處理，非常適用于進度較為緊張和模型較為復(fù)雜的實際工程產(chǎn)品。

從表2可以看出實測和仿真的結(jié)果吻合非常好，頻率預(yù)測誤差都在3%以下。而對第一階模態(tài)的振型動畫進行觀察，可以看出，兩者的振型描述是一致的，都是繞方位軸一階彎曲，沿左右方向并傾斜一定的角度。

通過觀察振型動畫(圖7)，對靠近上部安裝面彎曲相對較大位置適當(dāng)加強。在隨后的伺服掃頻過程中69.14 Hz位置的峰值沒有出現(xiàn)，顯著地提高了二級穩(wěn)定吊艙的性能。

表2 仿真與試驗結(jié)果

圖7 振型視覺匹配

5 結(jié)論與展望

瞄準(zhǔn)吊艙的動態(tài)特性十分復(fù)雜，大多數(shù)情況下無法直觀顯示，從仿真和測試分析中可以快速定位影響伺服性能的結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。在實際設(shè)計工作中，結(jié)構(gòu)仿真和測試技術(shù)已經(jīng)逐漸成為設(shè)計人員的基本功，仿真和測試工作設(shè)計化是未來瞄準(zhǔn)吊艙仿真和測試技術(shù)發(fā)展的方向。除了仿真軟件和測試設(shè)備的易用性，甚至“傻瓜化”以外，對光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)仿真和測試技術(shù)建立簡單直觀的流程規(guī)范亦體現(xiàn)了易用性的內(nèi)在要求。本文通過對先進瞄準(zhǔn)吊艙全鏈路的仿真-測試流程闡述了這樣的思想?；谝陨戏治?，得到如下結(jié)論：

1) 選擇合理的試驗工裝可以降低甚至消除其對吊艙本身動態(tài)特性的影響，也能更好的滿足伺服工程系統(tǒng)調(diào)試的要求；

2) 瞄準(zhǔn)吊艙雙模并行的簡化方法不僅能夠使仿真模型合理簡化，分析過程高效迅速，所占用的資源也大為降低。也能獲得較為準(zhǔn)確的模型動態(tài)特性；

3) 傳感器內(nèi)外環(huán)對稱安裝布局能夠很好地模擬瞄準(zhǔn)吊艙整體模態(tài)振型，而仿真與測試之間通過簡單的頻率區(qū)間逼近和直觀的振型動畫匹配能快速的驗證仿真分析結(jié)果。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Engineering Method of Advanced Targeting Pods Dynamic Simulation and Test

CHI Sheng-wei, ZUI Lei, LI Shi-yao, HAN Rui, WANG Ming-chao, SHI Dao-yun

(Xi’an Institute of Applied Optic, Xi’an 710065, China)

Servo unit and structural unit of stabilized sighting pods had a strong coupling relationship. In order to make the system obtain good servo characteristics, system resonance had to be suppressed. We got system resonance with generate frequency-sweep by a motor. And we given stabilized sighting pod analysis model based on the dual parallel mode simplified method of quality characteristics and load transfer path, and detailed designed and implemented modal testing plan. Finally, a double evaluation method based on the frequency range approximation and vibration visual match cam to quickly identify models was peoposed. The results between simulation and test had direct, quick closed-loop verification. And simulation-test link is that traditional designer could easy to learn, which meets strong engineering practicality.

advanced targeting pod; servo characteristics; dual-mode parallel simplified method;model validation;closed-loop verification; simulation-test link

2016-10-11；

2016-11-09 基金項目：“十二五”兵器預(yù)研支撐基金項目(6202070139)

遲圣威(1983—),男，博士研究生，工程師，主要從事光電吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真與優(yōu)化技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.03.004

遲圣威,朱鐳,李世堯,等.先進瞄準(zhǔn)吊艙動態(tài)特性仿真與測試的工程化方法[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(3):18-21.

format:CHI Sheng-wei, ZUI Lei, LI Shi-yao, et al.Engineering Method of Advanced Targeting Pods Dynamic Simulation and Test[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):18-21.

V271.4；TN30

A

2096-2304(2017)03-0018-04