动力调谐陀螺键合图建模及控制方法研究张连超，范大鹏，范世珂，庞新良(国防科学技术人学机电工程与自动化学院，湖南长沙410073)摘要：键合图方法是一种统一处理多种能量范畴的工程系统的动态分析图形化方法。本文根据陀螺的结构原理建立了动力调谐陀螺的开环键合图模烈，模型能够正确反映陀螺的特性,根据模型设计了陀螺的再平衡冋路闭环解耦控制器，应用2(?sim软忡对结构和控刮i体的陀螺闭环模型进行了仿貞•，仿真结果表明设计的闭环解耦控制器能够显著降低动力调谐陀嵯两轴之间的固冇耦合作用，结构和控制一体化的建模和仿真方泣言利于实现陀螺逐制系统的快速设计。关键词：固体力学；动力调谐陀螺；键台图；建模；解耦；仿真中图分类号:0518文献标志码：A文章编号：1()()()■1093(2008)()7・()798・()8ResearchonModelingandControllingMethodofDjuamicallyTunedGyroscopeBasedonBondQ*aphZHANGLiairchao,FANDa-peng,FANShi-xun,PANGXiirliang(SchoolofMechatronicsEngineeringandAutomation,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,Hunan,China)Abstract:Bondgraphmethodisaunifiedgraphicmethodformodelingofengineeringsystemsinseveraldifferentenergydomain.ThispapermodelstheopenloopsystemofaDynamicallyTunedGyroscope(DTG)usingbondgraphaccordingtoitsstructure,whichcanexpressthecharacteristicoftheDTG・Theclose-loopdecouplingcontrollerofrebalanceloopoftheDTGisdesigned,andtheintegrativeclose-loopsystemofstructureandcontrolissimulatedusing2(>simsoftware.Thesimulationresultsindicatesthattheclose-loopdecouplingcontrollercandecreasetheintrinsiccouplingeffectsignifi-cantly,theintegrativemodelingandsimulationmethodbasedonbondgraphisconvenienttodesignthecontrollerofDTGrapidly・Keywords:solidmechanics;dynamicallytunedgyroscope;bondgraph;modeling;decoupling;simu・lation0引言动力调谐陀螺作为一种中高精度、成本低廉的惯性仪表已广泛应用于导弹、坦克、舰船等军事领域，在一定时期Z内仍是惯性测量主要元#-Z，-3；o传统的陀螺结构模型的分析，采用传递函数分析方法,推导过程复杂，直观性不好，不便于分析陀螺由于制造谋差带來的影响，也不利于实现结构和控制一体化建模与仿真。键合图方法提供了i种统i处理多种能量范畴的工程系统的动态分析图形化方法⑷，该方法具有图形描述与数学描述的统一性，利用键合图模型可方便地利用计算机口动建立状态方程并进行仿真。其研究方向主要在键介图的理论和应用研究、系统收稿日期:2007-06-04作者简介:张连超(1979—)，男，讲师。Email:lchzang@nuck・cdu.cn;范大鹏(1964T■男，教授■博士生导师分析研究、以及系统概念设计研究。目前键合图应用最广泛的领域是机械和力学系统，如对多体动力系统、分布力学系统、结构动力学、机器人、热力学、液压系统和电子系统W5-7,o20-sim软件作为一种动态系统的建模和仿真软件，能够以框图、键合图以及方程的方式快速建立系统模型，并可进行联合仿真。文献(8・9/分别给出了单自由度和二自由度Cardan陀螺的键合图模型，显示了陀螺系统键合图模型的直观性，然而尚没有文献介绍关于动力调谐陀螺的键介图模型。本文介绍了传统的传函分析方法推导出的陀像开环传递函数模型。给出了动力调谐陀螺的平衡环及转子的键合图欧拉连接结构(臼S),考虑各组件之间的连接关系和施加在转子上的外部力矩建立了动力调谐陀螺的开环键合图模型，在2(>sim软件中对模型进行了仿真，并与陀螺开环传递函数模型的仿其结果进行比较说明了键合图模型的有效性。以陀螺再平衡回路的闭环解耦控制器为例，说明了这种结构控制一体化仿真的优越性。1开环传递函数与开环键合图模型11陀螺坐标系的建立在进行陀螺传递函数分析和用键合图进行建模Z前,都需要建立三个旋转坐标系⑴：Ox小驱动轴固连,称为驱动轴坐标系，记作1系；Ox2y2Z2r与平衡环固连,称为平衡环坐标系，记作2系；转子固连，称为转子坐标系，记作3系。还需建立一个与转子固连但不参与自转的转子参考处标系Oxyz.该系的0...