b陀螺儀原理2運動方程

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1、二自由度陀螺儀運動方程：初步分析從定性到定量描述：需要引入坐標系外框架、內(nèi)框架和轉(zhuǎn)子的自由度坐標系的選取：固定（基座）坐標系XYZ外框架坐標系x1y1z1內(nèi)框架坐標系xyz轉(zhuǎn)子坐標系x’y’z’運動方程的任務(wù)：描述當沿著內(nèi)外框架軸施加力矩時，陀螺框架角α、β的變化規(guī)律建立運動方程的方法：動量矩定理+苛氏轉(zhuǎn)動坐標定理二自由度陀螺儀運動方程：矢量表示轉(zhuǎn)子相對慣性空間的角速度：需要合成內(nèi)框架坐標系相對慣性空間的角速度：轉(zhuǎn)子相對內(nèi)框架的角速度：轉(zhuǎn)子的絕對角速度：轉(zhuǎn)子的動量矩：二自由度陀螺儀運動方程：推導(dǎo)根據(jù)動量矩定理和苛氏定理其中二自由度陀螺儀運動方程：合并簡化對每個坐標分量，分別寫出

2、方程以上稱變態(tài)歐拉動力學(xué)方程實際的陀螺中，一般赤道轉(zhuǎn)動慣量Jx=Jy，由第三式可得陀螺馬達穩(wěn)態(tài)工作時，驅(qū)動力矩和摩擦力矩抵消，因此對前兩式，ω的各分量遠小于dγ/dt，忽略高階小量，得到簡化方程關(guān)于框架角速度和外加力矩的方向二自由度陀螺儀運動方程：角速度投影角速度的投影內(nèi)框架坐標系xyz的ω等于兩個歐拉角速度的矢量和根據(jù)投影代入簡化方程，得到求導(dǎo)式展開忽略高階小量，得到二自由度陀螺儀運動方程：力矩投影忽略高階小量，得到力矩的投影：Mx1和Mx之間代入前式，得到實際β角很小，上式簡化成上式稱為陀螺儀的技術(shù)方程。技術(shù)方程的物理意義（慣性力矩和進動力矩）二自由度陀螺儀轉(zhuǎn)子軸描述：軌跡

3、平面轉(zhuǎn)子軸運動軌跡（位置）的描述轉(zhuǎn)子軸運動過程中，在空間掃描出一個錐面轉(zhuǎn)子軸在中心球面上的交點劃出的一段曲線將球面展開，得到廣義的坐標平面兩個框架角為描述轉(zhuǎn)子軸位置或運動的廣義坐標（類似地球的經(jīng)緯度）二自由度陀螺儀系統(tǒng)模型：拉氏變換二自由度陀螺儀的技術(shù)方程拉氏變換整理當初始條件都為零，得到二自由度陀螺儀系統(tǒng)模型：系統(tǒng)方塊圖拉氏變換方程改寫方程，畫出系統(tǒng)方塊圖二自由度陀螺儀系統(tǒng)模型：只考慮Mx1系統(tǒng)方塊圖分析每個力矩都同時引起陀螺儀的兩種運動陀螺力矩耦合內(nèi)外框架的運動單個外加力矩如何分別影響陀螺內(nèi)外框架的運動？令My=0，只考慮Mx1對外框架角α的影響：對內(nèi)框架角β的影響：二自由

4、度陀螺儀系統(tǒng)模型：穩(wěn)態(tài)分析反饋系統(tǒng)，如果前向通道有積分環(huán)節(jié)，則其穩(wěn)態(tài)特征一般主要由反饋通道決定穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，令上式中s→0，則等效彈簧效應(yīng)進動效應(yīng)二自由度陀螺儀系統(tǒng)模型：傳遞函數(shù)拉氏變換方程求解兩個框架角α、β，得到由此可以得到從Mx1、My分別到α和β的四個傳遞函數(shù)改寫分母項固有振蕩頻率二自由度陀螺儀脈沖響應(yīng)：初始分析沖擊力矩的數(shù)學(xué)模型：脈沖函數(shù)，數(shù)值極大，時間極短，對時間的積分是一個有限值陀螺技術(shù)方程設(shè)力矩作用前，初始條件均為零沖擊力矩開始作用后，慣性力矩極大，陀螺力矩可忽略，得到t1時刻兩個框架獲得的角速度t1時刻兩個框架轉(zhuǎn)過的角度t1后，力矩消失，技術(shù)方程變?yōu)榛谛碌某跏紬l

5、件，做拉氏變換二自由度陀螺儀脈沖響應(yīng)：拉氏變換考慮t1時刻的新初始條件，進行拉氏變換求解α(s)和β(s)，得到部分分式展開，并令ω02=H2/(Jx·Jy)，得到二自由度陀螺儀脈沖響應(yīng)：反變換求反拉氏變換，得為了簡化分析，只考慮沿著外框架軸的力矩Mx1的影響二自由度陀螺儀脈沖響應(yīng)：只考慮Mx1設(shè)Jx=Jy=Je，第二式可以寫成可見，力矩Mx1引起轉(zhuǎn)子軸同時繞內(nèi)外兩個框架作等幅振蕩，相位相差90度。消去時間變量，得到軌跡方程軌跡是圓，半徑…圓心…頻率…二自由度陀螺儀脈沖響應(yīng)：計算例子例子：設(shè)Jx=Jy=Je=1.38克·厘米·秒2，H=5160克·厘米·秒，Mx1=36200克

6、·厘米，t1=1×10-5秒。（注：克=克重，相當于每克物體的重量）章動的幅度（半徑）角分章動的特點：高頻、微幅二自由度陀螺儀階躍響應(yīng)：輸入輸出如果陀螺儀受到的力矩為常值，可以用階躍函數(shù)表示：陀螺系統(tǒng)的初始條件都為零時，頻域輸出響應(yīng)為反拉氏變換，令ω02=H/(Jx·Jy)得時域響應(yīng)：包含穩(wěn)態(tài)解、暫態(tài)解簡化分析，只考慮My的影響，令Mx1=0，并設(shè)Jx=Jy=Je穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和動態(tài)響應(yīng)分析二自由度陀螺儀階躍響應(yīng)：時域響應(yīng)二自由度陀螺儀階躍響應(yīng)：軌跡對前式移項后兩邊平方相加，得到轉(zhuǎn)子軸的軌跡方程旋輪線：圓周運動（章動）和平移運動（進動）的合成。解釋：圓周運動線速度：圓心移動速度：兩種

7、運動合成的結(jié)果：車輪無摩擦滾動——旋輪線其中進動起主導(dǎo)作用二自由度陀螺儀階躍響應(yīng)：計算例子例題：My=1克·厘米；H=10000克·厘米·秒；Jx=Jy=Je=4克·厘米·秒2；常值干擾力矩作用時間t=60秒；計算：陀螺漂移率漂移的角度章動振幅章動頻率常值干擾力矩的產(chǎn)生原因及影響二自由度陀螺儀正弦響應(yīng)：輸入輸出如果作用在陀螺儀上的外加力矩方向不斷改變，大致可以用簡諧函數(shù)描述初始條件都為零時，陀螺頻域輸出響應(yīng)為做部分分式展開以及反拉氏變換，并令ω02=H2/(Jx·Jy)，得二自由度陀螺儀正弦