La tourelle de test inertiel à deux axes est l'équipement central du système de navigation inertielle, du test de performance du système de contrôle d'attitude, fournissant une référence d'attitude précise et une excitation de mouvement pour les dispositifs inertiels tels que les gyroscopes, les accéléromètres et les systèmes inertiels en simulant le mouvement angulaire du porteur dans l'espace bidimensionnel. Les performances techniques de la tourelle déterminent directement la précision et la fiabilité des tests inertiels, qui reposent sur des principes de contrôle de mouvement de haute précision et une conception structurelle hautement rigide et à faible interférence. Cet article sera détaillé à partir de la logique de base du contrôle de mouvement, de la technologie clé et de la composition de base de la conception structurelle, des points de conception, révélant les mécanismes intrinsèques de sa mise en œuvre de la simulation de mouvement angulaire de haute précision.

I. principe de contrôle de mouvement de la tourelle d'essai d'inertie à double axe

L'objectif principal du contrôle de mouvement de la tourelle d'essai inertielle à deux axes est de réaliser un mouvement angulaire indépendant ou lié de deux axes orthogonaux (généralement l'axe azimutal par rapport à l'axe de tangage), répondant aux besoins de simulation d'attitude dans différents scénarios d'essai, tels que la rotation à vitesse constante, Le positionnement angulaire, le balancement sinusoïdal, etc. Son principe de contrôle est basé sur le contrôle en boucle fermée de la « génération d'instructions - rétroaction du signal - correction d'erreur», intégrant des technologies clés telles que la résolution cinématique, l'asservissement, la détection de haute précision et d'autres, pour assurer la précision du Mouvement angulaire de sortie avec la performance de réponse dynamique.

(i) logique de contrôle de base: architecture de contrôle en boucle fermée

Le système de mesure et de contrôle est une partie importante de la tourelle, dont les principales fonctions se résument à: réaliser la stratégie d'asservissement du système, compléter les performances techniques et les fonctions du système, garantir le fonctionnement normal et sûr du système.

1. Le principe: le contrôle de la tourelle est basé sur la théorie du contrôle d'erreur, c'est - à - dire que la différence entre la valeur de l'instruction et la valeur de la rétroaction est une erreur, l'objectif idéal du contrôle est de rendre l'erreur nulle. Cette erreur produit une valeur de tension après des opérations telles que l'algorithme PID, l'algorithme de correction d'alimentation, l'algorithme de compensation de frottement, etc., puis la valeur de tension est sortie via une carte d / a industrielle universelle en entrée d'un pilote de moteur qui pilote le moteur en fonction d'une tension donnée Pour réaliser la commande du moteur. Le moteur entraîne le châssis de la tourelle en rotation, l'angle de rotation est acquis par le codeur angulaire, passé le module de goniométrie et la carte d'acquisition de données est renvoyée au programme de contrôle, c'est - à - dire la valeur de la rétroaction, puis comparée à la valeur de la consigne, ainsi contrôlée cycliquement jusqu'à ce que l'erreur soit nulle.

Le système est contrôlé par une structure esclave composée d'un anneau de courant analogique, d'une boucle de commande d'anneau de position numérique. L'entrée d'un pilote de moteur est contrôlée par une carte de conversion d / a, qui entraîne le moteur pour réaliser le contrôle du moteur. Les deux systèmes d'axe par l'intermédiaire d'un codeur angulaire pour le signal de position de l'arbre rotatif, après le module de goniométrie et la carte d'acquisition de données au programme de contrôle, le système de contrôle adopte à nouveau l'algorithme de contrôle PID et l'algorithme de contrôle de robustesse avancé pour contrôler la tourelle, formant ainsi l'anneau de position du système. L'anneau de position est l'anneau de rétroaction principal du système, il est utilisé pour garantir la précision de contrôle et les exigences dynamiques du système. L'anneau de courant du système est réalisé à l'intérieur du pilote, l'anneau de courant est constitué par la contre - réaction du courant d'armature pour réduire l'effet des fluctuations de la tension d'alimentation, améliorer la linéarité du couple de commande, tout en empêchant la surintensité du circuit de conversion de puissance et du moteur.

2. Logiciel de contrôle: le logiciel de contrôle de la tourelle est divisé en couche supérieure (niveau de gestion générale) et couche inférieure (niveau de contrôle direct), les couches supérieure et inférieure communiquent par des moyens de mémoire partagée, mis en œuvre sur un ordinateur, la couche supérieure forme la surveillance centralisée de la tourelle à deux dimensions, le niveau de gestion générale, principalement la mise en œuvre du système de gestion intégrée en ligne des processus non en temps réel, la détection des performances, les paramètres de protection de la sécurité et les fonctions de surveillance. La couche inférieure du logiciel est l'étage de contrôle direct du système de contrôle de la tourelle à deux dimensions pour constituer des boucles d'asservissement indépendantes.

Le système de surveillance (CMS, Central Monitoring System) est un périphérique matériel spécialisé pour le système de contrôle qui communique directement avec le logiciel de contrôle via une interface pour permettre le contrôle de l'état de fonctionnement des servos à canaux individuels, la détection de données et la gestion des alarmes de surveillance. Le système de surveillance dispose d'une protection de sécurité et d'un contrôle logique de l'ensemble de l'appareil.

3. Programme de servocommande: le système de contrôle a deux canaux de servocommande numérique indépendants les uns des autres, le système adopte le système de servocommande numérique du cadre de commande de micro - ordinateur - moteur de couple d'entraînement direct. Constitué d'un élément de rétroaction de haute précision et d'un dispositif de transformation numérique formant une boucle de rétroaction de position angulaire numérique, il peut répondre aux exigences de précision et de performance du système. L'utilisation de la machine de contrôle industrielle comme ordinateur de contrôle principal du système servo, peut garantir la mise en œuvre de la performance du système, mais peut également mettre en œuvre la stratégie de contrôle du système, de sorte que la performance du système est entièrement garantie.

Le Contrôleur complet comprend quatre composants: un contrôleur PID classique, un contrôleur d'alimentation à décalage nul basé sur la pré - compensation du point zéro, un compensateur de friction adaptatif, un contrôleur robuste basé sur un observateur d'interférence.

L'anneau de position utilise une structure de commande composite, c'est - à - dire une combinaison de contrôle d'alimentation et de contrôle de rétroaction, qui a l'avantage de pouvoir considérer les performances de suivi du système séparément de la stabilité du système. Le contrôle d'alimentation avant est utilisé pour améliorer les performances de suivi du système, il n'affecte pas la stabilité du système, tandis que le contrôle en boucle fermée est utilisé pour garantir la stabilité du système, les interférences extérieures et la robustesse des changements de paramètres.

Dans le contrôle en boucle fermée de position, une méthode de contrôle robuste basée sur l'observateur de perturbation est utilisée, la partie de l'observateur de perturbation est utilisée pour supprimer les perturbations de moment et linéariser le système. L'idée de base est de différencier l'objet réel de la sortie nominale du modèle en raison de l'interférence de moment externe et de la variation des paramètres du modèle, de l'équivalent à l'entrée de contrôle, c'est - à - dire de détecter l'interférence équivalente et d'introduire une compensation équivalente dans le contrôle, de réaliser la suppression de l'interférence et d'améliorer la robustesse du système de contrôle. La conception de la boucle fermée de position tient principalement compte de la stabilité du système et de l'erreur statique de position, en prenant des mesures de filtrage logique efficaces sur la quantité de rétroaction de position, en supprimant l'impact du Code d'erreur et du Code d'erreur. Le Contrôleur de boucle fermée de position adopte le contrôle composite pour garantir le bon fonctionnement du système de boucle fermée, la réponse sans dépassement, ses paramètres peuvent être ajustés de manière adaptative pour s'adapter à différentes charges, améliorant la robustesse du système de contrôle aux changements de paramètres.

(II) Technologie clé: détection de haute précision et compensation des erreurs

La précision du contrôle en boucle fermée repose sur une détection de rétroaction de haute précision avec une compensation d'erreur efficace, qui est le support technique central du contrôle de mouvement de la tourelle à deux axes:

1. Détection de position angulaire / vitesse angulaire de haute précision: adopte des éléments de détection de haute précision pour acquérir l'état de mouvement du cadre de la tourelle en temps réel, fournissant une base fiable pour la correction d'erreur. Les éléments de détection usuels comprennent un codeur optoélectronique, un transformateur rotatif, un SYNCHRONISEUR à induction circulaire, etc. Parmi eux, le SYNCHRONISEUR à induction circulaire est caractérisé par une haute précision, une grande stabilité et une forte capacité anti - interférence, largement utilisé dans la tourelle de haute précision; Les codeurs optoélectroniques ont l'avantage d'une réponse rapide et d'une résolution élevée pour les scénarios nécessitant des performances dynamiques élevées. Pour améliorer encore la précision de la détection, il est courant d'utiliser la technique de subdivision de plusieurs têtes de lecture, par superposition de signaux de plusieurs têtes de lecture et le traitement de subdivision, pour réduire l'impact de l'erreur d'inscription et de l'erreur d'installation de l'élément de détection.

2. Techniques de compensation des erreurs: contre les erreurs du système et les erreurs aléatoires présentes pendant le mouvement de la tourelle, la compensation par la combinaison du logiciel et du matériel est la clé pour améliorer la précision du contrôle. Les erreurs du système comprennent principalement les erreurs de transmission mécanique, les erreurs géométriques du cadre (telles que l'erreur d'orthogonalité des deux axes, le battement circulaire radial du système d'axe par rapport au battement circulaire de la surface d'extrémité), les erreurs de zone morte du moteur, etc.; Les erreurs aléatoires comprennent principalement des perturbations de charge, des dérives de température, des vibrations extérieures, etc. La stratégie de compensation comprend: premièrement, la compensation de Calibration hors ligne, la calibration des erreurs du système par des dispositifs de mesure de haute précision tels que l'interféromètre laser, l'établissement d'un modèle d'erreur, l'appel du modèle en temps réel pendant le processus de contrôle pour la compensation des erreurs; Deuxièmement, la compensation adaptative en ligne, par l'algorithme de contrôle adaptatif en temps réel pour identifier les perturbations de charge, la dérive de température et d'autres erreurs aléatoires, ajuster dynamiquement les paramètres de contrôle et améliorer la capacité anti - interférence du système.

II. Conception structurelle de la tourelle d'essai d'inertie à double axe

La conception structurelle de la tourelle d'essai inertielle à deux axes doit répondre aux exigences de base de « haute précision, haute rigidité, faible interférence et légèreté», à la fois pour garantir que la structure mécanique peut transmettre le mouvement avec précision et réduire l'impact de ses propres interférences sur la précision de l'essai. Son noyau structurel se compose du cadre de la tourelle, de l'ensemble de l'arbre, du mécanisme de transmission, de la structure de support et de la protection, la conception de chaque Partie détermine directement les propriétés mécaniques et la précision des essais de la tourelle.

I) Composition de la structure de base

1. Cadre de tourelle: en tant que pièce d'essai porteuse et pièce de base pour la réalisation du Mouvement angulaire, divisée en un cadre intérieur (cadre d'axe de tangage) et un cadre extérieur (cadre d'axe azimutal), les deux cadres sont reliés orthogonalement par un ensemble d'axes. La conception du cadre doit combiner rigidité et légèreté: une rigidité insuffisante peut entraîner des déformations pendant le mouvement, ce qui affecte la précision de l'attitude; Un poids excessif augmente la charge du moteur et réduit les performances de réponse dynamique. Généralement, l'alliage d'aluminium à haute résistance est utilisé comme matériau de cadre, la structure de cadre est optimisée par analyse par éléments finis, des renforts sont placés dans les endroits clés, la rigidité de la structure est renforcée tout en réduisant le poids.

2. Composants du système d'axe: C'est le composant central qui garantit le mouvement angulaire de haute précision de la tourelle, qui détermine directement la précision et la stabilité de l'arbre. L'ensemble du train d'essieux se compose principalement d'une broche, d'un roulement, d'un palier et d'un mécanisme de verrouillage. Pour améliorer la précision de rotation, des roulements de haute précision (tels que les roulements à billes à contact angulaire, les roulements à rouleaux coniques) ou des roulements statiques (roulements statiques à gaz, roulements statiques liquides) sont généralement utilisés: les roulements ont l'avantage d'une structure simple, d'un faible coût et d'une réponse rapide, adaptés aux tourelles de moyenne et haute précision; Les roulements à pression statique soutiennent la broche par la formation d'un film d'huile / de gaz à haute pression de gaz ou de liquide, avec des caractéristiques de non - frottement, de faible usure et de haute précision de rotation, adaptées aux tourelles de très haute précision. Le processus d'assemblage de l'arbre nécessite un contrôle strict de la force de précontrainte du roulement, réduisant le battement circulaire radial de la broche et le battement circulaire de la surface d'extrémité, tout en réduisant l'impact des changements de température sur la précision de l'arbre grâce à la conception de compensation de température.

3. Mécanisme de transmission: responsable de la transmission du mouvement du moteur au châssis de la tourelle, dont la précision de transmission affecte directement la précision du contrôle du Mouvement de la tourelle. Les moyens de transmission couramment utilisés comprennent l'entraînement direct et l'entraînement indirect: l'entraînement direct (DD Drive) est la connexion directe du rotor du moteur avec le cadre de la tourelle, l'annulation du lien de transmission intermédiaire, avec l'avantage d'une haute précision de transmission, d'une réponse rapide et d'aucun jeu de transmission, est le mode de transmission préféré pour la tourelle de haute précision; L'entraînement indirect transmet le mouvement par l'intermédiaire d'éléments de transmission tels que des engrenages, des courroies de synchronisation, des vis sans fin et d'autres, adaptés aux scénarios de charge plus importante, mais nécessite un usinage de précision et un assemblage pour contrôler l'écart de transmission et réduire l'erreur de transmission.

4. Structure de support et protections: la structure de support comprend une base et un support pour la fixation des composants de la tourelle, qui doivent être suffisamment rigides et stables pour éviter les effets des vibrations extérieures sur le mouvement de la tourelle. Généralement en fonte ou en granit comme matériau de base, le Granit a une bonne résistance aux tremblements de terre et la stabilité, peut absorber efficacement les vibrations et augmenter la précision statique de la tourelle. Le dispositif de protection est principalement utilisé pour protéger les composants internes de la tourelle, empêcher la poussière, la vapeur d'eau, etc. d'entrer dans l'arbre et le mécanisme de transmission, tout en évitant les accidents de sécurité lors des essais, généralement en utilisant des composants de protection tels que des capots d'étanchéité et des grilles de sécurité.

Ii) Principaux éléments de la conception structurelle

1. Conception orthogonale à deux axes: l'erreur d'orthogonalité des deux axes est une erreur géométrique clé affectant la précision de la liaison biaxiale, qui doit être garantie par une conception et un assemblage précis. Optimisation de la position de montage de l'ensemble de l'axe par modélisation 3D lors de la phase de conception structurelle, en veillant à ce que les axes des deux axes soient strictement orthogonaux; Lors de l'assemblage, des mesures en temps réel sont effectuées à l'aide d'un interféromètre laser qui contrôle l'erreur d'orthogonalité à quelques secondes en ajustant la précision de montage de la cale.

2. Conception légère et équilibrée dynamique: le cadre de la tourelle et la répartition inégale du poids de la charge peuvent provoquer une force centrifuge pendant le mouvement, déclencher des vibrations et affecter la précision dynamique. Par conséquent, la conception légère du cadre de la tourelle est nécessaire, tout en éliminant la masse excentrique par le test et la correction de l'équilibre dynamique. La correction d'équilibrage dynamique utilise généralement des moyens de lestage ou de délestage pour contrôler le déséquilibre de la tourelle dans une plage minimale, assurant la stabilité de la tourelle lorsqu'elle tourne à grande vitesse.

3. Conception de suppression des interférences: l'interférence mécanique de la tourelle elle elle - même (par exemple, le frottement du roulement, le jeu de transmission) et les interférences extérieures (par exemple, les vibrations, les changements de température) peuvent affecter sérieusement la précision de l'essai, qui doit être supprimée par la conception structurelle. L'un est d'adopter une conception d'isolation vibratoire, placer un coussin d'isolation vibratoire ou une plate - forme d'isolation vibratoire entre la base et le sol, absorber les vibrations extérieures; Deuxièmement, en utilisant la conception de contrôle de température, le dispositif de chauffage / refroidissement et le capteur de température à l'intérieur de la tourelle, le contrôle en temps réel de la température de fonctionnement de la tourelle, réduisant l'impact des changements de température sur la précision de l'arbre et les propriétés du matériau; Le troisième est d'optimiser le câblage et la conception de la ligne, d'éviter la traction et la friction générées par le câble et la ligne pendant le mouvement de la tourelle, de réduire le couple d'interférence.

4. Installation de pièces d'essai et conception d'interface: la précision de l'installation de la pièce d'essai affecte directement la fiabilité des résultats d'essai, il est nécessaire de concevoir une interface d'installation de haute précision avec une référence de positionnement. Typiquement, des moyens de positionnement tels que des goupilles de positionnement, des brides de surface d'extrémité, etc., assurent que le Centre de montage de la pièce d'essai coïncide avec le Centre de rotation de la tourelle; Dans le même temps, réserver l'interface de signal nécessaire avec l'interface d'alimentation, faciliter la connexion des pièces d'essai avec le système d'essai externe, et la conception de l'interface doit éviter d'affecter la plage de mouvement et la précision de la tourelle.

Iii. Conclusion

Le principe de contrôle de mouvement et la conception structurelle de la tourelle de test inertiel à deux axes sont un tout organique, les exigences de haute précision en matière de contrôle de mouvement dépendent de la rigidité élevée et de la faible interférence de la conception structurelle, qui à son tour fournit une bonne base pour la mise en œuvre de L'algorithme de contrôle de mouvement. Avec le développement de la technologie de navigation inertielle dans la direction de la haute précision et de la miniaturisation, les exigences de performance de la tourelle d'essai inertielle à deux axes continuent également d'augmenter, l'avenir doit fusionner davantage les algorithmes de contrôle avancés (tels que le contrôle intelligent, le contrôle robuste) avec la technologie de conception structurelle de haute précision (tels que la fabrication Additive, l'assemblage de précision), améliorer continuellement la précision de test de la tourelle, la performance de réponse dynamique et la fiabilité, fournir un soutien puissant au développement de la technologie inertielle.