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1、用于方位保持仪的三级温控方法专利名称：用于方位保持仪的三级温控方法技术领域：本发明涉及一种陆地车辆导航系统中的方位保持仪温控系统，尤其涉及一种用于 方位保持仪的三级温控方法，通过该三级温控方法能缩短方位保持仪的核心部件一陀螺 启动后达到热平衡状态的过程，使惯性导航系统迅速进入稳定的工作状态。背景技术：由于现代战争所要求的机动性、快速性及灵活性，重武器必须要进入阵地就能打， 打完就能撤；同时，对间接瞄准武器而言，进入阵地后要求知道其高精度的自身坐标和方 位。这样，能快速确定自身方位和坐标的自主式陆地车辆导航系统便具有了非同寻常的意 义。陆地车辆导航系统是一种自主式惯性导航系统，它可以不需要任何外
2、界信息，自主地确 定自身的精确位置，以及距各目标点的最佳航线，也可以以此在给定坐标系内将车辆从一 个位置引导至另一个位置，从而实现车辆的安全自主驾驶。方位保持仪中的方位陀螺是惯性导航系统中的核心部件，陀螺的随机漂移严重影 响着导航系统的定位精度和系统准备时间。影响陀螺随机漂移的因素很多。实践证明，陀 螺的随机漂移与它的内部温度和环境温度级温度场分布有着密切的关系。陀螺中电子元件的热不稳定性和机械构件由于温度变化所导致的不同热膨胀系 数的变化，都会引起陀螺的热漂移，并且其随机漂移是随着时间累积的。平台温度场不均衡 及热梯度的变化都会影响平台支架的几何尺寸，从而影响惯性系统的工作精度。由于工作环境
3、的变化，陀螺极易受到外界温度的影响，故采用常规单级PID (运 用偏差的比例、积分、微分算法对回路中的偏差进行修正，通过执行器调节参数，使测量值 稳定在设定值附近，达到控制某一参数的目的)温控方法无法精确保证陀螺稳定的工作温 度。发明内容对方位保持部件进行定性、定量的热分析，尤其是了解工作过程中温度场的分布 和变化情况，是进行精确温控的前提。由于方位保持部件结构复杂，内部空腔曲折迂回，传 统的有限元分析软件不仅建模困难，而且不能保证计算精度。本发明采用了 ANSYS大型有 限元分析软件，对方位保持部件进行了定量热分析，对其在加温过程中的温度场分布做了 详细研究，从而为测温点的设置提供了依据。方
4、位保持仪主要由陀螺即惯性元件、平台内环组件、平台外环组件、壳体四大部分 组成。温控的目的是为了严格控制环境温度对陀螺的影响，使陀螺在较短的时间内到达工 作温度点，并且在工作温度附近进行精细的温度控制。因此，在温控电流方面应分为两个 阶段一是起始加温阶段，要求加温电流要大，以便缩短加温时间，快速达到工作温度范围； 二是控制加温阶段，要求加温电流适中，以求有个好的温度控制特性，使陀螺内部达到热稳 定状态。陀螺工作时自身产热，如果在室温条件下使其热平衡点达40C 50C，温控精度 要求为0. 1C，显然要把方位保持部件全部都控制在这个温度和精度是不合理的，也是困难的。因此，对其的要求应该是控制在一个
5、温度合理且变化范围较小的状态下，一来可以抵御 外界环境对陀螺仪的影响；二来可以给陀螺仪提供一个耗散热量的途径。为了克服单级PID温控方法的缺陷，本发明提出了三级温控的方案对整个方位 陀螺、平台、壳体实现精、中、粗三级温度控制，即陀螺级、平台级和环境级温控。将所述方位 保持仪划分为三级温区进行温控第一级温区，其为环境级温控区，是平台内环组件、平台 外环组件和陀螺以外的部分，用于抵御外界的恶劣条件，环境级温控区的温升由对壳体加 热、力矩电机发热和平台级温控区向壳体散热共同平衡控制；第二级温区，其为平台级温控 区，由平台内环组件和平台外环组件组成，用于保证陀螺的温控环境以及维持自身的温度 均勻性，平
6、台级温控区的温升由对平台加热、力矩电极发热和陀螺级温控区向外环散热共 同平衡控制；第三级温区，其为陀螺级温控区，为自热力强的陀螺部分，所述陀螺级温控区 的温升由对陀螺加热以及陀螺自身的发热共同平衡控制；在环境温度为-45C _17C条件下设定方位保持仪的三个温控点陀螺级温控 区温度及误差为15士0. 1C，平台级温控区温度及误差为8士0.2C，环境级温控区温度及 误差为-5士0. 2C ；在环境温度为-17c 30C条件下设定方位保持仪的三个温控点陀螺级温控区 温度及误差为52士0. 1C，平台级温控区温度及误差为45士0. 2C，环境级温控区温度及误 差为 30 士0. 2V ；在环境温度为
7、30C 55C条件下设定方位保持仪的三个温控点陀螺级温控区 温度及误差为73士0. 1C、平台级温控区温度及误差为66士0. 2C、环境级温控区温度及误 差为 55 士 0. 20C 其中，第一级温区和第二级温区的温度均采用标准PID算法来控制，第三级温区 的温度采用遗传算法自整定PID参数算法来控制。温控的核心主要是陀螺的温度控制，其他部件的温度控制的目的主要是一来用 以抵御外界环境对陀螺的影响；二来给陀螺提供一个耗散热量的途径。本发明的有益效果在于通过三级温控的方法精确保证了陀螺仪稳定的工作温 度，保证了方位保持仪精度，进而提高了整个陆地车辆导航系统的精度。图1是本发明的三级温控区的热源及
8、热耗散图；图2是平台内环组件简化前的实体模型；图3是平台外环组件简化前的实体模型；图4是平台内环组件简化后的实体模型；A为平台内环上任取的点，B为面1和加 热垫1 ；图5是平台外环组件简化后的实体模型；图6是平台内环组件简化后的有限元模型；A为实际测温点，B为平台内环上任取 的点，C为面2和加热垫2 ；图7是平台外环组件简化后的有限元模型；图8是壳体简化后的有限元模型；D为实际测温点，E为壳体上任取的点，F为壳体 上任取的点；图9是陀螺的外部实体模型；图10是常温环境下平台内环组件A、B、C三点的温升曲线，即温度升高曲线；图11是壳体上E、D、F三点的温升曲线；图12是在实施例2的环境温度下不
9、加温控的陀螺测漂试验结果；图13是在实施例2的环境温度下不加温控的陀螺工作稳定后断电再启动的测漂 试验结果；图14是实施例2温控条件下的陀螺测漂试验结果；图15是实施例3温控条件下陀螺测漂试验结果。具体实施例本发明的方位保持仪主要由陀螺、平台内环组件、平台外环组件、壳体组成，首先 将方位保持仪划分为三级温区进行温控第一级温区，其为环境级温控区，是平台内环组 件、平台外环组件和陀螺以外的部分，用于抵御外界的恶劣条件，所述环境级温控区的温升 主要是由对壳体的加热以及力矩电机的发热再加上平台级温控区所散发的热量导致的；第 二级温区，其为平台级温控区，是平台内环组件和平台外环组件的部分，用于保证自热力
10、强 的陀螺的温控环境以及维持自身的温度均勻性，所述平台级温控区的温升主要是由对平台 加热以及力矩电极的发热再加上由陀螺级温控区所散发的热量导致的；第三级温区，其为 陀螺级温控区，是自热力强的陀螺部分，所述陀螺级温控区的温升主要是由对陀螺加热以 及陀螺自身的发热导致的。图1示出了本发明的热源以及热耗散过程。对陀螺加热以及陀 螺自身的发热导致陀螺级温控区的温度升高；对平台加热以及力矩电极的发热再加上由陀 螺级温控区所散发的热量导致平台级温控区的温度升高；对壳体的加热以及力矩电机的发 热再加上平台级温控区所散发的热量导致环境级温控区的温度升高，环境级温控区还将向 外部环境散热。 下面对方位保持仪进行
11、热分析首先，创建有限元模型；方位保持部件主要是由陀螺、平台内环组件、平台外环组件、壳体四部分组成，此 外还包括内环电机组件、外环电机组件、内环轴座、外环轴套、防护衬套、调平支座等部件。 加热垫和加热膜分别放置在平台内环和壳体上，这是热分析的主要热源，除此之外还有摩 擦生热和内、外环力矩电机发热。为了能准确的分析加热过程中方位保持部件的温度分布，必须按照其实际尺寸进 行建模。由于平台内环和平台外环的旋转轴并不重合，无法建立二维模型，本发明采用了三 维模型。但是由于方位保持部件实际结构十分复杂，要建立一个完整的、包含所有结构的物 理模型几乎不现实。为了简化问题，作出如下简化1.对尺寸较小且不影响主
12、要部件分析结果的组件进行忽略，如忽略调平螺钉、内 平衡螺钉、支柱螺钉、压线卡、导线夹等组件；2.对与整个结构相比尺寸较小可以忽略的凹槽、安装孔等进行处理，按照实际情 况进行填充，对于各处较小的倒角予以忽略；3.将安装严密的组件进行合并，如外环调整垫圈与外环台体并不用分别建模，而 是作为一体来整体建模。根据以上思路，简化后的实体模型如图2-图9所示。由于采用三维模型，故使用了 SolidWorks 2000软件进行各组件的实体建模。 Solidworks是一种基于Windows操作系统的三维机械设计软件，其图形用户界面使得操作简单灵活。ANSYS5. 6提供了与CAD的专用接口，可直接将Soli
13、dworks下的实体模型输入到 ANSYS中进行组合、修改，并建造有限元模型。方位保持部件的主要材料是铸铝和铝棒，还有少数部件采用的是钛合金。对热分 析来说，定义材料属性主要是定义材料的热性能参数，即密度、比热、导热系数和对流系数。从精度的角度来说，单元的划分要细，但单元划分的太细，节点数随之大为增加， 方程的阶数也随之升高，所需计算时间和内存也会相应增加很多，有时甚至造成计算机容 量不够，无法进行计算。尤其本文采用的是三维模型，本身节点数就比较多，虽然本发明对 模型进行了简化。但若直接用S0LID90热分析软件进行网格划分，节点数及运算量仍然太 过庞大。因此在进行单元划分时，应根据结构的具体
14、特点，兼顾到精度要求和时间内存要 求。本文中单元类型的划分遵循了以下原则1.温度分布梯度变化不大时可以忽略细节，划分均勻且相对稀疏的单元网格；2.当温度场梯度较大时，在梯度较大的方向划分细密的单元网格。梯度越大，单元 划分就越细密。3.结构复杂处可加大单元网格划分密度。为此平台内环采用S0LID90单元进行网格划分，外环台体采用S0LID70单元，壳体 则采用S0LID87单元。ANSYS5. 6可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷1.恒定的温度；2.热流率热流率作为节点集中载荷；3.对流边界条件对流边界条件作为面载荷施加于实体的外表面或表面效应单 元上，计算与流体的热交换；4.热流密度
15、是一种面载荷；5.生热率作为体载荷施加于单元上，可模拟电流生热。利用ANSYS的瞬态热分析模拟方位保持部件在加热过程中各温控点的温度变化 情况及对陀螺的影响，以此来检验温控点的设置是否合理。在此结构热分析中，主要热传递方式为传导和对流。主要热源是平台内环上安装 的两个加热垫，分别为图4所示的加热垫1和图6所示的加热垫2，和陀螺及壳体四周贴的 加热膜，总加热功率为300W，分别为陀螺加热功率50W，内环加热功率50W，壳体加热功率 200W。本发明分别将其转换为热流密度加载在其接触面上，如内环平台在如图4所示的面1 和如图6所示的面2上施加热流密度面载荷，大小为15823W/m2。对于整个系统来
16、说，主要 散热是各组件与空气的对流，这将转换为对流边界条件加载在相应面上。设定各部件初始 温度相同，对平台和壳体在不同的初始温度下进行加温过程的瞬态传热分析。施加的载荷步模拟实际的加热过程，先全速加热N分钟，N根据初始温度不同，再 进行PWM调制。N的大小会影响温度控制的快速性，根据实际要求，应取N 20。ANSYS提供了两种后处理方式1. P0ST1，可以对整个模型在某一载荷步即时间点的结果进行后处理；2. P0ST26，可以对模型中特定点在所有载荷步即整个瞬态过程的结果进行后处理。本发明用POSTl对平台内环、外环及壳体在各载荷步的温度分布进行查看，用 P0SD6对测温点在加热过程中的温度变化进行查看。初始温度为20C的常温环境下，加热5分钟后，平台内环的温度场分布很不均勻， 离加热垫近的地方获取的能量明显要比远的地方多；加热20分钟，平台内环的温度场分布 基本均勻，图10为常温环境下图6所示平台内环A、B、C不同点处的温升曲线，A为实际测 温点，B为平台内环上任取的点，C为面2和加热垫2，
