MATLAB多体系统传递矩阵法的坦克稳定器动力学建模研究(2)
多体系统是复杂结构中大量存在和普遍采用的动力学模型，是指以一定方式相连接的多个物体(刚体、弹性体、质点等)组成的系统[1]。坦克可以看成是以各种方式联接的多个刚体和柔性体组成的典型的多体系统。如何从武器动力学的角度来考量武器性能进行武器设计，是国内外力学工作者和工程技术人员高度关注的课题之一。寻求高度程式化的多体系统动力学快速计算方法更是国内外专家普遍关注的理论与实际问题。在这样的研究背景下，多体系统传递矩阵法凭借无需建立多体系统总体动力学方程、计算容易、程式化程度高的优点逐渐被国内外学者接受与重视。
本课题的目标是学习某一型号坦克稳定器的基本结构和工作原理，系统掌握多体系统传递矩阵法，并利用多体系统传递矩阵法对坦克稳定系统进行动力学建模和相应的仿真，从动力学的角度来考量坦克火炮性能，为坦克火炮系统设计提供理论支持。
1.2 坦克稳定器
自20世纪40年代出现坦克火炮单向稳定装置以来，在坦克火炮稳定控制系统的发展过程中，出现了三种类型的稳定控制系统。一种是采用两个闭环控制伺服系统的双向稳定系统，该系统具有反应速度快稳定精度高的优点，但仍不能进行行进间射击；一种是采用一个按偏差控制的闭环系统和一个由前馈速度陀螺构成的开环系统的复合控制系统，该系统进一步提高了火炮的稳定精度；还有一种是独立稳定瞄准线使火炮轴线和炮塔随动于稳定的瞄准线的指挥仪式系统，进一步提高了射击精度，还缩短了射击反应时间[2]。
1.2.1 坦克稳定器的基本结构
以国产某型号主战坦克为例，该坦克的火炮稳定控制系统采用的是复合控制方式，由垂直方向和水平方向两部分组成。主要部件有：作为系统中的操作部件的操纵台，作为炮控系统中综合控制部件的炮控箱，电机扩大机控制盒，用于测量火炮振动偏移量的陀螺仪组，用于测量线加速度的线加速度传感器，用于传感车体在炮塔旋转平面内振动角速度的大小和方向的车体陀螺仪，用于测量火炮相对自动装弹机机装填线的位置的调炮器，用于电液转换和功率放大的垂直向稳定器电液伺服系统，以及起动配电盒和角度限制器等装置。
1.2.2 坦克稳定器的工作原理
垂直方向的控制系统是一个电液伺服系统，可以实现火炮在垂直方向上射击角度的稳定与瞄准。水平方向的控制系统是一个全电式复合控制系统，由一个按偏差控制的闭环系统和一个由前馈速度陀螺构成的开环系统组成[2]。
坦克稳定系统自动稳定工作的基本原理是:在坦克火炮（炮塔）内，陀螺仪、加速度计及角度传感器不断地测定各种运动数据，火控计算机根据这些信息计算并对影响火炮射击精度的各种因素进行修正，通过伺服系统使火炮相对于炮塔高低俯仰（炮塔相对于底盘水平转动），稳定器内的陀螺仪利用自身特性，实时测量火炮（炮塔）偏离预定方向的角度和角速度，一旦火炮（炮塔）偏离预定方向某个角度，控制执行机构就使火炮（炮塔）做与振动方向相反、大小相等的运动，使得陀螺仪（即火炮或炮塔）回到偏离前位置。从而使坦克即使在不断颠簸的运动中也能将火炮准确地对准目标。瞄准工作原理与上述过程类似，炮长操作就相当于向陀螺仪输入了一个失调角，经炮控箱去控制电机扩大机输出电压，由它去控制炮塔电动机旋转，带动火炮和炮塔向瞄准方向运动，直至达到所需的瞄准位置。
1.3 多体系统传递矩阵法
经典传递矩阵法建立于20世纪20年代，主要研究弹性构件组成的线性系统，适合于解决一文问题。20世纪90年代芮筱亭教授提出了一种全新的多体动力学方法，即多体系统传递矩阵法，该方法适用范围更广，解决了很多重要机械系统工程问题。