激光陀螺机抖控制数字化研究

作     者：温锋 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李锦明

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光陀螺 机械抖动 数字化控制 PID 

摘      要：激光陀螺因高精度、高可靠性、高性价比及抗冲击能力等诸多优势，在军、民等诸多领域得到了广阔的的发展空间。同时伴随着数字处理芯片的快速向前发展，国内激光陀螺产品对数字化、集成化要求亟待解决，尤其是机抖控制系统的数字化。当前大部分陀螺机抖电路，采用模拟电子器件构建控制系统，由于采用的是分离电子元器件或者模拟IC，造成系统体积偏大，扩展能力弱，信号处理繁冗、还存在温漂及噪声影响大等特点，这些问题极力阻碍着市场的需求。因此，设计数字化的机抖控制系统，可以有效推动数字化、微型化的激光陀螺产品发展。本文将数字信号处理器DSP引入激光陀螺机抖控制系统，作为核心的数据处理和控制单元，实现机抖幅度控制、频率跟踪和噪声注入任务要求。 本文首先详细介绍激光陀螺工作机理和分析闭锁误差及其解决办法，通过传递函数对抖动机构进行频率特性分析，得到了抖幅在环路控制中需保持相对稳定、频率实时同步跟踪的要求，还对噪声的注入方式和强度要求进行介绍。提出通过采集抖动反馈信号均方根值，调制输出方波占空时间的方法达到机抖稳幅。采用比较器对信号进行过零点的检测，输出两路中断信号给DSP进行相关判断。设计出DSP通过四路端口组合控制输出激励方波并进行高压放大，同时解决高压放电问题。 利用MATLAB对陀螺控制环路进行模拟，引入PID方法对幅度控制进行设计。通过仿真，幅频裕度、相频裕度、响应快速性及稳态误差都能很好满足机抖控制。在DSP软件设计中，结合工程试凑法和仿真实验判定PID的调节参数，通过改变占空时间，实现PID控制机抖激励幅值调整和噪声注入，采用捕获中断实现频率跟踪。 最后，通过实验进行板级性能测试和陀螺综合测试系统评估，利用实验方法得出噪声注入强度。结果表明，本文设计的数字化机抖控制系统性能良好，能够满足控制要求。