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微静电陀螺仪再平衡回路设计

中国惯性技术学报 2010年第1期18卷 97-100页

作者：韩丰田付中泽清华大学精密仪器及机械学系北京100084 驻天津地区军代表室天津300131

微静电陀螺仪依靠可控的静电力,将高速旋转的陀螺转子稳定地悬浮在高真空的电极腔中心,是一种能实现两自由度角速率测量的新型微机电陀螺。针对大角度、高角速率的捷联式惯性导航系统应用,对陀螺仪再平衡回路进行了设计。讨论了陀螺仪... 详细信息

微静电陀螺仪依靠可控的静电力,将高速旋转的陀螺转子稳定地悬浮在高真空的电极腔中心,是一种能实现两自由度角速率测量的新型微机电陀螺。针对大角度、高角速率的捷联式惯性导航系统应用,对陀螺仪再平衡回路进行了设计。讨论了陀螺仪的动力学特性,给出了补偿负刚度特性的方法,采用双频波特图对系统稳定性进行了分析,给出了再平衡回路的性能仿真结果。仿真与分析表明,陀螺仪允许的最大输入角速度为768(°)/s,标度系数为6.44mV/((°)·s-1)。

关键词：微机械陀螺静电悬浮再平衡回路稳定性

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再平衡回路模型分析与噪声消除

再平衡回路模型分析与噪声消除

作者：赵静天津大学

学位级别：硕士

再平衡回路是影响惯性组件系统精度的关键因素之一，其功能是为惯性元件（加速度计/陀螺仪）提供控制和测试回路，改善系统动静态特性，提升测试精度。近几十年来，随着导航技术的发展，对再平衡回路的要求也越来越高。再平衡回路在工... 详细信息

再平衡回路是影响惯性组件系统精度的关键因素之一，其功能是为惯性元件（加速度计/陀螺仪）提供控制和测试回路，改善系统动静态特性，提升测试精度。近几十年来，随着导航技术的发展，对再平衡回路的要求也越来越高。再平衡回路在工作过程中会耦合到各种电磁和热噪声，分离消除回路噪声，提取有用信号，对于提升惯性系统的性能和导航精度有着十分重要的意义。本文以消除再平衡回路的回路噪声为目的，以再平衡回路为研究对象，采用半实物仿真的方法，主要从再平衡回路设计、回路噪声分析、表头特性参数计算、模型参数辨识、LMS自适应消噪等方面展开了研究。 1、基于惯性系统的控制与测试要求，对再平衡回路进行了分析，设计了信号调理单元、控制器单元、功率放大电路等模块，并对电路部分的噪声影响进行了分析量化计算，确定其对回路及系统测试的影响。 2、以挠性元件（加速度计、陀螺仪）为研究对象，计算了表头的特征参数，分析其性能指标。接下来，以加速度计系统为例，进行参数模型辨识，设计多谐差相信号作为激励，选用最小二乘算法作为参数估计方法，建立ARX模型，对惯性系统输入、输出数据进行拟合，进行惯性元件系统的开环辨识，得到加速度计的性能指标，并与计算值进行对比验证，并分析误差原因，为后续的消噪处理提供先验知识和理论依据。 3、介绍了基于自适应滤波原理的LMS消噪算法，对其进行归一化处理，并提出了一种适用于再平衡回路技术的改进的时变步长LMS算法，编写LMS的消噪算法，调节滤波器参数，进行仿真，并与RLS、卡尔曼滤波等滤波方式进行分析对比。以某型号的动力调谐陀螺仪和加速度计为例，采集输入、输出信号，进行基于上述LMS算法的自适应消噪实验，将耦合进再平衡回路的电磁噪声作为背景噪声消去，提取出有用信号，并进行验证试验。实验结果表明，设计的LMS自适应消噪算法对于低频段的回路噪声有一定的滤除效果，可有效的提升回路性能。

关键词：再平衡回路自适应滤波模型辨识噪声分析 LMS算法

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捷联动调陀螺脉冲再平衡回路输出解耦的实现

应用科学学报 1996年第1期14卷 53-59页

作者：李宏生东南大学

在捷联系统中，动力调谐陀螺仪的再平衡回路通常接控制解耦设计，输出解耦则通过对回路输出电流数据的处理开环地实现．该文具体讨论了输出解耦的实现途径，建立了解耦运算方程，设计了硬件线路及软件流程图．仿真表明解耦效果较好．方... 详细信息

在捷联系统中，动力调谐陀螺仪的再平衡回路通常接控制解耦设计，输出解耦则通过对回路输出电流数据的处理开环地实现．该文具体讨论了输出解耦的实现途径，建立了解耦运算方程，设计了硬件线路及软件流程图．仿真表明解耦效果较好．方案是可行的．

关键词：捷联动力调谐陀螺仪再平衡回路输出解耦

动力调谐陀螺再平衡回路技术的发展与研究现状

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导弹与航天运载技术 2008年第1期 36-40页

作者：张连超范大鹏范世珣国防科学技术大学机电工程与自动化学院长沙410073

分别介绍了动力调谐陀螺模拟和数字脉冲再平衡回路的发展与研究现状,分析了两种再平衡回路由于线路引起漂移误差的主要原因,比较了模拟和数字再平衡回路的优缺点。探讨了用DSP直接数字控制实现再平衡回路的方法及这种方法的优缺点,给出... 详细信息

分别介绍了动力调谐陀螺模拟和数字脉冲再平衡回路的发展与研究现状,分析了两种再平衡回路由于线路引起漂移误差的主要原因,比较了模拟和数字再平衡回路的优缺点。探讨了用DSP直接数字控制实现再平衡回路的方法及这种方法的优缺点,给出了数字控制回路中值得研究的问题。

关键词：动力调谐陀螺再平衡回路漂移误差

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挠性陀螺组件模拟再平衡回路的改进与实现

测控技术 2011年第4期30卷 1-4,7页

作者：姚军军任建新高英俊刘俊伟西北工业大学自动化学院陕西西安710072 驻012基地军事代表室陕西汉中723100 中航工业陕西华燕航空仪表有限公司陕西汉中723102 陕西理工学院陕西汉中723003

为了提高挠性陀螺组件动、静态性能,必须考虑传统再平衡回路中陀螺仪章动特性对组件性能的影响,需对挠性陀螺仪数学模型和校正网络进行优化。通过挠性陀螺仪运动方程分析和扫频试验测试,在原有挠性陀螺仪工程简化模型中增加了一个二阶... 详细信息

为了提高挠性陀螺组件动、静态性能,必须考虑传统再平衡回路中陀螺仪章动特性对组件性能的影响,需对挠性陀螺仪数学模型和校正网络进行优化。通过挠性陀螺仪运动方程分析和扫频试验测试,在原有挠性陀螺仪工程简化模型中增加了一个二阶振荡环节,得出了一种更能真实反映陀螺特性的精确数学模型。运用期望校正法对回路中校正网络进行了改进设计,并增加了能够消除挠性陀螺仪转子倍频干扰和章动影响的陷波器校正网络。仿真和测试结果表明,改进后挠性陀螺组件的噪声得到有效抑制,固有频率明显提高、且与带宽频率更为接近,动静态性能得到提高,控制系统对增益裕度和相位裕度的要求得到满足,挠性陀螺组件在某型导弹导引头系统中应用的技术瓶颈问题得到解决。

关键词：挠性陀螺再平衡回路章动特性陀螺仪数学模型陷波器校正网络

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动力调谐陀螺再平衡回路的研究

动力调谐陀螺再平衡回路的研究

作者：陈巍上海交通大学

学位级别：硕士

动力调谐陀螺是惯性导航系统中重要的测量装置，广泛应用于火箭、导弹、飞机、轮船、坦克等领域，对其精度、可靠性、稳定性的要求越来越高。动力调谐陀螺与再平衡回路共同完成了惯性导航系统的角度测量功能，对其研究有着十分重要的意... 详细信息

动力调谐陀螺是惯性导航系统中重要的测量装置，广泛应用于火箭、导弹、飞机、轮船、坦克等领域，对其精度、可靠性、稳定性的要求越来越高。动力调谐陀螺与再平衡回路共同完成了惯性导航系统的角度测量功能，对其研究有着十分重要的意义。这几年大规模集成电路的飞速发展，传统的测量误差在高精度A/D、D/A和V/I转换中已经慢慢减少，模拟再平衡回路以其结构简单，可靠性高，对体积和可靠性高的场合其优点越来越突出。为了使再平衡回路有着更好的性能，本文着重研究以下内容：（1）详细地介绍和分析了动力调谐陀螺的工作原理，并推出相应的数学模型，推导出陀螺的解耦和输出解耦矩阵。（2）通过对再平衡回路的分析，建立了模拟再平衡回路的具体框图，并根据陀螺的具体参数，设计了信号处理、相敏解调、解耦电路、校正电路以及功率放大等电路。（3）根据惯性导航系统的特点，为了降低上位机对陀螺力矩器电流采样的负担，提高再平衡回路测量的精度，专门设计了基于Actel AFS600FPGA的A/D转换电路和串口通讯电路。（4）在硬件架构平台的基础上，设计了A/D采集数据程序，并调试通过。通过转台试验表明，其精度已经达到了惯性导航系统的使用要求。

关键词：动力调谐陀螺再平衡回路解耦 A/D采集

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动力调谐陀螺仪再平衡回路的H∞控制器设计

动力调谐陀螺仪再平衡回路的H∞控制器设计

作者：张媛哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

陀螺仪是惯性导航系统中的重要测量元件，它敏感运动体相对于惯性空间的角运动。动力调谐陀螺仪是目前应用最广泛的陀螺之一。再平衡回路与动力调谐陀螺仪一起构成捷联式惯性系统的角速度敏感仪表。传统的控制方法在动力调谐陀螺仪再平... 详细信息

陀螺仪是惯性导航系统中的重要测量元件，它敏感运动体相对于惯性空间的角运动。动力调谐陀螺仪是目前应用最广泛的陀螺之一。再平衡回路与动力调谐陀螺仪一起构成捷联式惯性系统的角速度敏感仪表。传统的控制方法在动力调谐陀螺仪再平衡回路中的应用已取得了较好的控制效果，但随着航空航天技术和现代战争的发展，对该控制系统，不仅要求具有更高的动、静态品质指标，还必须保证具有更好的抗干扰性和鲁棒性，为此在动力调谐陀螺仪的再平衡回路中引入H控制。本文以动力调谐陀螺仪的再平衡回路为控制对象进行设计研究，应用混合灵敏度H控制原理进行了回路控制系统设计。主要内容包括：首先，建立了动力调谐陀螺仪的数学模型，通过对陀螺仪再平衡回路进行的性能分析和解耦运算，确立了闭环回路的简化数学模型。其次，利用传统的频域控制方法对动力调谐陀螺仪再平衡回路中的校正网络进行了设计。最后，应用混合灵敏度也控制方法对再平衡回路系统设计了H控制器，并对所设计的控制器的稳定性、抗干扰性、鲁棒性等进行了仿真分析。结果表明，所设计的控制器具有良好的抑制扰动和跟踪性能，从而说明了控制器的有效性。与系统的频域控制仿真结果比较表明，运用混合灵敏度控制理论设计回路控制器是一种更有效的设计方法。

关键词：动力调谐陀螺仪再平衡回路 H∞控制器混合灵敏度

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动力调谐陀螺仪数字再平衡回路的设计

动力调谐陀螺仪数字再平衡回路的设计

作者：汤继兵哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

陀螺仪是惯性导航系统中的重要测量元件，其性能的好坏在整个系统中起着关键性的作用。动力调谐陀螺仪(Dynamically Tuned Gyroscope)是采用挠性接头支撑转子的二自由度陀螺仪，用于敏感载体的角速度。动力调谐陀螺仪具有的中高精度、... 详细信息

陀螺仪是惯性导航系统中的重要测量元件，其性能的好坏在整个系统中起着关键性的作用。动力调谐陀螺仪(Dynamically Tuned Gyroscope)是采用挠性接头支撑转子的二自由度陀螺仪，用于敏感载体的角速度。动力调谐陀螺仪具有的中高精度、成本低廉的特点，使其在导弹、航空、航天、航海等军事和民用领域被广泛使用，是目前应用最广泛的陀螺之一。陀螺仪使用时需要再平衡回路的配合，两者一起实现角速度测量功能，因此设计高精度的再平衡回路具有非常重要的意义。本文通过分析模拟再平衡回路和数字再平衡回路的特点以及对比两者的优劣。为了克服模拟再平衡回路在控制补偿和温度补偿方面的不足，提高再平衡回路的动静态品质指标，实现更高的可靠性和抗干扰性，研究了再平衡回路的数字化控制和实现方法。本文主要内容包括： 1.详细介绍动力调谐陀螺仪的结构和工作原理。然后，推导出陀螺仪的动力学模型及其开环传递函数模型，研究陀螺仪的耦合情况，推导了再平衡回路的解耦控制模型，利用对角阵解耦法推导出控制解耦矩阵。 2.实现陀螺仪模型解耦的基础上，利用经典的频域控制理论和设计方法对动力调谐陀螺仪再平衡回路的控制器进行了设计。为了提高系统的动态响应特性，设计了最小拍控制器，并进行了MATLAB系统仿真验证，从而实现了时间最优控制。 3.充分考虑采样频率选择、减小量化误差、提高分辨率以及回路增益的选择与分配等约束条件，设计并实现了动力调谐陀螺数字控制系统，包括前置放大、相敏解调、滤波、A/D、D/A电路设计以及选择TMS320F2812DSP作为数字控制器实现基础的数字电路设计，通过DSP控制A/D转换电路的采样和D/A输出实现陀螺进动。 4.在硬件平台构架的基础上，设计了系统控制软件的结构及程序流程，设计了中断方式A/D采集数据程序，并调试通过。最后进行了整个系统的性能测试。

关键词：动力调谐陀螺仪再平衡回路解耦数字控制

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动力调谐陀螺仪数字再平衡回路的设计与实现

动力调谐陀螺仪数字再平衡回路的设计与实现

作者：黄颖哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

陀螺仪是惯性导航系统中的重要测量元件，它敏感运动物体相对于惯性空间的角运动。动力调谐陀螺仪是目前应用最广泛的陀螺之一。再平衡回路与动力调谐陀螺仪一起构成了寻北系统的角速度测量装置，因此对再平衡回路的研究具有十分重要的... 详细信息

陀螺仪是惯性导航系统中的重要测量元件，它敏感运动物体相对于惯性空间的角运动。动力调谐陀螺仪是目前应用最广泛的陀螺之一。再平衡回路与动力调谐陀螺仪一起构成了寻北系统的角速度测量装置，因此对再平衡回路的研究具有十分重要的意义。随着寻北系统使用范围的扩大和性能要求的提高，模拟再平衡回路温度、非线性、后级数字采样误差大和调试不方便的缺点逐渐暴露。为了使再平衡回路具有更高的动静态品质指标、更好的抗干扰性、灵活的参数整定和数据采集方法，因此本文研究再平衡回路数字化。本文主要内容包括：1．从动力调谐陀螺仪的数学模型入手，研究陀螺仪的耦合情况，利用对角阵解耦法推导出控制、输出解耦阵。通过对模拟再平衡回路和数字再平衡回路的对比，建立了数字再平衡回路的数学模型。为了提高系统的动态响应特性，设计了数字最小拍控制器，并进行了MATLAB系统仿真验证。2．设计了基于NiosⅡ软核的高性能SOPC数字控制器，包括外围组件参数设定和Avalon总线转换IP，并在Cyclone系列FPGA上调试验证通过。3．结合数字再平衡回路的设计理论，根据动力调谐陀螺仪的力矩器进动特点和信号器信号的频带、动态范围、数据分辨率以及端面跳动干扰等约束条件，确定回路增益，设计了信号的放大、相敏解调、滤波、A／D和D／A电路。4．在硬件平台构架的基础上，设计了中断方式A／D采集数据程序和系统主程序流程，并调试通过。寻北实验试验表明：应用数字再平衡回路的寻北仪，其寻北精度已经达到中精度要求。

关键词：动力调谐陀螺仪再平衡回路解耦最小拍控制 SOPC