CN102607598B - 陀螺仪硬件生成方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陀螺仪。为实现陀螺仪控制回路硬件生成，而且集成陀螺仪控制回路分析测试的功能，本发明采取的技术方案是，陀螺仪硬件生成装置，包括：测试组件，处理单元和供电设备；测试组件包括高精度二轴位置速率转台和安装在高精度二轴位置速率转台上的陀螺仪；处理单元包括数据采集与控制设备、数据处理工控机、数字再平衡回路和控制电路；供电设备包括激磁电源、电路板电源以及陀螺仪电源。本发明主要应用于陀螺仪的设计制造。

Description

陀螺仪硬件生成方法与装置

技术领域

本发明涉及陀螺仪，尤其是涉及陀螺仪硬件生成方法与装置。

背景技术

陀螺仪是一种测量运载体角速度的传感器。作为一种重要的惯性导航元件，被广泛应用于航海、航空、航天等领域。随着无人机、战术导弹的发展，对陀螺仪的动静态性能和输出精度提出了更高的要求。为使得陀螺仪能够在较小的线性工作范围内获得较大的测量范围，陀螺仪必须工作在锁定方式或者力反馈方式，即需要一个控制回路来调整陀螺仪的工作状态。这个控制回路的控制准确度和有效性直接关系到陀螺仪的动静态特性和输出精度，在陀螺仪系统设计中占据重要位置。

目前，陀螺仪控制回路按照所用元器件的特性主要有两种，模拟再平衡回路和数字再平衡回路。其中，模拟再平衡回路按照给力矩器的加矩方式的不同又分为模拟加矩技术和脉冲再平衡技术。模拟加矩方式是最原始的一种加矩方式，因其结构简单，技术成熟，被广泛的应用。但是随着电子技术的发展，对陀螺仪控制回路的可靠性、寿命、体积功耗等提出了更高的要求。为克服模拟加矩方式的缺点，人们在其基础上提出了脉冲加矩方式。脉冲加矩方式能够保证对力矩器施加幅值恒定的电流，在一定程度上满足了工程需求。

到上世纪八十年代，数字技术的兴起为陀螺仪控制回路的发展起到了巨大的推动作用。G.K.Steeland和S.N.Puri最早提出了一种全数字式的再平衡回路设计方法，在这种数字再平衡回路中，控制、校正网络都采用数字化实现，经采样得到的陀螺仪偏角信号经过数字控制器运算处理，产生力矩器电流控制信号。随着微处理器集成度和运算性能的提高，数字再平衡回路高精度、抗干扰能力强的优势越来越明显。

上述三种陀螺仪控制回路是目前陀螺仪控制回路设计中最常见的三种方式。其采用的技术方法不同，但设计过程相似，都是先基于陀螺仪的理论数学模型，然后在此基础上设计回路参数，最后通过试凑和调试的方式完成回路设计。但是，这种设计方法严重制约了陀螺仪控制回路技术的发展，其主要体现在：

首先，同一批次不同陀螺仪之间也存在差异，其内部参数有时会差别很大。

其次，陀螺仪的内部参数对于控制回路设计者来说往往是未知的，也就是陀螺仪的理论数学模型是不确定的。

第三，受加工条件的限制，陀螺仪内部轴承等器件的磨损以及剩余阻尼的影响，实际的陀螺仪数学模型与理论模型之间总会有一定的差异，特别是当陀螺仪使用一段时间后，这种差异愈加明显。

这三点是造成目前陀螺仪再平衡回路设计技术瓶颈主要原因，而其直接后果就是陀螺仪的数学模型不明，导致控制回路的设计存在很大的盲目性，回路调试过程繁琐，效率低下，并且难以保证回路的性能，甚至还会影响到陀螺仪的输出精度。

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种新型陀螺控制回路硬件生成方法和装置。该发明不仅能实现陀螺仪控制回路硬件生成，而且集成了陀螺仪控制回路分析测试的功能。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，陀螺仪硬件生成装置，包括：测试组件，处理单元和供电设备；测试组件包括高精度二轴位置速率转台和安装在高精度二轴位置速率转台上的陀螺仪；处理单元包括数据采集与控制设备、数据处理工控机、数字再平衡回路和控制电路；供电设备包括激磁电源、电路板电源以及陀螺仪电源；

数据采集与控制设备通过控制电路获得陀螺仪的输入、输出信息，供数据处理工控机进行数据处理；

数据处理工控机负责：通过控制电路经供电系统控制电源的通断；控制高精度二轴位置速率转台的运转；根据陀螺仪的输入、输出信息，通过陀螺仪辨识，得到陀螺仪数学模型的一个准确性估计，然后在此基础上根据现代控制论的原理设计一个控制器，最后将控制器参数下载到数字再平衡回路中，通过数字再平衡回路控制陀螺仪力矩器，实现力反馈回路；

供电系统负责给测试组件、处理单元供电。

控制电路由继电器开关电路、移位放大电路、放大电路、驱动电路组成，继电器开关电路分别和移位放大电路、数字再平衡回路、放大电路、驱动电路连接；移位放大电路的输出端和数据采集与控制设备的输入端连接，数据采集与控制设备的输出端分别和放大电路、驱动电路的输入端连接。

数字再平衡回路包括信号预处理模块、模数转换模块、数字信号处理模块、数模转换模块、功率放大模块；信号预处理模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接数字信号处理模块的输入端，数字信号处理模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接功率放大模块的输入端；数字信号处理模块和数字处理工控机互联，数字处理工控机和控制电路连接，以控制数字再平衡回路的通断。

数据处理工控机与控制电路相连，陀螺仪的信号器输出端和控制电路的移位放大电路输入端连接，陀螺仪的力矩器的输入端和控制电路的放大电路输出端连接，控制电路的移位放大电路的输出端和数据采集与控制设备的输入端连接，数据采集与控制设备的输出端和控制电路的放大电路输入端连接，为陀螺仪辨识与控制提供硬件条件和回路。

陀螺仪硬件生成方法，借助前述装置实现，包括下列步骤：

根据陀螺仪机理的先验知识，设计激励信号并构造模型类；将陀螺仪放置于高精度二轴位置速率转台上，陀螺仪的X、Y轴分别与高精度二轴位置速率转台的内、外框的自转轴平行，陀螺仪测试组件上电进行预热，然后采集陀螺仪测试组件的输入-输出数据，分析陀螺仪输入-输出数据，通过Akaike′s Information Criterion(AIC)准则和Final Prediction Error Criterion(FPE)准则判定模型阶数，并估计试用模型的参数，再对试用模型进行残差分析和拟合度检验，以验证试用模型是否合适，获取后验模型；

根据后验模型设计控制器参数，以获得满足陀螺仪稳定性的相角裕度、幅值裕度，通过仿真陀螺仪开环幅频特性、开环相频特性、闭环阶跃响应、闭环幅频特性曲线验证控制器；

操作高精度二轴位置速率转台绕陀螺仪的X轴按正方向以固定速率旋转，陀螺仪的信号器检测该速率信号转换为电信号，传输到数字再平衡回路，产生力反馈电流，力反馈电流的数字量经过数模转换模块和功率放大，传输到陀螺仪测试组件的力矩器；

操作数据处理工控机将控制器参数下载至数字再平衡回路，并测试数字再平衡回路动静态性能、实时获取反馈力矩电流的动态数据。

本发明的技术特点及效果：

1、硬件生成系统实现纯数字化，抗干扰能力强，数据操作性高，可有效抑制随机噪声干扰和系统噪声干扰，保证了信息的准确性。

2、通过采集陀螺仪输入输出数据进行系统辨识，获取其数学模型的准确性估计，为其控制回路设计提供可靠依据，并且能在很短的时间内自动生成控制回路，通过仿真方式验证设计结果，提高控制回路的准确性和有效性。

3、本系统可实现在线辨识，并有补偿环节，保证了陀螺仪等的实时性控制。

4、在该技术中，辨识系统采用AIC准则和FPE准则判定模型阶数，采用最小二乘法进行残差分析和拟合度检验，然后通过仿真实验判断辨识模型和真实模型的拟合度，辨识精度高，系统稳定。

5、根据需要，应用程序可选择多种操作模式，可任意设置采集通道、输出通道、采样率和应用对象。可实现多种陀螺仪的闭合回路的设计、仿真和在线生成。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的控制电路结构框图。

图3是本发明的数字再平衡回路结构框图。

图4是本发明的辨识及控制算法的示意流程图。

具体实施方式

本发明的技术原理是：通过系统辨识，得到陀螺仪数学模型的一个准确性估计，然后在此基础上根据现代控制论的原理设计一个控制器，最后将控制器参数下载到数字再平衡回路中，实现硬件生成。

本发明的陀螺仪控制回路硬件生成系统，包括测试组件，处理单元和供电设备。测试组件包括陀螺仪组件和高精度二轴位置速率转台；处理单元包括数据采集与控制设备、数据处理工控机、数字再平衡回路和控制电路；供电设备包括激磁电源、电路板电源以及陀螺仪电源。数据采集系统获得陀螺仪的输出信息，供数据处理单元进行数据处理；数据处理工控机负责信息整合和时序处理，通过程序时序控制数据采集与控制设备、数字再平衡回路、陀螺仪表头、电源的通断以及转台的运转状态；供电系统负责给测试组件，处理电路和数据处理单元供电；高精度双轴位置速率转台给整个系统提供测试平台。

下面结合附图对本发明各个部分的构造和各部分之间的连接进行详细的说明：

在图1中，数据处理工控机(101)作为中央处理单元，主要承担信息整合、辨识和控制算法任务，完成运算功能。数据处理工控机(101)和控制电路(104)连接，控制电路(104)控制系统各个部分的通断。高精度二轴转台(105)和陀螺仪测试组件(107)连接，为陀螺仪硬件生成系统提供调试平台。数据采集与控制设备(102)和控制电路(104)互联，主要采集信号器(108)的偏角信息以及给力矩器(109)施加力矩电流。数字再平衡回路(103)和数据处理工控机(101)互联，将控制器参数下载到数字再平衡回路(103)。电源柜(106)主要给陀螺仪电机和内部电路供电。

在图2中，控制电路(104)由继电器开关电路(201)、移位放大电路(202)、放大电路(203)、驱动电路(204)组成。继电器开关电路(201)分别和移位放大电路(202)、数字再平衡回路(103)、放大电路(203)、驱动电路(204)连接。移位放大电路(202)的输出端和数据采集与控制设备(102)的输入端连接，数据采集与控制设备(102)的输出端分别和放大电路(203)、驱动电路(204)的输入端连接。

在图3中，数字再平衡回路(103)包括信号预处理模块(301)、模数转换模块(302)、数字信号处理模块(303)、数模转换模块(304)、功率放大模块(305)。信号预处理模块(301)的输出端连接模数转换模块(302)的输入端，模数转换模块(302)的输出端连接数字信号处理模块(303)的输入端，数字信号处理模块(303)的输出端连接模数转换模块(304)的输入端，模数转换模块(304)的输出端连接功率放大模块(305)的输入端。数字信号处理模块(303)和数字处理工控机(101)互联。数字处理工控机(101)和控制电路(104)连接，以控制数字再平衡回路的通断。数字处理工控机(101)通过移位放大电路(202)、陀螺仪表头(107)、放大电路(203)，基于陀螺仪的理论数学模型，辨识出陀螺仪的各项参数。

图4是陀螺仪硬件生成系统操作过程的示意流程图。如图3所示，在步骤(402)中，设计激励信号。在步骤(404)中，根据陀螺仪机理的先验知识构建模型类，然后在步骤(405)和步骤(406)中，根据输入输出数据判断模型结构和模型参数。在步骤(407)中，根据拟合结果，通过仿真实验判断模型是否合适。如果步骤(407)的判断结果是“是”，则处理以下步骤；否则，重新从步骤(404)开始。

下面结合附图对本发明的陀螺仪硬件生成系统的几个主要功能分别进行说明：

(一)陀螺仪辨识与控制

数据处理工控机(101)通过控制电路(104)，使陀螺仪测试组件(107)的信号器(108)输出端和移位放大电路(202)的输入端连接，陀螺仪测试组件(107)的力矩器(109)的输入端和放大电路(203)的输出端连接。移位放大电路(202)的输出端和数据采集与控制设备(102)的输入端连接，数据采集与控制设备(102)的输出端和放大电路(203)的输入端连接，为陀螺仪辨识与控制提供硬件条件和回路。

根据陀螺仪测试组件(107)输入-输出数据建立数学模型，用于模型定阶。

根据陀螺仪机理的先验知识(401)(不同类型的陀螺仪理论模型的阶数)，构造模型类(404)。考虑激励信号的时域和频域可控性，设计多正弦信号为激励源(402)。将陀螺仪测量组件(107)放置于高精度二轴位置速率转台(105)上，陀螺仪测量组件(107)的X、Y轴分别与转台的内、外框的自转轴平行，陀螺仪测试组件(107)上电进行预热，然后采集陀螺仪测试组件(107)的输入-输出数据。分析陀螺仪测试组件(107)输入-输出数据，根据陀螺仪测试组件(107)输入-输出数据建立数学模型，用于模型定阶：通过AIC准则和FPE准则判定模型阶数(405)，并估计试用模型的参数(406)。再对试用模型进行残差分析和拟合度检验，以验证试用模型是否合适(407)，获取后验模型(408)。

AIC准则：Akaike′s Information Criterion信息准则是，使根据输入-输出数据所估计的随机变量的概率分布与其真正概率分布之间的拟合程度的数学期望为最大。

FPE准则：Final Prediction Error Criterion按残差方差定阶，按照估计误差方差最小来确定模型的阶次。

(二)软件仿真

根据后验模型(408)设计控制器参数(409)，以获得满足系统稳定性的相位裕度、幅值裕度。通过软件仿真(410)系统开环幅频特性、系统开环相频特性、系统闭环阶跃响应、系统闭环幅频特性曲线验证控制器。这里，系统指测试组件，处理单元和供电设备；测试组件包括高精度二轴位置速率转台和安装在高精度二轴位置速率转台上的陀螺仪；处理单元包括数据采集与控制设备、数据处理工控机、数字再平衡回路和控制电路；供电设备包括激磁电源、电路板电源以及陀螺仪电源。

(三)陀螺仪硬件生成

操作高精度二轴位置速率转台(105)绕陀螺仪测试组件(107)的X轴按正方向以固定速率旋转，陀螺仪测试组件(107)的信号器(108)检测该速率信号转换为电信号，经过信号预处理模块(301)，传输到模数转换模块(302)，再通过数字信号处理模块(303)，产生力反馈电流。力反馈电流的数字量经过数模转换模块(304)和功率放大模块数模(305)，传输到陀螺仪测试组件(107)的力矩器(109)。数字信号处理模块(303)和数据处理工控机(101)互联分别实现：控制器参数下载至数字信号处理模块(411)、实时获取反馈力矩电流的动态数据。

操作数据处理工控机(101)将控制器参数下载(411)至数字信号处理模块(303)，并测试数字再平衡回路动静态性能。

Claims (5)

1.一种陀螺仪硬件生成装置，其特征是，包括：测试组件，处理单元和供电设备；测试组件包括高精度二轴位置速率转台和安装在高精度二轴位置速率转台上的陀螺仪；处理单元包括数据采集与控制设备、数据处理工控机、数字再平衡回路和控制电路；供电设备包括激磁电源、电路板电源以及陀螺仪电源；

数据采集与控制设备通过控制电路获得陀螺仪的输入、输出信息，供数据处理工控机进行数据处理；

数据处理工控机负责：通过控制电路经供电设备控制电源的通断；控制高精度二轴位置速率转台的运转；根据陀螺仪的输入、输出信息，通过系统辨识，得到陀螺仪数学模型的一个准确性估计，作为控制器设计的理论依据，最后将控制器参数下载到数字再平衡回路中，通过数字再平衡回路控制陀螺仪力矩器，实现力反馈回路；

供电系统负责给测试组件、处理单元供电。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，控制电路由继电器开关电路、移位放大电路、放大电路、驱动电路组成，继电器开关电路分别和移位放大电路、数字再平衡回路、放大电路、驱动电路连接；移位放大电路的输出端和数据采集与控制设备的输入端连接，数据采集与控制设备的输出端分别和放大电路、驱动电路的输入端连接。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是，数字再平衡回路包括信号预处理模块、模数转换模块、数字信号处理模块、数模转换模块、功率放大模块；信号预处理模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接数字信号处理模块的输入端，数字信号处理模块的输出端连接数模转换模块的输入端，数模转换模块的输出端连接功率放大模块的输入端；数字信号处理模块和数字处理工控机互联，数字处理工控机和控制电路连接，以控制数字再平衡回路的通断。

4.如权利要求2或3所述的装置，其特征是，数据处理工控机与控制电路相连，陀螺仪的信号器输出端和控制电路的移位放大电路输入端连接，陀螺仪的力矩器的输入端和控制电路的放大电路输出端连接，控制电路的移位放大电路的输出端和数据采集与控制设备的输入端连接，数据采集与控制设备的输出端和控制电路的放大电路输入端连接，为陀螺仪辨识与控制提供硬件条件和回路。

5.一种陀螺仪硬件生成方法，其特征是，借助权利要求1-4中任一项的陀螺仪硬件生成装置实现，包括下列步骤：

根据陀螺仪机理的先验知识，设计激励信号并构造模型类；将陀螺仪放置于高精度二轴位置速率转台上，陀螺仪的X、Y轴分别与高精度二轴位置速率转台的内、外框的自转轴平行，陀螺仪测试组件上电进行预热，然后采集陀螺仪测试组件的输入-输出数据，分析陀螺仪输入-输出数据，通过AIC准则和FPE准则判定模型阶数，并估计试用模型的参数，再对试用模型进行残差分析和拟合度检验，以验证试用模型是否合适，获取后验模型；

根据后验模型设计控制器参数，以获得满足陀螺仪稳定性的相位裕度、幅值裕度，通过仿真陀螺仪开环幅频特性、开环相频特性、闭环阶跃响应、闭环幅频特性曲线验证控制器；

操作高精度二轴位置速率转台绕陀螺仪的X轴按正方向以固定速率旋转，陀螺仪的信号器检测该速率信号转换为电信号，传输到数字再平衡回路，产生力反馈电流，力反馈电流的数字量经过数模转换模块和功率放大，传输到陀螺仪测试组件的力矩器；

操作数据处理工控机将控制器参数下载至数字再平衡回路，并测试数字再平衡回路动静态性能、实时获取反馈力矩电流的动态数据。