CN103048925A - 一种钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法 - Google Patents

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Abstract

一种钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法。该方法包括：（1）利用参考模型和观测到的钟形振子x轴向信号和y轴向信号，计算钟形振子运行误差和误差变化率；（2）对x轴向信号、y轴向信号、振子运行误差和运行误差变化率进行集中滤波与状态重构，重构出新状态x轴向位移、y轴向位移、x轴向位移变化率、y轴向位移变化率、钟形振子运行误差和运行误差变化率；（3）根据给定系统输入与重构的状态，设计自适应滑模控制器，控制钟形振子维持稳定振幅运动。本发明提高了钟形振子式角速率陀螺幅值稳定程度，缩短了稳定时间，并缩短了整个钟形振子式角速率陀螺开发的时间，为钟形振子式角速率陀螺的合理设计提供了依据。

Description

一种钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法
技术领域
本发明属于角速率陀螺技术领域，具体涉及一种钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法。
背景技术
陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导的核心部件。基于哥氏力原理的振动陀螺具有所有的惯性品质，其在惯性技术领域的地位越来越重要，已被人们当作新一代的惯性仪表而受到广泛的关注。在科学技术发展和市场需求的推动下，各种振动陀螺相继出现。
申请号为：ZL201010215745.1，发明名称为“钟形振子式角速率陀螺”的专利申请提供了一种钟形振子式角速率陀螺，该钟形振子式角速率陀螺是一种基于哥氏力原理的振动陀螺，其敏感器件为钟形谐振子。目前，基于该钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法，均是依靠经验判断法和试凑法得来的，设计的钟形振子式角速率陀螺幅值稳定回路的响应时间难以控制、调试周期长、振幅稳定能力差，截止目前，还没有一种系统描述钟形振子式角速率陀螺的振型稳定方法。
发明内容
本发明为了克服经验判断法和试凑法设计的钟形振子式角速率陀螺幅值稳定回路的响应时间难以控制、调试周期长、振幅稳定能力差等缺点，提出了一种全新的钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法。采用先进控制方法，结合状态重构、滤波器设计、自适应控制和滑模变结构控制于一体，提高了钟形振子式角速率陀螺幅值稳定程度，缩短了稳定时间，同时由于系统的自适应能力增强，大大缩短了钟形振子幅值稳定回路的研发周期，从而缩短了整个钟形振子式角速率陀螺开发的时间，为钟形振子式角速率陀螺的合理设计提供了依据。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
利用参考模型和观测到的钟形振子x轴向信号和y轴向信号，计算钟形振子运行误差和误差变化率；对x轴向信号、y轴向信号、振子运行误差和运行误差变化率进行集中滤波与状态重构，重构出新状态x轴向位移、y轴向位移、x轴向位移变化率、y轴向位移变化率、钟形振子运行误差和运行误差变化率；根据给定系统输入与重构的状态，设计自适应滑模控制器，控制钟形振子维持稳定振幅运动。除此之外，利用外界环境输入传感器，实时调整DDS输出和参考模型，增强系统的环境适应性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1） 本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振幅稳定方法利用先进控制理论，设计针对钟形振子的基于模型参考状态重构的自适应滑模控制器，填补了钟形振子振幅稳定回路控制器设计的空白，为钟形振子振幅稳定回路设计奠定了理论基础；
（2） 本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法提高了验证分析能力和准确性，为钟形振子的合理设计提供了依据；
（3） 本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法，通过外界环境传感器，实时调整DDS输出和参考模型，增强系统的环境适应性；
（4） 本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法，可使陀螺控制回路的自适应能力增强，大大缩短了钟形振子幅值稳定回路的研发周期，从而缩短了整个钟形振子式角速率陀螺开发的时间，为钟形振子式角速率陀螺的合理设计提供了依据。
附图说明
图1为钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法流程图；
具体实施方式
钟形振子式角速率陀螺的原理是利用发生谐振的钟形振子旋转时引起的振型角度的进动，来确定陀螺基座绕惯性空间旋转的角度。为使钟形振子能产生环向波数n=2的理想振型，必须准确地控制钟形振子的激振幅值，其稳定程度，将直接影响到钟形振子式角速率陀螺的整体性能。因此我们要对钟形振子式角速率陀螺的振幅稳定回路进行合理设计，使钟形振子能够产生理想振型，从而更好的敏感输入角速率。
针对上述状态方程描述，本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振幅稳定方法，具体实施方式如下：
本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振幅稳定方法的主要结构框图如图1所示。钟形振子式角速率的状态变量为：
Figure 2012105451003100002DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 893221DEST_PATH_IMAGE002
。
状态空间模型如下：
Figure 2012105451003100002DEST_PATH_IMAGE003
其中，x为x轴向输出位移；y为y轴向输出位移；
Figure 716909DEST_PATH_IMAGE004
为x轴向输出位移的导数；
Figure 2012105451003100002DEST_PATH_IMAGE005
为y轴向输出位移的导数；为x轴向控制力；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为y轴向控制力；
Figure 612632DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 750221DEST_PATH_IMAGE010
。
在钟形振子式角速率陀螺工作之前，要根据环境传感器（1-11），利用之前对钟形振子（1-13）进行的环境试验得出的幅值频率表（1-21），确定DDS（1-1）的振动幅值和频率（1-2）、参考模型（1-14）的振动幅值和频率（1-12）。确定的参考模型（1-14）为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其状态空间表述为：
Figure 632726DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，。
Figure DEST_PATH_IMAGE015
与（1-12）为参考模型（1-14）的振动幅值和频率，均由幅值频率表（1-21）提供；参考信号
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（1-16）为参考模型（1-14）给出的钟形振子x轴向期望输出位移；参考信号
Figure 991792DEST_PATH_IMAGE018
（1-17）为参考模型（1-14）给出的钟形振子y轴向期望输出位移。振子在x轴向电极激励信号（1-5）和y轴向电极激励信号（1-7）的综合作用下开始振动，通常在初始情况下，x轴向电极激励信号
Figure 412409DEST_PATH_IMAGE019
（1-5）为频率是6635.5Hz，峰峰值为20V的正弦信号；y轴向电极激励信号（1-7）为0V直流电压。
当钟形振子开始振动后，通过钟形振子式角速率陀螺的位移敏感器，采集钟形振子x轴向位移信号（1-15）和y轴向位移信号
Figure 936111DEST_PATH_IMAGE022
（1-19）。利用参考信号（1-16）和x轴向位移信号（1-15），求得钟形振子（1-13）x轴向位移的运行误差
Figure DEST_PATH_IMAGE023
（1-18）；利用参考信号
Figure 271780DEST_PATH_IMAGE018
（1-17）和x轴向位移信号
Figure 556131DEST_PATH_IMAGE022
（1-19），求得钟形振子（1-13）y轴向位移的运行误差
Figure 968658DEST_PATH_IMAGE024
（1-19）。
设计滤波与状态重构器（1-20），在对观测到的状态进行滤波的同时，重构出新状态：x轴向控制力
Figure DEST_PATH_IMAGE025
（1-4）、y轴向控制力
Figure 685072DEST_PATH_IMAGE026
（1-7）、x轴向位移变化率
Figure 866655DEST_PATH_IMAGE004
和y轴向位移变化率（1-8）、钟形振子运行误差
Figure DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 893834DEST_PATH_IMAGE028
和运行误差变化率
Figure DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 646895DEST_PATH_IMAGE030
（1-10）。
根据外部给定的DDS输出x轴控制力（1-3）和重构x轴向控制力
Figure 948563DEST_PATH_IMAGE025
（1-4），求得x轴向控制力误差
Figure DEST_PATH_IMAGE031
（1-5）。
利用x轴向控制力误差
Figure 309137DEST_PATH_IMAGE031
（1-5），钟形振子运行误差
Figure 633940DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 3741DEST_PATH_IMAGE028
和运行误差变化率
Figure 894337DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 209885DEST_PATH_IMAGE030
（1-10），x轴向控制力（1-4），y轴向控制力
Figure 992213DEST_PATH_IMAGE026
（1-7），x轴向位移变化率
Figure 940578DEST_PATH_IMAGE004
和y轴向位移变化率
Figure 908534DEST_PATH_IMAGE005
（1-8）设计自适应滑模控制器，生成钟形振子（1-9）的合成控制力（1-9），维持钟形振子幅值稳定。其中，选取的控制率为：
Figure 4666DEST_PATH_IMAGE032
选取的自适应率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 903220DEST_PATH_IMAGE034
选取的滑模面为：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure 768408DEST_PATH_IMAGE036
为钟形振子运行误差
Figure 844949DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 428377DEST_PATH_IMAGE028
的向量表示，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为给定常值，
Figure 366508DEST_PATH_IMAGE038
为给定常值矩阵。
由此，便可实现对钟形振子的幅值稳定控制。
本发明提出的钟形振子式角速率陀螺振幅稳定方法，目的是为了克服经验判断法和试凑法设计的钟形振子式角速率陀螺幅值稳定回路的响应时间难以控制、调试周期长、振幅稳定能力差等缺点，提出了一种全新的钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法。采用先进控制方法，结合状态重构、滤波器设计、自适应控制和滑模变结构控制于一体，提高了钟形振子式角速率陀螺幅值稳定程度，缩短了稳定时间，同时由于系统的自适应能力增强，大大缩短了钟形振子幅值稳定回路的研发周期，从而缩短了整个钟形振子式角速率陀螺开发的时间，为钟形振子式角速率陀螺的合理设计提供了依据。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法，该方法包括：
（1）利用参考模型和观测到的钟形振子x轴向信号和y轴向信号，计算钟形振子运行误差和误差变化率；
（2）对x轴向信号、y轴向信号、振子运行误差和运行误差变化率进行集中滤波与状态重构，重构出新状态x轴向位移、y轴向位移、x轴向位移变化率、y轴向位移变化率、钟形振子运行误差和运行误差变化率；
（3）根据给定系统输入与重构的状态，设计自适应滑模控制器，控制钟形振子维持稳定振幅运动。
2.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法，其特征在于：利用外界环境输入传感器，实时调整DDS输出和参考模型，以增强系统的环境适应性。
3.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法，其特征在于：在步骤（3）中，利用x轴向控制力误差                                                
Figure 263912DEST_PATH_IMAGE001
，钟形振子运行误差
Figure 118736DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 898473DEST_PATH_IMAGE003
和运行误差变化率
Figure 480633DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 295005DEST_PATH_IMAGE005
，x轴向控制力
Figure 117468DEST_PATH_IMAGE006
，y轴向控制力
Figure 384501DEST_PATH_IMAGE007
，x轴向位移变化率
Figure 203640DEST_PATH_IMAGE008
和y轴向位移变化率
Figure 872519DEST_PATH_IMAGE009
，设计自适应滑模控制器，生成钟形振子的合成控制力，维持钟形振子幅值稳定。
4.根据权利要求3所述的钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法，其特征在于：选取的控制率为：
Figure 865883DEST_PATH_IMAGE010
。
5.根据权利要求4所述的钟形振子式角速率陀螺振子振幅稳定方法，其特征在于：选取的自适应率为：
Figure 557895DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 294907DEST_PATH_IMAGE012
，选取的滑模面为：
Figure 818293DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，
Figure 248137DEST_PATH_IMAGE014
为钟形振子运行误差
Figure 676713DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 951837DEST_PATH_IMAGE003
的向量表示，
Figure 595308DEST_PATH_IMAGE015
为给定常值，
Figure 930474DEST_PATH_IMAGE016
为给定常值矩阵。
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