CN104501793A - 一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法 - Google Patents

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马晓飞
付梦印
李擎
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Abstract

一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法，该方法包括：（1）根据高动态角速率陀螺仪的核心三维敏感结构的振动机理，建立其等效动力学模型；（2）在等效动力学模型的基础上，分析高动态角速率陀螺仪正交误差的产生机理；（3）针对正交误差产生机理，设计闭环控制环路以及相应的控制器；（4）调节控制器参数，使其达到理想的控制效果。本发明采用理论推导、仿真分析和试验调试三者结合的方法，很好地解决了高动态角速率陀螺的正交误差控制问题，为高动态角速率陀螺的电路系统设计及控制算法设计提供了参考依据。

Description

一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法
技术领域
本发明属于固态振动陀螺技术领域，具体涉及一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法。
背景技术
专利号为：ZL201010215745.1，发明名称为：钟形振子式角速率陀螺的专利申请提出了一种新型的高动态角速率陀螺，它是基于高动态环境下的特定需求而设计的一种谐振子结构类似于中国古代大钟的固态振动陀螺。该陀螺利用处于高频谐振的对称壳体中受激励驻波的哥氏效应来敏感角运动的测量。它除了继承固态振动陀螺所有惯性品质外，还具有抗高振动、高冲击、高过载等高动态环境的独特性能，这是其它任何陀螺所无法比拟的，具有广阔的应用前景。
和已有各种陀螺仪一样，提高零偏稳定性、消除误差和漂移是一项重要而艰苦的任务。对于高动态角速率陀螺而言，正交误差是最大的误差来源，必须通过有效措施进行补偿或修正。已有的研究工作和成果虽然具有一定的借鉴意义，但由于高动态角速率陀螺的振动机理、驱动方式、检测方法等都与现有陀螺有较大不同，使得动力学模型、正交误差机理、以及基于此误差机理设计的控制环路都会有很大的不同，尤其是在控制环路的输入输出变量选取、控制信号的提取方式、控制器参数的调节方法上，必须具有针对性和唯一性，而不能借鉴现有成果。需要说明的是，正交误差项的区别不只是体现在个别参数的差异上，也不能通过某些参数设置的修改就可使之与现有技术相一致。归根到底还是由于高动态角速率陀螺与现有陀螺在工作机理、驱动检测方式上的差异造成的，这是二者固有的、本质的差别。综上所述，迫切需要研发一种适用于高动态角速率陀螺的正交误差控制方法。
发明内容
本发明的目的是为了消除高动态角速率陀螺的正交误差，提供了一种适用于高动态角速率陀螺的正交误差控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法，包括以下步骤：
步骤1，根据高动态角速率陀螺仪的振动机理，建立其等效动力学模型；
步骤2，在等效动力学模型的基础上，分析其正交误差产生机理；
步骤3，针对正交误差模型，设计控制环路以及控制器；
步骤4，调节控制器参数，使其达到理想的控制效果。
步骤1中，所述等效动力学模型为：
(3)
 其中，x、y为各自轴向上的位移；fx、fy分别为施加在x、y轴向的激励力；n为振动模态阶数；k为进动因子；为轴向输入角速率；为fx与内部轴系的夹角；为与内部轴系的夹角；,,其中、分别为两主振型的谐振频率；, ,其中、分别为两主轴的阻尼衰减常数。
步骤2中，正交误差产生机理为谐振子频率裂解的存在，对谐振子检测模态的输出信号造成影响；影响机理为：
(4)
 式中，即为陀螺输出的正交误差项，必须通过设计正交控制回路来消除。
步骤3中，控制器采用经典的PID控制；输出信号送入调制器中，将调制后得到的控制信号施加到另一个正交控制电极上，完成一个闭环的正交控制回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提供的一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法，根据谐振子唇沿的振动模态，将谐振子的动力学模型简化为经典的二维弹簧阻尼系统，避免了高动态角速率陀螺整体动力学模型的建立，包括钟形壳体的几何方程与运动学方程，以及内部应力、平衡方程和边界条件的确定，同时保证了模型的准确性，为正交误差分析提供了准确模型；
（2）本发明提供的一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法，在等效动力学模型的基础上系统分析了正交误差的产生机理，为高动态角速率陀螺的理论研究和工程分析奠定了基础；
（3）本发明提供的一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法，给出了实用的闭环控制回路以及控制策略，在仿真和实际测试中达到了理想的控制效果，对提高陀螺精度大有裨益；
（4）本发明提供的一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法，可以得到指导设计的有效分析数据，方便设计人员总结出设计经验，从而形成设计的规范和标准。
附图说明
图1为一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法流程图；
图2为三维敏感结构振子的振动示意图；
图3为高动态角速率陀螺正交控制结构图；
图4为加入正交控制前后的李沙育图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
高动态角速率陀螺的工作原理是利用处于高频谐振的对称壳体中受激励的驻波的哥氏效应来敏感角运动的测量。谐振子的理想振型为环向波数n=2的正交模态。但由于谐振子质量、阻尼、材料等分布不均会造成的频率裂解，进一步造成正交误差，必须通过有效措施进行补偿或修正。已有的研究工作和成果虽然具有一定的借鉴意义，但由于高动态角速率陀螺在理论建模和信号处理方法上有较大的不同之处，因此我们提供了一种适用于高动态角速率陀螺的正交误差控制方法。
本发明提供的一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，根据高动态角速率陀螺仪的振动机理，建立其等效的动力学模型；
高动态角速率陀螺整体动力学模型的建立比较困难，涉及到钟形壳体的几何方程与运动学方程，以及内部应力、平衡方程和边界条件的确定。考虑到其振动的目的是使振子唇沿呈现四波腹振动，用以敏感输入角速率，可以简化为经典的二维弹簧阻尼系统。
谐振子的理想振动模态可按照两个内部轴系进行正交分解和合成，如图2所示。这两个轴系分别为位于0°电极轴方向的x轴（2-1）和位于45°电极轴方向的y轴（2-2），二轴相互正交。主波波腹轴（2-3）与x轴（2-1）的夹角为（2-4）。等效动力学模型可描述如下：
 其中，x、y为各自轴向上的位移；fx、fy分别为施加在x、y轴向的激励力；n为振动模态阶数；k为进动因子；为轴向输入角速率；为fx与内部轴系的夹角；为fy与内部轴系的夹角；,,其中、分别为两主振型的谐振频率；,,其中、分别为两主轴的阻尼衰减常数。
步骤2，在等效动力学模型的基础上，分析其正交误差产生机理；
正交误差产生机理为谐振子频率裂解的存在，对谐振子检测模态的输出信号造成影响。影响机理为：
式中，即为陀螺输出的正交误差项，必须通过设计正交控制回路来消除。
步骤3，针对正交误差模型，设计控制环路以及控制器；
高动态角速率陀螺正交控制整体电路结构框图如图3所示。陀螺核心的三维敏感结构（3-1）上粘贴有8个电极，其中驱动电极（3-2，3-3）用于激励谐振子起振，位于波节点处的正交控制电极（3-4，3-5）用于进行本发明所述的正交误差控制。正交电极（3-4）输出信号通过放大滤波处理（3-6）后再送入解调器（3-7）中，分别解调出幅值、相位信号（3-8），并以作为正交控制误差信号。控制器（3-9）采用经典的PID控制，输出信号送入调制器（3-10）中，将调制后得到的控制信号施加到另一个正交控制电极（3-5）上，这样就完成了一个闭环的正交控制回路。
高动态角速率陀螺为了能够保证输出信号的稳定，就必须保持谐振子振幅平稳、频率不变，因而考虑采用作为控制信号，同时保证振幅、频率（相位）的稳定性。该控制信号的获取需要进行大量的信号处理过程，如放大、调制、解调等，具有一定的难度，通过实验很难获得。
步骤4，调节控制器参数，使其达到理想的控制效果。
通过实验手段对钟形振子进行测试，确定模型中相关参数如下：
，，，，，，。
选择上述参数进行仿真，得到仿真曲线如图4所示。图中，x轴(4-1)为驱动电极输入信号，y轴（4-2）为反馈电极上的输出信号，未加入正交控制时的李沙育曲线（4-3）为一椭圆形曲线，加入本发明所述正交误差控制后的李沙育曲线（4-4）则为一条直线。
观察仿真结果，继续调节设计参数，使其达到理想的控制效果，并将其应用于实际电路及控制算法的设计中。
综上所述，本发明提供的方法为高动态角速率陀螺的理论研究和工程分析奠定了基础。并在仿真和实际测试中达到了理想的控制效果，提高了陀螺的精度。
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 (4)

1.一种高动态角速率陀螺正交误差控制方法，其特征在于：包括以下步骤，                                                
步骤1，根据高动态角速率陀螺的振动机理，建立其等效动力学模型；
步骤2，在等效动力学模型的基础上，分析其正交误差产生机理；
步骤3，针对正交误差产生机理，设计控制环路以及控制器；
步骤4，调节控制器参数，使其达到理想的控制效果。
2.根据权利要求1所述的高动态角速率陀螺正交误差控制方法，其特征在于：步骤1中所述的等效动力学模型为：
其中，x、y为各自轴向上的位移；fx、fy分别为施加在x、y轴向的激励力；n为振动模态阶数；k为进动因子；为轴向输入角速率；为fx与内部轴系的夹角；为fy与内部轴系的夹角；,,其中、分别为两主振型的谐振频率；,,其中、分别为两主轴的阻尼衰减常数。
3.根据权利要求1所述的高动态角速率陀螺正交误差控制方法，其特征在于：步骤2中所述的正交误差产生机理为谐振子频率裂解的存在，对谐振子检测模态的输出信号造成影响；影响机理为：
(2)
式中，即为陀螺输出的正交误差项，必须通过设计正交控制回路来消除。
4.根据权利要求1所述的高动态角速率陀螺正交误差控制方法，其特征在于：控制器采用经典的PID控制；输出信号送入调制器中，将调制后得到的控制信号施加到另一个正交控制电极上，完成一个闭环的正交控制回路。
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