CN103345149A - 一种动力调谐陀螺仪伺服控制回路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力调谐陀螺仪伺服控制回路，由陀螺仪表头、力矩器、控制器组成，其中控制器由二阶积分环节、超前环节、低通滤波器等组成，控制器的传递函数本发明首次提出采用2个积分环节，使***成为一个II型***，采用二阶积分环节可消除与常值干扰力矩有关的误差，从而提高伺服回路***的稳态精度；超前环节用以实现提高低频段增益和相位裕度、无条件稳定***以及参数鲁棒稳定性，低通滤波器用以消除高频噪声。

Description

一种动力调谐陀螺仪伺服控制回路

技术领域

本发明涉及一种捷联惯性测量装置的伺服控制回路，尤其涉及一种动力调谐陀螺仪伺服控制回路，主要用于高精度角速度测量的航空、航天领域。

背景技术

动力调谐陀螺仪是一种用挠性元件对高速旋转转子构成万向接头式支承的两自由度陀螺仪。在调谐转速下，平衡环的动态力矩抵消了挠性支承的弹性约束力矩，使陀螺转子成为不受约束的自由转子，因此称为动力调谐陀螺仪。捷联***中应用的动调陀螺仪与载体固连，载体的角运动将直接加到陀螺仪上。由于开路状态的动调陀螺仪只限于在小角度范围内工作，因此在捷联***中应用的陀螺仪，一定要将其输出通过再平衡回路送到相应的力矩器，使陀螺仪工作于闭路状态。在这种条件下，力矩器对转子施加力矩，驱使转子跟踪壳体运动，陀螺仪的失调角始终保持在零附近，通过输送到力矩器的电流（或电压、脉冲频率）来测量载体绕陀螺仪输出轴的角速度。国内现有的动调陀螺仪伺服控制回路为0型***，即***不含积分环节。虽然此***已在不同型号中得到应用，但随着高精度角速度测量的需求越来越迫切，重新展开对动调陀螺仪伺服回路的控制器设计。

原0型***的主要缺点是低频段增益不高，***刚度不足，设陀螺仪伺服回路的开环传递函数为G(s)，则***测量的相对误差为

在***的带宽范围内，开环传递函数的幅值越大，测量精度越高。为实现陀螺仪伺服回路的测量高精度要求，***的开环放大倍数应大于150dB，为确保陀螺仪伺服***的鲁棒稳定性，陀螺仪伺服***的带宽应不超过200rad/s，同时要求陀螺仪伺服***为一个无条件稳定***，即开环传递函数的相位在带宽以内都在-180°以上。但目前的陀螺仪伺服回路不能满足精度要求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种动力调谐陀螺仪伺服控制回路，提高了伺服控制回路的鲁棒稳定性和稳态精度。

本发明的技术解决方案：一种动力调谐陀螺仪伺服控制回路，

本发明与现有技术相比的优点如下：

（1）本发明首次提出采用2个积分环节，使伺服控制***成为一个II型***，采用二阶积分环节可消除与常值角速度变化率有关的误差，从而提高伺服回路***的稳态精度。

（2）本发明首次对伺服控制回路的控制器进行了重新设计，采用二阶积分环节和超前环节，使***增益提高到200dB以上，相比现有动力调谐陀螺仪伺服控制回路低频段增益只有100dB左右的问题，本发明可保证伺服控制***为一个无条件稳定***，提高了***在闭合时的稳定性。

（3）如果采用零极点相消的方法需要精确已知每个加速度计表头的参数，不利于批产的要求，本发明设计的控制器则可保证***对表头参数的鲁棒稳定性，有利于仪表的批产。

附图说明

图1为现有0型伺服控制回路开环频率特性示意图；

图2为本发明的实现原理图；

图3为本发明II型伺服控制回路开环频率特性示意图。

具体实施方式

动力调谐陀螺仪是由驱动马达、支承***、角度传感器、陀螺力矩器、陀螺转子、密封壳体等主要部件组成。驱动马达通过驱动轴带动支承***和陀螺转子以恒定的角速度旋转，保证陀螺具有需要的调谐转速和角动量。在仪表工作时，弹性支承的正弹性力矩可以完全被平衡环的振荡运动产生的动力反弹性力矩所抵消，使陀螺转子成为不受约束的自由转子。角度传感器用来将陀螺转子相对仪表壳体绕两个正交输出轴的转角转换成相应的电压信号。力矩器是对陀螺转子施加力矩的装置。陀螺转子是产生角动量H的惯性质量，由飞轮、力矩器的永磁环、传感器的动极板及角限动器所组成，因此陀螺转子又是力矩器、传感器及角限动器的组成部分。

捷联***中应用的动调陀螺仪与载体固连，载体的角运动将直接加到陀螺仪上。由于开路状态的动调陀螺仪只限于在小角度范围内工作，因此在捷联***中应用的陀螺仪，一定要将其输出通过再平衡回路送到相应的力矩器，使陀螺仪工作于闭路状态。在这种条件下，力矩器对转子施加力矩，驱使转子跟踪壳体运动，陀螺仪的失调角始终保持在零附近，通过输送到力矩器的电流（或电压、脉冲频率）来测量载体绕陀螺仪输出轴的角速度。

动调陀螺仪的表头传递函数包括两部分：(1)表头输出传递函数

描述了载体角速度与陀螺仪角度传感器之间的频率域数学关系，其中，H为陀螺仪角动量，λ为正交阻尼力矩系数；(2)表头进动传递函数

描述了作用到转子上的力矩与角速度之间的频率域数学关系。目前所设计的控制器可保证***为一个无条件稳定***，即低频段的相位都在-180°以上，***带宽为200rad/s，满足鲁棒稳定性的要求，如图1所示，但由于***在低频段的增益只有100dB左右，难以满足捷联惯性测量装置对角速度高精度测量的要求。因此，需要重新设计一个控制器使伺服回路以提高***的增益。

本发明控制器由二阶积分环节、超前环节、低通滤波器等组成,2个积分环节使***成为一个II型***，可消除与常值干扰力矩有关的误差，从而提高伺服回路***的稳态精度；超前环节用以实现提高低频段增益和相位裕度、无条件稳定***以及参数鲁棒稳定性，低通滤波器用以消除高频噪声。本发明设计的伺服回路如图2所示，其中K_p、K_t分别为角度传感器和力矩器的放大系数，C(s)为伺服回路控制器的传递函数。本发明重新设计了控制器的传递函数，使陀螺仪伺服回路***零极点都在右半平面以提高参数的鲁棒稳定性，并且使陀螺仪伺服回路***为无条件稳定从而确保了闭合时的稳定性，同时采用二阶积分环节提高了稳态精度。

本发明设计的伺服回路控制器传递函数为：

其中，K为控制器的放大倍数，T₁、T₂为控制器中频段的时间常数，

为控制器中低通滤波器的传递函数，ξ为低通滤波器的阻尼系数，T₃为低通滤波器的时间常数，T₁与陀螺仪表头的时间常数近似相等，T₂s+1为控制器中超前环节的传递函数，

为二阶积分环节的传递函数，T₃<T₂<T₁。

目前所用的陀螺仪伺服回路不包含积分环节

***将存在一个与常值干扰力矩有关的误差。本发明首次提出在控制器中采用两个积分环节，即

可消除与常值干扰力矩有关的误差项，提高了***的稳态精度。

由于制造工艺的不完善，使该极点的数值并不唯一，为确保***在参数变化时的鲁棒稳定性，本发明设计的控制器中零极点都在右半平面内。为保证***为无条件稳定***，即在带宽以内的相位都在-180°以上，采用二阶积分环节提高了稳态精度。采用此控制器后的陀螺仪伺服回路开环传递函数伯德图如图3所示。可以看出，***的开环放大倍数大于200dB，***的带宽与原设计近似相同，不超过200rad/s，且相位在带宽以内都在-180°以上，满足设计指标要求。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种动力调谐陀螺仪伺服控制回路，由传感器、力矩器和控制器组成，当载体有角速度输入时，陀螺仪壳体相对陀螺仪转子偏离一个角度从而产生偏差信号，传感器检测该偏差信号，控制器将传感器检测到的偏差信号转换成电信号，控制器将转换后的电信号反馈至力矩器，由力矩器产生再平衡力矩使陀螺仪转子转动以消除上述偏差信号，最终将控制器的输出作为陀螺仪的输出，其特征在于：所述控制器由二阶积分环节、超前环节和低通滤波器组成，控制器的传递函数C(s)为： $C\left(s\right)=\frac{K(T_{1}s+1)(T_{2}s+1)}{s^2(T_3^2{s}^2+2\mathrm{\&xi;}{T}_{3}s+1)},$

其中，K为控制器的放大倍数，T₁、T₂为控制器中频段的时间常数，

为控制器中低通滤波器的传递函数，ξ为低通滤波器的阻尼系数，T₃为低通滤波器的时间常数，T₂s+1为超前环节的传递函数，为二阶积分环节的传递函数，T₃<T₂<T₁。

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