全角半球谐振陀螺控制回路的动态特性研究

全角半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的速率积分陀螺。针对全角半球谐振陀螺闭环控制回路的系统带宽问题,分析了全角半球谐振陀螺的工作原理,分别建立了全角半球谐振陀螺的输入-输出控制回路模型和扰动-输出控制回路模型。利用SIMULINK工具箱对两种模型进行了搭建和仿真研究,分析了两种控制回路的动态特性,最后进行了全角半球谐振陀螺的转台实验。仿真结果显示：外界输入角速度超过532.8°/s后,扰动信号导致的输出量波动达到最大且保持恒定,此时控制回路的带宽为1.48 Hz。仿真和实验结果表明：全角半球谐振陀螺控制回路的带宽过低会导致扰动信号引起椭圆参数的波动,控制效果变差,且扰动信号频率与外界输入转速成正比,当外界输入转速超越控制回路截止频率的对应转速后,椭圆参数的波动幅值趋于稳定。本文的研究成果为全角半球谐振陀螺的动态性能分析提供了理论基础。     

惯性稳定平台自适应前馈控制

结合反馈控制提出了一种自适应前馈控制方法来提高惯性稳定平台稳定控制的指令跟踪性能。应用子空间辨识算法,由输入输出数据辨识稳定平台动态模型的状态空间描述;采用频域回路成型方法设计反馈回路控制器,用于抑制外部扰动。应用递推最小二乘(RLS)自适应滤波器构建反馈控制回路逆模型,构造指令信号的全通特性,提高指令跟踪能力。针对不同的指令信号进行跟踪实验,验证了自适应前馈控制方法的有效性。实验结果表明:提出的自适应前馈方法对阶跃指令响应快,超调量可由反馈控制的30%降低至4.5%,对30 Hz正弦信号的响应幅值无衰减,相位滞后由反馈控制的90°降低至54°。得到的结果显著提高了系统的暂态性能,控制性能优于单独的反馈控制回路。     

小型飞行器MEMS姿态测量系统

针对目前可获得的微机电系统(micro electromechanical system,简称MEMS)惯性测量元件,提出一种用于小型飞行器的姿态测量系统实现方案,采用三轴加速度计和单轴速率陀螺构建系统,可满足飞行器加速度小于6g、角速度小于±300(°)/s的姿态测量需求。根据所选MEMS惯性传感器的特点,给出传感器的测试方案和测试结果,利用加速度计测量信息直接修正方向余弦矩阵来抑制姿态角的误差积累,并进行姿态测量试验。试验结果表明:系统以100Hz的频率更新姿态测量值,在满足姿态矩阵修正阈值的条件下,姿态测量误差小于1(°)。     

钢丝绳传动航空光电稳定平台设计

针对某高光谱相机选择系留气球作为飞行平台的使用要求,设计了一台钢丝绳传动两轴稳定平台,对系留气球在方位和俯仰方向的姿态变化进行角度补偿。稳定平台的方位和俯仰传动机构均采用钢丝绳传动,方位轴和俯仰轴的连续驱动力矩分别为93.6 N·m和117 N·m,两轴的最高转速分别为25(°)/s和20(°)/s。对稳定平台进行了实验室测试,测试结果表明:稳定平台的传动精度为5μrad,传动误差不大于0.7%,方位轴和俯仰轴的开环控制伺服带宽分别为15 Hz和35 Hz,正弦跟踪精度均方根误差值分别为0.0045和0.0043。然后进行了外场飞行试验,稳定平台安装在系留气球底部,俯仰框架上安装35 kg的高光谱相机进行空中对地观测,飞行试验中获取稳定平台陀螺稳定数据,得到方位轴和俯仰轴的稳定精度分别为38.83μrad(RMS)和37.26μrad,满足高光谱相机稳定成像的指标要求。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承负载力矩复合补偿的控制

提出一种基于角速率前馈与力矩观测相结合的磁轴承负载力矩复合补偿控制方法来提高双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子的悬浮精度。建立了双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子动力学模型,分析了内外框架转动情况下的磁轴承负载力矩。分别基于框架角速率前馈和力矩观测设计了磁轴承负载力矩复合补偿控制方法,分析了补偿后系统的稳定性。最后,利用实验室研制的样机搭建试验平台对本文所提出的方法进行了实验验证。结果表明:在框架以角加速度120(°)/s2启动至10(°)/s时,该方法使转子Ax端位移跳动量减小为未补偿前的44.8%;内外框架以幅值频率10Hz正弦激励时,转子Ax、By端的位移跳动量分别减小为未补偿前的23.4%和35.5%。结果显示提出的方法有效地提高了磁悬浮转子在负载力矩扰动下的悬浮精度。     

一种结合扰动观测器的惯性稳定平台稳定回路设计

介绍了大型重力测量惯性稳定平台的典型陀螺稳定回路设计,在此基础上以稳定回路闭环传递函数为被控对象设计了扰动观测器,实现了扰动观测器与陀螺稳定回路的结合。进行了没有扰动观测器和带有扰动观测器的稳定回路控制仿真对比,仿真结果表明,结合扰动观测器的稳定回路,具有更好的抗低频干扰力矩和高频陀螺测量噪声的能力。     

双框架控制力矩陀螺框架系统的扰动观测及抑制

内外框架间的耦合力矩、非线性摩擦和未建模动态是影响双框架控制力矩陀螺框架系统高精度角速率伺服控制的主要因素。为提高框架系统的干扰抑制能力,保证框架系统输出角速率精度,本文提出了一种基于非线性级联扩张状态观测器和滑模控制的复合扰动抑制方法。框架系统中的所有干扰都被认为是集总干扰并由设计的NCESO估计,通过滑模控制可从系统输出通道中消除集总干扰的影响。最后,将本文提出的控制方法与线性级联扩张状态观测器和状态反馈结合的复合控制方法进行了对比仿真实验。仿真和实验结果表明,本文提出的方法具有更好的干扰抑制和动态响应性能,内框架角速度波动从0.5(°)/s减小到0.2(°)/s,外框架角速度波动从0.45(°)/s减小到0.15(°)/s;跟踪正弦参考信号时,速度跟踪误差从1.8(°)/s减小到1.2(°)/s,相位滞后从8°减小到1.3°。     

轴对称飞行器滚转稳定控制与舵机技术指标

结合捷联惯性导航技术,系统研究了舵机技术指标对滚转自动驾驶仪性能的影响。根据滚转回路特性,分析了滚转回路截止频率与舵机带宽的基本关系。应用频域分析,在低阶简化模型和高阶模型性能比较的基础上,研究了舵机带宽和相角对滚转回路性能的影响。以二阶系统阶跃响应形式,联系飞行操纵产生的下洗流干扰力矩与滚转稳态指令,确定了舵的最大偏转角速度,保证滚转自动驾驶仪在机动飞行时工作在线性区。另外,综合考虑有转速和角度限制的二阶系统舵机模型及不同总攻角下的最大干扰力矩,考查了饱和非线性区中滚转回路指令和滚转角的响应状态,论证了滚转回路的稳定性。结果表明,对于弹体滚转时间常数为0.3s,舵效率力矩为42N.m/rad,带宽要求50rad/s的滚转自动驾驶仪,舵机带宽应不小于20Hz,阻尼比应在0.6以上。     

基于干扰补偿的稳定平台控制系统设计

为克服机电伺服系统的摩擦以及其它力矩干扰问题,提出一种基于LuGre模型的摩擦前馈补偿和基于扰动观测器反馈补偿的复合控制策略。以某型号惯性稳定平台的单轴转台为例,首先对单轴转台进行建模分析,根据不变性原理,设计摩擦前馈补偿控制,再根据观测器输入和输出之间存在的数学关系,利用陀螺反馈的角速度信号,设计了基于扰动观测器的力矩补偿控制,最后在试验平台上,采用位置环为离散增量式PID算法,速度环为抗积分饱和PI算法,对提出的复合控制方法进行验证分析。稳定平台的实验结果表明所设计的惯性稳定平台控制系统能有效地抑制机电伺服系统中的摩擦及其它力矩干扰因素,一定程度上提高了惯性稳定平台的稳定性和动态跟踪性能。     

基于惯性运动自适应前馈的磁轴承基座扰动抑制

为抑制主动磁轴承中基座的运动造成转子的振动增大,设计并实现了一种基于惯性运动的前馈控制方法。首先,针对基座运动状态下的磁轴承系统,建立了基座运动的五自由度磁轴承转子动力学模型,然后,分析了在基座进行小幅度复杂运动时转子受扰动力的动力学,提出了一种基于自适应算法的惯性前馈方法。最后,采用搭建的实验平台对不同扰动下开启前馈控制前后转子的响应进行了实验研究。实验结果表明：自适应前馈控制器使能后,磁轴承转子的位移减少了80%以上。设计的自适应前馈控制方法能够有效抑制磁悬浮系统基座扰动对转子振动的影响,大幅提高了磁轴承转子的运行精度,且设计的系统仅需增加一个小体积的惯性微机电测量单元,满足实际工程应用需求。     

惯性参考单元的变增益PI位置控制技术

基于惯性参考单元的视轴稳定方式是克服运动载体光电跟瞄系统外部扰动,实现微弧度甚至亚微弧度级跟瞄的主要技术手段。惯性参考单元的初始校准需要构建以电涡流线位移传感器作为角位置反馈元件的闭环控制回路,角位置控制精度是影响光电跟瞄系统指向精度的主要因素。为了解决惯性参考单元系统位置控制面临的基座扰动、传感器噪声等问题,提出基于频段估计的变增益PI控制方法。设计改进扰动观测器,降低中低频传感噪声对控制精度的影响,设计频段估计器实现外部扰动频段的细分,据此动态调节控制器增益。仿真和实验结果表明,基于VGPI-IDOB控制算法能够有效提高系统的位置控制精度,无输入条件下,系统的静态输出均方根较PI控制降低了67.3%;15 Hz, 1 mrad正弦输入,20 Hz, 0.097 mrad扰动作用下,VGPI-IDOB的位置控制精度相较PI控制提升了72%。     

利用自适应卡尔曼滤波实现光电跟踪中的复合控制

为了在光电跟踪控制系统中实现复合控制以提高跟踪精度,构建了基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制结构。首先,利用跟踪脱靶量数据和仪器位置数据合成目标角位置数据;然后,利用模型自适应卡尔曼滤波算法对目标角位置数据进行滤波估计以获得目标角速度信息;最后,将目标角速度信息前馈到速度回路,从而构成复合控制系统。实验结果表明:采用复合控制结构后,目标跟踪精度提高了50%。基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制技术能够在保持原反馈控制系统稳定性的条件下提高跟踪精度。     

自适应角速度估计器在磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统中的应用

控制力矩陀螺输出高精度力矩需要框架伺服系统有高精度的力矩输出,因此需要高精度的光电码盘或者旋转变压器作为位置控制器。为消除由位置信号差分计算速率信号而引起的噪声,提出了一种低噪声、带宽可调的自适应角速度估计算法。首先对该角速度估计器的稳定性作了分析,然后利用最小二乘法设计了实时调整前向通道比例增益的自适应算法。利用MATLAB对实际获得的实验数据进行仿真,使稳速速率的波动量减小了88%,然后在磁悬浮控制力矩陀螺上进行了实验,将角速度估计器加到速率环的反馈环节上,在带宽没有影响的前提下,使速率曲线的波动量减小了71.5%。     

一种新型微惯性测量组合捷联惯导系统的研究

在大动态环境下,测量载体的角速度的陀螺仪已经很难满足陀螺仪量程的要求。本文针对具有大角速度和大角加速度的短时飞行的动态载体,利用加速度计的输出公式和惯性器件的测量值,解算出载体质心的线加速度和角速度;根据微惯性测量组合捷联惯导系统原理设计了微惯性测量组合的安装方案并且论证了该组合方案的优越性;通过MATLAB软件对该方案经行了仿真,结果表明该方案有效提高了系统精度。     

航空光电成像消旋电视数字控制器

介绍了消旋电视摄像系统的工作原理,通过对系统的分析,得出了消旋系统保证像质所允许的最大旋转角速度。根据消旋速度要求,设计了消旋系统的电视数字控制器。该控制器以DSP为核心微处理器;以测速机为速度敏感元件,作为系统速度环的反馈;速率陀螺测得飞行器的扰动速率,用作速度环的前馈。系统采用了传统的超前滞后补偿方法,并加入了积分环节以减小稳态时的漂移角速度。实验结果表明,在消旋拍摄过程中,消旋速度满足设计要求,拍摄图片清晰,消旋速率精度为14.3(°)/s。理论分析和实验结果都证明了该消旋摄像系统的可行性。     

Sliding mode control of a simulated MEMS gyroscope

The microelectromechanical systems (MEMS) are penetrating more and more into measurement and control problems because of their small size, low cost, and low power consumption. The vibrating gyroscope is one of those MEMS devices that will have a significant impact on the stability control systems in transportation industry. This paper studies the design and control of a vibrating gyroscope. The device has been constructed in a Pro-E environment and its model has been simulated in the finite-element domain in order to approximate its dynamic characteristics with a lumped model. A model reference adaptive feedback controller and the sliding mode controller have been considered to guarantee the stability of the device. It is shown that the sliding mode controller of the vibrating proof mass results in a better estimate of the unknown angular velocity than that of the model reference adaptive feedback controller.     

超精密工作台控制方案的优化选择

采用直线电动机加气浮导轨模式搭建大行程纳米级分辨率的超精密工作台,并建立超精密工作台进给系统的数学模型.通过计算机仿真分别分析单位反馈PID控制、带加速度前馈的PID控制、位置速度双环反馈和Smith预估控制等控制模式在不同材料做导轨时的控制指标.在控制系统选择上采用层次分析法建立综合评价体系,通过分析、计算、比较,确定位置环、速度环的双环反馈控制为本工作台最佳控制方案.     

A modified model reference adaptive control with application to MEMS gyroscope

Micro electro-mechanical systems (MEMS) are increasingly being used in measurement and control problems due to their small size, low cost, and low power consumption. The vibrating gyroscope is a MEMS device that will have a significant impact on stability control systems in the transportation industry. This paper investigates the application of a modified model reference adaptive control for MEMS gyroscope. Using this adaptive control algorithm, an estimation of the angular velocity and the damping and stiffness coefficients in real time is easily computable. Changing the conventional model reference input makes it feasible to utilize a low pass filter to remove unwanted oscillations caused by high adaptation gain. This new adaptive control technique enables quick compensation for large changes in the system dynamics, providing consistent estimation of gyroscope parameters including angular velocity and large robustness to parameter variations and external disturbances. The asymptotic stability of the mentioned adaptive controller is guaranteed using the Lyapunov direct method. Numerical simulation is presented to verify the effectiveness of the proposed control scheme.