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1、(10)申请公布号 CN 103543636 A (43)申请公布日 2014.01.29 CN 103543636 A (21)申请号 201310439308.1 (22)申请日 2013.09.24 G05B 13/00(2006.01) (71)申请人 北京航天控制仪器研究所 地址 100854 北京市海淀区北京 142 信箱 403 分箱 (72)发明人 魏宗康 武俊勇 彭智宏 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 臧春喜 (54) 发明名称 一种动力调谐陀螺仪解耦伺服控制回路 (57) 摘要 本发明公开了一种动力调谐陀螺仪解耦伺服 控制回路， 由一个陀螺仪。
2、、 两个力矩器、 一个控制 器和一个两输入输出解耦器组成。本发明设计的 控制器包含一个二输入控制解耦器、 两个相同的 二阶积分器和两个相同的滞后超前环节， 为 22 维多输入多输出传递函数矩阵， 可实现对两个交 链回路的解耦 ； 两个积分环节使捷联惯性系统成 为一个 II 型系统， 二阶积分环节可消除与常值角 速度变化率有关的误差， 从而提高伺服回路系统 的稳态精度 ； 滞后超前环节可提高系统低频段的 动态增益， 有利于减小动态误差。 在伺服控制回路 中增加输出解耦环节， 可克服由于伺服回路的两 个电流输出值与角速度之间的交链问题， 提高捷 联惯性系统的输出精度。 (51)Int.Cl. 权利。
3、要求书 2 页 说明书 7 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103543636 A CN 103543636 A 1/2 页 2 1. 一种动力调谐陀螺仪解耦伺服控制回路， 其特征在于 ： 由一个陀螺仪、 两个力矩器、 一个控制器和一个两输入输出解耦器组成， 当动力调谐陀螺仪的安装载体沿动力调谐陀螺 仪两个输入轴方向有角速度输入时， 动力调谐陀螺仪的壳体相对转子在两个输入轴方向分 别偏离一个角度从而产生两路偏差信号， 动力调谐陀螺仪两个输入轴上的传感器分别检测 到两路偏差信号并形成两路。
4、电信号， 控制器中的两输入控制解耦器将两个传感器形成的电 信号进行解耦得到两路电信号 , 两路电信号作为控制器中二阶积分环节和超前滞后环节 的输入量， 控制器中二阶积分环节和超前滞后环节的两路输出量分别反馈至与输入电信号 对应输入轴正交方向上的力矩器， 两个力矩器根据反馈的电信号分别产生再平衡力矩使陀 螺仪转子进动以消除两个输入轴方向的偏差信号， 控制器最终输出的两路电信号经过一个 两输入输出解耦器进行解耦， 两输入输出解耦器的解耦结果作为动力调谐陀螺仪的输出结 果， 所述控制器由一个两输入控制解耦器、 两个相同的二阶积分环节和两个相同的超前滞 后环节组成， 控制器的传递函数为 ： 其中，为两。
5、输入控制解耦器的传递函数， JB为动力调谐陀螺仪的 等效赤道转动惯量， H 为动力调谐陀螺仪的角动量， 为动力调谐陀螺仪的正交阻尼系数， Ktx、 Kty分别为动力调谐陀螺仪两个输入轴方向的力矩器系数 ； kc为伺服回路的放大倍数 ； 为二阶积分环节的传递函数 ； 为超前滞后环节的传递函数， Tc1、 Tc2为控制器中频段的时间常数， Tc1Tc2。 2. 根据权利要求 1 所述的一种动力调谐陀螺仪解耦伺服控制回路， 其特征在于 ： 所述 权 利 要 求 书 CN 103543636 A 2 2/2 页 3 两输入输出解耦器的传递函数为其中， JB为动力调谐陀螺仪的等效赤道转 动惯量， H 为。
6、动力调谐陀螺仪的角动量， Ktx、 Kty分别为动力调谐陀螺仪两个输入轴方向的力 矩器系数。 权 利 要 求 书 CN 103543636 A 3 1/7 页 4 一种动力调谐陀螺仪解耦伺服控制回路 技术领域 0001 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 仪解耦伺服控制回路， 属于用于高精度角速度测量的航空、 航天领域。 背景技术 0002 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德弹性约束力矩， 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 （简称动。
7、调陀螺仪） 。 0003 捷联系统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， 因此在捷联系统中应用的动力调 谐陀螺仪， 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， 动调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。 动调陀螺仪是一个两自由度陀螺仪， 其输出环节和进动环节都存在交链和耦合。 为设计方便， 国内现有的动调陀螺仪伺服回路都简化看作单输入单输出系统。
8、， 但其缺点是 由于没有进行解耦会引起陀螺仪的高频章动运动， 使系统输出噪声较大。虽然此系统已在 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， 需重新展开对动调陀 螺仪伺服回路的控制器设计。 发明内容 0004 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， 本发明通过对陀螺仪两个伺服回路之间的控制解耦以克服高频章动运动， 通过输 出解耦以消除两个通道之间的输出交链以提高系统的输出精度。 0005 本发明的技术解决方案 ： 一种动力调谐陀螺仪解耦伺服控制回路， 由一个陀螺仪、 两个力矩器、 一个控制器和一个两输入输出解耦器组成， 当动力。
9、调谐陀螺仪的安装载体沿 动力调谐陀螺仪两个输入轴方向有角速度输入时， 动力调谐陀螺仪的壳体相对转子在两个 输入轴方向分别偏离一个角度从而产生两路偏差信号， 动力调谐陀螺仪两个输入轴上的传 感器分别检测到两路偏差信号并形成两路电信号， 控制器中的两输入控制解耦器将两个传 感器形成的电信号进行解耦得到两路电信号 , 两路电信号作为控制器中二阶积分环节和 超前滞后环节的输入量， 控制器中二阶积分环节和超前滞后环节的两路输出量分别反馈至 与输入电信号对应输入轴正交方向上的力矩器， 两个力矩器根据反馈的电信号分别产生再 平衡力矩使陀螺仪转子进动以消除两个输入轴方向的偏差信号， 控制器最终输出的两路电 信。
10、号经过一个两输入输出解耦器进行解耦， 两输入输出解耦器的解耦结果作为动力调谐陀 螺仪的输出结果， 所述控制器由一个两输入控制解耦器、 两个相同的二阶积分环节和两个 相同的超前滞后环节组成， 控制器的传递函数为 ： 说 明 书 CN 103543636 A 4 2/7 页 5 0006 0007 其中，为两输入控制解耦器的传递函数， JB为动力调谐陀螺 仪的等效赤道转动惯量， H 为动力调谐陀螺仪的角动量， 为动力调谐陀螺仪的正交阻尼 系数， Ktx、 Kty分别为动力调谐陀螺仪两个输入轴方向的力矩器系数 ； 0008 kc为伺服回路的放大倍数 ； 0009 为二阶积分环节的传递函数 ； 001。
11、0 为超前滞后环节的传递函数， Tc1、 Tc2为控制器中频段的时间常数， Tc1Tc2。 0011 所述两输入输出解耦器的传递函数为其中， JB为动力调谐陀螺仪 的等效赤道转动惯量， H 为动力调谐陀螺仪的角动量， Ktx、 Kty分别为动力调谐陀螺仪两个输 入轴方向的力矩器系数。 0012 本发明与现有技术相比的优点如下 ： 0013 （1） 本发明设计的解耦伺服控制回路， 其控制器为 22 维多输入多输出传递函数 矩阵， 包含一个二输入控制解耦器、 两个相同的二阶积分器和两个相同的滞后超前环节， 可 实现对两个交链回路的解耦 ； 4 个元素的分母阶次大于分子阶次， 有利于工程实现 ； 采。
12、用 2 个积分环节， 使系统成为一个 II 型系统， 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， 从而提高伺服回路系统的稳态精度 ； 采用滞后超前环节， 可提高捷联惯性系统低 频段的动态增益， 有利于减小动态误差。 0014 （2） 本发明首次在伺服控制回路中增加输出解耦环节， 可克服由于伺服回路的两 个电流输出值与角速度之间的交链问题， 实现载体角运动与输出测量角速度之间严格一一 对应， 提高捷联惯性系统的输出精度。 说 明 书 CN 103543636 A 5 3/7 页 6 附图说明 0015 图 1 为本发明伺服控制回路的组成结构图 ； 0016 图 2 为本发明伺服回路控。
13、制器的实现原理图 ； 0017 图 3 为本发明伺服控制回路开环幅值和相位伯德图 ； 0018 图 4 为控制器离散化后回路闭合时的实测结果 ； 0019 图 5 为控制器输入的频谱分析结果 ； 0020 图 6 为控制器输出的频谱分析结果。 具体实施方式 0021 动力调谐陀螺仪是由驱动马达、 支承系统、 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系统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。
14、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。 0022 捷联系统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， 因此在捷联系统中应用的动调陀 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。
15、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。 0023 动调陀螺仪转子在壳体坐标系 OX0Y0Z0中的运动微分方程为 ： 0024 0025 式中 0026 JB=Je+a/2动力调谐陀螺仪的等效赤道转动惯量 ； 0027 H=(Jz+a)动力调谐陀螺仪的角动量 ； 0028 K=K0-(a-c/2)2剩余刚度 ； 0029 =(+C1/2)动力调谐陀螺仪的正交阻尼系数 ； 0030 H*=(Jz+c/2)动力调谐陀螺仪的输入等效角动量 ； 0031 对 X0轴的二次谐波力矩 ； 说 明 书 CN 1035436。
16、36 A 6 4/7 页 7 0032 对 Y0轴的二次谐波力矩 ； 0033 a 平衡环赤道转动惯量 ； 0034 c 平衡环极转动惯量 ； 0035 支承杆的阻尼系数 ； 0036 Jz转子极转动惯量 ； 0037 Je转子赤道转动惯量。 0038 两自由度动力调谐陀螺仪存在耦合， 其传递函数如式 (2)。 0039 0040 如图 1 所示， 伺服控制回路由一个陀螺仪、 两个力矩器、 一个控制器和一个两输入 输出解耦器组成， 当动力调谐陀螺仪的安装载体沿动力调谐陀螺仪两个输入轴方向有角速 度输入时， 动力调谐陀螺仪的壳体相对转子在两个输入轴方向分别偏离一个角度从而产生 两路偏差信号， 动。
17、力调谐陀螺仪两个输入轴上的传感器分别检测到两路偏差信号并形成两 路电信号， 控制器中的两输入控制解耦器将两个传感器形成的电信号进行解耦得到两路电 信号 , 两路电信号作为控制器中二阶积分环节和超前滞后环节的输入量， 控制器中二阶积 分环节和超前滞后环节的两路输出量分别反馈至与输入电信号对应输入轴正交方向上的 力矩器， 两个力矩器根据反馈的电信号分别产生再平衡力矩使陀螺仪转子进动以消除两个 输入轴方向的偏差信号， 控制器最终输出的两路电信号经过一个两输入输出解耦器进行解 耦， 两输入输出解耦器的解耦结果作为动力调谐陀螺仪的输出结果， 0041 控制器由一个两输入控制解耦器、 两个相同的二阶积分环。
18、节和两个相同的超前滞 后环节组成， 如图 2 所示， 控制器的传递函数为 ： 说 明 书 CN 103543636 A 7 5/7 页 8 0042 0043 上式包含图 1 中的二输入控制解耦器传递函数矩阵、 二阶积分器和滞后超前环节 传递函数矩阵。 0044 其中，为两输入控制解耦器的传递函数， JB为动力调谐陀螺 仪的等效赤道转动惯量， H 为动力调谐陀螺仪的角动量， 为动力调谐陀螺仪的正交阻尼 系数， Ktx、 Kty分别为动力调谐陀螺仪两个输入轴方向的力矩器系数 ； 0045 kc 为伺服回路的放大倍数 ； 0046 为二阶积分环节的传递函数 ； 0047 为超前滞后环节的传递函数，。
19、 Tc1、 Tc2为控制器中频段的时间常数， Tc1Tc2。 0048 捷联系统角速度测量值直接取自动力调谐陀螺仪的输出电流值 Ix、 Iy， 利用 I/F 电 路转换为频率信号， 其比例系数分别为 Kfx、 Kfy。由于电流与角速度之间的关系为 ： 0049 说 明 书 CN 103543636 A 8 6/7 页 9 0050 可以看出， 输出电流值 Ix、 Iy与角速度之间并不是严格一一对应。 测量值除包含相应的角速度外， 还包含另一个输出轴的角加速度误差项， 为补偿此项误差， 可在输出电路中增加输出解耦环节。 0051 从 式 （4）中 可 以 看 出， 本 发 明 设 计 的 两 输。
20、 入 输 出 解 耦 器 的 传 递 函 数 为 其中， JB为动力调谐陀螺仪的等效赤道转动惯量， H 为动力调谐陀螺仪的角 动量， Ktx、 Kty分别为动力调谐陀螺仪两个输入轴方向的力矩器系数。 0052 0053 即输出方程为 ： 0054 此时， 动力调谐陀螺仪的开环传递函数为 ： 0055 0056 可以看出， N2(s)=0， N1(s) 的幅值和相位伯德图如图 3 所示。系统的相位裕度为 说 明 书 CN 103543636 A 9 7/7 页 10 47.5（c=156rad/s） ， 幅值裕度为 16.9dB（m=738rad/s） 。对控制器进行离散化后的 实测结果如图 4 所示， 对闭合以后 Yiz 轴控制器输入、 输出信号进行频谱分析， 如图 5 和图 6 所示， 从图 5、 6 可以看出， 本发明所控制器具有较好的快速性， 并且噪声幅值较小。 0057 本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。 说 明 书 CN 103543636 A 10 1/3 页 11 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103543636 A 11 2/3 页 12 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103543636 A 12 3/3 页 13 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103543636 A 13 。