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陀螺仪全数字再平衡回路的设计与实现

刘国强  
【摘要】: 陀螺仪是惯性导航系统中的重要测量元件,它敏感运动物体相对于惯性空间的角运动,被广泛应用于航天、航空和航海等领域,其性能的好坏在整个系统中起着关键性的作用。液浮陀螺仪是目前应用最广泛的陀螺之一,再平衡回路与陀螺仪一起构成了角速度测量装置,因此设计高精度的再平衡回路具有十分重要的意义。本课题首先以陀螺动力学原理和运动学分析原理为理论工具,以实现控制系统数字化为目的,明确了陀螺仪输入角、输出角的物理含义,推导了陀螺仪开环传递函数模型并进行了频谱分析;阅读了大量的文献后,分析了模拟再平衡回路和数字再平衡回路的特点,比较了两者的优劣,结合本课题陀螺仪结构性能特点,确定了二元调脉冲宽为再平衡回路的施矩方案。本文主要内容包括: 分析了自抗扰控制器的相关内容,结合自抗扰控制系统结构框图,给出了跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性校正的功能描述,并分析了跟踪微分器、非线性校正和扩张状态观测器数学描述中各参数的特点;设计了基于自抗扰控制方法的陀螺再平衡回路,主要包括:设计了再平衡回路自抗扰控制器的结构,整定了自抗扰控制器的各个参数。仿真结果表明:自抗扰控制方法具有很好的控制效果;针对液浮陀螺仪再平衡回路信号的频谱特点,应用欠采样技术对再平衡回路的信号进行采样处理,设计出无限冲击响应二阶巴特沃斯低通滤波器,经过matlab仿真实验,证明欠采样方法对再平衡回路信号处理的切实可行;以TI公司TMS320F2812DSP作为硬件电路核心,设计了数字脉冲再平衡回路,通过DSP控制A/D采样陀螺仪信号器,并实现数字ADRC控制,最后以二元脉冲调宽给陀螺仪施加恢复力矩,迫使陀螺仪绕输入轴进动。


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