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机械抖动激光陀螺抖动偏频系统的研究与设计

汤建勋  
【摘要】: 机械抖动偏频激光陀螺作为惯性导航的一种理想器件,在国外已经步入实用阶段。然而国内的研制工作一直未能取得突破,其原因之一在于:对抖动偏频系统的研究不够深入,抖动偏频系统的性能不能满足抖动消闭锁的要求。本文对抖动偏频及抖动偏频系统进行了理论与实践研究,在抖动偏频系统设计中首次引入了有限元分析、计算机仿真和计算机辅助设计等技术,设计了能够满足抖动消闭锁要求的具有较高性能的抖动偏频系统。 从抖动过锁区的理论出发,经过分析和总结,得出了抖动消闭锁对抖动偏频系统性能要求:要求抖动机构具有较高的谐振频率,较大的抖动幅度:要求抖动控制器能够保持抖动偏频量的稳定;要求噪声注入装置向抖动中注入每半个周期变化一次的平稳的幅度随机噪声。这些要求被用来指导抖动偏频系统的设计与研究工作。 分析了抖动机构的性能要求,根据这些要求对抖动机构的设计方法进行了研究。针对抖动机构设计中存在的依赖经验的问题,首次将有限元方法引入抖动机构设计之中。通过使用有限元方法作为辅助分析工具,解决了抖动机构谐振频率设计和受力分析等问题。从而找到了一套设计抖动机构的新方法,并运用此方法设计制造了一种性能优良的抖动机构。 通过对抖动控制器的分析,得出了抖动控制器必须具有幅度控制环和频率跟踪环两个控制环路的结论。首次将计算机仿真技术引入幅度控制环路设计之中,解决了环路内部的非线性问题。并通过运用系统辨识方法,得到了幅度控制环路的传递函数。在此基础上通过控制系统计算机辅助设计方法对幅度控制环路进行了设计,取得了能够满足抖动控制要求的稳定性、响应速度、稳态误差的性能指标。设计了利用环路内部的自激振荡信号作为抖动信号的自激振荡型频率跟踪环,使抖动频率能够较好地跟踪抖动机构谐振频率。 研究了噪声类型和注入方式问题,得出了平稳的高斯分布的幅度随机噪声最适合消除陀螺动态闭锁的结论。研究了噪声注入效率问题,得出了噪声注入效率的计算公式。研究了抖动随机噪声的产生与注入方法,设计了实用的随机噪声注入方案, 国防科学技术大学研究生院学位论文 实现了向抖动中注入平稳的幅度随机噪声的目标,并通过实验找到消除闭锁误差最 合适的噪声强度为2%。 实验测得陀螺随机游走系数为0.0163’/在,漂移的均方根精度优于0.09’/h, 比例因子相对精度优于10只月订。测试结果表明:所研制的机械抖动激光陀螺具有较 高的精度,抖动偏频系统工作稳定,抖动偏频消闭锁的目标得到了较好的实现。


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