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动力调谐陀螺仪的关键技术研究

作　者: 郝颖
导　师: 谈振藩
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 动力调谐陀螺仪自抗扰控制 H_∞鲁棒控制陀螺仪侧试系统虚拟仪器技术小波去噪陀螺静态漂移模型辨识
分类号: V241.5
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

动力调谐陀螺仪(Dynamically Tuned Gyro，DTG)是一种双自由度的挠性陀螺，因其在结构、体积、成本方面的优势而广泛应用在航空、航天、航海和陆地车辆的导航与定位及油田勘探开发等军事、民用领域中。由于陀螺仪是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件，因此，其高精度、高质量的工作性能与惯导系统所提供的载体姿态参数和导航定位参数的准确性息息相关。本文的主要内容为提高动力调谐陀螺仪的控制性能、测试技术水平等方面做较深入的研究与分析。具体工作如下：首先，根据动力调谐陀螺仪两个测量轴存在耦合的问题，讨论了陀螺仪再平衡回路的解耦问题。将基于频率域的前置补偿解耦方法(包括矩阵求逆解耦、不变性解耦和逆向解耦三种方法)及时间域的状态反馈解耦方法使陀螺仪的运动方程转变为理想的单输入单输出形式。其次，在将陀螺仪模型进行解耦的基础上，提出将自抗扰控制技术和H_∞鲁棒控制理论应用于动力调谐陀螺仪再平衡回路校正中，以提高单条再平衡回路的控制精度以及对外部扰动和模型不确定性的鲁棒性，并在各种假设条件下，与经典的PID控制方法进行了仿真比较试验。再其次，考虑到惯性仪表噪声是引起其自身测试及构成导航系统后精度的误差源之一，本文还针对动力调谐陀螺仪输出信号的小波滤波方法进行了研究。通过软、硬阈值法及改进后的多项式插值阈值法、软硬阈值折中法、模平方阈值处理法对实际陀螺仪测试数据进行小波去噪处理，选择出最适合于动力调谐陀螺仪信号处理的小波基函数及小波系数估计方法。此外，本文介绍了借助于先进的虚拟仪器技术的陀螺仪自动化测试系统的设计及实现过程。该测试系统完成了陀螺仪调谐频率控制与确定、模拟／数字式再平衡回路力矩器输入电流采样、陀螺仪测试信号小波去噪的任务。最后，本文推导了陀螺仪静态测试时，定位误差角及力矩器正交误差角存在条件下陀螺仪静态漂移模型参数辨识的方法：并利用八位置力反馈法测试的陀螺仪漂移数据，对是否考虑存在误差角及陀螺仪工作于欠调谐、调谐、

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第1章绪论  18-30
  1.1 研究目的和意义  18-19
  1.2 动力调谐陀螺仪再平衡回路的国内外研究概况  19-20
  1.3 自抗扰控制理论的研究概况  20-21
  1.4 H_∞鲁棒控制理论的研究概况  21-23
  1.5 小波分析理论的历史及应用现状  23-26
  1.6 陀螺仪自动化测试系统的国内外研究发展情况  26-28
  1.7 本文的主要工作  28-30
第2章动力调谐陀螺仪的数学模型及解耦方法研究  30-49
  2.1 引言  30-31
  2.2 动力调谐陀螺仪的数学模型  31-34
  2.3 基于传递函数模型的动力调谐陀螺仪前置补偿解耦  34-40
    2.3.1 前置补偿解耦方法  34-36
    2.3.2 动力调谐陀螺传递函数模型的前置补偿解耦实现  36-40
  2.4 基于状态空间模型的动力调谐陀螺仪解耦  40-48
    2.4.1 动态结构耦合性分析方法及其应用  40-43
    2.4.2 基于状态空间模型的动力调谐陀螺解耦方法  43-45
    2.4.3 动力调谐陀螺状态空间模型的控制解耦实现  45-48
  2.5 本章小结  48-49
第3章动力调谐陀螺仪再平衡回路校正方法研究  49-79
  3.1 引言  49
  3.2 再平衡回路的经典PID控制  49-54
  3.3 再平衡回路的自抗扰控制  54-65
    3.3.1 自抗扰控制基本理论  54-61
    3.3.2 自抗扰控制技术在再平衡回路控制中的应用  61-63
    3.3.3 自抗扰控制器作用下的系统性能仿真  63-65
  3.4 再平衡回路的H_∞鲁棒控制  65-76
    3.4.1 H_∞鲁棒控制理论  65-72
    3.4.2 再平衡回路H_∞鲁棒控制器设计  72-75
    3.4.3 H_∞控制器作用下的系统性能仿真  75-76
  3.5 仿真结果比较  76-78
  3.6 本章小结  78-79
第4章小波分析在陀螺仪信号处理中应用研究  79-98
  4.1 引言  79
  4.2 小波分析理论与去噪方法  79-85
    4.2.1 小波变换的基本概念  80-83
    4.2.2 小波去噪方法  83-85
  4.3 陀螺仪漂移信号去噪  85-89
    4.3.1 FFT去噪  85-87
    4.3.2 阈值法小波去噪及小波基的选择  87-89
  4.4 阈值法去噪的改进  89-94
    4.4.1 多项式插值法  89-91
    4.4.2 软硬阈值折中法  91
    4.4.3 模平方处理方法  91-92
    4.4.4 改进小波系数估计方法在阈值去噪中的结果与分析  92-94
  4.5 陀螺仪漂移信号奇异性检测  94-96
  4.6 本章小结  96-98
第5章基于虚拟仪器技术的动力调谐陀螺仪测试系统  98-119
  5.1 引言  98-99
  5.2 基于虚拟仪器技术的动力调谐陀螺仪测试系统  99
  5.3 陀螺测试系统的硬件组成  99-101
    5.3.1 测试台前面板构成  100-101
    5.3.2 测试台内部构成  101
  5.4 陀螺测试系统的软件设计与实现  101-109
    5.4.1 控制任务  102-104
    5.4.2 数据记录任务  104-107
    5.4.3 数据处理任务  107-109
  5.5 误差角存在条件下动调陀螺静态漂移模型的辨识  109-117
    5.5.1 八位置测试辨识静态漂移模型系数方法  110-115
    5.5.2 辨识结果  115-117
  5.6 本章小结  117-119
结论  119-122
参考文献  122-133
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  133-134
致谢  134

动力调谐陀螺仪的关键技术研究

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