论文摘要
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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摘要ABSTRACT第1章 绪论1.1 课题的背景来源及目的意义1.2 平台式惯性导航及相关技术1.2.1 惯性技术的概念1.2.2 平台式惯性导航系统1.3 再平衡回路的发展及现状1.4 课题的研究内容及章节安排第2章 单自由度液浮陀螺仪再平衡回路的研究与设计2.1 液浮陀螺仪的工作原理和运动方程2.1.1 单自由度陀螺仪的运动描述2.1.2 单自由度陀螺的运动方程2.1.3 力反馈速率陀螺的工作原理和传递函数2.2 再平衡回路方案的研究与选择2.2.1 再平衡理论2.2.2 数字再平衡回路施矩方式的研究与选取2.2.3 再平衡回路系统框图2.3 系统采样频率的研究分析与选择2.3.1 奈奎斯特采样理论分析2.3.2 欠采样理论分析及其在再平衡回路中的应用2.4 滤波器的选择与使用2.5 本章小结第3章 控制方案的分析与选择3.1 传统PID控制的结构及优缺点3.2 再平衡回路自抗扰控制器的研究与设计3.2.1 自抗扰控制基本理论3.2.2 自抗扰控制系统设计方法3.2.3 再平衡回路的ADRC设计3.2.4 自抗扰控制器参数整定方法3.2.5 仿真结果及分析3.3 本章小结第4章 再平衡回路的硬件电路设计4.1 再平衡回路的整体设计方案4.2 DSP最小系统的设计4.2.1 系统电源的设计4.2.2 时钟电路的设计4.2.3 复位电路的设计4.2.4 存储器扩展电路的设计4.2.5 DSP与JTAG接口设计4.3 滤波电路的设计4.4 A/D采样电路的设计4.5 A/D芯片与数字信号处理器接口电路的设计4.6 力矩电流发生器设计4.6.1 恒流源结构分析4.6.2 恒流源的设计4.6.3 极性开关电路的设计4.7 与导航计算机接口电路的设计4.8 本章小结第5章 系统的软件设计5.1 DSP开发系统简介5.2 系统软件的实现5.2.1 系统的初始化5.2.2 A/D采样5.2.3 低通滤波器5.2.4 ADRC控制算法5.2.5 PWM波形生成5.3 系统的调试与实验5.4 本章小结结论参考文献攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果致谢
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