基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统及控制方法，所述控制系统包括电极驱动检测时分切换模块、传感信号幅相解调模块、误差参量辨识模块、工作模式切换模块、控制参量计算模块、时序周期计算模块、模式切换计算模块、驱动信号调制合成模块、测量输出模块，传感信号幅相解调模块和误差参量辨识模块组成误差信号解算模块；控制参量计算模块、时序周期计算模块和模式切换计算模块组成数据计算单元。本发明专利技术通过对驱动检测电极分时切换和两旋转感知模态差分的方式，可抵消抑制陀螺输出误差项，本发明专利技术能够保证各控制回路的控制精度和半球谐振陀螺性能的稳定。

Full differential control system and control method of SRG based on TDM

【技术实现步骤摘要】
基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统及控制方法
本专利技术属于惯性仪表控制
，涉及半球谐振陀螺仪控制技术，具体涉及一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统及控制方法。
技术介绍
半球谐振陀螺仪是一种具有长寿命、高可靠性、高精度的固体波原理陀螺，具有替代各类光学陀螺的趋势。法国、美国已经将石英半球谐振陀螺应用到航海、航天、兵器等领域。其核心敏感元件谐振子，由于材料、加工、工艺不完美等因素，致使具有质量、刚度分布不均和存在缺陷等非理想特性；同时谐振子几何和物理性质均受外界环境变化影响，产生增益误差、交叉阻尼误差等长时漂移，影响工作状态和陀螺精度。采用传统的固定电极驱动检测方式，同时刻下电极分工固定，难以消除各电极间增益误差及长时工作下增益的缓慢变化。力反馈工作模式下，通过在敏感模态施加驱动信号，维持驻波位置恒定。但由于回路响应信号中由交叉阻尼引起的两模态耦合同相误差分量与外界角运动进动效应产生的信号相位相同，因而难以从陀螺输出信号中将该误差剔除。当陀螺处于振动环境或温变环境下，同相误差分量发生漂移，导致陀螺零位波动，降低陀螺零偏稳定性。
技术实现思路
本专利技术针对固体波/谐振陀螺电极增益误差及交叉阻尼误差导致陀螺在长时工作和外界环境变化时精度下降的问题，提供了一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统及控制方法，本专利技术通过对驱动检测电极分时切换和两旋转感知模态差分的方式，可抵消抑制陀螺输出误差项，本专利技术能够保证各控制回路的控制精度和半球谐振陀螺性能的稳定。本专利技术的上述目的通过如下技术方案来实现：一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统，其特征在于：所述控制系统包括电极驱动检测时分切换模块、传感信号幅相解调模块、误差参量辨识模块、工作模式切换模块、控制参量计算模块、时序周期计算模块、模式切换计算模块、驱动信号调制合成模块、测量输出模块；所述电极驱动检测时分切换模块用于按照既定时序交替切换成组差分电极工作于驱动或检测工作状态；所述传感信号幅相解调模块用于按相位信息解调表头两轴传感信号幅值和相位；所述误差参量辨识模块用于根据两轴传感信号幅值信息辨识频率控制、幅度控制、正交控制、力反馈控制的误差信号；所述工作模式切换模块用于切换力反馈速率模式/模态差分模式，其按照力反馈速率模式扫频起振，自主判别状态满足稳定切换至模态差分工作模式；所述控制参量计算模块用于计算控制参量数值，其根据各控制回路误差信号及控制模型计算控制参量矩阵，并根据驻波位置信息分配两模态各电极控制参量；所述时序周期计算模块用于根据谐振子当前工作频率，计算电极时分切换模块各开关周期和持续时长；所述模式切换计算模块用于根据当前谐振子工作状态计算工作模式切换模块的使能信号；所述驱动信号调制合成模块用于将已分配的信号调制并合成为X轴和Y轴驱动信号；所述测量输出模块用于将陀螺仪测量的外界运载体角运动速率对外输出；其根据当前陀螺所处工作模式，自主选择敏感参量及其相应的标度因数，计算当前运载体角速率并输出；所述传感信号幅相解调模块和所述误差参量辨识模块组成误差信号解算模块；所述控制参量计算模块、所述时序周期计算模块和所述模式切换计算模块组成数据计算单元,用于计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号。一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制方法，其特征在于，基于上述控制系统，包括如下步骤：S1通过差动电极施加周期性同步驱动信号激励谐振子谐振状态，并且通过差动电极及缓冲电路检测谐振子微振动幅度；S2通过驱动检测时分切换模块将S1中所述的驱动和检测两种状态根据固定的周期进行时间域上的分隔；该模块将一个工作周期分为4部分，X轴驱动D1，Y轴驱动D2，X轴检测C1，Y轴检测C2；按照时序交替使系统工作在4个部分，并且每次切换过程中停留一个短暂的空闲时间r，循环往复；S3误差信号解算模块将两个检测周期C1和C2中ADC检测所得的X轴和Y轴检测信号分别在极坐标轴上进行解调分解，进一步计算得到表征谐振子状态的误差信号；相敏调模块采用开关解调或乘法解调，其根据DDS产生的解调参考信号获取X轴和Y轴信号中各自的同相和正交分量Cx、Sx、Cy、Sy；误差参量辨识模块按照动力学方程推导的式(1)以Cx、Sx、Cy、Sy四个参量计算，获得表征谐振子工作状态的4个信号，分别为：时延相差简正模态偏离Q、振动能量E、驻波空间相位θ。分别通过减法器减去设定值Q0、E0、θc得到对应为频率控制、正交控制、幅度控制、力反馈控制/模态差分控制的误差变量；S4数据计算单元实时计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号，并控制各个模块单元按所计算的信号进行操作，具体的，其将S3中获取的误差变量代入控制模型矩阵中，得到相应的回路控制参量，同时根据当前驻波空间相角θ分解各控制参量，得到其在两个驱动周期D1和D2的作用分量；并且，该模块根据谐振子当前工作频率，计算得到切换开关各周期D1、D2、C1、C2、r所需的持续时间长度，并控制驱动检测时分切换模块按照S2进行时序切换；此外，其根据谐振子当前工作状态的稳定性，判断是否满足工作模式切换条件，并生成工作模式切换模块的使能信号；S5工作模式切换模块根据S4中数据计算模块提供的模式切换使能信号，切换陀螺仪处于力反馈模式或模态差分模式状态；S6信号调制合成模块根据S5中谐振子工作模式，将S4中计算所得的两驱动周期控制信号的作用分量通过DDS提供的正余弦参考信号进行信号调制及合成，生成S1中作用于对应差分电极对上的同步施力驱动信号；S3中按照式(1)实现了各被控参量交叉耦合解耦，实现各驻波位置下被控参量的稳定独立；因此对经过S4控制矩阵后产生的各控制回路控制信号，按照驻波角θ进行极坐标分解调制，可获得X轴和Y轴施力的正余弦分量，分别对其进行信号合成，得到同步施力驱动信号，通过DAC和切换开关按照S2中时序作用于相应差动电极对；S7测量输出模块S5中当前所处的工作状态向外界提供当前运载体外界角运动测量值；谐振子工作在不同模式下，反映外界角运动的参量及其相应的标度因数均不相同；该模块接收S5中陀螺仪当前工作状态，自主选择力反馈输出参量或模态差分输出参量，分别按照各自的标度因数计算当前外界运转角速率并发送输出。而且的，S5中陀螺仪从静止状态启动时，首先使谐振子工作在力反馈模式下进行扫频式启动，此模式与传统力反馈模式相同不再赘述，此时空间相角设定值θc为0°；当谐振子工作稳定后，S4中数据计算模块提供切换使能信号；此时改变驻波空间相角设定值θc在22.5°附近，完成陀螺仪从力反馈模式工作切换至模态差分模式工作；具体度数根据陀螺不同需进行先验标定，原理及过程如下：其两模态轴运动方程为：其中，k为布莱恩常数，dxx＝2/τ+△(1/τ)cos2(θ-θτ)为X轴衰减系数，2/τ＝1/τ1+1/τ2，△(1/τ)＝1/τ1-1/τ2，τ1为谐振子最小衰减时间，τ2为谐振子最大衰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统，其特征在于：所述控制系统包括电极驱动检测时分切换模块、传感信号幅相解调模块、误差参量辨识模块、工作模式切换模块、控制参量计算模块、时序周期计算模块、模式切换计算模块、驱动信号调制合成模块、测量输出模块；/n所述电极驱动检测时分切换模块用于按照既定时序交替切换成组差分电极工作于驱动或检测工作状态；/n所述传感信号幅相解调模块用于按相位信息解调表头两轴传感信号幅值和相位；/n所述误差参量辨识模块用于根据两轴传感信号幅值信息辨识频率控制、幅度控制、正交控制、力反馈控制的误差信号；/n所述工作模式切换模块用于切换力反馈速率模式/模态差分模式，其按照力反馈速率模式扫频起振，自主判别状态满足稳定切换至模态差分工作模式；/n所述控制参量计算模块用于计算控制参量数值，其根据各控制回路误差信号及控制模型计算控制参量矩阵，并根据驻波位置信息分配两模态各电极控制参量；/n所述时序周期计算模块用于根据谐振子当前工作频率，计算电极时分切换模块各开关周期和持续时长；/n所述模式切换计算模块用于根据当前谐振子工作状态计算工作模式切换模块的使能信号；/n所述驱动信号调制合成模块用于将已分配的信号调制并合成为X轴和Y轴驱动信号；/n所述测量输出模块用于将陀螺仪测量的外界运载体角运动速率对外输出；其根据当前陀螺所处工作模式，自主选择敏感参量及其相应的标度因数，计算当前运载体角速率并输出；/n所述传感信号幅相解调模块和所述误差参量辨识模块组成误差信号解算模块；/n所述控制参量计算模块、所述时序周期计算模块和所述模式切换计算模块组成数据计算单元,用于计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统，其特征在于：所述控制系统包括电极驱动检测时分切换模块、传感信号幅相解调模块、误差参量辨识模块、工作模式切换模块、控制参量计算模块、时序周期计算模块、模式切换计算模块、驱动信号调制合成模块、测量输出模块；
所述电极驱动检测时分切换模块用于按照既定时序交替切换成组差分电极工作于驱动或检测工作状态；
所述传感信号幅相解调模块用于按相位信息解调表头两轴传感信号幅值和相位；
所述误差参量辨识模块用于根据两轴传感信号幅值信息辨识频率控制、幅度控制、正交控制、力反馈控制的误差信号；
所述工作模式切换模块用于切换力反馈速率模式/模态差分模式，其按照力反馈速率模式扫频起振，自主判别状态满足稳定切换至模态差分工作模式；
所述控制参量计算模块用于计算控制参量数值，其根据各控制回路误差信号及控制模型计算控制参量矩阵，并根据驻波位置信息分配两模态各电极控制参量；
所述时序周期计算模块用于根据谐振子当前工作频率，计算电极时分切换模块各开关周期和持续时长；
所述模式切换计算模块用于根据当前谐振子工作状态计算工作模式切换模块的使能信号；
所述驱动信号调制合成模块用于将已分配的信号调制并合成为X轴和Y轴驱动信号；
所述测量输出模块用于将陀螺仪测量的外界运载体角运动速率对外输出；其根据当前陀螺所处工作模式，自主选择敏感参量及其相应的标度因数，计算当前运载体角速率并输出；
所述传感信号幅相解调模块和所述误差参量辨识模块组成误差信号解算模块；
所述控制参量计算模块、所述时序周期计算模块和所述模式切换计算模块组成数据计算单元,用于计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号。


2.一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制方法，其特征在于，基于上述控制系统，包括如下步骤：
S1通过差动电极施加周期性同步驱动信号激励谐振子谐振状态，并且通过差动电极及缓冲电路检测谐振子微振动幅度；
S2通过驱动检测时分切换模块将S1中所述的驱动和检测两种状态根据固定的周期进行时间域上的分隔；该模块将一个工作周期分为4部分，X轴驱动D1，Y轴驱动D2，X轴检测C1，Y轴检测C2；按照时序交替使系统工作在4个部分，并且每次切换过程中停留一个短暂的空闲时间r，循环往复；
S3误差信号解算模块将两个检测周期C1和C2中ADC检测所得的X轴和Y轴检测信号分别在极坐标轴上进行解调分解，进一步计算得到表征谐振子状态的误差信号；相敏调模块采用开关解调或乘法解调，其根据DDS产生的解调参考信号获取X轴和Y轴信号中各自的同相和正交分量Cx、Sx、Cy、Sy；误差参量辨识模块按照动力学方程推导的式(1)以Cx、Sx、Cy、Sy四个参量计算，获得表征谐振子工作状态的4个信号，分别为：时延相差简正模态偏离Q、振动能量E、驻波空间相位θ；分别通过减法器17减去设定值Q0、E0、θc得到对应为频率控制、正交控制、幅度控制、力反馈控制/模态差分控制的误差变量；



S4数据计算单元实时计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号，并控制各个模块单元按所计算的信号进行操作，具体的，其将S3中获取的误差变量代入控制模型矩阵中，得到相应的回路控制参量，同时根据当前驻波空间相角θ分解各控制参量，得到其在两个驱动周期D1和D...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛正，魏艳勇，张悦，史炯，施贵荣，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12