硅微机械陀螺仪滑模变结构控制研究

发布时间：2017-09-03 04:20

  本文关键词：硅微机械陀螺仪滑模变结构控制研究

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【摘要】：硅微机械陀螺仪自问世以来以其小体积、低成本、高可靠性等优势受到高度关注。微机械振动式陀螺仪是基于哥氏效应,通过检测由哥氏加速度产生的质量块振动,间接测量出载体的旋转角速度。为保证陀螺仪的测量精度,需对其驱动模态的振幅进行精确的稳定化控制。本课题针对陀螺仪驱动模态的闭环控制问题,研究基于滑模控制算法的陀螺数字化闭环控制系统,对提高陀螺仪的性能有着重要意义。论文的主要工作内容如下:(1)综述微机械陀螺仪控制方法的国内外研究现状,分析各类控制方法的优缺点,阐述滑模控制法的优势及其发展历程,确定了论文的主要内容。(2)研究了硅微机械陀螺仪的工作原理及其数学模型,依据陀螺闭环控制需求完成了滑模面和趋近律的设计,建立了微机械陀螺滑模控制的理论模型,优化了模型参数。(3)研究了微陀螺滑模控制系统的系统级仿真。建立了Simulink仿真模型,对系统的收敛速率、跟踪误差、滑模面的抖动以及系统抗干扰能力等进行了仿真分析。验证了控制器的有效性以及系统对瞬时和持续的脉冲干扰、白噪声干扰、环路增益变化等不同噪声干扰的抑制能力。(4)研究了滑模控制器的逻辑设计与实现方法。提出了基于实时频率控制字调节的频率跟踪算法、基于实时相位控制字调节的相位同步算法和实时偏置跟踪的新型积分算法。设计了参考信号、频率跟踪、相位同步、积分环节、控制器等模块,通过Modelsim仿真验证了各模块功能及控制系统的可行性。(5)搭建实验测试平台,对各个模块功能和整个控制系统进行测试。闭环系统实验结果证明本文设计的滑模控制器能实现陀螺仪驱动模态的闭环控制。
【关键词】：硅微机械陀螺仪 滑模控制 驱动技术 数字电路
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN96
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-20
• 1.1 引言8-9
• 1.2 国内外研究现状9-17
• 1.3 滑模控制的发展17-18
• 1.4 论文研究内容18-20
• 2 微陀螺仪滑模控制基本原理20-28
• 2.1 引言20
• 2.2 微机械陀螺仪工作原理20-23
• 2.2.1 哥氏定理20-22
• 2.2.2 硅微机械陀螺仪的数学模型22-23
• 2.2.3 电磁式硅微机械陀螺仪的基本原理23
• 2.3 滑模控制器的设计23-26
• 2.3.1 滑模运动的定义24-25
• 2.3.2 滑模面与趋近律设计25-26
• 2.4 陀螺滑模控制器的理论模型26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 3 滑模控制器的系统建模与仿真28-44
• 3.1 引言28
• 3.2 闭环系统中的S-函数28-29
• 3.3 闭环系统的模型建立29-30
• 3.4 仿真结果与分析30-33
• 3.4.1 控制系统收敛速率与误差30-32
• 3.4.2 驱动电压信号仿真分析32-33
• 3.4.3 滑模面的抖动情况33
• 3.5 系统抗噪性能分析33-43
• 3.5.1 瞬时噪声抑制能力33-39
• 3.5.2 加入持续噪声分析39-43
• 3.6 本章小结43-44
• 4 滑模控制器的逻辑设计44-62
• 4.1 引言44
• 4.2 闭环系统结构44-58
• 4.2.1 参考信号模块45-49
• 4.2.2 频率跟踪模块49-51
• 4.2.3 相位同步模块51-52
• 4.2.4 滑模控制器模块52-53
• 4.2.5 积分模块53-57
• 4.2.6 AD/DA驱动模块57-58
• 4.3 Modelsim开环仿真测试58-61
• 4.4 滑模控制器的资源消耗分析61
• 4.5 本章小结61-62
• 5 实验与测试62-72
• 5.1 引言62
• 5.2 测试平台的搭建62
• 5.3 模块测试62-67
• 5.3.1 DDS硬件电路测试62-64
• 5.3.2 FPGA正弦信号发生测试64-65
• 5.3.3 相位同步模块测试65-66
• 5.3.4 积分器模块测试66-67
• 5.4 系统开环测试67-69
• 5.5 系统闭环测试69
• 5.6 本章小结69-72
• 6 总结与展望72-74
• 6.1 工作总结72-73
• 6.2 展望73-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-80
• 附录80
• A作者在攻读硕士学位期间发表论文80
• B作者在攻读硕士学位期间申请专利80

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