赵 健

(北京动力机械研究所，北京，100074）



半液浮陀螺再平衡回路控制器设计

赵 健

(北京动力机械研究所，北京，100074）

摘要：首先对半液浮速率陀螺仪的组成环节和工作原理进行了分析，并且在建立数学模型的基础上应用传统PID控制策略对陀螺仪再平衡回路进行了仿真建模及研究。

关键词：半液浮陀螺；数字再平衡回路

1　半液浮陀螺再平衡回路

1.1再平衡回路原理

半液浮速率陀螺组件主要由半液浮陀螺仪本体和再平衡回路组成。在陀螺仪随同载体运动时，需要保证转子跟随其壳体运动，为了避免因主轴进动使陀螺转子与其壳体碰撞而失去测量功能，需要加入稳定控制，使陀螺仪自身构成一个小闭环系统。

半液浮陀螺数字再平衡回路由力矩器、信号器、放大器等组成。当绕陀螺输入轴有角速率输入时，陀螺的浮筒绕输出轴转动并出现转角，信号器就产生一个正比于转角的电压U，经控制回路转换放大后，输出一个正比于电压U的电流I，该电流经反馈回路输入到力矩器，力矩器就产生一个正比于电流的力矩M，该力矩的大小与陀螺力矩的大小相等，而方向相反，达到再平衡的目的。同时，加至力矩器的电信号正比于陀螺转子的旋转角速度，从而测量出陀螺的转速。

1.2再平衡回路建模

力反馈速率陀螺的陀螺本体的运动方程为:

当陀螺本体和控制回路相结合后，陀螺本体上的力矩器成为控制系统中的执行元件，以构成力反馈速率陀螺，因此其运动方程为:

对式（2-1）进行拉式变换，可以得到传递函数：

选取陀螺本体的相关参数，并对再平衡回路进行仿真分析，固有系统稳定，但系统相位为-173°，存在严重滞后，不能满足应用要求，需要进一步设计控制器。

2　再平衡回路控制器设计

2.1传统PID控制器设计

图3　频率特性曲线　

对再平衡回路采用PID控制器进行系统仿真，控制系统稳定，闭环系统在500rad/sec处滞后角度由-172°减小到-87.3°，由此说明加入PID控制器后，对系统有一定的优化作用。

2.2基于LADRC控制器设计

由于加入PID控制器后系统的相位滞后仍比较大，无法满足高精度伺服稳定平台的应用需求，本节将采用LADRC技术，运用扩张状态观测器，并结合常规PID控制器实现系统方案，设计再平衡回路控制器，以提高系统精度。

对于力矩器一阶对象，状态空间表达式为：

式（3-3）中，Z1是x1的观测值，Z2是x2的观测值

根据上述表达式，建立PID结合自抗扰控制器的算法仿真模型，其开环和闭环特性如图3所示。

开环频率特性中，两种控制算法校正后系统稳定，但加入ADRC的系统比单纯的PID控制，稳定裕度有所提高。由闭环的频率特性曲线可以看出，加入LADRC控制后，系统在左右的相位滞后为-58.7°，小于纯PID系统的-87.3°，证明了PID结合自抗扰控制能够提高系统的增益及稳定精度，达到高精度伺服稳定平台的技术指标要求。

3　结束语

本文根据半液浮陀螺工作原理建立了再平衡回路系统模型，并用MATLAB对其开环及闭环的频率特性进行了仿真分析。在此基础上对半液浮陀螺再平衡回路进行了控制器设计，分别对PID控制器和LADRC控制器进行了设计及仿真，仿真结果表明，加入自抗扰控制的系统性能优于仅使用PID控制系统，在带宽特性基本相当的条件下，采用自抗扰算法后系统的相位滞后特性明显优于传统PID控制方案，使数字再平衡回路有更好的鲁棒性、抗干扰性和快速性。

参考文献

[1] 胡寿松，自动控制原理[M] ,北京：国防工业出版社，1995

[2] 韩京清，自抗扰控制器及其应用[J] ，控制与决策，1998，13 （1）：19-23

Controller design of half liquid floated gyro rebalance loop

Zhao Jian
(Beijing Power Machinery Research Institute,Beijing，100074)

Abstract：Firstly,semi liquid floated rate gyroscope composition and working principle are analyzed,and the basis for the establishment of a mathematical model using the traditional PID control strategy for the gyroscope rebalance loop for the modeling and simulation and research.

Keywords：semi liquid floated gyroscope;digital rebalance loop

作者简介

赵健（1980-），男，工程师，电机控制