MEMS硅微陀螺仪系统级建模与仿真研究

根据MEMS陀螺仪敏感哥式加速度、测量角速度的原理,建立MEMS陀螺系统级行为模型是分析MEMS陀螺仪内部的驱动、检测和信号解调等行为过程及改进陀螺整个系统的性能的重要方法。根据MEMS陀螺的动力学方程及其内部组成,将MEMS陀螺分成驱动电路、传感器、信号调理电路等三部分,建立了MEMS陀螺系统级模拟行为模型,运用相关检测技术对角速度信号进行了提取,并对模型进行了仿真验证。仿真结果验证了所设计模型的有效性,所建模型可以用于MEMS陀螺的特性和性能分析。     

无陀螺仪惯性系统构型中安装误差分析与标定

针对一种立方构型的无陀螺仪惯性系统，分析了构型安装误差对惯性系统测量精度的影响及构型误差的标定方法。首先分析了立方构型下载体姿态与加速度的解算方法，然后给出了安装误差对于系统输出的影响，最后通过分析安装误差的敏感性因子给出了一种有针对性的标定方法。理论分析与仿真计算表明，惯性系统角速度与线速度输出是加速度计输出的线性组合，构型安装误差对无陀螺仪惯性系统测量精度的影响非常明显，在给出的标定方案中，方向安装误差标定精度较位置安装误差要高，而且转台角速度对位置安装误差的标定精度影响很大，对方向安装误差影响较小；无陀螺仪惯性系统中安装误差不可忽略，必须进行标定，据此提出的一种标定方案简单、切实可行。     

反馈时滞对vanderPol振子张弛振荡的影响

研究反馈控制环节时滞对van der Pol振子张弛振荡的影响。首先，通过稳定性切换分析，得到了系统的慢变流形的稳定性和分岔点分布图，结果表明，当时滞大于某临界值时，系统慢变流形的结构发生本质的变化。其次，基于几何奇异摄动理论，分析了慢变流形附近解轨线的形状，发现时滞反馈会引起张弛振荡中的慢速运动过程中存在微幅振荡，其中微幅振荡来自于内部层引起的振荡和Hopf分岔产生的振荡两个方面；同时，时滞对张弛振荡的周期也具有显著的影响。实例分析表明理论分析结果与数值结果相吻合。     

旋转压电纳米梁的振动分析

本文基于非局部弹性理论，对旋转压电纳米梁模型的振动进行了分析．首先由哈密顿原理导出旋转压电纳米梁的动力学控制方程及相应的边界条件；再通过微分求积法对控制方程和两类边界条件进行离散；最后通过数值计算分析振动特性．通过改变旋转角速度、轮毂半径、非局部参数以及外部电压分析它们对压电纳米梁振动频率的影响关系．数值结果表明这些参数对压电纳米梁固有频率有不可忽略的影响，本文进一步讨论了旋转角速度对结构模态的影响．     

抑制耦合干扰的半球谐振陀螺信号分频调制检测方法

针对半球谐振陀螺的共用电极结构引起振动检测信号中耦合干扰的问题,提出了一种抑制陀螺检测信号中耦合噪声的分频调制检测方法。从振动检测机理入手,首先建立了电容检测数学模型,分析了信号检测端的耦合噪声源。然后,通过改进激励与检测电极配置方法,利用两个不同频率的高频载波对谐振子x轴向和y轴向上的振动信息进行分频调制,实现了振动信号与驱动响应干扰信号的频域分离,经过信号检测器完成分频传输,从而抑制了耦合干扰。最后,进行了实验验证。实验结果表明所提出的方法相比使用较广泛的单频信号检测方法可有效抑制信号检测端的驱动耦合干扰,使控制回路锁相精度提高了一个数量级以上,陀螺输出信号噪声带由2.1 mV降至1 mV以内。     

反对称铺设复合材料层合板非线性后屈曲分析

基于层合板壳理论，考虑反对称铺设层合板的拉弯耦合效应和后屈曲过程中的非线性几何变形，推导了由应力函数和挠度表示的复合材料层合板的后屈曲控制方程。引入无量纲参数对控制方程和边界条件进行无量纲化，以消除材料参数及几何尺寸对分析结果的影响。采用摄动法将无量纲的非线性控制方程及边界条件展开成一系列非齐次线性摄动方程组，分析各阶摄动方程的通解与特解的构造，并逐次求解，建立了反对称铺设复合材料层合板受单向均布压力作用的临界屈曲荷载及后屈曲平衡路径的理论解。进而运用ABAQUS软件对复合材料层合板在面内压缩载荷作用下的屈曲和后屈曲进行有限元分析，结果表明理论解与ABAQUS结果十分接近，验证了理论解的正确性。在此基础上进一步讨论了铺设角度、铺设层数和拉弯耦合效应等对层合板后屈曲性能的影响。研究发现层合板的屈曲载荷受铺设角度与层数的影响较为显著，而拉弯耦合效应使板的屈后强度大大降低。     

不确定参数闭环控制系统特征值的区间分析

运用区间理论,讨论了区间参数的结构振动控制问题,给出了求解闭环系统区间特征值的一种方法．基于区间参数导出了区间刚度矩阵和质量矩阵,然后利用矩阵摄动理论和区间扩张理论,推导了复区间特征值上下界估计的算法．这些结果是从二阶系统的左右特征向量出发得到的．将该文方法应用到悬臂梁的控制问题,数值结果表明它是有效的．     

动力学,振动与控制学科未来的发展趋势

对近年来动力学，振动与控制的研究进展作了简要回顾，概述了非线性动力学与振动主动控制这两个研究热点的现状，提出了世纪之初应关注的若干研究前沿，即高维非线性系统的全局摄动法，全局分岔和混沌动力学，高维强非线性系统分岔与混沌动力学的实验研究，非线性时滞系统的动力学，流体－弹性体－刚体耦合系统动力学与控制，碰撞与变结构系统动力学，微机电系统动力学。最后，对我国动力学，振动与控制的发展提出了一些建议。     

液浮陀螺仪过载振动复合环境试验

为了验证航天飞行器惯性制导器件在过载振动复合环境下的环境效应和适应性能力,以液浮陀螺仪为研究对象,基于刚柔耦合的多体动力学理论,简要分析了过载振动复合环境对惯性器件的耦合影响机理。基于离心机-振动台综合离心试验平台,建立了惯性仪表过载振动复合环境试验方法,开发了惯性仪表过载振动复合环境试验专用采集系统,并开展了惯性仪表过载振动复合环境效应试验研究。试验结果表明,过载振动复合环境对惯性仪表输出值的影响具有耦合效应。因此,对惯性仪表类产品进行环境适应性考核时,应当使用与真实飞行环境更为一致的过载振动复合环境试验方法。     

含时滞反馈与涨落质量的记忆阻尼系统的随机共振

针对具有记忆效应的欠阻尼系统, 存在时滞反馈与涨落质量, 本文主要研究了其输出稳态响应振幅的随机共振效应. 首先通过引入新变量和运用小时滞近似展开理论, 将具有非马尔科夫特性的原系统转化为等价的两维马尔科夫线性系统, 再利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换获得了系统响应的一阶稳态矩和稳态响应振幅的解析表达式. 结果表明: 当系统参数满足Routh-Hurwitz稳定条件时, 稳态响应振幅随质量涨落噪声强度、周期驱动信号频率以及时滞的变化均存在随机共振现象, 其中随机多共振现象也被观察到. 在适当范围内, 通过控制时滞反馈, 系统的随机共振效应随着时滞的增大而增强, 而较长的记忆时间及增大阻尼参数均对共振行为呈现抑制作用.有效调控时滞反馈与记忆效应的变化关系将有助于增强系统对周期驱动信号的响应强度. 最后, 通过数值模拟计算验证了理论结果的有效性.      

Energy harvesting from quasi-periodic vibrations using electromagnetic coupling with delay

In this paper, we study quasi-periodic vibrational energy harvesting in a delayed self-excited oscillator with a delayed electromagnetic coupling. The energy harvester system consists in a delayed van der Pol oscillator with delay amplitude modulation coupled to a delayed electromagnetic coupling mechanism. It is assumed that time delay is inherently present in the mechanical subsystem of the harvester, while it is introduced in the electrical circuit to control and optimize the output power of the system. A double-step perturbation method is performed near a delay parametric resonance to approximate the quasi-periodic solutions of the harvester which are used to extract the quasi-periodic vibration-based power. The influence of the time delay introduced in the electromagnetic subsystem on the performance of the quasi-periodic vibration-based energy harvesting is examined. In particular, it is shown that for appropriate values of amplitudes and frequency of time delay the maximum output power of the harvester is not necessarily accompanied by the maximum amplitude of system response.     

Using delay to quench undesirable vibrations

A van der Pol type system with delayed feedback is explored by employing the two variable expansion perturbation method. The perturbation scheme is based on choosing a critical value for the delay corresponding to a Hopf bifurcation in the unperturbed ε=0 system. The resulting amplitude–delay relation predicts two Hopf bifurcation curves, such that in the region between these two curves oscillations will be quenched. The perturbation results are verified by comparison with numerical integration.     

Controllable spiking dynamics in cascaded VCSEL-SA photonic neurons

We propose a photonic neural system composed of three cascaded vertical-cavity surface-emitting lasers with an embedded saturable absorbers (VCSEL-SAs) and numerically investigate the encoding, propagation and storage characteristics of the spiking patterns in this system. The results show that, with suitable perturbation strength, the first VCSEL-SA (VCSEL-SA1) can convert the stimulus into spike response. Increasing both the perturbation strength and the bias current of active region is beneficial to improve the conversion rate. Moreover, the spiking patterns generated by VCSEL-SA1 can be stably propagated into another two VCSEL-SAs (VCSEL-SA2 and VCSEL-SA3) with a certain delay through adjusting the coupling weight. Additionally, after introducing a feedback into VCSEL-SA1, the fired spiking patterns can be successfully stored in this proposed system. The obtained results can offer great potential for future, brain-inspired ultrafast neuromorphic computing system.     

光纤陀螺捷联姿态算法的改进研究

传统的捷联姿态算法一般只采用陀螺角增量信号来进行设计，当应用于由输出为角速率的干涉型光纤陀螺构成的捷联姿态系统时，不仅在精度上存在局限，而且还由于通过角速率提取角增量而带来更大误差。因此，同时利用角速率及角增量信号，优化设计出一类新的旋转矢量姿态算法，给出了算法的圆锥误差表达式，并进行了仿真分析。结果表明，新的算法精度较传统算法有显提高。     

不等间隔角速率输出的捷联航姿算法研究

结合实际系统陀螺输出为不等间隔角速率信号且时间间隔已知的特点，将陀螺输出数据的时间间隔引入定时增量算法，提出了一种梯形积分增量算法。为补偿圆锥运动误差，推导了不等间隔角速率输出时的旋转矢量二子样算法，并在典型圆锥运动条件下，将本算法与甚童的捷联姿态算法进行比较。结果表明：在陀螺输出为不等间隔的角速率信号时，不等间隔的等效旋转矢量算法具有一定的优越性。     

Nonlinear dynamics and control for single-axis gyroscope systems

A nonlinear feedback control system of the single-axis gyroscope governed by a servo motor is studied in this paper. The closed-loop feedback is designed to account for the gimbal nutation as the gyroscope undergoing an angular velocity in the perpendicular directions. This paper integrates the singular perturbation modeling technology and sliding mode control strategy, while the stability of the closed-loop system is ensured by proof via Lyapunov direct method. Finally, comparisons among pole placement, sliding mode control and angular displacement feedback with respect to regulation capability and transient performance are reported. The simulation results demonstrate the superiority of singular perturbation sliding mode control and its potential to be facilitated in the aircraft safety module on detection and prevention from rollover during flight.     

基于激光陀螺自适应补偿的船体变形测量方法

基于长期变形、动态挠曲变形以及陀螺随机零偏的状态方程,构建了激光陀螺测量的惯性姿态匹配最优滤波器,可以实时地估计出船体变形角。针对实时估计的长期变形角具有偏置误差的问题,推导了惯性姿态匹配的误差方程,指出动态挠曲变形角与船体惯性姿态角之间具有长时间的交叉相关耦合作用导致了长期变形角估计具有偏置误差,并提出了对输入到最优滤波器的激光陀螺角增量进行自适应补偿的方法来抑制偏置误差。实验结果表明,补偿后俯仰角、横滚角和艏挠角的偏置误差均方根均小于5″,较补偿前降低均方根误差约为5″,该自适应补偿方法可有效地抑制偏置误差,提高惯性姿态匹配方法在船体变形测量应用中的有效性。     

时滞耦合系统非线性动力学的研究进展

随着对自然界客观规律的深入认识,工程系统设计的精细化和复杂性要求也与日剧增.在许多耦合的动态系统设计过程中要考虑由耦合过程的时滞所引发的动力学行为,该时滞来自于与传感系统、作动系统和控制系统耦合的过程.耦合时滞也广泛存在于交通、系统生物学、电子通讯、神经和信息网络等技术中.本文首先从耦合时滞出发,在以时滞为中心的耦合系统复杂动力学机制、时滞镇定耦合系统的实验基础和实现、快慢变时滞耦合系统动力学和时滞神经网络同步和去同步4个方面,对耦合时滞诱发的动力学研究进展进行综述.着重介绍了时滞耦合系统中耦合时滞诱发的高余维分岔奇异性及新的定量分析方法、中立型时滞微分方程的规范型计算、具有耦合时滞的非线性系统中耦合时滞和非线性参数的辨识方法与实验实现、快慢变时滞耦合系统的张弛振荡、耦合时滞诱发的网络系统的同步模式切换等问题的研究进展;然后在应用方面重点介绍了车床磨削加工过程中耦合时滞诱发的颤振及其机理、具有惯性项和耦合时滞的神经网络系统中耦合时滞诱发的高余维分岔和复杂动力学、时滞动力吸振器与隔振装置的设计与实验实现.最后,从耦合时滞系统的一般性理论和工程应用两个方面展望了近期值得关注的一些问题.     

石英音叉陀螺信号解调原理和角速度提取算法

介绍了石英音叉陀螺输出信号的成分,通过将其误差信号分解为一组相互正交的信号,建立了输出信号的模型.提出了一种利用基于锁相环(PLL)的正交矢量型锁定放大器解调石英音叉陀螺信号的方案,该方案利用锁相环作为锁定放大器的参考通道,它能消除驱动信号漂移的影响,并为正交矢量型锁定放大器提供一组互相正交的参考信号.正交矢量型锁定放大器提供被测信号的矢量信息,它输出的同相分量和正交分量通过旋转校正算法消除误差信号,从而提取出角速度信号.     

Spectra and pseudospectra of neutral delay differential equations with application to real-time substructuring

This paper deals with the computation of pseudospectra of neutral delay differential equations (NDDEs) with fixed finite delays. This method provides information on the sensitivity of eigenvalues of the system under perturbations of a given size, allowing one to analyse uncertainties in, for example, structural dynamical systems. Furthermore, pseudospectra computations are a fast and efficient method by which to identify the spectra of NDDEs in any chosen part of the complex plane. This is of particular advantage as the spectra of NDDEs consists of infinitely many eigenvalues. We illustrate these methods by considering a scalar second-order NDDE with one or more fixed delays. Such systems are used to model real-time substructuring experiments, where the delay arises from the response time of actuator(s) forming a coupling between a numerical model and the substructure being tested. We identify changes in the stability and sensitivity to perturbation of this system both as the delay time and as the mass of the substructure are varied. In particular, the latter reveals an essential instability in which infinitely many eigenvalues move to the right-half plane. Finally, we investigate the relationship between pseudospectra and the effect of periodic forcing on the substructured system.