三浮陀螺磁悬浮干扰力矩机理分析

在三浮陀螺磁悬浮的干扰力矩研究方面,详细分析了磁悬浮干扰力矩的产生机理,对机加和装配误差、磁性材料的不理想、调试过程等可能造成的磁悬浮干扰力矩进行了定性分析和定量计算,推导出干扰力矩的表达式,并通过组合加工的方法对磁悬浮干扰力矩的力臂加以控制。目前的加工水平可以达到:径向磁悬浮干扰力矩1×10~(-8) N×m,对应的陀螺漂移8.4×10~(-2)(°)/h,随机分量4.2×10~(-6)(°)/h;轴向磁悬浮干扰力矩2×10~(-10) N×m,对应的陀螺漂移1.7×10~(-3)(°)/h,随机分量为8.4×10~(-8)(°)/h。     

基于位置信号的三浮陀螺仪有源磁悬浮干扰力矩补偿方法

针对高精度三浮陀螺采用有源磁悬浮之后带来新的干扰力矩问题,提出了基于位置信号的干扰力矩补偿法。对有源模式下径向元件电磁模型进行了分析,得出磁悬浮干扰的直接原因为同一坐标方向的两个极下磁场不对称,定、转子几何中心偏移越大这种不对称性也越大。建立了磁悬浮干扰力矩常值部分和随机部分与定中位置、定中精度的关系数学模型,在陀螺测试输出中对其进行补偿。多次实验表明,引入该补偿算法后陀螺固定位置随机漂移精度平均提高了33%~42%,同时也提高了磁悬浮的定中精度,证明此方法有效。     

乐莫乐兮鞭陀螺--玩具中的力学

浅析了玩具陀螺的力学现象及原理，阐明了陀螺原理在各行业中应用的广泛性．     

一种提升三浮陀螺标定快速性的磁悬浮结构优化设计

针对三浮陀螺在单表测试和惯性平台标定过程中陀螺姿态变化时浮子跑动距离远、等待恢复时间长而影响平台标定快速性的问题,提出了一种提升三浮陀螺标定快速性的磁悬浮结构优化设计。在分析浮子的运动规律的基础上建立了浮子动力学模型和径向磁悬浮最小电磁力设计模型,并在现有约束条件下对径向磁悬浮进行电磁结构优化,提升其力能特性。实验结果表明,优化后浮子跑动距离由5μm减小到0.2μm以内,浮子回中等待时间由60 s缩短至10 s以内。在相同的标定环境下,陀螺姿态变换到位置后120 s开始采数,标定精度同比提高了约1个数量级,预计可以节约平台标定等待时间6～8 min,有效提高了三浮陀螺仪的标定快速性。     

基于有限元分析方法的三浮陀螺用角度传感器优化设计

针对高精度三浮陀螺仪角度传感器要求尺寸约束不变的情况下进一步提升性能的需求,提出一种基于有限元分析的优化设计方法,避免了传统的磁路计算法需要多轮验证、效率低等问题.首先从变压器磁链方程出发推导建立了多级式动圈角度传感器的数学模型,确定了影响传感器灵敏度和激磁电流的主要设计指标:激磁绕组、输出绕组、气隙长度和工作半径,以...     

液浮陀螺漂移的试验建模研究

本文采用时间序列分析理论,利用实际测量的数据,建立了液浮陀螺随机漂移的ARMA模型.最终,为便于将模型应用于卡尔曼滤波器中,本文给出了一种实际可行的液浮陀螺漂移模型.     

模糊控制理论在有源磁悬浮系统中的应用

建立了陀螺浮子磁悬浮数学模型,对该系统进行了MATLAB仿真并分析了该系统的刚度和阻尼特性。在此基础上,计算了满足刚度和阻尼特性的PID控制器参数,仿真结果表明,基于刚度和阻尼特性的PID控制器能够基本满足系统的要求,但响应时间过长。因此进行了模糊控制理论在磁悬浮系统中的研究,提出了模糊-PID控制。以经典PID控制器参数为参考,建立了模糊控制隶属度函数,设计了模糊控制表格,并对模糊-PID控制器在该系统中的应用进行了仿真研究,仿真结果表明,建立在经典PID控制器基础上的模糊-PID控制能够得到较好的稳态特性和动态性能,鲁棒性也得到增强,能够在一定程度上提高液浮陀螺仪的精度和抗干扰能力。     

液浮速率积分陀螺温控模型分析和参数设计

本文建立了较完整的液浮速率积分陀螺温控系统模型，并对温控系统的电磁兼容设计、可靠性设计、温度传感器的配置方法、动静态特性设计、以及陀螺电机、环境热传递条件等影响温控性能的工程问题作了具体论述。文中例举了在不同环境条件下达到高稳定精度要求的陀螺温控系统的设计方法。     

H_∞控制器在变参数有源磁悬浮系统中的应用

建立了液浮陀螺仪浮子有源磁悬浮控制模型,深入地分析了其结构组成及工作原理。针对所建立的数学模型对各个结构参数进行了鲁棒性分析研究,得出了系统鲁棒稳定性对各个参数的要求。在此基础上,建立了系统工作的状态方程,对变参数的阻尼系统进行了分析研究,设计了满足系统动态性能和鲁棒稳定性要求的H∞控制器。最后分别对初始系统和校正系统进行了仿真研究,仿真结果表明,H∞控制器提高了阻尼在一定范围内变化的磁悬浮系统的鲁棒控制性能,增强了系统的抗干扰能力和动态特性。     

磁悬浮控制力矩陀螺的高速转子模态分析及实验研究

采用通用有限元软件包ANSYS7．0，建立了控制力矩陀螺结构的有限元模型，对磁悬浮飞轮转子组件以及陀螺整体组合结构进行了模态分析。通过与实验结果对比，验证了模型的合理性和精确性，指出了盘轴相对弯曲模态是系统工作带宽内的主要模态，也是影响飞轮转子系统稳定性的主要原因之一，必须进行有效陷波处理。分析结果为电磁轴承控制器参数的选取以及陀螺框架的设计提供了依据；采用ANSYS参数设计语言APDL建立的有限元模型也为下一步的优化设计奠定了基础。     

DRIFT MOTION OF FREE-ROTOR GYROSCOPE WITH RADIAL MASS-UNBALANCE

The motion of a rigid body about fixed point with small radial mass-unbalance in homogeneous gravitational field was discussed. The dynamical equations described by state variables of the body were established, and approximate analytical solutions for a spinning body with high speed were obtained by use of the average method. The influence of the radial mass-unbalance of the rotor to the precession character of a free-rotor gyroscope was analyzed. And a physical explanation of the drift phenomenon of the gyro was given. An applicable formula of gyro‘ s constant drift in analytical form was obtained, which is perfectly coincident with the numerical calculate‘on     

MEMS陀螺仪结构模型及系统仿真

为了减小MEMS陀螺仪的正交误差,进一步提高陀螺精度,在Simulink环境中对陀螺结构和测控系统进行了建模和仿真。首先在理想状态的陀螺结构模型基础上建立了包含机械热噪声、模态间耦合等非理想因素的结构模型,并给出了陀螺结构的相关设计参数。其次在陀螺结构模型上以自激振荡和AGC控制技术为基础设计了驱动回路,该回路可在短时间内将驱动幅度稳定在10μm,且驱动频率为4048 Hz（驱动模态的谐振频率）。然后分析了模态间耦合信号的作用方式并建立了正交校正和检测闭环力反馈回路,仿真结果显示,在全闭环状态下检测模态所受耦合力的幅度比未校正状态下降了5个数量级,等效输入角速度也从205(°)/s下降到了6.58(°)/h。最后对陀螺模型进行了整体测试,得到其标度因数和阈值分别为21.76 mV/(°)/s和0.002(°)/s。     

冷原子陀螺仪三维磁场系统的容差设计

磁场系统作为磁光阱的重要组成部分,在高精度冷原子陀螺仪中占有极其重要的地位。随着陀螺体积的不断减小和集成度的不断提高,磁场系统的制造和装调误差对陀螺性能的影响不断增大。这些误差会引起磁场零点漂移和磁场梯度变化,降低捕获效率和原子团的质量,从而影响陀螺性能。从三维磁光阱磁场分布的理论分析出发,结合数学建模和计算机仿真,对三维磁场系统的主要制造和装调误差对磁场的影响进行了分析和比较,并基于预设阈值利用试验设计和数学回归对关键制造和装调参数设计了合理的容差限,为小型化冷原子陀螺仪三维磁场系统的设计和制造提供了理论依据。     

环形陀螺敏感结构的平面振动分析

在薄壁圆环振动特性基础上,研究了振动环式微机械陀螺的支撑梁对环的振动模态及自然频率的影响。对一种外支撑式环形微机械陀螺敏感结构进行了ANSYS模态仿真,得到工作振动模态的变形量。以薄壁环2节点变形模态函数为参考函数对仿真变形量用最小二乘法拟合,拟合误差在4.5%以内,各函数系数一致性误差小于1.5%。基于支撑梁对环结构的模态函数影响较小的条件,用能量法和速度积分法得到结构的应变能和动能函数,进一步得到具有支撑梁环结构自然频率的近似解。选取4组支撑梁尺寸,其近似解与仿真结果的相对误差在±3%以内。     

控制力矩陀螺用磁轴承磁力参数的辨识

提出一种实用的闭环辨识方法—磁中心变位移法,可以对控制力矩陀螺用磁轴承的磁力参数进行辨识。这种方法通过在磁中心处改变转子位移,得出不同位移时的电流值,再用这些值进行最小二乘辨识,得出所求的磁力参数。辨识出的电磁力模型中代入实际数据所得输出值与磁轴承实际输出数据非常吻合,证明了辨识所得磁力参数的准确性,并且用所得到的磁力参数指导磁轴承系统控制器参数的选择,使之更好地对磁轴承进行控制。实验证明,调整后的参数使转子在 30 060 r/mim 时仍能稳定地悬浮在给定位置,验证了所得磁力参数的准确性。     

基于xPC Target的静电陀螺支承控制系统仿真

针对静电陀螺转子在电极腔内的运动特性,建立了具有负刚度特性的转子动力学方程。结合传统的3-4,4—3变换,建立了三路支承控制器,并采用MATLAB参数优化工具箱设计控制器参数。采用xPC Target及相应的接口电路建立了实时仿真平台,对支承控制系统进行实时仿真。实时仿真结果表明三路支承控制器能够对具有负刚度特性的转子运动进行有效控制。另外通过一个实际模拟电路验证了实时仿真平台的有效性,这对八电极小型实心转子静电陀螺的支承控制系统快速研制具有重要意义。     

大型沉井结构施工力学模型的研究

大型沉井结构是当今应用较广的基础工程，由于沉井结构的规模大，工区土层复杂，存在有许多不确定性因素。使得施工过程的力学模型比较难确定。迄今尚缺乏可供借鉴的理论研究。由于施工的关键是保证沉井的均匀下沉，控制终沉和防止突沉，为此，建立合适的施工力学模型以预测下沉量和开挖量之间的关系就十分必要，考虑到混凝土沉井在土体中下沉时，其本身的变形很小，可以忽略其影响，本文从多自由度刚体运动的角度，建立沉井下沉过程的动态力学模型。为验证所建模型的正确性，本文对一实际工程进行了数值仿真计算。并将计算结果与实测结果进行了对比。结果表明，所建立的力学模型能较好地反映沉井下沉的工程实际，因而可以应用该模型对沉井下沉进行预测分析。从而有助于指导沉井的实际施工。     

高速磁悬浮转子稳定性研究及其在控制力矩陀螺中应用

磁悬浮支承应用于控制力矩陀螺具有高精度，长寿命的优点。高速转子的陀螺效应导致的失稳制约了其在CMG中的应用，尤其是章动造成的磁悬浮转子高速失稳问题。该文分析了由于陀螺效应产生的章动造成系统失稳的根本原因，提出了控制系统的解决方案。研究结果表明，章动失稳的主要原因是系统的相位延迟造成的，尤其对数字控制系统，相位延迟更为严重，使用简单交叉解耦控制不能解决问题，需要对现有的控制器进行优化才能保证系统在高速下的稳定性。     

小型化光纤陀螺的轴向磁场误差特性建模方法探讨

小型化光纤陀螺的主要特点是光纤环径向尺寸逐步缩小,而轴向尺寸逐步增大,由此导致轴向磁场误差成为影响小型化光纤陀螺精度的重要因素之一。以小型化光纤陀螺轴向磁场误差特性为研究对象,依据光纤环中光纤的四极对称排列结构,提出轴向螺旋角展开分析法,利用Jones矩阵分别构建保偏型光纤陀螺及消偏型光纤陀螺的传输矩阵及轴向磁场误差模型,探讨光纤扭曲应力寄生圆双折射、轴向尺寸等因素与非互易性Faraday磁场相位误差的关系,得出光纤陀螺轴向磁场漂移误差的数学描述,以此为理论依据,探讨小型化光纤陀螺的轴向磁场误差因素,并提出相应的措施。