基于智能控制技术的微惯性器件误差抑制方法研究

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1、摘要摘要微机械惯性传感器因其体积小、功耗低、成本低、容易与处理电路集成等优点，在消费电子类产品和低精度军事领域得到了广泛应用。但由于其信号非常微弱，且易受环境影响，导致器件精度较低，大大限制了其发展前景。针对这一问题，本论文从微机械惯性传感器的驱动控制方案入手，设计了一种基于智能控制技术的微惯性器件驱动控制方案，力图在实现驱动控制的同时，抑制环境温度变化带来的误差、正交误差和外部干扰，达到提高微机械惯性传感器性能的目的。具体研究内容如下：1.微惯性器件的动力学特性及误差源分析。明确了振动式硅微机械陀螺和

2、谐振式硅微加速度计的工作原理，并在此基础上对它们进行了动力学分析，建立了比较理想的动力学方程；同时，对振动式硅微机械陀螺的正交误差和温度误差、谐振式硅微加速度计的非线性误差和温度误差的误差机理进行了分析。2.微惯性器件的驱动方案设计。介绍了微惯性器件驱动控制中常用的频率控制回路和振幅控制回路，及其典型的驱动控制方案。并在此基础上，选择锁相环电路作为频率控制回路，设计了基于智能控制技术的振幅控制回路，最后形成一种新的驱动控制方案。这种方案在实现驱动控制的同时能够抑制温度误差和外部干扰。3.基于非线性控制器

3、的误差抑制技术。本文中微惯性器件驱动方案的优劣主要取决于控制器的性能。非线性控制是智能控制的基础，因此，考虑温度误差、正交误差和外部干扰，设计了可实现振幅控制的滑模控制器和自适应滑模控制器。并通过Simulink仿真比较，温变过程中，传统驱动控制方案和基于非线性控制器的驱动控制方案的陀螺检测模态的响应信号，验证了新方案对温度误差、正交误差和外部干扰的抑制作用。4.基于智能控制器的误差抑制技术。将非线性控制器“升级”为自适应模糊滑模控制器，实现了振幅控制，并通过与传统驱动控制方案的检测模态响应信号进行对比

4、，验证了其对温度误差、正交误差和外部干扰的抑制作用。另外，为保证误差快速收敛，提出了快速收敛的自适应模糊滑模控制策略，将收敛时间从0.5ms缩短到了0.3ms。关键词：微惯性器件，非线性控制，智能控制，驱动控制，误差抑制本研究得到了国家自然科学基金（编号：61304098，61622308），航空科学基金（编号：2015ZA53003），陕西省自然科学基金（编号：2015JM6272，2016KJXX-86）以及深圳市科学计划（编号：JCYJ20160229172341417）资助。IAbstractA

5、bstractDuetoitssmallsize,lowpowerconsumption,lowcostandeasyintegrationwithprocessingcircuits,microinertialdeviceshavebeenwidelyusedinconsumerelectronicproductsandlowprecisionmilitaryfields.However,weaksignalandsusceptibletoenvironmentofmicroinertialdevic

6、esresultinlowaccuracy.Thatgreatlylimitsitsdevelopmentprospects.Aimingatthisproblem,thispaperdesignsadrivingcontrolschemeformicroinertialdevicebasedonintelligentcontroltechnologytorealizedrivecontrolwhilesuppressingtheerrorcausedbychangesofambienttemperat

7、ureandexternaldisturbances.Finally,theperformanceofmicroinertialdevicesisimproved.Thespecificresearchcontentsareshownasfollows.1.DynamicCharacteristicsandErrorSourcesAnalysisofMicroInertialDevices.Theworkingprincipleofvibratingsiliconmicromachinedgyrosco

8、peandresonantsiliconmicro-accelerometerisclarified,andthekineticequationisestablished.Atthesametime,themechanismofquadratureerrorandtemperatureerrorofvibratorysiliconmicromachinedgyroscopes,nonlinearerrorandtemperatureerro