蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)建模及系統(tǒng)辨識(shí)方法研究

1、蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)建模及系統(tǒng)辨識(shí)方法研究 分類號 V241.5 學(xué)號 12030040 密級 公 開 工學(xué)碩士學(xué)位論文 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)建模 及系統(tǒng)辨識(shí)方法研究 碩士生姓名 學(xué)科專業(yè) 研究方向 指導(dǎo)教師 李祺睿 控制科學(xué)與工程 導(dǎo)航技術(shù) 羅兵 副教授 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院 二一四年十月 Study on the Modeling and Indentification Methods of the Silicon Micro-machined Butterfly Gyroscope Mode-Coupling System Candidate：Li Qirui Advis

2、or：Luo Bing A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Control science and control engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China October，2014 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工

3、作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。本人授權(quán)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子文檔，允許論文被查閱和借閱；可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 （保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書。）

4、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 目 錄 摘 要 . i Abstract . ii 第一章 1.1 緒 論. 1 研究背景與意義 . 1 1.1.1 研究背景 . 1 1.1.2 研究意義 . 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 3 1.2.1 微機(jī)械陀螺國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 3 1.2.2 微陀螺模態(tài)解耦技術(shù)研究現(xiàn)狀 . 4 1.3 前人工作及選題依據(jù) . 5 1.3.1 前人工作簡介 . 5 1.3.2 選題依據(jù) . 5 1.4 第二章 2.1 論文主要研究內(nèi)容 . 7 蝶翼式硅微陀螺基礎(chǔ)理論 . 9 蝶翼式硅微陀螺的基本結(jié)構(gòu)與工作模態(tài) . 9 2.1.1 蝶翼式硅微陀螺的基本結(jié)構(gòu) . 9

5、 2.1.2 蝶翼式硅微陀螺的工作模態(tài) . 10 2.2 蝶翼式硅微陀螺的基本原理 . 11 2.2.1 科氏效應(yīng)角速度測量原理 . 11 2.2.2 蝶翼式硅微陀螺的工作原理 . 12 2.3 蝶翼式硅微陀螺的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與穩(wěn)態(tài)響應(yīng) . 14 2.3.1 硅微陀螺的理想運(yùn)動(dòng)型模型 . 14 2.3.2 蝶翼式硅微陀螺的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析 . 15 2.4 蝶翼式硅微陀螺信號處理的基本方案 . 18 2.4.1 陀螺表頭前端輸入信號合成 . 18 2.4.2 陀螺表頭后端輸出信號處理 . 19 2.4.3 蝶翼式硅微陀螺測控電路的信號處理流程 . 23 2.5 第三章 3.1 本章總結(jié) . 23 蝶翼

6、式硅微陀螺模態(tài)耦合特性研究 . 25 蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)頻域分析基本方法 . 25 3.1.1 蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)頻率響應(yīng)測量實(shí)驗(yàn) . 25 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 3.2 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合產(chǎn)生機(jī)理 . 30 3.2.1 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合問題的提出 . 30 3.2.2 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)偶合動(dòng)力學(xué)推導(dǎo) . 32 3.2.3 蝶翼式硅微陀螺耦合運(yùn)動(dòng)模態(tài)分析 . 36 3.2.4 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合的其它因素 . 37 3.2.5 本節(jié)小結(jié) . 39 3.3 模態(tài)耦合對蝶翼式硅微陀螺輸出的影響 . 40 3.3.1 模態(tài)耦合對陀螺輸出零偏的影響 . 40 3.3.2

7、 模態(tài)耦合對陀螺零偏穩(wěn)定性的影響 . 41 3.4 第四章 4.1 本章總結(jié) . 42 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)建模與辨識(shí) . 43 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)建模 . 43 4.1.1 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程 . 43 4.1.2 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 . 45 4.2 基于頻率響應(yīng)測量的硅微陀螺系統(tǒng)辨識(shí) . 48 4.2.1 頻率響應(yīng)測量下模態(tài)耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 . 48 4.2.2 基于頻域響應(yīng)辨識(shí)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的基本方法 . 50 4.3 硅微陀螺系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果驗(yàn)證與分析 . 53 4.3.1 參數(shù)估計(jì)結(jié)果有效性驗(yàn)證 . 53 4.3.2 系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果適用

8、性分析 . 55 4.4 第五章 5.1 本章總結(jié) . 58 基于耦合模型的蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)辨識(shí)方法研究 . 60 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)模型驗(yàn)證與分析 . 60 5.1.1 系統(tǒng)模型響應(yīng)與實(shí)測頻率響應(yīng)的對比驗(yàn)證 . 60 5.1.2 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)模型的傳遞函數(shù)構(gòu)型 . 62 5.2 基于傳遞函數(shù)構(gòu)型的系統(tǒng)辨識(shí)方法研究 . 63 5.2.1 模態(tài)耦合系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)分母項(xiàng)的辨識(shí)方法 . 64 5.2.2 模態(tài)耦合系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)分子項(xiàng)的辨識(shí)方法 . 66 5.2.3 模態(tài)耦合系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果驗(yàn)證 . 67 5.3 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)方法研究 . 68 5.3.1

9、 蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)模型簡化 . 69 5.3.2 蝶翼式硅微陀螺耦合彈性系數(shù)測定方法 . 72 5.3.3 基于頻率響應(yīng)測量的耦合彈性系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)方案 . 74 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 第六章 6.1 6.2 總結(jié)與展望 . 78 研究總結(jié) . 78 研究展望 . 80 致 謝 . 82 參考文獻(xiàn) . 83 作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果 . 85 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 表 目 錄 表3.1某蝶翼式硅微陀螺模態(tài)參數(shù) . 28 表3.2某蝶翼式硅微陀螺的相關(guān)參數(shù) . 29 表5.1某蝶翼式硅微陀螺的結(jié)構(gòu)參數(shù)與模態(tài)參數(shù) . 60 表5.2蝶翼式硅微陀螺模態(tài)響應(yīng)傳

10、遞函數(shù)零極點(diǎn) . 62 表5.3某蝶翼式硅微陀螺的結(jié)構(gòu)參數(shù)與模態(tài)參數(shù) . 64 表5.4傳遞函數(shù)G11(s)幅頻響應(yīng)曲線的相關(guān)參數(shù) . 65 表5.5傳遞函數(shù)Gnum_y(s)幅頻響應(yīng)曲線的相關(guān)參數(shù) . 67 表5.6蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)傳遞函數(shù)參數(shù) . 67 表5.7某蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)等效系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù) . 69 表5.8某蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)的實(shí)際模態(tài)參數(shù)與等效系統(tǒng)的測定模態(tài)參數(shù) . 76 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 圖 目 錄 圖1.1蝶翼式微陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測模態(tài)關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖 . 7 圖1.2論文內(nèi)容總體安排 . 8 圖2.1蝶翼式硅微陀螺的硅微結(jié)構(gòu) . 9 圖2.2

11、蝶翼式硅微陀螺的基板結(jié)構(gòu)與電極方案 . 9 圖2.3蝶翼式硅微陀螺的敏感結(jié)構(gòu) . 9 圖2.4蝶翼式微陀螺的工作模態(tài)示意圖 . 10 圖2.5慣性坐標(biāo)系與動(dòng)坐標(biāo)系 . 11 圖2.6蝶翼式硅微陀螺工作原理示意圖 . 12 圖2.7硅微陀螺簡化等效動(dòng)力學(xué)模型 . 15 圖2.8驅(qū)動(dòng)端穩(wěn)態(tài)振幅與驅(qū)動(dòng)頻率關(guān)系曲線 . 16 圖2.9蝶翼式硅微陀螺表頭管腳連接示意圖 . 18 圖2.10陀螺驅(qū)動(dòng)端輸入信號合成過程示意圖 . 19 圖2.11陀螺檢測端輸入信號合成過程示意圖 . 19 圖2.12陀螺輸出信號解調(diào)預(yù)處理與一次解調(diào)過程示意圖 . 20 圖2.13驅(qū)動(dòng)模態(tài)二次解調(diào)與幅值、相位解算過程示意圖 .

12、 21 圖2.14標(biāo)定過程檢測模態(tài)二次解調(diào)與解算過程示意圖 . 22 圖2.15檢測模態(tài)二次解調(diào)與角速度解算過程示意圖 . 23 圖2.16蝶翼式硅微陀螺測控電路信號處理流程示意圖 . 23 圖3.1蝶翼式硅微陀螺頻率響應(yīng)測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 26 圖3.2實(shí)測蝶翼式硅微陀螺頻率響應(yīng)曲線 . 27 圖3.3蝶翼式硅微陀螺理想模型傳遞函數(shù)頻域特性曲線 . 30 圖3.4寬頻帶掃頻測試-蝶翼式硅微陀螺頻率響應(yīng)曲線 . 31 圖3.5蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合原理示意圖 . 32 圖3.6蝶翼式硅微陀螺工作模態(tài)運(yùn)動(dòng)方式示意圖 . 36 圖4.1蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 . 46 圖4.2蝶翼式硅微

13、陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)-關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)框圖模型 . 47 圖4.3蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)實(shí)測頻率響應(yīng)曲線 . 53 圖4.4蝶翼式硅微陀螺等效系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線 . 54 圖4.5頻域特性曲線對比圖 . 54 圖4.6等效系統(tǒng)零極點(diǎn)s平面分布示意圖 . 55 圖4.7蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)實(shí)測頻率響應(yīng)曲線 . 56 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 圖4.9系統(tǒng)辨識(shí)誤差(j)的幅頻曲線與相頻曲線 . 57 圖4.10實(shí)測蝶翼式硅微陀螺多級模態(tài)頻率響應(yīng)曲線 . 57 圖5.1實(shí)測某蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線 . 61 圖5.2某蝶翼式硅微陀螺工作模態(tài)頻率響應(yīng)曲線 . 61 圖5.3蝶翼式硅微陀螺模態(tài)響應(yīng)傳遞函

14、數(shù)零極點(diǎn)s平面分布示意圖 . 62 圖5.4某蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線 . 64 圖5.5傳遞函數(shù)G11(s)對應(yīng)模態(tài)的頻率響應(yīng)曲線 . 65 圖5.6傳遞函數(shù)Gden(s)的頻率響應(yīng)曲線 . 66 圖5.8 G*11(s)、G*22(s)、G11(s)、G22(s)頻率響應(yīng)結(jié)果對比圖 . 68 圖5.9耦合阻尼系數(shù)Dxy變化時(shí)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線 . 70 圖5.10耦合彈性系數(shù)kxy變化時(shí)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線 . 70 圖5.11某蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線 . 73 圖5.12 G12(s)與G21(s)的頻率響應(yīng)求差所得曲線 . 73 圖5.13蝶翼式硅微陀螺頻率

15、響應(yīng)測量實(shí)驗(yàn)信號處理流程示意圖 . 74 圖6.1蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)解耦控制結(jié)構(gòu)框圖示意圖 . 80 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 摘 要 硅微陀螺具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于需求量大、追求成本低的應(yīng)用場合，在軍事和民用各領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。蝶翼式硅微陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測模態(tài)之間存在相互耦合。為了探索新的控制方法與測控方案，以提高陀螺系統(tǒng)的總體性能；論文著重研究了蝶翼式硅微陀螺的模態(tài)耦合特性，深入對被控對象的認(rèn)識(shí)；為下一步研究陀螺系統(tǒng)雙模態(tài)控制方案，打下理論基礎(chǔ)，并提供基本模型。論文在研究陀螺模態(tài)耦合特性的基礎(chǔ)上，建立了蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，

16、并圍繞模態(tài)耦合系統(tǒng)的系統(tǒng)辨識(shí)方法展開了研究，主要研究內(nèi)容如下： 1、深入研究了蝶翼式硅微陀螺的模態(tài)耦合特性，分析了蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合的產(chǎn)生機(jī)理，以及模態(tài)耦合因素對陀螺系統(tǒng)性能的影響，提出了在陀螺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對模態(tài)耦合因素進(jìn)行處理的必要性。 2、分析認(rèn)為蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的、雙輸入雙輸出的模態(tài)耦合系統(tǒng)。建立了蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣表達(dá)式以及輸入輸出方程。 3、用頻率響應(yīng)擬合估計(jì)的方法，對蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)進(jìn)行了辨識(shí)，分析了結(jié)果的有效性與適用性。認(rèn)為：擬合軌跡法，只考慮了數(shù)學(xué)上的最優(yōu)化，而忽略了實(shí)際的限制和約束，適用性不強(qiáng)；因此，有必

17、要在考慮實(shí)際約束的前提下，探索新的系統(tǒng)辨識(shí)方法。 4、分析發(fā)現(xiàn)蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)的零極點(diǎn)包括一對偶極子和一對共軛主導(dǎo)極點(diǎn)，由此得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)基本構(gòu)型?；诨緲?gòu)型，設(shè)計(jì)了利用系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線，辨識(shí)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法；該方法具有符合實(shí)際、測定方便、解算簡單等優(yōu)點(diǎn)。此外，還介紹了蝶翼式硅微陀螺模態(tài)參數(shù)與耦合系數(shù)的測定方法與實(shí)驗(yàn)方案。 關(guān)鍵詞：蝶翼式硅微陀螺 模態(tài)耦合 系統(tǒng)建模 系統(tǒng)辨識(shí) 頻率響應(yīng)測量 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 Abstract Silicon micro-machined gyroscopes, which are suitable for mass, hav

18、e broad application prospects in military and civilian fields, because of their small sizes, low power consumption and low prices. Of silicon micro-machined butterfly gyroscope, the drive-mode and detect-mode are coupled. In the research for a new control method and program to improve the overall pe

19、rformance of gyroscope system, this paper focuses on the micro-machined butterfly gyroscopes mode-coupling characteristics for an in-depth understanding of the controlled object in the gyroscope control system, which lay a foundation for the future work about studying on the control method and progr

20、am of the mode-coupling system. On the basis of the study on mode-coupling characteristics of micro-machined butterfly gyroscope, the math model of silicon micro-machined butterfly gyroscope mode-coupling system is established. And a study on system identification methods is launched around silicon

21、micro-machined butterfly gyroscope mode-coupling system. The main contents are as following: 1.For a through study on the micro-machined butterfly gyroscopes mode-coupling characteristics, the mode coupling mechanism and its effect on gyroscopes performance are both analyzed. Thereafter, in the desi

22、gn of gyroscope system, working on the mode-coupling factors is made by necessity. 2.It is analyzed that silicon micro-machined butterfly gyroscope system is a double-inputs and double-outputs mode-coupling system with an associative structure. The math model of silicon micro-machined butterfly gyro

23、scope mode-coupling system is established, and the system transfer function matrix expression and input-output equation are both deduced. 3.Using frequency response data, the silicon micro-machined butterfly gyroscope mode-coupling system is identified by estimation method of fitting. Validity and a

24、pplicability analysis of the identification result proves that the fitting method cannot be widely applicable, ignoring the practical limitations and constraints of system instead of thinking only of the mathematics optimization. Thus, its necessary to explore new methods of system identification, t

25、aking into account the actual constraint. 4.Through analysis it is found that silicon micro-machined butterfly gyroscope mode-coupling system have a pair of dipole poles&zeros and a pair of conjugate main poles. Accordingly the basic configuration of the system transfer function is got. Depended

26、 on the configuration, a method of transfer function identification is given, with the advantages of close to reality, convenient measurement and simple solution. Whats more, the determination method and experimental program of mode parameters and mode-coupling coefficients are both put forward for

27、silicon micro-machined butterfly gyroscope. Key Words: Silicon Micro-machined Butterfly Gyroscope, Mode-Coupling, System Modeling, System Indentification, Frequency Response Measurement 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 1.1 研究背景與意義 1.1.1 研究背景 陀螺儀是一種慣性測量元件，可以感測物體相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。19世紀(jì)50年代，世界上第一個(gè)陀螺儀問世；20世紀(jì)40年代，陀螺

28、儀首次被應(yīng)用于控制火箭的飛行1。如今，陀螺儀已經(jīng)成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)不可或缺的重要核心器件，廣泛地被應(yīng)用于航空、航天、航海、潛測、武器裝備等重要領(lǐng)域2。 近幾十年來，隨著陀螺技術(shù)的發(fā)展，各種不同類型的陀螺相繼問世，主要有機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺、靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、微機(jī)電陀螺等等1。其中，微機(jī)械陀螺是一種基于科氏加速度原理的振動(dòng)陀螺，具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于需求量大、追求成本低的應(yīng)用場合3-9。 高性能的為機(jī)械陀螺在軍事應(yīng)用領(lǐng)域具有重要價(jià)值。常規(guī)武器制導(dǎo)化、中近程導(dǎo)彈制導(dǎo)低成本化等軍事武器改革，對應(yīng)用于這些武器裝備的陀螺儀提出了新的要求：急需大量成本低、易于批量化

29、生成、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)間短、重量輕、體積小的高性能陀螺1,7。而硅微陀螺具備的優(yōu)點(diǎn)，正好符合上述要求。 正因?yàn)槲C(jī)械陀螺具有重要的軍事價(jià)值，在高性能微機(jī)械陀螺方面，西方國家一直對我國進(jìn)行技術(shù)封鎖1,7。但是，為了推動(dòng)我國軍事武器裝備知道化改造進(jìn)程，為了進(jìn)一步提升我國軍事武器裝備的精確打擊能力，我國自主研制高性能的微機(jī)械陀螺勢在必行1,7。 1.1.2 研究意義 根據(jù)制造材料的不同，微機(jī)械陀螺主要分為石英微機(jī)械陀螺、陶瓷微機(jī)械陀螺、硅微機(jī)械陀螺。硅微陀螺的研究一直是微機(jī)械陀螺研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容。 硅微陀螺的研究主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、加工工藝、測控技術(shù)等內(nèi)容。經(jīng)過近二十年的努力，我國對硅微

30、陀螺基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)的研究取得了重大突破；但是，目前我國硅微陀螺研制的整體水平仍然不能滿足高性能、批量化生產(chǎn)的應(yīng)用需求1。我國的硅微陀螺大多處于工程化樣機(jī)研制階段，成品率低，性能不穩(wěn)定， 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 的方法，以滿足應(yīng)用所提出的高性能要求。 硅微陀螺是一個(gè)復(fù)雜的極點(diǎn)耦合系統(tǒng)，它的工作性能受環(huán)境因素影響較大，同時(shí)，其工作性能的提高受到設(shè)計(jì)水平、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、制造誤差、材料缺陷、環(huán)境因素、測控電路噪聲等非理想因素的限制1。提高硅微陀螺的性能，主要有幾種思路：（1）提升加工水平，改良制造工藝；（2）改進(jìn)和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（3）抑制或補(bǔ)償誤差；（4）改良和創(chuàng)新信號測控方案。 蝶翼式

31、硅微陀螺是一種新型的微機(jī)械陀螺，它最初由肖定邦博士7研究和設(shè)計(jì)，之后侯占強(qiáng)博士11,12、蘇劍彬博士1對其做了進(jìn)一步研究。蝶翼式硅微陀螺采用四質(zhì)量塊兩兩差分的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)新穎；它可以利用先進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)進(jìn)行制作和加工。因此，探尋合適的誤差抑制或補(bǔ)償方法、改進(jìn)優(yōu)化陀螺系統(tǒng)的測控方案，這是提升蝶翼式硅微陀螺性能應(yīng)當(dāng)研究的重要內(nèi)容。 在設(shè)計(jì)和研究蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)測控方案時(shí)，通常將陀螺本生近似地看作一個(gè)二階系統(tǒng)；選取的控制方法，往往也局限于簡單的經(jīng)典控制理論方法。在加工工藝水平?jīng)]有進(jìn)一步提升、陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不變的情況下，優(yōu)化測控方案，改進(jìn)控制方法，是提升蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)性能的重要思路和

32、手段。另外，許多先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論方法已經(jīng)十分成熟，并被廣泛應(yīng)用于控制工程各種領(lǐng)域；這些好的控制方法，也應(yīng)當(dāng)及時(shí)地運(yùn)用到蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)控制與檢測的工程實(shí)踐中。 現(xiàn)代控制的先進(jìn)理論與方法還很少被應(yīng)用到蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)的控制中，問題在于：目前對控制系統(tǒng)被控對象（即蝶翼式硅微陀螺本身）的認(rèn)識(shí)存在一定的局限性。蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)本身是一個(gè)復(fù)雜的模態(tài)耦合系統(tǒng)；但是，對系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，目前多局限于近似的二階系統(tǒng)；也就是說，在陀螺測控系統(tǒng)中，被控對象的數(shù)學(xué)模型還是簡單的、近似的。 由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力、制造誤差、材料缺陷、環(huán)境因素、測控電路噪聲等各方面的原因的影響，蝶翼式硅微陀螺的工作模態(tài)之間存在相互耦合。但是，

33、在控制陀螺時(shí)，通常忽略模態(tài)耦合對被控對象的影響；或者，一般地，將模態(tài)耦合因素的影響歸結(jié)到陀螺系統(tǒng)總體誤差中。想要進(jìn)一步提高控制精度，優(yōu)化控制效果，進(jìn)而提升蝶翼式硅微陀螺的性能，可以考慮從優(yōu)化控制對象的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，進(jìn)一步深入對陀螺內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的研究和認(rèn)識(shí)，構(gòu)建更加完善的蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。 根據(jù)本文的研究，蝶翼式硅微陀螺系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測模態(tài)之間是相互耦合的；從整體上，可以將陀螺系統(tǒng)看作一個(gè)多輸入多輸出的模態(tài)耦合系統(tǒng)。對蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)進(jìn)行建模，并且通過系統(tǒng)辨識(shí)方法得到系統(tǒng)的等效系統(tǒng)，系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果可以用現(xiàn)代控制理論的方法來表示。由此，即可以對控制系統(tǒng) 國防科學(xué)技術(shù)大

34、學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 現(xiàn)代控制的方法和手段。所以，研究蝶翼式硅微陀螺模態(tài)耦合系統(tǒng)建模與系統(tǒng)辨識(shí)的方法，具有重要意義。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 微機(jī)械陀螺國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著MEMS技術(shù)的興起，國外于上個(gè)世紀(jì)50年代末開啟了對微機(jī)械陀螺的研究13,14。1987年，世界上第一批能夠敏感角速度的硅微機(jī)電陀螺在美國Draper實(shí)驗(yàn)室研制成功15。于此同時(shí)，Analog Devices(AD)公司、瑞典IMEGO研究所、芬蘭赫爾辛基科技大學(xué)、美國加州大學(xué)微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、日本住友精密工業(yè)公司和宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）、Goodrich公司旗下的Atlantic Inertial Sy

35、stem(AIS)與日本的Sumitomo Precision Products(SPP)等機(jī)構(gòu)，同樣致力于微機(jī)械陀螺的研究，并取得了階段性的成果，推動(dòng)了微機(jī)械陀螺技術(shù)的飛速發(fā)展1,12。在這些機(jī)構(gòu)的研究成果中，微機(jī)械陀螺系統(tǒng)的輸出噪聲最優(yōu)為0.01o/s/Hz（AD公司的ADXR646），靈敏度最優(yōu)為0.690 mV/o/s（美國加州大學(xué)微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研制的嵌套式質(zhì)量塊框架結(jié)構(gòu)陀螺），零偏穩(wěn)定性最優(yōu)為0.03/h（Honeywell公司與Draper實(shí)驗(yàn)室共同研制的高性能硅微陀螺樣機(jī)）1。國外機(jī)構(gòu)研制的微機(jī)械陀螺已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品商業(yè)化，例如美國Draper實(shí)驗(yàn)室研的微機(jī)械陀螺已經(jīng)被大量應(yīng)用于JDAM知道炸彈等武器裝備中。此外，國外仍然堅(jiān)持不