本发明涉及一种陀螺加速度计的伺服控制回路，尤其涉及一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统及方法，属于用于高精度视加速度测量的航空、航天领域。
背景技术：
在高精度惯性稳定平台中，目前主要采用摆式积分陀螺加速度计敏感导弹的大过载，敏感沿输入轴方向的视加速度，为单自由度加速度计。
两轴一体陀螺加速度计在传统陀螺加速度计的方案基础上，由原一条伺服回路增加到两条伺服回路以使框架角α和台体角β都保持在零位，同时，在两条伺服回路中分别通过测量控制电机的电流值求出ox1和oy1方向的加速度值。其优点在于克服了干扰力矩，提高了精度，同时提高了陀螺加速度计的输出维数，使陀螺加速度计具备敏感两个方向的视加速度能力。
由于陀螺加速度计只限于在小角度范围内工作，需要将其输出通过伺服回路送到相应的力矩电机，使陀螺加速度计工作于闭路状态。
在这种条件下，力矩电机对转子施加力矩，驱使转子跟踪壳体运动，陀螺加速度计的框架角始终保持在零附近，通过输送到力矩电机的电流(或电压、脉冲频率)来测量载体沿输入轴的视加速度。双轴一体陀螺加速度计是一个两自由度加速度计，其输出环节和进动环节都存在交链和耦合。国内尚无双轴一体陀螺加速度计伺服回路的设计方案，且输出精度不够，因此，需开展对双轴一体陀螺加速度计伺服回路的设计。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种两轴一体陀螺加速度计伺服控制回路系统及方法，通过对加速度计的两个伺服回路之间的控制解耦以克服交链影响以提高系统的输出精度。
本发明的技术解决方案：一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统为一种用于两轴一体陀螺加速度计的伺服控制回路。两轴一体陀螺加速度计中包括表头、伺服控制回路、输出装置及壳体；两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统中包括一个二输入输出解耦器、增益补偿器、两个相同的二阶积分模块和两个相同的超前滞后模块。
两轴一体陀螺加速度计的表头部分包括附加偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架、框架轴；附加偏心质量的陀螺转子安装在台体上，台体通过台体轴与框架相连,台体轴能够转动的安装在框架上，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架通过框架轴与壳体相连。
当两轴一体陀螺加速度计的安装载体沿陀螺加速度计两个输入轴方向有视加速度输入时，两轴一体陀螺加速度计的附加偏心质量的陀螺转子相对壳体在相应的台体轴和框架轴方向产生偏离角度。
两轴一体陀螺加速度计台体轴和框架轴上的角度传感器检测到偏离角度，从而产生两路偏差信号，并将两路偏差信号转换为两路电信号输出。
两路偏差信号作为解耦伺服控制回路系统中的二阶积分模块和超前滞后模块的输入量；二阶积分模块对两路偏差信号进行二阶积分，超前滞后模块对两路偏差信号进行低频放大。
二阶积分模块和超前滞后模块的输出量作为二输入输出解耦器的输入量，二输入输出解耦器将输入量即两个电信号进行解耦得到两路电信号分别反馈至对应的力矩电机。
两个力矩电机根据二输入输出解耦器输出的电信号分别产生再平衡力矩使两轴一体陀螺加速度计的转子进动，以消除两轴一体陀螺加速度计的两个输入轴方向的偏差信号。
根据二输入输出解耦器输出的两路电信号经过增益补偿器的增益补偿后作为两轴一体陀螺加速度计的输出结果。
所述解耦伺服控制回路由一个二输入输出解耦器、增益补偿器、两个相同的二阶积分模块和两个相同的超前滞后模块组成，其中，二输入输出解耦器的传递函数为
综合控制回路中的各环节，一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统的传递函数为：
其中，jx为框架的转动惯量，jy为台体的转动惯量，cx为框架的阻尼系数，cy为台体的阻尼系数，h为陀螺加速度计转子的角动量；kc为伺服回路的放大倍数。
一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制方法,步骤如下：
(1)两轴一体陀螺加速度计的安装载体沿陀螺加速度计两个输入轴方向有视加速度输入时，陀螺加速度计的偏心质量的陀螺转子相对壳体在相应的台体轴和框架轴方向产生偏离角度；
(2)陀螺加速度计台体轴和框架轴上的角度传感器检测到偏离角度，从而产生两路偏差信号，并将两路偏差信号转换为两路电信号输出；
(3)两路偏差信号作为解耦伺服控制回路系统中的二阶积分模块和超前滞后模块的输入量；二阶积分模块对两路偏差信号进行二阶积分，超前滞后模块对两路偏差信号进行低频放大；
(5)二阶积分模块和超前滞后模块的输出量作为二输入控制解耦器的输入量，二输入输出解耦器将输入量即两个电信号进行解耦得到两路电信号分别反馈至对应的力矩电机；
(6)两个力矩电机根据二输入控制解耦器输出的电信号分别产生再平衡力矩使两轴一体陀螺加速度计的转子进动，以消除两轴一体陀螺加速度计的两个输入轴方向的偏差信号；
(7)根据二输入控制解耦器输出的两路电信号经过增益补偿器的增益补偿后作为两轴一体陀螺加速度计的输出结果。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统，其解耦伺服控制回路为2×2维多输入多输出传递函数矩阵，包含一个二输入输出解耦器、两个相同的二阶积分模块和两个相同的滞后超前模块，可实现对两个交链回路的解耦。
(2)本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统，4个元素的分母阶次大于分子阶次，有利于工程实现；采用2个积分模块，使系统成为一个ii型系统，采用二阶积分模块可消除与常值角速度变化率有关的误差，从而提高伺服回路系统的稳态精度。
(3)本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统，采用滞后超前模块，可提高捷联惯性系统低频段的动态增益，有利于减小动态误差。
(4)本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统，可克服由于伺服回路的两个输出值与加速度之间的交链问题，实现载体线运动与输出测量视加速度之间严格一一对应，提高系统的输出精度。
附图说明
图1为本发明伺服控制回路的组成结构图；
图2为本发明两轴一体陀螺加速度计工作原理图；
图3为本发明解耦伺服控制回路框图；
图4为本发明两轴一体陀螺加速度计及解耦伺服控制回路框图。
具体实施方式
本发明公开了一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统及方法，本解耦伺服控制回路为一种用于两轴一体陀螺加速度计的伺服控制回路。本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统包含一个二输入输出解耦器、增益补偿器、两个相同的二阶积分模块和两个相同的超前滞后模块，为2×2维多输入多输出传递函数矩阵，可实现对两个交链回路的解耦；两个积分环节使陀螺加速度计系统成为一个ii型系统，二阶积分模块可消除与常值角速度变化率有关的误差，从而提高伺服回路系统的稳态精度；滞后超前环节可提高系统低频段的动态增益，有利于减小动态误差。在伺服控制回路中增加输出解耦环节，可克服由于伺服回路的两个电流输出值与角速度之间的交链问题，提高陀螺加速度计系统的输出精度。
如图1所示，一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统,包括一个二输入输出解耦器、增益补偿器、两个相同的二阶积分模块和两个相同的超前滞后模块；两轴一体的陀螺加速度计，包括：表头部分、输出装置及壳体；
两轴一体陀螺加速度计检测到偏离角度，从而产生两路偏差信号，并将两路偏差信号转换为两路电信号输出；两路偏差信号作为二阶积分模块和超前滞后模块的输入量；二阶积分模块对两路偏差信号进行二阶积分，超前滞后模块对两路偏差信号进行低频放大；二阶积分模块和超前滞后模块的输出量作为二输入输出解耦器的输入量，二输入输出解耦器将输入量即两个电信号进行解耦得到两路电信号分别反馈至对应的力矩电机；两个力矩电机根据二输入输出解耦器输出的电信号分别产生再平衡力矩使两轴一体陀螺加速度计的转子进动；二输入输出解耦器输出的两路电信号经过增益补偿器的增益补偿后作为两轴一体陀螺加速度计的输出结果，经输出装置输出。
表头部分，包括：附加偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架、框架轴；
附加偏心质量的陀螺转子安装在台体上，台体通过台体轴与框架相连,台体轴能够转动的安装在框架上，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架通过框架轴与壳体相连。
当两轴一体陀螺加速度计的安装载体沿陀螺加速度计两个输入轴方向有视加速度输入时，陀螺加速度计的偏心质量的陀螺转子相对壳体在相应的台体轴和框架轴方向产生偏离角度。
两轴一体陀螺加速度计台体轴和框架轴上的角度传感器检测到偏离角度，从而产生两路偏差信号，并将两路偏差信号转换为两路电信号输出；两路偏差信号作为二阶积分模块和超前滞后模块的输入量；二阶积分模块对两路偏差信号进行二阶积分，超前滞后模块对两路偏差信号进行低频放大；二阶积分模块和超前滞后模块的输出量作为二输入输出解耦器的输入量，二输入输出解耦器将输入量即两个电信号进行解耦得到两路电信号分别反馈至对应的力矩电机。
两个力矩电机根据二输入输出解耦器输出的电信号分别产生再平衡力矩使两轴一体陀螺加速度计的转子进动，以消除两轴一体陀螺加速度计的两个输入轴方向的偏差信号；二输入输出解耦器输出的两路电信号经过增益补偿器的增益补偿后作为两轴一体陀螺加速度计的输出结果。
本发明优选的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统为一种用于两轴一体陀螺加速度计的伺服控制回路。两轴一体的陀螺加速度计中包括表头、伺服控制回路、输出装置及壳体。两轴一体的陀螺加速度计的表头部分由附加偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架、框架轴组成。附加偏心质量的陀螺转子安装在台体上，台体通过台体轴与框架相连,台体轴能够转动的安装在框架上，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架通过框架轴与壳体相连，如图2所示。
陀螺加速度计在壳体坐标系ox0y0z0中的运动微分方程为：
则式(1)的拉氏变换为：
设a(s)＝jxs2+cxs，b(s)＝hs，c(s)＝jys2+cys，对应上式的矩阵形式为：
设d(s)＝a(s)c(s)+b(s)2，则
d(s)＝(jxs+cx)(jys+cy)s2+h2s2
＝[jxjys2+(jxcy+jycx)s+cxcy+h2]s2(4)
可求得陀螺加速度计的传递函数为：
两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统中包括一个二输入输出解耦器、增益补偿器、两个相同的二阶积分模块和两个相同的超前滞后模块。当两轴一体陀螺加速度计的安装载体沿陀螺加速度计两个输入轴方向有视加速度输入时，陀螺加速度计的偏心质量的陀螺转子相对壳体在相应的台体轴和框架轴方向产生偏离角度。
陀螺加速度计台体轴和框架轴上的角度传感器检测到偏离角度，从而产生两路偏差信号，并将两路偏差信号转换为两路电信号输出。两路偏差信号作为解耦伺服控制回路中的二阶积分模块和超前滞后模块的输入量。解耦伺服控制回路中的二阶积分模块和超前滞后模块的输出量作为伺服控制回路中的二输入输出解耦器的输入量，解耦伺服控制回路中的二输入输出解耦器将两个电信号进行解耦得到两路电信号分别反馈至与输入电信号对应输入轴正交方向上的力矩电机。两个力矩器根据反馈的电信号分别产生再平衡力矩使陀螺加速度计的转子进动以消除两个输入轴方向的偏差信号。根据二输入输出解耦器反馈出的两路电信号经过一个增益补偿后作为陀螺加速度计的输出结果。
二输入输出解耦器的传递函数为
综合控制回路中的各环节，一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统的传递函数为：
其中，jx为框架的转动惯量，jy为台体的转动惯量，cx为框架的阻尼系数，cy为台体的阻尼系数，h为陀螺加速度计转子的角动量；kc为伺服回路的放大倍数，如图3所示。
在两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统工作后，有
如图4所示。
当加速度计工作在带宽范围内，有
求得的加速度为
由上式可知，两轴一体陀螺加速度计在惯性系统应用时，可分为以下两种情况：
(1)惯性稳定平台系统
在惯性稳定平台应用时，可通过安装于平台台体上的加速度计基座相对惯性空间稳定，因此，可忽略基座的角速度
(2)捷联系统
在捷联系统应用时，可通过安装于本体上的陀螺仪实时测量得到
本发明的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制方法,其特征在于步骤如下：
(1)两轴一体陀螺加速度计的安装载体沿陀螺加速度计两个输入轴方向有视加速度输入时，陀螺加速度计的偏心质量的陀螺转子相对壳体在相应的台体轴和框架轴方向产生偏离角度；
(2)陀螺加速度计台体轴和框架轴上的角度传感器检测到偏离角度，从而产生两路偏差信号，并将两路偏差信号转换为两路电信号输出；
(3)两路偏差信号作为解耦伺服控制回路系统中的二阶积分模块和超前滞后模块的输入量；二阶积分模块对两路偏差信号进行二阶积分，超前滞后模块对两路偏差信号进行低频放大；超前滞后模块可提高系统低频段的动态增益，有利于减小动态误差。
(5)二阶积分模块和超前滞后模块的输出量作为二输入控制解耦器的输入量，二输入输出解耦器将输入量即两个电信号进行解耦得到两路电信号分别反馈至对应的力矩电机；
(6)两个力矩电机根据二输入控制解耦器输出的电信号分别产生再平衡力矩使两轴一体陀螺加速度计的转子进动，以消除两轴一体陀螺加速度计的两个输入轴方向的偏差信号；
(7)根据二输入控制解耦器输出的两路电信号经过增益补偿器的增益补偿后作为两轴一体陀螺加速度计的输出结果。
本发明的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统，其解耦伺服控制回路为2×2维多输入多输出传递函数矩阵，包含一个二输入输出解耦器、两个相同的二阶积分模块和两个相同的滞后超前模块，可实现对两个交链回路的解耦。本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统中，4个元素的分母阶次大于分子阶次，有利于工程实现；采用2个积分模块，使系统成为一个ii型系统，采用二阶积分模块可消除与常值角速度变化率有关的误差，从而提高伺服回路系统的稳态精度。
本发明的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统，采用滞后超前模块，可提高捷联惯性系统低频段的动态增益，有利于减小动态误差。本发明的一种两轴一体陀螺加速度计解耦伺服控制回路系统，能够克服由于伺服回路的两个输出值与加速度之间的交链问题，实现载体线运动与输出测量视加速度之间严格一一对应，提高系统的输出精度。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。