华中科技大学 硕士学位论文 CHZ海洋重力仪稳定平台的实验研究 姓名：吴章 申请学位级别：硕士 专业：轮机工程及其自动化 指导教师：侯国祥;徐筱龙 20090520 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 稳定平台是 CHZ 海洋重力仪的重要组成部分，为重力测试仪器提供稳定的基准 面，同时也可广泛应用于军事、地球物理、航空航天领域的惯性导航系统与惯性测 量系统 在没有说明书及配套参考资料的情况下，要对重力仪系统进行原理分析与实验 即对一个“黑箱”进行摸索，因此，大量的科研时间被用在基本原理的研究上本 文详细讨论了稳定平台的工作原理，针对原有的稳定平台，提出了改造方案；采用 理论分析与实验相结合的手段，对原稳定平台的核心部件-液浮陀螺仪的接口进行了 功能标定，并进行了信号转换电路的方案设计；将原模拟控制电路用基于 PMAC 的数 字控制部分予以替代，在系统的维护、调试及使用方面具有较大优势，并能实现更 为复杂的控制策略新的改造方案，充分利用了原有系统的机械部分及核心的液浮 陀螺仪，节省了大量的资金，并在保留原设备的功能的同时改善了部分系统性能指 标。
本文的主要研究内容和工作成果包括： （1）介绍了国内外相关重力仪的发展状况和现状，并着重探讨了稳定平台及核 心元件双自由度液浮陀螺仪的工作原理； （2）在全面分析现有系统工作原理的基础上，通过方案选型论证，提出了设备 改造方案； （3）采用理论分析与实验相结合的方法，制定了实验方案，对原稳定平台的核 心部件-液浮陀螺仪的接口进行了功能标定； （4）根据改造方案中新采用的控制器，并考虑到陀螺仪的接口，进行了信号转换 电路的方案设计,并进行了部分仿真实验 （5）进行了 CMAC/PID 复合控制方法仿真实验，CMAC/PID 复合控制方法能够 整定参数，并具有自适应能力，能较好的适用于复杂海况 关键词关键词：稳定平台 双自由度液浮陀螺仪 数字控制 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Stable platform, which is the important component of CHZ marine gravimeter, provides a stable base-level to the test apparatus of gravity, and is also widely used in the fields of military, geophysical, aerospace for inertial navigation systems and inertial measurement systems. In the absence of reference manuals and resources, to analyze and test the working principle of gravimeter system is same as to explore a "black box". It takes much research time on study of the basic principles. In this thesis, it is discussed in detail the working principle of a stable platform, and a reform method for the original stable platform; with a combinative method of the theoretical analysis and experiment, the function of the interface of the core components of original stable platform, liquid floated gyroscope, is calibrated, and a design of signal converter circuit is made; Instead of the original analog control circuit, the PMAC-based digital control part has more advantages in some aspects, such as maintenance, debugging and application of the system. Moreover, it is easy to achieve more complex control strategy. The new reform method makes full use of the mechanical parts of the original system and the core liquid floated gyroscopes, saves a lot of money, and improves the function of some system performance indicators while it retains the function of the original equipment. The problems from the following aspects are discussed in the thesis: (1) To introduce the development and the present situation about gravimeter, and to provide reference for experiment of stable platform. (2) To ascertain the system of gyroscopes, and to focus on the principle of work of double-degree-of-freedom gyroscopes. (3) To ascertain the source and features of declination signal and to find out the output interface of the angle sensor by experiment. 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III (4) To design the electric circuit of signal detection. (5) To bring forward to the future study of the design for the control system of stable platform. Key Words: stable platform liquid floated double-degree-of-freedom gyroscopes digital control 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中明确方式标明本人完全意识到声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文 保密 ? ， 在 年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密 ? （请在以上方框内打“√√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 本课题研究的背景及意义本课题研究的背景及意义 我国是一个海洋大国，拥有约18000公里的海岸线，还有14000多公里的海岸线， 7000多个海岛，近300万平方公里的管辖海域，其中享有完全主权的内水和领海面积 达38万平方公里。
我国沿海大陆架上蕴藏着丰富的石油、天然气和矿物资源，在我 国海域利用地震、地磁、重力等海洋地球物理测量方法开展综合观测，探明我国海 域地质构造环境，从而全面、系统地认识中国海环境变化和资源富集规律，对开发 沿海自然资源、发展海洋经济具有重要的意义在军事上，海面重力资料可用于修 正潜艇惯性导航的舒勒误差、消除海洋重力异常对低轨卫星，弹道导弹飞行轨道的 影响[1]因而海洋重力测量是一项必不可少的海洋开发工作 在MKS制中，重力的单位为米/秒 2 ；在CGS制中，则为厘米/秒 2 重力的单位厘 米/秒 2 称为伽(Gal)，千分之一伽称为毫伽(mGal)，千分之一毫伽称为微伽(Gal) 重力值的大小可通过重力测量方法求得，而其方向则需通过天文测量方法确定 重力测量分绝对重力测量和相对重力测量测定重力值可以利用与重力有关的许多 物理现象，例如在重力作用下的自由落体、摆的摆动、弹簧伸缩、弦振动，等等 由此，重力测量方法分为两类:一类是动力法，它是根据物体受力后的运动状态测定 重力；另一类是静力法，它是根据物体受力后的平衡状态测定重力[2] 目前，有三种测量海洋表面重力异常的方法，船载重力测量、航空重力测量、 卫星重力测量[3]。
其中以船载重力测量的精度最高， 在平静的近海地区的测量精度最 高可达0.35 mgal船载重力测量的结果可对航空重力测量和卫星重力测量的结果进 行约束和校准 目前我国在进行海洋重力测量时，船载重力测量中的关键设备—海洋重力仪完 全依赖于进口我国早在上个世纪 80 年代由中国科学院测量与地球物理所研制成功 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 了高精度 CHZ 海洋重力仪，其主要技术指标已达到当时的国际先进水平但至上世 纪 90 年代以来，我国在海洋重力测量基础技术方面，只注重海洋重力仪的整机引进 而忽视了自主研制由于缺少必要的资金投入，CHZ 海洋重力仪一直停留在实验样机 阶段，其稳定平台的模拟控制原理已经远远落后于国际先进海洋测量技术，这种现 状与我国大力开发海洋资源、提升海军战斗力的国策是极不相称的 任何载体，无论是海上、海下，还是陆地、天空，它们的惯性导航系统的一个 重要组成部分就是稳定平台[4] 稳定平台是指能够使被稳定对象在干扰作用下相对惯 性空间保持方位不变，或在指令力矩作用下按给定规律相对惯性空间转动的装置。
通俗的说，就是在运动的物体上为了保持被控物体的稳定性，必须隔离其母体的运 动，从而使被控物体相对其他惯性坐标系保持方位不变或按照指定规律变化所使用 的平台装置[5] 由于稳定平台具有的这个特性，它广泛应用于各种运动物体（车辆、飞机、轮 船）上以实现某些具体的功能例如行驶的车辆姿态经常发生变化造成晃动，稳定 平台可以保证某些设备运输的安全性或者用来稳定车载卫星接收系。