一種閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖陀螺技術(shù)，涉及一種閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光纖陀螺技術(shù)的發(fā)展，光纖陀螺以其所具有的低成本、高可靠性、高帶寬、全 固態(tài)、小體積等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、陸用導(dǎo)航制導(dǎo)與控制等軍用慣性測量 領(lǐng)域以及諸多民用慣性測量領(lǐng)域。作為慣性測量系統(tǒng)的核心敏感器件，光纖陀螺的性能指 標(biāo)將嚴(yán)重影響慣性測量系統(tǒng)的應(yīng)用精度。在很多高動態(tài)、大機(jī)動、高頻振動應(yīng)用場合，光纖 陀螺的動態(tài)性能一直被視為一種重要的性能指標(biāo)要求。光纖陀螺動態(tài)性能的優(yōu)劣將嚴(yán)重制 約慣性系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用精度，甚至是決定光纖陀螺能否適用于該環(huán)境條件的關(guān)鍵 性能指標(biāo)之一。
[0003] 目前，光纖陀螺普遍采用數(shù)字閉環(huán)方案。在閉環(huán)光纖陀螺中，采用集成光學(xué)調(diào)制器 (I0C)對外界轉(zhuǎn)動引起的順逆時針傳播兩束光之間相位差進(jìn)行補(bǔ)償，使得陀螺始終工作在 零相位附近。光纖陀螺閉環(huán)檢測與控制的過程可以表述為：外界的轉(zhuǎn)動使光纖陀螺內(nèi)順逆 時針傳播的兩束光之間產(chǎn)生于轉(zhuǎn)速大小成正比的Sagnac相移，由于干涉作用使出射光強(qiáng) 發(fā)生變化，此光強(qiáng)信號由探測器（PIN-FET)轉(zhuǎn)化為電壓信號，前置放大和濾波電路對其進(jìn) 行調(diào)理，再由A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；A/D采樣的電壓量化信號送入陀螺信號處理 芯片，由信號處理芯片解調(diào)出相位差，并對解調(diào)值進(jìn)行一次數(shù)字積分，最后以一定的比例系 數(shù)疊加到反饋階梯波上對Sagnac相移進(jìn)行補(bǔ)償，使陀螺恢復(fù)到零相位狀態(tài)。
[0004] 由于目前閉環(huán)光纖陀螺的控制回路中，一般使用的控制器(亦可稱為控制算法）是 積分控制器，采用積分控制器的整個光纖陀螺控制系統(tǒng)則可近似視為一個慣性環(huán)節(jié)。在實(shí) 際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，由于慣性環(huán)節(jié)的相位滯后效應(yīng)，使光纖得陀螺的動態(tài)響應(yīng)相對于動態(tài) 輸入具有較大的滯后時間，動態(tài)調(diào)整時間較長，動態(tài)跟蹤誤差較大，影響了系統(tǒng)應(yīng)用精度， 使得光纖陀螺的動態(tài)環(huán)境適應(yīng)性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的：提供一種閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制器及控制方法，應(yīng)用該控制器 及控制方法能夠使光纖陀螺對于外界動態(tài)轉(zhuǎn)速輸入具有最小時間響應(yīng)，使得光纖陀螺能夠 在最短時間內(nèi)跟蹤特定的輸入信號，從而減小光纖陀螺動態(tài)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間和動態(tài)跟蹤誤 差。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案：一種閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制方法，首先按照閉環(huán)光纖陀螺 的工作原理，建立閉環(huán)光纖陀螺的數(shù)字離散控制模型結(jié)構(gòu)；其次，按照光纖陀螺閉環(huán)控制回 路中各個環(huán)節(jié)的作用效果，建立控制回路各個環(huán)節(jié)的模型，并通過相關(guān)測試和計(jì)算得到具 體而準(zhǔn)確的模型參數(shù)，從而得到被控對象的準(zhǔn)確傳遞函數(shù)；然后按照所需要達(dá)到的最小時 間響應(yīng)控制效果，分別針對特定的輸入信號，依據(jù)數(shù)字控制器的解析設(shè)計(jì)方法來完成閉環(huán) 光纖陀螺最小拍控制器的設(shè)計(jì)；最后，將所設(shè)計(jì)的閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制器轉(zhuǎn)換成狀態(tài) 空間方程式，以能夠被光纖陀螺信號處理芯片完成最小拍控制器的實(shí)施。
[0007] 所建立的閉環(huán)光纖陀螺的數(shù)字離散控制模型結(jié)構(gòu)中，信號依次通過干涉作用、光 電探測器、前置放大濾波器、AD轉(zhuǎn)換器、采樣、誤差解調(diào)、最小拍控制器運(yùn)算處理、反饋階梯 波生成、階梯波驅(qū)動、集成光學(xué)調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)光纖陀螺對外界轉(zhuǎn)速引起的相位差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?閉環(huán)控制。
[0008] 所述的閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制方法，其被控對象的傳遞函數(shù)G(z)如公式（1)所 示：
[0009]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制方法，其特征在于，首先按照閉環(huán)光纖陀螺的工作原 理，建立閉環(huán)光纖陀螺的數(shù)字離散控制模型結(jié)構(gòu)；其次，按照光纖陀螺閉環(huán)控制回路中各個 環(huán)節(jié)的作用效果，建立控制回路各個環(huán)節(jié)的模型，并通過相關(guān)測試和計(jì)算得到具體而準(zhǔn)確 的模型參數(shù)，從而得到被控對象的準(zhǔn)確傳遞函數(shù)；然后按照所需要達(dá)到的最小時間響應(yīng)控 制效果，分別針對特定的輸入信號，依據(jù)數(shù)字控制器的解析設(shè)計(jì)方法來完成閉環(huán)光纖陀螺 最小拍控制器的設(shè)計(jì)；最后，將所設(shè)計(jì)的閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制器轉(zhuǎn)換成狀態(tài)空間方程 式，以能夠被光纖陀螺信號處理芯片完成最小拍控制器的實(shí)施。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制方法，其特征在于，所建立的閉環(huán) 光纖陀螺的數(shù)字離散控制模型結(jié)構(gòu)中，信號依次通過干涉作用、光電探測器、前置放大濾波 器、AD轉(zhuǎn)換器、采樣、誤差解調(diào)、最小拍控制器運(yùn)算處理、反饋階梯波生成、階梯波驅(qū)動、集成 光學(xué)調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)光纖陀螺對外界轉(zhuǎn)速引起的相位差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制方法，其特征在于， 被控對象的傳遞函數(shù)G(Z)如公式（1)所示：
其中各個系數(shù)與上述參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系為： Ks=2nLD/Ac，其中c為真空中光速； P0=Vpp； K1=Sin(Fb); K2 :前置放大電路的放大倍數(shù)； K3=2Nad/Vref; K4=N; K5 :控制器的軟件增益系數(shù)； K6=2n/2Nda; D(Z):待求解的光纖陀螺最小拍控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制方法，其特征在于，閉環(huán)光纖陀螺 最小拍控制器的設(shè)計(jì)時， 針對階躍輸入信號：根據(jù)要求，光纖陀螺要在兩個控制周期之后跟蹤階躍信號，考慮到 光纖陀螺光纖環(huán)的固有延遲，根據(jù)自動控制原理，則相當(dāng)于設(shè)計(jì)合適的最小拍控制器D(z)， 使得光纖陀螺的傳遞函數(shù)G (z)=廠2,聯(lián)立上述公式（1)，用MATLAB軟件可求針對階躍輸入信 號最小拍控制器D(Z)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制方法，其特征在于，閉環(huán)光纖陀螺 最小拍控制器的設(shè)計(jì)時， 針對斜坡輸入信號：根據(jù)要求，光纖陀螺要在三個控制周期之后跟蹤階躍信號，考慮到 光纖陀螺光纖環(huán)的固有延遲，根據(jù)自動控制原理，則相當(dāng)于設(shè)計(jì)合適的最小拍控制器D(z)， 使得光纖陀螺的傳遞函數(shù)G(z) =2f-z'聯(lián)立上述公式（1 )，即可求解針對斜坡輸入信號的 最小拍控制器D(z)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于光纖陀螺技術(shù)，涉及一種閉環(huán)光纖陀螺最小拍控制方法。本發(fā)明首先根據(jù)數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的工作原理和架構(gòu)建立準(zhǔn)確的模型參數(shù)；建立閉環(huán)光纖陀螺整個控制系統(tǒng)的離散控制模型，由此可以得到陀螺被控對象的控制模型；按照最小時間響應(yīng)控制器的原理，可以根據(jù)輸入信號的類型，通過計(jì)算得到光纖陀螺的最小拍控制器。按照需要，可以分別針對階躍輸入信號和斜坡輸入信號設(shè)計(jì)相應(yīng)的最小拍控制器，使得陀螺分別能夠在兩個和三個控制周期之后跟蹤輸入信號。本發(fā)明所公開的最小拍閉環(huán)光纖陀螺控制器減小了光纖陀螺對動態(tài)信號的跟蹤滯后時間，減小了動態(tài)跟蹤誤差，改善了光纖陀螺在動態(tài)輸入環(huán)境下的使用性能，提高了光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性。
【IPC分類】G01C19-64
【公開號】CN104713538
【申請?zhí)枴緾N201310675659
【發(fā)明人】高鑫, 羅瑞, 周原, 謝良平
【申請人】中國航空工業(yè)第六一八研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2013年12月11日