CN101183003A - 光纤陀螺系统的闭环控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式提供了一种光纤陀螺系统的闭环控制方法及装置，所述闭环控制方法及装置属于光纤陀螺技术领域。该方法包括：输入信号依次通过探测器、前放滤波电路、A/D转换器、数据信号处理器得到输出信号；所述数据信号处理器还将所述输出信号作为反馈信号依次通过D/A转换器、驱动器和Y波导调制器抵消光纤陀螺系统的输入信号Sagnac相位形成闭环控制，所述方法包括：利用极大似然估计方法得出光纤陀螺系统跟踪的输入信号；通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出所述数据信号处理器。本发明具体实施方式还提供一种数据信号处理器装置。所述方法及装置具有提高光纤陀螺系统的动态灵敏度和提高系统的动态跟踪能力的优点。

Description

光纤陀螺系统的闭环控制方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺系统的闭环控制方法及装置。

背景技术

光纤陀螺系统是一个广泛应用于敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。应用在飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。

干涉型光纤陀螺是一种测量角速度的仪器，其硬件如图1所示，包括光源11、耦合器12、Y波导调制器13、光纤环14、探测器15、前放滤波电路16、AD转换器17、数字信号处理器18、DA转换器19以及驱动放大电路20。

光路的工作过程如下：光由光源11发出，经耦合器12一分为二，一束传输到Y波导调制器13，另一束传输到空头。Y波导调制器13将输入光起偏后分成顺时针(CW)和逆时针(CCW)传输的两束，进入与之相连的光纤环14。干涉型光纤陀螺对角速度的测量是通过在光纤环14中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差Sagnac相位的大小来表征的。干涉后转换为光强的变化，经耦合器12到达探测器15，作为电路的输入信号，也是电路的检测信号。探测器15把光强的变化转变为电流的变化。

检测电路的工作过程如下：前放滤波电路16对探测器15输出电流信号变为电压信号调理和进一步放大后，A/D转换器17进行信号采集并转换为离散的数字量，数字信号处理器18完成数据解调，根据控制算法形成反馈数字阶梯波，也就是系统的反馈信号，送至D/A转换器19变为模拟阶梯波，经驱动电路20加在Y波导调制器13的电极上，实现系统闭环工作。数字信号处理器18同时形成调制方波，使系统有合适的工作点，提高系统的灵敏度。数字信号处理器18同时还要计算出系统的输出信号。检测电路的工作过程如图2所示。图2中，Δ_s为系统输入角速度Ω时，光在光纤环中产生的非互易相位差；Δ_f为经驱动电路20加在Y波导调制器13的电极上的反馈信号产生的反馈相位；Δ为输入相位和反馈相位的差值。

数字闭环光纤陀螺中数字信号处理器18是光纤陀螺系统的核心，完成时序控制、信号解算、闭环控制、形成反馈以及输出信号、输出通信等一系列任务。数字信号处理器18的主要功能是由数字控制器完成的。

然而现在高精度光纤陀螺的性能指标不能满足对其动态特性的要求。从光纤陀螺的工作原理可知，Sagnac效应的表达式为

式中：L为光纤环长度，D为光纤环直径，λ为光波长，c为真空中的光速，Ω为旋转角速率。探测器处的干涉信号为I＝I₀(1+cosΔ_S)，式中：I₀为光强对应的电流强度。可见，干涉输出是Sagnac相位差Δ_s的余弦函数，加

调制方波后和反馈相位Δ_f后，探测器处的信号为I＝I₀(1+sin(Δ_S-Δ_f))，但是当Δ_S-Δ_f不为零，即系统误差不为零，且比较大时，系统线性度不好，所以此时系统误差很难控制为零，即很难设计一个闭环检测方案使得此系统有很高的动态灵敏性和跟踪速度。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术所述的闭环控制系统存在如下问题：

由于现有技术对数据处理器采用的控制算法为积分算法，本领域技术人员很容易知道，在采用积分算法时数据处理器的动态灵敏度和响应速度会降低，进而导致所述系统的动态误差较差，上升时间较长，动态跟踪能力不高。

发明内容

本发明实施方式所要解决的技术问题在于提供一种光纤陀螺系统的闭环控制方法及装置，所述方法及装置能够优化系统的输出信号，减少动态误差，减少闭环光纤陀螺系统的上升时间和提高系统的动态跟踪能力。

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明实施方式提供一种光纤陀螺系统的闭环控制方法，所述方法包括：

输入信号依次通过探测器、前放滤波电路、A/D转换器、数据信号处理器得到输出信号；所述数据信号处理器还将所述输出信号作为闭环反馈信号依次通过D/A转换器、驱动器和Y波导调制器抵消光纤陀螺系统的输入信号Sagnac相位形成闭环控制，其特征在于，所述方法包括：

在统计所述输出信号得到所述系统跟踪的输入信号的平均值，利用极大似然估计方法得出光纤陀螺系统跟踪的输入信号；

通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出所述数据信号处理器。

本发明的具体实施方式提供一种数据信号处理器装置，所述装置包括：

输入单元：用于接收输入信号；

输出单元：用于输出闭环反馈信号和输出信号；

统计单元，通过统计所述系统的输出信号得到所述系统跟踪的输入信号的平均值；

估算单元，通过极大似然估计方法得出光纤陀螺系统跟踪的输入信号；

算法单元：通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出所述数据信号处理器装置。

由上述所提供的技术方案可以看出，本发明实施例的技术方案采用最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出所述数据信号处理器，提高了光纤陀螺系统的动态灵敏度和响应速度，进而优化系统的输出信号，减少动态误差，减少闭环光纤陀螺系统的上升时间和提高系统的动态跟踪能力。

附图说明

图1为现有技术中所述的光纤陀螺闭环控制系统的结构图。

图2为现有技术中所述光纤陀螺闭环控制系统检测电路的结构图。

图3为本发明实施例1所述方法的流程图。

图4为本发明实施例1中所述数据信号处理器的控制算法结构图。

图5为现有技术中光纤陀螺系统的闭环响应输出曲线。

图6为本发明实施例1中的光纤陀螺系统的闭环响应输出曲线。

图7为本发明具体实施方式所述的数据信号处理器装置的结构图。

具体实施方式

本发明实施方式提供了一种光纤陀螺系统的闭环控制方法。

该方法包括：输入信号依次通过探测器、前放滤波电路、A/D转换器、数据信号处理器得到输出信号；所述数据信号处理器还将所述输出信号作为闭环反馈信号依次通过D/A转换器、驱动器和Y波导调制器抵消光纤陀螺系统的输入信号Sagnac相位形成闭环控制，所述方法还包括：在统计所述输出信号得到所述系统跟踪的输入信号的平均值，利用极大似然估计方法得出光纤陀螺系统跟踪的输入信号；通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出所述数据信号处理器。

上述方法中的数据信号处理器是采用最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出的，具体操作可以包括以下步骤：

步骤A、接收用户设定的所述光纤陀螺系统的性能指标；

步骤B、根据所述光纤陀螺系统的数学模型和数据信号处理器的控制算法结构图得到所述光纤陀螺系统的状态方程；

步骤C、在得到所述状态方程和所述性能指标后，通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题的黎卡提方程计算出反馈信号，将计算出的反馈信号代入所述光纤陀螺闭环控制系统的状态方程，得出输出信号的传递函数和所述数据信号处理器。

为更好的描述本发明实施方式，现结合实施例1对本发明的具体实施方式进行说明。

实施例1：本实施例的技术场景为：光纤陀螺系统包括，探测器、前放滤波电路、A/D转换器、数据信号处理器、D/A转换器、驱动器和Y波导调制器组成的光纤陀螺闭环控制系统，所述数据信号处理器采用最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出，其计算的具体方法如图3所示，包括如下步骤：

步骤31、根据最优控制理论的数字系统的伺服跟踪问题和光纤陀螺系统得出数据信号处理器的控制算法结构图，如图4所示为数据信号处理器的控制算法结构图，其中Z(t)为通过统计所述输出信号估计得出光纤陀螺系统跟踪的输入信号，g(t)是与Z(t)有关的时间函数，它表示了跟踪Z(t)的驱动能力；x(t)代表状态方程中的状态变量，K(t)是黎卡提方程中的变量，u(t)为由最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出的反馈信号。

步骤32、根据所述光纤陀螺系统的数学模型和数据信号处理器的控制算法结构图得到所述光纤陀螺系统的状态方程；

实现该步骤的具体方法可以为，根据光纤陀螺系统的数学模型，设探测器与前放滤波电路的数学模型为K₃，A/D转换器的数学模型为K₄，D/A转换器的数学模型为K₅，驱动器的数学模型为K₆，Y波导调制器的数学模型为K₇，并设k₁＝K₃*K₄，k₂＝K₅*K₆*K₇。

根据光纤陀螺系统的数学模型和图4得到所述系统的状态方程为：

$\stackrel{\·}{x}=-k_1{k}_{2}x+k_{1}u$ x(0)＝0    (1)

y＝x    (2)

(1)式中的u即为u(t)，其为由最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出的反馈信号。

步骤33、接收用户设定的所述光纤陀螺闭环控制系统的性能指标；该步骤中的性能指标的公式可以为：

$J=\frac{1}{2}{e}^T\left(t_f\right)\mathrm{Pe}\left(t_f\right)+\frac{1}{2}{\∫}_0^{t_f}[e^T\left(t\right)Q\left(t\right)e\left(t\right)+u^T\left(t\right)R\left(t\right)u\left(t\right)]\mathrm{dt}---\left(3\right)$

其中R(t)为正定阵，P、Q(t)为半正定阵，t_f给定(即限定时间内跟踪上输入信号)，J为二次型性能指标，其中R(t)、P、Q(t)可以由用户设定，如当数据信号处理器为一阶控制器，用户可以设定R(t)、P、Q(t)均为常数，本发明具体实施方式并不限制设定的具体值。

步骤34、通过统计所述光纤陀螺系统的输出信号得到系统跟踪的输入信号的平均值，通过极大似然估计方法得出光纤陀螺系统跟踪的输入信号；

实现该步骤的具体方法可以为：

设系统跟踪的输入信号z(t)＝A*cos(wt+)+n(t)+a，A、w、是随机变量，n(t)是均值为0，方差σ²未知的低频带限高斯白噪声，a是系统跟踪的输入信号z(t)的均值，a可以由统计光纤陀螺系统输出信号的均值得出。设v(t)＝A*cos(wt+)+n(t)，则z(t)＝v(t)+a。

采用极大似然估计方法估计v(t)。这时条件概率密度函数p(v|θ)称为似然函数。费希尔提出，用使似然函数最大的θ值作为估计值。由 $\frac{d_p\left(v\right|\mathrm{\θ})}{\mathrm{d\θ}}=0$ 求出估计值，记作

称为极大似然估计。

对上式分别对A、w、和σ²求偏导数

是上述联立方程的解。将代入z(t)＝A*cos(wt+)+n(t)+a即可得到光纤陀螺系统跟踪的输入信号。可以看出，估计输入信号的频率是基础，估计出频率后，就可以估计出相位，振幅。在估计振幅基础上，估计噪声方差。

步骤35、通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题的黎卡提方程计算出反馈信号u(t)；

该步骤实现的具体方法可以为：

g(t)是与系统跟踪的输入信号Z(t)有关的时间函数，设跟踪误差e(t)为

e(t)＝z(t)-y(t)    (4)

最优控制理论中跟踪问题的黎卡提方程为：

$\stackrel{\·}{K\left(t\right)}=-K\left(t\right)A\left(t\right)-A^T\left(t\right)K\left(t\right)+K\left(t\right)B\left(t\right)R^{-1}\left(t\right)B^T\left(t\right)K\left(t\right)-C^T\left(t\right)Q\left(t\right)C\left(t\right)$

$\stackrel{\·}{g}\left(t\right)=[K\left(t\right)B\left(t\right)R^{-1}\left(t\right)B^T\left(t\right)-A\left(t\right)]g\left(t\right)-C^T\left(t\right)Q\left(t\right)Z\left(t\right)$

通过(1)(2)可知A＝-k₁k₂，B＝k₁，C＝1，并将A＝-k₁k₂，B＝k₁，C＝1代入黎卡提方程得到(5)(6)式。

得最优控制跟踪问题的微分方程组如下：

$\stackrel{\·}{K}\left(t\right)=2k_1{k}_{2}K\left(t\right)+\frac{k_1^2}{r}{K}^2\left(t\right)-q---\left(5\right)$

$\stackrel{\·}{g}\left(t\right)=[\frac{k_1^2}{r}K\left(t\right)+k_1{k}_2]g\left(t\right)-\mathrm{qZ}\left(t\right)---\left(6\right)$

(5)式是黎卡提方程，(6)式中的g(t)是与Z(t)有关的时间函数。

按照最优控制原理得到最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出的反馈信号u(t)为

$u\left(t\right)=\frac{k_1}{r}[g\left(t\right)-K\left(t\right)x\left(t\right)]---\left(9\right)$

步骤36、将所述计算出的反馈信号u(t)代入所述状态方程，得出所述输出信号的传递函数和数据信号处理器。

实现该步骤的方法可以为：

把(9)代入(1)式和(2)式得到闭环反馈信号以及输出信号的传递函数即轨迹方程为：

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=-[k_2+\frac{k_1^2}{r}*K\left(t\right)]x\left(t\right)+\frac{k_1^2}{r}g\left(t\right)$

现将实施例1计算出的数据信号处理器加入到光纤陀螺系统的仿真模型中得出的闭环响应输出曲线如图6所示，其中r(t)为系统的真实输入信号轨迹，y(t)为系统输出信号轨迹；图5为现有技术中光纤陀螺系统的闭环响应输出曲线，其中r(t)为系统的真实输入信号轨迹，y(t)为系统输出信号轨迹；从图6中可以明显看出，加入了实施例1计算出的数据信号处理器后，r(t)与y(t)几乎完全一样，提高了光纤陀螺系统的动态灵敏度和响应速度，进而优化系统的输出信号，减少动态误差，减少闭环光纤陀螺系统的上升时间和提高系统的动态跟踪能力。

本发明实施方式提供的方法采用最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出所述数据信号处理器，提高了光纤陀螺系统的动态灵敏度和响应速度，进而优化系统的输出信号，减少动态误差，减少闭环光纤陀螺系统的上升时间和提高系统的动态跟踪能力。

本发明的实施方式还提供一种数据信号处理器装置，如图7所示，所述装置包括：输入单元71：用于接收信号；输出单元72：用于输出闭环反馈信号和输出信号；统计单元74，通过统计所述系统的输出信号得到所述系统跟踪的输入信号的平均值；估算单元75，通过极大似然估计方法得出光纤陀螺系统跟踪的输入信号；算法单元73：通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出所述数据信号处理器装置。

上述算法单元73包括：接收模块731，用于接收用户设定的所述光纤陀螺闭环控制系统的性能指标；运算模块732，通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题和光纤陀螺系统的数学模型得出所述光纤陀螺系统的状态方程；计算模块733，用于在得到所述状态方程和所述性能指标要求后，通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题的黎卡提方程计算出反馈信号；输出模块734，用于将所述反馈信号代入所述光纤陀螺系统的状态方程得出所述数据信号处理器和所述输出信号的传递函数。

发明具体实施方式所述的装置采用最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出，提高了光纤陀螺系统的动态灵敏度和响应速度，进而优化系统的输出信号，减少动态误差，减少闭环光纤陀螺系统的上升时间和提高系统的动态跟踪能力。

综上所述，本发明具体实施方式提供的技术方案，具有优化系统的输出信号，减少动态误差，减少闭环光纤陀螺系统的上升时间和提高系统的动态跟踪能力的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种光纤陀螺系统的闭环控制方法，所述方法包括：输入信号依次通过探测器、前放滤波电路、A/D转换器、数据信号处理器得到输出信号；所述数据信号处理器还将所述输出信号作为反馈信号依次通过D/A转换器、驱动器和Y波导调制器抵消光纤陀螺系统的输入信号Sagnac相位形成闭环控制，其特征在于，所述方法包括：

在统计所述输出信号得到所述系统跟踪的输入信号的平均值，利用极大似然估计方法得出光纤陀螺系统跟踪的输入信号；

通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出所述数据信号处理器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出所述数据信号处理器包括：

接收用户设定的所述光纤陀螺系统的性能指标；

通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题和光纤陀螺系统的数学模型得出所述光纤陀螺系统的状态方程；

在得到所述光纤陀螺系统的状态方程和所述性能指标后，通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题的黎卡提方程计算出反馈信号，将所述反馈信号代入所述光纤陀螺系统的状态方程得出所述数据信号处理器和所述输出信号的传递函数。

3.一种数据信号处理器装置，其特征在于，所述装置包括：

输入单元：用于接收输入信号；

输出单元：用于输出闭环反馈信号和输出信号；

统计单元，通过统计所述系统的输出信号得到所述系统跟踪的输入信号的平均值；

估算单元，通过极大似然估计方法得出光纤陀螺系统跟踪的输入信号；

算法单元：通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题计算得出所述数据信号处理器装置。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述算法单元包括：

接收模块，用于接收用户设定的所述光纤陀螺系统的性能指标；

运算模块，通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题和光纤陀螺系统的数学模型得出所述光纤陀螺系统的状态方程；

计算模块，用于在得到所述系统的状态方程和所述性能指标要求后，通过最优控制理论中数字系统的伺服跟踪问题的黎卡提方程计算出反馈信号；

输出模块，用于将所述反馈信号代入所述光纤陀螺系统的状态方程得出所述数据信号处理器和所述输出信号的传递函数。

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