CN103984830A - 一种光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法，包括建立模型并根据模型进行仿真；光纤陀螺闭环控制逻辑模型包括数字解调模型和数字控制器模型；闭环控制逻辑仿真光纤陀螺用模型包括Sagnac效应模型，偏置调制模型，阶梯波调制模型和相位调制模型。确定仿真所需的参数，参数包括系统闭环周期、调制方波频率f、方波半周期采样点数和放大倍数；调整前置放大器模块放大倍数和后置放大器模块放大倍数使光纤陀螺模型在仿真过程中正常闭环；通过输出信号波形和数值确定光纤陀螺输出标度因数与所需的指标一致。本发明使设计人员从细节的代码编写中脱离出来，将更多的精力投入到系统设计和分析中；能够取得缩短项目周期，提高工作效率，降低产品成本。

Description

一种光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法

技术领域

本发明属于惯性器件光纤陀螺领域，更具体地，涉及一种光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法。

背景技术

目前数字闭环光纤陀螺逻辑设计方法都是采用先编写代码、仿真，然后对代码进行综合、布局布线等几个步骤完成。这种方式设计陀螺逻辑，需要设计人员熟悉硬件描述语言VHDL和Verilog HDL，并且人工编写大量代码，然后将代码转换成具体的硬件逻辑来实现。同时由于闭环控制逻辑单独设计，脱离了陀螺闭环系统大环境，导致无法从整个系统的角度去仿真和分析逻辑数字控制等设计问题，需要到陀螺系统级调试阶段问题才能暴露出来，导致设计反复。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法，其目的在于使设计人员从繁琐的代码编写中脱离出来，由此解决现有技术需编写大量代码来实现光纤陀螺数字闭环控制，若出现问题则只能在调试阶段暴露，导致设计反复、浪费资源的技术问题。

本发明提供了一种光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法，包括下述步骤：

(1)建立光纤陀螺模型；所述光纤陀螺模型包括Sagnac效应环节模型，偏置调制模型，解调模型，阶梯波调制模型和相位调制模型；

所述Sagnac效应环节模型为为t时刻相位差，L为光纤环长度，D为光纤环环体的等效直径，λ为射入到光纤环中光波的波长，C为光速，Ω(t)为t时刻输入角速率；

所述偏置调制模型为G为探测器的增益；P₀为输入到探测器的光功率；V₀(t)为探测器输出电压；

所述解调模型为V_dem(t)为t时刻解调出的电压值；

所述阶梯波调制模型为V_out(t)＝V_out(t-τ)+V_setp；V_out(t)、V_out(t-τ)分别为t时刻和t-τ时刻输出的阶梯波信号，V_step为这一个闭环周期的台阶高度；

所述相位调制模型为是t时刻反馈相位差，K_fp是相位调制器调制系数；

(2)获得仿真所需的参数，所述参数包括系统闭环周期、调制方波频率f、方波半周期采样点数和放大倍数；

系统闭环周期T为光纤陀螺渡越时间τ，调制方波频率f＝1/2τ；方波半周期采样点数等于τ除以系统时钟周期f_AD；前置放大器模块放大倍数K_前置初值设为1～2；后置放大器模块放大倍数K_后置初值设为1～2；AD转换器模块放大倍数K_AD设为其中N_AD为AD转换器位数，V_AD为AD转换器量程；DA转换器模块放大倍数K_DA初值设为其中N_DA为DA转换器位数，V_DA为DA转换器量程；相位调制器调制系数K_fp初始值设为1；

(3)调整前置放大器模块放大倍数K_前置和后置放大器模块放大倍数K_后置使所述光纤陀螺模型在仿真过程中正常闭环；

光纤陀螺正常闭环是指DA转换器模块输出的波形为阶梯波、系统阶梯波复位电压幅值为2π和相位调制方波的幅值等于π/2；

(4)通过输出信号波形和数值确定光纤陀螺输出标度因数与所需的指标一致。

其中，所述光纤陀螺渡越时间τ由陀螺光纤环长度和形状确定。

其中，所述解调模型和阶梯波调制模型在FPGA系统中实现。

其中，所述系统时钟周期f_AD为所述FPGA系统的工作频率，所述系统时钟周期f_AD的上限值为AD转换器模块的最高工作频率，所述系统时钟周期f_AD为最高工作频率的80％。

其中，所述仿真方法还包括仿真结果验证步骤：

在System Generator软件转换工具中将主板设计使用的FPGA芯片型号、FPGA时钟周期、硬件描述语言类型信息填入；

使用System Generator软件将陀螺模型转换成硬件描述语言代码文件；

使用ISE软件对所述硬件描述语言代码文件进行优化布局布线后，下载到光纤陀螺中进行调试和测试，实现对理论仿真结果进行实物验证。

本发明由于采用自顶向下的设计思路，先进行系统级建模和仿真，再将模型通过工具自动转换成硬件描述语言代码，使设计人员从细节的代码编写中脱离出来，投入更多的精力到系统的设计和分析中。通过这种设计和验证方法的改进，能够取得缩短项目周期，提高工作效率，降低产品成本的有益效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法中数字闭环光纤陀螺原理框图；

图2是本发明实施例提供的光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法中光纤陀螺Simulink仿真模型；

图3是本发明实施例提供的光纤陀螺数字闭环控制逻辑的Simulink仿真模型中闭环控制模块模型框图；

图4是本发明实施例提供的光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法中System Generator建立的解调子模块模型结构示意图；

图5是本发明实施例提供的光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法中仿真结果波形示意图；

图6是本发明实施例提供的光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法中ModelSim协仿真模型结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法采用自顶向下的设计思路，先进行系统级建模和仿真，再将模型通过System Generator软件自动转换成硬件描述语言代码。这种方法，使设计人员从细节的代码编写中脱离出来，投入更多的精力到系统的设计和分析中。

本发明适用于惯性器件光纤陀螺领域，用于光纤陀螺设计过程中FPGA逻辑设计、仿真和实现的全过程。本方法使用MATLAB软件和SystemGenerator软件建立陀螺闭环控制逻辑模型和闭环控制逻辑仿真用光纤陀螺模型，再通过MATLAB软件中Simulink工具对模型进行仿真，最后使用System Generator软件将陀螺闭环控制逻辑模型转换成网络表和硬件描述语言代码，并下载到光纤陀螺中进行闭环控制逻辑验证。

本发明实施例提供的光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法，具体包括下述步骤：

(1)建立数字闭环控制逻辑模型

陀螺闭环控制逻辑模型可使用system generator或类似工具建立，示例图模型采用system generator工具建立。

数字闭环控制逻辑模块输入为A/D转换器输出的陀螺探测器信号，输出为锯齿波反馈信号和陀螺转速信号。

A/D转换器信号输入到闭环控制逻辑模块中，通过其中解调子模块解调后得到相位差信号，解调方法为正负半周相减，公式如下：

化简后为在闭环稳定控制时，反馈相位和输入相位相减后，相位差Δφ_R近似为零。根据小角度下的三角近视关系，有sinΔφ_R≈Δφ_R，则其中V_dem(t)为t时刻解调出的电压值。

在闭环控制逻辑模块中，解调子模块解调得到相位差后，闭环控制子模块以解调出的速率信号为输入，经过一级数字控制器后，得到阶梯波相位台阶V_step。

中低精度数字闭环光纤陀螺的数字控制器一般采用PID控制器，高精度陀螺通常采用更复杂的鲁棒控制器等其他复杂控制器。

PID等数字控制器是本领域普通技术人员根据已有的技术知识能够实现的，此处不做描述。

上述得到的阶梯波相位台阶V_step一方面作为陀螺测量值进行输出；另一方面通过对其累加得到阶梯波信号，如下所示：V_out(t)＝V_out(t-τ)+V_setp(5)；其中V_out(t)、V_out(t-τ)分别为t时刻和t-τ时刻输出的阶梯波信号，V_step为这一个闭环周期的台阶高度。

陀螺输出测量值，经过输出滤波，送到输出接口输出。输出滤波器可采用FIR滤波器或其他滤波器。FIR滤波器建模可直接使用Matlab软件的FDATOOL完成，这是本领域普通技术人员根据已有的技术知识能够实现，此处不做描述。

按照上述方法建立的数字闭环控制逻辑模型见图3。其中解调子模块模型见图4。

(2)建立光纤陀螺模型

光纤陀螺模型可以使用Simulink软件建立。图1是数字闭环光纤陀螺原理框图。当光纤环以角速率Ω(t)旋转时，由于萨格奈克(Sagnac)效应，环体内两束传输方向相反的光发生干涉产生相位差与Ω(t)关系如下：(3)；其中为t时刻相位差，L为光纤环长度，D为光纤环环体的等效直径，λ为射入到光纤环中光波的波长，C为光速，Ω(t)为t时刻输入角速率。

相位差信号在闭环系统中经过方波调制模块π/2调制后变为该信号输入到探测器模块转换成电压信号，转换关系如下：(4)；其中G为探测器的增益；P₀为输入到探测器的光功率；V₀(t)为探测器输出电压；为t时刻的相位差。

探测器输出信号经过前置放大器模块放大后，输入到A/D转换器模块转换成数字量。

阶梯波信号得到后，通过DA转换器转换后送到相位调制器产生反馈相位差，反馈相位差送到输入端与输入速率信号相减后完成闭环反馈。相位调制器的模型如下：(5)；其中(t)是t时刻反馈相位差，K_fp是相位调制器调制系数。

按照上述分析，使用simulink建立的光纤陀螺模型如图2所示。其中FPGA数字闭环控制逻辑为数字信号模块，其他模块为模拟信号模块。数字信号和模拟信号接口由System Generator提供的Gateway In(图2中标记的AD信号输入接口和复位信号输入)接口和Gateway Out(图2中标记的阶梯波输出接口和信号输出)接口模块完成。

(3)模型仿真，具体仿真方法包括下述步骤：

(a)确定初始仿真参数。

仿真参数包括系统闭环周期、调制方波频率f、方波半周期采样点数和积分时间；其中系统闭环周期T通常取为光纤陀螺渡越时间τ，光纤陀螺渡越时间由陀螺光纤环长度和形状确定；调制方波频率f＝1/2τ；方波半周期采样点数等于τ除以系统时钟周期f_AD；f_AD为FPGA系统工作频率，上限值为A/D转换器的最高工作频率，一般取最高频率的80％。前置放大器模块放大倍数K_前置初值设为1～2；后置放大器模块放大倍数K_后置初值设为1～2；AD转换器模块放大倍数K_AD设为其中N_AD为AD转换器位数，V_AD为AD转换器量程；DA转换器模块放大倍数K_DA初值设为其中N_DA为DA转换器位数，V_DA为DA转换器量程。相位调制器调制系数K_fp初始值设为1。

(b)系统闭环仿真

闭环仿真目的是确定仿真步骤(1)中建立的模型各模块工作是否正常，信号波形是否与预期的一致。

仿真通过调整K_前置、K_AD、K_DA和K_后置四个参数完成，其中K_AD、K_DA在器件选定后，位数和量程一般不变。仿真时，通过调整K_前置、K_后置和数字闭环控制逻辑中PID控制器参数等环节，使光纤陀螺模型在仿真过程中正常闭环。陀螺闭环正常的标志是DA转换器输出的波形为阶梯波、系统阶梯波复位电压幅值为2π以及相位调制方波的幅值等于π/2。

(c)测量输出仿真

测量输出仿真目的是仿真陀螺输出的结果是否与理论计算结果相吻合。

仿真时，通过改变陀螺输入转速信号，观察输出信号波形和数值，确认陀螺输出标度因数与设计指标是否一致。

陀螺标度因数计算方法见式(6)：

$K=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\λC}}---\left(6\right)$

图5为陀螺闭环控制逻辑仿真结果波形。图中从上至下，第一路信号是阶梯波信号，通过DA转换器输出到调制器产生反馈相位差，用于系统闭环控制。该信号为阶梯波，表明系统闭环工作正常；第二路信号是陀螺检测出的输入信号，即系统的输出。第三路信号是DA工作时钟信号。第四路信号是用于测试的方波信号。陀螺模型中有硬件描述语言代码时，需要配合使用ModelSim软件进行协仿真，图6所示为使用ModelSim软件协仿真的仿真模型。

(3)仿真结果实物验证

使用System Generator软件将陀螺模型转换成硬件描述语言代码文件。转换前需在System Generator转换工具中将主板设计使用的FPGA芯片型号、FPGA时钟周期(前文中τ值)、硬件描述语言类型(可选Verilog或VHDL)信息填入。

使用ISE软件对System Generator生成的硬件描述语言代码优化、综合、布局布线后，下载到陀螺中进行调试和测试，对理论仿真结果进行实物验证。

本发明先对闭环控制逻辑进行系统级建模，再使用陀螺模型对闭环控制逻辑进行仿真。仿真通过后，将闭环控制模型通过System Generator自动转换成硬件描述语言代码。这种仿真方法，使设计人员从细节的代码编写中脱离出来，将更多的精力投入到系统设计和分析中；能够取得缩短项目周期，提高工作效率，降低产品成本的有益效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤陀螺数字闭环控制逻辑的仿真方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)建立光纤陀螺模型；所述光纤陀螺模型包括Sagnac效应环节模型，偏置调制模型，解调模型，阶梯波调制模型和相位调制模型；

所述Sagnac效应环节模型为为t时刻相位差，L为光纤环长度，D为光纤环环体的等效直径，λ为射入到光纤环中光波的波长，C为光速，Ω(t)为t时刻输入角速率；

所述偏置调制模型为G为探测器的增益；P₀为输入到探测器的光功率；V₀(t)为探测器输出电压；

所述解调模型为V_dem(t)为t时刻解调出的电压值；

所述阶梯波调制模型为V_out(t)＝V_out(t-τ)+V_setp；V_out(t)、V_out(t-τ)分别为t时刻和t-τ时刻输出的阶梯波信号，V_step为这一个闭环周期的台阶高度；

所述相位调制模型为是t时刻反馈相位差，K_fp是相位调制器调制系数；

(2)获得仿真所需的参数，所述参数包括系统闭环周期、调制方波频率f、方波半周期采样点数和放大倍数；

系统闭环周期T为光纤陀螺渡越时间τ，调制方波频率f＝1/2τ；方波半周期采样点数等于τ除以系统时钟周期f_AD；前置放大器模块放大倍数K_前置初值设为1～2；后置放大器模块放大倍数K_后置初值设为1～2；AD转换器模块放大倍数K_AD设为其中N_AD为AD转换器位数，V_AD为AD转换器量程；DA转换器模块放大倍数K_DA初值设为其中N_DA为DA转换器位数，V_DA为DA转换器量程；相位调制器调制系数K_fp初始值设为1；

(3)调整前置放大器模块放大倍数K_前置和后置放大器模块放大倍数K_后置使所述光纤陀螺模型在仿真过程中正常闭环；

光纤陀螺正常闭环是指DA转换器模块输出的波形为阶梯波、系统阶梯波复位电压幅值为2π和相位调制方波的幅值等于π/2；

(4)通过输出信号波形和数值确定光纤陀螺输出标度因数与所需的指标一致。

2.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述光纤陀螺渡越时间τ由陀螺光纤环长度和形状确定。

3.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述解调模型和阶梯波调制模型在FPGA系统中实现。

4.如权利要求3所述的仿真方法，其特征在于，所述系统时钟周期f_AD为所述FPGA系统的工作频率，所述系统时钟周期f_AD的上限值为AD转换器模块的最高工作频率，所述系统时钟周期f_AD为最高工作频率的80％。

5.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法还包括仿真结果验证步骤：

在System Generator软件转换工具中将主板设计使用的FPGA芯片型号、FPGA时钟周期、硬件描述语言类型信息填入；

使用System Generator软件将陀螺模型转换成硬件描述语言代码文件；

使用ISE软件对所述硬件描述语言代码文件进行优化布局布线后，下载到光纤陀螺中进行调试和测试，实现对理论仿真结果进行实物验证。