CN104713538A - 一种闭环光纤陀螺最小拍控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤陀螺技术，涉及一种闭环光纤陀螺最小拍控制方法。本发明首先根据数字闭环光纤陀螺的工作原理和架构建立准确的模型参数；建立闭环光纤陀螺整个控制系统的离散控制模型，由此可以得到陀螺被控对象的控制模型；按照最小时间响应控制器的原理，可以根据输入信号的类型，通过计算得到光纤陀螺的最小拍控制器。按照需要，可以分别针对阶跃输入信号和斜坡输入信号设计相应的最小拍控制器，使得陀螺分别能够在两个和三个控制周期之后跟踪输入信号。本发明所公开的最小拍闭环光纤陀螺控制器减小了光纤陀螺对动态信号的跟踪滞后时间，减小了动态跟踪误差，改善了光纤陀螺在动态输入环境下的使用性能，提高了光纤陀螺的环境适应性。

Description

一种闭环光纤陀螺最小拍控制方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术，涉及一种闭环光纤陀螺最小拍控制方法。

背景技术

随着光纤陀螺技术的发展，光纤陀螺以其所具有的低成本、高可靠性、高带宽、全固态、小体积等优点，广泛地应用于航空、航天、航海、陆用导航制导与控制等军用惯性测量领域以及诸多民用惯性测量领域。作为惯性测量系统的核心敏感器件，光纤陀螺的性能指标将严重影响惯性测量系统的应用精度。在很多高动态、大机动、高频振动应用场合，光纤陀螺的动态性能一直被视为一种重要的性能指标要求。光纤陀螺动态性能的优劣将严重制约惯性系统在动态环境下的应用精度，甚至是决定光纤陀螺能否适用于该环境条件的关键性能指标之一。

目前，光纤陀螺普遍采用数字闭环方案。在闭环光纤陀螺中，采用集成光学调制器(IOC)对外界转动引起的顺逆时针传播两束光之间相位差进行补偿，使得陀螺始终工作在零相位附近。光纤陀螺闭环检测与控制的过程可以表述为：外界的转动使光纤陀螺内顺逆时针传播的两束光之间产生于转速大小成正比的Sagnac相移，由于干涉作用使出射光强发生变化，此光强信号由探测器(PIN-FET)转化为电压信号，前置放大和滤波电路对其进行调理，再由A/D转换器将其转化为数字信号；A/D采样的电压量化信号送入陀螺信号处理芯片，由信号处理芯片解调出相位差，并对解调值进行一次数字积分，最后以一定的比例系数叠加到反馈阶梯波上对Sagnac相移进行补偿，使陀螺恢复到零相位状态。

由于目前闭环光纤陀螺的控制回路中，一般使用的控制器（亦可称为控制算法）是积分控制器，采用积分控制器的整个光纤陀螺控制系统则可近似视为一个惯性环节。在实际应用过程中发现，由于惯性环节的相位滞后效应，使光纤得陀螺的动态响应相对于动态输入具有较大的滞后时间，动态调整时间较长，动态跟踪误差较大，影响了系统应用精度，使得光纤陀螺的动态环境适应性较差。

发明内容

本发明的目的：提供一种闭环光纤陀螺最小拍控制器及控制方法，应用该控制器及控制方法能够使光纤陀螺对于外界动态转速输入具有最小时间响应，使得光纤陀螺能够在最短时间内跟踪特定的输入信号，从而减小光纤陀螺动态响应的调节时间和动态跟踪误差。

本发明的技术方案：一种闭环光纤陀螺最小拍控制方法，首先按照闭环光纤陀螺的工作原理，建立闭环光纤陀螺的数字离散控制模型结构；其次，按照光纤陀螺闭环控制回路中各个环节的作用效果，建立控制回路各个环节的模型，并通过相关测试和计算得到具体而准确的模型参数，从而得到被控对象的准确传递函数；然后按照所需要达到的最小时间响应控制效果，分别针对特定的输入信号，依据数字控制器的解析设计方法来完成闭环光纤陀螺最小拍控制器的设计；最后，将所设计的闭环光纤陀螺最小拍控制器转换成状态空间方程式，以能够被光纤陀螺信号处理芯片完成最小拍控制器的实施。

所建立的闭环光纤陀螺的数字离散控制模型结构中，信号依次通过干涉作用、光电探测器、前置放大滤波器、AD转换器、采样、误差解调、最小拍控制器运算处理、反馈阶梯波生成、阶梯波驱动、集成光学调制器，实现光纤陀螺对外界转速引起的相位差进行补偿的闭环控制。

所述的闭环光纤陀螺最小拍控制方法，其被控对象的传递函数G(z)如公式（1）所示：

$G\left(z\right)=\frac{\mathrm{Ks}{P}_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_{5}D\left(z\right)}{1+P_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_5{K}_{6}D\left(z\right)}---\left(1\right)$

其中各个系数与上述参数的对应关系为：

K_s=2ΠLD/λc，其中c为真空中光速；

P₀=Vpp；

K₁=sin(Fb);

K₂：前置放大电路的放大倍数；

K₃=2^Nad/Vref;

K₄=N;

K₅：控制器的软件增益系数；

K₆=2Π/2^Nda;

D(z):待求解的光纤陀螺最小拍控制器。

闭环光纤陀螺最小拍控制器的设计时，

针对阶跃输入信号：根据要求，光纤陀螺要在两个控制周期之后跟踪阶跃信号，考虑到光纤陀螺光纤环的固有延迟，根据自动控制原理，则相当于设计合适的最小拍控制器D(z)，使得光纤陀螺的传递函数G(z)=z^-2，联立上述公式（1），用MATLAB软件可求针对阶跃输入信号最小拍控制器D(z)。

针对斜坡输入信号：根据要求，光纤陀螺要在三个控制周期之后跟踪阶跃信号，考虑到光纤陀螺光纤环的固有延迟，根据自动控制原理，则相当于设计合适的最小拍控制器D(z)，使得光纤陀螺的传递函数G(z)=2z^-1-z^-2，联立上述公式（1），即可求解针对斜坡输入信号的最小拍控制器D(z)。

本发明的优点和有益效果是：所述闭环光纤陀螺最小拍控制器及控制方法能够使光纤陀螺对于外界动态转速输入具有最小时间响应，使得光纤陀螺能够在最短时间内跟踪特定的输入信号，从而减小光纤陀螺动态响应的调节时间和动态跟踪误差，提高光纤陀螺在动态环境下的应用精度，增强光纤陀螺的动态环境适应性。

附图说明

图1为闭环光纤陀螺最小拍器控制的系统原理框图；

图2为采用最小拍控制器的闭环光纤陀螺系统线性离散模型框图；

图3为采用最小拍控制器方法的光纤陀螺阶跃响应仿真曲线；

图4为采用最小拍控制器方法的光纤陀螺斜坡响应仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

所述闭环光纤陀螺最小拍控制器是指一种信号处理算法。最小拍控制器是在自动控制领域应用的一种成熟的控制算法，其结构和原理在自动控制理论中有详细具体的定义。其信号处理流程为：

信号输入→最小时间响应递推计算→生成最小拍控制信号→控制信号输出

本发明基于自动控制原理中最小拍控制器具有的动态响应时间短、动态跟踪性能好的优点，在光纤陀螺中采用最小拍控制器以替代传统所用的积分控制器，实现光纤陀螺的最小拍控制，使得光纤陀螺能够在最短时间内跟踪特定的输入信号，从而减小光纤陀螺动态响应的调节时间和动态跟踪误差，提高光纤陀螺在动态环境下的应用精度，增强光纤陀螺的动态环境适应性。

所述光纤陀螺最小拍控制方法，其具体实施步骤为：

步骤1.首先按照闭环光纤陀螺的工作原理，建立闭环光纤陀螺的数字离散控制模型结构。图1是本发明闭环光纤陀螺最小拍控制方法的结构原理图，信号依次通过干涉作用、光电探测器、前置放大滤波器、AD转换器、采样、误差解调、最小拍控制器运算处理、反馈阶梯波生成、阶梯波驱动、集成光学调制器，实现光纤陀螺对外界转速引起的相位差进行补偿的闭环控制。

步骤2.按照图1所示光纤陀螺控制系统原理框图得到如图2所示的光纤陀螺离散控制模型结构图，根据控制模型结构，得到光纤陀螺闭环控制系统的传递函数。通过相关测试和计算得到具体而准确的模型参数，从而得到被控对象的准确传递函数；

所述通过相关测试和计算具体包括：准确测量光纤环的渡越时间τ、光纤环的光纤长度L、光纤环的平均直径D、光波长λ、探测器电压峰峰值Vpp等参数，并依据相位调制深度Fb、前置放大电路的放大倍数K₁、AD转换器的参考电压Vref、AD转换器的数据位宽Nad、每个控制周期内AD转换器的有效采样点数N、DA转换器的数据位宽Nda等具体参数。依据上述各个具体参数，即可得到整个光纤陀螺控制系统控制系统的具体传递函数G(z)，即

$G\left(z\right)=\frac{\mathrm{Ks}{P}_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_{5}D\left(z\right)}{1+P_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_5{K}_{6}D\left(z\right)}---\left(1\right)$

其中图2各个系数与上述参数的对应关系为：

K_s=2ΠLD/λc，其中c为真空中光速；

P₀=Vpp；

K₁=sin(Fb);

K₂：前置放大电路的放大倍数；

K₃=2^Nad/Vref;

K₄=N;

K₅：控制器的软件增益系数；

K₆=2Π/2^Nda;

D(z):待求解的光纤陀螺最小拍控制器。

本步骤是光纤陀螺最小拍控制器设计的关键和前提。被控对象参数的准确与否将会直接影响最小拍控制器的结构和参数，进而影响光纤陀螺最小拍控制方法的效果。因此，在实现光纤陀螺最小拍控制之前，必须首先对光纤陀螺相关参数进行准确测量和计算。

步骤3.根据自动控制原理对最小拍控制器的定义，按照所需要达到的最小时间响应控制效果，分别针对特定的输入信号，依据数字控制器的解析设计方法来完成闭环光纤陀螺最小拍控制器的设计；

所述具有最小时间响应的最小拍控制器设计方法具体包括：分别针对阶跃输入信号和斜坡信号，设计能够满足最小时间响应要求的最小拍控制器，分别使得所设计的最小拍控制器能够在两个控制周期之后跟踪阶跃输入信号和在三个控制周期之后跟踪斜坡输入信号，使得控制器对阶跃信号输入和斜坡信号输入的延迟时间减小到一个控制周期。

具体设计方法包括：

（1）针对阶跃输入信号：根据要求，光纤陀螺要在两个控制周期之后跟踪阶跃信号，考虑到光纤陀螺光纤环的固有延迟，根据自动控制原理，则相当于设计合适的最小拍控制器D(z)，使得光纤陀螺的传递函数G(z)=z^-2，联立上述式1，用MATLAB软件可求针对阶跃输入信号最小拍控制器D(z)。

（2）针对斜坡输入信号：根据要求，光纤陀螺要在三个控制周期之后跟踪阶跃信号，考虑到光纤陀螺光纤环的固有延迟，根据自动控制原理，则相当于设计合适的最小拍控制器D(z)，使得光纤陀螺的传递函数G(z)=2z^-1-z^-2，联立上述式1，用MATLAB软件可求解针对斜坡输入信号的最小拍控制器D(z)。

利用MATLAB对所设计的最小拍控制器进行仿真，得到采用最小拍控制器进行控制的光纤陀螺的阶跃响应和斜坡响应分别如图3和图4所示。从图中可以看出，光纤陀螺最小拍控制方法减小了光纤陀螺对动态信号的跟踪滞后时间。

步骤4.最后，在光纤陀螺的信号处理芯片中对所设计的光纤陀螺最小拍控制器进行实现。将所设计的闭环光纤陀螺最小拍控制器转换成状态空间方程式，即将控制器的表达式转换成递推形式的表达式，即能够被光纤陀螺信号处理芯片完成最小拍控制器的实施。

Claims (5)

1.一种闭环光纤陀螺最小拍控制方法，其特征在于，首先按照闭环光纤陀螺的工作原理，建立闭环光纤陀螺的数字离散控制模型结构；其次，按照光纤陀螺闭环控制回路中各个环节的作用效果，建立控制回路各个环节的模型，并通过相关测试和计算得到具体而准确的模型参数，从而得到被控对象的准确传递函数；然后按照所需要达到的最小时间响应控制效果，分别针对特定的输入信号，依据数字控制器的解析设计方法来完成闭环光纤陀螺最小拍控制器的设计；最后，将所设计的闭环光纤陀螺最小拍控制器转换成状态空间方程式，以能够被光纤陀螺信号处理芯片完成最小拍控制器的实施。

2.根据权利要求1所述的闭环光纤陀螺最小拍控制方法，其特征在于，所建立的闭环光纤陀螺的数字离散控制模型结构中，信号依次通过干涉作用、光电探测器、前置放大滤波器、AD转换器、采样、误差解调、最小拍控制器运算处理、反馈阶梯波生成、阶梯波驱动、集成光学调制器，实现光纤陀螺对外界转速引起的相位差进行补偿的闭环控制。

3.根据权利要求1所述的闭环光纤陀螺最小拍控制方法，其特征在于，

被控对象的传递函数G(z)如公式（1）所示：

$G\left(z\right)=\frac{\mathrm{Ks}{P}_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_{5}D\left(z\right)}{1+P_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_5{K}_{6}D\left(z\right)}---\left(1\right)$

其中各个系数与上述参数的对应关系为：

K_s=2ΠLD/λc，其中c为真空中光速；

P₀=Vpp；

K₁=sin(Fb);

K₂：前置放大电路的放大倍数；

K₃=2^Nad/Vref;

K₄=N;

K₅：控制器的软件增益系数；

K₆=2Π/2^Nda;

D(z):待求解的光纤陀螺最小拍控制器。

4.根据权利要求1所述的闭环光纤陀螺最小拍控制方法，其特征在于，闭环光纤陀螺最小拍控制器的设计时，

针对阶跃输入信号：根据要求，光纤陀螺要在两个控制周期之后跟踪阶跃信号，考虑到光纤陀螺光纤环的固有延迟，根据自动控制原理，则相当于设计合适的最小拍控制器D(z)，使得光纤陀螺的传递函数G(z)=z^-2，联立上述公式（1），用MATLAB软件可求针对阶跃输入信号最小拍控制器D(z)。

5.根据权利要求1所述的闭环光纤陀螺最小拍控制方法，其特征在于，闭环光纤陀螺最小拍控制器的设计时，

针对斜坡输入信号：根据要求，光纤陀螺要在三个控制周期之后跟踪阶跃信号，考虑到光纤陀螺光纤环的固有延迟，根据自动控制原理，则相当于设计合适的最小拍控制器D(z)，使得光纤陀螺的传递函数G(z)=2z^-1-z^-2，联立上述公式（1），即可求解针对斜坡输入信号的最小拍控制器D(z)。