CN110542412B - 一种核磁共振陀螺自适应动态和静态闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

一种核磁共振陀螺自适应动态和静态闭环控制方法，包括陀螺动态工作和静态工作自适应判别策略、动态工作闭环参数自适应调节方法、静态工作闭环参数自适应调节方法和自适应积分方法。本发明对长期输入闭环误差进行均方统计，然后通过软阈值的设定对陀螺的动态工作状态和静态工作状态进行划分，具有很高的置信度，有利于对不同情况下的陀螺闭环输出进行更精确的闭环控制。另外，通过闭环系数动态调节，提高了静动态响应能力。最后，本发明对闭环控制的积分量进行选择性输入控制，即可以发挥闭环控制中积分项的作用，又可以有效的避免长期噪声积累对陀螺输出的漂移影响。

Description

一种核磁共振陀螺自适应动态和静态闭环控制方法

技术领域

本发明属于核磁共振陀螺闭环控制领域，特别涉及一种核磁共振陀螺自适应动态和静态闭环控制方法。

背景技术

原子陀螺仪是在转子式陀螺仪、光学陀螺仪和MEMES陀螺仪之后出现的一种新型陀螺仪，利用原子、电子和光子等微观粒子的自旋、波动、纠缠等量子特性，采用磁场、光场、温度场等操控手段，获得原子运动状态，从而间接得到载体的运动状态。

目前的原子陀螺仪主要分为核磁共振陀螺仪、SERF陀螺仪和原子干涉陀螺仪，在这其中，核磁共振陀螺仪能够兼顾高精度与小体积的要求，并且工程化程度更高，是国内外惯性技术领域的研究重点和热点。

核磁共振陀螺仪作为一种角速度测量传感器，需要在载体运动状态发生改变时，快速响应变化，具有好的动态响应能力，另外，在载体长期稳定时，能具有优秀的静态稳定特性。核磁共振陀螺仪的闭环输出是由PI控制实现的，而在普通的PI控制中，各控制量的系数都是固定的，并不能很好的满足核磁共振陀螺工作在不同运动状态下的工作特点，所以如何根据陀螺运动状态实时改变控制系数以实现优异的PI控制是陀螺性能提升的关键。

陀螺的长期静态稳定性与PI控制的积分项息息相关，而该积分项是对陀螺的实时闭环反馈误差的一个长期累加结果，但是在实际情况下，陀螺的实时闭环反馈误差会带有噪声，而这些噪声是来自光学部件、磁场环境、结构和电路的综合作用，一般不属于高斯或均匀等常见对称分布，这就导致在长期积累过程中无法互相抵消，而是会积累出一定的偏置，这个偏置会体现在积分项上，使得陀螺的静态特性存在长期的漂移，给使用带来严重影响。而且在陀螺工作时，无法定期的对这种漂移进行离线或在线的矫正，所以如何消除噪声长期积累所带来的漂移是一个非常重要的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题在于：克服现有技术的上述问题，提出一种核磁共振陀螺自适应动态和静态闭环控制方法，对两种情况提出相应的控制策略，以实现更精准的控制。

本发明采用的技术方案：一种核磁共振陀螺自适应动态和静态闭环控制方法，包括如下步骤：

1)根据动态工作和静态工作自适应判别策略，判定当前陀螺工作状态确定为动态工作状态或静态工作状态；

2)根据步骤1)当前工作状态，获得积分项系数K_i；

3)利用自适应积分方法获得闭环的控制积分项I；

4)计算得到积分反馈项IFB和误差反馈项PFB；

5)结合IFB和PFB作为完整的闭环反馈输出，对陀螺运动状态进行调节；

所述步骤1)的具体步骤如下：

将当前时刻的实时闭环误差反馈信号P送入整个自适应闭环控制系统，并进入判别器模块；同时，均方误差统计器根据前一个时间段内收集到的N个样本计算均方误差∑，将均方误差∑的α倍，即α∑送入判别器模块，判别器模块根据P和α∑的值，确定选择动态工作闭环参数自适应调节方法或静态工作闭环参数自适应调节方法；

所述判别器模块根据P和α∑的值，确定选择动态工作闭环参数自适应调节方法或静态工作闭环参数自适应调节方法的具体过程为：在判别器模块中对P和α∑进行比较，当P大于等于α∑，则将目前的陀螺工作状态确定为动态工作状态；否则将目前的陀螺工作状态确定为静态工作状态；

在步骤1)判断工作状态的同时，将P的绝对值与均方误差∑的β倍，即β∑进行比较，如果P的绝对值小于β∑，则目前的P值作为新的样本送入均方误差统计器，同时将均方误差统计器中所存储的样本中时间最早的那个值移除，保持样本数据总数的一致；

所述参数β<α，且β为固定倍数的α；

所述α根据α＝1.5+e^-∑不断进行更新；

所述步骤2)中，当前时刻的工作状态为动态工作状态的情况下，如果前一时刻的工作状态为静态工作状态，即由静态工作状态转换为动态工作状态，监视闭环反馈误差值P，当P的绝对值开始减小时，将积分系数K_i从初始值K_i0开始，根据式K_i＝K_i0-k₁ t线性减小直到设定的K_i最小值K_imin，其中k₁为衰减率常数，t为时间步长；如果前一时刻的工作状态也为动态工作状态，即前后两时刻的状态不发生变化，则继续前一时刻K_i减小直到K_i达到K_imin，如果K_i已经达到K_imin则保持该值；在持续的动态工作状态下，如果闭环反馈误差值P的符号发生变化，则将K_i直接变为初始值K_i0，然后重新开始线性减小过程；实时输出积分系数K_i的变化；

所述步骤2)中，当前时刻的工作状态为静态工作状态的情况下，如果前一时刻的工作状态为动态工作状态，即从动态工作状态转换为静态工作状态，则将积分系数K_i从当前的值K_in线性缓慢增大到初始状态K_i0，然后保持参数值不变，其中k₂为衰减率常数，t为时间步长；如果前一时刻也为静态工作状态，则保持参数不变，实时输出积分系数K_i的变化。

所述步骤3)利用自适应积分方法获得闭环的控制积分项I，具体为：对静态工作状态的闭环反馈误差P进行屏蔽，而只将动态工作状态下的闭环反馈误差P作为闭环中对积分项I进行累计的输入，得到陀螺闭环控制的积分项I。

将步骤2)或步骤3)获得的积分项系数K_i和步骤4)所得到的积分项I相乘得到积分反馈项IFB，再将当前时刻的实时闭环误差反馈信号P和其比例误差系数K_p相乘得到误差反馈项PFB。

本发明与现有技术的有益效果如下：

(1)本发明对长期输入闭环误差进行均方统计，然后通过软阈值的设定对陀螺的动态工作状态和静态工作状态进行划分，具有很高的置信度，并且有利于对不同情况下的陀螺闭环输出进行更精确的闭环控制。

(2)本发明实现了一种陀螺动态工作状态下的闭环系数动态调节方法，有利于提高其动态响应和动静状态转换能力。

(3)本发明对闭环控制的积分量进行选择性输入控制，即可以发挥闭环控制中积分项的作用，又可以有效的避免长期噪声积累对陀螺输出的漂移影响。

附图说明

图1本发明的系统原理框图；

具体实施方式

如图1所示，提出一种陀螺动态工作和静态工作区分方法，并对两种情况提出相应的控制策略，以实现更精准的控制。

核磁共振陀螺的实时闭环控制系统由积分反馈项I_FB和误差反馈项P_FB两部分组成，其中误差反馈项由实时输入的误差反馈信号P和其系数Kp的乘积组成，积分反馈项由累积积分项I和其相应的系数Ki的乘积组成。陀螺闭环控制开始前，需要为闭环控制系数Kp和Ki分别确定初始值。另外，还需确定两常数α和β的取值，其中β取为α的0.8倍。

陀螺闭环系统开始工作后，为了获得积分项系数Ki，将实时的闭环误差反馈信号P送入判别器(见图1)，均方误差统计器根据前一个时间段内收集到的N个样本计算均方误差∑，将均方误差∑的α倍α∑送入判别器模块，在判别器模块中对P和α∑进行比较，当P大于等于α∑，则将目前的陀螺工作状态确定为动态工作状态，反之则确定为静态工作状态。另外，为了防止均方误差的波动对动态工作和静态工作自适应判别置信度的影响，需要在一定范围内同步的调节α值，使得均方误差增大时，减小α值，均方误差减小时，增大α值。根据输出的误差均方值∑动态调整下一个时刻α的取值，调整公式如下所示：

α＝1.5+e^-∑ (1)

均方误差统计器中的样本需要也需要同步更新，将P的绝对值与均方误差∑的β倍β∑进行比较，如果P的绝对值小于β∑，则目前的P值可以作为新的样本送入均方误差统计器，同时将均方误差统计器中所存储的样本中时间最早的那个值移除，保持样本数据总数的一致。

当前时刻的工作状态为动态工作状态的情况下，如果前一时刻的工作状态为静态工作状态，即由静态工作状态转换为动态工作状态，监视闭环反馈误差值P，当P的绝对值开始减小时，将积分系数Ki从初始值Ki₀开始，根据式Ki＝Ki₀-k₁ t线性减小直到设定的Ki最小值Ki_min，其中k₁为衰减率常数(优选为1)，t为时间步长(优选为1)；如果前一时刻的工作状态也为动态工作状态，即前后两时刻的状态不发生变化，则继续前一时刻的Ki＝Ki₀-k₁ t减小过程直到Ki达到Ki_min，如果Ki已经达到Ki_min则保持该值。在持续的动态工作状态下，如果闭环反馈误差值P的符号发生变化，则将Ki直接变为初始值Ki0，然后重新开始线性减小过程。实时输出积分系数Ki的变化。

当前时刻的工作状态为静态工作状态的情况下，如果前一时刻的工作状态为动态工作状态，即从动态工作状态转换为静态工作状态，则将积分系数Ki从当前的值Kin由式Ki＝Ki_n+k₂ t线性缓慢增大到初始状态Ki₀，然后保持参数值不变，其中k₂为增长率常数(优选为1)，t为时间步长(优选为1)；如果前一时刻也为静态工作状态，则保持参数不变。实时输出积分系数Ki的变化。

积分量I也需要进行自适应获得，即陀螺工作在静态工作状态时，对闭环反馈误差P进行屏蔽，不在积分项I中进行积累，而只有陀螺工作在动态工作状态时，才将闭环反馈误差P作为闭环中积分项I的输入进行累加，这样即可以发挥闭环控制中积分项长期稳定运动状态的作用，又可以有效的避免由于积分项长期积累来自闭环反馈误差P的随机噪声而使陀螺最终输出产生漂移。结合积分项I和Ki，就可以得到完整的积分反馈项I_FB，再结合误差反馈项P_FB，就可以构成完整的PI闭环反馈量，对陀螺的运动的状态进行实时调节。

一种自适应动态和静态闭环控制方法，控制过程主要包括五部分，包括陀螺动态工作和静态工作自适应判别策略、动态工作闭环参数自适应调节方法、静态工作闭环参数自适应调节方法、自适应积分方法和最后的闭环反馈量输出。具体步骤如下：

(1)将当前时刻的实时闭环误差反馈信号P送入整个自适应闭环控制系统，并进入判别器模块，与此同时，均方误差统计器根据前一个时间段内收集到的N个样本计算均方误差∑，将均方误差∑的α倍，即α∑送入判别器模块，在判别器模块中对P和α∑进行比较，当P大于等于α∑，则将目前的陀螺工作状态确定为动态工作状态，转入步骤(2)获得积分项系数Ki；否则将目前的陀螺工作状态确定为静态工作状态，转入步骤(3)获得积分项系数Ki；

另外，为了对均方误差统计器中的样本进行更新，将P的绝对值与均方误差∑的β倍β∑进行比较，如果P的绝对值小于β∑，则目前的P值可以作为新的样本送入均方误差统计器，同时将均方误差统计器中所存储的样本中时间最早的那个值移除，保持样本数据总数的一致。除此之外，闭环的控制积分项I是由多个时刻的误差反馈信号P值累计而成，根据P值获得I值见步骤(4)的自适应积分方法。两参数β<α，并且β为固定倍数的α，另外，α根据式α＝1.5+e^-∑进行更新。

(2)当前时刻的工作状态为动态工作状态的情况下，如果前一时刻的工作状态为静态工作状态，即由静态工作状态转换为动态工作状态，监视闭环反馈误差值P，当P的绝对值开始减小时，将积分系数Ki从初始值Ki₀开始，根据式Ki＝Ki₀-k₁ t线性减小直到设定的Ki最小值Ki_min，其中k₁为衰减率常数，t为时间步长；如果前一时刻的工作状态也为动态工作状态，即前后两时刻的状态不发生变化，则继续前一时刻的Ki＝Ki₀-k₁ t减小过程直到Ki达到Ki_min，如果Ki已经达到Ki_min则保持该值。在持续的动态工作状态下，如果闭环反馈误差值P的符号发生变化，则将Ki直接变为初始值Ki0，然后重新开始线性减小过程。实时输出积分系数Ki的变化。

(3)当前时刻的工作状态为静态工作状态的情况下，如果前一时刻的工作状态为动态工作状态，即从动态工作状态转换为静态工作状态，则将积分系数Ki从当前的值Kin由式Ki＝Ki_n+k₂ t线性缓慢增大到初始状态Ki₀，然后保持参数值不变，其中k₂为衰减率常数，t为时间步长；如果前一时刻也为静态工作状态，则保持参数不变。实时输出积分系数Ki的变化。

(4)闭环的控制积分项I由自适应积分方法获得，对静态工作状态的闭环反馈误差P进行屏蔽，而只将动态工作状态下的闭环反馈误差P作为闭环中对积分项I进行累计的输入。

(5)根据步骤(1)和(2)或(1)和(3)获得的积分项系数Ki和步骤(4)所得到的积分项I相乘得到积分反馈项I_FB，再由当前时刻的实时闭环误差反馈信号P和其系数Kp相乘得到误差反馈项P_FB。最后结合I_FB和P_FB作为完整的闭环反馈输出对陀螺运动状态进行调节。

Claims (3)

1.一种核磁共振陀螺自适应动态和静态闭环控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)根据动态工作和静态工作自适应判别策略，判定当前陀螺工作状态确定为动态工作状态或静态工作状态；

2)根据步骤1)当前工作状态，获得积分项系数K_i；

3)利用自适应积分方法获得闭环的控制积分项I；

4)计算得到积分反馈项IFB和误差反馈项PFB；

5)结合IFB和PFB作为完整的闭环反馈输出，对陀螺运动状态进行调节；

所述步骤1)的具体步骤如下：

将当前时刻的实时闭环反馈误差P送入整个自适应闭环控制系统，并进入判别器模块；同时，均方误差统计器根据前一个时间段内收集到的N个样本计算均方误差∑，将均方误差∑的α倍，即α∑送入判别器模块，判别器模块根据P和α∑的值，确定选择动态工作闭环参数自适应调节方法或静态工作闭环参数自适应调节方法；

所述判别器模块根据P和α∑的值，确定选择动态工作闭环参数自适应调节方法或静态工作闭环参数自适应调节方法的具体过程为：在判别器模块中对P和α∑进行比较，当P大于等于α∑，则将目前的陀螺工作状态确定为动态工作状态；否则将目前的陀螺工作状态确定为静态工作状态；

在步骤1)判断工作状态的同时，将P的绝对值与均方误差∑的β倍，即β∑进行比较，如果P的绝对值小于β∑，则目前的P值作为新的样本送入均方误差统计器，同时将均方误差统计器中所存储的样本中时间最早的那个值移除，保持样本数据总数的一致；

所述参数β<α，且β为固定倍数的α；

所述α根据α＝1.5+e^-∑不断进行更新；

所述步骤2)中，当前时刻的工作状态为动态工作状态的情况下，如果前一时刻的工作状态为静态工作状态，即由静态工作状态转换为动态工作状态，监视闭环反馈误差P，当P的绝对值开始减小时，将积分系数K_i从初始值K_i0开始，根据式K_i＝K_i0-k₁t线性减小直到设定的K_i最小值K_imin，其中k₁为衰减率常数，t为时间步长；如果前一时刻的工作状态也为动态工作状态，即前后两时刻的状态不发生变化，则继续前一时刻K_i减小直到K_i达到K_imin，如果K_i已经达到K_imin则保持该值；在持续的动态工作状态下，如果闭环反馈误差P的符号发生变化，则将K_i直接变为初始值K_i0，然后重新开始线性减小过程；实时输出积分系数K_i的变化；

所述步骤2)中，当前时刻的工作状态为静态工作状态的情况下，如果前一时刻的工作状态为动态工作状态，即从动态工作状态转换为静态工作状态，则将积分系数K_i从当前的值K_in由式K_i＝K_in+k₂t线性缓慢增大到初始值K_i0，然后保持参数值不变，其中k₂为衰减率常数，t为时间步长；如果前一时刻也为静态工作状态，则保持参数不变，实时输出积分系数K_i的变化。

2.根据权利要求1所述的一种核磁共振陀螺自适应动态和静态闭环控制方法，其特征在于：所述步骤3)利用自适应积分方法获得闭环的控制积分项I，具体为：对静态工作状态的闭环反馈误差P进行屏蔽，而只将动态工作状态下的闭环反馈误差P作为闭环中对积分项I进行累计的输入，得到陀螺闭环控制的积分项I。

3.根据权利要求2所述的一种核磁共振陀螺自适应动态和静态闭环控制方法，其特征在于：将步骤2)或步骤3)获得的积分项系数K_i和步骤4)所得到的积分项I相乘得到积分反馈项IFB，再将当前时刻的实时闭环反馈误差P和其比例误差系数K_p相乘得到误差反馈项PFB。

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