CN115407652B - 一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，以原子自旋惯性测量装置的气室温度为研究对象，针对气室温度易受外界环境未知噪声干扰的问题，以确保实际温度值与期望温度值之间误差的方差最小为原则来设计控制器，同时结合利用最小二乘参数估计方法，建立了一种实时在线修正控制器参数的气室温度控制方法，实现了对气室温度的高精度控制，对由于外界未知干扰噪声引起的温度波动进行了有效抑制。本发明面向原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制，具有抑制效果好、控制精度高、抗干扰性强与便于工程实现的特点，适用于原子惯性测量装置的气室温度控制领域。

Description

一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法
技术领域
本发明涉及一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，适用于原子惯性测量装置的气室温度控制领域。
背景技术
惯性导航作为感知载体运动信息的关键技术，被普遍应用于航空航天、水下勘探等领域。陀螺仪作为测量角速度的关键核心部件，在惯导系统中扮演着重要的角色。伴随光学探测与量子操控技术的突破性进展，基于无自旋交换弛豫原理的原子自旋惯性测量装置成为一大研究热点，它具有做成小型化原子自旋陀螺仪的潜力，被认为是未来超高精度、小体积陀螺仪的发展方向。
原子气室是原子自旋惯性测量装置的核心器件，其温度的波动将对惯性测量装置输出信号的零偏稳定性等指标产生重大影响。目前对气室温度的控制普遍采用传统的PID算法(PID，Proportional Integral Derivative，比例积分微分)，但是这种方法对由外界环境未知噪声引起的气室温度误差的抑制能力具有一定的局限性。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对原子自旋惯性测量装置气室温度易受外界环境未知噪声干扰而波动的问题，提出一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，用以对气室温度进行高精度控制。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，连接温控电路板至电脑上位机并设定气室期望温度值，调整抽运激光与检测激光功率与频率，并给三维磁补偿线圈以适当激励，使原子自旋陀螺仪达到近似工作状态；
步骤B，温控电路板采集来自温度传感器的当前气室温度值，并利用最小二乘法在线实时估计步骤C中的控制器参数；
步骤C，以确保实际温度值与期望温度值之间误差的方差最小为原则，设计控制器结构，然后将步骤B中得到的控制器参数代入，计算最终的控制量，进而输出控制电压；
步骤D，温控电路板将步骤C中的控制电压与其内部产生的高频正弦信号相乘得到输出信号，输出信号经过功率放大后，加载到粘贴于气室上的加热膜上，对气室进行加热，然后返回步骤B；
在执行完步骤A后，步骤B到步骤D循环进行，实现对气室温度的高精度控制，达到对气室温度误差抑制的目的。
所述步骤B中包括以下步骤：
步骤B1，设定控制器参数估计矩阵的初值、协方差矩阵的初值；
步骤B2，利用温度测量值、控制器输出值以及温度估计值构造数据矩阵，同时构建控制器参数矩阵；
步骤B3，计算最小二乘法修正系数；
步骤B4，计算控制器参数估计矩阵，从而得到控制器参数的估计值；
步骤B5，计算协方差矩阵；
通过上述步骤，得到实时的控制器参数，用于后续的控制器设计。
所述步骤C中包括：控制器的设计基于受控自回归滑动平均模型：A(z-1)y(k)＝z- dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)，其中z代表系统模型为离散形式的模型，d为时延，y(k)为系统在k时刻的输出，即实际温度值，u(k)为系统的输入，也就是控制器计算得到的控制量。ξ(k)为作用于该温控系统的均值为0方差有界的外界随机噪声，A(z-1)、B(z-1)、C(z-1)为温控系统模型参数矩阵，它们分别与系统输出、系统输入、随机噪声有关。
所述步骤C中包括：控制器的设计是以确保实际温度值y(k+d)与期望温度值y*(k+d)之间误差的方差最小为原则来进行的，也就是使得J＝E{[y(k+d)-y*(k+d)]2}最小，其中J代表实际温度与期望温度之间误差的方差，E是求数学期望的运算符，由此得到最终的控制器结构为这里的G(z-1)、H(z-1)、C(z-1)为设计的控制器的三个结构参数矩阵，它们的值由步骤B中得到的估计值给出。
G(z-1)是在数学关系式“C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)”中引入的参数矩阵，A(z-1)为与系统输出有关的温控系统模型参数矩阵，F(z-1)是在数学关系式“C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)”中引入的参数矩阵，H(z-1)是在数学关系式“H(z-1)＝F(z-1)B(z-1)”中定义的参数矩阵，B(z-1)为与系统输入有关的温控系统模型参数矩阵。
所述步骤B中包括：输入控制器的期望输出y*(k+d)，和输入控制器的实际输出y(k)，通过得到控制器结构的控制量u(k)，分别输出到被控对象和最小二乘估计算法；输入被控对象的外界随机噪声ξ(k)，和控制量u(k)，通过“A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)”得到y(k)，分别输出到控制器和最小二乘估计算法；G(z-1)是在数学关系式“C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)”中引入的参数矩阵，A(z-1)为与系统输出有关的温控系统模型参数矩阵，F(z-1)是在数学关系式“C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)”中引入的参数矩阵，H(z-1)是在数学关系式“H(z-1)＝F(z-1)B(z-1)”中定义的参数矩阵，B(z-1)为与系统输入有关的温控系统模型参数矩阵。
本发明的技术效果如下：本发明一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，以原子自旋惯性测量装置的气室温度为研究对象，针对气室温度易受外界环境未知噪声干扰的问题，以确保实际温度值与期望温度值之间误差的方差最小为原则来设计控制器，同时结合利用最小二乘参数估计方法，建立了一种实时在线修正控制器参数的气室温度控制方法，实现了对气室温度的高精度控制，对由于外界未知干扰噪声引起的温度波动进行了有效抑制。本发明面向原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制，具有抑制效果好、控制精度高、抗干扰性强与便于工程实现的特点，适用于原子惯性测量装置的气室温度控制领域。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明提出的一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法是基于确保实际温度值与期望温度值之间误差的方差最小为原则设计的，能够有效抑制由外界环境未知噪声引起的温度波动。(2)本发明提出的一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，控制器参数是实时在线更新的，无需在环境条件改变后频繁调节参数，提高了效率。
附图说明
图1是实施本发明一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法涉及的温控系统结构示意图。图1中包括PC上位机(PC是计算机)，温控电路板，功率放大器，加热膜，原子气室，和铂电阻温度传感器，PC上位机中包括数据显示模块和温度设定模块，温控电路板包括分别连接数据显示模块、温度设定模块、数据采集模块和控制算法模块的串口通讯模块，控制算法模块根据期望温度和当前温度向乘法器输送控制信号，正弦波发生模块将高频正弦波输送到乘法器，乘法器通过功率放大器连接加热膜以控制气室温度，铂电阻温度传感器将气室当前温度通过数据采集模块分别传送给控制算法模块和串口通讯模块。
图2是实施本发明一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法的流程示意图。图2中包括步骤1，由PC上位机设定气室温度期望值；步骤2，采集当前气室温度值y(k)，括号中的k表示当前时刻；步骤3，利用最小二乘法实时估计控制器参数gi、hi、ci，这三个参数属于控制器参数矩阵θ中的数列，gi中的i＝0,1,···,nG；hi中的i＝0,1,···,nH；ci中的i＝0,1,···,nC；nC、nG、nH分别为控制器参数矩阵C、G、H的阶数，T为矩阵转置运算符；步骤4，根据控制器参数估计值计算控制量u(k)并输出，同时返回步骤2进行下一次(k＝k+1)采集。
图3是为本发明中的控制器参数估计流程图。图3中包括步骤1，设定初值是控制器参数估计矩阵，P是协方差矩阵；步骤2，构造“时刻k-时延d”的数据向量矩阵同时构建控制器参数向量矩阵θ；步骤3，采样得到y(k)，y(k)是当前时刻k的气室温度；步骤4，计算k时刻的修正系数K(k)；步骤5，计算估计量/>是k时刻的控制器参数估计矩阵；步骤6，计算k时刻的协方差矩阵P(k)。
图4为本发明中的控制器设计原理图。图4中y*(k+d)为期望输出或理想输出(在“时刻k+时延d”的期望温度值)；y(k)为实际输出(在k时刻的实际温度值)；“zd”中z代表系统模型为离散形式的模型，d为时延；“minJ＝minE{[e(k+d)]2}”是“J＝E{[y(k+d)-y*(k+d)]2}”的最小值运算，J代表实际温度与期望温度之间误差的方差，E是求数学期望的运算符；C(z-1)为与随机噪声有关的温控系统模型参数矩阵，u(k)是控制器计算得到的控制量，G(z-1)是在数学关系式“C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)”中引入的参数矩阵，A(z-1)为与系统输出有关的温控系统模型参数矩阵，F(z-1)是在数学关系式“C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)”中引入的参数矩阵，H(z-1)是在数学关系式“H(z-1)＝F(z-1)B(z-1)”中定义的参数矩阵，B(z-1)为与系统输入有关的温控系统模型参数矩阵。
图5为本发明的控制框图。图5中包括输入控制器的期望输出y*(k+d)，和输入控制器的实际输出y(k)(系统输出)，通过得到控制器结构u(k)(控制量)，分别输出到被控对象和最小二乘估计算法。图5中包括输入被控对象的外界噪声ξ(k)(随机噪声)，和u(k)，通过“A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)”得到y(k)，分别输出到控制器和最小二乘估计算法。图5中A,B,C,G,H，均为控制器参数。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图5)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法涉及的温控系统结构示意图。图2是实施本发明一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法的流程示意图。图3是为本发明中的控制器参数估计流程图。图4为本发明中的控制器设计原理图。图5为本发明的控制框图。参考图1至图5所示，一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，包括以下步骤：
步骤一、连接温控电路板至电脑上位机并设定气室期望温度值，调整抽运激光与检测激光功率与频率，并给三维磁补偿线圈以适当激励，使原子自旋陀螺仪达到近似工作状态；
步骤二、温控电路板采集来自温度传感器的当前气室温度值，并利用最小二乘法在线实时估计步骤三中的控制器参数；
步骤三、以确保实际温度值与期望温度值之间误差的方差最小为原则，设计控制器结构，然后将步骤二中得到的控制器参数代入，计算最终的控制量，进而输出控制电压；
步骤四、温控电路板将步骤三中的控制电压与其内部产生的高频正弦信号相乘得到输出信号，输出信号经过功率放大后，加载到粘贴于气室上的加热膜上，对气室进行加热，然后返回步骤二；
在执行完步骤一后，步骤二到步骤四循环进行，实现对气室温度的高精度控制，达到对温度误差抑制的目的。
所述的步骤二中，该过程分为以下5个步骤：
1)设定控制器参数估计矩阵的初值、协方差矩阵的初值；
2)利用温度测量值、控制器输出值以及温度估计值构造数据矩阵，同时构建控制器参数矩阵；
3)计算最小二乘法修正系数；
4)计算控制器参数估计矩阵，从而得到控制器参数的估计值；
5)计算协方差矩阵；
通过上述步骤，可以得到实时的控制器参数，用于后续的控制器设计。
所述的步骤三中，控制器的设计基于受控自回归滑动平均模型：A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)。其中d为时延，y(k)为系统在k时刻的输出，即实际温度值。u(k)为系统的输入，也就是控制器计算得到的控制量。ξ(k)为作用于该温控系统的均值为0方差有界的外界随机噪声。A(z-1)、B(z-1)、C(z-1)为温控系统模型参数矩阵，它们分别与上述系统输出、系统输入、随机噪声有关。z代表系统模型为离散形式的模型，代表着这个模型是离散的而非连续的。
所述的步骤三中，控制器的设计是以确保实际温度值y(k+d)与期望温度值y*(k+d)之间误差的方差最小为原则来进行的，也就是使得J＝E{[y(k+d)-y*(k+d)]2}最小，其中J代表实际温度与期望温度之间误差的方差，E是求数学期望的运算符。由此可以得到最终的控制器结构为这里的G(z-1)、H(z-1)、C(z-1)为设计的控制器的三个结构参数矩阵，它们的值由步骤二中得到的估计值给出。
图1为原子自旋陀螺仪温控系统，针对图中的控制算法，本发明提出了一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法。考虑温控系统模型具有如下形式：A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)。其中d为时延，y(k)为系统在k时刻的输出，即实际温度值。u(k)为系统的输入，也就是控制器计算得到的控制量。ξ(k)为作用于该温控系统的均值为0方差有界的外界随机噪声。A(z-1)、B(z-1)、C(z-1)为温控系统模型参数矩阵，它们分别与上述系统输出、系统输入、随机噪声有关。并且有：
其中，nA、nB、nC分别为矩阵A、B、C的阶数，ai、bi、ci为系统参数。
图2为本发明的流程，首先由电脑上位机设定气室温度期望值，采集到实时温度y(k)后，利用最小二乘法实时估计控制器参数gi、hi、ci，然后根据控制器参数估计值计算控制量u(k)并输出，同时进行下一次采集并循环进行上述步骤。
图3为本发明中的控制器参数估计流程图，该过程分为以下5个步骤：
1)设定参数估计矩阵的初值协方差矩阵的初值P(0)＝106·I，其中I为单位矩阵；
2)利用温度测量值、控制器输出值以及温度估计值构造数据矩阵同时构建控制器参数矩阵θ，其中：
其中是y的估计值，它由下式给出：
T为矩阵转置运算符；
控制器参数矩阵θ与控制器参数gi、hi、ci有关：
其中，nG、nH分别为控制器参数矩阵G、H的阶数；并且有：
3)计算修正系数K
4)计算参数估计矩阵
5)计算协方差矩阵P
图4为本发明中的控制器设计原理，控制目标是设计控制器u(k)，使得被控对象k+d时刻的实际输出y(k+d)与理想输出y*(k+d)之间误差的方差最小，即minJ，其中：
J＝E{[y(k+d)-y*(k+d)]2}
利用下面的数学关系式，引入参数矩阵G、F，
C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)
有：
取最优预报值：
则有：
J＝E[y*(k+d|k)-y*(k+d)+F(z-1)ξ(k+d)]2
＝E[y*(k+d|k)-y*(k+d)]2+E[F(z-1)ξ(k+d)]2
…E[F(z-1)ξ(k+d)]2
上式中第二项不可控，欲使误差的方差J最小必须使
y*(k+d|k)＝y*(k+d)
此时可以得到最小值：
min J＝E{[F(z-1)ξ(k+d)]2}
也就是最优预报等于理想输出，此时有
令H(z-1)＝F(z-1)B(z-1)，则有：
G(z-1)y(k)+H(z-1)u(k)＝C(z-1)y*(k+d)
至此，得到控制器的结构为：
图5为本发明的控制框图，主要包括两部分：被控对象与控制器。被控对象的输入为控制量u(k)与外界均值为0方差有界的随机噪声ξ(k)，输出为温控系统的输出y(k)。控制器的输入为期望温度值y*(k+d)与反馈量y(k)，输出为控制量u(k)。其中控制器的结构是以确保实际温度值与期望温度值之间误差的方差最小为原则设计的，控制器参数矩阵G、H、C的值由最小二乘估计算法得到的估计值实时给定。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，连接温控电路板至电脑上位机并设定气室期望温度值，调整抽运激光与检测激光功率与频率，并给三维磁补偿线圈以适当激励，使原子自旋陀螺仪达到近似工作状态；
步骤B，温控电路板采集来自温度传感器的当前气室温度值，并利用最小二乘法在线实时估计步骤C中的控制器参数；
步骤C，以确保实际温度值与期望温度值之间误差的方差最小为原则，设计控制器结构，然后将步骤B中得到的控制器参数代入，计算最终的控制量，进而输出控制电压；
步骤D，温控电路板将步骤C中的控制电压与其内部产生的高频正弦信号相乘得到输出信号，输出信号经过功率放大后，加载到粘贴于气室上的加热膜上，对气室进行加热，然后返回步骤B；
在执行完步骤A后，步骤B到步骤D循环进行，实现对气室温度的高精度控制，达到对气室温度误差抑制的目的。
2.根据权利要求1所述的用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，其特征在于，所述步骤B中包括以下步骤：
步骤B1，设定控制器参数估计矩阵的初值、协方差矩阵的初值；
步骤B2，利用温度测量值、控制器输出值以及温度估计值构造数据矩阵，同时构建控制器参数矩阵；
步骤B3，计算最小二乘法修正系数；
步骤B4，计算控制器参数估计矩阵，从而得到控制器参数的估计值；
步骤B5，计算协方差矩阵；
通过上述步骤，得到实时的控制器参数，用于后续的控制器设计。
3.根据权利要求1所述的用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，其特征在于，所述步骤C中包括：控制器的设计基于受控自回归滑动平均模型：A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)，其中z代表系统模型为离散形式的模型，d为时延，y(k)为系统在k时刻的输出，即实际温度值，u(k)为系统的输入，也就是控制器计算得到的控制量；ξ(k)为作用于该温控系统的均值为0方差有界的外界随机噪声，A(z-1)、B(z-1)、C(z-1)为温控系统模型参数矩阵，它们分别与系统输出、系统输入、随机噪声有关。
4.根据权利要求1所述的用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，其特征在于，所述步骤C中包括：控制器的设计是以确保实际温度值y(k+d)与期望温度值y*(k+d)之间误差的方差最小为原则来进行的，也就是使得J＝E{[y(k+d)-y*(k+d)]2}最小，其中J代表实际温度与期望温度之间误差的方差，E是求数学期望的运算符，由此得到最终的控制器结构为这里的G(z-1)、H(z-1)、C(z-1)为设计的控制器的三个结构参数矩阵，它们的值由步骤B中得到的估计值给出。
5.根据权利要求4所述的用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，其特征在于，G(z-1)是在数学关系式“C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)”中引入的参数矩阵，A(z-1)为与系统输出有关的温控系统模型参数矩阵，F(z-1)是在数学关系式“C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)”中引入的参数矩阵，H(z-1)是在数学关系式“H(z-1)＝F(z-1)B(z-1)”中定义的参数矩阵，B(z-1)为与系统输入有关的温控系统模型参数矩阵。
6.根据权利要求1所述的用于原子自旋惯性测量装置的气室温度误差抑制方法，其特征在于，所述步骤B中包括：输入控制器的期望输出y*(k+d)，和输入控制器的实际输出y(k)，通过得到控制器结构的控制量u(k)，分别输出到被控对象和最小二乘估计算法；输入被控对象的外界随机噪声ξ(k)，和控制量u(k)，通过“A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)”得到y(k)，分别输出到控制器和最小二乘估计算法；G(z-1)是在数学关系式“C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)”中引入的参数矩阵，A(z-1)为与系统输出有关的温控系统模型参数矩阵，F(z-1)是在数学关系式“C(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dG(z-1)”中引入的参数矩阵，H(z-1)是在数学关系式“H(z-1)＝F(z-1)B(z-1)”中定义的参数矩阵，B(z-1)为与系统输入有关的温控系统模型参数矩阵。
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