干涉式光纤陀螺控制器的设计与仿真.pdf

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第33卷第5期 2011年10月 光学仪器 0PTICAL INSTRUMENTS V01.33,No.5 October,2011 文章编号:1005—5630(2011)05-0056-04 干涉式光纤陀螺控制器的设计与仿真* 习成献,吕鑫玮,姜 辉 (上海航天局803研究所,上海200233) 摘要:光纤陀螺的研究与开发目前主要集中在工程应用技术方面。干涉式光纤陀螺(IF()G)的 动态性能受控制系统设计的影响。现根据干涉式光纤陀螺数字闭环检测过程,建立了控制系统 的动态模型,详细分析并设计了数字PID控制器和IIR滤波器。仿真结果显示,设计的控制器 能够有效地提高干涉式光纤陀螺的输出带宽,改善系统的动态特性。 关键词:干涉式光纤陀螺;数学模型;数字PID控制器;动态特性 中图分类号:U 666.1文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1005—5630.2011.05.012 Design and simulation of a controller for interferometric fiber optic gyroscope XI Chengxian,LV Xinwei,J IANG Hui (No.803 Research Institute of Shanghai,Shanghai 200233,China) Abstract:The fiber optic gyroscope S research and development is focused on engineering application.The design of the controller system has a serious influence on the dynamic performance of digital closed-loop interferometric fiber optic gyroscope(IFOG).According to the digital closed-loop test process of the IFOG。the mathematical modeI of the controller system is built,and a digital proportional—integral—derivative(PID)controller and a infinite impulse response(IIR)filter are analysed and designed carefully.The simulation results show that the controller can improve the output—bandwidth of system and the dynamic performance of IFOG effectively. Key words:IFOG;mathematical model;digital PID controller;dynamic performance 引 言 光纤陀螺从诞生以来,便以显著的优点、灵活的结构和诱人的前景,受到世界许多国家的大学、科研 机构尤其是军方的重视,并取得了很大的进步。目前,国外中低精度的光纤陀螺已经广泛应用于航空、航 天、航海、武器系统和其他工业领域中,美国Honeywell公司的最高精度光纤陀螺已可达到0.00023。/h。 目前,国内光纤陀螺的研制水平已达到惯性导航系统的中、低精度要求。高精度和低成本是未来光 纤陀螺发展的两大方向。因此,现以提高光纤陀螺精度和改善动态特性为目标进行了一些研究。在数字 闭环光纤陀螺中光路响应速度很快,系统带宽主要由检测电路决定。因此,设计合适的数字控制器可以 提高系统带宽,改善系统的动态特性[1卫]。 ’收稿日期:2011-04—27 作者简介:习成献(1984一),男,河南南阳人,助理工程师,硕士,主要从事惯性技术和光纤陀螺方面的研究。 万方数据 第5期 习成献,等:干涉式光纤陀螺控制器的设计与仿真 ·57· l数字闭环IFOG动态建模 1.1数字闭环IFOG的基本结构 图1所示为数字闭环IFOG的原理框图,系统由 光路和电路两部分组成。光路部分主要由光源、光纤 耦合器、Y波导集成光路、光纤线圈和光探测器组成, 电路部分主要包括前放、A/D转换、D/A转换和以 FPGA为核心的信号处理电路组成。干涉式光纤陀 集成光器件 率圆面巴陌瓤.—4—_n赢 信号处理 光纤线圈 开环输出 闭环输出 螺正是利用Sagnac效应产生的光干涉信号变化来探 图1数字闭环干涉式光纤陀螺的原理图 测转动角速度。在如图l所示的最小互易结构中能 Fie..1 The physics chart of digital closed-loop IFDG 有效地消除光路内非互易相移,检测由光纤线圈转动引起的干涉信号的微小变化‰3。。 1.2数字闭环IFOG动态模型的建立 基于分析,数字闭环光纤陀螺的系统动态模型可以表示为图2所示h 5|。 图2数字闭环干涉式光纤陀螺的动态模型 Fig.2 The dynamic model for digital closed-loop I‰ 在应用中,光纤陀螺必须快速跟随输入信号变化, 并且稳态误差为零。目前实际工作中常采用积分控制 器。对建立的动态模型进行仿真验证。以某型号的数 字闭环IFOG为例进行动态仿真,假设输入角速度为 /2=10。/s,产生的数字阶梯波如图3所示。 由图3可知,产生的阶梯波信号与方波调制信号进 行同步数字叠加,再进行D/A转换,可以施加到相位调 制器。可见,建立的模型符合实际工作情况,验证了模 型的正确性。 2线性模型分析 经过一些合理的近似,非线性模型就可以简化得到 系统的线性模型。其中,D(z)是积分控制器Kf÷, 2—1 F(名)是输出滤波器。 图3方波偏置和阶梯波叠加信号 Fig.3 The signal of ramp wave added by square wave 线性模型提供了一条研究在不同角速率输入情况下获得系统响应的途径。陀螺零偏稳定性是指输 出量围绕其均值的离散程度,反映陀螺噪声水平,是需要考虑的重要稳态性能指标之一。数字控制器应 加入低通滤波器抑制噪声‘川。因此,图4中D(z)前应加入滤波器,(z)。 万方数据 ·58· 光学仪器 第33卷 塑-田!- L—hJ一 图4数字闭环干涉式光纤陀螺线性模型 Fig.4 The linear model for digital closed-loop IFOG 对陀螺线性模型进行动态仿真。K,为积分控制系数,可通过数字乘除法得到,为系统的可调整部 分,取K,一o.0625;电路滞后系数k=4。按目前实际应用中的设计方法,滤波器,(z)和F(z)均采用滑 动平均滤波器。由系统设计可知,系统的闭环带宽很高,整个系统输出带宽主要取决于输出滤波器的阶 数。在满足系统输出带宽的基础上,希望尽量增加平均次数,以期提高精度及降低系统噪声。综合考虑, 选取一(z)的平滑次数为5,为保证系统带宽,F(z)可取为每相邻的5000个样本点进行平均。 不考虑其他干扰因素时,系统调节总在输入值附近波动,系统噪声可以近似等价为输出均值为零的 白噪声。因此,将光纤陀螺实际工作中引人的噪声简化为白噪声,对加入白噪声和输出滤波器的闭环系 统进行仿真分析,可以验证所设计滤波器的效果以及对闭环系统性能的影响睁…。闭环系统的输出如图5 所示。 由图5可知,引入自噪声后闭环系统的零偏稳定性为0.1024。/h;加入输出滤波器后,闭环系统的零 偏稳定性变为0.0164。/h,提高了一个数量级。 积分引起了滞后,系统本身硬件也存在延迟,都将引起过渡过程延长。为了提高陀螺的输出带宽,改 善系统的动态特性,有必要设计更合适的数字控制器,文中采用PID控制器。综合考虑,将控制器前的滤 波器和输出滤波器合并为一个滤波器来设计,最终设计好的滤波器加到PID控制器中。 IIR滤波器属于经典滤波器。这种滤波器产生新的输出,不但需要过去和现在的输入,还需要过去的 输出。由于光纤陀螺输出信号依照其工作环境,所测量的角速度不可能发生突变,其滤波输出与过去一 段时刻的输入及滤波输出有关,故采用IIR滤波器能取得较好的滤波效果,并且在达到同样滤波效果下, 所需要的阶数比较低,因此系统输出带宽才能提高。结合前面的陀螺参数,现设计了采样率为200kHz的 七阶巴特沃斯低通滤波器。同上面分析,将光纤陀螺实际工作中引入的噪声简化为白噪声,对加入白噪 声和巴特沃斯滤波器的闭环系统进行仿真分析。闭环系统的输出如图6所示。 妻j! 薹等 U uI u 2 uj u 4 O 5 u 0 O 7 u b u,I u 时间/s 妻摅厂—————————] 曩吐-0.。50b0 1丽0 2 0而3 0 4百0 5 0赢6 0 7百0 8—0 9 0l lien/s 图5加入白噪声后用环系统的输出(积分控制器) Fig.5 The output of the system with white noise(the integral comroller) 鲁l 专器 强 图6加入白噪声后闭环系统的输出(PID控制器) Fig.6 The output of the system with white noise(thePll3 controller) 由图6可知,引入白噪声后闭环系统的零偏稳定性为0 系统的零偏稳定性变为0.0115。/h,提高了一个数量级。 将两种控制器放到一块进行系统时域和频域性能对比。 1197。/h;加入所设计的PID控制器后,闭环 图7为两种控制器系统性能对比。 万方数据 第5期 习成献,等:1二涉式光纤陀螺控制器的设计与仿真 ·59· 时间/s (a)系统单位阶跃响应对比 a)The step response comparison ofsystem 0 —50 兽一Ioo 面一150 罂t00 -250 -308 一一180 一一360 趟一540 再一720 —900 积分控制器nT”唰撩『:11 厂—羽,瓦 频率,Hz (b)系统频率特性对比 (b)+[he frequency response cofaparison ofsystem 图7 两种控制器系统性能对比 Fig.7 The performance comparison of system between two controllers 由仿真图7(a)可知.当采用积分控制器时,加入输出滤波器后,系统有微小的超调,时间常数为 0.01 59s,调整时间约为0.0246s;当采用文中设计的控制器后,系统的稳态误差为0,阶跃响应超调约为 4%,调整时间为0.0117s。可见系统的响应速度明显变快。 由仿真图7(b)可知,采用积分控制器时闭环系统的实际输出带宽大约为17.7Hz;当采用文中设计的 控制器后,系统的3dB输出带宽约为101Hz。可见同积分控制器相比,在达到同样精度条件下,系统的输 出带宽得到r很大提高。 从以上各种仿真对比可以看出,采用PID控制算法并合理选择参数,可以大大缩短系统调整时间.改 善系统动态性能;此外,在达到同样精度下,采用PID控制器后系统的输出带宽得到大大提高。 3结论 在工程实践中应用高精度光纤陀螺,并获得低的漂移和高的稳定性是目前要解决的重要课题。 为解决数字闭环IFOG稳态精度和动态特性之间的矛盾,自主提出了数字控制器,以替代原来传统的 积分器和算术平滑器,既达到了提高动态特性的目的,又保证了稳态精度。论文以光纤陀螺建模及控制 器设计作为研究内容,在工程实践中以提高光纤陀螺精度和改善动态特性为目的,具有重要的工程意义 和实用价值。 参考文献: :】j I{)RENSTEIN J.(JjEDA L.,KWANMUANG s Heuristic reduction of gym drift for personnel tracking systems[J]Jou埘al of N'a。igation,2009.02/1):41 58 12i DIVAKARUNI S.KEITH G,NARAYANAN C Strategic inlevferonaeltic fiber-opnc gyroscope for ballistic missile inertial guidance [(]//AIAA Guidance,Navigation and Control conferenee and Exhibit,Honolulu:AIAA,2008:1--8. !o:朱辉.岑橙原,王冬i,等光纤环的麻力测试分析[J].光学仪器,2004.26(4):3—6 一J江红,刘兰芳.汪绳武十涉式光纤陀螺仪的计算机仿真模型[0]//上海惯性学会第1’次学术交流会上海:巾日惯性技术学会, 2)05-l一4 ‘j]韩军良,葛升民.沈毂.数’#明环光纤陀螺建模与仿真研究【J]g-.统仿真学报.2008,20(4):833—836 ’6]土盘}f,张春群,刘镇平J:jj环光纤陀螺数字控制器的i殳计与仿真[j]光电工程,2004,31(增州):108--110. 7]BI,IN S.DIGt)NNEq’M,KfNOG.Noise analysis of㈣ai r uorcfiber optic gyroscope[J]IEEEPhotonlcs TechnologyLettFs.2007,19 (9):1520 1522 18]陈世同,孙枫.高伟.等基于归一化LMS箅浊的光纤陀螺降噪技术研究口]_仪器仪表学报,2009,30(3):521--525. ~、一 、 矿一 万方数据
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