[發明專利]基于諧振式光學陀螺系統的數字模擬復合PID控制器

有效

• 申請號: 201310181745.8
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN103279027A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 閆樹斌;王紅亮;張會新;馬游春;劉俊;薛晨陽;張文棟;陳浩;駱亮;張蔚云;鄭永秋
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明涉及電路系統穩定性的控制裝置，尤其涉及光學陀螺系統的穩定性控制裝置，具體為一種基于諧振式光學陀螺系統的數字模擬復合PID控制器。

背景技術

光學陀螺是基于Sagnac（薩格納克）效應的高精度慣性角速度傳感器，在高速載體和炮彈的姿態角和角速度測試領域占有重要的地位。諧振式光學陀螺中的敏感器件光學環形諧振腔可以采用很短的光纖或集成光纖的方法來實現，因而在小型化和集成化具有獨特的優勢。在諧振式光學陀螺中，通過檢測諧振腔中順時針和逆時針光路的諧振頻率差得到角速度，Sagnac效應是一種極其微弱的效應，由旋轉角速率引起的諧振頻率差是極其微小的，但光學陀螺中的光學器件如激光器、諧振腔受溫度和應力等環境因素的影響，會在環路中引入互易性噪聲，此噪聲引起諧振腔中諧振頻率的漂移卻很大。因此，諧振式光學陀螺的調制解調方式必須至少鎖定其中一個方向傳播的光波的諧振頻率，通過間接探測另一個方向傳播光與鎖定光波的頻率差來得到角速度，由于鎖定信號的高頻特性和動態特性，使得頻率跟蹤鎖定技術將直接影響光學陀螺實際檢測精度。由于模擬PID控制器（比例-積分-微分控制器）有很好的高頻特性和很短的響應時間，在諧振式光學陀螺中一般選用模擬PID控制器實現光波諧振頻率的鎖定，模擬PID控制器中的比例運算放大器的輸入端作為控制器的輸入端和鎖相放大器的輸出端連接，模擬PID控制器中的比例加法器的輸出端作為控制器的輸出端和加法器的一輸入端連接，模擬PID控制器通過調節其內部比例運算放大器，積分、微分運算電路和比例加法器反饋回路中的可調電阻和可調電容的值來實現鎖定光波的諧振頻率，但在鎖定過程中需要手動或者半手動調節P、I、D參數和比例加法器的參數，對于參數的選取也需要通過示波器觀察，與被控系統的適應性不好，參數調節、選取復雜，而且參數精度控制不夠。

發明內容

本發明為了解決諧振式光學陀螺系統采用模擬PID控制器控制方式不靈活、控制精度不高的問題，提供了一種基于諧振式光學陀螺系統的數字模擬復合PID控制器。

本發明是采用如下的技術方案實現的：基于諧振式光學陀螺系統的數字模擬復合PID控制器，包括比例運算放大器、積分運算電路、微分運算電路和比例加法器，比例運算放大器的輸出端分別和積分運算電路和微分運算電路的輸入端連接，積分運算電路和微分運算電路的輸出端和比例加法器的輸入端連接，還包括FPGA控制芯片、第一AD轉換模塊、第二AD轉換模塊、第一程控電阻、第二程控電阻、第三程控電阻和程控電容，第一AD轉換模塊的模擬信號采集端和比例運算放大器的輸入端連接，第一AD轉換模塊的數字信號輸出端和FPGA控制芯片的輸入端連接，FPGA控制芯片的輸出端分別和第一程控電阻、第二程控電阻、第三程控電阻和程控電容的控制端連接，第一程控電阻連接在比例運算放大器的反饋回路中，第二程控電阻連接在微分運算電路的反饋回路中，程控電容連接在積分運算電路的反饋回路中，第三程控電阻連接在比例加法器的反饋回路中，第二AD轉換模塊的模擬信號采集端和比例加法器的輸出端連接，第二AD轉換模塊的數字信號輸出端和FPGA控制芯片的反饋輸入端連接，比例運算放大器的輸入端作為控制器的輸入端，比例加法器的輸出端作為控制器的輸出端。

本發明將原先模擬PID控制器中的運算放大器和運算電路的反饋回路中的可調電阻換成可通過控制芯片控制其阻值大小和容值大小的程控電阻和程控電容，再配套上FPGA控制芯片，FPGA控制芯片的輸入端和反饋輸入端分別接收控制器的輸入信號和輸出信號，并在芯片內部將輸入信號和輸出信號進行比較，然后根據比較的結果輸出控制信號給程控電阻和程控電容，調節程控電阻和程控電容的大小，即調節了各個運算放大器的調節參數，使得控制器的輸出信號和輸入信號偏差小，即控制器的能夠鎖定光波的諧振頻率，光學陀螺不會因溫度、應力等引起的互易性噪聲而使諧振頻率的漂移過大。數字模擬復合PID控制器能自動控制程控電容和程控電阻的值，使得控制器參數的調節、選取簡單精確。

上述的基于諧振式光學陀螺系統的數字模擬復合PID控制器，還包括第一高頻峰值檢測電路和第二高頻峰值檢測電路，第一高頻峰值檢測電路連接在第一AD轉換模塊的模擬信號采集端和運算放大器的輸入端的連接線路上，第二高頻峰值檢測電路連接在第二AD轉換模塊的模擬信號采集端和比例加法器的輸出端的連接線路上。