一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法与流程

1.本发明属于光学陀螺仪技术领域，尤其涉及一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法。

背景技术：

2.谐振式光学陀螺仪具有高动态响应、大动态范围、抗电磁干扰、标度因数稳定、不受加速度影响等一系列优点，是惯性陀螺仪向高精度、小型化发展的重要方向之一。对于谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制，目前研究人员普遍采用传统的pid控制方法，该方法较为简便，但存在优良的控制性能和高的抗干扰能力之间的矛盾，即传统的pid控制系统设计在追求优良的控制参数时，冲击、振动或主动跳模、陀螺转动等引入控制系统的外部干扰会引发激光器频率脱锁定，使陀螺系统丧失功能，不能满足谐振式光学陀螺仪激光频率锁定所需的同时具备优良的控制性能和高的抗干扰能力的伺服控制要求。
3.为提升谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制器的控制性能和高的抗干扰能力，2020年10月，李素玲等人在南昌大学学报发表了基于模糊pi控制的激光器频率跟踪锁定技术，该方案虽能改善谐振式光学陀螺仪激光频率锁定的锁定精度，但其抗干扰能力仍然不足。

技术实现要素：

4.本发明的目的是针对背景技术中的问题，提出一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法，该方法解决了谐振式光学陀螺仪激光频率锁定控制系统所需的同时具备优良的控制性能和高的抗干扰能力的伺服控制要求。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
6.一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法，所述方法包括：
7.步骤1、对谐振式光学陀螺仪激光频率锁定闭环控制系统进行传递函数简化，得到简化的控制系统状态方程系数矩阵；
8.步骤2、根据简化的控制系统状态方程系数矩阵，确定激光频率锁定伺服控制器切换函数；
9.步骤3、确定变结构伺服控制器的控制函数，并计算得到使控制系统稳定的控制参数选取范围；
10.步骤4、对谐振式光学陀螺仪激光频率锁定闭环控制系统的伺服控制器进行建模仿真，得到变结构伺服控制器的最优控制参数。
11.本发明技术方案的特点和进一步的改进为：
12.(1)步骤1中，在谐振式光学陀螺仪中，可调谐半导体激光器产生的光通过y波导调制后经耦合器入射到光学谐振腔，产生谐振光，谐振光通过耦合器出射到光电探测器pd进行光电转化，对信号进行解调处理得到控制系统误差信号，误差信号经过伺服控制器作用于激光器，形成激光频率锁定闭环控制回路。
13.(2)将光学sagnac谐振系统频率偏差的传递简化为系数为k的比例环节传递，其中外界对光学sagnac谐振系统的扰动用fm表示；光电转化过程会对信号进行隔直处理，可等效为一阶高通滤波，用hpf函数表示；解调过程对信号进行低通滤波处理，可用一阶低通滤波lpf函数表示；激光器对频率偏差u进行积分，可表示为积分环节1/s；得到控制系统状态方程系数矩阵。
14.(3)控制系统状态方程系数矩阵如式(1)，其中x1＝e，为系统状态变量，a1、a2、b1是系统传递函数决定的常数；
[0015][0016]
(4)步骤2中，根据简化的控制系统状态方程系数矩阵，确定激光频率锁定伺服控制器切换函数，如式(2)，其中s为条件判断函数，c1为决定条件判断函数s特性的参数；
[0017][0018]
(5)步骤3中，确定变结构伺服控制器的控制函数，如式(3)，α、β为比例系数，u为控制信号，所述控制信号为频率偏差u；
[0019]
u＝ψ1e,
[0020]
(6)步骤3中，计算得到使控制系统稳定的控制参数选取范围具体为：
[0021]
要使控制系统稳定，需要使切换函数满足到达条件，如式(4)，δ为任意小正数，并考虑系统传递函数有非负实数根，将公式(1)、(2)、(3)代入公式(4)，得到满足系统稳定条件的控制参数的选取范围如式(5)：
[0022][0023]
[0024]
(7)步骤4中，使用simulink软件对伺服控制器进行建模仿真，通过分析系统阶跃响应特性，对控制参数进行取优，得到变结构伺服控制器的最优控制参数。
[0025]
本发明的优点：本发明针对目前谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制不能满足系统所需的同时具备优良的控制性能和高的抗干扰能力的伺服控制要求，提出了一种同时具备控制精度高、抗干扰能力强的谐振式光学陀螺仪激光频率锁定变结构伺服控制方法。本发明方法能较好的提高谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制的控制精度高和抗干扰能力，迄今为止，尚未见到应用该方式实现谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制的相关报道。
附图说明
[0026]
图1为谐振式光学陀螺仪激光频率锁定系统示意图；
[0027]
图2为控制系统信号传递模型示意图；
[0028]
图3为变结构伺服控制器模型；
[0029]
附图标记说明：1为伺服控制器；2为积分函数；3为比例函数；4为外界干扰信号；5为高通滤波函数、6为低通滤波函数；7为系统误差信号；8为控制信号。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明。
[0031]
实施例1
[0032]
本实施例，提供一种同时具备控制精度高、抗干扰能力强的谐振式光学陀螺仪激光频率锁定变结构伺服控制方法。在控制系统中，如图1所示，可调谐半导体激光器产生的光通过y波导调制后经耦合器入射到光学谐振腔，产生谐振光，谐振光通过耦合器出射到光电探测器pd进行光电转化，对信号进行解调处理得到控制系统误差信号，误差信号经过伺服控制器1作用于激光器，形成激光频率锁定闭环控制回路。
[0033]
为了便于对闭环控制系统伺服控制器的设计过程进行说明，对谐振式光学陀螺仪激光频率锁定闭环控制系统进行传递函数简化，如图2所示，光学sagnac谐振系统频率偏差的传递简化为系数为k的比例环节传递3，其中外界对光学sagnac谐振系统的扰动用fm表示4，由于扰动4的存在，实际工作中控制系统的传递函数会发生改变；光电转化过程会对信号进行隔直处理，可等效为一阶高通滤波，用hpf函数5表示；解调过程对信号进行低通滤波处理，可用一阶低通滤波lpf函数6表示；激光器对频率偏差u进行积分，可表示为积分环节2；得到系统状态方程系数矩阵数如式(1)，其中x1＝e，为系统状态变量，a1、a2、b1是系统传递函数决定的常数。
[0034][0035]
实施例2
[0036]
本实施例，就本发明的具体设计仿真方法作进一步的说明：
[0037]
针对系统传递函数，设计符合以该谐振式光学陀螺仪激光频率锁定闭环控制系统为被控对象的伺服控制器切换函数，如式(2)，其中s为条件判断函数，c1为决定条件判断函数s特性的参数；
[0038][0039]
设计变结构伺服控制器的控制函数，如式(3)，α、β为比例系数，u为控制信号；要使控制系统稳定，需要使切换函数满足到达条件，如式(4)，δ为任意小正数，并考虑系统传递函数有非负实数根，将公式(1)、(2)、(3)代入公式(4)，得到满足系统稳定条件的控制参数的选取范围如式(5)。
[0040]
u＝ψ1e,
[0041][0042][0043]
使用simulink软件对伺服控制器进行建模仿真，通过分析系统阶跃响应特性，对控制参数进行取优，基于变结构控制律的伺服控制器模型如图3所示，系统误差信号输入7通过条件函数判断自动切换控制参数，形成控制信号8，控制信号8作用于激光器，从而形成激光频率锁定闭环控制回路。
[0044]
本发明针对目前谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制不能满足系统所需的
同时具备优良的控制性能和高的抗干扰能力的伺服控制要求，提出了一种同时具备控制精度高、抗干扰能力强的谐振式光学陀螺仪激光频率锁定变结构伺服控制方法。本发明方法能较好的提高谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制的控制精度高和抗干扰能力。

技术特征：

1.一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、对谐振式光学陀螺仪激光频率锁定闭环控制系统进行传递函数简化，得到简化的控制系统状态方程系数矩阵；步骤2、根据简化的控制系统状态方程系数矩阵，确定激光频率锁定伺服控制器切换函数；步骤3、确定变结构伺服控制器的控制函数，并计算得到使控制系统稳定的控制参数选取范围；步骤4、对谐振式光学陀螺仪激光频率锁定闭环控制系统的伺服控制器进行建模仿真，得到变结构伺服控制器的最优控制参数。2.根据权利要求1所述的一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法，其特征在于，步骤1中，在谐振式光学陀螺仪中，可调谐半导体激光器产生的光通过y波导调制后经耦合器入射到光学谐振腔，产生谐振光，谐振光通过耦合器出射到光电探测器pd进行光电转化，对信号进行解调处理得到控制系统误差信号，误差信号经过伺服控制器作用于激光器，形成激光频率锁定闭环控制回路。3.根据权利要求2所述的一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法，其特征在于，将光学sagnac谐振系统频率偏差的传递简化为系数为k的比例环节传递，其中外界对光学sagnac谐振系统的扰动用f
m
表示；光电转化过程会对信号进行隔直处理，可等效为一阶高通滤波，用hpf函数表示；解调过程对信号进行低通滤波处理，可用一阶低通滤波lpf函数表示；激光器对频率偏差u进行积分，可表示为积分环节1/s；得到控制系统状态方程系数矩阵。4.根据权利要求3所述的一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法，其特征在于，控制系统状态方程系数矩阵如式(1)，其中x1＝e，为系统状态变量，a1、a2、b1是系统传递函数决定的常数；5.根据权利要求4所述的一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法，其特征在于，步骤2中，根据简化的控制系统状态方程系数矩阵，确定激光频率锁定伺服控制器切换函数，如式(2)，其中s为条件判断函数，c1为决定条件判断函数s特性的参数；6.根据权利要求5所述的一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法，其特征
在于，步骤3中，确定变结构伺服控制器的控制函数，如式(3)，α、β为比例系数，u为控制信号，所述控制信号为频率偏差u；u＝ψ1e,7.根据权利要求6所述的一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法，其特征在于，步骤3中，计算得到使控制系统稳定的控制参数选取范围具体为：要使控制系统稳定，需要使切换函数满足到达条件，如式(4)，δ为任意小正数，并考虑系统传递函数有非负实数根，将公式(1)、(2)、(3)代入公式(4)，得到满足系统稳定条件的控制参数的选取范围如式(5)：控制参数的选取范围如式(5)：8.根据权利要求7所述的一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法，其特征在于，步骤4中，使用simulink软件对伺服控制器进行建模仿真，通过分析系统阶跃响应特性，对控制参数进行取优，得到变结构伺服控制器的最优控制参数。

技术总结

本发明属于光学陀螺仪技术领域，公开了一种谐振式光学陀螺仪激光频率锁定伺服控制方法。包括：步骤1、对谐振式光学陀螺仪激光频率锁定闭环控制系统进行传递函数简化，得到简化的控制系统状态方程系数矩阵；步骤2、根据简化的控制系统状态方程系数矩阵，确定激光频率锁定伺服控制器切换函数；步骤3、确定变结构伺服控制器的控制函数，并计算得到使控制系统稳定的控制参数选取范围；步骤4、对谐振式光学陀螺仪激光频率锁定闭环控制系统的伺服控制器进行建模仿真，得到变结构伺服控制器的最优控制参数。解决了谐振式光学陀螺仪激光频率锁定控制系统所需的同时具备优良的控制性能和高的抗干扰能力的伺服控制要求。抗干扰能力的伺服控制要求。抗干扰能力的伺服控制要求。