光纤陀螺闭环控制与温度补偿技术研究

论文摘要

光纤陀螺是一种新型的角速度传感器,具有精度高、体积小、功耗低、动态范围宽以及可靠性高等优点,在导航与制导、大地测量、卫星定位、机器人控制等诸多领域有着广泛的应用前景。高精度和低成本是未来光纤陀螺发展的主要方向,而温度特性是当前制约高精度光纤陀螺工程化的主要原因。本论文来源于某武器装备预研项目,主要解决运用于捷联惯导系统的光纤陀螺在全温度范围内漂移特性不好的难题,论文主要的工作和结论体现在以下几个方面:1.通过研究光纤陀螺的基本原理,对陀螺输出漂移产生的原因进行了深入分析,并对目前抑制光纤陀螺输出漂移的相关技术进行了比较研究。2.在深入分析数字闭环光纤陀螺的基本结构和工作原理的基础上,建立了系统的动态模型。为了消除系统输出的稳态误差、提高其动态性能,提出了在闭合回路中加入基于不完全微分PID算法的数字控制器,设计实现了一种控制器参数的自适应调整方法,并对控制效果进行了仿真验证。3.在深入分析光纤陀螺温度漂移机理以及大量高低温环境实验数据的基础上,运用多元线性回归的方法建立了一种陀螺温度漂移补偿模型,并通过仿真对各种不同温度条件下的补偿效果进行了验证。结果显示,补偿后光纤陀螺的零偏稳定性可普遍提高60%~70%,且模型表现出良好的通用性。同时,运用径向基函数神经网络对光纤陀螺温度漂移进行了辨识,用辨识模型补偿后陀螺的零偏稳定性可提高80%左右。4.运用Allan方差法对温度补偿前后陀螺输出漂移中的噪声成分进行了分析,为了克服Allan方差法中拟合噪声系数可能为负的缺点,运用分段拟合的方法得到了更为准确的噪声系数。在对陀螺随机漂移进行ARMA建模的基础上,通过Kalman滤波对陀螺输出信号进行了处理。结果显示,滤波之后陀螺的量化噪声和随机游走均减小了60%左右,零偏稳定性得到进一步的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤陀螺概述
• 1.1.1 光纤陀螺的基本原理
• 1.1.2 光纤陀螺的互易性结构
• 1.1.3 光纤陀螺的分类
• 1.1.4 描述光纤陀螺性能的主要参数
• 1.2 光纤陀螺的发展及研究现状
• 1.2.1 国外光纤陀螺的研究现状
• 1.2.2 国内光纤陀螺的研究现状
• 1.2.3 光纤陀螺的发展趋势
• 1.3 课题研究的背景
• 1.4 课题研究的目的及主要内容
• 第二章 光纤陀螺闭环控制技术
• 2.1 数字闭环光纤陀螺的基本结构
• 2.2 光纤陀螺闭环调制与解调
• 2.3 数字闭环光纤陀螺控制系统设计
• 2.3.1 数字闭环光纤陀螺的动态模型
• 2.3.2 数字控制器在光纤陀螺中的应用
• 2.3.3 基于不完全微分算法的PID数字控制器设计
• 2.3.4 控制器参数的优化
• 2.4 本章小结
• 第三章 光纤陀螺温度漂移原理与实验分析
• 3.1 光纤陀螺中的漂移和噪声
• 3.2 光纤陀螺温度漂移机理
• 3.3 温度测试实验与分析
• 3.3.1 拟合光纤陀螺的标度因数
• 3.3.2 测试光纤陀螺的温度漂移
• 3.3.3 实验数据预处理
• 3.3.4 测试结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 光纤陀螺温度漂移建模与补偿
• 4.1 回归分析理论
• 4.1.1 分析方法
• 4.1.2 多元线性回归模型
• 4.1.3 模型参数的估计
• 4.1.4 回归方程和回归系数的显著性检验
• 4.2 基于逐步回归分析建立光纤陀螺温度补偿模型
• 4.2.1 建立基本的多元线性回归模型
• 4.2.2 模型的求解及检验
• 4.2.3 模型的分析与优化
• 4.2.4 补偿结果分析
• 4.3 RBF神经网络在光纤陀螺温度漂移补偿中的应用
• 4.3.1 RBF神经网络的基本结构
• 4.3.2 RBF神经网络的创建与学习过程
• 4.3.3 补偿结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 光纤陀螺输出噪声分析与滤波
• 5.1 光纤陀螺输出噪声分析
• 5.1.1 Allan方差法
• 5.1.2 各噪声源的Allan方差形式
• 5.1.3 光纤陀螺输出信号的Allan方差分析
• 5.1.4 Allan方差曲线的分段拟合方法
• 5.2 光纤陀螺随机漂移的建模方法研究
• 5.2.1 ARMA模型原理
• 5.2.2 陀螺随机漂移信号建模
• 5.3 用Kalman滤波降低陀螺输出噪声
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果