[发明专利]基于谐振式光学陀螺系统的数字模拟复合PID控制器

说明书

技术领域

本发明涉及电路系统稳定性的控制装置，尤其涉及光学陀螺系统的稳定性控制装置，具体为一种基于谐振式光学陀螺系统的数字模拟复合PID控制器。

背景技术

光学陀螺是基于Sagnac（萨格纳克）效应的高精度惯性角速度传感器，在高速载体和炮弹的姿态角和角速度测试领域占有重要的地位。谐振式光学陀螺中的敏感器件光学环形谐振腔可以采用很短的光纤或集成光纤的方法来实现，因而在小型化和集成化具有独特的优势。在谐振式光学陀螺中，通过检测谐振腔中顺时针和逆时针光路的谐振频率差得到角速度，Sagnac效应是一种极其微弱的效应，由旋转角速率引起的谐振频率差是极其微小的，但光学陀螺中的光学器件如激光器、谐振腔受温度和应力等环境因素的影响，会在环路中引入互易性噪声，此噪声引起谐振腔中谐振频率的漂移却很大。因此，谐振式光学陀螺的调制解调方式必须至少锁定其中一个方向传播的光波的谐振频率，通过间接探测另一个方向传播光与锁定光波的频率差来得到角速度，由于锁定信号的高频特性和动态特性，使得频率跟踪锁定技术将直接影响光学陀螺实际检测精度。由于模拟PID控制器（比例-积分-微分控制器）有很好的高频特性和很短的响应时间，在谐振式光学陀螺中一般选用模拟PID控制器实现光波谐振频率的锁定，模拟PID控制器中的比例运算放大器的输入端作为控制器的输入端和锁相放大器的输出端连接，模拟PID控制器中的比例加法器的输出端作为控制器的输出端和加法器的一输入端连接，模拟PID控制器通过调节其内部比例运算放大器，积分、微分运算电路和比例加法器反馈回路中的可调电阻和可调电容的值来实现锁定光波的谐振频率，但在锁定过程中需要手动或者半手动调节P、I、D参数和比例加法器的参数，对于参数的选取也需要通过示波器观察，与被控系统的适应性不好，参数调节、选取复杂，而且参数精度控制不够。

发明内容

本发明为了解决谐振式光学陀螺系统采用模拟PID控制器控制方式不灵活、控制精度不高的问题，提供了一种基于谐振式光学陀螺系统的数字模拟复合PID控制器。

本发明是采用如下的技术方案实现的：基于谐振式光学陀螺系统的数字模拟复合PID控制器，包括比例运算放大器、积分运算电路、微分运算电路和比例加法器，比例运算放大器的输出端分别和积分运算电路和微分运算电路的输入端连接，积分运算电路和微分运算电路的输出端和比例加法器的输入端连接，还包括FPGA控制芯片、第一AD转换模块、第二AD转换模块、第一程控电阻、第二程控电阻、第三程控电阻和程控电容，第一AD转换模块的模拟信号采集端和比例运算放大器的输入端连接，第一AD转换模块的数字信号输出端和FPGA控制芯片的输入端连接，FPGA控制芯片的输出端分别和第一程控电阻、第二程控电阻、第三程控电阻和程控电容的控制端连接，第一程控电阻连接在比例运算放大器的反馈回路中，第二程控电阻连接在微分运算电路的反馈回路中，程控电容连接在积分运算电路的反馈回路中，第三程控电阻连接在比例加法器的反馈回路中，第二AD转换模块的模拟信号采集端和比例加法器的输出端连接，第二AD转换模块的数字信号输出端和FPGA控制芯片的反馈输入端连接，比例运算放大器的输入端作为控制器的输入端，比例加法器的输出端作为控制器的输出端。

本发明将原先模拟PID控制器中的运算放大器和运算电路的反馈回路中的可调电阻换成可通过控制芯片控制其阻值大小和容值大小的程控电阻和程控电容，再配套上FPGA控制芯片，FPGA控制芯片的输入端和反馈输入端分别接收控制器的输入信号和输出信号，并在芯片内部将输入信号和输出信号进行比较，然后根据比较的结果输出控制信号给程控电阻和程控电容，调节程控电阻和程控电容的大小，即调节了各个运算放大器的调节参数，使得控制器的输出信号和输入信号偏差小，即控制器的能够锁定光波的谐振频率，光学陀螺不会因温度、应力等引起的互易性噪声而使谐振频率的漂移过大。数字模拟复合PID控制器能自动控制程控电容和程控电阻的值，使得控制器参数的调节、选取简单精确。

上述的基于谐振式光学陀螺系统的数字模拟复合PID控制器，还包括第一高频峰值检测电路和第二高频峰值检测电路，第一高频峰值检测电路连接在第一AD转换模块的模拟信号采集端和运算放大器的输入端的连接线路上，第二高频峰值检测电路连接在第二AD转换模块的模拟信号采集端和比例加法器的输出端的连接线路上。