光纖陀螺儀作為新型捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的核心部件,其光學(xué)組件和電學(xué)組件普遍具有較為顯著的溫度依賴性,這使得光纖陀螺儀對環(huán)境溫度較為敏感,進而導(dǎo)致捷聯(lián)慣性系統(tǒng)精度顯著降低。因此,提高光纖陀螺儀對外部以及自身環(huán)境溫度的適應(yīng)性,進而保證捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)實際精度,研究光纖陀螺儀溫漂誤差精密補償方法具有重要意義。論文以船用光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為研究背景,以實驗室在研光纖陀螺儀為研究對象,研究一種光纖陀螺儀溫漂誤差精密補償方法,保證光纖陀螺儀精準(zhǔn)地、實時地、穩(wěn)定地輸出載體角速度,實現(xiàn)提高光纖陀螺儀環(huán)境適應(yīng)性的目的。論文的主要研究工作具體從以下幾方面展開:闡述論文的研究背景和研究意義,深入調(diào)研并且詳細分析光纖陀螺儀、光纖陀螺儀溫控技術(shù)、光纖陀螺儀溫漂誤差補償技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,進而確定光纖陀螺儀溫漂誤差精密補償方法的總體需求和關(guān)鍵技術(shù),并據(jù)此提出溫度控制和溫漂誤差補償相結(jié)合的光纖陀螺儀溫漂誤差精密補償方法的總體方案。為提升溫度測量的精度,提出基于序列激勵控制的精密測溫方法。選用鉑電阻Pt1000為測溫傳感器,研究基于阻值比較法的測溫電路,消除測溫電路中的非線性誤差;研究并設(shè)計序列激勵控制方法,消除測溫回路中的熱電動勢,并有效抑制自熱效應(yīng);研究并提出AD同步采樣方法,消除因激勵源和參考源不穩(wěn)定而導(dǎo)致的AD采樣誤差;優(yōu)化設(shè)計大溫寬下精密測溫方法參數(shù);研究基于分段線性擬合的溫度校正方法,減小擬合誤差并提高計算實時性;根據(jù)測溫噪聲特性,設(shè)計低通濾波算法,減小隨機干擾對測溫精度的影響。然后,利用恒溫槽對該精密測溫方法開展長時間考核。為解決光纖陀螺儀環(huán)境適應(yīng)性較差的問題,在闡述Smith預(yù)估器提升PID溫度控制系統(tǒng)控制效能的基礎(chǔ)上,提出基于Smith預(yù)估器的小溫變梯度控制方法。針對Smith預(yù)估器存在控制效能降低的情況,通過仿真分析Smith預(yù)估器與溫控箱參數(shù)不匹配對系統(tǒng)控制效能的影響,從數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣信號特性出發(fā),設(shè)計可精確估計溫控箱參數(shù)的離散近似估計模型為Smith預(yù)估器參數(shù)更新提供參考。根據(jù)溫控箱內(nèi)部溫度樣本精確辨識溫控箱參數(shù)并建立離散近似估計模型,進而實時更新Smith預(yù)估器參數(shù),及時調(diào)節(jié)溫度控制量以實現(xiàn)溫控箱內(nèi)部溫度小溫變梯度變化,最終精確地、平穩(wěn)地穩(wěn)定于目標(biāo)溫度。最后,設(shè)計溫度升降實驗,根據(jù)實驗結(jié)果從動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性兩方面對DA模型和Fuzzy模型的參數(shù)估計性能進行對比分析,并對小溫變梯度控制進行性能分析。為解決光纖環(huán)存在較強溫度依賴性的問題,分析光纖陀螺儀溫漂誤差的產(chǎn)生機理,探索出影響光纖陀螺儀溫漂誤差的另一重要因素,即溫度復(fù)合量。利用溫度復(fù)合量改造傳統(tǒng)型光纖陀螺儀溫漂誤差估計模型,建立基于溫度、溫度變化量和溫度復(fù)合量的改進型光纖陀螺儀溫漂誤差估計模型。基于溫度升降實驗,測試實驗室在研光纖陀螺儀,根據(jù)光纖環(huán)溫度相關(guān)量和光纖陀螺儀溫漂誤差,利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立改進型光纖陀螺儀溫漂誤差估計模型。然后,設(shè)計溫度升降實驗分別考核傳統(tǒng)型光纖陀螺儀溫漂誤差估計模型和改進光纖陀螺儀溫漂誤差估計模型,并對其性能進行對比分析。為考核光纖陀螺儀溫漂誤差精密補償方法的綜合性能,以光纖陀螺儀輸出角速度的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性作為考核依據(jù),設(shè)計溫度升降實驗分別對基于溫控、基于溫補、溫控和溫補相結(jié)合的三種方法進行性能考核,并對其考核結(jié)果進行對比分析�？己私Y(jié)果表明,經(jīng)光纖陀螺儀溫漂誤差精密補償方法補償后,溫控箱內(nèi)部溫度變化梯度顯著減小至約為原值的60%,PID溫度控制系統(tǒng)的超調(diào)量基本消除;精密補償后光纖陀螺儀的輸出精度能達到?0.05°/h,精密補償后的輸出均方差較精密補償前的輸出均方差提高約為兩個數(shù)量級,平均提高到精密補償前輸出均方差的1.932%�；诖�,溫控和溫補相結(jié)合的光纖陀螺儀溫漂誤差精密補償方法能夠有效減小溫度變化梯度,提升光纖陀螺儀的環(huán)境適應(yīng)性,確保溫控箱內(nèi)部溫度長時間相對穩(wěn)定,進而提升光纖陀螺儀的精準(zhǔn)性和實時性;能夠精準(zhǔn)地補償光纖陀螺儀溫漂誤差漂移,有效地解耦光纖環(huán)的溫度依賴性,保證光纖陀螺儀精準(zhǔn)地、穩(wěn)定地輸出角速度。對于保證慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠在不同工作環(huán)境下精確地、穩(wěn)定可靠地運行來說,光纖陀螺儀溫漂誤差精密補償方法具有重要意義。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN96
【部分圖文】：

圖 2.1 測溫電路原理圖Fig.2.1 Schematic diagram of temperature measuring circuit，1R 為 Pt1000，2R 為參考電阻，3R 、4R 為分壓電阻，5R 、6R 為增益可、9R 和10R 為導(dǎo)線電阻，1V 為鉑電阻兩端電壓，2V 為參考電阻兩端電壓用于建立激勵序列的激勵開關(guān)。圖 2.2 給出了精密測溫方法總體方案

為了有效削減 Pt1000 的自熱效應(yīng)對測溫準(zhǔn)確性的影響，研究并設(shè)計序列激勵 Pt1000 的實際工作時間以有效抑制 Pt1000 的自發(fā)熱量，從而提高溫度測量精方便于其他外圍設(shè)備進行實時通訊，設(shè)計 RS422 通訊接口實時與各設(shè)備的數(shù)據(jù)。.2 小溫變梯度控制方案設(shè)計對于具有顯著溫度依賴性的光纖和環(huán)境適應(yīng)性的光纖陀螺儀來說，光纖環(huán)溫度溫漂誤差的大小，同時也決定了其輸出準(zhǔn)確性。為了準(zhǔn)確估計光纖陀螺儀溫漂誤光纖陀螺儀輸出角速度信息的精確性，維持溫控箱內(nèi)部溫度緩慢且平穩(wěn)的變化分必要的。溫控箱內(nèi)部溫度緩慢且平穩(wěn)地變化利于光纖環(huán)物理特性的建立，利制干涉信號測量偏差和測量噪聲，利于提高光纖陀螺儀的環(huán)境適應(yīng)性。由于 PI術(shù)被普遍地應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)中，其控制對象為溫控箱，為了提高 PID 控制性溫控箱內(nèi)部溫度緩慢且平穩(wěn)地變化，針對 PID 控制特性而設(shè)計的 Smith 預(yù)估器適的選擇。圖 2.3 給出了基于 Smith 預(yù)估器的小溫變梯度控制方法的總體方案

進而實時補償光纖陀螺儀溫漂誤差。改進型光纖陀螺儀溫漂誤差估計模型的總體方案如圖2.5 所示。圖 2.5 改進型光纖陀螺儀溫漂誤差估計模型總體方案Fig.2.5 General scheme of modified estimation model for temperature drift error of FOG首先，在-10℃～40℃溫度范圍內(nèi)，利用溫控系統(tǒng)以 5℃溫度增量改變目標(biāo)溫度，并記錄下各個溫度變化過程中光纖陀螺儀輸出的角速度。根據(jù)溫度梯度效應(yīng)可知，溫控箱中各點的實際溫度與目標(biāo)溫度存在偏差，此時，光纖環(huán)處的實際溫度不能完全等價于目標(biāo)溫度。因此，在光纖環(huán)處布置溫度傳感器，利用溫控系統(tǒng)實時測量光纖環(huán)的實際溫度。然后，用光纖陀螺儀輸出實測值減去光纖陀螺儀輸出參考值即可求得由于溫度變化而造成的光纖陀螺儀溫漂誤差。利用所求的光纖陀螺儀溫漂誤差和光纖環(huán)的溫度相關(guān)量T 、 T 和T T 訓(xùn)練 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，直至經(jīng)過光纖陀螺儀溫漂誤差估計值補償過的光纖陀螺儀輸出滿足指標(biāo)要求，此時，光纖陀螺儀溫漂誤差估計模型建立完畢。當(dāng)完成光纖環(huán)溫度測量后，便可根據(jù)光纖陀螺儀溫漂誤差估計模型得到光纖陀螺儀溫漂誤差估計值，將光纖陀螺儀輸出實測值減去光纖陀螺儀溫漂誤差后即可獲得溫漂誤差補償后的光纖陀螺儀輸出。
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本文編號：2884624