光纤陀螺精密温度控制系统的设计及其研究

论文摘要

光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnac)效应的光学传感器,它利用固态的全光纤结构实现对载体旋转角速度的测量。与传统的机械转子陀螺仪相比,光纤陀螺仪具有全固态、无机械转动部件、可瞬时启动、动态范围大、高可靠性、结构简单等优点,使其逐渐成为了当今具有极强竞争力的新型陀螺仪。但温度影响是光纤陀螺研制和工程化过程中需要解决的一个重要问题,它对光纤陀螺性能的影响主要是光纤陀螺中的光学器件性能受温度影响很大；光纤陀螺中的光纤环存在温度梯度效应,它会产生热导致非互易性噪声；光纤陀螺中的电路噪声在不同的温度情况下也会影响其输出精度；光纤陀螺的壳体结构设计和材料选择等也对光纤陀螺的温度性能有很大的影响。解决这一关键问题,采用温度控制系统对光纤陀螺的工作环境进行恒温控制,能有效保证光纤陀螺的输出精度,这对于提高光纤捷联惯导系统的精度具有重要的实际意义。课题以提高船用光纤陀螺的输出精度为目标,研究并设计光纤陀螺精密温控系统。测温模块是温度控制系统的重要环节之一,任何一个温度控制系统实现对被控对象温度的控制,都是以设定温度与实测温度之间的误差作为控制算法的一个最重要的输入量,然后进行适当控制,也就是说实测温度精度越高,控制就会越精确。所以研究如何提高测温模块的测量精度对实现高精度的温度控制具有较强的实际应用价值。首先,对现有温控系统在硬件电路设计、测温补偿算法和控制算法等方面存在的不足进行了细致的分析。其次,针对现有恒压源非平衡电桥测温电路存在非线性误差大、灵敏度低和输出精度不高等问题,完成了双恒流源非平衡电桥测温电路的设计,研究基于最小二乘线性拟合和数字低通滤波的温度补偿算法,通过硬件电路和软件补偿相结合的方式实现高精度测温模块。系统测温模块决定了温控系统的测温精度,温度控制模块则决定了温控系统能否按照期望的特性实现温控箱体的精确控制,而高可靠性的控制算法和精密的驱动电路是实现精密温度控制的必备条件。针对现有脉宽调制控制方式存在“死区”问题,采用高度集成开关型驱动芯片MAX1968来实现对执行器的双向电流控制。针对传统PID控制算法抗干扰能力较弱的问题,在传统的增量式PID基础上结合模糊自整定PID参数控制算法,两者结合起来扬长避短,既具有模糊自整定控制灵活而适应性强的优点,又具有PID控制精度高的优点。最后,完成了整个系统软件和硬件的设计与调试,长时间的实验考核数据表明,系统所能达到的测温精度为±0.03℃,控温精度优于±0.1℃。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 温度控制系统的研究概况
• 1.2.1 温度测量系统研究概况
• 1.2.2 温度控制系统研究概况
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 现有温度控制系统的分析
• 2.1 温控系统的设计需求
• 2.2 现有温控系统工作原理
• 2.3 现有温控系统的基本实现
• 2.3.1 数据采集模块
• 2.3.2 数据处理模块
• 2.3.3 温控系统执行模块
• 2.4 现有温控系统的主要问题分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 系统测温模块的设计
• 3.1 温度信号转换
• 3.1.1 温度传感器选取
• 3.1.2 测温方案
• 3.1.3 双恒流源测温电路设计
• 3.1.4 放大电路和模拟二阶低通滤波电路
• 3.2 信号处理模块
• 3.3 电源电路设计
• 3.4 测温补偿算法
• 3.4.1 基于最小二乘拟合的测温标校方案
• 3.4.2 基于数字低通滤波的测温数据平滑
• 3.5 实验测试数据分析
• 3.5.1 恒流源的输出电流分析
• 3.5.2 测温标校和数字滤波的实现及其测试结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 系统温度控制模块的设计
• 4.1 MAX1968驱动电路的分析和设计
• 4.2 PID控制算法
• 4.2.1 PID控制原理
• 4.2.2 增量式数字PID控制算法
• 4.3 模糊自整定PID参数控制算法
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 模糊自整定PID参数控制算法设计
• 4.4 PID参数自整定控制仿真
• 4.4.1 恒温箱体建模
• 4.4.2 PID参数自整定仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统软件设计
• 5.1 编程软件选择和C430开发的步骤
• 5.2 程序设计
• 5.2.1 主程序流程图设计
• 5.2.2 温度采集模块程序设计
• 5.2.3 数据处理模块程序设计
• 5.2.4 控制量计算模块程序设计
• 5.3 本章小结
• 第6章 精密温控系统性能测试
• 6.1 系统测温性能考核
• 6.2 系统控温性能考核
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢