一種基于自抗擾控制器的超流體陀螺控制系統設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于自抗擾控制器的超流體陀螺控制系統設計方法，適用于超流 體陀螺控制系統的優化。 技術背景
[0002] 自19世紀末到現在，陀螺儀作為主要的慣性導航檢測設備，在軍、民用領域發揮 著重要的作用。傳統概念的陀螺是通過轉子轉動產生動量矩來敏感陀螺殼體相對慣性空間 的角運動。近年來隨著光學、低溫物理學等領域的快速發展，出現了一系列新型的陀螺。這 種陀螺不再擁有高速旋轉的轉子，而是基于新型的物理機理來完成殼體相對慣性空間的運 動測量。激光陀螺的精度較高，但加工復雜且存在閉鎖問題。光纖陀螺加工簡單、精度高， 但系統穩定性差，體積大。基于低溫物理學發展起來的有冷原子束陀螺和超流體陀螺，其中 前者在激光冷卻技術和捕獲原子的精確控制方面存在巨大挑戰，后者憑借其無粘滯性、無 摩擦、高精度、高靈敏度的優良性能，近年來引起了國內學者的極大關注。
[0003] 基于交流約瑟夫森效應的超流體陀螺，利用4He超流體在環形腔的物質波干涉效
【主權項】
1. 一種基于自抗擾控制器的超流體巧螺控制系統設計方法，其特征在于：根據雙弱連 接超流體巧螺的工作原理，建立超流體巧螺的數學模型；利用幅值鎖定補償方法建立超流 體巧螺角速度模型；在超流體控制回路中引入自抗擾控制器，根據自抗擾控制器對被控對 象不要求有精確的數學模型，而且由系統模型不確定性引起的擾動與外部擾動會被視作總 擾動而一同被跟蹤補償的特點，提高熱相位補償實現薄膜幅值鎖定的控制精度，提升整個 超流體巧螺控制系統性能，從而提高角速度求解通用公式的精度，具體包括W下步驟： (1) 根據雙弱連接超流體巧螺的工作原理，建立超流體巧螺的數學模型：
式中，X(t)為薄膜幅值，I(t)為環形腔內總的物質波流量，Pi為超流體的密度，：i為感 應面積的矢量，N為單個弱連接所含的孔數，I。為單孔臨界超流體強度，Au為由弱連接兩 側壓力差與溫度差形成的化學勢能差，A4為雙弱連接處的相位差，A4。為外部旋轉角 速度造成的薩格納克相位移，A 為注入的熱相位，4。為初始相位，口為環形腔內總的 物質波相位，h為普朗克常數，m為4化超流體原子的質量，^為外界的旋轉角速度； (2) 建立超流體巧螺角速度模型 針對步驟（1)所得到的超流體巧螺檢測的數學模型，利用幅值鎖定原理設定工作點在n/3處，對超流體巧螺注入熱相位，得到可直接解算的超流體巧螺角速度解：
式中，m為補償量最大值，n為達到最大補償量的次數； (3) 設計自抗擾控制器 跟蹤微分器TD的表達形式為：
式中
，Vi(t)為參考輸入Va(t)的跟蹤 信號，V2(t)為Vi(t)的微分，從而把V2(t)作為Vu(t)的"近似微分"，R、為跟蹤微分器 可調參數； 擴張狀態觀測器ESO的表達形式為：
式中：
曰1、曰2、曰3、52、01、02、03為可調參數己階 ESO是由對象輸出y估計對象的狀態變量禪合和對象總擾動的實時作用量，即由系統輸出y產生3個信號；Zi、Z2、Z3,其中Zi為y的跟蹤信號，e為Z1和y之差，Z2(t)為Zi(t)的微分 信號，Z3(t)為對系統模型禪合和外擾動的估計； 非線性狀態誤差反饋控制律化沈F的表達式為：
式中；a4、a5、5 3、b、kp、kd為可調參數；e1為V1和Z義差，e2為V2和Z之差，U。為誤 差的非線性組合，U為控制輸入；通過測量薄膜幅值x(t)，輸出注入的熱相位A(Kew。
【專利摘要】本發明涉及一種基于自抗擾控制器的超流體陀螺控制系統設計方法。根據雙弱連接超流體陀螺的工作原理，建立超流體陀螺的數學模型；利用幅值鎖定補償方法建立超流體陀螺角速度模型；在超流體控制回路中引入自抗擾控制器，根據自抗擾控制器對被控對象不要求有精確的數學模型，而且由系統模型不確定性引起的擾動與外部擾動會被視作總擾動而一同被跟蹤補償的特點，提高熱相位補償實現薄膜幅值鎖定的控制精度，提升整個超流體陀螺控制系統性能，從而提高角速度求解通用公式的精度。本發明屬于新概念陀螺控制技術領域，可應用于超流體陀螺的控制系統優化設計。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104793488
【申請號】CN201510006194
【發明人】任元, 王平, 陳曉岑, 趙玉龍, 繆存孝, 王衛杰, 王 華
【申請人】中國人民解放軍裝備學院
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年1月6日