一种提高超流体陀螺角速率测量精度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种提高超流体陀螺角速率测量精度的方法，适用于超流体陀螺的高 精度检测。 技术背景
[0002] 惯性导航技术是空间站、卫星、导弹、舰船、机器人等高性能装备的关键技术之一。 作为惯导系统的核心检测器件的陀螺仪，自19世纪机械陀螺问世以来，其先后经历了液浮 陀螺、扰性陀螺、激光陀螺到光纤陀螺的发展阶段。凭借陀螺仪的高速发展，惯导系统的体 积、精度、快速机动能力和环境适应力得到了很大的改进。然而现有的陀螺在精度、体积、成 本方面仍然存在一些不足。为此研究者们又试图开始探索基于新的测量原理或测量方式的 陀螺仪，寻求新的物理效应进行研究，以使陀螺的性能得以突破性的发展。研究发现处在低 温条件超流状态的液氦，能够轻松流过用玻璃片制成的仅〇. 5微米宽的狭缝，从而证明了 超流体具有无粘滞性、无摩擦的重要性质。
[0003] 目前在研的超流体陀螺大致可分为基于量子化旋流的超流体陀螺、基于直流约瑟 夫森效应的超流体陀螺和基于交流约瑟夫森效应的超流体陀螺这三类。基于超流体的特殊 物理效应的陀螺有效地结合了物质波干涉和宏观物理量，在体积、精度、温度等多方面都有 潜在优势。由美国加州大学Berkeley提出的 4He超流体交流约瑟夫效应的双弱连接超流 体陀螺在精度、体积、温度要求和受噪声影响等方面具有巨大的优势。该装置的灵敏度在理 论上可到达是光纤陀螺的灵敏度的10 1°倍。该类型陀螺在物理基础与实验验 证方面取得了不小的进展，但整个研究工作仍处于初期阶段。4He超流体交流约瑟夫森效应 的双弱连接超流体陀螺原理在高灵敏度和量程范围间存在着矛盾。针对这一问题，现有的 方法通过事先设定工作点相位，通过热相位注入实现热补偿，幅值锁定法在为双弱连接超 流体陀螺很好地解决量程小的问题的同时还解决了原系统无法判断变输入角速率方向的 问题。但是采用的加热电阻的升温过程实际上可近似为一阶惯性环节
【主权项】
1. 一种提高超流体陀螺角速率测量精度的方法，其特征在于：根据物质波干涉效应建 立超流体陀螺的敏感原理方程；利用热相位注入锁定超流体幅值原理，结合环形双弱连接 结构建立热相位-温度关系式；在热驱动双结构超流体陀螺系统中，通过设计模糊自适应 PID控制器克服热相位注入造成系统滞后的影响；采用遗传算法优化模糊推理的PID参数 从而提高整个超流体陀螺测量系统的精度，具体包括以下步骤： (1) 根据物质波干涉效应建立超流体陀螺的敏感原理方程为：
式中，I⑴为环形腔内总的物质波流量，Pi为超流体的密度，A为感应面积的矢量，N为单个弱连接所含的孔数，L为单孔临界超流体强度，Au为由弱连接两侧压力差与温度差 形成的化学势能差，A小为双弱连接处的相位差，A为外部旋转角速率造成的萨格纳 克相位移，A(]5heat为注入的热相位，小。为初始相位，为环形腔内总的物质波相位，h为普 朗克常数，m为4He超流体原子的质量，为外界的旋转角速率； (2) 建立热相位-温度关系式 利用热相位注入锁定超流体幅值原理，结合环形双弱连接结构建立热相位-温度关系 式：
式中，Pi为超流体的密度，P2为普通流体的密度，AT为温度变化量，R为环形腔的半 径，L为环形腔的周长，S为普通流体的粘度； (3) 设计模糊自适应PID控制器 设计带有模糊自适应PID控制器的超流体陀螺的热补偿回路，通过实时检测e和ec， 将检测量映射到模糊论域得到E、EC，经过模糊运算得出不同时刻对应的PID输出参数Kp， Ki，Kd，经解模糊得到输出PID参数的实际修正值AK(kp，ki，kd)，结合PID初始参数K(kpQ， ki0,kdQ)，最终模糊自适应PID控制器的控制参数为K' (kp，kpkd)，则K' =K+AK，其中 模糊自适应PID控制器输出的实际控制量为u(n)zkpeO^+kiEe(n)+kdec(n) ;e、ec分别 表示期望幅值与检测幅值的位移差和位移差的变化率；Kp，Ki，Kd是模糊推理得到的比例、 积分、微分系数的模糊量；kp，ki，kd是模糊控制器实际输出比例、积分、微分参数；kP(l，kL， kdQ是PID控制器的初始比例、积分、微分参数；kp，kpkd是模糊自适应PID控制器的比例、 积分、微分系数； (4) 遗传算法优化模糊隶属函数 采用遗传算法寻优最佳的模糊推理PID参数，设计参数的最优指标为： ?/=][(叫|外)| +吵2⑴妙+ ~"，《2、《3为权值，e(t)为系统的误差，u(t)为控制器 输出，tu为上升时间。
【专利摘要】本发明涉及一种提高超流体陀螺角速率测量精度的方法。根据物质波干涉效应建立超流体陀螺的敏感原理方程；利用热相位注入锁定超流体幅值原理，结合环形双弱连接结构建立热相位-温度关系式；在热驱动双结构超流体陀螺系统中，通过设计模糊自适应PID控制器克服热相位注入造成系统滞后的影响；采用遗传算法优化模糊推理的PID参数从而提高整个超流体陀螺测量系统的精度。本发明属于新概念超高精度陀螺技术领域，可应用于超流体陀螺的高精度检测。
【IPC分类】G01C19-58
【公开号】CN104613953
【申请号】CN201410686332
【发明人】任元, 赵玉龙, 缪存孝, 王卫杰, 姚红, 张立元
【申请人】中国人民解放军装备学院, 北京科技大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年11月25日