一种激光陀螺的压电陶瓷作动器的位移控制系统及方法

本发明属于激光陀螺，涉及一种用于激光陀螺的压电陶瓷作动器的位移控制的系统及方法。

背景技术：

1、在激光陀螺的谐振腔中，纵模的频率为

2、

3、式中，l代表谐振腔的腔长；n为谐振腔内介质的折射率；q为纵模序数，q＝0,1,2……；νq表示q值对应的纵模频率。

4、激光陀螺的工作频率是影响其测量精度的重要因素，为了提高激光陀螺的测量精度和稳定性，需要使其工作频率保持稳定。通常情况下，将激光陀螺的工作频率设置为其谐振腔的纵模频率。从式(1)可以看出，谐振腔的纵模频率νq与谐振腔的腔长l和腔内介质折射率n的变化有关，由于稳定折射率的方法较难实现，因此，通常采用稳定谐振腔腔长的方法来稳定谐振腔的纵模频率。

5、激光陀螺谐振腔的腔长控制一般采用压电陶瓷控制法，通过调节激光陀螺球面镜相连接的压电陶瓷作动器的驱动电压，使球面镜面产生微小位移来实现对激光陀螺谐振腔腔长的调节。

6、压电陶瓷作动器具有结构简单、速度快、精度高、能耗低等优点，但是压电材料自身的非线性特性会影响其定位精度，甚至会造成定位系统的不稳定。

7、为了实现激光陀螺的压电陶瓷作动器位移的控制，提高其测量精度，压电陶瓷作动器的控制器设计也至关重要。

8、pid控制器算法简单、适应性强、稳定性好、应用广泛，常被应用在线性系统的控制中。但是由于压电陶瓷作动器具有非线性特性，使用pid控制器对其进行控制时，会导致系统不稳定，产生振荡现象，鲁棒性较差，无法实现快速响应、精确跟踪等高级控制要求；与常用pid控制器相比，分数阶pid控制器由于其微积分项阶次可调，其调节范围更广、更灵活、鲁棒性更强，但是固定参数的分数阶pid控制器在控制系统中无法以最优的状态完成各阶段过程，使得系统性能受限。

9、随着计算机技术的飞速发展，逐渐发展了一些用于复杂系统的控制理论和技术，其中模糊控制是应用较为广泛的控制方法之一。模糊控制是一种以模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种控制方法，这种控制方法是依靠模糊规则来实现控制的，特别适合复杂非线性系统的控制。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于激光陀螺的压电陶瓷作动器的位移控制的系统及方法,其通过对压电陶瓷作动器输出位移的控制，实现激光陀螺谐振腔的腔长调节，以提高激光陀螺的测量精度。

2、为克服现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案为：一种激光陀螺的压电陶瓷作动器的位移控制系统，包括依次设置的激光源、激光陀螺谐振腔、光电探测器、测控系统、高压驱动模块，所述的测控系统上连接有上位机系统；所述的激光陀螺谐振腔的上侧两个角上分别设置有第一平面镜和第二平面镜，下侧两个角上分别设置第一球面反射镜和第二球面反射镜；第一球面反射镜和第二球面反射镜分别与压电陶瓷作动器相连；高压驱动模块与第二球面反射镜的压电陶瓷作动器连接，程控电源与第一球面反射镜的压电陶瓷作动器连接。

3、进一步，高压驱动模块为压电陶瓷驱动电源。

4、进一步，第一球面反射镜的压电陶瓷作动器通过程控电源供电，第二球面反射镜的压电陶瓷作动器通过测控系统输出电压信号经过高压驱动模块放大后供电。

5、一种激光陀螺的压电陶瓷作动器的位移控制系统的位移控制方法为：

6、激光源发射出的激光信号由第一平面镜射入激光陀螺谐振腔中，在谐振腔中沿顺时针方向经过多次叠加之后，由第二平面镜射出，光电探测器将第二平面镜射出的光信号转换为电压信号，电压信号通过测控系统输入到上位机系统中，在上位机系统中与参考电压信号对比得到其误差信号，上位机系统中设计模糊分数阶pid控制器产生激光陀螺谐振腔控制信号，该信号通过高压驱动模块放大后，生成作用于第二球面反射镜压电陶瓷作动器的高压控制信号，实现被测激光陀螺谐振腔的压电陶瓷作动器的位移控制，整个过程形成一个闭环控制。

7、进一步，压电陶瓷作动器的模糊分数阶pid控制方法为：

8、步骤1：使用光电探测器得到当前的电压信号；

9、步骤2：在上位机系统中计算由光电探测器得到的当前电压信号与期望电压信号之间的误差(e)和误差变化率(ec)；

10、步骤3：对误差(e)值和误差变化率(ec)进行模糊化处理；

11、步骤4：建立模糊规则，并进行模糊推理，确定模糊控制器的输出值；运用mamdani推理法，通过对控制系统的模糊子集进行分析，得出若干模糊控制规则；

12、步骤5：进行解模糊化，将模糊输出转换为确定的控制量；利用加权平均法求权各规则的输出值，得出最终的精确输出量du，其计算公式为：

13、

14、其中，准确的输出量du通过比例转换成实际的控制量；μ是隶属度函数；c′是模糊集合；

15、步骤6：计算控制器参数的当前值并输入给压电陶瓷作动器；由模糊逻辑整定的参数表达式为：

16、

17、其中，kp0、ki0、kd0、λ0、μ0为模糊分数阶控制器初始值，通过模糊分数阶pid控制器对系统反馈后得到的误差e和误差变化率ec进行模糊推理后确定kp、ki、kd、λ、μ的调整值δkp、δki、δkd、δλ、δμ，将调整值与控制器的初始值相加得到kp、ki、kd、λ、μ的值，模糊分数阶控制器初始值通过粒子群最优算法寻得。

18、进一步，所述的模糊规则的建立根据期望电压信号与使用光电探测器得到当前的电压信号的误差值e和误差变化率ec来决定输出的参数。

19、进一步，步骤6中粒子群算法的步骤为：

20、步骤1：初始化粒子的规模、维度、迭代次数、学习因子等参数，并设置位置和速度的边界范围；

21、步骤2：计算每个粒子的适应度值；

22、步骤3：将当前粒子的适应度值与粒子历史最优位置的适应度值对比，更新粒子历史最优位置的适应度值；

23、步骤4：将当前粒子的适应度值与全局粒子的最优位置适应度值对比，更新全局粒子的最优位置适应度值；

24、步骤5：利用速度更新公式对粒子的速度进行更新，并对越界速度进行约束；

25、步骤6：利用位置更新公式对粒子的位置进行更新，并对越界位置进行约束；

26、步骤7：判断是否到了最大的迭代次数或精度要求，达到则输出最佳位置；否则，重复步骤(2)～(7)。

27、与现有技术相比，本发明优点为：

28、1)本发明将分数阶pid控制和模糊逻辑理论的优点相结合，采用分数阶pid控制器采用自动控制，控制器参数有更多的选择空间，使控制器响应更快，灵活性强，并且具有更强的鲁棒性，其控制器稳态性和动态性较好，提升了控制器的控制效果。

29、2)本发明方法具有记忆性，分数阶微积分可以对所有数据进行计算，可以提高系统精度；

30、3)本发明提出的模糊分数阶pid控制器的初始值通过粒子群最优算法寻得，提升了控制器的稳定性。

31、4)本发明所提出的控制方案同时利用了分数阶pid控制和模糊逻辑理论的优点，使控制器响应更快，鲁棒性更强，提升了控制器的控制效果。

32、5)本发明可实现自动调整控制器参数，自动对系统进行控制，可使得控制效果达到最优。

33、6)本发明采用分数阶控制器，控制器参数更多，控制范围更大，提高了控制器的灵活性和准确性。

34、7)本发明所提出的模糊分数阶pid控制方法用于激光陀螺压电陶瓷作动器的位移控制，对实现激光陀螺谐振腔腔长调节以及稳定激光陀螺频率波动将具有重要意义。