【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于惯性测量系统领域，具体是惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法。
技术介绍
1、惯性测量系统温度场的优化及热结构的优化设计，为惯性仪表和台体结构提供了良好的工作环境基础，但是其光纤陀螺精度易受温度场影响，仅靠自然温度和温度补偿难以满足高精度光纤惯性测量系统需求，精密温度控制仍是实现光纤惯性测量系统仪表高精度、高温度和稳定性的最有效的手段。
2、然而，目前惯性测量系统一般都仅靠单一温度点的检测，实现惯性测量系统温度场的控制，单点温度控制很难实现不同点惯性传感器温度变化或者温度梯度要求，难以满足高精度光纤陀螺在惯性测量系统精度发挥的需求。
3、基于上述考虑，研究多输入多输出多点温度联合控制技术尤为重要。
技术实现思路
1、针对上述需求，本专利技术基于惯性测量系统结构温度场模型，利用惯性平台环境温度与光纤陀螺shupe误差的关系，提出了一种惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，通过鲁棒h∞多输入多输出的精密温控技术，根据光纤陀螺shupe误差抑制需求，研究惯性测量系统的控制方式提升惯性测量系统的性能。
2、所述惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，具体步骤如下：
3、步骤一、针对惯性测量平台中光纤陀螺精密被控对象，设计惯性测量平台惯性器件腔体加热制冷的温控系统；
4、所述温控系统具体为：
5、惯性测量平台的温控对象是若干的陀螺和对应的加表；在每个陀螺和加表的底板，均分别放置1个温度
6、其中，对tec加热制冷片和温度传感器的放置位置，设计在陀螺结构底板中心位置，能保持陀螺光纤环温度场的对称性；具体计算原理如下：
7、根据shupe误差的表达式：
8、
9、其中β(l)为与距离l相关的传播常数，β0＝2π/λ0为真空中的光传播常数，n为光纤环的有效折射率，为光纤环折射率温度系数，l为光纤环的长度，在光纤陀螺中，入射光被分为顺时针(cw)和逆时针(ccw)两束光相向传播，t为正常情况下两束光穿越整个光纤环的时间，c为光在光纤中的传播速率，t为光纤环的温度，δt(l)为光纤环上距离端点l处的温度变化量。
10、即如果光纤中点两侧的光纤在相同的时刻经历相同的温度变化，则热致相移误差可以相互抵消。
11、步骤二、基于温控系统中的陀螺与加表，建立惯性测量系统的热传导模型；
12、具体步骤为：
13、将每只陀螺与每只加表，作为温度节点，对温控系统的每个节点对应的单个点温度进行热传导分析；
14、首先，针对第i个温度节点ri(x,y,z)，温度为ti，当只有热源供热量的增益影响时，该节点的温度变化为下式：
15、
16、其中ki,j为温度节点j处热源至节点i的热源增益系数，bi为i温度节点热源供热量。
17、然后，由于热传导因素的存在，当前温度节点受到周围节点的影响，流失/接受一部分热量。
18、在测温周期内，当前测量节点获得的温度为：
19、
20、其中t+为高温点的温度，t-为低温点温度，热量从高温点流入，并流向低温点，所以环境既有升温也有降温的影响，上式中为综合计算结果；
21、测量点的温度ti最终由热源加热热量和环境热传导热量叠加决定。
22、最后，针对两个相邻节点，温度分别为t1和t2，在仅考虑两者之间热量传递的情况下，节点1的温度t1随时间的变化率与两者之间的温差t2-t1成正比。
23、对于节点i来说，相邻节点集合记为n(i)。
24、
25、假设每个节点的当前温度受其他温度节点的影响，故有如下方程：
26、
27、其中，系数矩阵对角线上的元素r(i)为：
28、
29、其中，ro,i为节点温度和外界温度的传热系数。
30、综合考虑惯性测量系统节点温度传导和热源增益，根据热平衡方程，建立惯性测量系统台体系统的热平衡方程，得到惯性测量系统热传导模型为：
31、t(k+1)＝r·t(k)+k·b(k)
32、其中：
33、
34、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7分别为x陀螺、y陀螺、z陀螺、x陀螺加速度计、y陀螺加速度计、z陀螺加速度计、惯性测量系统台体的温度，t8、t9、……、tn分别为惯性测量系统上其他元器件、框架、帽盖等各类硬件和结构件的温度；
35、r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、……、rn分别为x陀螺、y陀螺、z陀螺、x陀螺加速度计、y陀螺加速度计、z陀螺加速度计、惯性测量系统台体、惯性测量系统上其他元器件、框架、帽盖等各类硬件和结构件根据所定义的传热系数；ri,j为温度节点i与温度节点j之间的传热系数。ki,j为温度节点j处热源至节点i的热源增益系数。bi为i温度节点i的热源供热量。
36、步骤三、基于热传导模型中的扰动与参数不确定性，设计多输入多输出多点温度联合控制状态空间方程；
37、首先，将外扰引入至热传导模型中，得到下式所述模型：
38、t(k+1)＝(r+δr)·t(k)+k·b(k)+e·w(k)
39、其中δr是传热系数偏差，是干扰输入，e是干扰作用于系统的系数矩阵。
40、然后，设计增广矩阵tk和q矩阵如下式：
41、
42、从而上式所示的系统转化为增广形式的状态空间方程：
43、
44、最后，在增广形式的状态空间方程中，由于参考温度tr由系统设置，因此参考温度tr的转移矩阵设置为单位矩阵i：
45、
46、步骤四、对多输入多输出多点温度联合控制的状态空间方程，设计多点鲁棒h∞性能指标函数，进行温度联合控制，以缩短惯性系统的准备时间与惯性导航系统精度。
47、多点鲁棒h∞性能指标函数为：
48、
49、指标函数由测量温度和理想温度之间的残差平方，以及控制输入的二次型、干扰输入的二次型构成。s是各个温度节点热源供应量的权重矩阵，γ2是干扰输入对于性能指标的影响系数。
50、步骤五、将多点鲁棒h∞性能指标函数运用到热传导模型上，并根据温度场对陀螺温度误差的影响机理以及陀螺精度对温控系统的要求，对热传导模型进行试验。
51、与现有惯性测量平台温度场控制方法相比，本专利技术的优点在于：
52、1)、本专利技术惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，对阵列式多热源温度场系统结构和控制目标进行系统分析，分析温度场内的热传导效应并构建状态空间系统模型。对多输入多输出温度场系统进行鲁棒控制设计，考虑了系统的参数不确定性将控制问题构建为h∞优本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，其特征在于，包括温控方法和热传导模型；
2.如权利要求1所述的惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，其特征在于，所述温控系统具体为：
3.如权利要求1所述的惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，其特征在于，所述步骤二中单个节点温度受：热源供热量的增益影响，周围环境的热传导热量以及邻居节点的温度影响；
4.如权利要求1所述的惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，其特征在于，所述步骤三中，考虑随机干扰和参数不确定性，提出了适用于惯性测量系统的一种阵列式多热源温度场系统的鲁棒H∞控制系统的反馈增益矩阵K设计方法，实现了多输入多输出多点温度高精度联合控制技术的设计；具体为：
5.如权利要求1所述的惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，其特征在于，所述温控系统存在随机干扰和参数不确定性，所提出的反馈增益矩阵Kw设计方法仍保证多输入多输出温控系统的高精度控制，包括考虑高精度光纤惯性测量系统中Shupe误差随温度场的变化机理建立惯性测量系统内部的温度场分布及变化规律
6.如权利要求1所述的惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，其特征在于，所述热传导模型，包括考虑单个温度节点受热源供热量的直接影响和受到周围节点的影响，并以此拓展得到惯性测量系统传热网络的状态空间方程，建立惯性测量系统多点热传导系统模型。
...【技术特征摘要】
1.惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，其特征在于，包括温控方法和热传导模型；
2.如权利要求1所述的惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，其特征在于，所述温控系统具体为：
3.如权利要求1所述的惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，其特征在于，所述步骤二中单个节点温度受：热源供热量的增益影响，周围环境的热传导热量以及邻居节点的温度影响；
4.如权利要求1所述的惯性测量系统多输入多输出多点温度联合控制方法，其特征在于，所述步骤三中，考虑随机干扰和参数不确定性，提出了适用于惯性测量系统的一种阵列式多热源温度场系统的鲁棒h∞控制系统的反馈增益矩阵k设计方法，实现了多输入多输出多点温度高精度联合控制技术的设计；具体为：
5....
【专利技术属性】
技术研发人员：李慧，赵军虎，李跃杨，田牧原，廖升，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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