一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法
阅读说明：本技术 一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法 (Cold atom gravimeter active vibration isolation control method based on nominal model ) 是由 罗东云 邓长寿 曾伟 樊莉丽 刘清平 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法,包括以下步骤：建立冷原子重力仪主动隔振模型；建立真实对象的名义模型；设计所述名义模型的控制律；设计冷原子重力仪主动隔振系统的控制律,解决了目前控制方法没有考虑地面振动等外界扰动随机性和模型不确定性的问题,通过建立名义模型,使得冷原子重力仪主动隔振系统的振动速度和振动位移迅速收敛,进而提高冷原子重力仪主动隔振系统的控制精度。(The invention provides a cold atom gravimeter active vibration isolation control method based on a nominal model, which comprises the following steps: establishing an active vibration isolation model of a cold atom gravimeter; establishing a nominal model of the real object; designing a control law of the nominal model; the control law of the active vibration isolation system of the cold atom gravimeter is designed, the problems that the randomness of external disturbance such as ground vibration and the like and model uncertainty are not considered in the existing control method are solved, the vibration speed and the vibration displacement of the active vibration isolation system of the cold atom gravimeter are rapidly converged by establishing a nominal model, and the control precision of the active vibration isolation system of the cold atom gravimeter is further improved.)
技术领域
本发明涉及冷原子重力仪主动隔振技术领域，尤其涉及一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法。
背景技术
冷原子重力仪是近二十年来快速发展起来的一种新型量子传感器，它的作用是利用激光冷却、原子干涉等技术实现高精度、高灵敏度的重力加速度测量。目前，冷原子重力仪的测量精度已达到微伽，可用于矿产资源勘探、地质构造研究、油气普查、科学领域谱识性常亮确定、物质间引力等精密工程测量领域。
在实际测量中，原子重力测量的精度收到地面振动噪声、拉曼光相位噪声和探测噪声等影响，其中振动噪声是影响原子重力仪最重要的因素。目前商用被动隔振平台的自振频率最小可以调至0.5Hz，可以用来隔离10Hz以上的地面振动对于原子重力仪的影响，但是原子重力仪对于0.1-10Hz振动更为敏感，所以单纯的被动隔振平台无法满足原子重力仪的隔振要求。虽然整个被动隔振平台的自振频率可以调节，但是自振频率调节过低，整个系统会呈现非线性效应，在被动隔振自频率附近的地面振动不但没得到抑制，反而在原有的振动基础上变大了，所以需要引入主动隔振系统对这一频段的振动加以抑制，但是主动隔振系统受到大量不确定因素影响，并且目前的控制方法没有考虑地面振动等外界扰动的随机性和模型的不确定性。
发明内容
本发明公开的一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法，解决了目前控制方法没有考虑地面振动等外界扰动随机性和模型不确定性的问题，通过建立名义模型，使得冷原子重力仪主动隔振系统的振动速度和振动位移迅速收敛，进而提高冷原子重力仪主动隔振系统的控制精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明公开一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法，包括以下步骤：
建立冷原子重力仪主动隔振模型；
建立真实对象的名义模型；
设计所述名义模型的控制律；
设计冷原子重力仪主动隔振系统的控制律。
进一步地，建立冷原子重力仪主动隔振模型的步骤包括：
其中，ξ0为系统阻尼系数，ω0为系统自振频率，F为音圈电机产生的力，x为拉曼反射镜的振动位移，为拉曼反射镜的振动速度，为拉曼反射镜的振动加速度，y为地面振动位移，为地面振动速度，m为拉曼反射镜的质量；
令F表示为：
F＝KVCYVCu (2)
其中，u为控制器输入，KVC为音圈电机电流增益系数，YVC为电压转电流增益系数；
将F带入(1)式，即得
(3)式两边除KVCYVC/m，即得
定义J＝2ξ0ω0m/KVCYVC，B＝ω0 2m/KVCYVC并带入(4)式，得到冷原子重力仪主动隔振模型为：
进一步地，建立真实对象的名义模型的步骤包括：
其中，xn为名义模型拉曼反射镜的振动位移，为名义模型拉曼反射镜的振动速度，为名义模型拉曼反射镜的振动加速度，μ为名义模型控制器输入，Jn，Bn分别为J，B的名义值；
定义振动位移的期望值为xd，为振动位移期望值xd的一阶导数，为振动位移期望值xd的二阶导数；
定义名义模型的跟踪误差为e＝xn-xd，则其一阶导数为二阶导数为并将其代入(6)式：
定义m/KVCYVC＝C，并带入(7)式，即得到真实对象的名义模型：
进一步地，设计名义模型的控制律的步骤包括：
将(8)式代入(9)式：
其中，h1,h2为正系数，且满足σ2+(Jn/C+h2)σ+Bn/C+h1为Hurwitz，σ为Laplace算子；
取(σ+k)2＝0,k＞0，得到Jn/C+h2＝2k，Bn/C+h1＝k2，通过k的取值得到h1,h2。
进一步地，建立冷原子重力仪主动隔振系统的控制律的步骤包括：
定义：
Jm≤J≤JM,Bm≤B≤BM,|d|≤dM (11)
其中，Jm,JM是正常数，分别为J的下界和上界，Bm,BM是正常数，为B的下界和上界，dM为d的上界；
定义：en＝x-xn；
定义滑模面为：
其中λ＞0，且λ＝Bn/Jn；
定义：
Ja＝1/2(Jm+JM) (13)
Ba＝1/2(Bm+BM) (14)
则得到冷原子重力仪主动隔振系统的控制律：
其中，K,h为正系数。
有益技术效果：
本发明公开一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法，包括以下步骤：建立冷原子重力仪主动隔振模型；建立真实对象的名义模型；设计所述名义模型的控制律；设计冷原子重力仪主动隔振系统的控制律，解决了目前控制方法没有考虑地面振动等外界扰动随机性和模型不确定性的问题，通过建立名义模型，使得冷原子重力仪主动隔振系统的振动速度和振动位移迅速收敛，进而提高冷原子重力仪主动隔振系统的控制精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明所述的一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法的步骤流程图；
图2为本发明所述的一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法中控制系统的结构；
图3为本发明所述的一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法控制后同PID控制方法控制后振动位移比较图；
图4为本发明所述的一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法控制后同PID控制方法控制后振动速度比较图；
图5为本发明所述的一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法控制后同PID控制方法控制后的振动对冷原子重力仪重力测量相角的影响度比较图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
本发明公开一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法，参见图1，具体包括以下步骤：
S1：建立冷原子重力仪主动隔振模型；
具体地，建立冷原子重力仪主动隔振模型的步骤包括：
其中，ξ0为系统阻尼系数，ω0为系统自振频率，F为音圈电机产生的力，x为拉曼反射镜的振动位移，为拉曼反射镜的振动速度，为拉曼反射镜的振动加速度，y为地面振动位移，为地面振动速度，m为拉曼反射镜的质量；
令F表示为：
F＝KVCYVCu (2)
其中，u为控制器输入，KVC为音圈电机电流增益系数，YVC为电压转电流增益系数；
将F带入(1)式，即得
(3)式两边除KVCYVC/m，即得
定义J＝2ξ0ω0m/KVCYVC，B＝ω0 2m/KVCYVC并带入(4)式，得到冷原子重力仪主动隔振模型为：
S2：建立真实对象的名义模型；
具体地，建立真实对象的名义模型的步骤包括：
其中，xn为名义模型拉曼反射镜的振动位移，为名义模型拉曼反射镜的振动速度，为名义模型拉曼反射镜的振动加速度，μ为名义模型控制器输入，Jn，Bn分别为J，B的名义值；
定义振动位移的期望值为xd，为振动位移期望值xd的一阶导数，为振动位移期望值xd的二阶导数；
定义名义模型的跟踪误差为e＝xn-xd，则其一阶导数为二阶导数为并将其代入(6)式：
定义m/KVCYVC＝C，并带入(7)式，即得到真实对象的名义模型：
S3：设计名义模型的控制律；
具体地，设计名义模型的控制律的步骤包括：
将(8)式代入(9)式：
其中，h1,h2为正系数，且满足σ2+(Jn/C+h2)σ+Bn/C+h1为Hurwitz，σ为Laplace算子；
取(σ+k)2＝0,k＞0，得到Jn/C+h2＝2k，Bn/C+h1＝k2，通过k的取值得到h1,h2。
S4：设计冷原子重力仪主动隔振系统的控制律。
具体地，建立冷原子重力仪主动隔振系统的控制律的步骤包括：
定义：
Jm≤J≤JM,Bm≤B≤BM,|d|≤dM (11)
其中，Jm,JM是正常数，分别为J的下界和上界，Bm,BM是正常数，为B的下界和上界，dM为d的上界；
定义：en＝x-xn；
定义滑模面为：
其中λ＞0，且λ＝Bn/Jn；
定义：
Ja＝1/2(Jm+JM) (13)
Ba＝1/2(Bm+BM) (14)
则得到冷原子重力仪主动隔振系统的控制律：
其中，K,h为正系数。
本发明公开的基于名义模型冷原子重力仪主动隔振控制系统的结构参见图2，控制系统包括两个控制器，其中一个控制器是针对实际系统的控制器，用以实现x→xn和而另一个控制器是针对名义模型的控制器，用以实现xn→xd和因此整个控制系统实现x→xd和
作为本发明的一个实施例，对本发明公开的基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法的实验仿真参数设置如下：
设置系统阻尼系数ξ0＝0.1N·s·m-1，系统自振频率ω0＝4.396rad，音圈电机电流增益系数KVC＝0.1V·A-1，电压转电流增益系数YVC＝7.6N·A-1，拉曼反射镜的质量m＝10kg；增益参数k＝100，系数h1＝10000，系数h2＝200，名义值Jn＝11.6，名义值Bn＝254：增益参数K＝200,h＝0.00005,λ＝30；系数h＝0.00005，系数λ＝30，J的下界值Jm＝11.1，J的上界值JM＝12.1，B的下界值Bm＝253.9，B的上界值BM＝254.1。
对比传统的PID控制方法，冷原子重力仪主动隔振系统的PID控制律参数：比例系数P＝10、积分时间Ti＝20和微分时间Td＝20。
本发明公开的一种基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法，使得冷原子重力仪主动隔振系统的振动速度和振动位移迅速收敛，大大提高了冷原子重力仪主动隔振系统的控制精度，图3-图5显示出本发明实施例公开的基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法与PID控制方法的比较结果，基于名义模型控制方法控制后的振动位移远远小于PID控制方法控制后的振动位移；基于名义模型控制方法控制后的振动速度远远小于PID控制方法控制后的振动速度；基于名义模型控制方法的振动对冷原子重力仪重力测量相角影响远小于PID控制方法控制后的振动对冷原子重力仪重力测量相角影响，由此可看出，本发明公开的基于名义模型的冷原子重力仪主动隔振控制方法的优势是远远超出其他控制方法的。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
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