數字反饋控制系統又稱數字閉環控制系統，使用數字反饋控制能顯著提高感測器的線性度、回響頻寬、動態範圍。在數字閉環控制系統中，數字階梯波反饋量通過D/A轉換和放大電路轉換成對應的模擬電壓信號，並最終通過Y波導調製器作用於干涉光來產生補償相移。
基本介紹
- 中文名：數字反饋控制系統
- 外文名：Digital feedback control system
- 又稱：數字閉環控制系統
- 基礎：模擬相位斜波反饋基礎上數位化
- 套用學科：控制科學、儀器科學、電器工程
- 優點：提高線性度、回響頻寬、動態範圍
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簡介
數字閉環控制方案將開環檢測誤差信號作為反饋信號，使系統總是工作線上性度很高，斜率最大的零位點上，從而提供了很高的靈敏度和更大的動態範圍。同時採用數位化的信號處理方法，大大消除了採用模擬雅只榆煮電路而帶來的電路噪聲而且很好的解決了模擬相位斜波斜波反饋的回掃時間問題。
數字閉環控制部分的主要功能是對干涉信號進行採樣與A/D轉換，數字解調，生成數字階梯波反饋和方波調製信號，D/A轉換，通過集成光學器件進行相位調製。數字閉環控制結構是在模擬相位斜波反饋的基礎上加以數位化的改進而產生的。它採用方波作為相位偏置調製信號，以數字的階梯波代替模擬相位斜波作為閉環反饋控制量，產生一個非互易相位移信號，來抵消有轉動而產生的Sagnac相位移，從而使閉環控制系統達到動態平衡。
反饋控制系統簡介
定義
反饋控制系統是基於反饋原理建立的自動控制系統。所謂反饋原理，就是根據系統輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統行為炒駝求（輸出）與期望行為之間的偏差，並消除偏差以獲得預期的系統性能。在反饋控制系統中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者刪厚嫌組成一個閉合的迴路。因此，反饋控制系統又稱為閉環控制系統。反饋控制是自動控制的主要形式。
同開環控制系統相比，閉環控制具有一系列優點。但反饋迴路的引入增加了系統的複雜性，而且增益選擇不當時會引起系統的不穩定。為提高控制精度，在擾動變數可以測量時，也常同時採用按擾動的控制（即體白旬前饋控制）作為反饋控制的補充而構成複合控制系統。
組成
反饋控制系統由控制器、受控對象和反饋通路組成。
圖1 反饋控制系統
圖1中帶叉號的圓圈為比較環節，用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號。這一環節在具體系統中可能與控制器一起統稱為調節器。以爐溫控制為例，受控對象為爐子；輸出變數為實際的爐子溫度;輸入變數為給定常值溫度,一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測量，代表爐溫的熱電動勢與給定電壓相比較，兩者的差值電壓經過功率放大後用來驅動相應的執行機構進行控制。
分類
反饋控制系統包括：
（一）負反饋（negativefeed back）：凡反饋信息的作用與控制信息的作用方向相反，對控制部分的活動起制約或糾正作用的，稱為負反饋。
1.意義：維持穩態
2.缺點：滯後、波動
反饋控制系統由臘故影擔控制器、受控對象和反饋通路組成。在反饋控制系統中，不管出於什麼原因（外部擾動或系統內部變化），只要被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，並能改善系統的回響特性。
數字閉環控制電路
數字閉環控制部分是整個系統的關鍵部分。
數字解調
在數字閉環反饋迴路中，數字解調部分的功能主要是通過數字運算的方法來獲得開環輸出信號。在使用模擬的解調方式來取得閉環的反饋信號的方案，難以實現160dB的光纖陀螺動態範圍，這是因為模擬解調電路和A/D轉換器存在著固有的偏置漂移。要消除這種偏移的影響，需要在設計中進行建模和補償，這樣勢必會增加硬體電路及軟體設計的複雜程度，從而導致成本較高而可靠性降低。
採用數字解調的方法可以很好的克服這一問題。由於在數字閉環控制系統設計中使用了方波偏置調製，因此轉動引起的Sagnac相為移信息可以通過方波正負半周期光電檢測器輸出相減而獲得，而且由於干涉信號通過A/D轉換器變為數字形式，使得閉環的誤差信號檢測十分的簡單和方便。
數字解調在本質上與電路的長期漂移是無關的，這是由數字解調特點所決定的。由於解調的周期與方波周期相等，如果採用1000米的光纖繞制光纖環，這個周期的大小為109s，是一個比較短的時間量，而偏移漂移是一變化緩慢的模擬量，通過前後兩個半周期的採樣值相減，疊加在輸出信號上偏移量就被抵消掉了。數字解調的方法，原理簡單，實現起來也十分方便，通過這種方法可以消除模擬信號偏移漂移，為反饋階梯波的生成提供了一個比較船趨精確的陀螺開環輸出誤差信號，是實現數字閉環反乎店影饋控制的基礎。
數字階梯波反饋
數字階梯波反饋方案的提出，從根本上解決了模擬相位斜波回掃時間問題，大大提高了相位調製的性能。與方波調製的原理一樣，階梯波也是分時作用在兩束光波上。
階梯波反饋迴路數字部分主要由解調器和兩個串聯的累加器組成。第一個累加器的作用是將通過數字解而調得到的控制誤差信號累加，來產生階梯波的每個小階梯帶階高度值；第二個累加器則是將小階梯的高度值每隔一個f時間周期累加一次來生成數字階梯波反饋信號。
上述兩個用於產生階梯波信號的累加器在結構上都是由一個加法器和一個若干位數的暫存器組成。在設計中需要注意的一點是：第一個累加器的暫存器位數應足夠寬，以避免在誤差量積分過程中產生暫存器溢出。
閉環調製增益控制
在閉環迴路使用階梯波調製，解決了模擬斜波回掃時問的問題，同時採用數字解調的方法也消除了光纖檢測電路的長期漂移，進而提高了性能。但是，這種單閉環控制方案也還是存在著的缺陷。
在數字閉環控制系統中，數字階梯波反饋量必須通過D/A轉換和放大電路轉換成對應的模擬電壓信號，並最終通過Y波導調製器作用於干涉光來產生補償相移。而Y波導調製器的調製係數受環境因素影響較大，特別是當環境溫度發生變化時Y波導的主要特性參數半波電壓也會隨之發生變化。由於這一器件的非理想特性而帶來的調製增益漂移，限制了精度和套用環境範圍。因此，為了克服溫度因素帶來的不利影響，有必要在現有的數字閉環控制系統上作一定的改進，從而使系統能夠自動跟蹤和補償溫度變化所帶來的誤差，提高穩定性和精度。
雙閉環控制系統
採用四狀態偏置調製來進行控制系統的調製解調，可以很方便的實現雙數字閉環控制。在閉環的一個調製解調周期，可以同時獲得由轉動引起的誤差和由閉環調製增益波動引起的誤差，利用這兩個誤差信號就可以分別建立數字階梯波反饋迴路和調製增益控制迴路的雙閉環控制系統。
採用四態偏置的信號檢測系統，它的每個調製解調周期可以均分為四個小的周期，假如對於1000m長的光纖環來說，每個小周期的時間為2．5us，那么只要分別對這四個周期內的干涉輸出進行採樣求和，然後再按照一定的順序進行採樣值的加減運算就可以分別實現轉動誤差信號和調製增益誤差信號的數字解調。
將上面得到的兩個誤差信號分別進行數字積分以後，作為反饋控制信號可以分別建立數字階梯波反饋迴路和調製增益閉環控制迴路，如圖2所示。
圖2 雙閉環控制原理框圖
數字閉環控制電路
數字閉環控制部分是整個系統的關鍵部分。
數字解調
在數字閉環反饋迴路中，數字解調部分的功能主要是通過數字運算的方法來獲得開環輸出信號。在使用模擬的解調方式來取得閉環的反饋信號的方案，難以實現160dB的光纖陀螺動態範圍，這是因為模擬解調電路和A/D轉換器存在著固有的偏置漂移。要消除這種偏移的影響，需要在設計中進行建模和補償，這樣勢必會增加硬體電路及軟體設計的複雜程度，從而導致成本較高而可靠性降低。
採用數字解調的方法可以很好的克服這一問題。由於在數字閉環控制系統設計中使用了方波偏置調製，因此轉動引起的Sagnac相為移信息可以通過方波正負半周期光電檢測器輸出相減而獲得，而且由於干涉信號通過A/D轉換器變為數字形式，使得閉環的誤差信號檢測十分的簡單和方便。
數字解調在本質上與電路的長期漂移是無關的，這是由數字解調特點所決定的。由於解調的周期與方波周期相等，如果採用1000米的光纖繞制光纖環，這個周期的大小為109s，是一個比較短的時間量，而偏移漂移是一變化緩慢的模擬量，通過前後兩個半周期的採樣值相減，疊加在輸出信號上偏移量就被抵消掉了。數字解調的方法，原理簡單，實現起來也十分方便，通過這種方法可以消除模擬信號偏移漂移，為反饋階梯波的生成提供了一個比較精確的陀螺開環輸出誤差信號，是實現數字閉環反饋控制的基礎。
數字階梯波反饋
數字階梯波反饋方案的提出，從根本上解決了模擬相位斜波回掃時間問題，大大提高了相位調製的性能。與方波調製的原理一樣，階梯波也是分時作用在兩束光波上。
階梯波反饋迴路數字部分主要由解調器和兩個串聯的累加器組成。第一個累加器的作用是將通過數字解而調得到的控制誤差信號累加，來產生階梯波的每個小階梯帶階高度值；第二個累加器則是將小階梯的高度值每隔一個f時間周期累加一次來生成數字階梯波反饋信號。
上述兩個用於產生階梯波信號的累加器在結構上都是由一個加法器和一個若干位數的暫存器組成。在設計中需要注意的一點是：第一個累加器的暫存器位數應足夠寬，以避免在誤差量積分過程中產生暫存器溢出。
閉環調製增益控制
在閉環迴路使用階梯波調製，解決了模擬斜波回掃時問的問題，同時採用數字解調的方法也消除了光纖檢測電路的長期漂移，進而提高了性能。但是，這種單閉環控制方案也還是存在著的缺陷。
在數字閉環控制系統中，數字階梯波反饋量必須通過D/A轉換和放大電路轉換成對應的模擬電壓信號，並最終通過Y波導調製器作用於干涉光來產生補償相移。而Y波導調製器的調製係數受環境因素影響較大，特別是當環境溫度發生變化時Y波導的主要特性參數半波電壓也會隨之發生變化。由於這一器件的非理想特性而帶來的調製增益漂移，限制了精度和套用環境範圍。因此，為了克服溫度因素帶來的不利影響，有必要在現有的數字閉環控制系統上作一定的改進，從而使系統能夠自動跟蹤和補償溫度變化所帶來的誤差，提高穩定性和精度。
雙閉環控制系統
採用四狀態偏置調製來進行控制系統的調製解調，可以很方便的實現雙數字閉環控制。在閉環的一個調製解調周期，可以同時獲得由轉動引起的誤差和由閉環調製增益波動引起的誤差，利用這兩個誤差信號就可以分別建立數字階梯波反饋迴路和調製增益控制迴路的雙閉環控制系統。
採用四態偏置的信號檢測系統，它的每個調製解調周期可以均分為四個小的周期，假如對於1000m長的光纖環來說，每個小周期的時間為2．5us，那么只要分別對這四個周期內的干涉輸出進行採樣求和，然後再按照一定的順序進行採樣值的加減運算就可以分別實現轉動誤差信號和調製增益誤差信號的數字解調。
將上面得到的兩個誤差信號分別進行數字積分以後，作為反饋控制信號可以分別建立數字階梯波反饋迴路和調製增益閉環控制迴路，如圖2所示。
圖2 雙閉環控制原理框圖
