光纖位移傳感系統(tǒng)動態(tài)辨識及補償實驗仿真

賈群

（淮南師范學院 電氣信息工程學院，安徽 淮南 232038）

光纖位移傳感系統(tǒng)動態(tài)辨識及補償實驗仿真

賈群

（淮南師范學院 電氣信息工程學院，安徽 淮南 232038）

通過對光纖位移傳感器進行動態(tài)系統(tǒng)測試，并由實驗數(shù)據(jù)進行相應的系統(tǒng)辨識和補償，通過脈沖響應梯度校正模型和濾波器設計確定較為合適的系統(tǒng)模型，達到了較好的系統(tǒng)辨識效果。

光纖位移傳感器；動態(tài)系統(tǒng)；辨識

前言

光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎的傳感器有非常大的區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。它同時具有光纖及光學測量的特點，具有電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、非侵入性、高靈敏度/容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量。反射式光纖位移傳感器與傳統(tǒng)的位移傳感器相比，具有無可比擬的優(yōu)勢，它具有靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、安全可靠等特點，特別適合于在超長距離或惡劣環(huán)境下使用[1]。

1 光纖位移傳感實驗系統(tǒng)

（1）實驗條件：

圖1 光纖位移傳感實驗系統(tǒng)

（2）實驗所需器材[2]：

單元及部件：主、副電源、差動放大器、光纖位移傳感器、低通濾波器、振動臺、低頻振蕩器、激振線圈、示波器。

（3）實驗過程：

①測微頭與振臺面脫離，測微頭遠離振動臺。將光纖探頭與振動臺反射紙的距離調(diào)整在光纖傳感器工作點，可利用靜態(tài)特性實驗中的得到特性曲線，選擇線性中點的位置為工作點，目測振動臺的反射板與光纖探頭端面之間相對距離即線性區(qū)△X中點；

②低頻振蕩信號接入振動臺激振線圈上，開啟電源，調(diào)節(jié)低頻振蕩器頻率與幅度旋鈕，使振動臺振動且振動幅度適中；

③保持低頻振蕩器輸出Vp-p幅值不變，改變低頻振蕩器的頻率，用示波器觀察幅頻特性曲線并進行系統(tǒng)辨識。

2 系統(tǒng)辨識過程

2.1 辨識基本理論

對于一個系統(tǒng)，在輸入輸出數(shù)據(jù)的基礎上，從一組給定模型類中，確定一個與所測系統(tǒng)等價的模型，這種方法叫做辨識。辨識方法是在實際應用中獲取系統(tǒng)模型的最為重要的手段之一，也是數(shù)學模型和實際應用聯(lián)系的紐帶。系統(tǒng)的測得數(shù)據(jù)用h(k)表示，輸出用z(k)表示，估計辨識模型的輸出，實際輸出與它的偏差。辨識就是通過某種算法，利用模型輸出與實際輸出間的誤差不斷糾正模型參數(shù)，最終得到最優(yōu)模型的過程。

2.2 辨識過程理論依據(jù)

由于所辨識對象系統(tǒng)是一個典型的SISO系統(tǒng)，所以可采用脈沖響應梯度校正模型（當然還可采用其他方法模型）[3]。

圖2 脈沖響應梯度校正模型

系統(tǒng)的輸出 yk與輸入序列 u（k-1）、u（k-2）、u（k-N）的關系可以表示為：

其中，g1，g2，…gN組成系統(tǒng)的脈沖響應。

利用實驗數(shù)據(jù)辨識系統(tǒng)的脈沖響應，由于實測數(shù)據(jù)較少，N可取3時，則有：

圖3 輸入脈沖離散數(shù)據(jù)的響應

圖4 輸出辨識參數(shù)模型

從圖3、圖4上可以看出設定的N=3個辨識參數(shù)能夠基本上達到穩(wěn)定，輸出誤差也能夠達到穩(wěn)定。被辨識的參數(shù)，隨著實驗數(shù)據(jù)的增加，可以增加系統(tǒng)模型遞推的能力，可以提高算法的收斂性和泛化性，所以要提高系統(tǒng)的辨識能力需要一定的數(shù)據(jù)規(guī)模進行建模。

2.3 脈沖響應傳遞函數(shù)的遞推

圖5 基于脈沖遞推辨識關系的幅度響應

圖6 輸入脈沖響應

從圖5、圖6可以看出隨著采樣增長輸出幅度趨于穩(wěn)定，說明系統(tǒng)模型具有一定逼近性。

3 系統(tǒng)動態(tài)補償?shù)脑O計

3.1 基本思路和步驟

（1）考慮到被測對象本身連續(xù)過程，把求解出來的離散模型采用b2c轉(zhuǎn)換為連續(xù)模型

（2）采用FDAtool進行濾波器的設計[4]

（3）采用simulink進行仿真模擬[5]

（4）根據(jù)模擬濾波器繪制模擬電路圖

3.2 b2c轉(zhuǎn)換

4 simulink中對原模型進行仿真

圖7 系統(tǒng)階躍響應

在輸入階躍信號時，示波器輸出波形從圖7中發(fā)現(xiàn)階躍響應有雜波，所以在濾波器設計中應消除噪聲信號。通過濾波處理雜波基本被濾除，但是犧牲了一定的響應時間和帶寬。

5 結(jié)語

在實驗過程中通過matlab進行仿真，對構建光纖位移傳感系統(tǒng)模型進行了一定的參數(shù)設計和選擇，并通過濾波系統(tǒng)的設計，使控制模型達到較好地對光纖位移傳感系統(tǒng)進行動態(tài)辨識的目的。

[1]田裕鵬.傳感器原理[M].北京：科學出版社，2007：9

[2]杭州賽特傳感器實驗指導書

[3]李永新，卜雄洙等.動態(tài)測量原理講義全本[M].南京：南京理工大學出版社，2010：8

[4]鄭君里.信號與系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2000：5

[5]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2007：6

The simulation experiments for dynamically identifying and compensating fiber-optic displacement sensor system

JIA Qun

Based on the fiber-optic displacement sensor for a dynamic system testing，the experimental data by the corresponding system identification and compensation，by the gradient correction model of impulse response and filter design to determine the more appropriate system model，and achieve a better system identification result.

fiber optic displacement sensor；dynamic system；identification

TP15

A

1009-9530（2012）03-0014-03

2011-12-21

淮南師范學院科學研究項目（2011LK84）

賈群（1976-），男，淮南師范學院電氣信息工程學院副教授，研究方向：自動控制與檢測技術。