基于重叠因子优化的超流体陀螺量程扩展设计

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1、2016年11月第42卷第11期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsNovember2016V01．42No．11http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0747基于重叠因子优化的超流体陀螺量程扩展设计赵玉龙1，任元2一，沈怀荣2(1．装备学院研究生管理大队，北京101416；2．装备学院航天装备系，北京101416)摘要：针对热驱动型双弱连接超流体陀螺的幅值．角速度单值求解区间因工作凸线呈周

2、期性而制约超流体陀螺量程的突出问题，提出了一种基于重叠因子优化的超流体陀螺量程扩展方法。首先在明晰陀螺量程受限机理的基础上，设计了幅值锁定量程扩展方案。其次分析了热相位与温升延时的关系，引入重叠因子的概念，提出了一种基于重叠因子的遗传优化方法来实现幅值锁定参数优化：通过间接编码三角形隶属函数左半宽度，在避免出现相邻隶属函数无重叠或重叠太多的前提下，对模糊线性隶属函数进行遗传优化，寻找幅值锁定系统最优参数。通过与传统比例(P)控制下幅值锁定的仿真对比表明，该方法能够使超流体陀螺的薄膜幅值快速且稳定地锁定在期望值。在保证测量精度的同时提高了陀螺系统的量程范围。关键词：超流体陀螺；量程扩展；幅

3、值锁定；热相位；重叠因子中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)11-2436-09惯性导航技术是空间站、卫星、导弹、舰船、机器人等高性能装备的关键技术之一⋯。惯导系统的核心部件是实现检测功能的陀螺仪，自19世纪机械陀螺问世至今，其先后经历了传统的机电式陀螺(如液浮陀螺、气浮陀螺和磁浮陀螺)、光学陀螺到量子陀螺的发展阶段嵋。。随着高分辨率对地观测系统、载人航天和探月工程等重大专项任务的推进，对未来惯导系统在体积、精度、灵敏度等方面提出了越来越高的指标要求。为了突破传统的思维模式，实现惯导系统的跨越式发展，许多学者开始致力于寻求新的物理效应，研究基于新

4、的测量原理或测量方式的陀螺仪。近年来随着低温物理学科的发展，超流体陀螺开始进入人们的视线∞圳，由美国加州大学Packard提出的基于交流约瑟夫森效应的双弱连接超流体陀螺拍]，在精度、体积、温度要求和受噪声影响等方面具有巨大的优势。理论上基于物质波干涉的超流体干涉仪的角速度检测灵敏度比基于光子干涉的光纤陀螺灵敏度高将近10个数量级旧’。目前超流体陀螺的研究尚停留在机理推导和初步实验阶段"’，特别是在超流体陀螺高精度大量程设计和控制系统设计方面，还存在很多问题需要深入研究。文献[8]对双弱连接超流体陀螺干涉仪进行了原理推导和相关实验，从薄膜幅值中提取出地球自转角速度分量，从而提出将其发展为新

5、型陀螺的构想；文献[9—10]的研究表明，超流体陀螺可高灵敏、高精度感知角速度，其可检测角速度范围有限，但未提出可行的量程扩展方案；文献[11—12]提出热像移辅助方法来扩大超流体陀螺的量程，但未考虑系统惯性延迟的问题，从而不可避免地制约超流体陀螺的敏感精度和动态特性。文献[13]虽然考虑了一阶惯性滞后，为热像移辅助回路设计了简单可行的比例(p)控制器，但系统的收稿日期：2015-11—12；录用El期：2015-11-28；网络出版时间：2015-12-0914：33网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151209．1433．001．

6、html基金项目：国家自然科学基金(51475472)；国家“863”计划(2015AA8018038C){通讯作者：Tel．：010-66364384E—mail：renyuan823@aliyun．corn引用格式：赵玉龙，任元，沈怀荣．基于重叠团子优化的超流体陀螺量程扩展设计ⅡJ．北京航空航天大学学报，2016，42(j1)：2436．2444．ZHAOyL，RENy，SHENHR．RangeextensiondesignonsuperfluidgyroscopebasedonoverlapfactoroptimizationfJJ．JournalofBeijingUniversi

7、tyofAeronauticsandAstronautics，2016，42(11)：2436—2444(inChinese)．第11期赵玉龙，等：基于重叠因子优化的超流体陀螺量程扩展设计M纠动态性能和控制精度有待进一步提高。此外，关热驱动装置通过加热铜镍合金的电阻丝来改于模糊控制系统优化设计方面，文献[14]提出采变干涉腔内的温度和压力，使弱连接两端形成一用粒子群算法来优化模糊控制规则，算法简单且定的驱动势能⋯：计算方便，但容易陷