光纤位移传感系统动态辨识及补偿实验仿真

贾群

（淮南师范学院 电气信息工程学院，安徽 淮南 232038）

光纤位移传感系统动态辨识及补偿实验仿真

贾群

（淮南师范学院 电气信息工程学院，安徽 淮南 232038）

通过对光纤位移传感器进行动态系统测试，并由实验数据进行相应的系统辨识和补偿，通过脉冲响应梯度校正模型和滤波器设计确定较为合适的系统模型，达到了较好的系统辨识效果。

光纤位移传感器；动态系统；辨识

前言

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有非常大的区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。它同时具有光纤及光学测量的特点，具有电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、非侵入性、高灵敏度/容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。反射式光纤位移传感器与传统的位移传感器相比，具有无可比拟的优势，它具有灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、安全可靠等特点，特别适合于在超长距离或恶劣环境下使用[1]。

1 光纤位移传感实验系统

（1）实验条件：

图1 光纤位移传感实验系统

（2）实验所需器材[2]：

单元及部件：主、副电源、差动放大器、光纤位移传感器、低通滤波器、振动台、低频振荡器、激振线圈、示波器。

（3）实验过程：

①测微头与振台面脱离，测微头远离振动台。将光纤探头与振动台反射纸的距离调整在光纤传感器工作点，可利用静态特性实验中的得到特性曲线，选择线性中点的位置为工作点，目测振动台的反射板与光纤探头端面之间相对距离即线性区△X中点；

②低频振荡信号接入振动台激振线圈上，开启电源，调节低频振荡器频率与幅度旋钮，使振动台振动且振动幅度适中；

③保持低频振荡器输出Vp-p幅值不变，改变低频振荡器的频率，用示波器观察幅频特性曲线并进行系统辨识。

2 系统辨识过程

2.1 辨识基本理论

对于一个系统，在输入输出数据的基础上，从一组给定模型类中，确定一个与所测系统等价的模型，这种方法叫做辨识。辨识方法是在实际应用中获取系统模型的最为重要的手段之一，也是数学模型和实际应用联系的纽带。系统的测得数据用h(k)表示，输出用z(k)表示，估计辨识模型的输出，实际输出与它的偏差。辨识就是通过某种算法，利用模型输出与实际输出间的误差不断纠正模型参数，最终得到最优模型的过程。

2.2 辨识过程理论依据

由于所辨识对象系统是一个典型的SISO系统，所以可采用脉冲响应梯度校正模型（当然还可采用其他方法模型）[3]。

图2 脉冲响应梯度校正模型

系统的输出 yk与输入序列 u（k-1）、u（k-2）、u（k-N）的关系可以表示为：

其中，g1，g2，…gN组成系统的脉冲响应。

利用实验数据辨识系统的脉冲响应，由于实测数据较少，N可取3时，则有：

图3 输入脉冲离散数据的响应

图4 输出辨识参数模型

从图3、图4上可以看出设定的N=3个辨识参数能够基本上达到稳定，输出误差也能够达到稳定。被辨识的参数，随着实验数据的增加，可以增加系统模型递推的能力，可以提高算法的收敛性和泛化性，所以要提高系统的辨识能力需要一定的数据规模进行建模。

2.3 脉冲响应传递函数的递推

图5 基于脉冲递推辨识关系的幅度响应

图6 输入脉冲响应

从图5、图6可以看出随着采样增长输出幅度趋于稳定，说明系统模型具有一定逼近性。

3 系统动态补偿的设计

3.1 基本思路和步骤

（1）考虑到被测对象本身连续过程，把求解出来的离散模型采用b2c转换为连续模型

（2）采用FDAtool进行滤波器的设计[4]

（3）采用simulink进行仿真模拟[5]

（4）根据模拟滤波器绘制模拟电路图

3.2 b2c转换

4 simulink中对原模型进行仿真

图7 系统阶跃响应

在输入阶跃信号时，示波器输出波形从图7中发现阶跃响应有杂波，所以在滤波器设计中应消除噪声信号。通过滤波处理杂波基本被滤除，但是牺牲了一定的响应时间和带宽。

5 结语

在实验过程中通过matlab进行仿真，对构建光纤位移传感系统模型进行了一定的参数设计和选择，并通过滤波系统的设计，使控制模型达到较好地对光纤位移传感系统进行动态辨识的目的。

[1]田裕鹏.传感器原理[M].北京：科学出版社，2007：9

[2]杭州赛特传感器实验指导书

[3]李永新，卜雄洙等.动态测量原理讲义全本[M].南京：南京理工大学出版社，2010：8

[4]郑君里.信号与系统[M].北京：高等教育出版社，2000：5

[5]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，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

淮南师范学院科学研究项目（2011LK84）

贾群（1976-），男，淮南师范学院电气信息工程学院副教授，研究方向：自动控制与检测技术。