摘要：新的供电电压等级和供电电流等级的不断提高，使系统的测量和保护精度要求不断提高。干涉式光纤电流传感器（Fiber-Optic Current Sensors ，FOCS）已逐渐为电力工程领域所接受。本文概述了研究光纤电流传感器的意义及其发展状况。研究设计了数字闭环光纤电流传感器。对闭环光纤电流传感器进行物理建模和动态建模，并在MATLAB/SIMULINK环境下完成对整个控制系统的设计和仿真实验。最后对文中方案进行深入分析。
关键词：光纤电流传感器；数字控制；闭环；Faraday效应
1 引言
光纤传感技术是一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术。光纤传感器的基本原理是：光纤传感器将从光源出射的光经过光纤送至调制区，在调制区，光的性质发生变化，携带传感信息经光纤送入光电探测器，解调光而获得传感信息。本文研究的干涉式光纤电流传感器，是一种功能型、相位调制的电流传感器，通过对其全面的研究，为这种传感器的进一步发展起到一定的促进作用。
2 光纤电流传感器的基本结构及工作原理
闭环光纤电流传感器的最小系统由光路部分和电路部分组成，其系统结构如图2所示。当光纤环中有电流通过时，在两束反向传播的光束中产生一个相位差。光电探测器接收到光相位差信号，经过光电转换后输出一个电压信号，这个电压信号是相位差的余弦函数。为了提高光纤电流传感器的灵敏性并扩大动态输入范围，系统引入了动态方波偏置和数字相位斜坡反馈，使光纤电流传感器工作在灵敏度最高的零相位的状态下。
3 数字控制器设计与仿真
数字闭环光纤电流传感器动态模型可以表示为图7所示。由于干涉输出的余弦关系、A/D转换的量化误差、数据处理中的截短效应等非线性因素，图7所示的动态模型是非线性的，这样就给系统仿真增加了困难和复杂性。但经过一些合理的等效近似，图7中的非线性传递函数可以用等效近似的线性传递函数来代替，这样非线性模型就可以简化为线性模型。
系统稳定需要各参数满足一定的要求。以下就根据各参数需满足的要求对不同控制进行matlab仿真，并根据实际仿真中遇到的情况对各参数进行调整，使系统仿真结果最终达到比较满意的效果。
当系统输入为单位阶跃时，仿真如图8所示。由图8可知，控制器中加入积分环节起到消除稳态误差作用，积分环节放大倍数越小则稳态性能越好，但会引起动态性能变差，引入数字PID控制并合理选择参数，可以减小系统超调，缩短调整时间，改善动态性能。在控制器设计中，要根据光纤电流传感器的实际应用背景和性能指标要求来综合考虑每个参数的取值。PID控制算法中时，代入PID控制时系统稳定满足的条件，各式均成立，系统此时稳定。
4 总结
本论文研制的光纤电流传感器克服了传统电流互感器所存在的缺点，具有体积小、重量轻、成本低、安全可靠性好等优点。
参考文献
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论文作者:侯美
论文发表刊物:《科技中国》2017年9期
论文发表时间:2018/2/9
标签：光纤论文; 电流传感器论文; 闭环论文; 系统论文; 相位论文; 相位差论文; 动态论文; 《科技中国》2017年9期论文;