[發明專利]一種光電加速度計傳感器數字閉環控制方法

在審

• 申請號: 202010105100.6
• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN111399369A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 高武;苗兆偉
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

本發明針對航空工業慣性導航系統應用中光電加速度計傳感器現有控制算法存在超調大、系統建立時間長等缺陷，提出了一種針對光電加速度計的改進數字閉環控制方法。通過對傳感器表頭信號進行分析、PID參數設定以及采用硬件電路實現等方法，采用抗積分飽和且具有位置權重信息的比例積分微分控制算法，大幅減小了數字閉環控制系統的超調量，減小了系統穩定時間，有效實現了位置靈敏及抗積分飽和，對光電加速度計數字化控制系統的設計具有指導意義，同時對航空工業工程應用具有重要的指導價值。

技術領域

本發明為一種加速度計傳感器數字閉環控制方法，尤其涉及一種光電加速度計傳感器信號抗積分飽和且具有位置權重信息的比例積分微分(簡稱PID)控制算法，適 用于光電加速度計傳感器輸出信號的數字化處理過程。

背景技術

光電加速度計傳感器的結構框圖如圖1所示，主要由光電傳感器表頭、前置放大器、模數轉換器、數字控制器、數模轉換器、放大電路以及三角波產生電路等模塊構 成。該傳感器的工作原理如下：光電傳感器接收來自光窗的自然光，通過光電效應而 產生的電流信號。加速度傳感器系統的正、負向加速度會帶動光電傳感器中光窗的擺 動，使得感光電路上的一對光電二極管受光量不同，從而引發傳感器輸出電流信號量 的變化。該電流信號經由前端讀出系統處理和模/數轉換后送入數字控制器，在數字控 制器中實現PID控制功能，經計算得到的控制信號經過數/模轉換器和放大電路反饋至 光電傳感器的驅動回路，控制的光窗打開面積來控制透光量。

在文獻(顧欣怡,張晞,魏淵.數字閉環加速度計控制器設計與仿真[J].彈箭與制導學 報,2012,32(06):170-173.)的控制方法中，對加速度計傳感器的控制過程分為比例、積分、 微分三個環節，其控制規律為

其中，控制偏差error(t)是線性控制器給定值y_d(t)與實際輸出值y(t)的差值

error(t)＝y_d(t)-y(t)(2)

對采用傳統算法的電子系統階躍輸入信號的進行仿真，可以觀察到系統的階躍響應，如圖2所示，可以看到輸出信號有著超過56％的超調量，系統大約在0.4秒達到 穩定狀態。

根據仿真結果可以看出現有模型具有以下缺點：模型中既不能判斷輸入信號飽和的情況，也沒有對積分設置時間窗口，因此在積分飽和的情況下仍然進行積分操作， 從而造成過飽和，導致控制系統收斂時間較長，從而系統整體達到穩態的建立時間過 長，致使系統靈敏度下降。

發明內容

要解決的技術問題

針對光電加速度計傳感器現有控制算法“超調量大”的問題，本發明提出了對積分過程設置窗口的新型控制方法，解決了光電式加速度計傳感器控制過程中易積分飽 和的難題，達到了減小超調量，提高傳感器靈敏度的目的。

技術方案

一種光電加速度計傳感器數字閉環控制方法，光感傳感器輸出電流信號，該電流信號經放大和模/數轉換后送入數字控制器，在數字控制器中實現PID控制功能，經計 算得到的控制信號經過數/模轉換器和放大電路反饋至光電傳感器的驅動回路，通過控 制光窗的打開面積來改變透光量；其特征在于所述的數字控制器輸出表達式為：

其中，K_p為比例系數，K_i為積分時間系數，K_d為微分時間系數；在MATLAB 中利用PIDTuner軟件工具，得到K_p、K_i和K_d的最優值；error(k)為輸入和輸出的偏 差，t_s為采樣周期，U_max為反饋回路中力矩線圈的最大輸出量；W_i為影響積分過程的 積分力度的位置權重因子：