石英撓性加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)控制研究

朱海燕，葉凌云，彭皓嵐，馬才偉

(浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310027)

0 引 言

石英撓性加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)控制可以減小模擬閉環(huán)控制中因?yàn)锳/D 轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的精度降低的問(wèn)題［1］，并且易于控制和集成。關(guān)于石英撓性加速度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)控制，多采用PWM 波反饋加矩的方式［2］。但是，由于加表表頭的力矩線圈存在電感，因而會(huì)影響輸入加速度值的準(zhǔn)確測(cè)量。

針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了基于A/D，D/A 直接轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的方法［3，4］。該方法的反饋電流是直流信號(hào)，因而消除了線圈電感的影響。在數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)中，還需要一個(gè)合適的算法。國(guó)外Rojo D 等人提出過(guò)基于PID 算法的數(shù)字閉環(huán)加速度計(jì)設(shè)計(jì)專利［5］，國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)等單位采用的也是PID 或PI 控制算法［3，6］。但是，該算法控制精度和實(shí)時(shí)性較差［7］。為了提高數(shù)字加速度計(jì)的性能，要求系統(tǒng)超調(diào)不超過(guò)5%，控制精度達(dá)到0.001%，調(diào)節(jié)時(shí)間在10 拍以內(nèi)。

基于以上要求，本文提出了最少拍無(wú)紋波算法。該算法是一種時(shí)間最優(yōu)的算法，理論上可以解決PID 算法的上述問(wèn)題。本文針對(duì)具體的表頭模型，分別設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的PID 控制算法和最少拍無(wú)紋波控制算法，并仿真對(duì)比了系統(tǒng)超調(diào)、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標(biāo)。

1 數(shù)字閉環(huán)石英撓性加速度計(jì)表頭模型

石英撓性加速度計(jì)表頭相當(dāng)于系統(tǒng)的傳感器，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1 所示［8］。

擺片的動(dòng)力學(xué)模型可以近似為典型的二階模型［9］，數(shù)學(xué)方程式為

圖1 石英撓性加速度計(jì)表頭結(jié)構(gòu)Fig 1 Mechanical meter structure of quartz flexible accelerometer

其中，θ 為擺片轉(zhuǎn)角，(°);M 為外力矩，Nm;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Nms2;C 為阻尼系數(shù)，Nms;K 為擺組件的剛度，Nm/rad。

這里不去詳細(xì)討論如何對(duì)表頭進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，而是以現(xiàn)有的石英撓性加速度計(jì)為研究對(duì)象來(lái)比較兩種控制算法，其表頭連續(xù)域傳遞函數(shù)［2］為

2 數(shù)字閉環(huán)加速度計(jì)最少拍無(wú)紋波控制算法設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)最少拍算法，首先需要知道最少拍系統(tǒng)的原理框圖，如圖2 所示。其中，R(z)為輸入信號(hào)傳遞函數(shù)，D(z)為需要設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器，G(z)為包含零階保持器在內(nèi)的廣義受控對(duì)象傳遞函數(shù)，C(z)為輸出信號(hào)傳遞函數(shù)，Φ(z)為閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

圖2 最少拍控制系統(tǒng)原理框圖Fig 2 Principle block diagram of deadbeat control

由圖2 可以得出系統(tǒng)的閉環(huán)Z 域傳遞函數(shù)為

其中

可見(jiàn)，求解最少拍無(wú)紋波控制器的步驟有以下三步:

1)構(gòu)建被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，即求解Gc(s);

2)確定系統(tǒng)采樣頻率，即確定H(s)的表達(dá)式;

3)根據(jù)系統(tǒng)最少拍無(wú)紋波的要求，構(gòu)造Φ(z)。

步驟(1)在上面已有說(shuō)明，這里不再贅述，下面介紹步驟(2)，(3)。

2.1 采樣頻率的確定

理論上采樣頻率越高，越能復(fù)現(xiàn)原始信號(hào)。但是，采樣率增加會(huì)使系統(tǒng)帶寬增大，引入更多的高頻噪聲［10］。另外，采樣率增加會(huì)使系統(tǒng)的極點(diǎn)更趨近單位圓，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，采樣率的確定要綜合各種因素來(lái)考慮。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般設(shè)定采樣率為系統(tǒng)帶寬的10 ～20 倍，這樣可以確保數(shù)字控制器與連續(xù)控制器的性能相匹配［11］。由于加速度信號(hào)的頻率一般不會(huì)超過(guò)1 kHz，所以，本文最終選取采樣頻率為10 kHz。

2.2 最少拍無(wú)紋波控制器設(shè)計(jì)

由上面式(1)、式(3)可得

由圖2 可知，控制系統(tǒng)的誤差信號(hào)e(k)的Z 域傳遞函數(shù)為

誤差傳遞函數(shù)Φe(z)會(huì)因?yàn)椴煌牡湫洼斎胄盘?hào)而不同，本系統(tǒng)的輸入信號(hào)可以認(rèn)為是一個(gè)個(gè)小的階躍信號(hào)［12］。單位階躍信號(hào)的Z 變換為

根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求可得

最終得到數(shù)字控制器傳遞函數(shù)為

3 仿真驗(yàn)證

本文對(duì)兩種算法的控制效果進(jìn)行了Simulink 仿真，在相同的采樣頻率和系統(tǒng)帶寬的條件下，對(duì)比了系統(tǒng)超調(diào)、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差等方面性能。

3.1 最少拍無(wú)紋波控制算法的Simulink 仿真

Simulink 環(huán)境下的最少拍無(wú)紋波控制算法仿真框圖如圖3 所示，輸入是單位階躍信號(hào)(Step)，輸出通過(guò)示波器(Scope)來(lái)觀察，采樣頻率f=10 kHz。

圖3 最少拍無(wú)紋波控制算法Simulink 仿真圖Fig 3 Simulation diagram of ripple-free deadbeat control algorithm by simulink

仿真結(jié)果如圖4(a)～(d)所示。

由圖4 可以得到系統(tǒng)具體性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 最少拍無(wú)紋波控制系統(tǒng)性能指標(biāo)Tab 1 Performance indexes of ripple-free deadbeat control system

圖4 最少拍無(wú)紋波控制算法仿真結(jié)果Fig 4 Simulation results of ripple-free deadbeat control algorithm

3.2 PID 控制算法的Simulink 仿真

Simulink 環(huán)境下的PID 控制算法仿真框圖如圖5 所示。

圖5 PID 算法的Simulink 仿真圖Fig 5 Simulation diagram of PID algorithm by simulink

通過(guò)調(diào)節(jié)Simulink 工具箱中的Tune 按鈕，動(dòng)態(tài)地調(diào)整PID 參數(shù)，使得系統(tǒng)的帶寬與最少拍無(wú)紋波控制算法一致。仿真結(jié)果如圖6(a)～(d)所示。

圖6 PID 控制算法仿真結(jié)果Fig 6 Simulation results of PID control algorithm

由圖6 可以得到系統(tǒng)具體性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 PID 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)Tab 2 Performance indexes of PID control system

結(jié)合圖4(a)和圖6(a)可知，PID 控制系統(tǒng)超調(diào)為6.71%，超過(guò)5%，遠(yuǎn)大于最少拍算法的超調(diào);調(diào)節(jié)時(shí)間為1.29 ms，超過(guò)10 拍，遠(yuǎn)大于最少拍算法的0.287 ms。因此，PID 控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和相對(duì)穩(wěn)定性較最少拍算法要差。

結(jié)合圖4(b)和圖6(b)可知，PID 控制系統(tǒng)的諧振峰增益相對(duì)較大，幅值裕度和相位裕度相對(duì)較小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較最少拍算法要差。

結(jié)合圖4(c)和圖6(c)可知，PID 控制系統(tǒng)的極點(diǎn)分布更趨向于單位圓，系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性較最少拍算法要差。

結(jié)合圖4(d)和圖6(d)可知，PID 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為8.56×10－4，大于0.001%，而最少拍系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差只有3.85×10－11，遠(yuǎn)小于0.001%。PID 控制系統(tǒng)達(dá)到該精度的時(shí)間為53.9 ms，遠(yuǎn)大于最少拍系統(tǒng)的5.9 ms。因此，PID 系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度較最少拍算法要差。

綜合以上可知，雖然PID 算法可以使系統(tǒng)穩(wěn)定，但是與最少拍無(wú)紋波控制算法相比，PID 算法達(dá)到穩(wěn)態(tài)需要更長(zhǎng)的調(diào)節(jié)間，并且系統(tǒng)的超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差也更大。因此，PID控制算法在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等方面的性能較最少拍無(wú)紋波算法相對(duì)較差。

4 結(jié) 論

在石英撓性加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)中，最少拍無(wú)紋波算法比PID 算法具有更好的控制性能。仿真證明:在相同的帶寬和采樣頻率下，最少拍無(wú)紋波算法的超調(diào)量遠(yuǎn)小于5%，調(diào)節(jié)時(shí)間只需要3 個(gè)采樣周期，穩(wěn)態(tài)精度可以達(dá)到0.001%以下，綜合性能優(yōu)于PID 算法。因此，在一些對(duì)控制精度和響應(yīng)速度均有較高要求的場(chǎng)合，最少拍無(wú)紋波控制算法有著很大的應(yīng)用價(jià)值。

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