[发明专利]一种光电加速度计传感器数字闭环控制方法

说明书

本发明针对航空工业惯性导航系统应用中光电加速度计传感器现有控制算法存在超调大、系统建立时间长等缺陷，提出了一种针对光电加速度计的改进数字闭环控制方法。通过对传感器表头信号进行分析、PID参数设定以及采用硬件电路实现等方法，采用抗积分饱和且具有位置权重信息的比例积分微分控制算法，大幅减小了数字闭环控制系统的超调量，减小了系统稳定时间，有效实现了位置灵敏及抗积分饱和，对光电加速度计数字化控制系统的设计具有指导意义，同时对航空工业工程应用具有重要的指导价值。

技术领域

本发明为一种加速度计传感器数字闭环控制方法，尤其涉及一种光电加速度计传感器信号抗积分饱和且具有位置权重信息的比例积分微分(简称PID)控制算法，适 用于光电加速度计传感器输出信号的数字化处理过程。

背景技术

光电加速度计传感器的结构框图如图1所示，主要由光电传感器表头、前置放大器、模数转换器、数字控制器、数模转换器、放大电路以及三角波产生电路等模块构 成。该传感器的工作原理如下：光电传感器接收来自光窗的自然光，通过光电效应而 产生的电流信号。加速度传感器系统的正、负向加速度会带动光电传感器中光窗的摆 动，使得感光电路上的一对光电二极管受光量不同，从而引发传感器输出电流信号量 的变化。该电流信号经由前端读出系统处理和模/数转换后送入数字控制器，在数字控 制器中实现PID控制功能，经计算得到的控制信号经过数/模转换器和放大电路反馈至 光电传感器的驱动回路，控制的光窗打开面积来控制透光量。

在文献(顾欣怡,张晞,魏渊.数字闭环加速度计控制器设计与仿真[J].弹箭与制导学 报,2012,32(06):170-173.)的控制方法中，对加速度计传感器的控制过程分为比例、积分、 微分三个环节，其控制规律为

其中，控制偏差error(t)是线性控制器给定值y_d(t)与实际输出值y(t)的差值

error(t)＝y_d(t)-y(t)(2)

对采用传统算法的电子系统阶跃输入信号的进行仿真，可以观察到系统的阶跃响应，如图2所示，可以看到输出信号有着超过56％的超调量，系统大约在0.4秒达到 稳定状态。

根据仿真结果可以看出现有模型具有以下缺点：模型中既不能判断输入信号饱和的情况，也没有对积分设置时间窗口，因此在积分饱和的情况下仍然进行积分操作， 从而造成过饱和，导致控制系统收敛时间较长，从而系统整体达到稳态的建立时间过 长，致使系统灵敏度下降。

发明内容

要解决的技术问题

针对光电加速度计传感器现有控制算法“超调量大”的问题，本发明提出了对积分过程设置窗口的新型控制方法，解决了光电式加速度计传感器控制过程中易积分饱 和的难题，达到了减小超调量，提高传感器灵敏度的目的。

技术方案

一种光电加速度计传感器数字闭环控制方法，光感传感器输出电流信号，该电流信号经放大和模/数转换后送入数字控制器，在数字控制器中实现PID控制功能，经计 算得到的控制信号经过数/模转换器和放大电路反馈至光电传感器的驱动回路，通过控 制光窗的打开面积来改变透光量；其特征在于所述的数字控制器输出表达式为：

其中，K_p为比例系数，K_i为积分时间系数，K_d为微分时间系数；在MATLAB 中利用PIDTuner软件工具，得到K_p、K_i和K_d的最优值；error(k)为输入和输出的偏 差，t_s为采样周期，U_max为反馈回路中力矩线圈的最大输出量；W_i为影响积分过程的 积分力度的位置权重因子：