CN102830249A - 一种加速度传感器传递函数的辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种角加速度传感器传递函数辨识方法，其特征在于具体方法如下：首先在伺服转台上安装角加速度传感器，角加速度传感器直接感应测量伺服转台的角加速度；输入信号为不同频率和幅值的角加速度使伺服转台转动，角加速度传感器测量的角加速度作为输出信号，用计算机处理后得到伺服转台和角加速度传感器作为一个整体的传递函数。分离去掉伺服转台的传递函数后，得到角加速度传感器的传递函数。根据角传递函数可对角加速度传感器的滞后进行补偿，提高测量精度和实时性。

Description

一种加速度传感器传递函数的辨识方法
技术领域
本发明涉及一种伺服转台角加速度传感器传递函数辨识方法，属于自动控制领域，适用于对伺服控制系统角加速度信号采集与处理改进。
背景技术
在光电跟踪系统伺服转台的控制中，通常采用伺服转台的速度和加速度等效代替目标的速度和加速度构成等效复合控制，或者采用伺服转台的加速度信息构成加速度环节进行校正。因此，准确获取伺服转台加速度对提高光电跟踪系统的跟踪精度具有极其重要的意义。获取伺服转台加速度的有效方法是在伺服转台上安装角加速度传感器。角加速度传感器是一个惯性器件，输出有一定的滞后，因此角加速度传感器输出的加速度信息有一定的滞后误差。为了准确得到伺服转台的加速度信息，必须对角加速度传感器的滞后进行补偿。因此，需要研究角加速度传感器的数学模型。传递函数是在复数域内的数学模型，与描述系统运动规律的微分方程是对应的。可根据组成系统各单元的传递函数和它们之间的联结关系导出整体的传递函数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种伺服转台角加速度传感器传递函数辨识方法，是为了准确获得伺服转台的加速度信息，补偿角加速度传感器的滞后而提出的一种角加速度传感器传递函数辨识与滞后补偿的方法。
本发明的技术方案是这样实现的，一种伺服转台角加速度传感器传递函数辨识方法，其特征在于具体方法如下：1）首先在伺服转台上安装角加速度传感器，角加速度传感器和伺服转台采用直接耦合的联接方式；给伺服转台施加不同频率的加速度信号，通过角加速度传感器及信息处理模块得到伺服转台的加速度信息；用MATLAB对输入信号和输出信号进行处理可得到伺服转台和角加速度传感器作为一个整体的bode图；2）再根据伺服转台的传递函数并利用参数递阶辨识原理拟合得到角加速度传感器的传递函数，伺服转台即驱动电路与跟踪架的传递函数为：                                                
Figure 2012102936534100002DEST_PATH_IMAGE001
；3）最后根据传递函数进行滞后补偿，进而实现角速度传感器的准确测量。
所述的加速度传感器的角加速度传感器选用的CJ41A-2E型压电角加速度传感器，测量范围：（-100～+100）°/s2，分辨率为0.02°/s2。
所述的角加速度传感器信息处理模块，采用了Atmegal16处理器和16位A/D转换模块采用AD974芯片。
所述的角加速度传感器的模型为二阶系统。
本发明的积极效果是：由于本发明可对角加速度传感器的滞后进行补偿，克服了角加速度传感器自身惯性引起的滞后所带来的误差，改善了加速度信号的测量结果，提高了准确性。所得到的角加速度信号可作为前馈控制信号传送给伺服控制机构，也可用于监控伺服转台的动态性能，对于光电跟踪系统伺服控制技术的研究具有积极意义。
附图说明
图1为本发明伺服转台角加速度传感器传递函数测试示意图。
图2为伺服转台和角加速度传感器传递函数测试原理图。
图3为角加速度传感器传递函数测试与校正流程图。
图4为matlab曲线拟合工具操作界面。
图5为伺服转台bode图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：如图1所示，一种伺服转台角加速度传感器传递函数辨识方法，包括有：角加速度传感器、角加速度传感器信息处理模块、计算机、转动平台、力矩电机、PWM功率放大器和伺服控制器构成，其中转动平台和力矩电机直接耦合，PWM功率放大器提供力矩电机转动的动力，计算机接收转动平台的位置、速度和加速度信息并进行处理。图2为伺服转台和加速度计传递函数测试原理图，由输入和输出信号可以得到驱动电路、跟踪架和角加速度传感器三者作为一个整体的传递函数，由驱动电路和跟踪架二者作为一个整体的传递函数即可得到角加速度传感器的传递函数。图3为角加速度传感器传递函数测试与校正流程图。具体方法如下：1）首先在伺服转台上安装角加速度传感器，角加速度传感器和伺服转台采用直接耦合的联接方式；角加速度传感器直接感应测量伺服转台的角加速度；输入信号为不同频率和幅值的角加速度使伺服转台转动，角加速度传感器测量的角加速度作为输出信号，用计算机处理后利用参数递阶辨识原理拟合得到伺服转台和角加速度传感器作为一个整体的传递函数，通过角加速度传感器及信息处理模块得到伺服转台的加速度信息；用MATLAB对输入信号和输出信号进行处理可得到伺服转台和角加速度传感器作为一个整体的bode图；2）再根据伺服转台的传递函数并利用参数递阶辨识原理拟合得到角加速度传感器的传递函数， 3）分离去掉伺服转台的传递函数后，得到角加速度传感器的传递函数，最后根据传递函数进行滞后补偿，进而实现角速度传感器的准确测量。
为了准确获得被控对象的频率特性及其传递函数，首先要根据角加速度自身的响应频率选择合理的输入信号，输入信号为不同频率的加速度信号（起始频率为0.01，截止频率为79）；然后通过角加速度传感器及信息处理模块得到伺服转台的角加速度。利用谱分析方法和相关分析方法用MATLAB进行计算处理后，可以得到输入、输出信号在不同频率时的幅值比和相位差，如表1所示： 
Figure 951707DEST_PATH_IMAGE002
Figure 848993DEST_PATH_IMAGE003
Figure 154204DEST_PATH_IMAGE004
根据表1的数据，用MATLAB中自带的Curve Fitting Tool工具箱进行曲线拟合，如图4所示，拟合类型选用Custom Equations。结合伺服转台的传递函数和角加速度传感器的数学模型，利用参数递阶辨识原理拟合得到角加速度传感器的传递函数为：
Figure 333512DEST_PATH_IMAGE005
由角加速度传感器的传递函数可知，其二阶系数远远小于一阶系统，且其值较小，因此可以把加速度计看作为一个增益和惯性环节，即
Figure 2012102936534100002DEST_PATH_IMAGE006
对加速度计的惯性环节和增益环节进行校正。选用校正环节为：
Figure 923150DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 2012102936534100002DEST_PATH_IMAGE008
。
利用双线性变换对上式进行Z变换以进行计算机实现，令
Figure 878205DEST_PATH_IMAGE009
，其中T=0.0025为加速度计的采样周期，可以得到下式：
Figure 2012102936534100002DEST_PATH_IMAGE010
为验证上述方法的准确性，可以用校正后的角加速度传感器再次对伺服转台的传递函数测试并和伺服转台的bode图对比，如图5所示。
由图5可以看出，在频率为0.7-28Hz的带宽中，两条曲线基本一致。在低频的开始阶段，幅频特性相同，相位滞后较大。分析其原因，主要是转台低频转动时受摩擦力的影响，尽管输入加速度信号较大，但是速度信号较小，所以设备自身的加速度也较小，并且其值小于角加速度传感器的分辨率。而当频率大于30Hz时（即超过角加速度传感器的响应频率），相频特性和幅频特性都发生了较大变化。因此，利用本专利所述方法测试角加速度传感器的传递函数，并进行校正是可行的。

Claims (4)

1.一种伺服转台角加速度传感器传递函数辨识方法，其特征在于具体方法如下：1）首先在伺服转台上安装角加速度传感器，角加速度传感器和伺服转台采用直接耦合的联接方式；角加速度传感器直接感应测量伺服转台的角加速度；输入信号为不同频率和幅值的角加速度使伺服转台转动，角加速度传感器测量的角加速度作为输出信号，用计算机处理后利用参数递阶辨识原理拟合得到伺服转台和角加速度传感器作为一个整体的传递函数，通过角加速度传感器及信息处理模块得到伺服转台的加速度信息；用MATLAB对输入信号和输出信号进行处理可得到伺服转台和角加速度传感器作为一个整体的bode图；2）再根据伺服转台的传递函数并利用参数递阶辨识原理拟合得到角加速度传感器的传递函数，伺服转台即驱动电路与跟踪架的传递函数为：                                               
Figure 2012102936534100001DEST_PATH_IMAGE002
；3）分离去掉伺服转台的传递函数后，得到角加速度传感器的传递函数，最后根据传递函数进行滞后补偿，进而实现角速度传感器的准确测量。
2.根据权利要求1所述的角加速度传感器传递函数辨识方法，其特征在于所述的加速度传感器的角加速度传感器选用的CJ41A-2E型压电角加速度传感器，测量范围：（-100～+100）°/s2，分辨率为0.02°/s2。
3.根据权利要求1所述的角加速度传感器传递函数辨识方法，其特征在于所述的角加速度传感器信息处理模块采用Atmegal16处理器和16位A/D转换模块采用AD974芯片。
4.根据权利要求1所述的角加速度传感器传递函数辨识方法，其特征在于所述的角加速度传感器的模型为二阶系统。
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