CN103217554A - 多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统及方法，系统有由高精度分度头和安装在高精度分度头上的多个加速度计表头构成的测试组件、对采集信号进行预处理的信号预处理模块、对测试组件进行辨识并获得控制器参数的信号分析单元、对测试组件的输出信号进行处理实现再平衡回路的闭环的硬件生成单元和电源模块，测试组件、信号预处理模块及信号分析单元依次连接，信号分析单元分别连接硬件生成单元、加速度计表头和电源模块。方法是通过采集多个加速度计表头的输入、输出数据对其进行系统辨识，得到多个加速度计表头数学模型的准确估计，并通过将仿真结果与测试数据对比对辨识效果进行验证。本发明简化了控制器设计和调试过程，并提高了测量、控制精度。

Description

多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统及方法

技术领域

本发明涉及一种多加速度计的参数辨识、匹配与硬件生成系统。特别是涉及一种适用于挠性加速度计等惯性导航元件的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统及方法。 

背景技术

在惯性导航系统中，加速度计是基本测量元件之一。它安装在运动载体上，用来敏感、测量运动载体的加速度，经过计算，可求得载体的运动轨迹，同时产生对载体运动的控制信号。石英挠性加速度计是一种机械摆式加速度计，它具有结构简单、体积小、精度和灵敏度高、功耗小、易于小型化等优点，广泛应用于航空、航天、航海及陆地导航控制领域。 

敏感加速度的传感器在受到外来加速度作用时，会产生与加速度成正比的电信号。通常这个信号是极其微弱的，无法直接加载到力矩器线圈上以提供足够大的平衡力矩，这就需要在差动电容结构和力矩器之间设计再平衡回路。再平衡回路与表头一起构成完整的加速度计系统。再平衡回路的性能直接影响加速度计的动、静态特性和控制、测量精度，在加速度计系统设计和多加速度计匹配设计中占据重要位置。 

随着科学技术的不断发展，对导航技术的要求不断提高，使得对再平衡回路的测量和控制精度的要求不断提高。目前，加速度计控制回路按照所用元器件的特性来分主要有两种，模拟再平衡回路和数字再平衡回路。模拟再平衡技术是一种传统的加矩方式，因其结构简单、技术成熟而被广泛的应用。但是随着加速度计应用范围的扩大和性能要求的提高，模拟技术的不足逐渐显现出来。随着微处理器集成度和运算性能的提高，数字再平衡技术精度高、抗干扰能力强的优势越来越明显。模拟再平衡技术已经逐步被数字再平衡技术所取代。 

对于模拟再平衡回路和数字再平衡回路，其设计有多种实现方式，采用的技术方法不同，但设计过程相似，通过试凑法设计回路参数，最后在调试中根据实际情况对回路进行进一步调整。这种设计方法严重制约了加速度计控制回路技术的发展，主要体现在： 

（1）对于控制回路设计者，加速度计表头参数往往是未知的，即表头理论数学模型无法精确确定。由于受加工与制造过程所限，即使可以经过理论计算得到的参数也不能准确反映实际的加速度计表头参数，而且同一批次不同加速度计之间也存在差异，表头参数有时会差别很大，由此给控制器的设计带来很大困难； 

（2）通过试凑法在实际调试中对控制器进行调整。虽然经过多次试凑，可以将设计中的参数进一步调整，但此方法耗时，且具有很大的随机性，难以获得准确的回路参数。 

以上是影响加速度计再平衡回路设计技术进一步发展的主要原因，其直接后果就是加速度计表头的数学模型不能明确，导致控制器的设计存在很大的盲目性，使得回路调试过程效率低下，并且难以保证回路的性能，甚至会影响加速度计的控制和测量精度。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种回路调试效率高，保证回路的性能，保证了加速度计的控制和测量精度的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统及方法。 

本发明所采用的技术方案是：一种多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统，包括由高精度分度头和安装在高精度分度头上的多个加速度计表头构成的测试组件、对采集信号进行预处理的信号预处理模块、通过采集测试组件的输入输出信号，对测试组件进行辨识并获得控制器参数的信号分析单元、利用信号分析单元中辨识所得的控制器参数，对测试组件的输出信号进行处理，得到力反馈电流信号，实现再平衡回路的闭环的硬件生成单元和为整个系统提供所需电源的电源模块，其中，所述的测试组件、信号预处理模块及信号分析单元依次连接，所述的信号分析单元分别连接硬件生成单元、加速度计表头和电源模块。 

所述的加速度计表头设置有2个以上，加速度计表头中的力矩器连接信号分析单元，加速度计表头中的差动电容结构连接信号预处理模块的输入端。 

所述的信号预处理模块包括有依次连接的电容电压转换电路、放大电路、信号解调电路以及滤波电路，其中，所述的电容电压转换电路的输入端连接加速度计表头中的差动电容结构的输出端，所述的滤波电路的输出连接信号分析单元的输入端。 

所述的信号分析单元包括有数据处理工控机，分别与数据处理工控机相连接的第一继电器开关电路、数据采集与分析模块和第二继电器开关电路，所述的数据采集与分析模块的输出连接第一驱动电路，其中，所述的第一继电器开关电路的信号输入端连接信号预处理模块的输出端，第一继电器开关电路的输出端选择性的连接数据采集与分析模块和硬件生成单元的信号输入端，所述的第二继电器开关电路的信号输入端选择性的连接第一驱动电路和硬件生成单元的信号输出端。 

所述的硬件生成单元包括有分别连接信号分析单元中的第一继电器开关电路和数据处理工控机的数字再平衡回路，与所述的数字再平衡回路的输出相连的第二驱动电路，所述的第二驱动电路的输出连接信号分析单元中的第二继电器开关电路。 

所述的数字再平衡回路包括有依次连接的模数转换模块、数字信号处理模块和数模转换模块，其中，所述的模数转换模块的输入端连接信号预处理模块的输出端，所述的数模转换模块的输出端连接第二驱动电路的输入端，所述的数字信号处理模块还连接信号分析单元中的数据处理工控机。 

一种用于多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统的硬件生成方法，是借助加速度计硬件生成单元完成如下列步骤： 

1）根据加速度计表头的先验知识，设计多谐波正弦信号为加速度计输入激励信号； 

2）将激励信号施加给加速度计表头，通过数据采集与分析模块，采集加速度计表头的输入-输出数据，对采集到的信号进行预处理； 

3）确定模型结构，通过模型定阶准则判定模型阶数，并对试用模型参数采用最小二乘算法进行拟合估计，对计算所得模型输出与系统真实输出进行比较，对试用模型进行残差分析和拟合度检验，以验证试用模型是否合格，获取后验模型； 

4）对所得加速度计表头模型进行处理，对各个加速度计的表头参数进行估计，包括摆片的转动惯量、阻尼系数、弹簧刚度、差动电容传感器传递系数、力矩器传递函数； 

5）根据获得的加速度计表头的各个参数，通过软件仿真，获得满足多加速度计匹配要求且满足系统稳定性的相位裕度、幅值裕度的控制器结构与参数； 

6）再次通过软件仿真得到系统开环幅频特性、开环相频特性、闭环阶跃响应、闭环幅频特性曲线，并对步骤5）获得的控制器参数进行验证，同时得到多加速度计的匹配精度，将验证后的控制器参数传递至数字再平衡回路。 

本发明的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统及方法，具有如下效果： 

1、通过采集多个加速度计表头的输入、输出数据对其进行系统辨识，得到多个加速度计表头数学模型的准确估计，并通过将仿真结果与测试数据对比对辨识效果进行验证。辨识操作过程简单，精度高、效率高，为再平衡回路的设计提供了可靠依据； 

2、通过辨识得到加速度计表头的各项参数，包括摆片的转动惯量、阻尼系数、弹簧刚度、差动电容传感器传递系数、力矩器传递函数等，为后续设计、测试和分析提供了有益信息； 

3、根据各个加速度计的辨识结果设计满足最佳性能要求且使得多个加速度计匹配的再平衡回路，并通过上位机将控制器参数自动加载至数字系统，实现各个加速度计的闭环以及多个加速度计的匹配。由此简化了控制器设计和调试过程，并提高了测量、控制精度； 

4、硬件生成系统实现纯数字化，通用性强、抗干扰能力强、控制参数易调整、系统可靠性高； 

5、本系统可实现在线辨识，实现多加速度计的实时设计、控制，并进行回路性能分析与测试； 

6、本系统自动化程度高，将数据采集、数据处理、参数辨识、系统控制与系统测试多种功能结合在一起，快速完成数据分析、计算，并得到加速度计系统的各项参数，生成测试报表，便于离线查看与分析。 

附图说明

图1是本发明的整体构成框图； 

图2是本发明中信号预处理模块构成框图； 

图3是本发明中硬件生成单元构成框图； 

图4是本发明中的辨识及控制算法的示意流程图。 

图中， 

1：测试组件             2：信号预处理模块 

3：信号分析单元         4：硬件生成单元 

5：电源模块             11：加速度计表头 

111：力矩器             112：差动电容结构 

12：高精度分度头        21：电容电压转换电路 

22：放大电路            23：信号解调电路 

24：滤波电路            31：数据处理工控机 

32：数据采集与分析模块  33：第一驱动电路 

34：第一继电器开关电路  35：第二继电器开关电路 

41：数字再平衡回路          411：模数转换模块 

412：数字信号处理模块       413：数模转换模块 

42：第二驱动电路 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统及方法做出详细说明。 

如图1所示，本发明的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统，包括由高精度分度头12和安装在高精度分度头12上的多个加速度计表头11构成的测试组件1、对采集信号进行预处理的信号预处理模块2、通过采集测试组件1的输入输出信号，对测试组件1进行辨识并获得控制器参数的信号分析单元3、利用信号分析单元3中辨识所得的控制器参数，对测试组件1的输出信号进行处理，得到力反馈电流信号，实现再平衡回路的闭环的硬件生成单元4和为整个系统提供所需电源的电源模块5，其中，所述的测试组件1、信号预处理模块2及信号分析单元3依次连接，所述的信号分析单元3分别连接硬件生成单元4、加速度计表头11和电源模块5。 

所述的加速度计表头11设置有2个以上，每次试验中仅选取其中1个加速度计表头11，加速度计表头11中的力矩器111连接信号分析单元3，加速度计表头11中的差动电容结构112连接信号预处理模块2的输入端。 

所述的高精度分度头12的作用是安装多个加速度计表头11，通过调整高精度分度头12的角度可调整加速度计表头11的安装，从而为整个系统提供调试平台。 

如图1、图2所示，所述的信号预处理模块2用于对加速度计表头11输出的差动电容信号进行放大、解调等一系列处理，并将其转换为电压信号，便于后续处理。所述的信号预处理模块2包括有依次连接的电容电压转换电路21、放大电路22、信号解调电路23以及滤波电路24，其中，所述的电容电压转换电路21的输入端连接加速度计表头11中的差动电容结构112的输出端，所述的滤波电路24的输出连接信号分析单元3的输入端。 

如图1所示，所述的信号分析单元3包括有数据处理工控机31，分别与数据处理工控机31相连接的第一继电器开关电路34、数据采集与分析模块32和第二继电器开关电路35，所述的数据采集与分析模块32的输出连接第一驱动电路33，其中，所述的第一继电器开关电路34的信号输入端连接信号预处理模块2的输出端，第一继电器开关电路34的输出端选择性的连接数据采集与分析模块32和硬件生成单元4的信号输入端，所述的第二继电器开关电路35的信号输入端选择性的连接第一驱动电路33和硬件生成单元4的信号输出端。 

作为整个系统的中央处理单元，数据处理工控机31与第一继电器开关电路34连接，对系统中模块之间的通断连接进行控制。数据处理工控机31负责信号分析和时序管理，并通过程序控制第二继电器开关电路35的通断状态，由此对系统中各部分电路的通断进行控制。即，数据处理工控机31通过第一继电器开关电路34，使信号预处理模块2的输出端连接数据采集与分析模块32的输入端、第一驱动电路33的输出端与力矩器111连接，为辨识过程提供硬件回路。 

数据采集与分析模块32与数据处理工控机31互连，主要采集经信号预处理模块2处理所得的信号，送入数据处理工控机31进行处理，并通过第一驱动电路33给力矩器111施加力矩电流。 

如图1所示，所述的硬件生成单元4包括有分别连接信号分析单元3中的第一继电器开关电路34和数据处理工控机31的数字再平衡回路41，与所述的数字再平衡回路41的输出相连的第二驱动电路42，所述的第二驱动电路42的输出连接信号分析单元3中的第二继电器开关电路35。数字再平衡回路41和数据处理工控机31互联，控制器参数由数据处理工控机31传递给数字再平衡回路41，并通过第二驱动电路42将力矩电流施加到力矩器111，实现回路闭环。 

如图3所示，所述的数字再平衡回路41包括有依次连接的模数转换模块411、数字信号处理模块412和数模转换模块413，其中，所述的模数转换模块411的输入端连接信号预处理模块2的输出端，所述的数模转换模块413的输出端连接第二驱动电路42的输入端，所述的数字信号处理模块412还连接信号分析单元3中的数据处理工控机31。所述的数字再平衡回路41的作用是利用信号分析单元3中辨识所得的控制器参数，对多个加速度计表头11输出信号进行处理，得到力反馈电流信号，并通过第二驱动电路42反馈至加速度计表头11中的力矩器111，实现再平衡回路的闭环。 

本发明的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统，数据处理工控机31将辨识所得控制器参数下载到数字再平衡回路41。将多个加速度计表头11安装在高精度分度头12上，操作高精度分度头12令多个加速度计表头11转动一定角度。差动电容结构112检测到该输入加速度信号，使得输出电容变化，通过信号预处理模块2转换为电压信号，即信号传输到模数转换模块411转换为数字量，再经过数字信号处理模块412的处理得到与输入加速度成比例的数字信号，再通过数模转换模块413转换为模拟量，传递给第二驱动电路42产生力反馈电流，反馈至力矩器111，实现再平衡回路的闭环。同时，数字信号处理模块412处理所得控制器参数传递给数据处理工控机31，经过处理可实时获取动态数据，并实现对于数字再平衡回路的静、动态性能测试。 

本发明的用于多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统的硬件生成方法，如图4所示，借助加速度计硬件生成单元4完成如下列步骤： 

1）根据加速度计表头11的机械结构特点与电路性质（参考：邓志红,付梦印,张继伟,肖烜.惯性器件与惯性导航系统[M].北京：科学出版社），设计多谐波正弦信号为加速度计输入激励信号502，为加速度计表头辨识做好准备； 

2）将激励信号施加给加速度计表头，并通过数据采集与分析模块32，获取加速度计表头11的输入-输出数据（激励信号和加速度计的响应输出）503。然后对采集到的信号进行预处理包括去除噪声和趋势项等504； 

3）确定模型结构，通过模型定阶准则（AIC准则和MDL准则）判定模型阶数506，然后结合输入-输出数据，对模型参数采用最小二乘算法进行拟合估计507，最后对拟合模型进行残差分析和拟合度检验，以验证试用模型是否合格508，获取合格的模型； 

4）结合所得加速度计表头模型，根据模型多项式，提取多项式中的各个系数与分式，然 后分别对应到加速度计表头的各个参数，对各个加速度计的表头参数进行估计509，包括摆片的转动惯量、阻尼系数、弹簧刚度、差动电容传感器传递系数、力矩器传递函数等等； 

5）根据获得的加速度计表头的各个参数510，进行软件仿真如matlab511，获得满足多加速度计匹配要求且满足系统稳定性的相位裕度、幅值裕度的控制器结构与参数； 

6）再次通过软件仿真511，得到系统开环幅频特性、开环相频特性、闭环阶跃响应、闭环幅频特性曲线，并对步骤5）获得的控制器参数进行验证，同时得到多加速度计的匹配精度，将验证后的控制器参数传递至数字再平衡回路41，完成整个多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成过程512。 

Claims (7)

1.一种多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统，其特征在于，包括由高精度分度头（12）和安装在高精度分度头（12）上的多个加速度计表头（11）构成的测试组件（1）、对采集信号进行预处理的信号预处理模块（2）、通过采集测试组件（1）的输入输出信号，对测试组件（1）进行辨识并获得控制器参数的信号分析单元（3）、利用信号分析单元（3）中辨识所得的控制器参数，对测试组件（1）的输出信号进行处理，得到力反馈电流信号，实现再平衡回路的闭环的硬件生成单元（4）和为整个系统提供所需电源的电源模块（5），其中，所述的测试组件（1）、信号预处理模块（2）及信号分析单元（3）依次连接，所述的信号分析单元（3）分别连接硬件生成单元（4）、加速度计表头（11）和电源模块（5）。

2.根据权利要求1所述的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统，其特征在于，所述的加速度计表头（11）设置有2个以上，加速度计表头（11）中的力矩器（111）连接信号分析单元（3），加速度计表头（11）中的差动电容结构（112）连接信号预处理模块（2）的输入端。

3.根据权利要求1所述的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统，其特征在于，所述的信号预处理模块（2）包括有依次连接的电容电压转换电路（21）、放大电路（22）、信号解调电路（23）以及滤波电路（24），其中，所述的电容电压转换电路（21）的输入端连接加速度计表头（11）中的差动电容结构（112）的输出端，所述的滤波电路（24）的输出连接信号分析单元（3）的输入端。

4.根据权利要求1所述的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统，其特征在于，所述的信号分析单元（3）包括有数据处理工控机（31），分别与数据处理工控机（31）相连接的第一继电器开关电路（34）、数据采集与分析模块（32）和第二继电器开关电路（35），所述的数据采集与分析模块（32）的输出连接第一驱动电路（33），其中，所述的第一继电器开关电路（34）的信号输入端连接信号预处理模块（2）的输出端，第一继电器开关电路（34）的输出端选择性的连接数据采集与分析模块（32）和硬件生成单元（4）的信号输入端，所述的第二继电器开关电路（35）的信号输入端选择性的连接第一驱动电路（33）和硬件生成单元（4）的信号输出端。

5.根据权利要求1所述的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统，其特征在于，所述的硬件生成单元（4）包括有分别连接信号分析单元（3）中的第一继电器开关电路（34）和数据处理工控机（31）的数字再平衡回路（41），与所述的数字再平衡回路（41）的输出相连的第二驱动电路（42），所述的第二驱动电路（42）的输出连接信号分析单元（3）中的第二继电器开关电路（35）。

6.根据权利要求5所述的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统，其特征在于，所述的数字再平衡回路（41）包括有依次连接的模数转换模块（411）、数字信号处理模块（412）和数模转换模块（413），其中，所述的模数转换模块（411）的输入端连接信号预处理模块（2）的输出端，所述的数模转换模块（413）的输出端连接第二驱动电路（42）的输入端，所述的数字信号处理模块（412）还连接信号分析单元（3）中的数据处理工控机（31）。

7.一种用于权利要求1所述的多加速度计智能参数辨识、匹配与硬件生成系统的硬件生成方法，其特征在于，借助加速度计硬件生成单元（4）完成如下列步骤：

1）根据加速度计表头（11）的先验知识，设计多谐波正弦信号为加速度计输入激励信号（502）；

2）将激励信号施加给加速度计表头，通过数据采集与分析模块（32），采集加速度计表头（11）的输入-输出数据，对采集到的信号进行预处理；

3）确定模型结构，通过模型定阶准则判定模型阶数，并对试用模型参数采用最小二乘算法进行拟合估计，对计算所得模型输出与系统真实输出进行比较，对试用模型进行残差分析和拟合度检验，以验证试用模型是否合格，获取后验模型；

4）对所得加速度计表头模型进行处理，对各个加速度计的表头参数进行估计，包括摆片的转动惯量、阻尼系数、弹簧刚度、差动电容传感器传递系数、力矩器传递函数；

5）根据获得的加速度计表头的各个参数，通过软件仿真，获得满足多加速度计匹配要求且满足系统稳定性的相位裕度、幅值裕度的控制器结构与参数；

6）再次通过软件仿真得到系统开环幅频特性、开环相频特性、闭环阶跃响应、闭环幅频特性曲线，并对步骤5）获得的控制器参数进行验证，同时得到多加速度计的匹配精度，将验证后的控制器参数传递至数字再平衡回路（41）。

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