專利名稱：多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多加速度計(jì)的參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)。特別是涉及一種適用于撓性加速度計(jì)等慣性導(dǎo)航元件的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，加速度計(jì)是基本測量元件之一。它安裝在運(yùn)動載體上，用來敏感、測量運(yùn)動載體的加速度，經(jīng)過計(jì)算，可求得載體的運(yùn)動軌跡，同時產(chǎn)生對載體運(yùn)動的控制信號。石英撓性加速度計(jì)是一種機(jī)械擺式加速度計(jì)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度和靈敏度高、功耗小、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海及陸地導(dǎo)航控制領(lǐng)域。
敏感加速度的傳感器在受到外來加速度作用時，會產(chǎn)生與加速度成正比的電信號。通常這個信號是極其微弱的，無法直接加載到力矩器線圈上以提供足夠大的平衡力矩，這就需要在差動電容結(jié)構(gòu)和力矩器之間設(shè)計(jì)再平衡回路。再平衡回路與表頭一起構(gòu)成完整的加速度計(jì)系統(tǒng)。再平衡回路的性能直接影響加速度計(jì)的動、靜態(tài)特性和控制、測量精度，在加速度計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和多加速度計(jì)匹配設(shè)計(jì)中占據(jù)重要位置。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對導(dǎo)航技術(shù)的要求不斷提高，使得對再平衡回路的測量和控制精度的要求不斷提高。目前，加速度計(jì)控制回路按照所用元器件的特性來分主要有兩種，模擬再平衡回路和數(shù)字再平衡回路。模擬再平衡技術(shù)是一種傳統(tǒng)的加矩方式，因其結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟而被廣泛的應(yīng)用。但是隨著加速度計(jì)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和性能要求的提高，模擬技術(shù)的不足逐漸顯現(xiàn)出來。隨著微處理器集成度和運(yùn)算性能的提高，數(shù)字再平衡技術(shù)精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢越來越明顯。模擬再平衡技術(shù)已經(jīng)逐步被數(shù)字再平衡技術(shù)所取代。
對于模擬再平衡回路和數(shù)字再平衡回路，其設(shè)計(jì)有多種實(shí)現(xiàn)方式，采用的技術(shù)方法不同，但設(shè)計(jì)過程相似，通過試湊法設(shè)計(jì)回路參數(shù)，最后在調(diào)試中根據(jù)實(shí)際情況對回路進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。這種設(shè)計(jì)方法嚴(yán)重制約了加速度計(jì)控制回路技術(shù)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在:
(I)對于控制回路設(shè)計(jì)者，加速度計(jì)表頭參數(shù)往往是未知的，即表頭理論數(shù)學(xué)模型無法精確確定。由于受加工與制造過程所限，即使可以經(jīng)過理論計(jì)算得到的參數(shù)也不能準(zhǔn)確反映實(shí)際的加速度計(jì)表頭參數(shù)，而且同一批次不同加速度計(jì)之間也存在差異，表頭參數(shù)有時會差別很大，由此給控制器的設(shè)計(jì)帶來很大困難；
(2)通過試湊法在實(shí)際調(diào)試中對控制器進(jìn)行調(diào)整。雖然經(jīng)過多次試湊，可以將設(shè)計(jì)中的參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整，但此方法耗時，且具有很大的隨機(jī)性，難以獲得準(zhǔn)確的回路參數(shù)。
以上是影響加速度計(jì)再平衡回路設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要原因，其直接后果就是加速度計(jì)表頭的數(shù)學(xué)模型不能明確，導(dǎo)致控制器的設(shè)計(jì)存在很大的盲目性，使得回路調(diào)試過程效率低下，并且難以保證回路的性能，甚至?xí)绊懠铀俣扔?jì)的控制和測量精度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種回路調(diào)試效率高，保證回路的性能，保證了加速度計(jì)的控制和測量精度的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)，包括由高精度分度頭和安裝在高精度分度頭上的多個加速度計(jì)表頭構(gòu)成的測試組件、對采集信號進(jìn)行預(yù)處理的信號預(yù)處理模塊、通過采集測試組件的輸入輸出信號，對測試組件進(jìn)行辨識并獲得控制器參數(shù)的信號分析單元、利用信號分析單元中辨識所得的控制器參數(shù)，對測試組件的輸出信號進(jìn)行處理，得到力反饋電流信號，實(shí)現(xiàn)再平衡回路的閉環(huán)的硬件生成單元和為整個系統(tǒng)提供所需電源的電源模塊，其中，所述的測試組件、信號預(yù)處理模塊及信號分析單元依次連接，所述的信號分析單元分別連接硬件生成單元、加速度計(jì)表頭和電源模塊。
所述的加速度計(jì)表頭設(shè)置有2個以上，加速度計(jì)表頭中的力矩器連接信號分析單元，加速度計(jì)表頭中的差動電容結(jié)構(gòu)連接信號預(yù)處理模塊的輸入端。
所述的信號預(yù)處理模塊包括有依次連接的電容電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路、信號解調(diào)電路以及濾波電路，其中，所述的電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接加速度計(jì)表頭中的差動電容結(jié)構(gòu)的輸出端，所述的濾波電路的輸出連接信號分析單元的輸入端。
所述的信號分析單元包括有數(shù)據(jù)處理工控機(jī)，分別與數(shù)據(jù)處理工控機(jī)相連接的第一繼電器開關(guān)電路、數(shù)據(jù)采集與分析模塊和第二繼電器開關(guān)電路，所述的數(shù)據(jù)采集與分析模塊的輸出連接第一驅(qū)動電路，其中，所述的第一繼電器開關(guān)電路的信號輸入端連接信號預(yù)處理模塊的輸出端，第一繼電器開關(guān)電路的輸出端選擇性的連接數(shù)據(jù)采集與分析模塊和硬件生成單元的信號輸入端，所述的第二繼電器開關(guān)電路的信號輸入端選擇性的連接第一驅(qū)動電路和硬件生成單元的信號輸出端。
所述的硬件生成單元包括有分別連接信號分析單元中的第一繼電器開關(guān)電路和數(shù)據(jù)處理工控機(jī)的數(shù)字再平衡回路，與所述的數(shù)字再平衡回路的輸出相連的第二驅(qū)動電路，所述的第二驅(qū)動電路的輸出連接信號分析單元中的第二繼電器開關(guān)電路。
所述的數(shù)字再平衡回路包括有依次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號處理模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其中，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接信號預(yù)處理模塊的輸出端，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接第二驅(qū)動電路的輸入端，所述的數(shù)字信號處理模塊還連接信號分析單元中的數(shù)據(jù)處理工控機(jī)。
一種用于多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)的硬件生成方法，是借助加速度計(jì)硬件生成單元完成如下列步驟:
I)根據(jù)加速度計(jì)表頭的先驗(yàn)知識，設(shè)計(jì)多諧波正弦信號為加速度計(jì)輸入激勵信號;
2)將激勵信號施加給加速度計(jì)表頭，通過數(shù)據(jù)采集與分析模塊，采集加速度計(jì)表頭的輸入-輸出數(shù)據(jù)，對采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理；
3)確定模型結(jié)構(gòu)，通過模型定階準(zhǔn)則判定模型階數(shù)，并對試用模型參數(shù)采用最小二乘算法進(jìn)行擬合估計(jì)，對計(jì)算所得模型輸出與系統(tǒng)真實(shí)輸出進(jìn)行比較，對試用模型進(jìn)行殘差分析和擬合度檢驗(yàn)，以驗(yàn)證試用模型是否合格，獲取后驗(yàn)?zāi)Ｐ停?br> 4)對所得加速度計(jì)表頭模型進(jìn)行處理，對各個加速度計(jì)的表頭參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，包括擺片的轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)、彈簧剛度、差動電容傳感器傳遞系數(shù)、力矩器傳遞函數(shù)；
5)根據(jù)獲得的加速度計(jì)表頭的各個參數(shù)，通過軟件仿真，獲得滿足多加速度計(jì)匹配要求且滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的相位裕度、幅值裕度的控制器結(jié)構(gòu)與參數(shù)；
6)再次通過軟件仿真得到系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性、開環(huán)相頻特性、閉環(huán)階躍響應(yīng)、閉環(huán)幅頻特性曲線，并對步驟5)獲得的控制器參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，同時得到多加速度計(jì)的匹配精度，將驗(yàn)證后的控制器參數(shù)傳遞至數(shù)字再平衡回路。
本發(fā)明的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)及方法，具有如下效果:
1、通過采集多個加速度計(jì)表頭的輸入、輸出數(shù)據(jù)對其進(jìn)行系統(tǒng)辨識，得到多個加速度計(jì)表頭數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確估計(jì)，并通過將仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)對比對辨識效果進(jìn)行驗(yàn)證。辨識操作過程簡單，精度高、效率高，為再平衡回路的設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)；
2、通過辨識得到加速度計(jì)表頭的各項(xiàng)參數(shù)，包括擺片的轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)、彈簧剛度、差動電容傳感器傳遞系數(shù)、力矩器傳遞函數(shù)等，為后續(xù)設(shè)計(jì)、測試和分析提供了有益信息；
3、根據(jù)各個加速度計(jì)的辨識結(jié)果設(shè)計(jì)滿足最佳性能要求且使得多個加速度計(jì)匹配的再平衡回路，并通過上位機(jī)將控制器參數(shù)自動加載至數(shù)字系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個加速度計(jì)的閉環(huán)以及多個加速度計(jì)的匹配。由此簡化了控制器設(shè)計(jì)和調(diào)試過程，并提高了測量、控制精度；
4、硬件生成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)純數(shù)字化，通用性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、控制參數(shù)易調(diào)整、系統(tǒng)可靠性高；
5、本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在線辨識，實(shí)現(xiàn)多加速度計(jì)的實(shí)時設(shè)計(jì)、控制，并進(jìn)行回路性能分析與測試；
6、本系統(tǒng)自動化程度高，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)辨識、系統(tǒng)控制與系統(tǒng)測試多種功能結(jié)合在一起，快速完成數(shù)據(jù)分析、計(jì)算，并得到加速度計(jì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，生成測試報(bào)表，便于離線查看與分析。



圖1是本發(fā)明的整體構(gòu)成框圖2是本發(fā)明中信號預(yù)處理模塊構(gòu)成框圖3是本發(fā)明中硬件生成單元構(gòu)成框圖4是本發(fā)明中的辨識及控制算法的示意流程圖。
圖中，
1:測試組件2:信號預(yù)處理模塊
3:信號分析單元4:硬件生成單元
5:電源模塊11:加速度計(jì)表頭
111:力矩器112:差動電容結(jié)構(gòu)
12:高精度分度頭21:電容電壓轉(zhuǎn)換電路
22:放大電路23:信號解調(diào)電路
24:濾波電路31:數(shù)據(jù)處理工控機(jī)
32:數(shù)據(jù)采集與分析模塊33:第一驅(qū)動電路
34:第一繼電器開關(guān)電路35:第二繼電器開關(guān)電路
41:數(shù)字再平衡回路411:模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
412:數(shù)字信號處理模塊413:數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊
42:第二驅(qū)動電路具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)及方法做出詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)，包括由高精度分度頭12和安裝在高精度分度頭12上的多個加速度計(jì)表頭11構(gòu)成的測試組件1、對采集信號進(jìn)行預(yù)處理的信號預(yù)處理模塊2、通過采集測試組件I的輸入輸出信號，對測試組件I進(jìn)行辨識并獲得控制器參數(shù)的信號分析單元3、利用信號分析單元3中辨識所得的控制器參數(shù)，對測試組件I的輸出信號進(jìn)行處理，得到力反饋電流信號，實(shí)現(xiàn)再平衡回路的閉環(huán)的硬件生成單元4和為整個系統(tǒng)提供所需電源的電源模塊5，其中，所述的測試組件1、信號預(yù)處理模塊2及信號分析單元3依次連接，所述的信號分析單元3分別連接硬件生成單元4、加速度計(jì)表頭11和電源模塊5。
所述的加速度計(jì)表頭11設(shè)置有2個以上，每次試驗(yàn)中僅選取其中I個加速度計(jì)表頭11，加速度計(jì)表頭11中的力矩器111連接信號分析單元3，加速度計(jì)表頭11中的差動電容結(jié)構(gòu)112連接信號預(yù)處理模塊2的輸入端。
所述的高精度分度頭12的作用是安裝多個加速度計(jì)表頭11，通過調(diào)整高精度分度頭12的角度可調(diào)整加速度計(jì)表 頭11的安裝，從而為整個系統(tǒng)提供調(diào)試平臺。
如圖1、圖2所示，所述的信號預(yù)處理模塊2用于對加速度計(jì)表頭11輸出的差動電容信號進(jìn)行放大、解調(diào)等一系列處理，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，便于后續(xù)處理。所述的信號預(yù)處理模塊2包括有依次連接的電容電壓轉(zhuǎn)換電路21、放大電路22、信號解調(diào)電路23以及濾波電路24，其中，所述的電容電壓轉(zhuǎn)換電路21的輸入端連接加速度計(jì)表頭11中的差動電容結(jié)構(gòu)112的輸出端，所述的濾波電路24的輸出連接信號分析單元3的輸入端。
如圖1所示，所述的信號分析單元3包括有數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31，分別與數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31相連接的第一繼電器開關(guān)電路34、數(shù)據(jù)采集與分析模塊32和第二繼電器開關(guān)電路35，所述的數(shù)據(jù)采集與分析模塊32的輸出連接第一驅(qū)動電路33，其中，所述的第一繼電器開關(guān)電路34的信號輸入端連接信號預(yù)處理模塊2的輸出端，第一繼電器開關(guān)電路34的輸出端選擇性的連接數(shù)據(jù)采集與分析模塊32和硬件生成單元4的信號輸入端，所述的第二繼電器開關(guān)電路35的信號輸入端選擇性的連接第一驅(qū)動電路33和硬件生成單元4的信號輸出端。
作為整個系統(tǒng)的中央處理單元，數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31與第一繼電器開關(guān)電路34連接，對系統(tǒng)中模塊之間的通斷連接進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31負(fù)責(zé)信號分析和時序管理，并通過程序控制第二繼電器開關(guān)電路35的通斷狀態(tài)，由此對系統(tǒng)中各部分電路的通斷進(jìn)行控制。即，數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31通過第一繼電器開關(guān)電路34，使信號預(yù)處理模塊2的輸出端連接數(shù)據(jù)采集與分析模塊32的輸入端、第一驅(qū)動電路33的輸出端與力矩器111連接，為辨識過程提供硬件回路。
數(shù)據(jù)采集與分析模塊32與數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31互連，主要采集經(jīng)信號預(yù)處理模塊2處理所得的信號，送入數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31進(jìn)行處理，并通過第一驅(qū)動電路33給力矩器111施加力矩電流。
如圖1所示，所述的硬件生成單元4包括有分別連接信號分析單元3中的第一繼電器開關(guān)電路34和數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31的數(shù)字再平衡回路41，與所述的數(shù)字再平衡回路41的輸出相連的第二驅(qū)動電路42，所述的第二驅(qū)動電路42的輸出連接信號分析單元3中的第二繼電器開關(guān)電路35。數(shù)字再平衡回路41和數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31互聯(lián)，控制器參數(shù)由數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31傳遞給數(shù)字再平衡回路41，并通過第二驅(qū)動電路42將力矩電流施加到力矩器111，實(shí)現(xiàn)回路閉環(huán)。
如圖3所示，所述的數(shù)字再平衡回路41包括有依次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊411、數(shù)字信號處理模塊412和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊413，其中，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊411的輸入端連接信號預(yù)處理模塊2的輸出端，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊413的輸出端連接第二驅(qū)動電路42的輸入端，所述的數(shù)字信號處理模塊412還連接信號分析單元3中的數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31。所述的數(shù)字再平衡回路41的作用是利用信號分析單元3中辨識所得的控制器參數(shù)，對多個加速度計(jì)表頭11輸出信號進(jìn)行處理，得到力反饋電流信號，并通過第二驅(qū)動電路42反饋至加速度計(jì)表頭11中的力矩器111，實(shí)現(xiàn)再平衡回路的閉環(huán)。
本發(fā)明的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31將辨識所得控制器參數(shù)下載到數(shù)字再平衡回路41。將多個加速度計(jì)表頭11安裝在高精度分度頭12上，操作高精度分度頭12令多個加速度計(jì)表頭11轉(zhuǎn)動一定角度。差動電容結(jié)構(gòu)112檢測到該輸入加速度信號，使得輸出電容變化，通過信號預(yù)處理模塊2轉(zhuǎn)換為電壓信號，即信號傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換模塊411轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng)過數(shù)字信號處理模塊412的處理得到與輸入加速度成比例的數(shù)字信號，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊413轉(zhuǎn)換為模擬量，傳遞給第二驅(qū)動電路42產(chǎn)生力反饋電流，反饋至力矩器111，實(shí)現(xiàn)再平衡回路的閉環(huán)。同時，數(shù)字信號處理模塊412處理所得控制器參數(shù)傳遞給數(shù)據(jù)處理工控機(jī)31，經(jīng)過處理可實(shí)時獲取動態(tài)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對于數(shù)字再平衡回路的靜、動態(tài)性能測試。
本發(fā)明的用于多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)的硬件生成方法，如圖4所示，借助加速度計(jì)硬件生成單元4完成如下列步驟:
I)根據(jù)加速度計(jì)表頭11的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與電路性質(zhì)(參考:鄧志紅，付夢印，張繼偉，肖烜.慣性器件與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社)，設(shè)計(jì)多諧波正弦信號為加速度計(jì)輸入激勵信號502，為加速度計(jì)表頭辨識做好準(zhǔn)備；
2)將激勵信號施加給加速度計(jì)表頭，并通過數(shù)據(jù)采集與分析模塊32，獲取加速度計(jì)表頭11的輸入-輸出數(shù)據(jù)(激勵信號和加速度計(jì)的響應(yīng)輸出)503。然后對采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理包括去除噪聲和趨勢項(xiàng)等504 ；
3)確定模型結(jié)構(gòu)，通過模型定階準(zhǔn)則(AIC準(zhǔn)則和MDL準(zhǔn)則)判定模型階數(shù)506，然后結(jié)合輸入-輸出數(shù)據(jù)，對模型參數(shù)采用最小二乘算法進(jìn)行擬合估計(jì)507，最后對擬合模型進(jìn)行殘差分析和擬合度檢驗(yàn)，以驗(yàn)證試用模型是否合格508，獲取合格的模型；
4)結(jié)合所得加速度計(jì)表頭模型，根據(jù)模型多項(xiàng)式，提取多項(xiàng)式中的各個系數(shù)與分式，然后分別對應(yīng)到加速度計(jì)表頭的各個參數(shù)，對各個加速度計(jì)的表頭參數(shù)進(jìn)行估計(jì)509，包括擺片的轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)、彈簧剛度、差動電容傳感器傳遞系數(shù)、力矩器傳遞函數(shù)等等;
5)根據(jù)獲得的加速度計(jì)表頭的各個參數(shù)510，進(jìn)行軟件仿真如matlab511，獲得滿足多加速度計(jì)匹配要求且滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的相位裕度、幅值裕度的控制器結(jié)構(gòu)與參數(shù)；
6)再次通過軟件仿真511，得到系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性、開環(huán)相頻特性、閉環(huán)階躍響應(yīng)、閉環(huán)幅頻特性曲線，并對步驟5)獲得的控制器參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，同時得到多加速度計(jì)的匹配精度，將驗(yàn)證后的控制器參數(shù)傳遞至數(shù)字再平衡回路41，完成整個多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成過程512。
權(quán)利要求
1.一種多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)，其特征在于，包括由高精度分度頭(12)和安裝在高精度分度頭(12)上的多個加速度計(jì)表頭(11)構(gòu)成的測試組件(I)、對采集信號進(jìn)行預(yù)處理的信號預(yù)處理模塊(2)、通過采集測試組件(I)的輸入輸出信號，對測試組件(I)進(jìn)行辨識并獲得控制器參數(shù)的信號分析單元(3)、利用信號分析單元(3)中辨識所得的控制器參數(shù)，對測試組件(I)的輸出信號進(jìn)行處理，得到力反饋電流信號，實(shí)現(xiàn)再平衡回路的閉環(huán)的硬件生成單元(4)和為整個系統(tǒng)提供所需電源的電源模塊(5)，其中，所述的測試組件(I)、信號預(yù)處理模塊(2)及信號分析單元(3)依次連接，所述的信號分析單元(3 )分別連接硬件生成單元(4 )、加速度計(jì)表頭(11)和電源模塊(5 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)，其特征在于，所述的加速度計(jì)表頭(11)設(shè)置有2個以上，加速度計(jì)表頭(11)中的力矩器(111)連接信號分析單元(3)，加速度計(jì)表頭(11)中的差動電容結(jié)構(gòu)(112)連接信號預(yù)處理模塊(2)的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號預(yù)處理模塊(2)包括有依次連接的電容電壓轉(zhuǎn)換電路(21)、放大電路(22)、信號解調(diào)電路(23)以及濾波電路(24)，其中，所述的電容電壓轉(zhuǎn)換電路(21)的輸入端連接加速度計(jì)表頭(11)中的 差動電容結(jié)構(gòu)(112)的輸出端，所述的濾波電路(24)的輸出連接信號分析單元(3)的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號分析單元(3)包括有數(shù)據(jù)處理工控機(jī)(31)，分別與數(shù)據(jù)處理工控機(jī)(31)相連接的第一繼電器開關(guān)電路(34)、數(shù)據(jù)采集與分析模塊(32)和第二繼電器開關(guān)電路(35)，所述的數(shù)據(jù)采集與分析模塊(32)的輸出連接第一驅(qū)動電路(33)，其中，所述的第一繼電器開關(guān)電路(34)的信號輸入端連接信號預(yù)處理模塊(2)的輸出端，第一繼電器開關(guān)電路(34)的輸出端選擇性的連接數(shù)據(jù)采集與分析模塊(32)和硬件生成單元(4)的信號輸入端，所述的第二繼電器開關(guān)電路(35)的信號輸入端選擇性的連接第一驅(qū)動電路(33)和硬件生成單兀(4)的信號輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)，其特征在于，所述的硬件生成單元(4)包括有分別連接信號分析單元(3)中的第一繼電器開關(guān)電路(34)和數(shù)據(jù)處理工控機(jī)(31)的數(shù)字再平衡回路(41)，與所述的數(shù)字再平衡回路(41)的輸出相連的第二驅(qū)動電路(42)，所述的第二驅(qū)動電路(42)的輸出連接信號分析單元(3)中的第二繼電器開關(guān)電路(35)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)字再平衡回路(41)包括有依次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(411)、數(shù)字信號處理模塊(412)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(413)，其中，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(411)的輸入端連接信號預(yù)處理模塊(2)的輸出端，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(413)的輸出端連接第二驅(qū)動電路(42)的輸入端，所述的數(shù)字信號處理模塊(412)還連接信號分析單元(3)中的數(shù)據(jù)處理工控機(jī)(31)。
7.一種用于權(quán)利要求1所述的多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)的硬件生成方法，其特征在于，借助加速度計(jì)硬件生成單元(4)完成如下列步驟: I)根據(jù)加速度計(jì)表頭(11)的先驗(yàn)知識，設(shè)計(jì)多諧波正弦信號為加速度計(jì)輸入激勵信號(502)；2)將激勵信號施加給加速度計(jì)表頭，通過數(shù)據(jù)采集與分析模塊(32)，采集加速度計(jì)表頭(11)的輸入-輸出數(shù)據(jù)，對采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理； 3)確定模型結(jié)構(gòu)，通過模型定階準(zhǔn)則判定模型階數(shù)，并對試用模型參數(shù)采用最小二乘算法進(jìn)行擬合估計(jì)，對計(jì)算所得模型輸出與系統(tǒng)真實(shí)輸出進(jìn)行比較，對試用模型進(jìn)行殘差分析和擬合度檢驗(yàn)，以驗(yàn)證試用模型是否合格，獲取后驗(yàn)?zāi)Ｐ停? 4)對所得加速度計(jì)表頭模型進(jìn)行處理，對各個加速度計(jì)的表頭參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，包括擺片的轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)、彈簧剛度、差動電容傳感器傳遞系數(shù)、力矩器傳遞函數(shù)； 5)根據(jù)獲得的加速度計(jì)表頭的各個參數(shù)，通過軟件仿真，獲得滿足多加速度計(jì)匹配要求且滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的相位裕度、幅值裕度的控制器結(jié)構(gòu)與參數(shù)； 6)再次通過軟件仿真得到系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性、開環(huán)相頻特性、閉環(huán)階躍響應(yīng)、閉環(huán)幅頻特性曲線，并對步驟5)獲得的控制器參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，同時得到多加速度計(jì)的匹配精度，將驗(yàn)證后的控制器參數(shù)傳遞至數(shù)字再平衡回路(41)。 ·
全文摘要
一種多加速度計(jì)智能參數(shù)辨識、匹配與硬件生成系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)有由高精度分度頭和安裝在高精度分度頭上的多個加速度計(jì)表頭構(gòu)成的測試組件、對采集信號進(jìn)行預(yù)處理的信號預(yù)處理模塊、對測試組件進(jìn)行辨識并獲得控制器參數(shù)的信號分析單元、對測試組件的輸出信號進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)再平衡回路的閉環(huán)的硬件生成單元和電源模塊，測試組件、信號預(yù)處理模塊及信號分析單元依次連接，信號分析單元分別連接硬件生成單元、加速度計(jì)表頭和電源模塊。方法是通過采集多個加速度計(jì)表頭的輸入、輸出數(shù)據(jù)對其進(jìn)行系統(tǒng)辨識，得到多個加速度計(jì)表頭數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確估計(jì)，并通過將仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)對比對辨識效果進(jìn)行驗(yàn)證。本發(fā)明簡化了控制器設(shè)計(jì)和調(diào)試過程，并提高了測量、控制精度。
文檔編號G01P21/00GK103217554SQ20131009235
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者李醒飛, 劉冬, 紀(jì)越 申請人:天津大學(xué)