MEMS加速度傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)

其中，Kp、Tp、Td分別為比例、積分、微分環(huán)節(jié)的系數(shù)，uo為初始狀態(tài)。
但是，系統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)中存在大量的脈沖信號(hào)，取一小段時(shí)間片來看，可以認(rèn)為有大量階躍信號(hào)。由于在PID控制環(huán)節(jié)存在導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，使得輸出信號(hào)中包含沖擊函數(shù)，而輸出突變對(duì)于系統(tǒng)控制性能的影響是不容忽視的。為了解決輸出突變導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能下降的問題，在前向通路中僅保留積分環(huán)節(jié)，而把比例和微分環(huán)節(jié)移入反饋通路中，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。由于輸入信號(hào)僅出現(xiàn)在積分控制環(huán)節(jié)中，PID控制器的輸出突變問題得以解決。

圖7中的控制器輸出信號(hào)U(s)可表示為：

為了便于計(jì)算機(jī)采樣，對(duì)上式進(jìn)行離散化處理，采樣周期為T，采樣序列編號(hào)從0到N，積分變成求和，微分變?yōu)樵隽?，從而有以下PID控制模型：


4 抗干擾設(shè)計(jì)
考慮到現(xiàn)場電器設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)閉而產(chǎn)生的電磁干擾、熱源的影響以及平臺(tái)的振動(dòng)，必須對(duì)校準(zhǔn)平臺(tái)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。
4．1 硬件抗干擾
如圖3所示，在電源與地之間并聯(lián)0．1μF的濾波電容，以抑制開關(guān)電源的噪聲。傳感器金屬外殼接地，同時(shí)其下方的電路板作覆銅處理，以抑制電磁干擾。為了避免外界對(duì)傳感器內(nèi)部熱場的擾動(dòng)，電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電源電路等可能的熱源都設(shè)計(jì)安放在距離傳感器較遠(yuǎn)的區(qū)域。支承軸下端安裝減震墊來削弱調(diào)平過程中平臺(tái)振動(dòng)對(duì)傳感器的影響。
4．2 軟件抗干擾
對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，降低系統(tǒng)帶寬，能夠降低傳感器輸出噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比。同時(shí)采用冒泡法對(duì)一次性接收到的11組數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取中間的5組數(shù)據(jù)再做滑動(dòng)平均，可以有效抑制隨機(jī)噪聲。針對(duì)平臺(tái)振動(dòng)對(duì)傳感器的干擾，電機(jī)在單次基座調(diào)整后延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)動(dòng)。

5 實(shí)驗(yàn)與分析
通過模擬各種傾斜姿態(tài)，對(duì)校準(zhǔn)平臺(tái)的性能進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)平臺(tái)傾角較大時(shí)，根據(jù)先前設(shè)定的控制算法，為使基座盡快達(dá)到水平，電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)開始粗調(diào)，此時(shí)平臺(tái)出現(xiàn)短時(shí)間顫動(dòng)。特別是當(dāng)電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)超過30步時(shí)，現(xiàn)象較為明顯，導(dǎo)致顯示器中的傾角讀數(shù)小幅跳變。修改電機(jī)控制程序使其每次最大轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)不超過10步，并且間隔時(shí)間略微延長，振動(dòng)現(xiàn)象得以緩解。當(dāng)傾角小于5°后，系統(tǒng)自動(dòng)切換到細(xì)調(diào)模式，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，平臺(tái)穩(wěn)定無振動(dòng)，直至到達(dá)水平位置后系統(tǒng)鎖定。表2中列舉了不同傾角下的調(diào)平時(shí)間，可以看出，當(dāng)平臺(tái)傾角小于20°時(shí)，系統(tǒng)調(diào)平時(shí)間不超過40 s。

結(jié)語
針對(duì)多點(diǎn)調(diào)平系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)了電機(jī)式3點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)，簡化了控制模型。在分析了調(diào)平過程中可能遇到的干擾因素后，采用相應(yīng)的軟硬件抑制方法，提高了系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜工況的能力。在電機(jī)控制程序中加入改進(jìn)后的PID算法，將比例和微分環(huán)節(jié)移人反饋通路，解決了輸出突變導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能下降的問題。粗調(diào)與細(xì)調(diào)模式的自動(dòng)切換，兼顧了速度和精度兩方面的要求。本方案調(diào)平精度約0．1°，調(diào)平時(shí)間不超過40 s，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，可以作為一般基座調(diào)平場合的技術(shù)參考。