闭环传感器动态特性补偿的仿真实现_刘大年

参考文献 : [ 1] HERM A N N K .P .Performance and design of inst rument t ransducers
[ M] .Neubert .1985 . [ 2] K ATS U HIKO O GA TA .M odern cont rol engi neering (Third Edi tion)
图 3 惯性敏感元件 的等效机械模型
ma = m
d2 y dt2
+
c
dy dt
+K y
此惯性敏感元件的传 递函数为
G(s)=
ms2
1 + cs
+k
若将此环节进行闭环 处理 , 根 据控制理论的原理可知 , 系统的
固有频率增 大了 1 +Aβ 倍 , 而 阻 尼比 却 下降 了 1 +Aβ 倍 。 闭环使固有频率增大 , 有利于 扩大传感器的工作频带 , 而阻尼 比的下降 , 从幅频特性可知 , 会使动态响应和稳 定性变坏 。 反 之 , 若要保持闭环后 的阻尼 比仍在 0.6 ～ 0.7 范围 之内 , 则要 求传感器惯性敏感系统的机械 阻尼较大 , 这在实际中是难以达 到的 。 所以 , 从稳定性和制造两方面说 明不能简单地将原系统 进行闭环处理 。
平衡式传感器中 , 即为输入力与相反的电机力相平衡 。 在不同
类型的传感器中有力和力平衡 、 电流平衡 、 热平衡等 。
从制造角度来说 , 敏感元件和伺服执行元件是装在同一壳
体中形成产 品的 , 为
使其达到一定 的性能
要求 , 必须在 其回路
图 2 实际闭环传感器结构框图
中加入 控制 补 偿环 节 , 并按设计 要求进
取 β =2 。
4 闭环系统动态特性的仿真实验
5 结束语
本文利用根轨迹的分析方 法 , 对闭 环式传感器的动态特性 进行了补偿 , 从仿 真的 结果 来看 , 系统 的动 态性 能得 到了 改 善 , 说明本文所用的方法是正 确的 。此 方法对于闭环传感器的 生产和应用都具有一定的实用 价值 :即 无需制造规格过多的惯 性敏感装置 , 对阻尼油的粘度 和器件间的间隙要求不高 , 使成 本降低 , 而且通过调节电气阻 尼 , 可大 大提高传感器的使用范 围 ;传感器经过长期使用出现 漂移后 , 可重新测量其谐振频率 和阻尼比 , 重新计算出补偿后 的闭环极点 , 据此调节电路中补 偿环节的时间常数和 增益 , 使 特性恢复 , 达到长期稳定使用的 目的 。 实际操作中是经过计量 标定后投入使用的 。
参考文献 : [ 1] Texas Instrument s .TM S320C3X U SE R' S G U ID E [ M] .1997 . [ 2] Texas Instrument s .Dat asheet of TLV 1570 [ M] . [ 3] Texas Instrument s .Dat asheet of TLV 5604 [ M] .
仪表与传感器
计 算 机 自 动 测 量 与 控 制 .2 0 0 1 .9(4) Computer Automated Measurement & Control
文章编号 :1007 -0257(2001)04 -0065Leabharlann Baidu-02 中图分类号 :T P212 文献标识码 :A
为 S =-6594±j 6727.22 , 在该闭环极点上的幅角缺额为 -1 46.25 8°-120.0 13°+18 0°=-86.27 1°
依据 -6594± j
6727.22 +
1 T
的 幅 角必 须为
8 6.271°,
则
1 T
=
7032.455, 依据幅值条件 , 可 算出 A 0 =1121.082, k d =2.13 ;
1 引言
随着科学技术 的发 展 , 生 产环 境和 生产 条件 都发 生 了变
化 , 这就要求传感器具有频响宽 、 范围大 、 灵敏度高 、 稳定性
好等特点 。 而大多数开环式的传感器要达到这类要求 , 一是制
造难 , 二是成本高 。 若采用具有负反馈控制技术的闭环式传感
器 , 则 可 较 大地 提 高 传 感器 的
ξ′ = ξ 为原系统闭环阻尼比 ; 1 + Aβ
ξ″ = 2(A1β+TωA′ nβ)为由补偿环节产生的电气阻尼比 ;
ω′n = 1 + Aβωn 为补偿后的无阻尼自然频率 。
图 5 冲击响应的特性比 较 1 -补偿前 2-补 偿后
图 6 阶跃响应 的特性比较 1 -补偿前 2 -补偿后
[ M] .2000 . [ 3] 单成祥 .传感器的理论与设计基础及其应用 [ M] .1999 .
(上接第 51 页) 在接收中断服务程序中 , CP U 将读取 DRR 的数据 , 并 存储数 据 。随 后 把 新 的 控 制 字 写 入 DX R 。 当 该 服 务 程 序 完 成 时 , CP U 将重新回到 等待状态 , 随后重复 (2)、 (3), 直到 采样任 务结束 。
s2
+
+ Ts)
c k
s
+1
=
A(1 + Ts)
m k
s2
+
c k
s
+1
式中
A
=k
dA k
0
系统闭环后的闭环传递函数为
H(s)= 1
A(s) + A(s)β
=
k0
s2
(ω′ n)2(1 + Ts) +2(ξ′+ ξT)ω′ns +(ω′ n)2
式中
k0
=
1
A + Aβ
Simulation of the Dynamic Compensated Characteristics for the Feedback Transducers
LI U Da-nian , ZH U Hai-jun
(Department of Electrics, Engineering colleg e of Y angzhou U niversity , Yangzhou 225009, China ) Abstract :T he framework and principle of the feedback transducer sy stem are introduced in this paper .By using the root locus analy sis, the sy stem has been compensated .T he result of simulatio n with the M AT LA B software show s that the validity of root -locus analy sis has been verified . Key words:feedback transducers;dy namic compensation ;root -locus;simulation
图 4 闭环系 统框图
· 66 · 计算机自动测量与控制 第 9 卷
大阻尼比的惯性敏感元件 , 同时系统的动态特性也可得到较好 的改善 。
系统前向环节传递函数为
G(s)= kmdAs20(+1c+s +Tsk)=
k
dA k
0(1
m k
闭环传感器动态特性补偿的仿真实现
刘大年 , 朱海君
(扬州大学工学院 电气工程系 , 江苏 扬州 225009)
摘要 :介绍了闭环传感器的系统结构和工作原理 , 用根轨迹法对系统进行了补偿 , 并利用 M A TLAB 工具 作了仿真实验 , 表 明此方 法的有效性 。
关键词 :闭环传感器 ;动态补偿 ;根轨迹 ;仿真
示。
如图 5、 图 6 所
3 补偿环节的参数确定
选择某种型号的 力平 衡加 速度传 感器 , 其 谐振 频率 为 ωn =3140rad/ s, 阻尼比 为 ξ=0.314 。 因为 开环传 递函 数的 极点 为 S =-985.96±j2981.19 , 现要求补偿后闭环极点 必须满足 ωn =9420rad/ s 和 ξ=0.7, 可计算串 接补偿环节 后出闭 环极点
本文设计的接口电路 , 主 要用于 数据处理 和自 适应控 制 , 因此需要 T LV 5604 和 T LV 1570 能 够 交 替工 作 , 并 且 互 不干 扰 。这主要是通 过设置 T M S320C32 的 IOF (输入 输出标 志寄 存器) 来实 现 的 。 整 个接 口 程 序是 用 T I C3X 汇编 语 言 实现 的 。利用 HP35670A d 动 态信号分 析仪 和信号 发生 器对该 接口 板与 DSP 进行实 时测试 , 取得了 满意 的效 果 , 并且 提高 了以 此为核心的自适应控制系统的自适应性能 。
t =0 :0 .00005 :0 .016 ; [ c1 , x1 , t] =step (num1 , den1 , t); [ c2 , x2 , t] =step (num2 , den2 , t); plot (t , c1 , t , c2); [ d1 , x1 , t] =impulse (num1 , den1 , t); [ d2 , x2 , t] =impulse (num2 , den2 , t); plot (t , d1 , t , d2); grid ; 补偿前后的冲击 和阶跃响应的特性 曲线 ,
6 结论
本文 利 用 T LV1570、 T L V5604 串 行 转 换 芯 片 设 计 了 与 TM S320C32 接口的数 据采 集控制 板 , 实验 表明 , 该 接口 板在 控制和数据采集系统中能够满 足实时采集与控制的要求 , 性能 可靠 。 由此说明 , 本文所采用的设计方 法是可行的 、 有效的 。
在实际的闭环传 感器中采用前向通道中串入比例 -微分环 节的方法 (如图 4 所示)。 选择适 当的网 络参数 , 就 可利 用电 路所产生的电气阻尼 增加系统的阻尼比 , 而不必选择或生产过
收稿日期 :2001-03-05 。 作者简介 :刘大 年(1962 -), 男 , 江 苏省扬 州市人 , 讲师 , 主要 从事检测与转换技术 、电力电子变流技术的教学与研究工作 。
行设计 。 实际闭环传感器的结构框图如图 2 所示 。
本文主要介绍了利用根轨迹法对闭环传感器的动态特性进
行补偿 , 并通过计算确定系统参数 , 对系统进行仿真分析 。
2 闭环加速度传感器的动态模型和补偿原理
一个典型的力平衡式加速度传感器惯性敏感元件的等
效二阶机械模型如图 3 所示 , 主要由质 量块 、 硬 弹簧 、 阻 尼油
和机座组成 。
图中 , m 为 加速 度 计 的 质量 , k
为加速 度 计的 刚 度 , c 为 加速 度 计的
阻尼系 数 。 若被 测物 体相 对 于参 考系
的绝对位移 为 y 0, 质量块 的绝 对位移 为 y m , 质量块与被测 物体之 间的相对 位移为 y =y 0 -ym , 当 加速 度计 受到 加速度时 , 输入输出的运动方 程为
部分 M AT LA B 程序如下 : num1 =[ 0 0 9859600] ; den1 =[ 1 1971 .92 9859602] ; num2 =[ 0 23890 .255 168009298 .5] ; den2 =[ 1 24404 .084 167614809 .82] ;
性能 。 此 类 传感 器 已 被 广泛 地
应用 于 工 业 自 动 化 、 汽 车 、 航
图 1 闭环传感器结构框图 船 、 军 事 等 很 多 行 业 。 闭 环 传 感器的结构框图如图 1 所示 。
伺服机构负责将输出的电量转换成机械量 , 并作用在传感
器的敏感元件上 , 从而达到输入量与反馈量之间的平衡 。 在力