影響控制系統(tǒng)的慣性量混頻噪聲濾波技術(shù)研究

羅小秋

【摘 ?要】根據(jù)某產(chǎn)品控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了4.63Hz混頻干擾信號，通過對控制系統(tǒng)中捷聯(lián)慣測組合及內(nèi)部動調(diào)陀螺回路工作原理入手，分析了導(dǎo)致混頻干擾的根本原因，并采用分析軟件進(jìn)行仿真，最終找到了產(chǎn)生混頻干擾的原因是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的采樣頻率與動調(diào)陀螺回路125Hz噪聲的3倍頻較為接近導(dǎo)致。針對問題產(chǎn)生的機(jī)理，在某捷聯(lián)慣測組合上采取了對應(yīng)的措施，最終對影響控制系統(tǒng)中慣性量混頻噪聲進(jìn)行了徹底抑制。

【關(guān)鍵詞】控制系統(tǒng);混頻噪聲;濾波技術(shù)

1.引言

某捷聯(lián)慣測組合是某型產(chǎn)品控制系統(tǒng)的角速度和加速度測量設(shè)備，用于實(shí)時(shí)測量該型產(chǎn)品在飛行中繞載體3個(gè)軸轉(zhuǎn)動的角速率以及質(zhì)心沿載體3個(gè)軸向運(yùn)動的視加速度，供作導(dǎo)航、控制、穩(wěn)定及調(diào)參用，俗話說差之毫厘謬以千里，慣測組合的測量精度直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的精度，甚至關(guān)系到任務(wù)的成敗，有專家分析，控制系統(tǒng)命中精度百分之七十取決于慣測組合的測量精度，因此，慣測組合是整個(gè)控制系統(tǒng)的重要誤差源，這就需要對慣測組合輸出信號的采集方式、干擾源的分析處理采取針對性的措施。

2.慣測組合角速度通道工作原理

2.1動調(diào)陀螺回路工作原理

動調(diào)陀螺儀轉(zhuǎn)子采用同步電機(jī)驅(qū)動，某捷聯(lián)慣測組合動調(diào)陀螺儀采用的電機(jī)驅(qū)動電源頻率為500Hz，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為7500轉(zhuǎn)/分鐘，由于陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均而形成的純力偶作用，以及加工或裝配產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子端面跳動將使得陀螺傳感器輸出信號中夾雜有頻率為125Hz的低頻干擾信號，為了提高陀螺回路的穩(wěn)定性和測試精度，必須有效的消除這種有害信號，因此，在再平衡電路中已加入了125Hz陷波電路，對該有害信號起到良好的抑制作用。

2.2 慣測組合角速度通道工作原理

一次電源27V電源經(jīng)電源濾波后送給慣測組合，慣測組合內(nèi)部二次電源產(chǎn)生慣測組合所需的工作電源，X軸和Y、Z軸動調(diào)陀螺與再平衡電路構(gòu)成陀螺回路，分別用于敏感測量X、Y和Z軸的角速度，再經(jīng)信號處理電路輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路，最后由串口輸出。其中，信號處理電路及A/D轉(zhuǎn)換電路對慣測組合精度的提高至關(guān)重要，信號處理電路的作用是將捷聯(lián)慣測組合頻帶外的有害干擾信號盡可能的濾除掉，頻帶內(nèi)固定頻率的干擾信號采取陷波的措施進(jìn)行濾除，A/D轉(zhuǎn)換電路采樣周期的選擇對降低角速度通道信號干擾也尤為重要。

3.某捷聯(lián)慣測組合出現(xiàn)的混頻干擾問題

某捷聯(lián)慣測組合發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的舵系統(tǒng)輸出信號中含有頻率為4.63Hz，幅度為0.87（°）/s的低頻干擾信號，低頻干擾信號數(shù)據(jù)分析圖見圖1所示，圖中橫坐標(biāo)表示幀數(shù)，縱坐標(biāo)表示脈沖數(shù)（26個(gè)脈沖約為0.87（°）/s）。

該干擾信號的頻率在產(chǎn)品控制回路頻帶之內(nèi)，將直接影響產(chǎn)品控制精度，甚至?xí)绊懙饺蝿?wù)的成敗。

經(jīng)理論分析，控制系統(tǒng)的舵系統(tǒng)輸出信號中含有頻率為4.63Hz低頻干擾信號的原因是由于導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的采樣頻率（370.37Hz）與慣測組合內(nèi)部陀螺轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率的3倍頻（375Hz）相近所致。采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，模擬角速度通道存在375Hz的干擾信號，信號峰值設(shè)定為1，對該信號采用2.7ms的采樣周期（370.37Hz）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

對于375Hz的干擾信號，用2.7ms采樣周期（370.37Hz）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，其輸出信號峰值不變，輸出信號頻率由于375Hz和370.37Hz混頻產(chǎn)生了4.63Hz，復(fù)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的舵系統(tǒng)輸出信號中含有頻率為4.63Hz混頻干擾信號的異常現(xiàn)象。

4.混頻噪聲抑制技術(shù)

4.1抑制混頻干擾的措施

針對導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的舵系統(tǒng)輸出信號中含有頻率為4.63Hz混頻干擾信號的異常現(xiàn)象，結(jié)合動調(diào)陀螺捷聯(lián)慣測組合的特點(diǎn)，有效抑制該低頻干擾的措施有如下幾項(xiàng)：

a）更改產(chǎn)品控制系統(tǒng)的采樣頻率

將導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的采樣周期更改為3.375ms（296.26Hz），用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，輸入為375Hz干擾信號，峰值設(shè)定為1，采集后1秒內(nèi)信號。對于375Hz的干擾信號，用3.375ms采樣周期（296.26Hz）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，其輸出信號峰值不變，輸出信號頻率約為74Hz，考慮到產(chǎn)品舵系統(tǒng)的帶寬約為40Hz，在74Hz處信號已衰減到-20dB，因此可以達(dá)到降低375Hz干擾信號對控制系統(tǒng)影響的目的。

b）捷聯(lián)慣測組合中增加數(shù)字濾波

針對375Hz的干擾信號，導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的采樣周期仍為2.7ms，在捷聯(lián)慣測組合中增加數(shù)字濾波，濾波方法為：在2.7ms采樣周期（370.37Hz）內(nèi)進(jìn)行時(shí)間間隔為1.333ms（375Hz周期的一半）的兩次數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行累加和平均計(jì)算，用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，輸入為375Hz干擾信號，峰值設(shè)定為1，采集后1秒內(nèi)信號，對于375Hz的干擾信號，用2.7ms采樣周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并增加數(shù)字濾波措施后，雖然輸出信號頻率仍為4.63Hz，但其輸出信號峰值已衰減了250倍，可以達(dá)到降低375Hz干擾信號對控制系統(tǒng)影響的目的。

c）既更改控制系統(tǒng)的采樣頻率又增加捷聯(lián)慣測組合數(shù)字濾波

結(jié)合以上兩項(xiàng)仿真結(jié)果，將導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的采樣周期更改為3.375ms，并增加數(shù)字濾波措施，用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，輸入為375Hz干擾信號，峰值設(shè)定為1，采集后1秒內(nèi)信號。對于375Hz的干擾信號，用3.375ms采樣周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并增加數(shù)字濾波措施后，不但干擾信號峰值衰減了250倍，而且輸出信號頻率變?yōu)?4Hz，可極大降低375Hz干擾信號對控制系統(tǒng)的影響。

4.5采取抑制措施后的試驗(yàn)驗(yàn)證情況

a）增加數(shù)字濾波器

針對慣測組合中角速度通道輸出干擾信號為375Hz的特點(diǎn)，其變化周期為2.666ms，根據(jù)濾波器原理，針對耦合形成的4.63Hz干擾信號，可以在慣測組合軟件中設(shè)計(jì)一個(gè)375Hz濾波器，從而可以大大降低4.63Hz混頻信號的能量，達(dá)到基本消除有害低頻干擾信號的目的。更改后在試驗(yàn)中通過遙測通訊端口連續(xù)接收角速度數(shù)據(jù)，抽取其中1秒數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后。

慣測組合角速度輸出信號無明顯的周期信號，且最大變化量不到20^，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有所提高。

b）增加數(shù)字濾波并更改采樣周期

在慣測組合軟件中增加數(shù)字濾波器的基礎(chǔ)上同時(shí)更改導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的采樣周期，采樣周期由2.7ms改為3.375ms。更改后通過遙測通訊端口連續(xù)接收角速度輸出數(shù)據(jù)，抽取其中1秒數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。慣測組合角速度輸出信號無明顯的周期信號，且最大變化量不到16^，數(shù)據(jù)離散性不大，慣測組合角速度穩(wěn)定性及測量精度有了明顯提高。

5 結(jié)論

某控制系統(tǒng)出現(xiàn)4.63Hz混頻干擾信號，通過對捷聯(lián)慣測組合及內(nèi)部動調(diào)陀螺回路工作原理入手，分析了導(dǎo)致混頻干擾的根本原因，并采用分析軟件進(jìn)行仿真，最終找到了產(chǎn)生混頻干擾的原因是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的采樣頻率與動調(diào)陀螺回路125Hz噪聲的3倍頻較為接近導(dǎo)致。根據(jù)問題產(chǎn)生的機(jī)理，在某捷聯(lián)慣測組合上采取了對應(yīng)的措施，即增加375Hz濾波，并更改產(chǎn)品控制系統(tǒng)的采樣周期，最終對動調(diào)陀螺捷聯(lián)慣測組合混頻噪聲干擾進(jìn)行了徹底抑制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周百令.動力調(diào)諧陀螺儀設(shè)計(jì)與制造.南京：東南大學(xué)出版社，2002

（作者單位：貴州航天控制技術(shù)有限公司）