AN-2021.04重要裝備姿態(tài)控制為什么要用PID閉環(huán)測(cè)量

本篇嘗試用通俗易懂的語言,來表述閉環(huán)物理參數(shù)測(cè)量的重要性。從原理上解釋為什么重要裝備要慎用以正向開環(huán)測(cè)量為基礎(chǔ)的傳感器。 由于筆者非專業(yè)出身,有些提法或觀點(diǎn)不一定正確，還望大伽您海涵并糾正!

第 一

這里講的重要裝備指如下幾類：

1.石油隨鉆測(cè)井(MWD)或隨鉆錄井(LWD)

2.航姿系統(tǒng)/飛控系統(tǒng)

3.某些類型的導(dǎo)彈

4.其它高精度長壽命的裝備

這些應(yīng)用大致有幾個(gè)共同點(diǎn)：

1.需要使用特定的傳感器精確地測(cè)量載體所感受的一些物理量的變化情況。比如用加速度計(jì)來測(cè)量重力場(chǎng)/直線速度/距離；用陀螺儀來測(cè)量角加速度/角位移；用弱磁測(cè)量單元來測(cè)相對(duì)于地磁北的夾角等。只有把這些參數(shù)測(cè)準(zhǔn),才有望把載體的運(yùn)動(dòng)軌跡控制好。

2.工作期長,或儲(chǔ)存期長,且不能定期標(biāo)定。

3.若任務(wù)失敗,可能造成較大的經(jīng)費(fèi)損失或?yàn)?zāi)難性后果。

第 二

物理量測(cè)量主要參數(shù)的表達(dá)形式：

1.輸出零位(Ko),即無物理量輸入時(shí),傳感器輸出偏移零位的值。

2.比例因子(K1),即被測(cè)物理量變化引起的傳感器輸出變化的比例。

3.二階非線性系數(shù)(K2)，即測(cè)量輸出偏移比例因子K1的大小。

4.輸出零位的溫漂(dko/dT)和時(shí)漂(dko/dt)。

5.比例因子的溫漂(dk1/dT)和時(shí)漂(dk1/dt)。

第 三

傳感器的實(shí)現(xiàn)方式：

借助于對(duì)某種物理量敏感的材料或結(jié)構(gòu),加上電子調(diào)理電路,用電壓(V)或電流(I)的變化來間接表達(dá)當(dāng)前物理量的變化情況。

以線加速度為例，其結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)慣性質(zhì)量塊和一個(gè)差動(dòng)電容器。外施加速度會(huì)使這個(gè)質(zhì)量塊位移，從而差動(dòng)電容的容值就會(huì)發(fā)生變化。將這個(gè)變化交由電子調(diào)整電路處理,便可得到一個(gè)隨外施加速度大小而變化的電壓/電流輸出。如下圖所示：

注：開環(huán)測(cè)量傳感器內(nèi)部質(zhì)量塊沒有力矩器線圈

硅微機(jī)械加速度計(jì)(MEMS),石英撓性加速度計(jì)，懸絲擺式加速度計(jì)均是基于上述原理實(shí)現(xiàn)的。

這種結(jié)構(gòu)均有一個(gè)平衡點(diǎn),或者叫“機(jī)械零位”。即在沒有外施加速度時(shí),慣性質(zhì)量塊在中間位置,ΔC0=0。

理論上,或者工程實(shí)踐上都會(huì)得出這樣一個(gè)結(jié)論，即在可預(yù)見的測(cè)量范圍和測(cè)量帶寬內(nèi),這個(gè)慣性質(zhì)量塊偏離“機(jī)械零位”越小,則ko的時(shí)漂(dko/dt)和k1的時(shí)漂(dk1/dt)越小,K2也越小。進(jìn)而測(cè)量的精度和穩(wěn)定性越高。

第 四

傳感器參數(shù)變化如何影響系統(tǒng)?系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)又是如何應(yīng)對(duì)的?

1.Ko、K1的大小及溫漂會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的基礎(chǔ)值或比例發(fā)生變化。但只要在一定范圍內(nèi)，且隨溫度呈現(xiàn)單調(diào)漂移，且無“熱遲滯”,則均可通過DSP/ISP建模修正掉。但其時(shí)漂無法建模修正，只能在使用前或不定期的標(biāo)度才能完成。這在許多重要裝備上要么很難完成,要么根本無法實(shí)現(xiàn)。

2.K2則不然。在正向開環(huán)測(cè)量傳感器中,它會(huì)隨物理量的大小而變化。一是很難修正準(zhǔn)確,二是擬合次數(shù)多了,很容易引發(fā)CPU中斷打架。

3.“熱遲滯”的表現(xiàn)特征如下圖所示：

就是Ko/k1在升溫過程中和降溫過程中漂移不走同一條路，不重合。致使在某個(gè)溫度點(diǎn)DSP不知道是按上限補(bǔ)償、還是按下限補(bǔ)償。

總之,對(duì)于DSP很難完成或無法完成的傳感器參數(shù)建模修正的情況,均會(huì)影響裝備的測(cè)控精度。

第 五

PID閉環(huán)測(cè)量：

P指當(dāng)前偏差量的大小,I是指偏差的歷史積累，D是指偏差未來的變化趨勢(shì)。

PID測(cè)控是目前已知的最優(yōu)控制方法。按照其實(shí)現(xiàn)方式又分為模擬PID和數(shù)字PID。

具體到線加速度計(jì)應(yīng)用上,就是通過對(duì)差分電容變化情況的檢測(cè)、得到慣性質(zhì)量塊相對(duì)于機(jī)械零位的變化情況。將該偏差量交由PID控制回路運(yùn)算,結(jié)合固定在慣性質(zhì)量塊上的力矩器,產(chǎn)生一個(gè)負(fù)反饋力矩,將慣性質(zhì)量塊拉回到機(jī)械零位。用反饋力矩的大小來表征當(dāng)前感知的加速度大小，具體原理框圖如下：

由于該方法對(duì)慣性質(zhì)量塊移動(dòng)的歷史，現(xiàn)在，將來都考慮進(jìn)去了,只要整定好PID參數(shù),在設(shè)定的測(cè)量范圍和測(cè)量帶寬內(nèi),測(cè)量精度會(huì)很高。二階非線性(k2)也小下來了。其實(shí)這點(diǎn)很容易理解：就是慣性質(zhì)量塊位移越大，則差分電容的非線性越大。反之亦然。

由于有負(fù)反饋力矩的存在,不光保證了在測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量精度,也能提高加速度計(jì)在感受到異常大的加速度時(shí)的耐受力,有利于提高其抗沖擊/振動(dòng)的能力。因?yàn)檫@時(shí)慣性質(zhì)量塊雖然已脫離了機(jī)械零位,但仍然能形成一定的阻尼,減小了質(zhì)量塊碰/蹭上/下限位的力道。當(dāng)然也能減小振動(dòng)整流誤差。

第 六

石英撓性加速度計(jì)，懸絲加速度計(jì)，撓性陀螺儀，磁通門均采用模擬PID閉環(huán)測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)是精度高、時(shí)漂小、溫漂小、二次非線性小。缺點(diǎn)是能耗大、體積大。

硅微機(jī)械（MEMS)實(shí)現(xiàn)的陀螺儀、加速度計(jì)、弱磁測(cè)量單元現(xiàn)時(shí)的主流是正向開環(huán)測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)是可利用業(yè)已成熟的芯片加工工藝大批量生產(chǎn)，成本低廉，并且能在許多工業(yè)場(chǎng)合或汽車家用設(shè)備上大量應(yīng)用。缺點(diǎn)是時(shí)漂大，二次非線性大，測(cè)量精度不高。需要不定期標(biāo)定。

第 七

建議設(shè)計(jì)師在應(yīng)用于重要裝備上的傳感器選型上注意如下幾點(diǎn)：

1.從產(chǎn)品原理介紹上區(qū)分是不是閉環(huán)PID測(cè)量。

2.產(chǎn)品手冊(cè)中沒有給出時(shí)漂，二次非線性，熱遲滯參數(shù)的要慎用。

3.沒有系統(tǒng)地處理材料應(yīng)力、加工應(yīng)力、電老煉的產(chǎn)品要慎用。

4.合理折中測(cè)量精度與能耗、無效載荷之間的辯證關(guān)系，且勿小馬/病馬拉大車。

5.不能盲目相信計(jì)算機(jī)能補(bǔ)償一切誤差源。