影响控制系统的惯性量混频噪声滤波技术研究

罗小秋

【摘  要】根据某产品控制系统中出现了4.63Hz混频干扰信号，通过对控制系统中捷联惯测组合及内部动调陀螺回路工作原理入手，分析了导致混频干扰的根本原因，并采用分析软件进行仿真，最终找到了产生混频干扰的原因是导弹控制系统的采样频率与动调陀螺回路125Hz噪声的3倍频较为接近导致。针对问题产生的机理，在某捷联惯测组合上采取了对应的措施，最终对影响控制系统中惯性量混频噪声进行了彻底抑制。

【关键词】控制系统;混频噪声;滤波技术

1.引言

某捷联惯测组合是某型產品控制系统的角速度和加速度测量设备，用于实时测量该型产品在飞行中绕载体3个轴转动的角速率以及质心沿载体3个轴向运动的视加速度，供作导航、控制、稳定及调参用，俗话说差之毫厘谬以千里，惯测组合的测量精度直接关系到控制系统的精度，甚至关系到任务的成败，有专家分析，控制系统命中精度百分之七十取决于惯测组合的测量精度，因此，惯测组合是整个控制系统的重要误差源，这就需要对惯测组合输出信号的采集方式、干扰源的分析处理采取针对性的措施。

2.惯测组合角速度通道工作原理

2.1动调陀螺回路工作原理

动调陀螺仪转子采用同步电机驱动，某捷联惯测组合动调陀螺仪采用的电机驱动电源频率为500Hz，其转子转速为7500转/分钟，由于陀螺转子质量分布不均而形成的纯力偶作用，以及加工或装配产生的转子端面跳动将使得陀螺传感器输出信号中夹杂有频率为125Hz的低频干扰信号，为了提高陀螺回路的稳定性和测试精度，必须有效的消除这种有害信号，因此，在再平衡电路中已加入了125Hz陷波电路，对该有害信号起到良好的抑制作用。

2.2 惯测组合角速度通道工作原理

一次电源27V电源经电源滤波后送给惯测组合，惯测组合内部二次电源产生惯测组合所需的工作电源，X轴和Y、Z轴动调陀螺与再平衡电路构成陀螺回路，分别用于敏感测量X、Y和Z轴的角速度，再经信号处理电路输出给A/D转换电路，最后由串口输出。其中，信号处理电路及A/D转换电路对惯测组合精度的提高至关重要，信号处理电路的作用是将捷联惯测组合频带外的有害干扰信号尽可能的滤除掉，频带内固定频率的干扰信号采取陷波的措施进行滤除，A/D转换电路采样周期的选择对降低角速度通道信号干扰也尤为重要。

3.某捷联惯测组合出现的混频干扰问题

某捷联惯测组合发现控制系统的舵系统输出信号中含有频率为4.63Hz，幅度为0.87（°）/s的低频干扰信号，低频干扰信号数据分析图见图1所示，图中横坐标表示帧数，纵坐标表示脉冲数（26个脉冲约为0.87（°）/s）。

该干扰信号的频率在产品控制回路频带之内，将直接影响产品控制精度，甚至会影响到任务的成败。

经理论分析，控制系统的舵系统输出信号中含有频率为4.63Hz低频干扰信号的原因是由于导弹控制系统的采样频率（370.37Hz）与惯测组合内部陀螺转子转速频率的3倍频（375Hz）相近所致。采用MATLAB软件进行仿真分析，模拟角速度通道存在375Hz的干扰信号，信号峰值设定为1，对该信号采用2.7ms的采样周期（370.37Hz）进行数据采集。

对于375Hz的干扰信号，用2.7ms采样周期（370.37Hz）进行数据采集后，其输出信号峰值不变，输出信号频率由于375Hz和370.37Hz混频产生了4.63Hz，复现了控制系统的舵系统输出信号中含有频率为4.63Hz混频干扰信号的异常现象。

4.混频噪声抑制技术

4.1抑制混频干扰的措施

针对导弹控制系统的舵系统输出信号中含有频率为4.63Hz混频干扰信号的异常现象，结合动调陀螺捷联惯测组合的特点，有效抑制该低频干扰的措施有如下几项：

a）更改产品控制系统的采样频率

将导弹控制系统的采样周期更改为3.375ms（296.26Hz），用MATLAB软件进行仿真分析，输入为375Hz干扰信号，峰值设定为1，采集后1秒内信号。对于375Hz的干扰信号，用3.375ms采样周期（296.26Hz）进行数据采集后，其输出信号峰值不变，输出信号频率约为74Hz，考虑到产品舵系统的带宽约为40Hz，在74Hz处信号已衰减到-20dB，因此可以达到降低375Hz干扰信号对控制系统影响的目的。

b）捷联惯测组合中增加数字滤波

针对375Hz的干扰信号，导弹控制系统的采样周期仍为2.7ms，在捷联惯测组合中增加数字滤波，滤波方法为：在2.7ms采样周期（370.37Hz）内进行时间间隔为1.333ms（375Hz周期的一半）的两次数据采集，并进行累加和平均计算，用MATLAB软件进行仿真分析，输入为375Hz干扰信号，峰值设定为1，采集后1秒内信号，对于375Hz的干扰信号，用2.7ms采样周期进行数据采集并增加数字滤波措施后，虽然输出信号频率仍为4.63Hz，但其输出信号峰值已衰减了250倍，可以达到降低375Hz干扰信号对控制系统影响的目的。

c）既更改控制系统的采样频率又增加捷联惯测组合数字滤波

结合以上两项仿真结果，将导弹控制系统的采样周期更改为3.375ms，并增加数字滤波措施，用MATLAB软件进行仿真分析，输入为375Hz干扰信号，峰值设定为1，采集后1秒内信号。对于375Hz的干扰信号，用3.375ms采样周期进行数据采集并增加数字滤波措施后，不但干扰信号峰值衰减了250倍，而且输出信号频率变为74Hz，可极大降低375Hz干扰信号对控制系统的影响。

4.5采取抑制措施后的试验验证情况

a）增加数字滤波器

针对惯测组合中角速度通道输出干扰信号为375Hz的特点，其变化周期为2.666ms，根据滤波器原理，针对耦合形成的4.63Hz干扰信号，可以在惯测组合软件中设计一个375Hz滤波器，从而可以大大降低4.63Hz混频信号的能量，达到基本消除有害低频干扰信号的目的。更改后在试验中通过遥测通讯端口连续接收角速度数据，抽取其中1秒数据进行处理后。

惯测组合角速度输出信号无明显的周期信号，且最大变化量不到20^，数据稳定性有所提高。

b）增加数字滤波并更改采样周期

在惯测组合软件中增加数字滤波器的基础上同时更改导弹控制系统的采样周期，采样周期由2.7ms改为3.375ms。更改后通过遥测通讯端口连续接收角速度输出数据，抽取其中1秒数据进行处理。惯测组合角速度输出信号无明显的周期信号，且最大变化量不到16^，数据离散性不大，惯测组合角速度稳定性及测量精度有了明显提高。

5 结论

某控制系统出现4.63Hz混频干扰信号，通过对捷联惯测组合及内部动调陀螺回路工作原理入手，分析了导致混频干扰的根本原因，并采用分析软件进行仿真，最终找到了产生混频干扰的原因是导弹控制系统的采样频率与动调陀螺回路125Hz噪声的3倍频较为接近导致。根据问题产生的机理，在某捷联惯测组合上采取了对应的措施，即增加375Hz滤波，并更改产品控制系统的采样周期，最终对动调陀螺捷联惯测组合混频噪声干扰进行了彻底抑制。

参考文献：

[1] 周百令.动力调谐陀螺仪设计与制造.南京：东南大学出版社，2002

（作者单位：贵州航天控制技术有限公司）