一種綜合體配置雷達角伺服跟蹤方法

羅春賢

【摘 要】本文根據(jù)綜合體配置雷達的特點，提出具體的角伺服跟蹤方案，對該方案的可行性進行分析，并進行仿真實現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】綜合體配置；角伺服跟蹤；仿真

A Method of Tracking Servocontrol in Tracking Radar of A Shipborad Syntheses

LUO Chun-xian

（China Electronics Technology Group Corporation， The 20th Institute， Xian Shaanxi 710068， China）

【Abstract】Advance a particular method of Tracking Servocontrol based on the characteristic of the Tracking Radar of a Shipborad syntheses， analyse the feasibility of this method，and doing the emulator.

【Key words】Syntheses； Tracking servocontrol； Emluator

0 引言

綜合體配置雷達伺服系統(tǒng)在整個綜合體中有重要的地位，它是一種復(fù)雜的機電綜合系統(tǒng)。為了滿足任務(wù)需求，雷達伺服系統(tǒng)需要具有高動態(tài)性能，高穩(wěn)定性和高跟蹤精度。在系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試階段，提出一個合理可行的構(gòu)架，選用合適的器件，應(yīng)用軟件進行建模、仿真，對樣機進行試驗驗證具有重要意義。

1 要解決的技術(shù)問題

隨著綜合體指向目標(biāo)未來點時隨動系統(tǒng)速度和加速度的大幅提高，復(fù)合控制的技術(shù)難度增加，具體到跟蹤雷達角伺服系統(tǒng)來講，其需要完成的功能就是驅(qū)動天線完成快速調(diào)舷、搜索，與電子跟蹤通道一起完成對目標(biāo)的精確角度跟蹤；對各級載體搖擺進行有效隔離，使天線軸線在慣性空間穩(wěn)定。

2 技術(shù)方案

以“低頻位置跟蹤，高頻速度隔離”為指導(dǎo)思想進行設(shè)計， 設(shè)計方案如下：

2.1 物理組成

由天線座電氣部分和伺服控制電路部分組成角跟蹤伺服系統(tǒng)。

天線座電氣部分包括方位驅(qū)動電機、俯仰驅(qū)動電機；方位、俯仰角度敏感裝置。另外，天線上裝配兩個分別用來敏感方位和俯仰角速度的陀螺及配套的陀螺解調(diào)裝置，陀螺的敏感度高，能有效隔離各級載體的搖擺量。

伺服控制電路部分包括控制組合和功率放大裝置。控制組合中包括方位和俯仰的校正電路（數(shù)字或者模擬）、角度轉(zhuǎn)換電路、控制輸出轉(zhuǎn)換電路、信息處理模塊和故障檢測模塊。

功率放大裝置包括功率放大模塊，配套的電源裝置以及兩個分別用于敏感方位、俯仰電機電樞電流的傳感器。

2.2 環(huán)路設(shè)計

角跟蹤伺服控制環(huán)路設(shè)計成三環(huán)嵌套系統(tǒng)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，中環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)，原理框圖見圖1。其中速度環(huán)是以速率積分陀螺為傳感器構(gòu)成的空間速度環(huán)即陀螺環(huán)。

圖1 伺服方位或俯仰控制環(huán)路原理框

電流環(huán)由驅(qū)動電機電樞回路﹑PWM功放﹑電流敏感裝置及電流環(huán)校正放大環(huán)節(jié)組成。電流環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

陀螺環(huán)由速率積分陀螺及其解調(diào)電路、陀螺環(huán)校正放大環(huán)節(jié)、電流環(huán)組成。陀螺環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 陀螺環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

3 具體實施方式

3.1 主要器件的選擇和模塊電路設(shè)計

1）根據(jù)雷達加速度指標(biāo)方面的要求分別計算出天線方位和俯仰的總負(fù)載力矩，并選用合適的直流力矩電機分別作為方位和俯仰的驅(qū)動電機，并與各自驅(qū)動軸同軸安裝。

2）功率放大模塊采用具有過流保護功能的PWM功放模塊，指標(biāo)要求如下：開關(guān)頻率2kHz；輸出連續(xù)工作電流10A；峰值電流 ≥50A。

3）天線上的陀螺使用液浮速率積分陀螺。采用液浮速率積分陀螺為傳感器構(gòu)成跟蹤雷達伺服系統(tǒng)的空間速度環(huán)是一種很好的設(shè)計選擇，這樣設(shè)計的速度環(huán)具有增益高、頻帶寬、穩(wěn)定剛度大、靜態(tài)誤差小的特點。

4）選用直接套天線軸安裝的雙通道旋變發(fā)送機來作為角度敏感裝置，實時輸出方位和俯仰角位移。

5）方位、俯仰校正電路均采用模擬校正實現(xiàn)對陀螺環(huán)、電流環(huán)的比例積分、比例微分放大校正；陀螺環(huán)的校正放大環(huán)節(jié)中設(shè)計有帶阻濾波器，濾波器抑制頻帶中心頻率與天線座的機械諧振頻率相同；電流環(huán)的反饋支路也設(shè)計有帶阻濾波器，抑制頻帶中心頻率設(shè)在了PWM功放的切換頻率上。另外校正板上還有由功率運放實現(xiàn)的陀螺力矩電流產(chǎn)生器。

6）信息處理模塊主要對伺服系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種信息進行處理。由微處理器、譯碼控制器、高速RAM、高速EPROM、驅(qū)動器和PC機通訊使用的仿真頭及其外圍電路組成。

7）角度轉(zhuǎn)換電路由兩片分別用來轉(zhuǎn)換來自方位、俯仰旋變的模擬信號RDC芯片和與之對應(yīng)的讀、寫電路組成。電路原理圖如圖4所示。

圖4 角度轉(zhuǎn)換電路原理圖

8）將故障檢測設(shè)計為在線檢測和非在線檢測兩種方式。

對陀螺電源信號、功放檢測信號處理成一直流電平后，與故障門限電平同時進入比較器進行比較，比較后得出該信號的故障碼，供處理器實時查詢，進行在線檢測。

由十六選一模擬開關(guān)選出需要檢測的模擬信號中的一路，進行A/D變換后，由處理器讀回數(shù)據(jù)并與設(shè)定的門限比較，進行非在線檢測。

9）功放電源由電網(wǎng)濾波器、變壓器、整流濾波器組成，如圖5所示。

圖5 功放電源原理圖

4 仿真

4.1 控制環(huán)路仿真

1）電流環(huán)路設(shè)計技術(shù)要求為：開環(huán)增益 >50dB；閉環(huán)帶寬 >100Hz；相位裕度 >45°；幅值裕度 >10 dB。

電流環(huán)仿真模型如圖6所示，開環(huán)頻率特性曲線如圖7，由曲線可得，電流環(huán)開環(huán)增益59dB，截至頻率為140Hz，相位裕度66°。

圖6 電流環(huán)仿真模型

圖7 電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線

閉環(huán)頻率特性如圖8，閉環(huán)階躍相應(yīng)如圖9由以下兩圖可得，電流環(huán)閉環(huán)帶寬214Hz，超調(diào)量4.3%。

圖8 電流環(huán)閉環(huán)頻率特性曲線

圖9 電流環(huán)階躍相應(yīng)曲線

2）陀螺環(huán)路設(shè)計技術(shù)要求為：開環(huán)增益 >60dB；閉環(huán)帶寬 >12Hz；相位裕度 >50°；幅值裕度 >8 dB。

陀螺環(huán)仿真模型如圖10所示，開環(huán)頻率特性曲線如圖11，由曲線可得，陀螺環(huán)開環(huán)增益61dB，截至頻率8.8Hz，相位裕度67°，幅值裕度21dB。

圖10 陀螺環(huán)仿真模型

圖11 陀螺環(huán)開環(huán)頻率特性曲線

陀螺環(huán)閉環(huán)頻率特性如圖12，閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖13。由以下兩圖可得，調(diào)節(jié)時間0.16秒，超調(diào)量為7.5%，閉環(huán)帶寬12.8Hz。

4.2 效果仿真

4.2.1 擾動試驗

對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性進進行了載體擾動試驗，試驗數(shù)據(jù)如圖14，從圖中可以看出，跟蹤穩(wěn)定后載體的擾動基本上對慣性空間內(nèi)的雷達軸線指向沒有影響。

4.2.2 模擬跟蹤

方位支路跟蹤模擬目標(biāo)，在跟蹤角速度和角加速度達到指標(biāo)要求時最大滯后誤差為2.2mrad，如圖15所示。

5 結(jié)束語

本文針對復(fù)雜的綜合體配置雷達對伺服系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，設(shè)計實現(xiàn)了一種伺服角跟蹤裝置，在實際運用中已取得了較好的效果。

【參考文獻】

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[2]楊奕飛.復(fù)合控制在船載雷達中的實現(xiàn)[C]//2000年航天測控技術(shù)研討會論文集.北京：中國宇航學(xué)會飛行器測控專業(yè)委員會，2000.

[3]瞿元新. 航天測量船測控通信設(shè)備船搖穩(wěn)定技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2008.

[4]黨瑞榮，等.TMS320C3xDSP原理與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：程龍]

1）電流環(huán)路設(shè)計技術(shù)要求為：開環(huán)增益 >50dB；閉環(huán)帶寬 >100Hz；相位裕度 >45°；幅值裕度 >10 dB。

電流環(huán)仿真模型如圖6所示，開環(huán)頻率特性曲線如圖7，由曲線可得，電流環(huán)開環(huán)增益59dB，截至頻率為140Hz，相位裕度66°。

圖6 電流環(huán)仿真模型

圖7 電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線

閉環(huán)頻率特性如圖8，閉環(huán)階躍相應(yīng)如圖9由以下兩圖可得，電流環(huán)閉環(huán)帶寬214Hz，超調(diào)量4.3%。

圖8 電流環(huán)閉環(huán)頻率特性曲線

圖9 電流環(huán)階躍相應(yīng)曲線

2）陀螺環(huán)路設(shè)計技術(shù)要求為：開環(huán)增益 >60dB；閉環(huán)帶寬 >12Hz；相位裕度 >50°；幅值裕度 >8 dB。

陀螺環(huán)仿真模型如圖10所示，開環(huán)頻率特性曲線如圖11，由曲線可得，陀螺環(huán)開環(huán)增益61dB，截至頻率8.8Hz，相位裕度67°，幅值裕度21dB。

圖10 陀螺環(huán)仿真模型

圖11 陀螺環(huán)開環(huán)頻率特性曲線

陀螺環(huán)閉環(huán)頻率特性如圖12，閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖13。由以下兩圖可得，調(diào)節(jié)時間0.16秒，超調(diào)量為7.5%，閉環(huán)帶寬12.8Hz。

4.2 效果仿真

4.2.1 擾動試驗

對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性進進行了載體擾動試驗，試驗數(shù)據(jù)如圖14，從圖中可以看出，跟蹤穩(wěn)定后載體的擾動基本上對慣性空間內(nèi)的雷達軸線指向沒有影響。

4.2.2 模擬跟蹤

方位支路跟蹤模擬目標(biāo)，在跟蹤角速度和角加速度達到指標(biāo)要求時最大滯后誤差為2.2mrad，如圖15所示。

5 結(jié)束語

本文針對復(fù)雜的綜合體配置雷達對伺服系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，設(shè)計實現(xiàn)了一種伺服角跟蹤裝置，在實際運用中已取得了較好的效果。

【參考文獻】

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[2]楊奕飛.復(fù)合控制在船載雷達中的實現(xiàn)[C]//2000年航天測控技術(shù)研討會論文集.北京：中國宇航學(xué)會飛行器測控專業(yè)委員會，2000.

[3]瞿元新. 航天測量船測控通信設(shè)備船搖穩(wěn)定技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2008.

[4]黨瑞榮，等.TMS320C3xDSP原理與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：程龍]

1）電流環(huán)路設(shè)計技術(shù)要求為：開環(huán)增益 >50dB；閉環(huán)帶寬 >100Hz；相位裕度 >45°；幅值裕度 >10 dB。

電流環(huán)仿真模型如圖6所示，開環(huán)頻率特性曲線如圖7，由曲線可得，電流環(huán)開環(huán)增益59dB，截至頻率為140Hz，相位裕度66°。

圖6 電流環(huán)仿真模型

圖7 電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線

閉環(huán)頻率特性如圖8，閉環(huán)階躍相應(yīng)如圖9由以下兩圖可得，電流環(huán)閉環(huán)帶寬214Hz，超調(diào)量4.3%。

圖8 電流環(huán)閉環(huán)頻率特性曲線

圖9 電流環(huán)階躍相應(yīng)曲線

2）陀螺環(huán)路設(shè)計技術(shù)要求為：開環(huán)增益 >60dB；閉環(huán)帶寬 >12Hz；相位裕度 >50°；幅值裕度 >8 dB。

陀螺環(huán)仿真模型如圖10所示，開環(huán)頻率特性曲線如圖11，由曲線可得，陀螺環(huán)開環(huán)增益61dB，截至頻率8.8Hz，相位裕度67°，幅值裕度21dB。

圖10 陀螺環(huán)仿真模型

圖11 陀螺環(huán)開環(huán)頻率特性曲線

陀螺環(huán)閉環(huán)頻率特性如圖12，閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖13。由以下兩圖可得，調(diào)節(jié)時間0.16秒，超調(diào)量為7.5%，閉環(huán)帶寬12.8Hz。

4.2 效果仿真

4.2.1 擾動試驗

對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性進進行了載體擾動試驗，試驗數(shù)據(jù)如圖14，從圖中可以看出，跟蹤穩(wěn)定后載體的擾動基本上對慣性空間內(nèi)的雷達軸線指向沒有影響。

4.2.2 模擬跟蹤

方位支路跟蹤模擬目標(biāo)，在跟蹤角速度和角加速度達到指標(biāo)要求時最大滯后誤差為2.2mrad，如圖15所示。

5 結(jié)束語

本文針對復(fù)雜的綜合體配置雷達對伺服系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，設(shè)計實現(xiàn)了一種伺服角跟蹤裝置，在實際運用中已取得了較好的效果。

【參考文獻】

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[2]楊奕飛.復(fù)合控制在船載雷達中的實現(xiàn)[C]//2000年航天測控技術(shù)研討會論文集.北京：中國宇航學(xué)會飛行器測控專業(yè)委員會，2000.

[3]瞿元新. 航天測量船測控通信設(shè)備船搖穩(wěn)定技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2008.

[4]黨瑞榮，等.TMS320C3xDSP原理與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：程龍]