雷達(dá)天線液壓起豎系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

黃海濤，彭國朋，黃建國

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

雷達(dá)天線液壓起豎系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

黃海濤，彭國朋，黃建國

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

為實(shí)現(xiàn)大口徑輕薄型天線液壓起豎系統(tǒng)的可靠動(dòng)作，文中結(jié)合軸角編碼器的測(cè)角功能和壓力傳感器的測(cè)壓功能，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)對(duì)多級(jí)缸倒豎液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)優(yōu)化和修正，有效提高了雙缸驅(qū)動(dòng)過程中的同步精度，消除了超越負(fù)載工況下的倒豎抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了起豎機(jī)構(gòu)全過程的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。該研究可為其它相似類型的產(chǎn)品研發(fā)提供有價(jià)值的參考。

軸角編碼器；壓力傳感器；大口徑輕薄型陣面；同步精度；抖動(dòng)

引 言

在雷達(dá)天線的起豎過程中，天線自身的偏載和摩擦轉(zhuǎn)矩不同導(dǎo)致左右油缸的負(fù)載存在一定的差異，所以油缸在運(yùn)動(dòng)過程中的伸出長(zhǎng)度也不同。若選擇基于液壓分流技術(shù)的強(qiáng)制同步方案，則可能會(huì)因分流器件的精度不夠而造成嚴(yán)重的影響，甚至使陣面扭曲。所以以往天線倒豎油缸的同步主要靠陣面自身的剛度來保證[1]。

隨著相控陣技術(shù)的廣泛應(yīng)用，陣面口徑大型化和陣面厚度輕薄化成為現(xiàn)代雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)，但這也弱化了陣面的剛度。因此，在天線倒豎的過程中，系統(tǒng)對(duì)雙缸運(yùn)動(dòng)過程中的同步精度要求越來越高。同時(shí)，如何克服大口徑輕薄陣面在倒豎過程中的抖動(dòng)問題，成為現(xiàn)代雷達(dá)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文結(jié)合軸角編碼器的測(cè)角功能和壓力傳感器的測(cè)壓功能，對(duì)天線倒豎過程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集，從而對(duì)由雙油缸驅(qū)動(dòng)的雷達(dá)天線起豎系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 同步精度優(yōu)化

1.1 系統(tǒng)模型

雷達(dá)天線起豎裝置一般采用2個(gè)對(duì)稱布置的液壓油缸驅(qū)動(dòng)。在工作過程中，在驅(qū)動(dòng)油缸作用下，天線陣面從接近水平的角度起豎至指標(biāo)所需要的傾角。天線根部與轉(zhuǎn)臺(tái)通過支耳鉸接，起豎油缸下支耳與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，上支耳與天線陣面支承點(diǎn)鉸接。其三維模型如圖1所示，簡(jiǎn)化模型如圖2所示。A為陣面旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，B為油缸下鉸接點(diǎn)，C為油缸上鉸接點(diǎn)，BC為起豎油缸初始長(zhǎng)度。隨著油缸的伸出，C的位置將繞天線轉(zhuǎn)軸A不斷變化，記為C′[2]。

圖1 起豎系統(tǒng)三維模型

圖2 起豎系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

1.2 工作原理

在雷達(dá)天線的起豎過程中，若油缸運(yùn)動(dòng)不同步，直接表現(xiàn)為活塞桿伸出的長(zhǎng)度不一致。當(dāng)2個(gè)油缸伸出的長(zhǎng)度不一致時(shí)，左、右陣面支耳對(duì)應(yīng)的∠CAB就表現(xiàn)出一定的差異。用這2個(gè)角度值中的1個(gè)作為控制油缸運(yùn)動(dòng)的控制參數(shù)，可以將2個(gè)油缸運(yùn)動(dòng)的同步精度限制在一定范圍內(nèi)，從而保持陣面倒豎過程中的平面度[3]。

本文選擇軸角編碼器進(jìn)行角度測(cè)量，測(cè)角精度根據(jù)需求進(jìn)行選擇，一般選3′左右即可。因舉升油缸常為兩端帶關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)形式，在陣面起豎過程中可能存在一定的擺動(dòng)，在油缸所在銷軸處安裝軸角編碼器存在一定的困難，所以將2個(gè)軸角編碼器安裝在如圖3所示的天線支耳銷軸處[4]。

圖3 軸角編碼器安裝

1.3 液壓系統(tǒng)優(yōu)化

如圖4所示，在以往的液壓起豎系統(tǒng)中，雙缸一般直接通過三通分油，運(yùn)動(dòng)過程中的同步主要靠陣面自身的剛度來保證。但在現(xiàn)代雷達(dá)中，陣面自身剛度弱，已不足以通過結(jié)構(gòu)來保證雙缸同步要求，因而需要通過液壓系統(tǒng)優(yōu)化予以改進(jìn)。目前一般采取2種方式對(duì)雙缸的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制：分流/集流閥加比例補(bǔ)油控制和支路比例調(diào)速控制。

圖4 起豎系統(tǒng)液壓原理

1.3.1 分流/集流加比例補(bǔ)油控制

如圖5所示，設(shè)計(jì)時(shí)在系統(tǒng)中增加分流/集流閥，在起豎過程中，當(dāng)兩油缸的負(fù)載不平衡時(shí)，負(fù)載大的一側(cè)壓力升高，產(chǎn)生的壓力差將推動(dòng)閥芯向低壓側(cè)動(dòng)作，強(qiáng)制兩側(cè)油缸輸入流量相等，以保證動(dòng)作同步。但當(dāng)兩側(cè)負(fù)載相差較大時(shí)，分流/集流閥不能完全保證兩路的流量相同，會(huì)產(chǎn)生大約3%～5%的誤差。為彌補(bǔ)兩側(cè)負(fù)載相差較大時(shí)分流/集流閥產(chǎn)生的流量誤差，在系統(tǒng)中需增加比例換向閥進(jìn)行補(bǔ)油，強(qiáng)制控制兩支路的流量，使之相等。對(duì)比例電磁鐵的控制信號(hào)采用圖2所示的∠CAB的差值。

圖5 比例補(bǔ)油液壓原理

在起豎過程中，當(dāng)差值為正值時(shí)，說明左側(cè)油缸伸出速度大于右側(cè)，此時(shí)需控制比例換向閥1向右側(cè)支路補(bǔ)油，若為負(fù)值則需對(duì)左側(cè)支路補(bǔ)油。在倒伏過程中，當(dāng)差值為正值時(shí)，說明左側(cè)油缸縮回速度小于右側(cè)，此時(shí)需控制比例換向閥2向左側(cè)支路補(bǔ)油，若為負(fù)值則需對(duì)右側(cè)支路補(bǔ)油。角度差值的門限值可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置，一般選擇在10′左右，若低于此門限值，系統(tǒng)將予以忽略。

1.3.2 支路比例調(diào)速控制

如圖6所示，在系統(tǒng)每個(gè)起豎油缸的支路上分別增加1只電控比例調(diào)速閥。該調(diào)速閥采用橋式整流的形式，可對(duì)進(jìn)/回油分別調(diào)速。

圖6 支路比例調(diào)速控制原理

控制信號(hào)依然采用圖2所示的∠CAB的差值。在起豎過程中，系統(tǒng)為進(jìn)油節(jié)流。當(dāng)差值為正值時(shí)，說明左側(cè)油缸伸出速度大于右側(cè)，此時(shí)需對(duì)左側(cè)油缸的調(diào)速閥進(jìn)行節(jié)流，若為負(fù)值則需對(duì)右側(cè)油缸的調(diào)速閥進(jìn)行節(jié)流。在倒伏過程中，系統(tǒng)變?yōu)榛赜凸?jié)流，當(dāng)差值為正值時(shí)，說明左側(cè)油缸縮回速度小于右側(cè)，此時(shí)應(yīng)對(duì)右側(cè)油缸的調(diào)速閥進(jìn)行節(jié)流，若為負(fù)值則需對(duì)左側(cè)油缸的調(diào)速閥進(jìn)行節(jié)流[5]。角度差值的門限值選擇與1.3.1節(jié)相同。

2 倒豎抖動(dòng)控制

在大口徑輕薄型陣面的倒豎過程中，抖動(dòng)是另一種常見的問題且影響的因素多，主要發(fā)生在陣面做倒伏動(dòng)作時(shí)，特別是在啟動(dòng)、多級(jí)缸切換和風(fēng)載荷有較大交變時(shí)。

陣面倒伏時(shí)，油缸受超越負(fù)載，為了避免在運(yùn)動(dòng)過程中失衡、失速并保證系統(tǒng)安全，需在下腔油路中設(shè)置平衡閥。但大口徑輕薄型陣面在啟動(dòng)初期、多級(jí)缸切換和風(fēng)載荷有較大交變時(shí)，因自身剛度不足，陣面會(huì)發(fā)生一定的顫動(dòng)，反應(yīng)到油缸上則是負(fù)載發(fā)生周期性的變化，壓力也會(huì)隨之波動(dòng)。裝入系統(tǒng)中的平衡閥有相對(duì)固定的設(shè)定壓力和開啟比，在系統(tǒng)壓力波動(dòng)的同時(shí)，平衡閥將被頻繁地打開或關(guān)閉，會(huì)逐漸加劇陣面的顫動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至載車都會(huì)抖動(dòng)。

2.1 控制系統(tǒng)優(yōu)化

針對(duì)這一問題，需對(duì)以往單一的控制手段予以優(yōu)化，引入軸角編碼器和壓力傳感器，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行反饋，智能調(diào)整比例換向閥的開口，以控制油缸的運(yùn)動(dòng)速度。以某大型設(shè)備為例，初時(shí)在倒伏起始階段和多級(jí)缸切換階段，陣面發(fā)生抖動(dòng)，且越來越嚴(yán)重。為此，在伺服控制程序中加入了斜坡啟動(dòng)，并且通過軸角編碼器的測(cè)角功能在多級(jí)缸切換時(shí)提前對(duì)油缸減速，使其平穩(wěn)切換，有效消除了抖動(dòng)現(xiàn)象。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還可以引入壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)控。陣面在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)壓力必然存在周期性的變化。此時(shí)可通過壓力傳感器將波動(dòng)的壓力信號(hào)反饋給伺服控制系統(tǒng)，當(dāng)波動(dòng)范圍超過設(shè)定的門限值時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的反饋信息，實(shí)時(shí)調(diào)整比例閥開口，對(duì)油缸進(jìn)行減速，待壓力周期波動(dòng)消除后，再恢復(fù)原運(yùn)行速度。

2.2 液壓系統(tǒng)優(yōu)化

此外，還可對(duì)液壓系統(tǒng)本身進(jìn)行原理上的改進(jìn)。例如在油缸倒伏的回油路上增加阻尼，也可以有效控制抖動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。如圖7所示，在陣面倒伏過程中，多級(jí)油缸受超越負(fù)載，造成油缸上腔短暫失壓，下腔的

圖7 回路阻尼液壓原理

單向平衡閥頻繁開斷，從而引起系統(tǒng)抖動(dòng)。可通過在回油路上增加節(jié)流閥，避免油缸上腔失壓，使平衡閥在整個(gè)倒伏過程中始終處于被開啟狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全程平穩(wěn)倒伏。

3 結(jié)束語

大口徑輕薄型陣面已經(jīng)成為機(jī)動(dòng)雷達(dá)領(lǐng)域的主流，雙缸同步控制精度不足和倒伏過程中的抖動(dòng)問題成為制約液壓系統(tǒng)應(yīng)用的不利因素。近年來，經(jīng)過探索和研究，特別是結(jié)合工程機(jī)械領(lǐng)域的一些寶貴經(jīng)驗(yàn)，有了一些解決上述問題的有效辦法。如上述利用軸角編碼器和壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，智能控制天線倒豎的全過程，既節(jié)省了研制成本，又有效地解決了雙缸同步精度不足和陣面倒伏抖動(dòng)等實(shí)際問題，可供其它類似產(chǎn)品研發(fā)借鑒。

[1] 雷天覺. 新編液壓工程手冊(cè)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1998.

[2] 張寶生. 大型起豎設(shè)備雙缸同步問題研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2008, 36(9): 220-221.

[3] 黃海濤. 基于聯(lián)合仿真的液壓起豎系統(tǒng)研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2010, 26(6): 52-55.

[4] 程洪杰. 位移傳感器在某大型設(shè)備起豎同步問題上的應(yīng)用[J]. 液壓與氣動(dòng), 2004(7): 65-66.

[5] 劉鑫. 大型液壓快速起豎系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng), 2011(6): 108-110.

黃海濤(1976-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開發(fā)工作。

彭國朋(1981-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)電液系統(tǒng)數(shù)字仿真工作。

黃建國(1970-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)伺服系統(tǒng)的技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)工作。

Optimization Design of Hydraulic Lifting System of Radar Antenna

HUANG Hai-tao，PENG Guo-peng，HUANG Jian-guo

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In order to realize reliable movement of the hydraulic lifting system of the light-weight antenna with a large aperture, in this paper real-time optimization and revision for the lift hydraulic system driven by multi-stage cylinder and the control system are carried out according to the feedback data, combining with angel measuring function of the angle encoder and pressure measuring function of the pressure sensor. As a result, synchronization precision in the process of driving by double-cylinder is improved, the lifting dithering under over-running load conditions is eliminated and stable movement in the whole process of lifting mechanism is realized. This provides valuable reference for development of other similar products.

angle encoder; pressure sensor; the light-weight antenna with a large aperture; synchronization precision; dithering

2015-11-05

TP271+.31

A

1008-5300(2016)01-0028-04