穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)研究

摘要：文章對穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)進行了研究，首先論述了紅外成像跟蹤系統(tǒng)工作原理和兩通道伺服機構(gòu)實現(xiàn)形式及系統(tǒng)主要性能指標(biāo)的測試方法，其次介紹了控制回路構(gòu)成、工作機制和具體設(shè)計方式，最后對硬件研制過程中遇到的問題進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)；隨動系統(tǒng)；伺服機構(gòu)；穩(wěn)定平臺；控制回路；校正 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）27-0026-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.012

紅外導(dǎo)引頭接收目標(biāo)的紅外輻射，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號處理后，給出目標(biāo)相對于導(dǎo)彈的方位、角速度等信息，產(chǎn)生目標(biāo)相對于導(dǎo)引頭光軸的誤差信號，用以驅(qū)動伺服機構(gòu)，控制導(dǎo)彈飛向目標(biāo)并擊中目標(biāo)。綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸限制、性價比及總體戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求等諸多因素，設(shè)計采用兩通道飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)，分別穩(wěn)定、控制搜索和跟蹤時繞質(zhì)心的方位和俯仰運動。各通道組成基本相同，都是由感應(yīng)裝置、校正裝置和伺服機構(gòu)組成。

第一，感應(yīng)裝置，用于測量導(dǎo)彈飛行姿態(tài)的變化并輸出相應(yīng)信號。該系統(tǒng)由角位移傳感器、穩(wěn)定平臺和單自由度速率陀螺儀等組成。其中角位移傳感器的功能是把機械位移量角度轉(zhuǎn)換成電信號，且輸出的電信號與輸入的角度線性相關(guān)；穩(wěn)定平臺提供測量坐標(biāo)基準(zhǔn)，利用彈體相對平臺框架的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生姿態(tài)角信號；單自由度速率陀螺儀是利用陀螺的進動性來測量敏感軸方向的姿態(tài)角速率，其輸出電壓信號與輸入角速度成正比，經(jīng)換算給出姿態(tài)角變化信號。

第二，校正裝置，用于將各通道姿態(tài)角、姿態(tài)角速率及制導(dǎo)指令按一定控制規(guī)律進行運算、校正、調(diào)制、放大、輸出控制信號。

第三，伺服機構(gòu)，用于將電信號轉(zhuǎn)換成機械動作。彈上主要有兩種伺服機構(gòu)，其作用分別是：根據(jù)控制信號驅(qū)動穩(wěn)定平臺，使視軸對準(zhǔn)目標(biāo)；根據(jù)姿態(tài)偏差信號驅(qū)動舵機，產(chǎn)生使彈體繞質(zhì)心運動的控制力矩，穩(wěn)定或控制飛行姿態(tài)。

感應(yīng)裝置、變換放大裝置和執(zhí)行機構(gòu)等與彈體一起構(gòu)成姿態(tài)控制閉環(huán)回路，控制系統(tǒng)原理如圖1所示：

當(dāng)制導(dǎo)指令（控制電壓）為零時，如果在干擾力矩作用下彈體姿態(tài)角發(fā)生變動，則感應(yīng)裝置根據(jù)其變化，經(jīng)回路負(fù)反饋產(chǎn)生控制力矩與干擾力矩相平衡。干擾力矩消除后，控制力矩自動消失，從而使姿態(tài)角保持穩(wěn)定。當(dāng)制導(dǎo)指令信號不為零時，信號經(jīng)閉環(huán)回路產(chǎn)生控制力矩，驅(qū)動伺服機構(gòu)相應(yīng)動作，以實現(xiàn)飛行控制。

1 跟蹤系統(tǒng)工作原理

紅外成像跟蹤系統(tǒng)主要由熱像儀、圖像處理器和穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)三部分組成。熱像儀作為跟蹤測量裝置由光學(xué)系統(tǒng)（整流罩、主鏡、次鏡、濾光片）、調(diào)制盤、紅外探測器、制冷器、圖像非均勻校正機構(gòu)及輸出電路等組成。物體輻射的紅外線透過整流罩，經(jīng)主鏡、次鏡和濾光片后，聚焦到調(diào)制盤上進行調(diào)制，探測器安裝在調(diào)制盤后端將調(diào)制后的紅外輻射能轉(zhuǎn)化成電信號，輸出電路將電信號放大、預(yù)處理，并編碼輸出視頻圖像。圖像處理器根據(jù)反映目標(biāo)和周圍景物分布特征的二維圖像信息，按選定的算法（相關(guān)或匹配）對圖元灰度差異進行處理和分析，確定目標(biāo)的形狀、形心或其他典型特征，再由場、行同步計算出目標(biāo)相對偏離視場中心的像素數(shù)（Δx、Δy），最后根據(jù)探測器視場角和分辨率算出目標(biāo)與視軸（光軸）的角偏離量（фx、фy）。跟蹤時將此偏差角度與力矩電機控制電壓線形關(guān)聯(lián)，并將其功率跨導(dǎo)放大后驅(qū)動方位和（或）俯仰電機旋轉(zhuǎn)，使視場中心對準(zhǔn)目標(biāo)，這樣連續(xù)不斷地進行測算和修正，以保證對目標(biāo)的實時跟蹤。同時通過相關(guān)齒輪的傳動配合使方位角位移傳感器的輸出電壓與方位角α線形相關(guān)、俯仰角位移傳感器的輸出電壓與俯仰角β線形相關(guān)，由此根據(jù)角位移傳感器輸出電壓的大小經(jīng)相應(yīng)換算即可得出方位角α和俯仰角β的值，分別將方位角、俯仰角和目標(biāo)相對視軸角偏離量所對應(yīng)的電壓信號送至自動駕駛儀（主控板）進行加權(quán)處理，輸出姿態(tài)角偏差信號使舵機執(zhí)行機構(gòu)相應(yīng)動作，從而控制導(dǎo)彈按給定的彈道飛行直至命中目標(biāo)。

2 兩通道伺服機構(gòu)

2.1 方位運動

驅(qū)動桿通過錐形銷和方位電機軸固定，另與拉桿、穩(wěn)定平臺框架組成四連桿機構(gòu)（兩臂等長），結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。電機軸和框架旋轉(zhuǎn)中心平行并垂直于彈軸，且彈軸、電機軸和框架旋轉(zhuǎn)中心共平面。視軸與彈軸重合時，將穩(wěn)定平臺方位角和俯仰角的值初始化為0°。方位力矩電機轉(zhuǎn)動，穩(wěn)定平臺即隨之相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。方位角位移傳感器通過方位角齒輪和方位扇形齒輪與方位電機建立傳動關(guān)系，電機每轉(zhuǎn)1°，角位移傳感器轉(zhuǎn)n°（n為齒輪傳動比），亦等同穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)1°，角位移傳感器轉(zhuǎn)n°，從而使方位角位移傳感器輸出的電壓與方位角α線形相關(guān)。

2.2 俯仰運動

熱像儀通過俯仰軸和俯仰扇形齒輪與穩(wěn)定平臺框架連接，由俯仰電機直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。兩個單自由度速率陀螺儀用固定支架安裝在熱像儀上，分別敏感其方位和俯仰方向的角速度，以有效隔離擾動影響，實現(xiàn)視軸的空間穩(wěn)定。陀螺實際安裝的時候，一定要保證各陀螺敏感軸與各自框架軸線的水平，并且相互之間保持垂直，以免造成陀螺敏感軸方向上的誤差和各軸系之間的耦合效應(yīng)。俯仰角位移傳感器通過俯仰角齒輪和俯仰扇形齒輪與俯仰電機建立傳動關(guān)系，電機每轉(zhuǎn)1°，角位移傳感器轉(zhuǎn)n°（n為齒輪傳動比），亦等同熱像儀轉(zhuǎn)動1°，角位移傳感器轉(zhuǎn)n°，從而使俯仰角位移傳感器輸出的電壓與俯仰角β線形相關(guān)。

3 硬件設(shè)計

3.1 穩(wěn)定平臺控制回路概述

當(dāng)單自由度速率陀螺儀敏感軸方向有角速度輸入時，由于陀螺轉(zhuǎn)子動量矩的存在，會立即感應(yīng)產(chǎn)生繞輸出軸的陀螺力矩，該力矩使轉(zhuǎn)子繞輸出軸轉(zhuǎn)動并出現(xiàn)與輸入角速度相關(guān)的轉(zhuǎn)角，該轉(zhuǎn)角通過信號器轉(zhuǎn)換為交流調(diào)幅信號。因陀螺信號器輸出的信號很弱，由前置放大電路進行交流放大，再通過帶通濾波進行選頻，濾除各次諧波。帶通濾波輸出的仍是交流信號，因此還需經(jīng)相敏解調(diào)處理，以得到與其幅值成正比的直流信號。該信號用濾波、陷波、積分、微分、反饋等電路或算法進行校正，改善其頻率特性，使陀螺獲得良好的動態(tài)性能。校正輸出的控制電壓驅(qū)動能力很差，必須經(jīng)功率跨導(dǎo)放大，才能輸入足夠的電流至力矩電機，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，以產(chǎn)生相應(yīng)的力矩與陀螺力矩相平衡，從而形成閉環(huán)角速度控制回路。

3.2 陀螺板

陀螺板主要由前置放大、帶通濾波和相敏解調(diào)三個環(huán)節(jié)組成，作用是給陀螺電機供電；提供驅(qū)動信號器的激磁電壓；將陀螺輸出的交流調(diào)幅信號轉(zhuǎn)換為直流控制電壓。

供電電路主要由振蕩器、記數(shù)器、邏輯比較器、功放和變壓器組成。晶振生成的交流信號經(jīng)記數(shù)器記數(shù)分頻成三路同相方波信號，頻率分別為400Hz、800Hz和1600Hz，800Hz與1600Hz方波經(jīng)異或門比較后輸出與原1600Hz同頻的方波（相位相差90°）。400Hz和兩路1600Hz方波依次通過放大器和變壓器將功率放大穩(wěn)壓后驅(qū)動陀螺儀正常工作。

相敏解調(diào)電路主要由模擬開關(guān)、減法器和低通濾波器組成，作用是對陀螺輸出的調(diào)幅信號進行解調(diào)，以得到與其幅值成正比的直流電壓，且直流電壓信號的極性與調(diào)幅信號的相位相關(guān)。

模擬開關(guān)是相敏解調(diào)的關(guān)鍵，其開關(guān)信號是與陀螺激磁電壓同相位、同頻率的方波。開關(guān)信號通過控制模擬開關(guān)的導(dǎo)通與截止將陀螺輸出信號調(diào)成正半周期和負(fù)半周期兩部分，并分別送至減法器的兩個輸入端，減法器由運算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，電路形式為差分放大。模擬開關(guān)和減法器電路結(jié)合構(gòu)成全波相敏解調(diào)器。減法器輸出的直流電壓信號再經(jīng)低通濾波器進一步濾除交流成分，其大小與陀螺輸出信號的幅值成正比。

3.3 模擬穩(wěn)定控制板

模擬穩(wěn)定控制板由多級運算放大器和電容、電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，電路形式可分為隔值、陷波、放大、積分、微分、調(diào)零和反饋等，作用是改善陀螺儀的動態(tài)品質(zhì)、提高系統(tǒng)帶寬和相對穩(wěn)定性。

為保證控制回路穩(wěn)定可靠工作，必須設(shè)法破壞其自激振蕩條件。在電路中人為增加校正環(huán)節(jié)以改變電路的相頻特性或幅頻特性，破壞自激條件，這就是相位校正或相位補償技術(shù)。常用的方法有微分校正和積分校正。

串聯(lián)微分校正的作用是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度。指導(dǎo)思想是提供一個超前相位以抵消滯后相移，從而使|AF|=1時，總相移小于180°。當(dāng)微分電路加在開環(huán)系統(tǒng)里時，則提供一個超前相移以抵消開環(huán)特性的附加相移；當(dāng)加在反饋支路時，則在反饋系數(shù)中提供一個超前相移以抵消滯后相移。

串聯(lián)積分校正的作用是在盡量不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，以減小穩(wěn)態(tài)誤差。指導(dǎo)思想是壓低高頻放大倍數(shù)，將控制回路發(fā)生自激時所對應(yīng)頻率點附近的放大倍數(shù)壓得很低，從而破壞

|AF|=1的條件。

3.4 數(shù)字穩(wěn)定控制板

隨著光電探測和制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，對陀螺穩(wěn)定平臺的控制精度、動態(tài)品質(zhì)的要求越來越高。數(shù)字穩(wěn)定控制板選用TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器。電路主要包含各種電源轉(zhuǎn)換芯片、功能芯片及外圍電路，如A/D、D/A、DSP、RAM、FLASH、CPLD、CLOCK、RESET、JTAG、A/D前幅值調(diào)節(jié)運放、D/A后濾波運放等。CPLD對各芯片的控制管腳進行邏輯關(guān)系設(shè)置，DSP通過控制時序完成信號采樣、處理和輸出。信號處理程序采用卡爾曼濾波算法和自適用陷波算法。

分別將兩路陀螺反饋信號及對應(yīng)的控制信號進行幅值調(diào)節(jié)后送至AD7865的4個輸入端VIN1～VIN4，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，信號被采樣輸入至F2812。嵌入程序用算法對控制回路信號在數(shù)字域進行濾波、調(diào)節(jié)和校正，DSP再將處理過的數(shù)字信號輸出至AD7840，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后由PWM功放電路驅(qū)動相應(yīng)力矩電機轉(zhuǎn)動，陀螺儀實時測量穩(wěn)定平臺角速度的變化即感應(yīng)輸出信號至A/D，從而實現(xiàn)反饋閉環(huán)控制。

3.5 電機驅(qū)動板

電機驅(qū)動板由功率跨導(dǎo)放大器L292和相應(yīng)電阻、電容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，作用是將校正過的控制電壓放大，并輸出成比例的電流到力矩電機，使電機相應(yīng)轉(zhuǎn)動以產(chǎn)生再平衡力矩。L292電路如圖4所示：

回路中加入電流負(fù)反饋的作用是為了提高跟蹤系統(tǒng)抗干擾能力和限制啟動及堵轉(zhuǎn)電流超過電機電流的最大允許值。由于目標(biāo)運動的隨機性及速度較慢，要求電機能夠低速平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)、停止和頻繁換向。為使系統(tǒng)低速平穩(wěn)運行，設(shè)計利用PWM功率驅(qū)動電路在零位具有克服靜摩擦的高頻微振特性來改善系統(tǒng)性能。

穩(wěn)定控制板輸出的控制信號由6腳進入L292內(nèi)部，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換和放大后，與內(nèi)部振蕩信號進行比較產(chǎn)生一對幅值相等、極性相反的矩形波，這對矩形波決定電機的正向或反向轉(zhuǎn)動。矩形波的占空比由所輸入控制信號的大小決定，改變矩形波的占空比，也就改變了驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)的直流電壓的大小，從而控制了電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。在電路中外接兩個阻值為0.2Ω的電阻R9和R10作為電機正反轉(zhuǎn)時的電流采樣器，引出的電流通過L292內(nèi)部電流檢測放大器進行放大，再經(jīng)過外接元器件R12、C7對其進行低通濾波，把其輸出作為反饋信號，與位置環(huán)及速度環(huán)反饋過來的信號一起，引到外接R11、C6和L292內(nèi)部PI（比例積分）調(diào)節(jié)器中。調(diào)節(jié)后的信號繼續(xù)和L292內(nèi)部的振蕩信號進行比較以修正矩形波的占空比，電機轉(zhuǎn)動又改變了電流環(huán)、速度環(huán)以及位置環(huán)的輸出，經(jīng)持續(xù)不斷的調(diào)整從而使矩形波占空比趨于1∶1，這樣電機驅(qū)動穩(wěn)定平臺實時地跟蹤目標(biāo)運動，完成跟蹤測量功能。

4 控制回路主要性能指標(biāo)測試方法

4.1 帶寬

帶寬是制導(dǎo)系統(tǒng)的重要參數(shù)，其數(shù)值的選擇影響穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度、對有用制導(dǎo)信息的控制精度及噪聲干擾信息的抑制能力。

帶寬測試設(shè)備主要是頻率響應(yīng)分析儀和計算機，計算機與分析儀通過串口連接，分別用線纜將發(fā)生器輸出連接到穩(wěn)定控制板的控制信號輸入端；分析器輸入連接到陀螺板的輸出端。

在計算機軟件界面選擇設(shè)置分析儀的各項參數(shù)：發(fā)生器的頻率、幅度和偏壓；分析器的積分類型、積分時間和延遲時間；掃頻裝置的掃頻方式和范圍；顯示器的工作通道、測量以及畫圖輸出數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系。

給穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)加電，等系統(tǒng)穩(wěn)定后啟動分析儀進行掃頻，計算機自動對測量數(shù)據(jù)進行變換處理并繪圖。根據(jù)掃頻點數(shù)據(jù)、幅頻特性曲線和相頻特性曲線圖即可得出系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)定裕量。

4.2 隔離度

隔離度是指穩(wěn)定平臺對彈體運動的去耦能力。用數(shù)學(xué)模型描述為：隔離度=平臺相對慣性空間轉(zhuǎn)動的角

度/彈體轉(zhuǎn)動的角度×100%，隔離度數(shù)值越小，平臺對彈體運動的隔離能力越強。

隔離度與彈體擾動頻率直接相關(guān)，一般對穩(wěn)定系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求都是指某一頻率下的擾動隔離度。同一頻率不同幅度的彈體擾動，系統(tǒng)的隔離度并不同，幅度越大，隔離度越差。

測試時首先將導(dǎo)引頭固定在搖擺臺上，使彈軸與搖擺臺回轉(zhuǎn)中心重合，待系統(tǒng)加電穩(wěn)定后，操控手柄搜尋并鎖定遠(yuǎn)處設(shè)置的目標(biāo)，使穩(wěn)定平臺控制回路處于閉環(huán)狀態(tài)。然后給方位或俯仰搖擺軸輸入正弦波控制信號，使其按固定的幅度和頻率來回擺動，根據(jù)目標(biāo)在顯示器顯示的擺動范圍，算出穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)動角度和角速度（根據(jù)所占像素數(shù)、分辨率、視場角），再對比搖擺臺輸入即可得出穩(wěn)定系統(tǒng)的隔離度。

4.3 零漂

給系統(tǒng)加電，待其趨于穩(wěn)定后，操控手柄使穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)到相應(yīng)測試角度位置后松開，用秒表記錄系統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)下預(yù)定時間內(nèi)平臺在零輸入時漂移的角度或平臺在零輸入時漂移預(yù)定角度所用的時間，通過簡單計算即可得出系統(tǒng)零漂數(shù)據(jù)。

4.4 過渡過程時間

在穩(wěn)定控制板的控制信號輸入端輸入開關(guān)階躍信號，測試點選擇陀螺板的輸出端，采用精密示波器檢測系統(tǒng)過渡過程時間、最大超調(diào)量和振蕩次數(shù)。零狀態(tài)響應(yīng)與零輸入響應(yīng)分別指系統(tǒng)的充電及放電過程狀態(tài)，由于兩者幾乎可逆的相似性，一般只測量穩(wěn)定平臺控制回路的零狀態(tài)響應(yīng)。

5 結(jié)語

最初將模擬穩(wěn)定控制板設(shè)計成四層板，在輸入信號掃頻至8Hz左右時，回路的幅頻特性曲線有個突變，表現(xiàn)為穩(wěn)定平臺擺幅突然增大并伴有尖鳴聲響，但過此頻率后平臺搖擺能恢復(fù)正常。

更改各級電路參數(shù)及反饋阻抗，對問題進行分析排查及對比測試，未找到影響幅頻特性突變的原因。排除各種可能情況，最后將其歸為電路板固有頻率振蕩。制板時大面積鋪地惡化了低頻信號特性，大功率器件與多級運算放大器之間經(jīng)過地層耦合并相互影響，地噪聲高達(dá)幾百毫伏。

將模擬穩(wěn)定控制板重新布成兩層后再行測試，在其他條件不變情況下掃頻至7.5～9Hz時，原幅頻特性曲線上的突變消失，由此確定原四層板對多級低頻大功率模擬電路不利。另外采用二層模擬穩(wěn)定控制板的系統(tǒng)帶寬要比原四層板大些，方位角及俯仰角0°附近的零漂也比四層板要好。

將穩(wěn)定控制板數(shù)字化后，回路的幅頻特性和相頻特性比使用模擬穩(wěn)定控制板時要好，即采用數(shù)字校正使系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)定性能更好，另外在信號處理、算法實現(xiàn)上數(shù)字控制具有模擬控制無法替代的優(yōu)勢，且調(diào)試簡便、控制可靠。

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作者簡介：彭輝（1978-），男，北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司工程師，研究方向：伺服控制、結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）