一種基于自抗擾控制技術(shù)的艦載雷達(dá)兩軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)

張　杰，孫晉先，劉　麗(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

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一種基于自抗擾控制技術(shù)的艦載雷達(dá)兩軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)

張杰，孫晉先，劉麗
(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:針對艦載雷達(dá)兩軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以浮點(diǎn)型DSP為核心的控制模塊，采用自抗擾控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了艦載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺方位-俯仰兩軸穩(wěn)定控制。

關(guān)鍵詞:艦載雷達(dá);伺服系統(tǒng);自抗擾控制; DSP

0　引言

伺服控制系統(tǒng)是現(xiàn)代艦載雷達(dá)的重要組成部分，其控制精度、響應(yīng)速度、可靠性及穩(wěn)定性已成為雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。近年來，艦載雷達(dá)探測性能不斷提高，對雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺的控制性能提出了更高的要求。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)的PID控制算法在抗干擾方面的不足，進(jìn)一步提高伺服系統(tǒng)的跟蹤性能，本文基于自抗擾控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種以浮點(diǎn)型DSP為核心的控制系統(tǒng)，采用坐標(biāo)變換技術(shù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償艦船搖擺姿態(tài)，完成艦載雷達(dá)方位-俯仰兩軸穩(wěn)定控制。

1　系統(tǒng)基本組成及工作原理

在方位-俯仰型兩軸穩(wěn)定艦載雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺中，方位軸與俯仰軸正交，伺服系統(tǒng)接收慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的航向、縱搖及橫搖信號，按指定的要求實(shí)現(xiàn)方位和俯仰兩軸運(yùn)動(dòng)，保證雷達(dá)天線方位軸指向穩(wěn)定及俯仰軸保持水平。伺服系統(tǒng)基本組成如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由方位控制和俯仰控制兩部分組成。這兩部分的組成基本相同，主要由控制模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋回路組成?？刂颇K以TMS320C6747芯片為核心，其主要功能是接收外部操控信號、姿態(tài)角信號、對反饋信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及編碼、坐標(biāo)變換、控制運(yùn)算、數(shù)據(jù)編碼等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由高性能數(shù)字伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和減速機(jī)組成。反饋回路由消隙小模數(shù)齒輪組、測角電機(jī)和軸角編碼器組成。

圖1　艦艦載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺兩軸穩(wěn)定伺服系統(tǒng)基本組成

2　控制模塊的設(shè)計(jì)

由于兩軸穩(wěn)定系統(tǒng)的坐標(biāo)變換涉及大量的三角函數(shù)運(yùn)算，故控制模塊采用浮點(diǎn)型DSP芯片TMS320C6747作為處理器。姿態(tài)角信號以及其他外部信號進(jìn)入FPGA進(jìn)行編碼及電平轉(zhuǎn)換。DSP讀取這些信號并對其進(jìn)行控制解算，將解算后的方位、俯仰控制量經(jīng)雙路AD轉(zhuǎn)換器AD5547轉(zhuǎn)換為數(shù)字量分別傳送至方位、俯仰驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)方位、俯仰電機(jī)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，還將接收到的姿態(tài)角信號以及伺服系統(tǒng)狀態(tài)、故障信號進(jìn)行編碼并通過以太網(wǎng)模塊發(fā)送到顯控臺?？刂颇K組成如圖2所示。

圖2　控制模塊組成

3　兩軸穩(wěn)定閉環(huán)控制

經(jīng)典PID控制廣泛應(yīng)用于艦載雷達(dá)伺服系統(tǒng)中，其控制結(jié)構(gòu)簡單，但存在以下幾個(gè)方面的缺點(diǎn):對控制增益的變化太敏感;“快速性”和“超調(diào)”不可調(diào)和;微分器很難選取;誤差積分常會(huì)使閉環(huán)的動(dòng)態(tài)性能變差等。針對以上缺點(diǎn)，本文采用的自抗擾控制器逐一給出了解決辦法。所設(shè)計(jì)的自抗擾控制器分為3個(gè)部分:跟蹤微分器(TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)和非線性狀態(tài)誤差反饋控制器(NLSEF)。自抗擾控制器控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

伺服系統(tǒng)可簡化為如下二階系統(tǒng):

其中，x1、x2為系統(tǒng)狀態(tài)變量，u為系統(tǒng)控制量，P為未知擾動(dòng)。

TD數(shù)學(xué)表達(dá)式為［7］

其中，v為系統(tǒng)輸入指令，v1為過渡過程的輸出，v2為得到的微分，γ為調(diào)節(jié)參數(shù)，其值越大響應(yīng)越快。

圖3　自抗擾控制器的控制結(jié)構(gòu)

ESO數(shù)學(xué)表達(dá)式為［7-8］

式中，z1、z3、z3為對x1、x2、P的估計(jì)，β1，β2，β3，b0均為可調(diào)參數(shù)，且滿足β1＞0、β2＞0、β3＞0、β1·β2＞β3。

NLSEF數(shù)學(xué)表達(dá)式為［7-8］

其中k1＞0、k2＞0為可調(diào)參數(shù)。

艦載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺兩軸穩(wěn)定伺服系統(tǒng)一般采用坐標(biāo)變換技術(shù)在雷達(dá)天線方位和俯仰軸上對艦船搖擺姿態(tài)角(縱搖角P、橫搖角R和航向角H)進(jìn)行角度實(shí)時(shí)補(bǔ)償，從而確保雷達(dá)天線指向穩(wěn)定，在艦船地理坐標(biāo)系中其方位角A和俯仰角E計(jì)算公式如下［4］:

式中，Ac為天線甲板方位角，E為天線俯仰角，A為天線真方位，Ec為天線甲板俯仰角; H為艦船航向角，R為艦船橫搖角，P為艦船縱搖角。

3.1方位閉環(huán)控制

方位閉環(huán)控制原理示意圖如圖4所示。方位給定值與方位反饋值經(jīng)過自抗擾控制器處理，其控制輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送至方位驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)天線方位按指定要求運(yùn)動(dòng)。其中，方位電機(jī)參數(shù):電阻Ra=2.48 Ω，電感La=38 mH，轉(zhuǎn)矩系數(shù)Km=0.848 N·m/A，反電勢系數(shù)Ke= 0.489 V/rad·s－1，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm= 0.00114 kg·m2;方位轉(zhuǎn)臺參數(shù):速比n = 309，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jl=150 kg·m2。天線方位以30°/s的速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，方位位置給定、位置反饋及控制誤差如圖5(圖中給定sp和反饋信號y以右邊界為坐標(biāo)，誤差信號e以左邊界為坐標(biāo))所示，可見天線方位控制誤差收斂迅速并趨于穩(wěn)定。

圖4　方位閉環(huán)控制原理示意圖

圖5　方位轉(zhuǎn)臺閉環(huán)控制

3.2俯仰閉環(huán)控制

俯仰閉環(huán)控制原理示意圖如圖6所示。俯仰給定值與俯仰反饋值經(jīng)過自抗擾控制器處理，其控制輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送至俯仰驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)天線俯仰實(shí)時(shí)與大地保持水平。其中，俯仰電機(jī)參數(shù):電阻Ra= 2.48Ω，電感La=38 mH，轉(zhuǎn)矩系數(shù)Km=0.848 N·m/A，反電勢系數(shù)Ke=0.489 V/rad·s－1，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm= 0.00114 kg·m2;俯仰轉(zhuǎn)臺參數(shù):速比n =405.7，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jl=170 kg·m2。艦船橫搖信號:幅值20°，周期9.5 s;艦船縱搖信號5°，周期5 s。俯仰控制位置給定、位置反饋及控制誤差如圖7(圖中給定sp和反饋信號y以右邊界為坐標(biāo)，誤差信號e以左邊界為坐標(biāo))所示，可見天線俯仰控制誤差同樣收斂迅速并趨于穩(wěn)定。

圖6　俯仰閉環(huán)控制原理示意圖

圖7　俯仰轉(zhuǎn)臺閉環(huán)控制

4　結(jié)束語

本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)設(shè)計(jì)了以浮點(diǎn)型DSP為核心的艦載雷達(dá)兩軸穩(wěn)定伺服系統(tǒng)，具體描述了控制系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)方法，并給出了方位和俯仰兩軸穩(wěn)定的控制策略以及控制效果。該伺服系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好、調(diào)試方便，為后續(xù)艦載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒價(jià)值。

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A biaxial stabilizing servo system based on ADRC technology for shipborne radars

ZHANG Jie，SUN Jin-xian，LIU Li
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:Based on the characteristics of the biaxial stabilizing rotary platform for the shipborne radar，the control module is designed with the floating-point DSP as its core，realizing the stability control of the azimuth and elevation axes of the shipborne radar through the active disturbance rejection control(ADRC)technology.

Keywords:shipborne radar; servo system; ADRC; DSP

作者簡介:張杰(1982-)，男，工程師，碩士，研究方向:控制理論與控制工程;孫晉先(1983-)，女，工程師，研究方向:自動(dòng)化控制;劉麗(1988-)，女，工程師，研究方向:控制科學(xué)與控制工程。

收稿日期:2015-03-02;修回日期:2015-03-28

文章編號:1009－0401(2015)02－0052－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TN959.72