靶載有源設(shè)備轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭萬(wàn)祿，劉江雪，呂世桂

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

有源設(shè)備作為模擬源使用時(shí)，其天線輻射的電磁波信號(hào)與雷達(dá)對(duì)抗很有意義。文獻(xiàn)[1-3]中有源設(shè)備大多在陸上或空中應(yīng)用，海上應(yīng)用的艦面輻射特性有源模擬設(shè)備功率較低，伺服控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)適用于海上的有源設(shè)備、實(shí)時(shí)控制其天線伺服隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并明確了設(shè)計(jì)方法和精度要求。

為使有源設(shè)備有效使用，設(shè)計(jì)時(shí)必須將其安裝在靶船載體上，輻射信號(hào)時(shí)天線要始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向。由于海面工作環(huán)境，有源設(shè)備控制天線的伺服隨動(dòng)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)解算目標(biāo)的空間位置和靶船動(dòng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)姿態(tài)，形成控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服控制指令控制隨動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)。這里伺服隨動(dòng)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)接收靶載姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)設(shè)備提供位置、航向、縱搖和橫搖角度等參數(shù)信息，確定靶載有源設(shè)備位置和航向姿態(tài)角；同時(shí)還要實(shí)時(shí)接收外引導(dǎo)設(shè)備提供目標(biāo)空間位置參數(shù)，確定目標(biāo)的空間位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。靶載有源設(shè)備接收數(shù)據(jù)的方式和來(lái)源確定后，依據(jù)得到位置航向姿態(tài)參數(shù)和外引導(dǎo)目標(biāo)參數(shù)信息，綜合解算確定空間目標(biāo)相對(duì)于有源設(shè)備本身的方向和距離，通過(guò)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)控制有源設(shè)備的天線實(shí)時(shí)指向?qū)?zhǔn)目標(biāo)。因此，克服海面惡劣環(huán)境、保證天線指向的高精度是伺服隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題[4-6]。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)基本組成

伺服隨動(dòng)系統(tǒng)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)被控對(duì)象按需要的規(guī)律做機(jī)械運(yùn)動(dòng)[7-8]。轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)由多種元、部件聯(lián)接組成，帶動(dòng)被控天線按要求轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)角度信息，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路、放大電路、執(zhí)行電機(jī)，控制轉(zhuǎn)臺(tái)和天線動(dòng)作。轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器位置隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這樣，轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)，輸入是轉(zhuǎn)臺(tái)速度(本質(zhì)是電機(jī)速度，經(jīng)減速比降速后即為轉(zhuǎn)臺(tái)速度，因此建模可直接定義輸入為轉(zhuǎn)臺(tái)速度)，輸出是轉(zhuǎn)臺(tái)角度。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)由俯仰伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和方位伺服轉(zhuǎn)臺(tái)組成，天線與伺服轉(zhuǎn)臺(tái)固聯(lián)安裝，在中間安裝必要的匯流環(huán)，以實(shí)現(xiàn)靶載有源設(shè)備控制信號(hào)和電源連接，具有天線方位和俯仰的驅(qū)動(dòng)與機(jī)械掃描功能；具有接收定位測(cè)姿數(shù)據(jù)的功能；具有隔離船搖影響，穩(wěn)定天線指向的功能。單軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理如圖3所示。

圖3 伺服轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理

伺服轉(zhuǎn)臺(tái)能夠驅(qū)動(dòng)天線波束指向目標(biāo)來(lái)襲方向，以靶載有源設(shè)備主瓣信號(hào)功率對(duì)準(zhǔn)來(lái)襲目標(biāo)。在靶船姿態(tài)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)變化條件下，使得天線波束始終覆蓋目標(biāo)來(lái)襲方向，轉(zhuǎn)臺(tái)采用具備360°連續(xù)方位旋轉(zhuǎn)的中空電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，將有源設(shè)備安裝在方位轉(zhuǎn)臺(tái)上，其他的供電以及控制信號(hào)將通過(guò)回流環(huán)連接到靶載設(shè)備中。

系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)接收船搖基準(zhǔn)姿態(tài)數(shù)據(jù)、外引導(dǎo)中心傳送的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)及控制指令。依照當(dāng)前靶載有源設(shè)備的探測(cè)方式以及波束調(diào)度形式，利用船載姿態(tài)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和目標(biāo)空間位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)綜合解算，確定目標(biāo)相對(duì)靶載有源設(shè)備的方向，并控制設(shè)備伺服轉(zhuǎn)臺(tái)指向目標(biāo)的來(lái)襲方向。

俯仰伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和方位伺服轉(zhuǎn)臺(tái)均由伺服控制機(jī)箱和伺服電機(jī)組成。伺服控制機(jī)箱中包含2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)模塊，由一塊伺服控制板統(tǒng)一提供控制信號(hào)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊型號(hào)為SGDJV-2R8A01B002000A，相應(yīng)配套電機(jī)最大使用容量為0.4 kW。工作時(shí)，由伺服電機(jī)上安裝的旋轉(zhuǎn)變壓器提供電機(jī)當(dāng)前位置，并反饋至伺服控制板；伺服控制板上首先對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行解碼，獲得當(dāng)前位置參數(shù)，并輸入至單片機(jī)；單片機(jī)連續(xù)地比較當(dāng)前位置和期望位置，根據(jù)二者的差值輸出控制脈沖，至伺服驅(qū)動(dòng)模塊；伺服驅(qū)動(dòng)模塊形成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

方位/俯仰減速箱由減速器、回轉(zhuǎn)支撐、匯流環(huán)(俯仰減速箱采用0～180°限位開(kāi)關(guān))、旋轉(zhuǎn)變壓器組成。方位減速箱總重量為40 kg，為消除減速箱中齒隙造成的傳動(dòng)誤差，提高跟蹤精度和跟蹤加速度減速箱中配備了雙電機(jī)系統(tǒng)。

方位/俯仰減速箱力矩及速度校核設(shè)計(jì)，天線跟蹤時(shí)方位、俯仰減速箱需克服轉(zhuǎn)動(dòng)的不平衡力矩、慣性力矩和摩擦力矩等的影響，通過(guò)對(duì)這些力矩的計(jì)算分析和最大轉(zhuǎn)速的要求，選擇相應(yīng)的電機(jī)功率和相應(yīng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速及減速比等要求，使得力矩的2倍富余量并且天線轉(zhuǎn)速大于最大轉(zhuǎn)速要求，滿足天線正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、控制精度要求，結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)慣性力矩等，設(shè)計(jì)時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角精度小于10′；減速器選用400 W交流伺服電機(jī)，通過(guò)一級(jí)速比為48/30的皮帶傳動(dòng)與速比為1/32的精密行星減速器聯(lián)接。在行星減速器輸出端裝有模數(shù)為2，齒數(shù)為20的小齒輪，同回轉(zhuǎn)支撐上齒數(shù)為112的內(nèi)齒齒輪嚙合。

電機(jī)基本參數(shù)為額定輸出扭矩為1.3 N·m，最大輸出扭矩3.8 N·m。額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm，最大轉(zhuǎn)速5 000 rpm。行星減速器基本參數(shù)為輸出扭矩77 N·m，最大扭矩154 N·m，回程間隙小于5′。減速箱總減速比為1/287。

匯流環(huán)由3個(gè)低頻電流環(huán)和9個(gè)信號(hào)環(huán)，共12環(huán)組成，電流環(huán)可傳輸最大20 A電流，信號(hào)環(huán)可傳輸100 MHz帶寬的信號(hào)，所有傳輸線均加屏蔽隔離。

考慮到轉(zhuǎn)臺(tái)位置傳感器的測(cè)量滯后，可以用一階環(huán)節(jié)表征。本系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)角度傳感器的模型為1/(T2s+1)，T1=0.01，T2=0.01，K=14.9(比例系數(shù)，用以表征轉(zhuǎn)臺(tái)的加速性能)，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)模型如下：

圖4 轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤控制模型

3 跟蹤精度仿真分析

由于設(shè)計(jì)時(shí)方位和俯仰伺服轉(zhuǎn)臺(tái)在控制原理和電機(jī)選型均保持一致，這里以單軸轉(zhuǎn)臺(tái)為例分析轉(zhuǎn)臺(tái)在船體搖擺條件下的跟蹤能力。轉(zhuǎn)臺(tái)角度傳感器的模型(傳遞函數(shù))為1/(T1s+1)，跟蹤控制回路的閉環(huán)模型(傳遞函數(shù))為1/(T2s+1)，T1為0.02，T2為0.01，仿真限速設(shè)定為60°s。

對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型框圖進(jìn)行仿真，設(shè)定4級(jí)海況正常工作環(huán)境下，靶載有源設(shè)備安裝載體搖擺幅度為8.9°，搖擺頻率0.16 Hz，基于實(shí)際海況，系統(tǒng)建模仿真時(shí)，仿真輸入設(shè)定：靶船的搖擺幅度為10°，搖擺周期為6.4 s，指令角度為45°，轉(zhuǎn)臺(tái)的初始狀態(tài)為零位，系統(tǒng)對(duì)圖4進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤誤差仿真結(jié)果

由圖5可以看出，在船舶搖擺狀態(tài)下，轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)的跟蹤誤差可以控制在±0.6°以內(nèi)，根據(jù)國(guó)內(nèi)姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)設(shè)備動(dòng)態(tài)精度設(shè)計(jì)控制在1.2°，這在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上沒(méi)有難度，能夠滿足轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)的跟蹤精度要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證天線指向精度，采用連續(xù)跟蹤理論和實(shí)際彈道數(shù)據(jù)，經(jīng)事后數(shù)據(jù)處理分析處理得出天線指向精度。

在目標(biāo)實(shí)際攻擊試驗(yàn)飛行過(guò)程中，靶載有源設(shè)備實(shí)時(shí)接收靶船航向姿態(tài)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和中心下發(fā)的外引導(dǎo)數(shù)據(jù)[13-14]，經(jīng)主控軟件解算后控制天線跟蹤目標(biāo)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，事后數(shù)據(jù)處理計(jì)算得出天線指向精度[15-16]。某次實(shí)際目標(biāo)飛行試驗(yàn)時(shí)有源設(shè)備指向天線的跟蹤誤差結(jié)果如圖6和圖7所示，其中橫坐標(biāo)為輻射期間采樣點(diǎn)序號(hào)，采樣頻率1 Hz；縱坐標(biāo)為方位、俯仰伺服角度誤差。

圖6 方位轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際與理論角度差統(tǒng)計(jì)

圖7 俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際與理論角度差統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)中方位、俯仰的角度誤差和均方根誤差分別為0.1°和0.46°。有源設(shè)備輻射的信號(hào)能夠正常被目標(biāo)接收到，目標(biāo)也能夠利用接收到的信號(hào)進(jìn)行被動(dòng)跟蹤，達(dá)到了預(yù)期要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文進(jìn)行了轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制靶載有源設(shè)備天線轉(zhuǎn)動(dòng)。仿真結(jié)果和實(shí)際飛行試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用此轉(zhuǎn)臺(tái)伺服隨動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)天線指向的實(shí)時(shí)性和控制精度，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)非常適合靶船動(dòng)平臺(tái)上有源設(shè)備的天線轉(zhuǎn)動(dòng)控制。但是由于實(shí)際姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)設(shè)備精度和通信鏈路引起的空中目標(biāo)位置誤差會(huì)造成設(shè)備精度的下降和跟蹤的滯后，在大系統(tǒng)研制和設(shè)計(jì)中需要注意。