飛機(jī)天線飛行跟蹤定位優(yōu)化控制仿真

陳彬

摘 要：可以通過對(duì)天線單元的控制來對(duì)飛機(jī)飛行的動(dòng)態(tài)進(jìn)行檢測，保證天線陣面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接，以便于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，提高通訊質(zhì)量。由于飛機(jī)天線單元本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，以及環(huán)境特殊，因此迫切需要建立一種有效且具有較為準(zhǔn)確系統(tǒng)參數(shù)的控制器來對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行控制?？刂破髦邪袕?qiáng)魯棒效應(yīng)以及較強(qiáng)干擾能力的滑模結(jié)構(gòu)，能夠有效抵消未用到模型的高頻成分。通過天線陣面的Adams模型以及Simulink模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，通過比較不同方位下以及不同俯仰角度下滑模變結(jié)構(gòu)控制和PI控制產(chǎn)生的不同結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滑模變結(jié)構(gòu)能夠快速響應(yīng)天線伺服單元的要求，同時(shí)能夠有效提高魯棒性以及系統(tǒng)本身的抗干擾能力。其相比于PI具有更好的性能。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)衛(wèi)星 跟蹤定位 優(yōu)化控制 仿真

中圖分類號(hào)：V271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）02（a）-0100-02

由于移動(dòng)衛(wèi)星本身具有較大的覆蓋范圍以及通訊形式多樣化，其在民用和軍事方面具有較為廣泛的應(yīng)用。尤其是在20世紀(jì)90年代以來，“全球性移動(dòng)通信”以及信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得衛(wèi)星通訊技術(shù)在現(xiàn)代化信息的傳輸過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 飛機(jī)天線飛行跟蹤定位系統(tǒng)

1.1 簡介

機(jī)載衛(wèi)星能夠有效完成天線對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的定位，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸連接，提高通訊質(zhì)量。機(jī)載衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)是通過天線控制單元來有效隔離飛機(jī)飛行過程中各個(gè)方向上產(chǎn)生的擾動(dòng)，保證天線能夠順利和衛(wèi)星完成對(duì)接，提高通訊質(zhì)量。

1.2 原理模型

一般來說，ACU有方位上、俯仰、直線上的三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，因此其需要由一個(gè)直流電機(jī)來進(jìn)行控制。通過直流電機(jī)控制，三運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。方位運(yùn)動(dòng)是指整個(gè)轉(zhuǎn)盤相比較于基座來實(shí)現(xiàn)平面轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰運(yùn)動(dòng)是陣面繞著旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并帶動(dòng)帶動(dòng)兩邊的面板做同步運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)指兩邊的面板做橫向的水平運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)面板相互獨(dú)立。由于機(jī)載天線在運(yùn)動(dòng)的過程中需要受到來自于3個(gè)自由方向的運(yùn)動(dòng)，控制對(duì)象包括：（1）包括旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)上的摩擦力矩；（2）當(dāng)飛機(jī)姿態(tài)發(fā)生改變，在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的偏心力矩；（3）由三自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的額外力矩。在方位旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上呈現(xiàn)摩擦和偏心力矩，又有這些運(yùn)動(dòng)本身產(chǎn)生的額外力矩導(dǎo)致其在隨天線運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)較大的變化。由于天線通過較高的傳動(dòng)比來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在方位機(jī)構(gòu)上的傳動(dòng)比為364，俯仰機(jī)構(gòu)上的傳送比為567。因此及時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量經(jīng)過減速裝置，并在電機(jī)上呈現(xiàn)時(shí)候，其產(chǎn)生的影響也是相當(dāng)小的。

同時(shí)，其在俯仰方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)常量沒有發(fā)生變化，始終保持在0.032kg·m2。而方位上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量保持在2.83～3.64kg·m2。

2 滑模控制器的設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)模型

根據(jù)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式的差異分成方波驅(qū)動(dòng)（無刷直流電動(dòng)機(jī)）、正弦驅(qū)動(dòng)（永磁步電動(dòng)機(jī)）兩種。其中永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

T1=3/2×n×i×j

運(yùn)動(dòng)方程為：

T2=Ti+J.dw/dt+Bw.Wm

式中：T1為電磁扭矩，n為電機(jī)極對(duì)數(shù)，i為轉(zhuǎn)子永磁鐵磁鏈，j為q軸電流，T2為負(fù)載扭矩，Wm為機(jī)械轉(zhuǎn)速，Bw為電機(jī)粘滯摩擦系數(shù)。

2.2 滑模狀態(tài)方程和滑模面設(shè)計(jì)

滑模變結(jié)構(gòu)在控制上不連續(xù)可能會(huì)引起系統(tǒng)抖振，針對(duì)這種情況，我國國內(nèi)外很多專家學(xué)者為此提出了趨近律的概念，明確指出可以通過指數(shù)趨近來消除抖動(dòng)。

s=-δ·sgn（s）-k·s

通過調(diào)整趨近律的參數(shù)k和δ，既可以保證滑動(dòng)模態(tài)到達(dá)過程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，又可以減弱控制信號(hào)的高頻抖動(dòng)，但此時(shí)系統(tǒng)最好趨近于原點(diǎn)附近的一個(gè)抖振區(qū)，可能激勵(lì)系統(tǒng)中未用模型所表示的高頻成分，并增加控制器的負(fù)擔(dān)。故采用變指數(shù)趨近律設(shè)計(jì)控制器，如下

s=-δ+x l sgn（s）-k·s

得狀態(tài)方程如下：

[]=[：][]+[]u

式中：{}，-Wf為電機(jī)給定機(jī)械轉(zhuǎn)速，-Wn為電機(jī)反饋機(jī)械轉(zhuǎn)速；u=i；M=3nf/2J，等價(jià)于轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

3 結(jié)果

3.1 聯(lián)合仿真

為了進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)過程變化的準(zhǔn)確性，本文作者主要級(jí)設(shè)計(jì)負(fù)載以及控制算法相關(guān)的控制仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，也就是通過選用Adams運(yùn)動(dòng)模型以及Simulink來實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。該系統(tǒng)能夠利用參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)建立集合模型，并用拉格朗日方程來計(jì)算構(gòu)建參數(shù)，通過建立動(dòng)力學(xué)方程來對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析，繪制出運(yùn)動(dòng)和加速度運(yùn)動(dòng)曲線。

仿真結(jié)果可以適應(yīng)于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)性能和運(yùn)動(dòng)范圍以及峰值載荷等進(jìn)行計(jì)算，并將在天線伺服系統(tǒng)中應(yīng)用Adams來建立仿真模型，其負(fù)載的尺寸和質(zhì)量大小和原有的模型完全相同。將模型的輸入轉(zhuǎn)化為角度值，并通過SMC來將運(yùn)算值帶入到電機(jī)控制器中，經(jīng)過減速器作用到被控對(duì)象中，并將處理的結(jié)果反饋給控制器，獲得較為完整的控制系統(tǒng)模型。

3.2 仿真及基于PI控制的性能比對(duì)分析

為了更好地驗(yàn)證SMC控制以及比較PI控制之間的差別和優(yōu)越性，以及搭建出PI模型。需要在方位電機(jī)和俯仰電機(jī)中輸入到振幅為0.5度左右的正弦波，并對(duì)波形進(jìn)行仿真，得到結(jié)果。

圖2、圖3分別為SMC控制和PI控制時(shí)俯仰電機(jī)的位置跟隨誤差，即角度輸入值與反饋值的差值。

4 結(jié)語

本文作者通過采取變指數(shù)趨近率作為滑?？刂频幕A(chǔ)控制措施來對(duì)天線伺服單元進(jìn)行控制，并建立相應(yīng)的Adams模型和Simulink模型來進(jìn)行綜合仿真。通過以上方式能夠有效提高天線伺服單元的響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)本身的抗干擾能力，這種方式相比于PI具有明顯的優(yōu)勢。

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