艦載穩(wěn)定跟蹤平臺的設(shè)計與控制

陳立坡

(92785部隊 河北 秦皇島 066200)

0 引言

艦船在航行過程中，由于海浪不規(guī)則運動的影響，會有某一頻率和幅值的運動[1]，這種不規(guī)則運動會造成艦船上武器裝備性能指標的下降，有時甚至喪失作戰(zhàn)效能。穩(wěn)定跟蹤平臺[2-3]由于能夠克服艦船的波動，通過高精度的傳感器實時測量艦船的搖擺信息，能夠精準的保證動態(tài)基準的精度，因此，在現(xiàn)代艦船武器系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

本文通過創(chuàng)新性的選用串并聯(lián)機構(gòu)的方式實現(xiàn)了穩(wěn)定與跟蹤功能。穩(wěn)定跟蹤平臺[4-5]主要由并聯(lián)自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺、串聯(lián)雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺以及控制系統(tǒng)組成。串聯(lián)雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺主要功能是方位軸、俯仰軸自動跟蹤，以達到跟蹤艦船目標的目的；自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺主要實現(xiàn)縱搖橫搖兩軸穩(wěn)定的功能，為雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺提供穩(wěn)定的基座；控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)跟蹤轉(zhuǎn)臺與自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺的運動控制，并通過借助傳感檢測系統(tǒng)與外部通訊系統(tǒng)，實現(xiàn)平臺的穩(wěn)定功能以及目標自動跟蹤功能。

1 穩(wěn)定跟蹤平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

艦載穩(wěn)定跟蹤平臺由自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺、雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺、負載、電視跟蹤設(shè)備、測控柜和測控系統(tǒng)等六大部分組成，如圖1所示。自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺是一個多自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)平臺，用于實現(xiàn)縱、橫搖兩軸穩(wěn)定的功能，主要由上平臺、電動缸、球鉸、下萬向鉸、約束分支、下平臺組成，以雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺、用戶負載和電視跟蹤設(shè)備安裝于上平臺安裝面，安裝面的尺寸和安裝空間可根據(jù)負載的安裝要求進行確定。雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺采用U-U結(jié)構(gòu)，臺體由內(nèi)環(huán)組件和外環(huán)組件組成，外環(huán)軸系繞方位軸)旋轉(zhuǎn)，內(nèi)環(huán)軸系繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)，用于實現(xiàn)設(shè)備對目標的方位與俯仰跟蹤。

1.1 雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺由內(nèi)環(huán)軸系、外環(huán)軸系、底座三部分組成，在兩個軸系分別設(shè)置軟件限位、光電限位和機械限位用于實現(xiàn)對軸系的保護。

1)內(nèi)環(huán)組件結(jié)構(gòu)

內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)兩端分別安裝兩個軸承，軸承內(nèi)側(cè)與傳動軸相固連，傳動軸左側(cè)連接減速機，右側(cè)連接測角傳感器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2)外環(huán)組件結(jié)構(gòu)

外環(huán)結(jié)構(gòu)固連在軸承上，通過螺栓與主軸固連。

主軸通過減速機驅(qū)動外環(huán)運轉(zhuǎn)，并通過測角傳感器實時測量外環(huán)的轉(zhuǎn)動角度，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2 自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)

自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺是一個兩自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)平臺，具有縱、橫搖兩軸穩(wěn)定的功能。自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺并聯(lián)機構(gòu)采用3UPS/PU機構(gòu)，當(dāng)每個驅(qū)動分支收縮到最短距離時，自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺的高度最低，因此提高平臺的穩(wěn)定性。

自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、3UPS/PU并聯(lián)機構(gòu)組成。計算機控制系統(tǒng)通過對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的實時控制，協(xié)調(diào)三個電動缸的非線性運動，實現(xiàn)自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺的兩個自由度的運動，進而實現(xiàn)上平臺縱、橫搖兩軸的穩(wěn)定運動。在電動缸兩端設(shè)置有軟件、電氣開關(guān)、機械行程開關(guān)三級限位，同時在電動缸兩端安裝有緩沖裝置。其系統(tǒng)組成圖如圖4所示。

2 測控系統(tǒng)設(shè)計

自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺主要功能是克服艦船的搖擺所帶來的影響，提高比較穩(wěn)定的工作平面。自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺具有兩個自由度，即橫搖和縱搖。高精度測角傳感器固定在轉(zhuǎn)臺上，能夠?qū)崟r準確地測量艦船搖擺的姿態(tài)信息，通過控制系統(tǒng)的解算，分別控制各個驅(qū)動分支伸出或者收縮，達到穩(wěn)定的目的。

2.1 測控系統(tǒng)方案

測控系統(tǒng)是設(shè)備的重要組成部分，主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)的伺服控制策略、完成系統(tǒng)的技術(shù)性與功能性要求、保證系統(tǒng)正常安全可靠地工作。測控系統(tǒng)主要由測控系統(tǒng)軟件、雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺、自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺、編碼器、測角模塊、驅(qū)動器等結(jié)構(gòu)組成，共同完成穩(wěn)定跟蹤功能，系統(tǒng)組成圖如圖5所示。

控制系統(tǒng)采用高增益帶積分環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的伺服剛度，提高跟蹤精度；采用高速采集和實時控制方案，使整個轉(zhuǎn)臺具有高定位能力和高速率精度、高速率平穩(wěn)度的特性。

2.2 測控系統(tǒng)原理

艦載穩(wěn)定跟蹤平臺具有五個驅(qū)動分支，并且每個分支之間相互獨立。為了達到高精度控制的目的，每個分支都是閉環(huán)控制，且控制策略都是相近的。控制系統(tǒng)通過解算實時控制每個分支準確運動，其控制策略如圖6所示。

轉(zhuǎn)臺的控制基于誤差控制理論，即指令值與反饋值的差值為誤差，控制的理想目標就是要使誤差為0。該誤差經(jīng)過PID算法后產(chǎn)生電壓值，然后通過D/A轉(zhuǎn)換卡將電壓值輸出，作為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的輸入。

3 樣機實驗

艦載穩(wěn)定跟蹤平臺如圖7所示。為了驗證控制策略的正確性，通過具體的實驗對艦載穩(wěn)定跟蹤平臺的主要指標進行了測試。

3.1 動態(tài)跟蹤精度

穩(wěn)定跟蹤平臺通過兩軸驅(qū)動來保證穩(wěn)定跟蹤目標，本節(jié)分別對兩軸的跟蹤精度分別進行了測量。測試過程中，選用0.5Hz、5.1°幅值的正弦曲線作為實際運動曲線，通過上位機實時測量出穩(wěn)定跟蹤轉(zhuǎn)臺兩軸的實際輸出角度。俯仰軸的期望角度曲線與實測角度曲線如圖8所示，方位軸的期望角度曲線與實測角度曲線如圖9所示。

由圖8分析可知，俯仰軸實測運動幅值為5.09°，幅值跟蹤誤差為(5.1°-5.09°)/5.1°=0.2%；跟蹤角度滯后0.04s，相位誤差為360°×0.04s/2s=7.2°，因此俯仰軸具有較高的動態(tài)跟蹤精度。

由圖9分析可知，方位軸實測運動幅值為5.02°，幅值跟蹤誤差為1.6%；跟蹤角度滯后0.09s，相位誤差為16.2°，因此方位軸具有良好的動態(tài)跟蹤精度，但性能略低于俯仰軸。

3.2 穩(wěn)定頻率

穩(wěn)定跟蹤平臺的穩(wěn)定功能主要由并聯(lián)自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺完成，本節(jié)對并聯(lián)平臺系統(tǒng)縱搖與橫搖的穩(wěn)定頻率進行實驗測試，主要測試自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺能否滿足1Hz的穩(wěn)定頻率，且幅值誤差小于10%，相位移不大于10°。實驗過程中對并聯(lián)自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺的橫搖穩(wěn)定頻率與縱搖穩(wěn)定頻率分別進行了測試。并聯(lián)平臺底座靜止的情況下，通過控制軟件控制并聯(lián)機構(gòu)動平臺分別做橫搖與縱搖的搖擺運動，搖擺頻率為1Hz，搖擺幅值為1.5°，檢測并記錄保存動平臺的實際搖擺角度。自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的橫搖穩(wěn)定頻率曲線與縱搖穩(wěn)定頻率曲線分別如圖10和圖11所示。

由圖10分析可知，自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺橫搖最大角度為1.504°，幅值最大差為0.2%；其中時間延后0.011s，相位角延后為3.96°，因此自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺縱搖也符合1Hz的頻率要求。

由圖11分析可知，自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺縱搖最大角度為1.504°，幅值最大差為0.2%；其中時間延后0.013s，相位角延后為4.68°，因此自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺縱搖也符合1Hz的頻率要求。

3.3 動態(tài)穩(wěn)定精度

自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺的自穩(wěn)精度主要用來測試轉(zhuǎn)臺安裝在搖擺艦載下的可靠性。由于艦船擺動的隨機性，不便于定量測量艦載平臺的性能測定，本節(jié)將自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺固定在搖擺臺上，且傾角傳感器固定在自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺上。實驗過程中，模擬艦船搖擺的轉(zhuǎn)臺頻率為0.1Hz，最大角度為30°，儲存傾角傳感器的搖擺度數(shù)。自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺安裝平面的橫搖與縱搖角度曲線如圖12所示。

由圖分析可知，自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺橫搖最大角度為0.61°，穩(wěn)定精度為2.0%；縱搖最大擺動角度為1.1°，擺動角度隨搖擺臺擺動而發(fā)生變化，穩(wěn)定精度為3.7%，因此自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺具有較好的動態(tài)穩(wěn)定精度。

4 結(jié)束語

本文針對惡劣天氣下艦船對穩(wěn)定跟蹤平臺的需要，創(chuàng)新性地設(shè)計了一種新型的艦載穩(wěn)定跟蹤平臺。穩(wěn)定跟蹤平臺采用并聯(lián)自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺與串聯(lián)雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺的聯(lián)合形式，串聯(lián)雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺主要功能是方位軸、俯仰軸自動跟蹤，以達到跟蹤艦船目標的目的；自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺主要實現(xiàn)縱搖橫搖兩軸穩(wěn)定的功能，為雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺提供穩(wěn)定的基座?；赗TX實時系統(tǒng)，設(shè)計了跟蹤轉(zhuǎn)臺的跟蹤控制系統(tǒng)與自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺的穩(wěn)定定控制系統(tǒng)。為了驗證設(shè)計方案的可行性，最終依據(jù)本文的設(shè)計思路，自主開發(fā)了穩(wěn)定跟蹤轉(zhuǎn)臺，并對其跟蹤精度進行測量。測量結(jié)果顯示本方案設(shè)計的艦載穩(wěn)定跟蹤平臺具有較好的動態(tài)跟蹤性能與穩(wěn)定定性能。