基于大型車載雷達平臺的調(diào)平控制系統(tǒng)

郭亞奎，吳影生，吳顯奎

（中國電子科技集團公司第38 研究所，安徽 合肥 230031）

車載調(diào)平系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國防領(lǐng)域的車載雷達、車載導彈和車載激光武器平臺的調(diào)平[1]。按支撐結(jié)構(gòu)的不同，調(diào)平方式主要分為三點支撐、四點支撐和六點支撐[2]。對于數(shù)十噸載荷和大跨度的車載雷達，不存在理論意義上的剛性平臺，采用三點或四點支撐調(diào)平，會造成平臺面形變撓度較大，因此，為提高平臺剛度，多采用六點支撐調(diào)平方式[3]。機動式車載裝備到達預定位置后，要求快速架設(shè)精準穩(wěn)定的水平基準。車載調(diào)平系統(tǒng)多采用電液伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)是由電氣的信號處理和液壓的功率輸出組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，集成了負載大、響應(yīng)速度快和控制精度高的優(yōu)點[4]。

1 調(diào)平控制方案設(shè)計

本文的車載雷達平臺尺寸為3 m×13.5 m，載荷達44 t，調(diào)平精度為3′，雷達工作狀態(tài)陣面載荷集中在后側(cè)且1.3 t 車頭不可拆卸。針對這種重型大跨度且偏心較重的車載平臺，其剛度相對偏弱，臺面形變撓度易超出精度允許范圍。為提高其剛度，本文采用液壓式六點支撐調(diào)平控制方式。此外，在車尾增設(shè)2 個大跨距防風支腿以提高天線車的抗傾覆能力。三維平臺機構(gòu)如圖1 所示。

圖1 平臺機構(gòu)三維圖

六點支撐是一個三次超靜不定系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)控制策略的設(shè)計難度[5]。針對“虛腿”問題，本文調(diào)平撐腿采用了一種不受外部環(huán)境因素影響的落地檢測方法：固定在平臺機構(gòu)上的限位槽比撐腿兩側(cè)的滑塊長3 mm，當撐腿落地受力克服自身質(zhì)量后，即可推動滑塊從滑槽底部運動到頂部，撐腿頂部的接近開關(guān)檢測到距離變化時燈亮，由此通過撐腿落地前后機械機構(gòu)上變化實現(xiàn)落地檢測或虛腿檢測。該落地檢測方法配合只升不降的調(diào)平策略，可有效避免虛腿現(xiàn)象。撐腿側(cè)面的接近開關(guān)檢測馬達帶動齒輪旋轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，實現(xiàn)撐腿行程的實時監(jiān)控，為調(diào)平策略提供支撐，防止撐腿伸出超出行程，同時作為撐腿收回到位的檢測條件。撐腿上部的液壓馬達具有自鎖功能，利用油壓解鎖后才能轉(zhuǎn)動，馬達輸出軸與絲桿剛性連接，利用馬達的自鎖功能可使絲桿鎖止，最終實現(xiàn)撐腿負載狀態(tài)下能長期剛性鎖定。撐腿結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 撐腿結(jié)構(gòu)示意圖

車載六支點調(diào)平策略主要分為位置誤差調(diào)平法和角度誤差調(diào)平法[6]。由于位置誤差調(diào)平法的多點動作會出現(xiàn)相互干涉耦合，而且調(diào)平過程中易出現(xiàn)虛腿導致平臺形變撓度超過精度允許范圍[7]，因此，本文的調(diào)平策略采用以雙軸水平傳感器為測量依據(jù)的角度誤差控制法。為避免調(diào)平過程出現(xiàn)虛腿和干涉耦合現(xiàn)象，本文采用四點調(diào)平+兩點輔助方法[8]，即腿1、3、4、6 參與調(diào)平，遵循“追高法”原則，通過Y方向和X方向依次循環(huán)調(diào)整直至2 個方向均滿足水平要求，以達到解耦和調(diào)平的目的。調(diào)平過程中腿2 和腿5 若檢測到虛腿狀態(tài)則執(zhí)行落地伸出動作直至落地檢測到位，以此分擔負載，減小平臺機構(gòu)的彈性形變[9]。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的控制核心采用了擴展模塊豐富的貝加萊可編程計算機控制器X20CP3586。RJ45 端口連接工控觸摸屏，用于傳輸控制指令和顯示伺服狀態(tài)；RS485 擴展模塊連接型號為CSZQD 的水平傳感器，其采集Y方向和X方向的水平角度；CAN 通信擴展模塊連接遠程采集模塊X67BC7321，其采集6 條撐腿的落地檢測信號并判斷每個撐腿是否處于虛腿狀態(tài)；擴展模塊DO9322 和AO4622 連接壓力閥和放大器，經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換輸出的電流信號和數(shù)字量信號調(diào)控馬達轉(zhuǎn)動的速度和方向，以此控制6 個撐腿的調(diào)平動作。調(diào)平控制工作原理如圖3所示?；诳刂破鞯膹姶髷?shù)據(jù)處理能力，信號采集和輸出程序能在10 ms 的周期內(nèi)完成，為精準調(diào)平提供有力保障[10]。

圖3 調(diào)平控制系統(tǒng)工作原理示意圖

雙軸傾角傳感器CSZQD 的精度為6′′，為達到水平精度3′要求，Y方向和X方向的水平精度均需要滿足在′以內(nèi)。比例閥在精度控制、速度調(diào)節(jié)、環(huán)境適應(yīng)性等方面有顯著優(yōu)點[11]，因此，本文的平臺調(diào)平利用比例閥控制撐腿的同步性，可有效避免不同負載情況下的不同步現(xiàn)象發(fā)生。同時為彌補角度誤差控制法自身調(diào)節(jié)時間長的缺陷，撐腿落地檢測過程時，將比例閥閥值全開實現(xiàn)快速落地。本文采用調(diào)平過程中水平值大小為輸入的調(diào)平算法實時調(diào)節(jié)比例閥值開口大小，從而實現(xiàn)粗調(diào)平和精調(diào)平無縫銜接的智能快速精準調(diào)平。其調(diào)平機構(gòu)液壓系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 調(diào)平機構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

車載雷達停止到位后，啟動液壓泵組1.8，通過設(shè)定溢流閥1.9，使系統(tǒng)壓力達到需求值，壓力值通過壓力表1.10 讀取，油液通過單向閥1.11、高壓過濾器1.12 進入閥組。此時，通過控制比例閥2.3 的開度，實現(xiàn)油液流量控制，從而實現(xiàn)不同工況下的速度需求。油液經(jīng)過比例閥控制后到達電磁換向閥2.4，當電磁換向閥左側(cè)得電時，油液流進解鎖塊A 口及X 口。由于馬達處于自鎖狀態(tài)，解鎖塊A 口的油液無法流動，因此油液會從X 口流出并通過管路進入液壓馬達2.6 解鎖腔，隨著壓力升高，油壓自動打開液壓馬達自鎖結(jié)構(gòu)，使液壓馬達自由旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)6 個撐腿液壓缸伸出帶動平臺進入自動調(diào)平。

3 調(diào)平策略設(shè)計

由于閥控制馬達運動有一定的滯后特性[12]，因此，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)設(shè)定Y方向和X方向的水平角度判停范圍，分別為（?2.2′，2.2′）和（?2.5′，2.5′）。在調(diào)平過程中，腿2 和腿5 檢測到虛腿狀態(tài)即執(zhí)行落地伸出動作，當檢測到落地信號反饋，則停止動作，防止影響調(diào)平精度。因為控制器的程序周期是10 ms，過于頻繁的啟停動作會影響電器壽命，所以單腿動作落地間隔設(shè)為0.5 s[13]。

調(diào)平系統(tǒng)先執(zhí)行撐腿落地檢測，每個撐腿檢測到落地反饋信號即關(guān)閉相應(yīng)比例閥，停止動作，直至所有撐腿都落地到位再跳轉(zhuǎn)到調(diào)平階段。為避免虛腿現(xiàn)象，調(diào)平過程遵循“追高法”原則：先調(diào)平跨度大的Y方向，Y方向滿足水平范圍（?2.5′，2.5′）后，跳轉(zhuǎn)到X方向調(diào)平。腿1、6 和腿3、4 分別為一組，進行Y方向的水平調(diào)整，如Y值大于2.5′，腿3 和腿4 根據(jù)式（1）計算比例閥開口閥值，實現(xiàn)Y方向快速精準調(diào)平。

式中：Ay為比例閥開口模擬量；m為線性系數(shù)；Y為Y方向水平值；Y0和A0為常數(shù)。調(diào)平期間，腿2 和腿5 檢測為虛腿狀態(tài)時，執(zhí)行伸出落地動作，當檢測到克服腿的自重頂升至落地信號時，燈點亮，即關(guān)閉相應(yīng)比例閥，避免影響調(diào)平結(jié)果，延時0.5 s 后，再次檢測是否為虛腿狀態(tài)。當Y方向滿足水平范圍（?2.5′，2.5′）后，跳轉(zhuǎn)到X方向調(diào)平：腿1、3 和腿4、6 分別為一組，進行X方向水平調(diào)整，如X方向大于2.2′，腿1 和腿3 按照式（2）計算比例閥開口閥值，實現(xiàn)X方向快速精準調(diào)平。

式中：Ax為比例閥開口模擬量；n為線性系數(shù)；X為X方向水平值；X0和A0為固定常數(shù)。調(diào)平期間，腿2 和腿5 檢測為虛腿狀態(tài)時，執(zhí)行伸出落地動作，當檢測到克服腿的自重頂升至落地信號時，燈點亮，即關(guān)閉相應(yīng)比例閥，避免影響調(diào)平結(jié)果，延時0.5 s 后，再次檢測是否為虛腿狀態(tài)。當X方向滿足水平范圍（?2.2′，2.2′）后，若此時Y方向不滿足水平范圍，則跳轉(zhuǎn)到Y(jié)方向繼續(xù)調(diào)平，如此反復直至X和Y方向都滿足水平范圍，則再次執(zhí)行撐腿落地檢測，動作停止完成調(diào)平。停止動作時，液壓泵組1.8停止供油，油壓消失，比例閥關(guān)閉，液壓馬達2.6 解鎖腔油壓隨之消失，液壓馬達自鎖機構(gòu)在彈簧力的作用下自動將液壓馬達鎖止，從而實現(xiàn)自鎖[9]，調(diào)平算法流程如圖5 所示。

圖5 調(diào)平算法流程示意圖

4 伺服控制系統(tǒng)界面設(shè)計及試驗驗證

本文使用Automation Studio 軟件開發(fā)車載雷達伺服控制界面。其工控觸摸屏采用型號為5AP1120.101E 貝加萊10.1 英寸彩色觸摸屏。其調(diào)平控制界面如圖6 所示?？刂平缑孀髠?cè)顯示X和Y方向水平角度值、撐腿伸出狀態(tài)和撐腿收回狀態(tài)。以撐腿伸出狀態(tài)為例，數(shù)字1—6 表示相應(yīng)撐腿，若為綠色則表示落地檢測到位，否則為虛腿；中間6 個圓圈為綠色表明相應(yīng)撐腿正在執(zhí)行伸出動作；外側(cè)6 個文本框里的數(shù)值為相應(yīng)撐腿伸出的行程脈沖數(shù)。調(diào)平控制的故障報警信息位于界面右側(cè)，包括水平值超差、自動調(diào)平故障和6 個撐腿行程超差，圓圈紅色表示故障報警，綠色表示無故障。調(diào)平過程要求總時間小于2 min，X和Y方向水平角度絕對值之和不斷減小直至滿足水平精度需求以及6 個撐腿均未超過最大行程脈沖數(shù)。若其中一個條件未滿足則停止調(diào)平動作、自動調(diào)平故障置位報警并顯示紅色?？刂平缑嫦路绞? 行動作指令，其右側(cè)圓圈的不同顏色標識該動作指令的狀態(tài)：藍色閃爍表示該動作正在運行；綠色常亮表示處于動作到位狀態(tài)；灰色表示該動作既不正在運行也未動作到位。

圖6 調(diào)平控制界面

本文設(shè)計的調(diào)平系統(tǒng)經(jīng)過各種地形和環(huán)境的試驗驗證。其結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)的調(diào)平時間穩(wěn)定在2 min 內(nèi)、X軸和Y軸精度均小于2′，滿足某型雷達系統(tǒng)指標要求，解決了大型車載雷達快速架設(shè)精準穩(wěn)定的水平基準難題。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某型雷達，被交付使用后，獲得用戶一致好評。

5 結(jié)束語

本文的基于大型車載雷達平臺的調(diào)平控制系統(tǒng)采用六支點調(diào)平策略，其比例閥調(diào)平控制算法可調(diào)性高、應(yīng)用范圍廣。使用的主流控制器件和C 語言編程，具有完善故障診斷處理系統(tǒng)，使得本文調(diào)平控制方案移植方便、通用性好、工程應(yīng)用價值高。