大陣面天線(xiàn)折疊機(jī)構(gòu)的橫展同步控制系統(tǒng)

郭亞奎，吳影生，余澍民

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所,安徽合肥 230031）

雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能對(duì)雷達(dá)的快速反應(yīng)能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力有決定性影響。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需求，地面軍用雷達(dá)天線(xiàn)陣面越來(lái)越大，需要雷達(dá)在公路、鐵路和空運(yùn)中不拆分、不吊裝，可快速高效遠(yuǎn)程投送[1]。本文針對(duì)一種新穎的高壓縮比橫展結(jié)構(gòu)的大陣面天線(xiàn)折疊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了橫展同步控制系統(tǒng)，解決了低頻段大口徑雷達(dá)天線(xiàn)快速架撤和高機(jī)動(dòng)運(yùn)輸難題，可滿(mǎn)足機(jī)動(dòng)部署需求，提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力[2]。該橫展機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)同步控制系統(tǒng)，能確保橫展運(yùn)動(dòng)過(guò)程中天線(xiàn)列骨架不因形變損壞其內(nèi)部元器件。

1 邊塊橫展機(jī)構(gòu)

天線(xiàn)陣面骨架由左邊塊、右邊塊和中塊骨架組成，如圖1所示。雷達(dá)天線(xiàn)工作狀態(tài)尺寸為11900 mm ×8150 mm（長(zhǎng)×寬），天線(xiàn)質(zhì)量為16 t。邊塊可通過(guò)橫展伸縮和翻轉(zhuǎn)折疊實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)快速架撤狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖1 陣面骨架機(jī)構(gòu)示意圖

單個(gè)邊塊骨架包含11根列骨架、可自動(dòng)折疊的反射網(wǎng)、定位拉桿以及3組橫展驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。每組橫展驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由3節(jié)臂組成。展開(kāi)過(guò)程中液壓油由橫展油缸的活塞桿端進(jìn)油口進(jìn)入油缸腔體，隨著活塞桿端的伸長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)第二節(jié)臂展開(kāi)，滑輪組固定于橫展油缸的缸體端部，鋼絲繩繞過(guò)滑輪組一段固定在第一節(jié)臂上，另一端固定在第三節(jié)臂上。缸體向前移動(dòng)過(guò)程中，滑輪組也隨之向右移動(dòng)，通過(guò)鋼絲繩組，帶動(dòng)第三節(jié)臂同步展開(kāi)，如圖2所示。邊塊骨架展開(kāi)和收攏寬度分別為2900 mm和1360 mm，實(shí)現(xiàn)大于2倍的展收比。油缸兩端安裝了磁致伸縮位移傳感器，實(shí)時(shí)反饋每根油缸位移量。邊塊骨架在展開(kāi)過(guò)程中要確保兩側(cè)6個(gè)橫展油缸精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)同步，控制精度要求為3 mm以?xún)?nèi)，才能避免邊塊列骨架形變而損壞內(nèi)部電子器件。針對(duì)該陣面具有大跨距、大承載、高精度等特殊需求，邊塊橫展機(jī)構(gòu)的伺服控制采用電液伺服系統(tǒng)，它具有大質(zhì)量比、響應(yīng)速度快和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證，其能滿(mǎn)足邊塊橫展機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)控制需求。

圖2 橫展同步伸縮原理

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制核心采用功能強(qiáng)大、接口豐富的貝加萊可編程計(jì)算機(jī)控制器X20CP3586。通過(guò)RJ45端口與工控觸摸屏傳輸指令和顯示狀態(tài)；通過(guò)擴(kuò)展模塊DO9322控制壓力閥；通過(guò)AO4622及放大器處理模擬量信號(hào)，調(diào)控橫展油缸運(yùn)動(dòng)方向和速度；通過(guò)擴(kuò)展模塊AI4622采集磁致伸縮位移傳感器反饋信息，如圖3所示?；诳刂破鲝?qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，采樣控制周期僅為5 ms，為能精準(zhǔn)控制6組油缸同步伸縮提供有力保障。

圖3 橫展同步控制工作原理圖

橫展機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理如圖4所示。執(zhí)行橫展動(dòng)作時(shí)，啟動(dòng)液壓泵組1.8，通過(guò)預(yù)設(shè)的溢流閥1.9，使系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值，壓力表1.10顯示壓力值，油液通過(guò)單向閥1.11、高壓過(guò)濾器1.12進(jìn)入閥組。此時(shí)，壓力油可通過(guò)比例換向閥2.2、平衡閥2.3，到達(dá)油缸2.4，實(shí)現(xiàn)油缸的動(dòng)作：通過(guò)比例換向閥2.2的換向動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)油缸2.4的伸出和縮回動(dòng)作切換；通過(guò)控制比例換向閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)油液流量精準(zhǔn)控制。每條油缸兩端均安裝磁致伸縮位移傳感器2.5，伺服系統(tǒng)對(duì)橫展機(jī)構(gòu)液壓缸進(jìn)行PI同步算法控制，實(shí)現(xiàn)6個(gè)橫展油缸精準(zhǔn)同步。橫展動(dòng)作完成后關(guān)閉泵站，平衡閥在彈簧力的作用下自動(dòng)將液壓油缸鎖止。

圖4 橫展機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

油缸位移傳感器采用磁致伸縮位移傳感器，具有高精度、高可靠性和無(wú)磨損等優(yōu)點(diǎn)。液壓系統(tǒng)使用比例換向閥在精度控制、速度調(diào)節(jié)、環(huán)境適應(yīng)性等方面有顯著優(yōu)點(diǎn)，可有效避免不同負(fù)載情況下的不同步現(xiàn)象[3?5]出現(xiàn)。由于天線(xiàn)橫展驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分布跨度大，為提高控制精度，減少信號(hào)衰減損耗影響，因此，所選型使用的放大器、換向比例閥和磁致伸縮位移傳感器均采用電流式信號(hào)控制。

3 橫展同步控制策略

相對(duì)于常規(guī)線(xiàn)性調(diào)節(jié)控制策略，采用PI控制策略能提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，具有超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點(diǎn)。以橫展伸出動(dòng)作為例，按照油缸分布順時(shí)針標(biāo)為1—6號(hào)，給定2號(hào)油缸比例閥開(kāi)口輸出值為定值U2=U0，為保持1號(hào)和2號(hào)油缸同步，根據(jù)兩油缸位移傳感器反饋差值ΔS21K，實(shí)時(shí)計(jì)算1號(hào)油缸比例閥開(kāi)口度的增益值，增益值加上基礎(chǔ)值為比例閥開(kāi)口度的輸出值為U1K。PI同步控制原理圖如圖5所示。

圖5 橫展機(jī)構(gòu)PI同步控制原理

控制系統(tǒng)采樣周期為5 ms，ΔS21K=S2K?S1K作為動(dòng)作啟動(dòng)后控制器第k周期的偏差值，積分值為控制器從0到k周期ΔS21j的累加值，其中j=0，1，2，···，k，KP1和KI1分別為1號(hào)油缸的比例系數(shù)和積分系數(shù)，PI算法公式為

整理式（1），可得U1K，為

同理，3號(hào)和5號(hào)油缸為保持和2號(hào)油缸同步，可推出U3K和U5K的表達(dá)式，為：

得出5號(hào)油缸比例閥開(kāi)口度U5K后，4號(hào)和6號(hào)油缸均以U5K為基礎(chǔ)值，為保持和5號(hào)油缸同步分別計(jì)算出增益值，進(jìn)而用PI控制算法推導(dǎo)出U4K和U6K的表達(dá)式，為：

U0為給定2號(hào)油缸伸出動(dòng)作時(shí)比例閥開(kāi)口度的中位定值，對(duì)應(yīng)的油缸運(yùn)動(dòng)速度滿(mǎn)足架設(shè)機(jī)動(dòng)性要求，同時(shí)也給開(kāi)口度調(diào)節(jié)預(yù)留空間。PI算法控制須設(shè)置比例閥開(kāi)口度上下限值，防止輸出值溢出。完成PI同步控制算法程序后，使用調(diào)試筆記本與控制器X20CP3586網(wǎng)線(xiàn)連接通信，調(diào)用AS軟件Trace功能跟蹤橫展伸出過(guò)程中各油缸位移差變量值，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后生成位移差值變化曲線(xiàn)圖，根據(jù)變化曲線(xiàn)圖按照先調(diào)節(jié)1號(hào)和3號(hào)再調(diào)節(jié)5號(hào)最后調(diào)節(jié)4號(hào)和6號(hào)油缸的比例系數(shù)和積分系數(shù)的順序調(diào)控。根據(jù)PI控制原理可知：比例系數(shù)偏大會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，偏小則調(diào)節(jié)速度慢；積分系數(shù)偏大消除偏差快、但穩(wěn)定性減小，偏小則系統(tǒng)偏差波動(dòng)周期長(zhǎng)。本文先嘗試預(yù)設(shè)各油缸系數(shù)值，再按照調(diào)試順序依次根據(jù)位移差變化曲線(xiàn)圖微調(diào)油缸比例系數(shù)和積分系數(shù)，直至橫展展開(kāi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位移差值能快速響應(yīng)且穩(wěn)定在同步精度需求范圍內(nèi)，并將此組參數(shù)作為橫展展開(kāi)的PI控制參數(shù)，如1號(hào)油缸比例系數(shù)KP1=9.8、積分系數(shù)KI1=0.6。

區(qū)別于橫展伸出動(dòng)作，執(zhí)行橫展收回動(dòng)作時(shí)油缸為有桿腔進(jìn)油驅(qū)動(dòng)，此時(shí)給定的2號(hào)油缸比例閥開(kāi)口度值按照進(jìn)油口有效橫截面之比折算，其值要小于U0，再按照同樣的調(diào)試過(guò)程整定橫展收回各油缸的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

4 橫展控制界面設(shè)計(jì)

工控觸摸屏采用型號(hào)為5AP1120.101E貝加萊10.1英寸彩色觸摸屏，使用Automation Studio軟件開(kāi)發(fā)車(chē)載雷達(dá)伺服控制界面。其中橫展控制界面左側(cè)顯示邊塊橫展油缸狀態(tài)，數(shù)字1—6旁邊的圓圈為綠色表示相應(yīng)橫展油缸正在動(dòng)作，對(duì)應(yīng)文本框里的數(shù)值為該油缸位移傳感器反饋位移值，中間部位5個(gè)文本框?yàn)檫B接線(xiàn)對(duì)應(yīng)的兩油缸位移差值。橫展控制的故障報(bào)警信息位于界面右側(cè)：控制器故障、5個(gè)位移超差故障、6個(gè)放大器故障和6個(gè)位移傳感器故障；圓圈紅色表示故障報(bào)警，綠色表示無(wú)故障。橫展伸出運(yùn)行過(guò)程中每個(gè)掃描周期循環(huán)檢測(cè)：控制器自檢是否有故障；兩油缸位移差值是否超過(guò)設(shè)定報(bào)警值；放大器自檢輸入信號(hào)是否處于正常范圍；位移傳感器反饋值是否處于設(shè)定范圍?？刂平缑嫦路接袃尚袆?dòng)作指令，其右側(cè)圓圈的不同顏色標(biāo)識(shí)該動(dòng)作指令的狀態(tài)：藍(lán)色閃爍標(biāo)識(shí)該動(dòng)作正在運(yùn)行；綠色常亮表示處于動(dòng)作到位狀態(tài)；灰色表示該動(dòng)作既不正在運(yùn)行也未動(dòng)作到位。由于液壓系統(tǒng)遲滯性，位移超差報(bào)警界限值設(shè)為2.5 mm，確保在調(diào)試和工作過(guò)程中不會(huì)因位移超差導(dǎo)致列骨架形變損壞其內(nèi)部功能器件，橫展控制界面如圖6所示。

圖6 橫展控制界面

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)：執(zhí)行橫展動(dòng)作指令，觀(guān)察770 mm全行程過(guò)程中位移差值變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)作起始瞬間最大位移差值為1.5 mm，PI控制策略快速響應(yīng)，在2 s內(nèi)將位移差值動(dòng)態(tài)調(diào)整到0.8 mm以?xún)?nèi)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐和環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該橫展同步控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)兩側(cè)六缸的精準(zhǔn)同步控制，動(dòng)態(tài)位移差值小于2 mm，滿(mǎn)足某型雷達(dá)陣面精度3 mm的要求且有效保護(hù)邊塊列骨架，解決了低頻段大口徑雷達(dá)天線(xiàn)快速架撤和高機(jī)動(dòng)運(yùn)輸難題，為某雷達(dá)項(xiàng)目的順利研制解決了瓶頸問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某新穎的高壓縮比橫展結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)，本文設(shè)計(jì)了精準(zhǔn)同步控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PI同步控制算法，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)兩側(cè)六缸的精準(zhǔn)同步，其PI算法具有可調(diào)性高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。同時(shí)該控制系統(tǒng)使用主流控制器件和C語(yǔ)言編程，其移植方便、通用性好、工程應(yīng)用價(jià)值高。